CC BY
10
УДК 625.06
Мохов Д.В. студент 4 курса Северо-Восточный Федеральный Университет
Автодорожный факультет Россия, г. Якутск
Mokhov D.V. 4th year student North-Eastern Federal University
Road Faculty Russia, Yakutsk
ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ -ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНАЯ ОСНОВА ДЛЯ АСФАЛЬТА НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
POLYMER-BITUMEN BINDING - HIGH-TECH PRINCIPAL FOR NEW-GENERATED ASPHALT
Проводится обзор модифицирования дорожного битума полимерами. Рассмотрена сложившаяся ситуация дорожной отрасли ВосточноСибирского региона. Срок службы дорожного покрытия зависит от интенсивности транспортного движения и климатических условий на эксплуатируемых участках. Требованием повышения эффективности дорожного строительства является качество дорожно-строительных материалов, из которых самым важным и дорогим считается битум.
Ключевые слова: полимер; дорожный битум; модификатор; пластификатор; асфальт; дорожное полотно; асфальтобетон; качество; свойства; СБС - блоксополимеры.
The paper reviews road bitumen modification with polymers. It discusses the current situation in the Road sector of the East Siberian region. The service life of pavement depends on traffic intensity and climatic conditions in the sections being used. Increasing efficiency of road construction requires high quality road construction materials, whereas bitumen is considered the most important and expensive.
Key words: polymer; road bitumen; modifier; plasticizer; asphalt; roadbed; bituminous concrete; grade; properties; SBStype block copolymers.
Одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является качество дорожных битумов. Битумы не обладают требуемыми адгезионными свойствами, так как склеивают только минеральные частицы основной породы и, кроме того, становятся хрупкими при наступлении зимы практически на всей территории России, а особенно на территории Сибирского федерального округа. Это предполагает
образование трещин на покрытиях, которые ввиду малой прочности асфальтобетона быстро превращаются в выбоины.
Обычные асфальтобетонные покрытия на основе битума не способны обеспечить в условиях современного грузонапряженного и интенсивного движения требуемых физико-механических свойств покрытий и их долговечность. Одним из основных радикальных способов повышения качества и долговечности асфальтобетонных покрытий является модификация битумов полимерными материалами. Экономические соображения требуют, чтобы модифицирующий эффект полимеров был значительным при малых их добавках.
Введение модификаторов улучшает основные показатели полимерно-битумных вяжущих (ПБВ): увеличивает температуру размягчения, снижает температуру хрупкости, улучшает адгезию. Кроме того, полимерные добавки придают вяжущим эластичность, а следовательно, и способность к большим эластическим деформациям.
Создание полимерно-битумных материалов - наиболее перспективный путь создания высококачественных дорожных покрытий, герметиков, гидроизоляции, мягкой кровли и др.
В силу физической природы и структурных особенностей асфальтобетона основным способом повышения сроков службы покрытий является изменение структуры и свойств органических вяжущих материалов, используемых для его приготовления.
Повсеместно применяемые органические вяжущие - дорожные битумы не отвечают современным требованиям дорожного строительства в России по следующим причинам:
- недостаточно трещиностойки в условиях России, так как более 95% ее территории характеризуется температурой наиболее холодных суток ниже минус 25°С, 65% территории - ниже минус 35°С и 35% территории - ниже минус 40°С[1];
- имеют недостаточный температурный интервал работоспособности, т.е. при требуемой для обеспечения необходимой теплостойкости покрытий - температуре размягчения (порядка 50°С) - они не обладают даже минимально требуемой температурой хрупкости минус 25°С, не говоря уже о районах Сибири, где требуемые температуры хрупкости органических вяжущих должны достигать минус 45°С, что соответствует расчетным зимним температурам дорожных покрытий;
- неэластичны, так как по своей природе являются термопластами, а в условиях современного грузона-пряженного и интенсивного движения автомобилей, обусловливающего многократные динамические воздействия на покрытие, органические вяжущие должны быть эластомерами, т.е. характеризоваться высокой эластичностью - способностью к большим обратимым деформациям во всем диапазоне эксплуатационных температур.
В связи с вышеизложенным, сложилась необходимость в будущем
вместо битумов применять ПБВ, которые относятся к классу эластомеров и характеризуются требуемыми показателями эластичности, температурного интервала работоспособности, трещино-стойкости (температурой хрупкости) и теплостойкости (температурой размягчения).
Вяжущее может быть отнесено к классу эластомеров только в том случае, если его показатель эластичности не менее 70%, что и регламентировано в ОСТ 218.010-98 для ПБВ на основе стирол-бутадиен-стирол (СБС).
Температура хрупкости ПБВ должна быть близка к температуре воздуха наиболее холодных суток района строительства или хотя бы не выше зимних рас- четных температур покрытия с тем, чтобы при достижении этих температур вяжущее не становилось бы хрупким, а сохраняло работоспособность и способствовало релаксации напряжений, возникающих в них от комплексного воздействия изменения температур и многократного динамического воздействия от колес автомобилей.
Температура размягчения вязких ПБВ должна быть не ниже расчетной температуры сдвигоустойчивости покрытия, основанной на средней максимальной температуре воздуха наиболее жаркого месяца района строительства при скорости ветра 1 м/с, чтобы обеспечить требуемую теплостойкость и сдвигоустойчивость покрытий.
ПБВ должны характеризоваться необходимой адгезией к поверхности минеральных материалов, используемых в данной
полимерасфальтобетонной смеси или поверхностной обработке, чтобы как минимум обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без шелушения и выкрашивания.
Полимерасфальтобетонные смеси должны подбираться и уплотняться в покрытии с минимально возможным показателем водонасыщения, который должен обязательно обеспечиваться использованием соответствующей техники и технологии, при содержании в полимерасфальтобетоне максимально возможного количества ПБВ. Это в свою очередь позволит обеспечить наибольшую деформативность покрытия при низких и отрицательных температурах и высокую усталостную прочность, а следовательно, и долговечность [2].
Главной задачей модифицирования вяжущих является получение товарного продукта с улучшенными свойствами. Добавляя в два этапа небольшое количество полимера по нашей технологии, мы добиваемся заметного улучшения показателей качества покрытий: морозостойкость, трещиностойкость, сдвигоустойчивость, повышается адгезия к различным материалам, устойчивость к старению и эластичность дорожного полотна. При незначительном увеличении стоимости (на 10-15%) существенно (в 22,5 раза) повышается долговечность дорог и уменьшаются затраты на их ремонт.
Полимерно-битумное вяжущее отвечает самым современным требованиям, предъявляемым к материалам и тенденциям развития вяжущих, применяемых в дорожном строительстве:
-повышенная эластичность при низких температурах;
-повышенная вязкость при высоких температурах.
Существуют следующие способы совмещения полимеров с битумом:
- совмещение крупнокускового эластомера, предварительно хорошо пластифицированного на вальцах, с битумом в смесителе;
- совмещение полимера в виде крошек или гранул с расплавленным битумом;
- введение в битумы растворов полимеров в низкоплавких битумах и маслах при температуре 180°С - 200°С;
- совмещение с битумом растворов полимеров в органических растворителях (лигроин, керосин, толуол и т.п.). Растворы легко вводятся в расплавленный битум и дают однородные смеси;
- введение полимеров в виде порошков в расплавленный битум при интенсивном перемешивании.
Для улучшения совместимости с битумом полимеров, не растворимых и не набухающих в растворителях, в качестве третьего компонента добавляют полимер, хорошо растворимый в битуме. Совмещение полимеров с битумами обычно осуществляется в смесителях при температуре выше 150°С, но не превышающей температуру разложения полимера, или каландрированием на вальцах в различных температурных режимах[3].
Различают одностадийную схему производства, когда все три компонента добавляются в мешалку одновременно, и 2-стадийную - когда предварительно готовится раствор полимера в пластификаторе.
Добавки небольшого количества полимера (3-5% термоэластопласта ДСТ-30-01) и некоторых других материалов заметно улучшают качество покрытий: температура хрупкости (достигает -35°С), трещиностойкость, сдвигоустойчивость[4].
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) отличаются повышенной долговечностью, улучшенными адгезионными и реологическими свойствами (рис. 1).
Применение ПБВ позволяет улучшить экологический и социальный аспекты. Освоение производства опытной партии ПБВ с использованием отечественного термоэластопласта ДСТ-30-01 показало:
- надежность работы всех технологических узлов опытно-промышленной установки модификации битума;
По:шмсрш*ч'штумныс вяжущие (ИБП)
Рис. 1. Области применения полимерно-битумных вяжущих
- высокое качество полученных ПБВ, полностью удовлетворяющих требованиям на эти продукты;
- оперативность проведения дорожных испытаний (опытная партия модифицированного битума использована для изготовления полимерасфальтобетона и укладки его в верхний слой дорожного покрытия на Федеральной дороге Красноярск-Иркутск («Прибайкалье») на участке около 1000 м).
На НПЗ ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» может быть запущена в промышленную эксплуатацию установка получения модифицированных битумов. Основные компоненты для производства ПБВ производятся на НПЗ «АНХК». В качестве основного компонента при получении модифицированных битумов используются окисленный дорожный битум БНД и пластификатор - масляный дистиллат. Полимер-пластификатор отечественного производства ДСТ-30- 01 ("Воронежсинтезкаучук") по своим свойствам не уступает зарубежным аналогам, что позволяет получать модифицированные битумы на уровне зарубежных. Для набухания и массообмена между смешиваемыми компонентами используются механические смесители конструкции ЦНКБ (г. Москва). На установке была получена партия модифицированного битума ПБВ 130/200 по ТУ 35-1669-88 в количестве 60 т, которая отгружена потребителю и использована для укладки Федеральной дороги в районе Биликтуя Михайловским ГУДЭП.
Кроме этого, получена опытная партия модифицированного ПБВ 60 по ОСТ 218.010- 98. Кроме модифицированного битума, имеется возможность получать на этой установке целую группу новых продуктов (изменяя процентное содержание полимера и пластификаторов в смеси): битумные мастики для высококачественной защиты трубопроводов, герметики, уплотнители для швов взлётно- посадочных полос аэродромов, сырья для
получения качественных битумных эмульсий, гидроизоляцию для промышленного и гражданского строительства и т.д.
В качестве полимерной добавки, создающей пространственную эластичную структурную сетку в битуме, были выбраны полимеры класса термоэластопластов (блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС), так как они сочетают в себе необходимые для поставленной цели преимущества по сравнению с полимерами других классов (эластомерами, пластмассами, реактопластами).
Основная цель введения полимера в битум - понижение температурной чувствительности вяжущего, т.е. увеличение его жесткости летом и уменьшение зимой. Другая цель - придание вяжущему эластичности (способности к восстановлению первоначальных размеров и формы при разгрузке после большой деформации). Если эти цели достигнуты, то дорожно-строительный материал на основе ПБВ обладает повышенной устойчивостью против образования остаточных деформаций (колеи) летом, поперечных температурных трещин зимой и обладает повышенной усталостной трещиностойкостью (выносливостью) при повторном изгибе
[5].
Соотношение зернового состава асфальтобетонной смеси с показателями ГОСТ
.Размер зерен, мм, 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071
мельче
Зерновой состав по 90- 75- 62- 40- 28- 20- 14- 10- 6- 4-10
ГОСТ,% 100 100 100 50 38 28 20 16 12
Зерновой состав 96,9 87,6 64,6 43,9 3,0 4,2 9,9 5,9 12,3 8,4
фактич., %
ПБВ должны характеризоваться необходимой адгезией к поверхности минеральных материалов, используемых в данной
полимерасфальтобетонной смеси или поверхностной обработке, чтобы как минимум обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без шелушения и выкрашивания. Полимерасфальтобетонные смеси должны подбираться и уплотняться в покрытии с минимально возможным показателем водонасыщения, который должен обязательно обеспечиваться использованием соответствующей техники и технологии, при содержании в полимерасфальтобетоне максимально возможного количества ПБВ. Это, в свою очередь, позволит обеспечить наибольшую деформативность покрытия при низких и отрицательных температурах и высокую усталостную прочность, а следовательно, и долговечность.
Как видно из графика (рис. 2), более высокие показатели качества битума достигаются при модификации его тяжелым газойлем каталитического крекинга (ТГКК) и экстрактом селективной очистки масел, что обуславливается высоким содержанием в них ароматических структур.
^ 160 2 МО
* ж
Е
о а
9* *
к я
5 С.
я я
* ь.
а Р
г В
80 60 40 20 О
1 ................. ..... ................
/ 146\.
ОЛ 97 N.96
102 —- -Л*
--86
-" —»___
/69 68 .. . . ....... "74
-22 / •21 -25 1 ■ —. А ...Т.-
■ и -¿2-г -30
30 и
о
о
2
в
>>
а
|
я в
-40
исходный без пласги-БНД фи каюра 90/130
гудрон ТГКК жора кг
пенетраикн при 25 °С -•-Т ра1МЯ1чемня
— эластичность дуктмльночгть
-*- Т хрупкости 1
Рис. 2. Влияние различных пластификаторов на показатели качества ПБВ
Результаты испытаний лабораторных проб асфальтобетонной смеси, изготовленной на ПБВ 60 с применением СБС полимера Kraton D1101. • Вид, тип, марка асфальтобетонной смеси: Р- 356/1, горячая плотная мелкозернистая, тип А, марка 1 по ГОСТ 9128-97. • Зерновой состав (таблица). Таким образом, температурный диапазон ПБВ не намного шире, чем у дорожного битума, но это только на первый взгляд. Если посмотреть на методы испытаний, по которым определяются границы температурного интервала, становится понятно, что они не совсем верно отображают поведение материала в реальных условиях эксплуатации. Наиболее важным отличием ПБВ от битума является его способность демпфировать (снимать) напряжения, вызванные динамическими нагрузками от колес а/м, данное свойство определяет более высокую трещиностойкость покрытий из полимерасфальтобетона на ПБВ.
Использованные источники:
1. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы. М.: Транспорт, 1973. 362 с.
2. Гохман Л.М., Гурарий Е.М., Давыдова А.Р., и др. Поли- мерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства: обзорная информация. М.: Со- юздорнии, 2002. Вып. 4. 81 с.
3. Дошлов О.И. Адгезия и адгезивы // Полимерно- битумные вяжущие (технология, получение, применение): монография. Иркутск, 2006. Т. 3, 280 с.
4. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. М., 2008. 81 с.
5. Горохов А.П., Спешилов Е.Г., Серебренников О.Г. Про- изводство и применение полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) в дорожном, гражданском и промышленном строи- тельстве // Материалы Всероссийской конференции моло- дых ученых, аспирантов и студентов с международным уча- стием «Менделеев 2012». СПб., 2012. 545 с.
