МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ: НОВЫЙ ВИТОК В ЭВОЛЮЦИИ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА

Ответьте мне пожалуйста на один вопрос. Как часто Вас посещала ностальгия о наших дорогах, во время поездок по странам Евросоюза? Стоило хотя бы на недельку вырваться в цивилизованный мир, и Вы с ужасом замечали как не хватает дорогих для сердца колдобин и ям, трещин и канавок? Скорее всего – не часто, а точнее – никогда! Вы, наоборот с удовольствием колесили по этим эталонам дорожного строительства, лишь изредка ловя себя на мысли, что скоро придется возвращаться в “родные котлованы”. Но любоваться и завидовать все умеют. Загвоздка в другом. Главное понять, что позволяет европейцам делать такие совершенные дорожные полотна, и попытаться перенести кусочек “идиллии” в родные “городские джунгли”. Любой технически грамотный человек, наверняка сразу догадается, что особых секретов здесь нет. Все дело в материалах и технологиях их получение. И это правильно. Европейцы давно уже перешли от использования горячего асфальта к технологии битумных эмульсий и модифицированных битумов, которые позволяют с точностью, достойной ювелира, создавать узоры дорожных направлений и мастерством, равным лучшему из пластических хирургов, устранять все структурные деформации. Кроме того и срок пригодности таких дорожных покрытий также значительно выше из-за несравнимо более качественных эксплуатационных свойств. Но не стоит думать, что совершенство далеко, скрываясь за границами Италии, Швеции или Дании, которые являются признанными лидерами в этом направлении. Нет. Такие технологии также подвластны и нам, находясь совсем рядом. Предлагаю ознакомиться с прогрессивными технологиями, позволившими европейцам с легкостью и комфортом передвигаться, как в той задаче: “из пункта А в пункт Б”, не тратя время на пункты “В” – ремонт машины, и “Г” – медицинский ремонт “себя любимого”.

БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ

Этот материал используется в укреплении оснований, в ремонте дорожных покрытий и в связывании грунта, в строительстве дорог и скоростных магистралей. Эмульсия представляет собой смесь, содержащую 50 – 70% битума и 30 – 50% воды. Чтобы эти компоненты оставались в смешанном состоянии, добавляют эмульгатор (соединение с характерными свойствами для поверхностно активных веществ, например: сульфатное мыло, асидол мылонафт, катапин А, кубовые остатки СЖК, железные соли высших карбоновых кислот), который хотя и гораздо дороже, чем битум, но расходуется значительно меньше (0,6 – 1,6 %).

Битум, взвешенный в виде капелек, является дисперсной фазой, а вода, в которой распределён битум, называется дисперсионной средой [Гельфман М.И., 2005].

Дорожные битумные эмульсии появились в 20-х годах прошлого века [Будник В.А., 2006]. Их разработчиками стали французские исследователи. Использование битумных эмульсий позволило избежать некоторых сложностей, с которыми люди сталкивались при использовании разогретого битума (повышенная вязкость и, следовательно, повышенный расход битума, загрязнение атмосферы и расход энергии на разогрев битума).

Для эмульгирования битума широко применяются следующие способы:

1) Общепринятым методом является технология эмульгирование при помощи коллоидной мельницы (дезинтегратора), разрабатываемая многими фирмами, в частности Дании и Италии. Но, этот процесс помимо широкого распространения обладает и колоссальным недостатком: акцент на коллоидную мельницу значительно повышает износ механизма, замена которого обойдется в треть стоимости установки.

2) Очевидные проблемы предыдущего метода способствовали появлению более прогрессивной технологии, а именно ультразвуковой гидродинамической кавитации, которая является одним из наиболее прогрессивных видов получения битумных эмульсий и прочих необходимых смесей. Особенностью предлагаемого направления является применение эжекционного метода и ультразвуковой системы смешивания, что дает возможность полноценной гомогенизации раствора при высоких скоростях, за счет перепада давления и разрыва частиц битума. В гидродинамическом смесителе используется процесс смешения, позволяющий одновременно подавать все компоненты в заданном рецептурном соотношении в общий смесительный коллектор, по которому готовый продукт подается в хранилищный резервуар. Преимуществами такой технологии являются точный контроль дозирования каждого компонента, значительное сокращение продолжительности смесительного цикла и отказ от использования смесительных емкостей для обеспечения гомогенизации готового продукта. В ходе процесса смешения в поточном смесителе расход каждого компонента постоянно регулируется с целью обеспечения на выходе из смесительного коллектора готового продукта со стабильными качественными показателями согласно заданной рецептуре. [Рубан А.]. Также в этой технологии остался принцип коллоидной мельницы, но нагрузка на нее сведена к минимуму.

Кроме того, существовала и менее прогрессивная методика: эмульгирование при помощи пропеллерной мешалки, которая уже морально и технологически устарела. [Будник В.А., 2008.]

Поверхностную обработку с использованием битумных эмульсий необходимо проводить в следующем порядке:

  • подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и выполнение в случае необходимости ремонтных работ;

  • смачивание поверхности водой (в жаркую сухую погоду);

  • розлив эмульсии по покрытию в количестве 30% нормы;

  • распределение щебня в количестве 70% нормы;

  • розлив оставшейся эмульсии (70%);

  • распределение оставшегося щебня (30%);

  • укатка;

  • уход в период формирования.

Температура и концентрация эмульсии устанавливается с учетом погодных условий [Рвачева Э.М., 2004.]. При температуре воздуха ниже 20 °C следует применять эмульсию с температурой 40 – 50 °C и концентрацией битума 55 – 60%. А, при температуре воздуха выше 20 °C эмульсию применяют в холодном состоянии, а концентрацию битума можно снизить до 50%.

Уход за поверхностной обработкой с применением битумных эмульсий выполняется так же, как и при использовании обычного битума. При использовании анионных эмульсий движение автомобилей открывается не ранее чем через 1 сутки после окончания работ.

Битумные эмульсии обладают целым рядом преимуществ по сравнению с горячим битумом при использовании в дорожном строительстве. К числу их неоспоримых достоинств относятся:

  • не требуют подогрева перед применением, что существенно снижает энергетические (на 25 – 40 %) и трудовые затраты (поскольку добавление воды для облегчения работы не требует больших усилий) на производство дорожных работ;

  • обеспечивают экономию битума до 30 – 40% за счет малой вязкости, хорошей смачиваемости и обволакиваемости минерального материала;

  • совмещаются с влажными твердыми материалами благодаря наличию в их составе воды, что позволяет работать на влажных дорожных покрытиях и минеральными материалами естественной влажности;

  • позволяют вести дорожные работы с ранней весны до поздней осени при относительно низких температурах атмосферного воздуха (не ниже +5оС);

  • за счет эмульгатора обеспечивают лучшее по сравнению с обычным битумом сцепление с минеральным материалом;

  • обеспечивают большую гибкость в организации и проведении работ со складируемыми эмульсионно-минеральными смесями благодаря длительному (до 6 месяцев) времени их хранения без затвердевания;

  • исключают возможность получения ожогов дорожными рабочими, повышая тем самым безопасность труда;

  • не пожароопасны, поскольку в их состав входит вода;

  • выделяют в атмосферный воздух значительно меньше загрязняющих веществ по сравнению с горячим битумом;

  • продлевают сезон дорожно-строительных работ на 1,5 – 2 месяца.

Важно знать, что частицы битума в эмульсиях могут иметь различный заряд [Леффлер У.Л., 2004]. Так, отрицательно заряженные эмульсии называются анионными. Их использование связано с определенными трудностями, поскольку часть наполнителей, которые используют в смесях с битумом, также отрицательно заряжена. В связи с этим, иногда оказывается проблематично качественно гомогенизировать наполнитель с битумной эмульсией. Эта деятельность превращается в настоящий “сизифов труд”, если попытаться проделать такое в сырую погоду, когда возможны электрические токи. Для борьбы с подобным явлением придумали специальные эмульсии, в которых частицы битума заряжены положительно. Такие эмульсии, которые называют катионными, охотно совмещаются с наполнителем. Для дорожных работ в основном применяют катионные эмульсии. При приготовлении анионных эмульсий также добавляется щелочь, а в катионных – кислота в составе 0,04 – 0,25 % (в зависимости от состава эмульгатора и рН воды).

Кроме того, могут использоваться битумные пасты и мастики [Ещенко А.И., 2005]. Битумные пасты отличаются от битумных эмульсий другими пропорциями компонентов (битум – 40 – 55%, эмульгатор – 8 – 15 % и вода – 30 – 50 %), и иными эмульгаторами (мелкодисперсные материалы: высокопластичные и пластичные глины, тяжелые суглинки, известь I и II сорта, трепел, лесс, диатомит, сиштоф и др.). Битумные мастики – это смесь битумной пасты с минеральным заполнителем, как правило мелкодисперсным, с максимальным размером зерен не более 1,25 мм. И если,битумные эмульсии бывают холодными, то есть использоваться с температурой, соответствующей температуре окружающего воздуха (до 5 оС), то пасты и мастики могут быть как холодными, так и горячими с температурой от 80 до 200 оС.

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БИТУМЫ

Для улучшения физико-химических эксплуатационных свойств также активно используют различные полимерные модификаторы. Использование модифицированных битумов вместо классических аналогов в асфальтобетонных смесях позволяет расширить температурный интервал работоспособности асфальтобетонного покрытия при сезонных перепадах температуры, обеспечить противодействие деформациям, возникающим под действием транспортных нагрузок (колее- и трещинообразование), значительно увеличить общий срок эксплуатации автомобильной дороги. Это, прежде всего вызвано тем, что чистый битум не всегда соответствует высоким эксплуатационным запросам современности, особенно когда речь идет об экологической безопасности, охране труда, сопротивления износу и повышенным температурам.

По определению, данному в работе [Афиногенов О.П., 2000.]:

Модифицированный битум – вяжущее, изготовленное на основе вязкого дорожного битума путем введения полимеров и, при необходимости, пластификаторов, либо другим способом.

Основными условиями, которые должны быть удовлетворены модификатором битумов, являются: дешевизна сырьевой базы, простота технологического процесса получения и экологическая безопасность. К сожалению, многие вещества, используемые для улучшения отвечают только одну или двум пунктам, оставляя без внимания другие показатели. Главной задачей можно обозначить поиск универсального многофункционального модификатора.

1) Одним из примеров модификации является введение в битум парафиновых восков, FT-парафинов [Золотарев В.А., 2009], назначением которых является улучшение механических характеристик битумов в области умеренных эксплуатационных температур и понижение вязкости вяжущего при высоких технологических температурах. Введение в стандартные битумы 3% парафиновых добавок с высокой температурой плавления приводит к практическому переводу их по показателю пенетрации в более консистентную марку, резко повышает их температуру размягчения, снижает дуктильность до уровня меньшего нормативных требований, повышает индекс пенетрации за счет огромной температуры размягчения до чрезмерно высокого и неприемлемого для обычных битумов значений. Правда, парафиновые добавки не улучшают качества битумов, а только снижают технологические температуры приготовления асфальтобетонных смесей и устройства покрытий и лишь незначительно компенсируют энергозатраты.

2) Модификаторы-полимеры – являются наиболее востребованными в современном рынке дорожного строительства. Их можно разделить на две крупные группы: термореактивные, необратимо твердеющие при определенной температуре (их применение в устройстве поверхностной обработки повышает антигололедные свойства дорожного покрытия) и термопластичные, которые многократно обратимо размягчаются и становятся пластичными под действием тепла (они используются в комбинации с битумом и при повышенной температуре их смесь является более или менее вязкой жидкостью) [Киричек Ю.А., 2008.].

Наиболее характерным названием для подобных композиций является полимерно-битумный вяжущий, далее ПБВ, который чаще всего встречается в литературе. Для правильной оценки эффективности применения тех или иных полимеров в отношении определенного битума следует учитывать состав и структуру исходного битума. В этих целях чаще всего используют хроматографический анализ, который позволяет разделять битумы на две основные фракции: асфальтеновую (осажденную) и мальтеновую (растворимую) [Соколов А.Б., 2005]. С этим необходимо считаться при добавлении каких-либо полимерных соединений. Так, добавление полимеров с подобными или более высокими, чем у асфальтенов, молекулярными массами нарушает равновесие фаз, поскольку и асфальтен и полимер обладают способностью набухать в мальтеновой фазе, тем самым оказывая влияние на ее растворяющую способность.

Многообразие применяемых в промышленности термопластов открывает новые возможности регулирования свойств битумов в требуемом направлении. Учеными выявлено корреляцию между значениями гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) полимеров и их совместимостью с битумами. Так, при ГЛБ < 1,5 – наблюдается полная совместимость, при 1,5 £ ГЛБ £ 4 – частичная совместимость полимера в мелкодисперсном состоянии, при ГЛБ > 4 – имеет место полная несовместимость. Соединения, имеющие большую энергию когезии как в ароматических соединениях,дают менее стабильные смеси с битумом [Стоян И.А.]. В качестве примера можно взять бензол, который имеет энергию когезии, равную 38 ккал/моль, и полностью совместим, в то время как антрацен с энергией когезии, равной 104 ккал/моль, практически не совместим с битумом.

Не менее важным фактором, влияющим на выбор битума и полимер-вяжущего к нему является адгезия, которая является параметром, определяющим долговечность строительных конструкций и дорожного покрытия [Кортянович К.В., 2006]. Она объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела плёнки битума и твёрдого минерального материала. Свойства тонкого слоя битума, адсорбционно связанного с минеральным материалом, зависят от химического и минерального состава, структуры поверхности минерального материала, структуры и свойств битума, а также условий взаимодействия между ними на границе раздела фаз. Следовательно, адгезионные свойства битума будут зависеть от полярности его компонентов, так же используемого модификатора.

Основные полимеры, используемые для модификации битумов

(По материалам: Киричек Ю.А., 2008.)

Термоэластопласты

Термопласты

Латексы

Сополимеры стирол-бутадиен-стирол

Сополимеры этилен-винилацетат

Полихлоропреновые

Сополимеры стирол-изопрен-стирол

Сополимеры этилен-бутилакрилат

Каучукстирол-бутадиеновый

Сополимеры стирол-бутадиен

Каучук натуральный

Статистические сополимеры стирол-бутадиен

Полиизобутилен

Каучуковая пудра

При введении полимеров с сильным межмолекулярным взаимодействием, например полистирола (2600 кал/моль) или поливинилацетата (3200 кал/моль), повышается интенсивность межмолекулярного взаимодействия в битумах и возрастает температура их размягчения. Также необходимостремиться к одновременному улучшению теплостойкости (температуры размягчения) и трещиностойкости (температуры хрупкости) битумов.

Кроме того, следует учитывать деградацию пластиков под влиянием микрофлоры. Так, по данным [Каневская И.Г., 1984],развитие грибов на полимерах начинается с утилизации низкомолекулярных фракций. Наиболее интенсивно поражаются грибами и бактериями полиэтилены с низкой молекулярной массой. Установлено, что микроорганизмы развиваются на пластиках со скоростью обратно пропорциональной их молекулярной массе.

Подытоживая выше сказанное, следует отметить всю принципиальную важность подбора необходимых полимер-вяжущих материалов или эмульгаторов для улучшения битумных композиций, что является делом весьма непростым и скрупулезным, зависящим от многих структурных и функциональных факторов. В данном выборе очень важно опираться на профессионализм и компетенцию фирмы, занимающейся оборудованием для эмульгирования и модификации битумов.