Применение модифицированных битумов в дорожном строительстве

Асфальтобетонное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к воздействию суточных и сезонных температурных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить данную задачу, является применение битумов, модифицированных полимерами. Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что одним из многочисленных факторов, влияющих на снижение долговечности асфальтобетонных покрытий, является применение в асфальтобетонных смесях битума низкого качества. Анализ результатов испытаний «Центра лабораторного контроля, диагностики и сертификации» ФДС России показывает, что 68% дорожных битумов марок БНД, применяемых для асфальтобетонных смесей, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90 хотя бы по одному из физико-механических показателей. При этом по показателю «глубина проникания иглы при 0 0С» требованиям ГОСТ 22245-90 не соответствует 31% проб битума, 26% проб – по показателю «растяжимость при 0 0С», 21% проб – по «изменению температуры размягчения после прогрева», 16% проб – по «растяжимости при 25 0С» и 6% проб – по показателю «температура хрупкости» (рис. 1). Для повышения качества асфальтобетонных покрытий в верхних слоях автомобильных дорог 1—11 технических категорий рекомендовано применять модифицированные битумы, обладающие по сравнению с дорожными битумами более высоким уровнем физико-механических показателей. В настоящее время на основании результатов испытаний битумов дорожных, модифицированных различными добавками, рекомендовано применение следующих полимеров: • блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС (в виде порошка и крошки) ДСТ-30-01 1 группы по ТУ 38 103267-80, ДСТ-30Р-01 1 группы по ТУ 38 40327-90; их зарубежные аналоги: Финапрен 502, Финапрен 411; Кратон Д 1101, Кратон Д 1184, Кратон Д 1186; Европрен Сол Т 161; Калпрен 411, предназначенные для получения полимерно-битумных вяжущих марок ПБВ в соответствии с ОСТ 218.010-98; • «Каудест-Д» – система полимеров типа синтетических бутадиенальфаметилстирольных каучуков (СКМС) – предназначен для получения вяжущих на основе композиции «Каудест-Д» в соответствии с ТУ 2257-045-05766793-96; • растворы синтетических каучуков стирольных типа СКС, предназначенные для приготовления битумно-каучуковых вяжущих марок БКВ. Применение данных модификаторов позволяет существенно расширить интервал пластичности дорожных битумов, характеризуемый разностью между температурой размягчения и температурой хрупкости вяжущего. На рис. 2 приведена зависимость интервала пластичности различных видов вяжущих от марок (в том числе битумов нефтяных дорожных марок БНД и битумов нефтяных марок БН). На рис. 3 приведен уровень эластичности при 25 0С и при 0 0С для различных видов модифицированных битумов. Физико-механические показатели полимерно-битумных вяжущих на основе полимеров типа СБС имеют более высокий уровень свойств и нашли более широкое практическое применение по сравнению с другими модификаторами. Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) на основе термоэластопластов является качественно новым материалом, позволяющим повысить срок службы дорожного покрытия. По сравнению с нефтяными дорожными битумами полимерно-битумные вяжущие обладают новым комплексом свойств, существенно отличающихся от свойств исходных битумов: эластичностью, трещиностойкостью, широким интервалом пластичности (�П), повышением прочности при растяжении. Технические требования к ПБВ регламентируются отраслевым стандартом ОСТ 218.010-98 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа СБС». ПБВ получают путем растворения термоэластопласта в битуме. В качестве термоэластопласта используют блоксополимеры дивинила со стиролом типа СБС, чаще всего марок ДСТ 30-01, ДСТ 30 Р-01, и их зарубежный аналог Кратон Д 1101. При приготовлении ПБВ необходимо добиться, чтобы модификатор был хорошо диспергирован в битуме. В противном случае модифицирующее действие полимера в битуме реализуется не в полном объеме. Однако частицы полимера не обязательно должны иметь коллоидные размеры. Установлено, что в хорошо диспергированных смесях полимера в битуме коллоидные частицы полимера в количестве 50—100 группируются, образуя грозди. Растворение термоэластопласта в битуме – процесс массообмена между твердой и жидкими фазами в гетерогенной среде. Скорость растворения определяется количеством реагентов, продиффундирующих к поверхности раздела фаз в единицу времени. Для обычных низкомолекулярных веществ процесс смешения протекает быстро вследствие большой скорости взаимной диффузии молекул, обусловленной их малыми размерами. Процесс растворения полимерных материалов происходит через стадию набухания. Растворение с предварительным набуханием характерно только для веществ с достаточно большой молекулярной массой, когда велика разница в скоростях диффузии смешиваемых веществ. Набухание отличается от обычного смешения тем, что процесс происходит односторонне. Молекулы растворителя проникают в свободное пространство между звеньями изогнутых цепей макромолекул ДСТ, раздвигая сначала отдельные участки, а затем макромолекулы. В то время как полимер поглощает растворитель, макромолекулы ДСТ не успевают переместиться в жидкую фазу. После того как цепи макромолекул достаточно отодвинуты друг от друга и ослаблено взаимодействие между ними, начинается диффузия макромолекул в фазе растворителя. В соответствии с механизмом эффективность растворения ДСТ в битуме зависит от следующих параметров: • молекулярной массы ДСТ; • размера частиц ДСТ; • вязкости битума и его группового состава; • температурного режима; • продолжительности перемешивания. Молекулярная масса ДСТ и содержание в нем звеньев стирола ограничены и регламентируются ТУ 38 103267-80 и ТУ 38 40327-90. Битумы с низкой вязкостью, а также содержащие в мальтеновой составляющей большее количество ароматических соединений способствуют интенсивному набуханию и растворению ДСТ. Поэтому для приготовления ПБВ следует использовать менее вязкие битумы. Можно искусственно уменьшить вязкость битума и ввести дополнительно ароматические соединения, компаундируя битум с различными разжижителями (гудроном, индустриальным маслом). При приготовлении ПБВ исключительно важное значение имеет оптимальный выбор температуры и продолжительности процесса. Повышение температуры увеличивает подвижность цепей макромолекул ДСТ и расстояние между ними. Это облегчает процесс набухания. Оптимальная температура, при которой макромолекулы ДСТ находятся на максимальном расстоянии друг от друга, соответствует температуре вязкотекучего состояния и составляет 180—190 0С. Однако повышение температуры приготовления ПБВ выше рабочей технологической нормированной для дорожных битумов вызывает старение битумов. Продолжительное нахождение ДСТ при повышенной температуре вызывает его деструкцию или сшивку по двойным связям дивинила, в результате которой ДСТ теряет эластические свойства. На эффективность растворения большое влияние оказывает размер частиц ДСТ. Чем выше дисперсность частиц ДСТ, тем больше удельная поверхность контакта его с битумом, тем быстрее происходит процесс набухания и, соответственно, растворения ДСТ в битуме. �з всех рассматриваемых параметров, влияющих на эффективность процесса приготовления ПБВ, как с точки зрения экономии затрат, так и максимально возможного уменьшения процессов старения битума и деструкции ДСТ, целесообразно изменить вязкость битума и размер частиц ДСТ. Остальные параметры заранее заданы и являются неизменными, а температура приготовления ПБВ ограничена максимальной рабочей температурой битума – не выше 160 0С. В настоящее время в дорожной отрасли для приготовления ПБВ используют различное оборудование, которое можно разделить на два типа. Первый тип оборудования обеспечивает измельчение и массообмен ДСТ в битуме. К этому типу оборудования относятся коллоидные мельницы, действующие в ДРСУ № 1 г. Ростова-на-Дону; ОАО «Нижегородавтодор»; УГП ДРСУ-9 г. Ногинска и гидродинамический смеситель, действующий в УП ДСУ № 2 Волжской автомобильной дороги. Второй тип оборудования обеспечивает набухание и массообмен между смешиваемыми компонентами. К ним относятся механические мешалки различных видов: лопастные, рамные, планетарные (установка конструкции ЦНКБ), насос-смеситель (фирма «Верос»), турбинные (разработка АО «Планета») и др., а также циркуляционное перемешивание насосами. Анализ полученных данных показывает, что наиболее эффективным следует считать оборудование первого типа, которое обеспечивает измельчение термоэластопласта в процессе приготовления ПБВ. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера. �спользование оборудования первого типа позволяет получать ПБВ с регламентированными техническими требованиями при температуре не выше 160 0С, содержании модификатора не более 3,5 мас. % и продолжительности процесса не более 3 час. При использовании для приготовления ПБВ смесительного оборудования второго типа его меньшая эффективность компенсируется повышенным расходом ДСТ (3—6 мас. %) и более высокой температурой процесса. Кроме того, продолжительность процесса приготовления увеличивается в 2—2,5 раза по сравнению с оборудованием первого типа. Высокая температура и длительность процесса приготовления ПБВ может привести к старению битума и окислительной деструкции ПБВ. Уровень свойств ПБВ при этом существенно снизится. Поэтому важное значение приобретает контроль физико-механических показателей каждой выпускаемой партии ПБВ. Анализ физико-механических показателей ПБВ, полученных на оборудовании двух типов, показывает, что требованиям ОСТ 218.010-98 чаще всего не удовлетворяют три показателя: глубина проникания иглы при 0 0С, изменение температуры размягчения после прогрева и эластичность (рис. 4). Эти факты связаны прежде всего с недостаточно отработанными технологическими режимами производства и не оптимально подобранным составом ПБВ. Так, если полимерные частицы набухли, но недостаточно гомогенизированы в битуме, при определении изменения температуры размягчения после прогрева, которое осуществляют в течение 5 час. при температуре 163±1 0С, происходит окончательная гомогенизация смеси, которая должна быть получена при изготовлении ПБВ. Поэтому по показателю «изменение температуры размягчения после прогрева» можно косвенно судить о гомогенности полученного ПБВ. При этом если температура размягчения после прогрева оказалась ниже температуры размягчения до прогрева, то в процессе приготовления ДСТ подвергается окислительной деструкции. Если же произошло расслоение ПБВ с образованием геля, значит, имеет место сшивка ДСТ по двойным связям. В данном случае ДСТ теряет способность растворяться в битумах. Получение качественного полимерно-битумного вяжущего не должно вызывать трудностей, если придерживаться основных правил его приготовления. С целью рационального использования материальных и финансовых ресурсов необходимо вести постоянный контроль качества на всех этапах, начиная с качества применяемых материалов, результатов подбора составов модифицированных битумов, технологических режимов процесса приготовления и заканчивая проверкой качества получаемого продукта в соответствии с техническими требованиями ОСТ 218.010-98. При этом следует решить проблему недостаточной оснащенности предприятий-изготовителей ПБВ, дорожных организаций лабораторными приборами и оборудованием и повысить уровень квалификации работников. Введенный в мае 1998 г. в действие ОСТ 218.010-98 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа СБС» нормирует технические требования, предъявляемые к полимерно-битумным вяжущим. Последующей задачей является разработка технических требований к полимерасфальтобетону, методов испытаний, позволяющих характеризовать новые свойства материала, технологических инструкций по приготовлению полимерно-битумного вяжущего и полимер- асфальтобетона. Необходимо выделить наиболее эффективные действующие смесительные установки, позволяющие с низким содержанием дорогостоящего полимера при минимальных затратах производить модифицированные битумы стабильного качества. Каждое производство должно иметь технологические регламенты на приготовление модифицированных битумов с привязкой к имеющемуся оборудованию. Важное значение имеет расширение перечня применяемых модификаторов дорожных битумов. Выбор из числа предлагаемых модификаторов должен производиться, исходя из эффективности воздействия добавки на уровень физико-механических показателей битума и ее экономического обоснования с последующей разработкой технических требований, предъявляемых к конечному продукту.