Что такое пбв в дорожном строительстве
Что такое пбв в дорожном строительстве
Нефтесервис и геологоразведка
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) — материалы на основе битумов, модифицированных добавлением полимеров типа СБС (стирол-бутадиен-стирол) и пластификаторов. Обладает улучшенными качественными характеристиками.
ПБВ отличается от традиционного битума повышенной сопротивляемостью к деформации; улучшенными свойствами при высоких и низких температурах; повышенным сопротивлением старению.
ПБВ применяются в дорожном и аэродродромном строительстве.
ПБВ по ГОСТ Р 52056-2003:
ПБВ 40 – ОНПЗ, Газпромнефть-РЗБМ;
ПБВ 60– ОНПЗ, Газпромнефть-РЗБМ, «НОВА-Брит», «Газпромнефть-Тоталь ПМБ»;
ПБВ 90 – ОНПЗ, Газпромнефть-РЗБМ; «НОВА-Брит», «Газпромнефть-Тоталь ПМБ»;
ПБВ 130 – ОНПЗ, Газпромнефть-РЗБМ;
ПБВ 200 – ОНПЗ, Газпромнефть-РЗБМ.
ПБВ по EN14023:2010:
РМВ 25/55-60 (ПБВ-40), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 40/100-65 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 75/30-55 (ПБВ-90), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 45/80-55 (ПБВ-40), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 45/80-65 (ПБВ-40), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 65/105-60 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 35/55-55 (ПБВ-40), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 65/105-48 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 40/100-75 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 65/105-75 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
РМВ 75/130-75 (ПБВ-60), Газпромнефть-РЗБМ;
PMB 25/55-65 (ПБВ-40), Газпромнефть-РЗБМ;
Применение ПБВ в дорожном строительстве
Более, чем 70 % грузов в РФ перевозятся автомобильным транспортом. Из-за некачественных дорог РФ теряет порядка 3 % от внутреннего валового продукта. По данным ГИБДД, около 80 % ДТП связаны с недоброкачественным дорожным покрытием. Наши дороги служат в 5 раз меньше, чем европейские, при этом каждый километр обходится в 3 раза дороже. Огромные средства идут как на строительство новых дорог, так и на содержание и ремонт существующих, причём затраты на ремонт растут необоснованно быстро из-за выхода из строя дорог, раньше проектных и гарантийных сроков. Решить транспортную проблему может только кардинальное совершенствование дорожного покрытия, применение инновационных материалов и технологий.
Дорожное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к изменениям температур суточных и сезонных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эти задачи, является применение модифицированных битумов. Стоимость модифицированных битумов выше обычного битума в среднем на 60-65 %, но дороги не строят из одного битума, доля битума в асфальтобетоне всего 6%, расчёты показывают, что удорожание строительства 1км дороги составляет около одного процента. Учитывая увеличение срока службы дороги в 2-3 раза, применение модифицированных битумов, безусловно, экономически обосновано.
Битумы, не модифицированные должным образом, показывают на практике ряд недостатков: высокая термическая чувствительность (размягчение при высоких температурах и хрупкость при низких), плохие механические характеристики и низкая упругость, склонность к старению. Ввиду этих недостатков, а также многих практических и экономических факторов, в течение последних 30 лет был проведен ряд исследований. Они продемонстрировали, что полимерные материалы являются лучшими модификаторами для улучшения технологических качеств битума. Полученный модифицированный битум, образованный объединением обычного битума и полимера, обеспечивает более высокий уровень качества: улучшение рабочих характеристик при высоких и низких температурах, улучшение эластопластических характеристик, повышенное сопротивление усталости материала, улучшение когезии и адгезии с наполнителями, повышенное сопротивление старению.
Перечисленные преимущества сильно связаны с видом использованной битумной основы и полимера, а также с типом применяемого при модификации технологического процесса. Битум обычно характеризуют как коллоидную субстанцию с мицеллами асфальтенов, окруженными смолами и рассеянными в масляных фазах высокой вязкости (мальтенах), которые представляют собой смесь ароматических и насыщенных углеводородов. Наличием асфальтенов обусловлены специфические свойства битумов, а именно вязкость (пластичность) и упругость, устойчивость к определенным типам деформаций, сцепляющие и связующие свойства. Упругость и пластичность также обусловлены наличием смол и мальтенов.
Битум может быть также определен как вязкоэластичный материал, причем его свойства меняются в зависимости от частоты приложенных нагрузок: он проявляет упругие свойства при нагрузках высокой частоты и пластичные при нагрузках низкой частоты. Реологическое поведение битума зависит от его химической структуры, баланс которой сильно зависит от температуры. Это означает, что реологическое поведение битума является функцией температуры. Битумные смеси должны сохранять свои сцепляющие и связующие свойства в любых природных условиях в течение целого года. Термическая чувствительность не позволяет обычным битумным смесям хорошо вести себя и при высоких, и при низких температурах, поэтому они нуждаются в модификации.
Исходя из реологического поведения, полимеры могут быть разделены на пластомеры и эластомеры. Их поведение при рабочей температуре, в частности жесткость, подверженность деформации и ударная вязкость, существенно различаются. Основной целью добавления полимеров в битум для асфальтобетонных смесей является повышение сопротивления деформации путем увеличения жесткости битума и смеси, а также их эластичности.
Модифицирование битума полимерами, обладающими эластическими и пластическими свойствами ведет, к получению в итоге полимерно-битумных вяжущих (ПБВ). 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 (ИП), повышением прочности при растяжении. Технические требования к ПБВ регламентируются ГОСТ Р 52056-2003 и отраслевым стандартом ОСТ 218.010-98. В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С ПБВ подразделяют на следующие марки: ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ 130, ПБВ 90, ПБВ 60 и ПБВ 40. По физико-механическим показателям ПБВ должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в ГОСТе. Чтобы материал соответствовал стандарту, необходимо изготовить полимер высокого качества и создать эффективные установки по производству ПБВ.
Технология производства модифицированных битумов хорошо изучена и освоена. Производство полимерно-модифицированного битума может быть организовано как на асфальтобетонном заводе с терминалом, так и на обособленном производстве. В производстве модифицированных битумов используются две основные системы: непрерывное производство смеси и производство партиями. Независимо от используемого способа производства, главной частью завода является мельница. Лучшие показатели распределения (гомогенизации) достигаются при использовании мельницы с мощными измельчающими и перемешивающими устройствами. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера. Использование оборудования такого типа позволяет получать ПБВ с регламентированными техническими требованиями при температуре не выше 160 °С, содержании модификатора не более 3,5% мас. и маленькой продолжительности процесса. В случае приготовления ПБВ на оборудовании без высокоскоростных измельчителей (коллоидных мельниц) необходимо закладывать большую концентрацию полимера, более высокую температуру процесса (это может привести к старению битума и окислительной деструкции ПБВ, уровень свойств ПБВ при этом существенно снизится), кроме того, продолжительность процесса приготовления увеличивается более чем в 2 раза. Высокие рабочие характеристики достигаются только при условии точного контроля дозировки полимера и его распределения в битумной массе. При производстве полимерно-битумного вяжущего вся мощность коллоидной мельницы должны быть направлена на измельчение полимерных частиц до молекулярного уровня и равномерное распределение их в исходном битуме, для дальнейшего образования и структурирования полимерной сетки.
На рынке имеется несколько видов мельниц, причем большая их часть спроектирована для других отраслей промышленности (пищевой, химической, деревообрабатывающей), но используется для производства полимерно-модифицированных битумов.
Компания ЗАО «КОРРУС-ТЕХ, Инк» поставляет на рынок России высокотехнологичное оборудование Massenza (Италия) для производства модифицированных битумов наивысшего качества. Massenza разработала собственную модель мельницы, специально предназначенную для производства модифицированного битума и являющуюся лучшей в этой отрасли.
Кроме того, Massenza разработала специальную систему с внешним шестеренчатым насосом переменной скорости, питающим мельницу. Этот насос имеет 2 основных назначения:
Такая система позволяет самой мельнице не тратить энергию на накачивание, направляя всю ее на измельчение, а также постоянно обеспечивает максимальный выход продукта путем регуляции потока сырья. Именно поэтому концепция мельницы MASSENZA является выигрышной для производства модифицированных полимерами битумов.
Что такое пбв в дорожном строительстве
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО (НА ОСНОВЕ ДСТ)
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОЖНЫХ, МОСТОВЫХ И АЭРОДРОМНЫХ
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
УТВЕРЖДЕНЫ зам. директора Союздорнии канд. техн. наук В.М.Юмашевым
Даны рекомендации по применению полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) для приготовления асфальтобетонных смесей и устройства поверхностных обработок, особенно в условиях I-II дорожно-климатических зон, в районах с резко континентальным климатом, а также на участках с повышенными динамическими воздействиями на покрытие (покрытия на мостах, аэродромах, дорогах I-III категорий, на полосах примыкания к трамвайным путям и т.п.) и для заполнения швов и трещин в покрытиях.
Приведена технология получения ПБВ путем введения в битумы, нагретые до 90-160 °С, 2-4% дивинилстирольного термоэластопласта (ДСТ) в виде раствора в углеводородных растворителях или в виде крошки.
Показано, что применение ПБВ позволяет увеличить срок службы покрытий вследствие существенного улучшения свойств асфальтобетона; повысить производительность АБЗ в результате снижения температуры нагрева материалов; удлинить строительный сезон, так как появляется возможность укладывать и уплотнять смеси при пониженных температурах воздуха; повысить производительность работ по устройству покрытий благодаря лучшей уплотняемости смеси; повысить коэффициент сцепления покрытия с колесом автомобиля.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Постоянный рост требований к качеству дорожных покрытий, устраиваемых с применением битума, диктует необходимость повышения прочности, эластичности и теплостойкости вяжущих в широком диапазоне эксплуатационных температур. За последние годы в Союздорнии проведены исследования и осуществлено строительство участков дорожных покрытий с применением полимерно-битумного вяжущего (ПБВ), полученного на основе дивинилстирольных термоэластопластов (ДСТ), в различных климатических районах страны на объектах Главдорстроя и Главзапсибдорстроя Минтрансстроя, Минавтодора РСФСР, Минавтодора КазССР, МГА, Миннефтепрома.
Исследования показали значительные технологические и эксплуатационные преимущества применения нового материала при устройстве асфальтобетонных покрытий и поверхностных обработок по сравнению с битумом.
Аэродромное асфальтобетонное покрытие, устроенное на бетонном основании в условиях Крайнего Севера толщиной вдвое меньше проектной (9 см вместо 18 см) с применением ПБВ, после 10 лет эксплуатации находится в хорошем состоянии. Мостовое покрытие, устроенное на ортотропной плите вантового моста «Московский» через р.Днепр, после 12 лет эксплуатации находится в удовлетворительном состоянии. В связи с этим можно предполагать увеличение срока службы покрытий с применением ПБВ более чем в 1,5 раза и возможность уменьшения его толщины по сравнению с проектной.
«Методические рекомендации по применению полимерно-битумного вяжущего (на основе ДСТ) при строительстве дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий» составлены в результате переработки соответствующих Методических рекомендаций, выпущенных Союздорнии ранее, и на основе исследовательских, опытно-производственных работ и внедрения ПБВ, а также по материалам обследования участков, построенных с использованием авт. свид. N 272881.
В настоящих Методических рекомендациях изложены технология приготовления ПБВ, технические требования к готовому ПБВ, метод подбора состава асфальтобетона на основе ПБВ; приведены схема приготовления ПБВ на АБЗ и необходимое для этого дополнительное оборудование.
Настоящие Методические рекомендации разработали канд. техн. наук Л.М.Гохман, д-р техн. наук Л.Б.Гезенцвей, инж. К.И.Давыдова (Союздорнии).
В проведении опытно-экспериментальных работ и во внедрении ПБВ принимали участие канд. техн. наук Ю.Н.Питецкий, инж. Б.В.Маркин, кандидаты технических наук А.Ю.Гольдштейн, И.Д.Сахарова, М.Б.Сокальская (Союздорнии); Юждорстрой, УС автомобильной дороги Москва-Рига, Мурманскдорстрой, Каздорстрой, Мостострой-1, Киевдорстрой, Пермдорстрой, Оренбургдорстрой, Дондорстрой, Нижневартовскдорстрой, Тюмендорстрой Минтрансстроя, Центрупрдор Минавтодора РСФСР, Оргтехдорстрой Минавтодора КазССР, Юганскнефтедорстройремонт Миннефтепрома СССР; канд. техн. наук И.И.Баловнева, инж. Ю.Н.Волков (ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект»); работники Кишиневского, Бакинского, Батумского, Алма-Атинского, Уфимского, Оренбургского, Усинского, Нефтеюганского, Нижневартовского аэропортов; канд. техн. наук Г.М.Толстопятов, инж. Я.М.Розеноер, канд. техн. наук А.Н.Кондратьев (ВНИИСК и его Воронежский филиал); инж. А.П.Троицкий (Союзкаучук Миннефтехимпрома СССР).
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Дорожные битумы марок БНП, выпускаемые нефтеперерабатывающими заводами в соответствии с ГОСТ 22245-76*, значительно повышают качество асфальтобетона и эксплуатационные показатели дорожных покрытий.
Однако современное движение на автомобильных дорогах, характеризующееся большой грузонапряженностью и интенсивностью, и значительные динамические воздействия на покрытия мостов и аэродромов предъявляют повышенные требования к асфальтобетону, а следовательно, и к битуму, особенно в районах с резко континентальным климатом.
Введение в битум небольших добавок высокополимерных веществ позволяет получить новый вяжущий материал с улучшенными свойствами.
Примечание. К углеводородным растворителям относятся дизельное топливо, сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов с вязкостью 20-60 с (гудрон), жидкий битум, керосин, топливо для реактивных двигателей (ТС-1), сольвент, ксилол.
1.4. ПБВ характеризуется способностью к большим высокоэластическим деформациям в широком диапазоне температур (от минус 55 до 60 °С), что обусловливает его высокие теплостойкость при повышенных эксплуатационных температурах (50-60 °С), эластичность, пластичность и устойчивость к динамическим воздействиям при отрицательных температурах.
Введение ДСТ в количестве 2, 3, 4% в битумы марок БНД позволяет получить температуру хрупкости ПБВ соответственно минус 25, минус 35 и минус 50 °С. При необходимости получения ПБВ с температурой хрупкости минус 60 °С и ниже необходимо увеличить содержание ДСТ в битуме до 6%.
Асфальтобетон, приготовленный на основе разжиженных ПБВ и ПБВ вязких марок (с глубиной проникания иглы при 25 °С в пределах (40 130)·0,1 мм), удовлетворяет требованиям, предъявляемым к горячему асфальтобетону. По температурному режиму приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетон на разжиженных ПБВ и ПБВ маловязких марок относится к теплому или холодному.
1.6. Строительство покрытий из асфальтобетонных смесей на ПБВ допускается при пониженных температурах (до минус 15 °С).
1.7. Применение ПБВ позволяет повысить производительность АБЗ за счет снижения температуры нагрева материалов, удлинить строительный сезон благодаря возможности укладывать и уплотнять смеси при пониженных температурах.
1.8. Покрытие из асфальтобетонных смесей на ПБВ обладает повышенным сцеплением с колесом автомобиля.
1.9. ПБВ рекомендуется применять для устройства асфальтобетонных покрытий и поверхностных обработок в первую очередь на наиболее ответственных участках автомобильных дорог, мостах, аэродромах. Особенно эффективно использовать ПБВ в районах с резко континентальным климатом, а также на объектах с повышенными динамическими воздействиями на покрытие (например, на полосах примыкания к трамвайным путям и т.п.) в составе мастик для заполнения швов и трещин в покрытиях. Температура хрупкости ПБВ должна быть близка к минимальной температуре воздуха в районе строительства.
2. МАТЕРИАЛЫ. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПБВ
2.1. Для приготовления ПБВ используют:
растворители: дизельное топливо по ГОСТ 305-82 (прил.2); сырье для производства нефтяных вязких дорожных битумов по ТУ 38 101582-75 Миннефтехимпрома (прил.3); жидкий битум марок МГО 70/130 и МГО 130/200 по ГОСТ 11955-82; керосин, соответствующий действующим ОСТам (прил.4, 5); ТС-1 по ГОСТ 10227-86 (прил.6); ксилол по ГОСТ 9410-78 (прил.7); сольвент по ГОСТ 10214-78 (прил.8). Применение таких растворителей, как сольвент, ксилол, ТС-1, дизельное топливо, керосин, допускается только при наличии специального оборудования во взрыво- и пожаробезопасном исполнении. При этом применение ксилола и сольвента должно быть согласовано с органами Госсаннадзора.
2.2. ПБВ должно быть однородным и отвечать требованиям ТУ 1669-84 Минтрансстроя, приведенным в табл.1. Разжиженные ПБВ необходимо предварительно прогреть при 120 °С в слое толщиной 3 мм в течение 7 ч.
Полимерно битумное вяжущее: особенности структуры и свойств
Зачем нужно использование полимерно битумное вяжущее? Можно ли без него обойтись в дорожном строительстве? Какие нюансы при его использовании нужно учитывать?
Основной вид нефтяного вяжущего, успешно применяемого в дорожной отрасли любого государства мира при строительстве и ремонте дорожных покрытий, – это нефтяной дорожный битум, пластичный, способный без разрушения выдерживать воздействие низких температур и температурных перепадов, а также различных деформаций.
Однако специфические условия эксплуатации таких объектов дорожного строительства как мосты, путепроводы, развязки и пр. обусловливают необходимость предъявления более высоких требований к покрытиям.
Удовлетворить эти требования в полной мере битум уже не может. Кроме того, с каждым годом возрастают нагрузки, увеличивается интенсивность движения, негативно влияет на дорожное покрытие шипованная резина. Во всем мире постоянно проводятся работы по созданию новых современных дорожных материалов и технологий, корректировке нормативных требований к их физико-механическим свойствам. Все это направлено на повышение долговечности дорожных покрытий в современных условиях их эксплуатации.
Полимерные добавки
Одним из направлений такой деятельности является модификация битума различными полимерными добавками. Поиск наиболее эффективных модификаторов, отработка оптимальных рецептур модифицированного битума, полимерно-битумных эмульсий, а также анализ целесообразности их использования по тому или иному назначению, начатый в 50-е гг. прошлого столетия, продолжаются по сей день. Главным ориентиром для принятия технических решений являются результаты постоянно обобщаемого практического опыта.
Модификаторы
Установлено, что экономически эффективными модификаторами свойств нефтяных битумов являются те, которые доступны и недороги. С технической точки зрения, для создания на основе битумов композиционных материалов с заданным комплексом свойств могут применяться только те модификаторы,
которые:
К настоящему времени за рубежом накоплен значительный опыт по применению при строительстве и ремонте дорожных покрытий композиционных материалов на основе битума и модификаторов, таких как сера, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутилкаучук, хлоропрен и др.), органо-марганцевые компаунды, термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат (EVA), термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры), а также блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС).
Полимеры СБС
Наибольшее применение находят полимеры типа СБС, что обусловлено их способностью не только повышать прочность битума (что достигается и другими видами модификаторов), но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – свойство присущее полимерам, причем при небольшой концентрации (3-5% от массы битума). Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифицированного полимером типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, которые возникают в покрытии под воздействием движущегося транспорта.
Характер и эффективность модифицирующего действия полимера на битум зависит от структуры образующейся полимербитумной композиции.
Температуры
Анализ известных способов приготовления битумов, модифицированных полимерами, показывает, что все они предусматривают, как правило, повышенную температуру процесса (150-200 оС) и интенсивное перемешивание компонентов. Температура разложения большинства используемых для модификации битумов полимеров (полиэтилена, полипропилена, этилен-пропиленовых каучуков, термоэластопластов и др.) значительно превышает температуру совмещения их с битумом. Следовательно, реакции термо- и механодеструкции полимеров в массе битума не происходят, а если и имеют место, то протекают в очень незначительной степени.
Битумы при нагревании размягчаются, а термопластичные полимеры, независимо от того, были они кристаллическими или аморфными, переходят в вязко-текучее состояние. Таким образом, процесс смешения при высокой температуре битума с полимерами любой химической природы протекает в две стадии: эмульгирование размягченного полимера в жидком битуме и последующее частичное (набухание) или полное растворение. Глубина процесса диспергирования полимера в битуме при прочих равныхусловиях определяется химической природой и молекулярной массой полимера, химическим составом битума, а также соотношением компонентов в смеси.
Степень дисперсности
Известно, что степень дисперсности таких систем при прочих равных условиях определяется соотношением вязкости компонентов, а также их взаимной растворимостью. В случае применения нерастворимых или частично растворимых в битуме полимеров предельный размер частиц в смеси зависит только от соотношения вязкостей и условий перемешивания, а смесь при повышенной температуре представляет собой эмульсию (рис. 1). Низкая вязкость полимера способствует лучшему диспергированию его в битуме. При повышении концентрации такого полимера размер капель в массе битумавозрастает, увеличивается вероятность их коалесценсии (слияния), приводящей к обращению фаз в системе. Примером такого вида модификатора является этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-Э-30,
образующий непрерывную фазу в битуме при введении в количестве не менее 9%масс (рис. 2).
Для взаимно растворимых компонентов степень дисперсности системы дополнительно возрастает за счет взаимодействия компонентов на границе раздела фаз. К таким полимерам относятся блоксополимеры типа СБС. Наличие в структуре стирол-бутадиен-стирольного полимера ароматических блоков обусловливает его сродство с нефтяным битумом, содержащим значительное количество ароматических соединений.
В результате структура битумов, модифицированных полимером типа СБС, принципиально отличается от структуры битумных композиций с алифатическими полимерами. При температуре смешения (175-185 оС), вследствие растворения полимера в мальтеновой части битума, образуется гомогенная композиция, как показывают оптические исследования, однородная при увеличении в 600 раз (рис. 3).
Концентрационный предел взаимной растворимости
Компонентов (битума и полимера) снижается с увеличением молекулярной массы полимера. Так, при технологической температуре битум образует оптически однородные композиции с высокомолекулярным дивинил-стирольным термоэластопластом (М=150 000) при содержании последнего до 5%масс, в то время как с низкомолекулярным ДСТ-30 (М=45 000) – до 9%масс. При дальнейшем повышении концентрации ДСТ-30 в битуме происходит выделение в отдельную фазу асфальтосмолистой части битума, не являющейся растворителем для полимера (рис. 4).
Структура битумов
Модифицированных рассмотренными выше видами полимеров, созданная при технологической температуре, как правило, сохраняется и после охлаждения. Это обусловлено резким увеличением вязкости приготовленного полимерно-битумного материала при понижении температуры, препятствующим расслоению дисперсной системы. При комнатной температуре и в реальных условиях эксплуатации битумы, модифицированные полимерами, представляют собой, как правило, микро- или макронеоднородные системы, то есть являются композиционными материалами.
Свойства
Их определяются фазовой структурой смеси, в частности, механические – преимущественно свойствами непрерывной фазы. Именно поэтому способностью придавать битуму эластичность (свойство, присущее и олефиновым полимерам, например, полиэтилену, полипропилену, этилен-пропиленовому каучуку и др.) обладают лишь те полимеры, которые образуют непрерывную фазу в массе композиции, в частности, полимеры типа СБС (табл. 1-3). Роль полимера, образующего дисперсную фазу в массе битума, сводится лишь к упрочнению материала. Варьируя видом, концентрацией полимера, можно получать композиционные материалы с заданным комплексом физико-механических свойств.
Линейный полимер типа СБС является по отношению к битуму структурирующей добавкой, о чем свидетельствует понижение значений показателей «глубина проникания иглы при 25 оС», «растяжимость», повышение значений показателя «температура размягчения» (табл. 1).
Фактические значения показателей физико-механических свойств полимерно-битумных композиций, приготавливаемых с использованием полимера типа СБС, зависят от свойств самого исходного битума. Принципиальной отличительной особенностью композиции битума даже с небольшим количеством полимера СБС (2,5%масс) является способность к обратной деформации, о чем свидетельствует высокий уровень значений показателя «эластичность при 25 и 0 оС» – более 70%.
Введение полимеров СБС в битум
Приводит к значительному возрастанию вязкости битума. Как видно из табл. 1, значения показателей «кинематическая вязкость при 135 °С» и «динамическая вязкость при 60 °С» битума в присутствии 2,5%масс Кraton D Т 1101 CS возрастают в 2,4 и 3,65 раза соответственно.
При том же содержании полимера Luprene LG 501 вязкость битума увеличивается в 2,54 и 3,44 раза соответственно, что свидетельствует об одинаковом уровне структурированности полимерно-битумных вяжущих, приготовленных с использованием исследуемых марок полимеров СБС. Полимер типа СБС в значительной степени повышает деформативную способность битума при 0 оС, так, значение показателя «растяжимость при 0 оС» полимерно-битумных композиций на 10 единиц превышает значение этого показателя для исходного битума.
Физико-механические свойства полимерно-битумных вяжущих, подвергнутых испытанию на старение по методике ASTM D 1754, характеризуют фактическое качество вяжущего, находящегося непосредственно в составе полимер-асфальтобетонной смеси и дорожном покрытии.
Как видно из табл. 1, результатом термического воздействия является еще большее упрочнение структуры полимерно-битумного вяжущего: так, значение показателя «динамическая вязкость при 60 оС» композиции, приготовленной с использованием полимера Кraton D Т 1101 CS, возрастает в 1,56 раза, а с тем же количеством полимера Luprene LG 501 – в 1,73 раза.
Увеличение содержания полимеров в битуме с 2,5%масс до 4,0%масс приводит к повышению значений показателей вязкости, как кинематической – при 135 оС, так и динамической – при 60 оС (табл. 2),к снижению значений показателя «растяжимость при 25 оС».
Коэффициенты возрастания кинематической и динамической вязкости для полимерно-битумных вяжущих, приготовленных на Кraton D Т 1101 CS и Luprene LG 501, близки по значениям. Как видно из табл. 2, введение в битум полимера СБС в количестве 4,0%масс приводит к получению полимерно-битумных вяжущих, по значению показателей физико-механических свойств отвечающих требованиям ГОСТ Р 52056-2003, предъявляемым к ПБВ 40.
Введение в битум полимеров Кraton D Т 1101 CS и Luprene LG 501 в количестве 6,0%масс приводит к образованию высоковязкой гелеобразной при 170 оС массы. Вследствие высокой степени структурированности приготовленных полимерно-битумных вяжущих выполнить полный комплекс испытаний ПБВ не удается (табл. 3).
Повышение содержания в битуме полимеров
Независимо от их марки, с 4%масс до 6%масс приводит к резкому увеличению значений показателя «температура размягчения», при этом существенного снижения значений показателя «глубина проникания иглы» уже не наблюдается. По сравнению с кинематической вязкостью при 135 оС полимерно-битумных вяжущих,содержащих 4%масс полимера СБС разных марок, значение этого показателя для композиций с 6%масс Кraton D Т 1101 CS увеличивается в 2,64 раза, полимера Luprene LG 501 – в 2,42 раза.
Таким образом, варьируя количество полимера типа СБС, можно получить полимерно-битумное вяжущее с требуемыми характеристиками. Битумы, модифицированные u1087 полимерами типа СБС, являются дисперсными (неоднородными) системами, а следовательно, термодинамически неустойчивыми, что является причиной их расслоения (разрушения), особенно при повышенной температуре в статических условиях (в отсутствие перемешивания).
Чем выше сродство полимера к битуму и чем выше степень дисперсности полимера в массе битума, тем выше устойчивость композиционного материала к расслаиванию. Как видно из табл. 4, полимерно-битумные композиции, приготовленные в лабораторных условиях, подвержены существенному расслоению. При использовании высокоэффективных смесителей, позволяющих достичь более высокой степени дисперсности полимера в битуме, устойчивость композиционных материалов к расслаиванию возрастает. Вот почему за рубежом приготовление полимерно-битумных материалов осуществляется с помощью коллоидных мельниц.
Качество
Для обеспечения заданного качества товарной продукции, достижения максимальной эффективности от ее использования в дорожном строительстве необходимо осуществлять контроль не только за однородностью свежеприготовленной композиции, но и за устойчивостью к расслаиванию при повышенной температуре. Учитывая тот факт, что полностью предотвратить расслоение композиции битума с полимером типа СБС на стадии хранения при повышенной температуре невозможно, необходимо лимитировать длительность хранения товарной продукции на складе при повышенной температуре и периодическом механическом перемешивании массы.
В связи с тем, что механизм распределения в битуме полимера заключается в растворении последнего в мальтеновой части битума, на первый взгляд кажется, что для достижения наилучшей совместимости компонентов необходимо увеличить количество масляных компонентов в битуме, например, за счет дополнительного введения минеральных масел. Однако следует напомнить, что нефтяные дорожные битумы как коллоидные системы также термодинамически неустойчивы во времени.
Введение масел
Приводит к нарушению относительной стабильности структуры битума, сформировавшейся на стадии изготовления последнего. В зависимости от химической природы соединений, входящих в состав минерального масла, последнее может являться хорошим или плохим растворителем по отношению к битуму.
В России предлагается применять индустриальное масло, что в принципе неверно по ряду следующих причин:
Кроме того, использование индустриального масла на стадии приготовления битумов, модифицированных полимерами, не только не повышает устойчивость последних к расслаиванию, но и способствует ускорению процесса разрушения дорожного покрытия вследствие выпотевания (отторжения) масел, в первую очередь введенных дополнительно.
Для получения полимерно-битумных материалов, характеризующихся более высокой пластичностью, достаточно использовать в качестве исходного сырья битумы с более высокими значениями показателя глубины проникания иглы при 25 оС (что имеет место в зарубежной практике) или применять нефтяные пластификаторы ароматического характера. Часто можно слышать мнение о том, что полимеры типа СБС способствуют повышению прочности сцепления дорожного битума с минеральными материалами, в том числе и кислыми, однако это не так.
Как и дорожные битумы, полимерно-битумные вяжущие способны образовывать прочные связи с эталонным материалом – мрамором (табл. 1-3). Однако формальное соответствие полимерно-битумных композиций по значению этого показателя требованиям ГОСТ Р 52056-2003 не может быть гарантией высокой адгезионной прочности полимерасфальтобетонного покрытия, устроенного с использованием ПБВ в смеси с кислыми минеральными материалами (гранитом), так как битумоминеральные смеси,приготовленные с использованием гранитного щебня и ПБВ, легко разрушаются водой (табл. 5).
По этой причине во избежание эрозийного разрушения полимерасфальтобетонного покрытия, устраиваемого с использованием кислых минеральных материалов, в рецептуру полимерно-битумного вяжущего необходимо вводить адгезионные добавки. Анализ зарубежного и отечественного опыта применения битумов, модифицированных полимерами, показывает принципиальные отличия в подходах к выбору исходных компонентов, к проектированию составов полимерно-битумных вяжущих, к регламентированию комплекса физико-механических свойств ПБВ, к выбору объектов, на которых наиболее целесообразна замена битума дорожного на новый вид вяжущего.
Недостатки нормативных требований
Как показывает практика, принципиальными недостатками отечественных нормативных требований (табл. 6) к полимерно-битумным вяжущим (ГОСТ Р 52 056-2003) является:
1. Среди нормируемых показателей качества ПБВ отсутствует вязкость, что не позволяет прогнозировать технологические особенности работы с ПБВ, обусловленные более высокими значениями вязкости последних по сравнению с битумами дорожными вязкими, а также эксплуатационную надежность полимерно-битумного вяжущего в составе дорожного покрытия.
2. Методика, предложенная разработчиками нормативного документа, не позволяет дать объективную оценку эластичности ПБВ (свойства, определяющего главное преимущество полимерно-битумных вяжущих по сравнению с битумами дорожными), поскольку за результат испытания принимается значение, достигаемое за неограниченный период времени («до момента изменения длины не более чем на 0,1 см за 15 минут» – п. 7.4).
Способность ПБВ к обратной деформации, реализуемая материалом за длительный период времени после снятия нагрузки, сводит к минимуму целесообразность использования такого вяжущего для устройства дорожных покрытий на дорогах с высокой интенсивностью движения.
3. Маркировка ПБВ по значению показателя «глубина проникания иглы при 25 оС» при низких регламентируемых значениях показателя «температураразмягчения» не позволяет оценить преимущества ПБВ по сравнению с битумами.
4. Адгезионная способность ПБВ, оцениваемая по отношению к мрамору или песку (эталонам), некорректна и вводит в заблуждение потребителей данного вида товарной продукции, поскольку прочность сцепления модифицированного битума с кислыми минеральными материалами, применяемыми на практике, низкая.
5. В перечень нормируемых показателей физико-механических свойств ПБВ не включен показатель «устойчивость при хранении».
Выводы и рекомендации
1. Битумы, модифицированные полимерами типа СБС, представляют собой композиционные материалы, структура и свойства которых при прочих равных условиях зависят от вида и концентрации полимера, марки битума, а также от технологии смешения компонентов.
2. Для получения модифицированных битумов с заданным комплексом свойств в каждом конкретном случае необходимо осуществлять правильный выбор полимерного модификатора, битумного сырья, выполнять комплекс лабораторных работ по оптимизации рецептуры композиционного материала.
3. Для обеспечения стабильности структуры и свойств битума, модифицированного полимером, при изготовлении разных партий товарной продукции следует использовать полимер и битум стабильного качества, а также строго соблюдать технологический регламент процессов приготовления и хранения модифицированного битума.
4. При работе с битумами, модифицированными полимерами, нельзя не учитывать особенности их структуры и свойства. Игнорирование этих знаний приведет к снижению эффективности использования полимеров в качестве модифицирующих добавок к битуму, получению некачественных полимерно-битумных материалов, а следовательно, и к неоправданным затратам вследствие применения дорогостоящих полимеров в такой материалоемкой отрасли, как дорожное строительство.
5. При выборе промышленной установки по производству полимерно-битумных вяжущих следует руководствоваться не только соображениями ценовой политики, но и техническими, технологическими возможностями установки, которые должны обеспечивать минимальное влияние на качество товарной продукции известных факторов риска.
6. Применению битумов, модифицированных полимером, должно предшествовать в каждом конкретном случае технико-экономическое обоснование, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость битума.
Т.С. Худякова, к.т.н.,
заместитель генерального директора
ООО «Испытательный центр «Дорсервис»