К добавкам, конечной функцией которых является улучшение качества дорожного полотна, относятся следующие типы материалов:
1. Модификаторы битума;
2. Адгезионные присадки к битуму;
3. Стабилизаторы ЩМАС (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси);
4. Модификаторы асфальтобетонной смеси;
5. Структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь;
При низких температурах битум становится твердым и хрупким, при высоких - мягким и текучим. Битум модифицируют различными эластомерами, применение которых имеет цель улучшить эксплуатационные характеристики битума при экстремальных температурах. При модификации битума стирол бутадиен стиролом полимербитумная смесь становится мягкой и более гибкой при низкой температуре, и более вязкой при высокой температуре.
Применение различных присадок к битуму направлено на улучшение отдельно взятого свойства битума: адгезии с минеральной составляющей асфальтобетонной смеси или пластической текучести при низких температурах. Существует присадка, предотвращающая окисление битума и, как следствие, образование микротрещин на поверхности.
Под стабилизаторами ЩМАС, как правило, понимают волоконные добавки, которые применяются для предотвращения стекания битума из смеси при транспортировке и укладке. Волокна стабилизатора равномерно распределяются в смеси при перемешивании, выполняя функцию микроскопического каркаса, армирующего битум.
Также на российском рынке присутствуют модификаторы асфальтобетона на основе резиновой крошки. Подобные модификаторы вводятся в смеситель при приготовлении асфальтобетонной смеси в отличие от модификаторов битума, улучшение битума которыми является трудоемким и энергоемким процессом. Под структурирующими добавками понимают минеральный порошок или цемент.
Свойства и характеристики модификаторов
СБС (SBS) (стирол-бутадиен-стирол) и прочие сополимеры стирола (SBR, SEBS, SIS, SEPS и т. п.)
Высокоэластичные полимеры (синтетические каучуки), которые придают битумам гибкость при низких температурах. СБС - покрытия обладают отличной адгезией и высокой устойчивостью к резким перепадам температуры (с переходом через 0°С). Кроме того, СБС-материалы высокоэластичны, морозостойки, а также легко повторяют форму той поверхности, на которую укладываются. Теплостойкость его несколько хуже, чем АПП, однако, при использовании высококачественного СБС-модификатора она может достигать 100°С. СБС является наиболее распространенным модификатором битумов.
При модификации битума с помощью СБС создается полимерная матрица, представляющая в данном случае трехмерную сетку, образованную благодаря взаимодействию полистирольных блоков в, так называемые, полистирольные домены. Внутри этой эластомерной сетки в виде мельчайшей дисперсии распределен битум.
Производство качественного модифицированного СБС битума чрезвычайно сложный технологический процесс. Для этого необходимо использовать совместимый СБС битум, отличающийся повышенным содержанием ароматических соединений. Собственно, СБС может использоваться либо в виде порошка тонкого помола, либо в виде гранул.
В первом случае возможно получение качественных смесей на обычных смесителях. В случае применения гранулированного СБС необходимо наличие гомогенизатора - устройства, "перетирающегося" полимер с битумом. Без гомогенизатора смесь получается неоднородной (негомогенной). Теплостойкость такой неоднородной смеси может быть иногда даже несколько выше, но гибкость на холоде будет существенно хуже и с течением времени начнет постоянно ухудшаться.
Как показывает опыт, именно гибкость может служить косвенным критерием качества СБС-материала. Материалы, в которых применяется СБС-модификатор высокого качества (например, фирмы SHELL) достигают гибкости до -30°С. В то же время материалы с гибкостью хуже -20°С имеют, либо недостаточную концентрацию полимера в битуме, либо в них использован несовместимый с СБС битум. На практике такие материалы довольно быстро разрушаются.
ОПИСАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПМБ (ПБВ)
В последнее время по всему миру значительно растет использование полимер - модифицированного битума (ПМБ) или полимер-битумного вяжущего (ПБВ). Многочисленные тесты подтверждают значительное увеличения срока службы дорог с ПМБ покрытием в особенности в регионах с большим перепадом температур и повышенной нагрузкой на дороги.
ENH Engineering- одна из ведущих мировых компаний, производящих установки для изготовления ПМБ. Мы самостоятельно разработали и произвели большое количество установок непрерывного (поточного) типа, которые имеют неоспоримые преимущества по сравнению с циклическими установками.
Вот краткое описание непрерывного процесса производства ПМБ.
Исходные материалы вводятся в установку раздельно. Главный элемент это битум, остальные материалы вмешиваются в него. Битум нагревается до температуры 140-180°С в постоянном течении через теплообменник, который нагревается термальным маслом температурой 240°Си имеет мощность 400кВт. В ряде случаем одно или несколько ароматических масел вместе с адгезионными реагентами может быть введено в битум для улучшения свойств конечного ПБВ. Дозировка всех жидкостей осуществляется расходомерами. Актуальное значение регистрируется системой управления и автоматически регулируется в соответствии с заданным рецептом.
Полимеры, в данном случае СБС вводятся посредством весовой системы дозирования. Она состоит из весов расположенных на тензодатчиках. Тензодатчики соединены с компьютером, к который управляет дозировкой полимеров. Точность системы очень высокая.
Из системы дозировки полимеры направляются в небольшую емкость для предварительного смешивания с битумом и другими жидкостями. Из этой емкости смесь попадает в мельницу. В мельнице полимерный гранулят дробится на мелкие частицы и эффективно вмешивается в битум.
Изобретения относятся к новому битумному вяжущему, которое может использоваться для изготовления покрытий дорог, мостов, аэродромов и других строительных объектов, и способу его получения.
Основной характеристикой битумного вяжущего является адгезионная способность вяжущего по отношению к минеральным материалам основной и кислой природы, определяющая, в частности, водостойкость асфальтобетонов и сцепление в составах для поверхностной обработки дорожных покрытий.
Нефтяные дорожные битумы, полученные по ГОСТ 22245-90, обладают низкими адгезионными свойствами, поэтому разрабатывают различные добавки для повышения этих свойств и способы модификации ими битумов.
Известно использование в качестве адгезионной добавки к битуму кубового остатка производства синтетических жирных кислот и их смесей с кубовыми остатками кислот хлопкового соапстока (А.С. СССР №1787994, опубл. 15. 01.93 г.). Однако применение этой добавки дает эффект только для карбонатных минеральных материалов.
Известно использование катионоактивной адгезионной присадки к битуму БП-3 - продукта взаимодействия кубовых остатков СЖК (фракции С 21 -С 26) (кислотного компонента) с полиэтиленполиаминами (основным компонентом) (Кутьин Ю.А. и др. Рациональные направления производства дорожных битумов. Башкирский химический журнал, том 3, с.31). Битум, модифицированный присадкой такого типа, надежно сцепляется с поверхностью минеральных материалов кислого характера.
Недостатком этой присадки является слабое улучшение показателя сцепления с минеральными материалами основного характера.
Известен способ получения добавки к битуму путем смешения таллового масла и феноламинной смолы при соотношении соответственно, мас.% (71-83):(17-29), при температуре 120-180°С (патент РФ №2096370, опубл. 20.11.97).
Талловое масло является побочным техническим продуктом, получаемым в процессе производства целлюлозы сульфатным методом, а феноламинная смола является продуктом взаимодействия алкилфенолов и аминных соединений.
Недостатками этого решения являются следующие:
Получаемые добавки кардинально не улучшают адгезию битумного вяжущего к основным и кислым минеральным материалам;
Способ получения добавки сложен и энергоемок;
Кроме затрат энергии и времени на получение добавки дополнительно необходимы еще затраты на технологический процесс введения ее в битум.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является модифицирующая добавка к битуму и способ получения модифицированного битума, выбранные за прототип, в котором в качестве добавки в битум использован гексаметилентетрамин. Процесс проводят путем введения гексаметилентетрамина в количестве 1-2% в расплав предварительно окисленного битума с теплостойкостью 44-65°С. Смесь выдерживают в течение двух часов при температуре 160-180°С и охлаждают до температуры 100°С перед его использованием для защиты от коррозии трубопроводов нефтяных месторождений, в том числе по мокрой поверхности (патент РФ №2021309, опубл. 15.10.94).
Основными недостатками добавки, применяемой по этому способу, являются следующие:
Она, несколько улучшая адгезию битума к кислым минеральным материалам, не улучшает адгезию к основным минеральным материалам;
При введении добавки увеличивается вязкость битумного вяжущего, что сказывается на уменьшении его пенетрации; уменьшение пенетрации ведет к ухудшению технологических свойств исходного битума, что существенно при производстве и применении асфальтобетона и составов для поверхностной обработки в определенных климатических условиях;
При используемых технологических температурах (выше 105°С) гексаметилентетрамин разлагается с выделением газообразного формальдегида, что ухудшает экологическую обстановку.
Известно, что применение адгезионных добавок ведет к изменению реологических свойств битумов, т.е. изменяет технологические свойства исходных битумов, проявляясь, в частности, в изменении их вязкости и пенетрации (Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1980, с.36,37).
Задачей предлагаемых изобретений является разработка нового состава битумного вяжущего, добавка которого к битуму значительно улучшает его адгезионную способность к минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки дорожных покрытий и в тоже время не ухудшает его технологические характеристики, а также способ его получения.
Изобретение призвано получить универсальный модифицированный битум, проявляющий улучшенные адгезионные характеристики как к основным, так и к кислым минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки.
Поставленная задача решается путем добавления к исходному битуму продукта полукоксования углей и гексаметилентетрамина при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 80,00-92,00
Гексаметилентетрамин 0,35-1,00 (сверх 100%)
В качестве продукта полукоксования углей предлагается использовать термическую фракцию >230°С смолы полукоксования углей.
Заявляемые изобретения (вещество и способ его получения) связаны единым изобретательским замыслом, поскольку второе изобретение специально предназначено для получения первого.
Оба изобретения решают одну и ту же задачу с получением требуемого технического результата (повышение адгезионной способности модифицированного битума) и, следовательно, связаны единым изобретательским замыслом.
Способ осуществляют следующим способом.
В емкость для получения модифицированного битума помещают, например, 100 кг исходного битума, затем вводят туда 10 кг продукта полукоксования углей и перемешивают смесь до однородного состояния при температуре 110°С, в которую при этой температуре и непрерывном перемешивании добавляют 0,35 кг гексаметилентетрамина. Полученную смесь нагревают до температуры 160°С при непрерывном перемешивании и после получения гомогенной смеси выдерживают ее в течение 30 мин, не прекращая перемешивания.
Оценку адгезионной способности известных и вновь полученных модифицированных битумов проводили как в долях поверхности, так и в баллах. Методики, оценивающие адгезионную способность вяжущего в баллах, более объективны, т.к. учитывают фактор толщины адгезионной пленки и равномерность ее распределения по поверхности минерального материала. Оценку адгезионной способности в баллах производили по методике, основанной на опубликованных ранее, но несколько различающихся между собой методиках: а) методика, разработанная в Союздорнии (П.В. Сафронов, А.И. Лучкин. Дорожно-строительные материалы, Изд-во “Транспорт”, М., 1966 г., стр.135); б) методика, предлагаемая Горелышевым Н.В. и др. (“Справочник по дорожно-строительным материалам”, Изд-во “Транспорт”, 1972 г., стр.213).
Использованная методика заключается в следующем.
Отдельные частицы минерального материала (щебень, гравий) размерами не менее 10 мм высушивают до постоянного веса при температуре 105°С. Затем каждую частицу щебня или гравия привязывают на тонкую проволоку или нитку, нагревают в термостате в течение 1 ч при температуре 140-160°С и погружают в чашку с вяжущим, нагретым до этой же температуры, на 15 с. Извлеченные из вяжущего частицы подвешивают на штативе для стекания избытка вяжущего. После этого их охлаждают при температуре 20°С не менее 15 мин. Затем обработанные вяжущим частицы щебня или гравия опускают в стакан с кипящей (небурно) дистиллированной водой на 30 мин и силу сцепления вяжущего определяют по шкале, приведенной в табл. 1.
В качестве исходного битума использовали нефтяной дорожный битум БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90, т.к. он обладает оптимальными характеристиками для определенных климатических условий производства и эксплуатации асфальтобетонов и составов для поверхностной обработки дорожных покрытий на его основе.
В качестве добавок использовали гексаметилентетрамин технический по ГОСТ 1381-73 и температурную фракцию >230°С смолы полукоксования липтобиолитового угля по ТУ 2221-004-02067942-2002, представляющую собой жидкость с вязкостью 50-90 мм 2 /с при 50°С.
Для оценки адгезионной способности модифицированного битума к основным и кислым минеральным материалам, входящим в состав асфальтобетонной смеси, и составов для поверхностной обработки, использовали мраморный и порфировый щебень соответственно.
Выбор в качестве добавки - термической фракции >230°С смолы полукоксования углей объясняется тем известным фактом, что низкотемпературные смолы (получаемые при полукоксовании) твердых горючих ископаемых лучше совмещаются с битумами, чем высокотемпературные (получаемые при коксовании) (Лысихина А.И. Поверхностно-активные добавки для повышения водоустойчивости дорожных покрытий с применением битумов и дегтей. М.: Автотрансиздат, 1959, 232 с.), и, кроме того, первые содержат в своем составе ПАВ кислого и основного состава, повышающие адгезионную способность.
Выбор термической фракции >230°С смолы полукоксования углей обусловлен также тем, что в этой фракции отсутствуют низкокипящие и легколетучие фенолы (оксибензолы, крезолы), поэтому, несмотря на достаточно высокие производственные температуры, получаются хорошо воспроизводимые результаты и не происходит загрязнения атмосферы.
В табл. 2 приведена зависимость адгезионной способности модифицированного битума и пенетрации от состава битумного вяжущего.
При отсутствии добавок исходный битум обладает низкой адгезионной способностью к минеральным материалам, особенно кислого характера (табл. 2, пример 1) и характеризуется пенетрацией при 25°С, равной 96×0,1 мм.
Введение в качестве добавки только гексаметилентетрамина не приводит к заметному улучшению адгезионной способности битума, но ухудшает его технологическую характеристику (табл. 2, примеры 2-4).
Введение в качестве добавки только продукта полукоксования углей приводит к незначительному улучшению адгезионной способности битума, но сильно изменяет его технологические характеристики, прежде всего пластификацию (табл. 2, примеры 5,6). Это сказывается на уменьшении вязкости битума, что проявляется в увеличении пенетрации. Существенного улучшения адгезионной способности модифицированного битума не происходит, несмотря на наличие в составе указанного продукта полукоксования углей веществ с функциональными гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами. Некоторое улучшение адгезионной способности описываемых смесей объясняется появлением небольшого количества веществ с активными концевыми функциональными группами (пример 6), но кардинального (т.е. не менее четырех баллов) улучшения адгезионной способности не происходит.
Только введение в систему битум - термическая фракция >230°С смолы полукоксования углей определенного количества гексаметилентетрамина приводит к существенному улучшению адгезионной способности получаемого таким образом модифицированного битума (табл. 2, примеры 8-15). Это объясняется следующим.
Продукт полукоксования углей играет роль структурирующей добавки вследствие наличия в нем полярных веществ с различными функциональными группами; однако это не приводит к разбалансированию структуры битума. При введении второй добавки - гексаметилентетрамина происходит образование в объеме фенолформальдегидных и феноламинных олигомеров. В результате адсорбционного взаимодействия образующихся олигомеров с асфальтенами нефтяного битума образуется новая дисперсная структура. Это подтверждается экспериментальным фактом появления у модифицированного битума эластичности при 0 и 25°С (30-35%), что совершенно нехарактерно для исходного битума, соответственно (2-4%). Проявление эластичности, свойства характерного для полимерных структур (например, для полимерно-битумных вяжущих), подтверждает образование полимерных молекул во впервые полученном модифицированном битуме.
В примере 9 (табл. 2) приведен оптимальный состав модифицированного битума, при котором достигается максимальное значение адгезионной способности для основных и кислых минеральных материалов при сохранении значения пенетрации исходного битума.
Экспериментально установлено, что введение термической фракции >230°С смолы полукоксования углей в количестве менее 8% не позволяет достигнуть кардинального повышения адгезионной способности битума и одновременно регулировать его технологические свойства (табл. 2, пример 7), введение же этой добавки более 20% экономически неэффективно, т.к. требует увеличения добавки гексаметилентетрамина для достижения тех же результатов. Величина же добавки гексаметилентетрамина определяется значениями пенетрации исходного битума, количеством введенного продукта полукоксования углей и требуемой пенетрации получаемого модифицированного битума.
Существенным отличительным признаком первого изобретения (вещества) является получение ранее не известного модифицированного битума, обладающего хорошей адгезионной способностью к основным и кислым минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки, который получают при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 80,00-92,00
Продукт полукоксования углей 8,00-20,00
Гексаметилентетрамин 0,35-1,00 сверх 100%
Заявляемое техническое решение второго изобретения (способа) имеет следующие отличительные признаки:
Использование в качестве дополнительной добавки к битуму для его модификации с целью улучшения технологических характеристик в дополнении к гексаметилентетрамину продукта полукоксования угля;
Установление последовательности выполнения технологических операций при определенных параметрах получения модифицированного битума.
Способ позволяет варьировать обеими добавками для получения модифицированного битума с высокой адгезионной способностью к минеральным материалам разной природы при сохранении или даже улучшении технологических свойств исходного битума.
Указанные отличительные признаки не обнаружены заявителями в доступных источниках информации, следовательно заявляемые изобретения обладают новизной.
Отличительные признаки заявляемых изобретений в совокупности с известными приводят к появлению нового качества у модифицированного битума - улучшению его адгезионной способности к минеральным компонентам асфальтобетонной смеси и составов для поверхностной обработки основного и кислого характера. Наличие причинно-следственной связи отличительных признаков и достигаемого технического результата в заявляемом техническом решении свидетельствует о критерии “изобретательский уровень”.
Результаты проведенных исследований показывают возможность реализации заявляемых технических решений, приводящую к получению модифицированного битума со стабильными значениями адгезионной способности к минеральным материалам основной и кислой природы.
К преимуществам заявляемых изобретений относятся также.
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:
-
уход в период формирования.
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%);
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.)
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.
Термин «битум полимерный»
Битум полимерный – сегодня специалисты рекомендуют применять битум полимерный или модифицированный полимерами, что повышает долговечность и надёжность дорожных покрытий благодаря улучшенным качествам. Их рабочие температуры, это разница между температурами хрупкости и размягчения, отличаются большим диапазоном, до 100 градусов по Цельсию, тогда как для нефтяных битумов этот показатель не бывает выше 60 градусов. Полимерные битумы значительно увеличивают устойчивость к деформациям у асфальтобетонов и замедляют процессы, вызывающие старение материалов.Модифицированные дорожные битумы в своём составе имеют различные полимеры, которые являются искусственными материалами, а получают их на нефтехимических заводах. Классифицируют полимерные битомы, как пластомеры или термопласты, термопластичные и эластомеры. Первые из этой группы в своём составе имеют малоразветвлённые либо линейные полимеры и размягчаются при их нагревании, а при охлаждении опять твердеют. Добавленные в них пластомеры увеличивают жёсткость и вязкость, при соблюдении нормальных рабочих температур в пределах от -30 до +60 градусов. В то же время пластомеры не способны изменять эластичность полимерных битумов. Пластомерами могут стать атактический или стереобеспорядочный полипропилен и полиэтилен.
Эластомеры состоят из полимерных цепочек большой длины и с широкими разветвлениями, эластичность их может достигать широкого температурного диапазона, от самого низкого до 200 градусов по Цельсию. Такие добавки увеличивают вязкость материала и улучшают эластичность. Вместе с тем они не отличаются устойчивостью при хранении, для того, чтобы предотвратить разделение искусственной составляющей и самого битума материал постоянно перемешивается. Модифицированный эластомерами продукт нередко называют битумом с эластичным наполнителем, в этой роли выступают полибутадиен или регенерированный каучук.
Искусственные битумы термопластичного вида размягчаются при режимах выше показателей рабочих температур и в этом состоянии поддаются хорошей деформации. Такие материалы используют уже около 30 лет, самым известным в этой линейке полимерных битумов стал СБС (стирол-бутадиен-стирол). Он представляет собой блокполимер, который состоит из блоков полибутадиена и стирола с содержанием добавок от 3 до 6%.
Улучшают свойства битумов не только полимерами, но и другими эффективными модификаторами, это природные или синтетические смолы, неорганические соли, такие как хлорид марганца, и природные асфальты. Таким образом, представленные полимерные битумы эффективно работают на эксплуатируемых в России автомобильных дорогах и помогают бороться с большими осевыми нагрузками при высокой интенсивности движения.
Компании, в новостях которых есть битум полимерный: