Что такое полимерно битумное вяжущее

Что такое полимерно битумное вяжущее

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;

Источник

Технология производства ПБВ

Вот уже более 10 лет наблюдается непреклонная тенденция увеличения государственных заказов на строительство дорог с применением полимерно битумного вяжущего (ПБВ). А с 1 ноября 2014 года взамен главного норматива на асфальтобетон – ГОСТ 9128-2009 был введен новый ГОСТ 9128-2013, с включенными в него смесями на полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол (СБС). Особенно частые заказы на федеральных автодорогах, платных автомагистралях и в двух столицах — Москве и Санкт-Петербурге. Цена модифицированного вяжущего, произведенного на ПБВ установках может сильно отличаться от региона, однако в среднем она варьируется от 24 до 28 рублей с НДС за кг.

Описание:

По сути, ПБВ — не что иное, как перетертый термоэластопласт типа стирол – бутадиен – стирол (СБС) в битуме. Термоэластопласт обладает свойством растягиваться в горячем состоянии и становиться упругим в холодном. Грубо говоря, процесс вулканизации у термоэластопластов происходит за счет понижения температуры и поэтому в обычных условиях он ведет себя как вулканизированная резина, а в горячем виде – как первичный каучук. В процессе перемалывания термоэластопласта важно раздробить его как можно мельче и диспергировать по всему объему битума, для этого особенное внимание стоит уделить коллоидной мельнице, от работы которой в первую очередь зависит тонкость помола полимера.

Цифры:

Некоторые крупные производители ПБВ замещают СБС более дешевыми полимерами или резиновой крошкой, что при правильном подходе не сильно влияет на свойства конечного продукта, но позволяет значительно экономить, сравните сами:

Стоимость СБС – от 180 рублей за кг,

Стоимость резиновой крошки до 1 мм – 20 рублей за кг,

Если на 1 тонну ПБВ требуется 40кг СБС, то заменив даже 10кг можно получить экономию в 1,5 тысячи рублей.

Конечно никто из производителей ПБВ открыто не признается в замене дорогого материала на вторичное сырье, однако, если при этом свойства конечного материала соответствуют требованиям ГОСТа, почему бы и нет?

Проверить наличие резиновой крошки и вторичных пластиков в обычной лаборатории не удастся.
Для этого необходимо редкое оборудование – лабораторный анализатор, способный растворять битум, отделять его от каменного материала и органических примесей (типа резиновой крошки).

Рекомендации:

Если Вы заинтересовались производством ПБВ, но при этом активно ищите подходы для удешевления производства, вот несколько рекомендаций:

Проанализируйте рынок СБС. В России он представлен крупными игроками, такими как Кротон, LG-Chem, Сибур, и малоизвестными производителями из Америки, Кореи, Китая, Японии у которых цены могут выгодно отличаться от известных.

При замене СБС на более дешевые компоненты, проверьте как это скажется на конечном продукте. Чаще всего у такого ПБВ либо падает растяжимость, либо падает температура при КИШ (кольцо и шар). Для стабилизации этих показателей рекомендуем применять не только дешевые заменители,
но и химические добавки в битум, а также проводить предварительную подготовку сырья перед подачей на установку.

Если Вы работаете на АБЗ, то часть компонентов можно отправлять на замес в сухом виде, например, модификатор КМА Колтек может вводится напрямую в мешалку, так как в его составе уже включены химические добавки для предварительной обработки подаваемого материала.

Кроме возможностей прямого замещения СБС на более дешевые компоненты, существует опыт применения химических добавок с целью усилить диспергацию частиц полимера. Одной из таких добавок является полифосфорная кислота, которая позволяет сэкономить до 20% от вводимого СБС. Однако с подобными добавками нужно работать крайне осторожно, так как некоторые из них имеют побочные свойства на сам битум, которые могут не быть проявлены в первый год, но способствовать его ускоренному старению (окислению) в дальнейшем.

Источник

Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ)

В условиях увеличения интенсивности движения и роста нагрузок на дорожное покрытие, а также специфических условий эксплуатации объектов дорожного строительства в различных климатических условиях, возрастают и требования к материалам для строительства и ремонта дорожного полотна. Битумы нефтяные дорожные (БНД) в чистом виде не могут в полной мере соответствовать этим требованиям. Битум термопластичный материал, и при повышенных температурах он размягчается. При низких температурах битумы становятся твердыми и хрупкими, что приводит к образованию трещин на дорогах. Кроме того, битумы обладают недостаточно высокой адгезией к песку и щебню. Значительно повысить долговечность и качество дорожных покрытий позволяет применение полимерно-битумных вяжущих (ПБВ).

Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) — битумы, модифицированные добавлением полимеров. Также в состав ПБВ могут входить пластификаторы и адгезионные добавки.

ПБВ имеет ряд преимуществ перед применением БНД:

Вследствие повышения качества, срок службы дорожного покрытия повышается в 2 – 3 раза, с 6 лет при использовании БНД до 12 – 18 лет при использовании ПБВ. Это позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию и ремонт дорог.

При производстве ПБВ в качестве полимера могут использоваться термопласты, каучуки и термоэластопласты.

Термопласты отличаются способностью к многократному размягчению при повышении температуры и отвердеванию при ее снижении. Среди термопластов в процессах модификации битума участвуют полиэтилены, полипропилены, атактические полипропилены, поливинилхлориды, полистиролы, этиленвинилацетаты и вископласты.

Каучуки, или эластомеры имеют спиральное строение макромолекул, что дает возможность удлинения до 10 раз при прикладывании растягивающей нагрузки и возвращение в исходное состояние при ее снятии. Из этого класса модификаторов для улучшения свойств битума используются бутадиен-стирольные, полихлоропропеновые и этиленпропиленовые полимеры, а также бутилкаучук.

Термоэластопласты – полимеры, обладающие в условиях эксплуатации эластичными свойствами, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние. Выделяют три типа термоэластопластов – полимеры стирол-бутадиен-стирол (СБС), полимеры стирол-изопрен-стирол (СИС) и полимеры стирол-этилен/бутилен-стирол (СЕ/БС).

Для модификации дорожных битумов чаще всего используют СБС. Это обусловлено их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – 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, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта.

Способы производства ПБВ

В настоящее время наиболее эффективным методом производства ПБВ можно считать процесс с использованием такого устройства, как коллоидная мельница. Это устройство позволяет измельчать полимер в процессе приготовления ПБВ. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера.

Существует два способа приготовления ПБВ.

По первому основному способу все компоненты ПБВ, согласно рецептуре, перемешиваются в одной емкости.
Сперва в емкость подают битум, предварительно обезвоженный и подогретый до 110 – 120 °С. Затем туда же подают необходимое количество пластификатора, нагретого до 90 – 100 °С, и перемешивают до однородного состояния, после чего, при постоянном перемешивании, порционно вводят полимер и постепенно нагревают смесь до 155 – 160 °С. Далее смесь поступает в коллоидную мельницу. В мельнице полимер дробится на мелкие частицы и эффективно вмешивается в битум. Из мельницы смесь попадает в емкости созревания, где в течение нескольких часов происходит окончательное набухание полимера. После этого полимерно-битумное вяжущее готово к использованию.

По второму способу предварительно готовят раствор полимера в пластификаторе той концентрации, которая была установлена при подборе состава ПБВ, а затем раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса – ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния. Если вязкость раствора полимера высока и возникают трудности при перемешивании и перекачке в расходные емкости, то в него добавляют битум в количестве, равном содержанию раствора в емкости. Получается битумосодержащий раствор полимера, который затем вводят в битум и перемешивают до однородного состояния.

Для ускорения процесса измельчения и набухания полимера, уменьшения температуры протекания процесса и соответственно для минимизации затрат, целесообразно применять комплексные полимерные добавки, в состав которых, кроме полимера, входят специальные поверхностно-активные вещества. В этом случае снижается или вовсе исключается необходимость введения пластификатора, что также снижает себестоимость производимого ПБВ.

Пластификаторы для ПБВ

При введении термоэластопластов в битум без пластификаторов для получения ПБВ с оптимальными свойствами требуется как минимум 5 – 6% полимера по массе. При этом вязкость получаемого вяжущего существенно выше вязкости битумов, что может привести к технологическим затруднениям при приготовлении асфальтобетонных смесей на АБЗ. Повышать же температуру приготовления более 160 °С не рекомендуется, так как в России применяются окисленные битумы, которые подвержены интенсивному старению при температурах выше 160 °С. Для получения ПБВ требуемого качества без лишних затрат полимера и энергии важно правильно подобрать пластификатор.

Рынок производства пластификаторов для ПБВ расширяется из года в год. И если раньше в качестве пластификаторов использовали индустриальные масла, экстракты селективной̆ очистки, машинные масла и т.д., то в настоящее время подобные пластификаторы не рекомендованы к использованию, и на смену им выпускается множество эффективных пластификаторов на основе экологически безопасного сырья. К таким относится Унипласт, производимый ООО «Селена». Использование пластификатора Унипласт позволяет обеспечить требуемый температурный режим (не выше 160°С) и существенно повысить эффективность вводимого полимера, т. е. получить ПБВ с развитой пространственной структурной полимерной сеткой при минимальном содержании полимера 2 – 2,5 %, а также, в некоторых случаях, исключить из необходимого комплекта оборудования коллоидную мельницу.

Адгезионные добавки для ПБВ

ПБВ должны характеризоваться необходимой адгезией к поверхности минеральных материалов, используемых в данной полимерасфальтобетонной смеси, чтобы как минимум обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без шелушения и выкрашивания. Однако введение только полимера типа СБС в битум в большинстве случаев не позволяет получить требуемую адгезию ПБВ. Необходимо введение эффективных адгезионных добавок.

ООО «Селена» предлагает ряд высокоэффективных дорожных адгезионных добавок ДАД, отличающихся по своему химическому составу и структуре. При этом выбор конкретной марки ДАД зависит от производственных условий приготовления ПБВ, химической природы применяемого вяжущего и используемых каменных материалов.

Варьируя соотношением компонентов, можно получить ПБВ высокого качества с любыми требуемыми характеристиками.

Источник

Что такое полимерно битумное вяжущее

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЯЖУЩИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ДОРОЖНЫЕ НА ОСНОВЕ БЛОКСОПОЛИМЕРОВ ТИПА СТИРОЛ-БУТАДИЕН-СТИРОЛ

Polymer-bitumen binders for roads on the basis of block copolymers of styrene-butadiene-styrene type. Specifications

Дата введения 2004-01-01

1 РАЗРАБОТАН Федеральным Государственным унитарным предприятием «Государственный дорожный научно-исследовательский институт» (ФГУП «Союздорнии»)

ВНЕСЕН Научно-техническим управлением Госстандарта России, Государственной службой дорожного хозяйства Министерства транспорта Российской Федерации, ТК 418 «Дорожное хозяйство»

2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 23 мая 2003 г. N 157-ст

4 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Декабрь 2007 г.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на дорожные полимерно-битумные вяжущие материалы на основе вязких дорожных нефтяных битумов и блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол (СБС), предназначенные для применения при строительстве, реконструкции и ремонте дорог, мостов и аэродромов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 12.0.004-90 Система стандартов безопасности труда. Организация обучения безопасности труда. Общие положения

ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования

ГОСТ 12.1.007-76 Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности

ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения

ГОСТ 12.3.002-75 Система стандартов безопасности труда. Процессы производственные. Общие требования безопасности

ГОСТ 12.4.011-89 Система стандартов безопасности труда. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация

ГОСТ 12.4.021-75 Система стандартов безопасности труда. Системы вентиляционные. Общие требования

ГОСТ 17.2.3.02-78 Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями

ГОСТ 427-75 Линейки измерительные металлические. Технические условия

ГОСТ 1510-84 Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение

ГОСТ 2517-85 Нефть и нефтепродукты. Методы отбора проб

ГОСТ 4333-87 Нефтепродукты. Методы определения температур вспышки и воспламенения в открытом тигле

ГОСТ 11501-78 Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы

ГОСТ 11505-75 Битумы нефтяные. Метод определения растяжимости

ГОСТ 11506-73 Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару

ГОСТ 11507-78 Битумы нефтяные. Метод определения температуры хрупкости по Фраасу

ГОСТ 11508-74 Битумы нефтяные. Метод определения сцепления битума с мрамором и песком

ГОСТ 18180-72 Битумы нефтяные. Метод определения изменения массы после прогрева

ГОСТ 28498-90 Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические требования. Методы испытаний

3 Технические требования

3.2 Характеристика ПБВ

3.2.1 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.

При отгрузке продукции указывают марку ПБВ и обозначение настоящего стандарта, например ПБВ 90 по ГОСТ Р 52056.

3.3 По физико-механическим показателям ПБВ должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 1. Перед испытанием ПБВ определяют его однородность (см. 6.1). Если ПБВ однородно, проводят его дальнейшие испытания.

Норма для вяжущего марки

1 Глубина проникания иглы, 0,1 мм, не менее, при температуре:

2 Растяжимость, см, не менее, при температуре:

3 Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже

4 Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше

По ГОСТ 11507 с дополнением по 6.3 настоящего стандарта

По 6.2 настоящего стандарта

6 Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более (по абсолютной величине)

7 Температура вспышки, °С, не ниже

8 Сцепление с мрамором или песком

Выдерживает по контрольному образцу N 2

По 6.1 настоящего стандарта

4 Требования безопасности

4.1 При применении ПБВ используют средства защиты работающих по ГОСТ 12.4.011.

4.2 При работе с ПБВ должны соблюдаться общие требования безопасности по ГОСТ 12.3.002 и требования пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004 и ГОСТ 12.0.004.

4.3 ПБВ являются горючими веществами по ГОСТ 12.1.044 с температурой вспышки выше 220 °С.

4.4 ПБВ являются малоопасными веществами и по степени воздействия на организм человека относятся к 4-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007.

4.5 Предельно допустимая концентрация ПБВ в воздухе рабочей зоны 300 мг/м ; блоксополимера бутадиена и стирола типа СБС, а именно полимера этенил бензола с бутадиеном 1,3 составляет 10 мг/м (4-й класс опасности).

4.6 Помещение, в котором производят работы с ПБВ, должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.021.

4.7 При загорании небольших количеств ПБВ их следует тушить песком, кошмой или пенным огнетушителем. Развившиеся пожары следует тушить пенной струей.

4.8 При работе с ПБВ необходимо соблюдать требования ГОСТ 17.2.3.02 по охране природы и атмосферы. Эффективными мерами защиты природной среды является герметизация оборудования, предотвращение розлива ПБВ.

5 Правила приемки

5.1 ПБВ принимают партиями. Партией считают любое количество ПБВ, однородное по составу и по показателям качества, сопровождаемое одним документом о качестве.

5.2 Объем выборки ПБВ определяют по ГОСТ 2517.

5.3 Качество ПБВ необходимо проверять при получении потребителем каждой новой партии в соответствии с 3.3 после определения его однородности по 6.1.

5.4 Из каждой партии ПБВ отбирают две пробы. При получении неудовлетворительных результатов испытаний первой пробы хотя бы по одному показателю проводят испытания второй пробы. Результаты испытаний распространяют на всю партию. При получении неудовлетворительных результатов партию бракуют.

5.5 При проведении входного контроля потребитель определяет показатели свойств ПБВ, приведенные в таблице 1.

5.6 Каждая партия ПБВ должна сопровождаться документом о качестве.

5.7 При приемке каждой партии ПБВ отбирают по ГОСТ 2517 и оформляют арбитражную пробу, которую следует хранить у изготовителя и потребителя в течение одного года.

6 Методы испытаний

6.1 Метод определения однородности ПБВ

6.1.1 Сущность метода

Сущность метода заключается в определении однородности ПБВ визуально с помощью стеклянной палочки.

6.1.2 Аппаратура и реактивы

Термометр лабораторный химический по ГОСТ 28498 диапазоном измерения 0-250 °С и ценой деления 1 °С.

Плитка электрическая с закрытой спиралью.

6.1.3 Подготовка к испытанию

Пробу ПБВ массой 0,5 кг отбирают в фарфоровый стакан. Если проба ПБВ хранилась при температуре ниже температуры размягчения ПБВ, то перед испытанием ее следует разогреть до температуры, превышающей на 10 °С температуру приготовления ПБВ, и перемешать в течение 5-6 мин.

6.1.4 Проведение испытания

Стеклянную палочку погружают в подготовленную пробу ПБВ на 3-4 с, затем извлекают и визуально оценивают характер стекания вяжущего с палочки и состояние пленки вяжущего на ее поверхности.

ПБВ должно стекать с палочки равномерно и на ее поверхности не должно быть сгустков, комков и крупинок.

Источник

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»

Источник