Поверхностно-активные добавки для дорожных битумов

За счет лучшей растворимости в массе битума дорожного улучшенного марки БДУ полимер типа СБС способен в несколько большей степени реализовывать присущую ему эластичность. Этим же объясняется и более высокая вязкость композиции полимера с битумом, полученным из остатков переработки тяжелой ярегской нефти.

Битумы, модифицированные полимерами (в том числе и блоксополимерами), 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, чем выше степень дисперсности полимера в массе битума, тем выше устойчивость композиционного материала к расслаиванию.

 

Диэтиленгликолем

 

Результаты использований адгезии к гальке и диэлектрической проницаемости битумов, модифицированных ДЭГ (диэтиленгликолем) приведены на рис. 4. Диэлектрическая проницаемость ДЭГ равна 29,6. Анализ представленных зависимостей показал не линейный характер этих показателей от содержания добавки в битуме. При модифицировании битума ДЭГ наблюдается постепенное увеличение адгезионных свойств и диэлектрической проницаемости битумов, а при добавлении ДЭГ в битум более 5 % масс. происходит некоторое снижение адгезии. Диэлектрические свойства битумов изменяются аналогично. ДЭГ обладая небольшим дипольными моментом и высоким значением диэлектрической проницаемости, способствует образованию в битуме как мелкодисперсной, так и крупнодисперсной системы, тем самым регулирует показатели качества битума.

 

Рисунок 4. Зависимости адгезии и диэлектрической проницаемости

модифицированных битумов от количества гликолей

 

На рис. 5 и 6 представлены результаты исследований адгезии, определенной количественным методом, и диэлектрической проницаемости модифицированных битумов аминами (МЭА – моноэтаноламином и ДЭА - диэтаноламином). Диэлектрическая проницаемость аминов равна 37,7- 40,5.

 

Рисунок 5. Зависимости адгезии модифицированных битумов от количества аминов

Рисунок 6. Зависимость диэлектрической проницаемости модифицированного битума от количества аминов

 

Из рисунков видно, что изменение адгезионных свойств и диэлектрической проницаемости модифицированных битумов аналогичны как при использовании МЭА так и ДЭА.

К наиболее известным способам модифицирования дорожных битумов относится добавление резиновой крошки в расплав с температурой 160-180 ◦С, при которой происходит девулканизация резины, высвобождение макромолекул каучука и сплавление его с битумом. Крошку получают дроблением старых автопокрышек и других резинотехнических изделий. Количество добавляемой крошки составляет 12-20% от массы расплавленного битума. Добавки резиновой крошки термореактивных полимеров позволяют повысить деформативность и эластичность, снизить шумовой эффект. В результате набухания полимеров в битумной среде возникает вторичная структура, взаимодействующая с битумом через поверхность раздела.

Помимо органических, в основном полимерных модификаторов дорожного битума существенную роль в улучшении свойств асфальтобетона играют минеральные модификаторы – цемент, зола ТЭЦ, техническая сера и др. В совокупности с органическими модификаторами они образуют группу дорожных композиционных материалов.

К минеральным модификаторам дорожных битумов относятся, прежде всего, измельченные известняки и доломиты с пределом прочности на сжатие не менее 20,0 МПа, измельченные доменные шлаки и природные асфальтовые породы. По степени измельчения необходимо, чтобы порошок полностью проходил через сито с отверстиями 1,25 мм., при этом содержание частиц мельче 0,071 мм. должно быть не менее 70% по массе, а частиц, мельче 0,315 – не менее 90%

Представляет теоретический интерес модификация битума лигнином. Как модификатор, лигнин обладает способностью значительно улучшать свойства битума и других битуминозных вяжущих в результате совмещения тонкодисперсного лигнинного порошка с расплавом битума. Этот процесс связывается с уменьшением толщины структурированных (ориетированых) оболочек и, как следствие, с резким увеличением когезии. Сформировавшаяся структура становится более или менее однородной, ее адгезионная активность возрастает.

В дорожных мастиках применяют вяжущее включающее просушенный гидролизный лигнин, расплавляемый в жидкой каменноугольной смоле при 305-320 ◦С. При этом происходит крекинг лигнина, получается черное аморфное вещество с блестящим изломом плотностью 1,22-1,38 г/см3 и температурой размягчения до 150 ◦С. С учетом предыдущих сведений о модифицировании дорожных битумов каменноугольными смолами можно считать, что получается практически однородный каменноугольно-лигниновый субстрат, через посредство которого можно получать лигнобитумные серные композиции

На основании предварительных исследований были приготовлены комбинированные добавки на основе резиновой крошки и смолы пиролиза в соотношениях 1:1,5; 1:2 и 1:3.

На основе полученных добавок были приготовлены модифицированные битумы.

На рис. 7 и 8 показаны зависимости адгезионных свойств и диэлектрической проницаемости модифицированных битумов от содержания комбинированных добавок.

 

Значительно повышают адгезионные свойства битумов комбинированные добавки в количественном соотношении резины и смолы пиролиза 1:1,5 и 1:2 (рис. 7). Это, видимо, связано с небольшим количеством смолы пиролиза в комбинированной добавке, которая имеет небольшую диэлектрическую проницаемость (2,7) по сравнению с резиной (5,2). При использовании комбинированной добавки при соотношении компонентов 1:3 диэлектрическая проницаемость понижается (рис. 8), как и адгезия битума к минеральному наполнителю, а при соотношении компонентов в добавке 1,0:1,5 и 1:2 диэлектрическая проницаемость и адгезия повышаются. Т.е. с увеличением диэлектрических свойств модифицированных битумов улучшаются и их адгезионные свойства.

Зависимости адгезионных и диэлектрических свойств битумов модифицированных НМПЭ (низкомолекулярным полиэтиленом) показаны на рис. 9. НМПЭ имеет низкую диэлектрическую проницаемость (0,8). В связи с этим, у битумов с повышенным содержанием в них добавки наблюдается снижение диэлектической проницаемости, и как следствие снижаются и адгезионные свойства.

Таким образом, исследования ряда битумов, модифицированных различными добавками показали, что такие показатели качества как адгезия и диэлектрические свойства битумов коррелируются. Установлена зависимость адгезионных и диэлектрических свойств модифицированных битумов, которая показана на рис. 10. Необходимо отметить, что это достаточно обобщенная зависимость, однако позволяет сделать следующий вывод, что наилучшей адгезией обладают битумы с диэлектрической проницаемостью от 2,9 и выше (соответствуют образцам №1 и №2 по ГОСТ 11508-74). Битумы, имеющие значение диэлектрической проницаемости ниже 2,9 относятся к образцу №3.

По результатам исследований можно сделать вывод, что такой показатель как диэлектрическая проницаемость можно использовать для оценки качества битумного вяжущего. При использовании диэлектрического метода возможно значительно интенсифицировать процесс определения адгезионных свойств битумов.

 

 

 

 

ЛИТОЙ АСФАЛЬТОБЕТОН НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕР-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ

 

Исследование литого асфальтобетона, как объекта новой конструкционно-технологической природы, проходят уже на протяжении последних сорока лет.

Им занимались московские, казахстанские, эстонские, саратовские научные школы. Уже в шестидесятых годах он эффективно применялся как материал для тротуаров.

В 1974 году решением Главного технического управления Минавтодора РСФСР были утверждены методические рекомендации Саратовского филиала ГипродорНИИ для применения литого асфальтобетона в строительстве автомобильных дорог.

Под литым асфальтобетоном понимается асфальтобетонная смесь с плотностью равной единицы, в которой отсутствуют поры и которая на требует какого либо вида уплотнения, обладающая высокой пластичностью (свойствами литой массы) при технологической температуре распределения, содержащая исходные компоненты с высокой стабильностью требуемых параметров, отвечающая требованиям технологичности и экологической безопасности.

В настоящее время наиболее известны разработки составов и применение литого асфальтобетона М.С.Мелика-Багдасарова – ямочный ремонт в г. Москва, Ю.Э.Васильева (МАДИ) - литого асфальтобетона с применением  серы (ремонт автодорожного моста в Крылатском, г. Москва), методические рекомендации по применению литого асфальтобетона на мостовых сооружениях И.Д.Сахаровой (ФГУП СоюздорНИИ), А.И.Ликвермана (ОАО «Гипротрансмост»), В.Н.Макарова (Минтранс Саратовской области, патент на изобретение), применение литого асфальтобетона для ремонта автомобильных дорог в ФУАД «Большая Волга», начальник М.В.Николаев, в 2003 г. Росавтодором утверждены рекомендации по применению битумно-резиновых композиционных вяжущих материалов для строительства и ремонта автомобильных дорог (для опытного применения).

Из истории можно добавить, что в 1974 году Минавтодором РСФСР был утвержден методический документ о применении литого асфальтобетона при строительстве автомобильных дорог, разработанный в Саратовском филиале ГипродорНИИ.

В настоящем материале представлены результаты широкомасштабного использования  литого асфальтобетона на основе полимер-битумных вяжущих в Саратовской области для устройства конструкций дорожной одежды мостового полотна на ряде мостовых объектов, а также при  ремонте городских улиц в г. Саратове. За основу было взято наилучшее по мнению авторов техническое решение финской фирмы «Лимминякяйнен» как по составу литого асфальтобетона, так и по конструкции дорожной одежды мостового полотна. Проведенное технико-экономическое обоснование по мостовому полотну из обычного и литого асфальтобетона с учетом проектной интенсивности показало положительный результат расчета инвестиций для инновационного проекта с применением литого асфальтобетона на основе полимер-битумных вяжущих для мостового полотна.

Особенностью конструкций из  литого асфальтобетона на основе полимер-битумных вяжущих является единая природа основы – один и тот же битумный материал, обеспечивающий единство и совместную работу слоев между собой в силу одинаковой деформативности, обеспечение слипаемости слоев при технологической температуре 190-200°С, отсутствие необходимости в уплотнении (плотность равна единице), высокая сопротивляемость трещино-, сдвиго- и колееобразованию,  морозоустойчивость, прекрасная совместимость с температурными деформациями мостовых металлических пролетов. Литой асфальтобетон органичен в работе с другими видами конструкционных элементов дорожной одежды мостового полотна: обычным асфальтобетоном, гидроизоляцией, деформационными швами, из него наилучшим образом устраиваются направляющие водосточных элементов. Свойства материала и технологии обеспечивают условия удаления воды с поверхности, а также требуемое сцепление колес транспортных средств с дорожным  покрытием

Полимербитумное вяжущее обладает высокомолекулярной устойчивой структурой, великолепно связывает битум и исключают его вытапливание и избыточное образование на поверхности дорожного полотна, имеет хорошие адгезионные свойства по отношению к выбранному каменному материалу – карельскому щебню из габродиабаза. Фактически литой асфальтобетон является строительным материалом нового поколения, параметры которого не соответствуют Государственным стандартам на обычный асфальтобетон и должны иметь собственные нормативы. Стоимость литого асфальтобетона практически колеблется от стоимости обычного асфальтобетона до полуторакратного значения цены последнего. Типовым приемом существенного удешевления стоимости конструкции дорожной одежды может служить использования в качестве основы обычного асфальтобетона с покрытием из литого асфальтобетона. Устройства дополнительного слоя шероховатой поверхностной обработки кроме россыпи и прикатки щебня катком 1,5 тонн не предполагается.

Применяемый полимербитум относится к нефтяным дорожным битумам, модифицированным полимерной добавкой SBS (типа стирол-бутадиен-стирола). Для получения полимербитума используют модификаторы  калпрен, финапрен и отечественные аналоги, например, ДСТ-30-01. Для модификации требуется 8,5-10 % SBS по массе, время  приготовления - 4 часа при температуре битума  от + 180°С  в зависимости от вида полимерной добавки. Разжиженный  полимербитум изготовляется из полимербитума  и растворителя типа Solvessa 100; предусматривается, что он содержит не менее чем 0,5 % по весу поверхностно-активного вещества  (ПАВ) типа диамина.

Мастика представляет собой смесь полимербитума ПБВ 40-60, минерального порошка и песка. Используется для гидроизоляции подземных сооружений, проезжей части мостов по металлическим, бетонным и деревянным основаниям. Бесшовная гидроизоляция достигается путем укладки мастики в горячем виде. Минимальная толщина слоя мастики составляет 17-20 мм. Изоляция наносится в один или два слоя. В качестве вяжущего могут быть применены полимербитумы ПБВ 40-60.

В качестве вяжущего для асфальтобетона могут быть использованы битумы БНД 60/90, БНД 90/130 или полимербитумные вяжущие  ПБВ 40-60.

Литой асфальтобетон типа I, II, представляет собой смесь полимербитума ПБВ 40-60, минерального порошка, песка и каменного материала. Несмотря на вибрацию ортотропной плиты от движения транспорта и температурных напряжений, в уложенном на плите слое литого асфальтобетона трещины не образуются. Литой асфальтобетон обладает хорошей износостойкостью, влагонепроницаем, поэтому его успешно применяют в качестве покрытия для мостов с большой интенсивностью движения. 

Для приготовления смесей в качестве вяжущего применяют нефтяные глубокоокисленные вязкие дорожные битумы с температурой вспышки не ниже +2400С, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 22245-95.  При выборе битума для смесей типа I, II и IV предпочтение отдается вязким нефтяным теплостойким битумам с узкими пределами колебаний по показателю глубины проникания.

При приготовлении составляющих дорожных одежд мостового полотна рекомендуется. При применять модифицированные (для обычного асфальтобетона) и полимер-битумные вяжущие (для литого асфальтобетона). При неудовлетворительной адгезии вяжущего с поверхностью щебня применяют поверхностно–активные вещества. Виды и дозировку добавок, а также требуемый температурный режим вяжущего при введении поверхностно-активных веществ следует применять в соответствии с ГОСТ 28478–90. Для приготовления асфальтобетонных смесей рекомендуется применять порошок минеральный, параметры которого удовлетворяют требованиям ГОСТ 16557-78.