CC BY
173
УДК 625.7.06
ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІТУМІВ, МОДИФІКОВАНИХ КОМПЛЕКСНИМ МОДИФІКАТОРОМ ПОЛІДОМ
С.В. Кіщинський, інженер, завідувач відділу, ДерждорНДІ, м. Київ
Анотація. Одним з головних факторів, що стримує застосування модифікованих бітумів в Україні, є їх висока вартість. В ДерждорНДІ на основі вітчизняного вторинного поліетилену та латексу розроблений комплексний полімерний модифікатор під назвою Полідом, який при меншій вартості за ефективністю не поступається зарубіжним термоеластопластам.
Ключові слова: бітуми, модифіковані бітуми, вторинний поліетилен, термоеластопласти, пластифікатор, Полідом.
Вступ
З усіх компонентів асфальтобетону бітуми найбільш чутливі до дії транспорту та температури. Тому поліпшення їх міцнісних та деформативних характеристик шляхом модифікації полімерами дозволяє суттєво подовжити строк служби дорожніх покриттів.
Однією з основних перешкод широкого застосування модифікованих бітумів є їх висока вартість. Так модифікація бітумів ефективними, але дорогими
термоеластопластами або терполімерами (ціни яких становлять
18 - 30 грн/кг, а вміст від 1 до 3 %) підвищує вартість в’яжучого в 1,5 - 2,5 рази.
Економічна доцільність використання більш дешевих полімерних добавок, до яких належать термопласти типу ЕВА або поліолефіни, нівелюється їх потрібним більшим вмістом (4 - 7 %). До того ж у ряді випадків вони не надають бітумам необхідних властивостей (наприклад, еластичності). Одним з ефективних рішень може бути комплексна модифікація бітумів різними видами полімерів.
Аналіз публікацій
За рубежем комплексне використання модифікуючих добавок є досить відомою практикою [1, 2].
Професор А.А. Веренько (БНТУ) з метою зниження вартості модифікованого бітуму досліджував можливість використання термопласту типу ЕВА для часткової заміни більш дорогого термоеластопласту KRATON D. Замість 5 % термоеластопласту пропонувалось вводити у бітум 5 % суміші термоеластопласту KRATON з ЕВА у співвідношенні 1:3 [3].
У Франції, Іспанії та інших західноєвропейських країнах при
використанні бітумів на особливо важливих об’єктах для підвищення температури розм’якшення та еластичності бітумів, що вміщують термопласти на основі поліетилену, використовують більш дорогі термоеластопласти типу СБС [2, 4].
M. Merfy та N. O’Mahony вивчали можливість використання сумішей різних відходів полімерів, в тому числі і вторинний поліетилен, для модифікації бітумів. При модифікації бітуму сумішшю полімерів, яка складається з 4 % СБС та 3 % відходів поліетилену, було отримано в’яжуче, що при тій же в’язкості має температуру розм’якшення, яка не поступається температурі розм’якшення бітуму, модифікованого 5 % СБС (72 °С) [5].
Комплексне використання різних видів полімерних добавок для модифікації бітумів дозволяє:
— знизити вартість модифікованих бітумів за рахунок заміни більш дорогої добавки на дешевшу при умові відповідності отриманого в’яжучого вимогам нормативних документів;
— підсилити дію модифікації за рахунок введення більш ефективного, хоча і більш дорогого модифікатора;
— надати модифікованому бітуму додаткових
властивостей (наприклад, високої
еластичності тощо).
При комплексній модифікації бітумів застосовується такий принцип підбору добавок. За основу приймається більш дешева добавка, а для надання модифікованому бітуму потрібних
властивостей вона комбінується з мінімально необхідною кількістю більш ефективного або вузькоспеціалізованого модифікатора (як правило, більш дорогого). Технологічно простіше комплексну модифікацію бітумів виконувати не різними добавками, а одним комплексним полімером, який поєднував би їх переваги. Таким модифікатором може бути суміш, композиція або сплав підібраних полімерів.
Мета і постановка задачі
Метою виконаної в ДерждорНДІ роботи було створення дешевого комплексного полімерного модифікатора та дослідження його впливу на властивості бітумів.
Розробка комплексного модифікатора
Основою комплексного модифікатора є вторинний поліетилен - продукт переробки відходів поліетилену високого тиску (Пвт). Серед усіх полімерів, що виробляються в Україні, він єдиний здатний до безпосереднього суміщення з бітумом і є набагато дешевшим, ніж кондиційний поліетилен, не кажучи вже про імпортні модифікатори. Краще суміщення Пвт з бітумом в порівнянні з кондиційним поліетиленом високого тиску пов’язано з процесами деструкції, які відбуваються при
експлуатації виробів з поліетилену, та підвищеною хімічною активністю Пвт
внаслідок переробки цих виробів під час їх утилізації як відходів.
Пвт підвищує когезійну міцність та
теплостійкість бітумів, але не надає бітумам еластичності і робить систему бітум —полімер досить жорсткою, про що свідчить різке збільшення в’язкості модифікованого бітуму. Для надання бітуму потрібних властивостей Пвт поєднувався з мінімально достатньою кількістю ефективних модифікаторів. Кращі результати були досягнуті при використанні синтетичних латексів. З метою покращання суміщення компонентів та самого модифікатора з бітумом, а також зниження жорсткості бітумо-полімерної системи використовувались пластифікатори, якими виступали нафтові екстракти, масла та інші нафтопродукти. Оптимальних результатів, виходячи з критеріїв ціна — ефективність дії, вдалося досягти при такому співвідношенні компонентів: Пвт — 60 - 70 %, латексу — 20 -25, пластифікатора — 10 - 15 %. Ця композиція отримала наз-ву Полідом.
Слід зазначити, що в складі Полідому латексу знаходиться в 4 рази менше, ніж це потрібно для модифікації бітуму лише їм одним.
Приготування Полідому здійснюється в агломераторах або екструдерах (черв’ячних пресах). За рахунок тертя та зсувних зусиль Пвт нагрівається, розм’якшується та починає плавитись. На цій стадії до Пвт додають латекс та пластифікатор. При перемішуванні компонентів внаслідок процесів
диспергування та розподілу відбувається гомогенізація суміші.
Після досягнення однорідності розплавлена суміш різко охолоджується водою, внаслідок чого матеріал подрібнюється на крихти (у випадку використання агломератора). При використанні екструдера гомогенізація сумішшю може проводитись в її розплаві. Гомогенізований розплав полімерів з екструдера подається в гранулятор, де утворені прути (стренги) полімеру подрібнюються на гранули.
Властивості бітумів, модифікованих комплексною добавкою Полідом
Приготування модифікованого бітуму
здійснювалось шляхом його перемішування з Полідомом за допомогою лабораторної мішалки протягом 2 годин за температури 195
- 200 °С.
В табл. 1 представлені результати випробувань бітуму виробництва АТ
«Укртатнафта», модифікованого 2, 3 та 4 % Полідому та вихідними його компонентами, вміст яких в бітумі дорівнював їх
присутності в 3 % модифікатора.
Таблиця 1 Фізико-механічні характеристики бітуму з різним вмістом модифікаторів
Показники Значення показників властивостей бітуму марки БНД 90/130 з вмістом модифікаторів, %
властивостей - ВП, 2 Латекс, 0,75 ПДМ, 2 ПДМ, 3 ПДМ, 4 ПДМ*>, 3
Г либина проникнення голки (пенетрація), 0,1 мм за температури 25 °С 96 47 56 74 70 57 47
за температури 0 °С 18 9 11 13 8 10 -
Температура розм’якшення, °С 46 51 49 50 54 57 6
Розтяжність (дуктильність), см за температури 25 °С >100 20 33 24 41 35 12
за температури 0 °С 4,0 2,8 4,0 4,5 6,5 5,3 3,5
Еластичність, % - - 50 55 61 65 52
Температура крихкості, °С -24 -22 -20 -23 -23,5 -23,5 -17,5
Зчеплення зі склом, % 17 13 19 21 21 16 14
Когезія, МПа 0,088 0,145 0,125 0,149 0,170 0,176 0,202
Примітка. А) значення показників модифікованого бітуму після старіння за методом RTFOT.
Дослідження проводились за стандартними методами випробувань згідно з ГОСТ 11501, ГОСТ 11505, ГОСТ 11506, ГОСТ11507, ДСТУ Б В.2.7-81.
Когезія бітуму визначалась за методикою, розробленою на кафедрі ТДБМ ХНАДУ, що базується на визначенні зусилля, яке призводить до втрати цілісності зразка при плоско-паралельному зсуві за температури 25 °С.
Проведені випробування показали, що бітуми, модифіковані Полідомом, за своїми властивостями відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-135 «Бітуми дорожні, модифіковані полімерами».
Концентраційні залежності температури розм’якшення, представлені на рис. 1, свідчать, що при збільшенні вмісту Полідому вона підвищується практично лінійно і при 3 % модифікатора зростає на 8 °С.
Пенетрація за температури 25 °С при введенні 2 % модифікатора знижується на 22-0,1 мм, при збільшенні його вмісту до 3 % спостерігається тенденція її стабілізації (зниження складає лише 4-0,1 мм) з наступним більш різким падінням (на 13^0,1 мм) при збільшенні Полідому до 4 %. В
усякому разі розроблена композиція Пвт + латекс + пластифікатор менше впливає на в’язкість бітуму в порівнянні з введенням лише самих 2 % Пвт, що присутні в 3 % Полідому (рис. 2).
Вміст Полідома, %
Рис. 1. Залежність температури розм’якшення від вмісту Полідому у в’яжучому
Вміст Полідома, %
Рис. 2. Залежність пенетрації від вмісту Полідому у в’яжучому
Введення до 4 % Полідому у бітум
практично не позначається на його температурі крихкості, що типово для системи бітум — СБС (рис. 3). Збереження стабільності температури крихкості при значному підвищенні в’язкості в’яжучого в результаті модифікації свідчить про більшу низькотемпературну деформативність
бітуму, модифікованого Полідомом.
Вміст Полідома, %
Рис. 3. Залежність температури крихкості від вмісту Полідому у в’яжучому
Має місце зростання еластичності в’яжучого при збільшенні вмісту Полідому. При введенні 3 % Полідому еластичність
в’яжучого становить більше 60 %. В той же час введення в бітум такої ж кількості латексу, що присутня в 3 % Полідому, окремо надає йому тільки 50 % еластичності. Зважаючи на те, що Пвт еластичності бітумам не надає, можна припустити наявність певного синергетичного ефекту в результаті взаємодії компонентів під час синтезу Полідому.
Розтяжність в’яжучого при 25 °С очікувано знижується і залишається стабільною в межах 30 - 40 см при вмісті Полідому від 2 до 4 %.
Розтяжність за температури 0 °С є більш низькою в порівнянні з бітумами, модифікованими термоеластопластами, але вона більш висока, ніж у вихідного бітуму, що свідчить про поліпшення низькотемпературної поведінки в’яжучого при введенні Полідому.
Когезійна міцність модифікованого бітуму при збільшенні кількості Полідому відзначається поступовим, хоча і трохи згасаючим (при вмісті більше 3 %
модифікатора) зростанням (рис. 4).
Вміст Полідома, %
Рис. 4. Залежність когезії від вмісту Полідому у в’яжучому
Як свідчать результати випробувань (табл. 1), модифікація бітуму Полідомом приводить до одержання в’яжучих, досить стійких до старіння.
Випробування показали, що оптимальний вміст Полідому в бітумі становить 3 - 3,5 %.
Для порівняння стандартних та адгезійно-когезійних властивостей бітуму,
модифікованого Полідомом з в’яжучими, модифікованими найбільш поширеними в Україні полімерами, були приготовлені та випробувані бітуми з такими полімерами: як термоеластопласти типу СБС: KRATON D-1101 (лінійної структури) та KRATON D-1192 (радіальної структури), терполімер Elvaloy AM, термопласт Evatan (ЕВА), латекс Butonal NS 198.
Всі в’яжучі були приготовлені на бітумі БНД 90/130. Характеристики отриманих в’яжучих наведено в табл. 2.
Отримані дані свідчать про те, що властивості бітумів, модифікованих полімерним модифікатором Полідом (І II І), близькі за властивостями в’яжучим. модифікованим найбільш поширеними в Україні полімерами.
Таблиця 2 Властивості біту
При однаковому вмісті модифікаторів Полідом надає бітумам температуру розм’якшен-ня близьку до середньої (виключаючи Еіуаіоу АМ, який при в 2 рази меншому вмісті в 2 рази більше, ніж інші полімери, підвищує температуру
розм’якшення). Дещо інтенсивніше, в порівнянні з іншими, Полідом збільшує в’язкість бітумів. модифікованих полімерами
№ п/п Бітум Полімер % полімеру мП Тр, °С см Зчеплення, % Когезія, МПа
1 - - 100 43,6 >100 14 0,108
2 KRATON D 1101 (СБС-Л) 3 68 55,7 65 13 0,144
3 6 44 80,1 70 74 0,193
4 9 41 94,9 81 97 0,251
5 Elvaloy AM 1,5 79 50,5 >100 22 0,139
6 (ЕБАГМА) 2,5 60 64,9 39 80 0,173
7 Evatan (ЕВА) 3 118 45,3 85 27 0,131
8 9 § Н 3 о 5 63 54,5 19 43 0,149
9 10 63 60,4 7 87 0,167
10 Полідом (ПП) 3 62 52,3 35 26 0,193
11 6 53 58,8 29 52 0,210
12 KRATON D 1192 (СБС-P) 3 73 57,0 41 16 0,212
13 6 33 79,0 51 66 0,257
14 9 35 89,3 91 93 0,279
15 Butonal 3 79 51,3 74,5 58 0,129
16 NS 198 6 66 62,0 63,8 91 0,132
17 (латекс) 9 62 75,9 >100 95 0,150
Слід зазначити суттєве збільшення когезійної міцності бітумів при введенні Полідому (практично в 2 рази) - більше, ніж при використанні KRATON D 1101, Elvaloy AM (при його оптимальному вмісті) та Butonal NS198.
Висновки
Результати випробувань свідчать, що характеристики бітумів, які вміщують Полідом, є типовими для бітумів, модифікованих термоеластопластами, і відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-135 на бітуми дорожні, модифіковані полімерами.
Враховуючи, що основою Полідому є дешевий вторинний поліетилен, а необхідний вміст латексу в 4 рази менший, ніж його потрібно при використанні окремо, і зважаючи на практично однаковий з іншими полімерами оптимальний вміст у бітумі, використання Полідому дозволить суттєво знизити вартість модифікованих бітумів і сприятиме більш широкому їх застосуванню.
Встановлено. що оптимальний вміст Полідому у бітумі складає 3 - 3.5 %. тем-пература суміщення Полідому з бітумом — 195 - 200 °С. тривалість процесу 2 - 3 год.
Напрямками подальшої роботи повинно бути вивчення впливу Полідому на властивості бітумів в різного виробництва. поведінки модифікованих бітумів при зберіганні за технологічних температур. і головне дослідження фізико-механічних
характеристик модифікованих ним полімерасфальтобетонів.
Література
1. Кіщинський С.В. Використання
вторинного поліетилену для модифікації бітумів // Дороги і мости. — К.:
ДерждорНДІ / Зб. наук. статей. - 2006. -Вип. 5. —
С.243 - 258.
2. Модифицированные битумные вяжущие.
специальные битумы и битумы с добав-
ками в дорожном строительстве / Под ред. Золотарева В.А. -Харьков, 2003. -28 с.
3. Веренько В.А. Новые материалы в дорожном строительстве. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - 170 с.
4. Spillemaecker P.-M. Etudes des propriétés
des enrobes drainants // Revue generale des routes et aerodromes n° 654, 1989.
5. Merfy M., O'Mahony M. Bitumens modified
with recycled polymers // Materials and Structures. - 2000. - № 33.
6. Вторичное использование полимерных материалов / Под ред. Любешкиной Е.Г.
- М.: Химия, 1985. - 192 с.
Рецензент: В.О. Золотарьов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 15 грудня 2007 р.
