CC BY
64
УДК 661.7
Ш. Х. Аминов (к.т.н., в.н.с.), Э. Г. Теляшев (д.т.н., проф., дир.), Ю. А. Кутьин (к.т.н., зав. отд.)
Применение специальных модификаторов и присадокк дорожным битумам и влияние их на свойства асфальтобетона
Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан, отдел битумов 450065, г. Уфа, ул. Инициативная, 12, тел. (347) 2422473, e-mail: [email protected]
Sh. Kh. Aminov, Y.A. Kut'in, E. G. Telyashev
Use of special modifier and additives to road bitumens and their
influence on asphaltic properties
Institute of petroleum refining and petrochemistry of Republic Bashkortostan 12 Initsiativnaya str, 450065, Ufa, Russia, ph. (347) 2422473, e-mail: [email protected]
Рассмотрены различные типы и структуры дорожных битумов. Установлено, что неокислен-ные остаточные и компаундированные битумы можно отнести к коллоидным системам, имеющим структуру типа «золь». Показано, что направленная модификация битумов полимерными материалами и специальными адгезионными присадками позволяет существенно улучшить прочностные и низкотемпературные характеристики битумов и асфальтобетонных смесей, по-лучеамых на их основе.
Ключевые слова: адгезионная присадка; асфальтобетон; дорожный битум; дорожное строительство; качество; коллоидные системы; модификация; пластификатор; полимерасфальто-бетон; полимерная добавка; свойства; структура.
Известно, что применение даже самого хорошего битума не всегда может полностью гарантировать высокое качество дорожного покрытия. Качество и долговечность асфальтобетона зависит от многих факторов:
- состава и свойств органического вяжущего — битума;
- качества и гранулометрического состава минерального наполнителя;
- соблюдения технологии при производстве асфальтобетонной смеси;
- условий эксплуатации дорожного покрытия и т.д. .
Исследования, направленные на поиск новых эффективных решений для дальнейшего повышения качества твердых покрытий автомобильных дорог и увеличения безремонтного срока их эксплуатации, проводятся специалистами института в следующих направлениях:
- реализация возможности выбора для применения дорожных битумов, в наибольшей степени отвечающих требованиям, сформулированным с учетом условий строительства и
Дата поступления 19.09.11
Different types and structures of road bitumens are discussed. It is shown that non-blown residual and compounded bitumens may be referred to the colloid systems with a «sol» — type structure. It is shown that modification of road bitumens by special adhesion additives and polymeric modifier greatly favors improvement of strength characteristics of asphaltic concreters on their base.
Key words: adhesion additive; asphaltic concrete; colloid system; modification; polymerasphaltcon-crete; polymeric additive; plasticizer; property; quality; road bitumen; road building; structure.
особенностей эксплуатации конкретного участка дороги;
- повышение сродства дорожных битумов и минеральных материалов различного происхождения с применением специальных адгезионных присадок;
- придание специальных свойств модификацией битумов полимерными материалами различных типов и классов в присутствии пластификаторов и без них.
Битум в составе асфальтобетона, по сути своей, является клеем, который соединяет твердые частицы минерального наполнителя заданного гранулометрического состава, образуя единый прочный монолит. С этой точки зрения битум должен обладать следующими свойствами: хорошей смачиваемостью к минеральному материалу, высокой адгезией, атмосферо- и светостойкостью, обеспечивать расчетную прочность и износоустойчивость асфальтобетона и возможно меньшую временную зависимость изначальных технических характеристик от внешних условий эксплуатации покрытия.
Эффективным способом повышения качества дорожных покрытий могло бы явиться появление на рынке современных дорожных стройматериалов неокисленных и частично окисленных дорожных битумов. Неокислен-ные битумы (остаточные и компаундированные), полученные из высокосмолистых высокосернистых нефтей типа арланской (Башкортостан), Ромашкинской (Татарстан) и ряда других, более полно, в сравнении с традиционными окисленными битумами, обеспечивают высокое качество дорожных битумов, как более универсальных клеев.
Исследования коллоидной структуры различных битумов с использованием метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей показали, что коллоидная структура неокислен-ных битумов состоит на 85—86 % из мелких коллоидных образований с размерами частиц
о
9—10 А . Крупных коллоидных частиц с размером 405—415 в составе таких битумов содержится лишь 12—13 %.
Окисленный битум дает другое структурное распределение, а именно: 30—31 % частиц имеют размеры до 16 , а основу составляют 69—70 % крупные коллоидные частицы с размерами до 440 - 69-70 % 2 3.
Следовательно, неокисленные битумы являются мелкодисперсными коллоидными наносистемами, относящимися к типу «золь». Окисленный битум, представленный в большей степени грубодисперсными частицами, можно отнести к типу «золь-гель». Битумные наносистемы типа «золь» более пластичны и, наряду с более высокими адгезионными характеристиками, это их качество способствует обеспечению повышенной гидрофобности асфальтобетонов, а гидрофобность уже напрямую связана с водостойкостью. В свою очередь, повышенная водостойкость увеличивает долговечность дорожного покрытия.
С дальнейшим повышением требований к качеству дорог, особенно высокоскоростных, высоконагруженных, использование даже самого высококачественного битума в чистом виде (без добавок) уже полностью не обеспечивает достижение повышенных требований к асфальтобетонам. Как правило, высокопрочные инертные материалы имеют кислый характер и по этой причине плохо сцепляются с битумом, который имеет либо нейтральный, либо слабокислый характер. В результате недостаточной величины адгезии минеральных материалов и органического вяжущего происходит преждевременное разрушение дорожного покрытия.
Ситуация заметно меняется в лучшую сторону при модификации дорожных битумов поверхностно-активными веществами (ПАВ), так называемыми специальными адгезионными присадками. Эти соединения, благодаря возникновению водородных связей, функциональными группами соединяются с поверхностью каменного материала, а углеводородными радикалами силами Ван-дер-Ваальса - с битумом. Присадки должны иметь такой лито-фильно-олеофильный баланс, чтобы их адгезия к каменному материалу была лучше, адгезии воды к нему и превышала значение когезии битума. Сцепление ПАВ с битумом должно соответствовать когезии битума. Этому условию удовлетворяют применительно к кислым материалам катионные ПАВ, содержащие одну или несколько аминогрупп и углеводородный радикал с 17 или более атомов углерода 4.
При модификации дорожных битумов адгезионной присадкой катионного типа битум приобретает способность надежно сцепляться даже с увлажненными минеральными материалами, что позволяет увеличить продолжительность сезона дорожного строительства. Прочностные характеристики асфальтобетонов, изготовленных с применением битумов, модифицированных присадкой, возрастают, соответ- ственно возрастает и срок безремонтной эксплуатации дорожного покрытия. Опыт использования присадок, накопленный более чем за 15 последних лет, свидетельствует об увеличении срока эксплуатации дорожного покрытия, построенного с использованием модифицированного битума, в 2-3 раза.
Особенностью применения адгезионных присадок катионного типа является необходимость введение их в состав битума непосредственно на АБЗ в процессе производства асфальтобетонной смеси. Это вызвано невысокой термостабильностью смеси битума и присадки, которая объясняется следующим. Высокая химическая активность присадки с одной стороны обеспечивает хорошие адгезионные характеристики модифицированных битумов, а с другой стороны приводит протеканию химических взаимодействий активных полярных аминогрупп групп присадки с наиболее реакционноспособными группами углеводородов, входящих в состав битума, в частности, с оксигеновыми кислотам. В результате протекания химических реакций присадка теряет свою активность, т.е. попросту расходуется. Нами экспериментально доказано, что эффективность применения адгезионных присадок снижается в ряду битумов: остаточные ^ компаундированные ^ окисленные.
Содержание адгезионной присадки в битуме для всех случаев ее применения не превышает 1% по массе.
Существенное влияние на качество и долговечность асфальтобетонов оказывают полимерные материалы, применяемые для модификации битумов. Модификацию битумов полимерами проводят направленно с целью улучшения тех или иных эксплуатационных характеристик как самих битумов, так и ас-фальто- бетонных смесей на их основе.
В настоящее время наибольшее распространение в качестве полимерных модификаторов битума получили: резиновая крошка (РК), атактический полипропилен (АПП) и термо-эластопласт (ТЭП) типа СБС (стирол-бутадиен-стирол), отечественным представителем которого является ДСТ-30, термопласты, например, этилен-винил ацетат (ЭВА).
Что касается ТЭП, наиболее широко применяемого сегодня, то отечественные исследователи, в основном, модифицируют этим полимером битумы дорожных марок, полученные по технологии прямого окисления. За рубежом модификации подвергают, как правило, дорожные неокисленные битумы с высоким значением пенетрации порядка 200 единиц. При этом отпадает необходимость в использовании третьего компонента - пластификатора, применение которого для модификации окисленных битумов вызвано необходимостью повышения пластичности и снижения вязкости композитов.
Модификация неокисленных битумов полимерами происходит легче и эффективнее по следующим причинам:
- за счет тонкодисперсной коллоидной структуры «золь» - скорость диффузии коллоидных образований в полимер тем выше, чем меньше размер частиц;
- за счет повышенного содержания ароматических соединений, имеющих большее сродство к данному полимеру;
- за счет меньшего содержания асфальте-нов, которые в процессе растворения участия не принимают, но вызывают стерические затруднения при распределении полимера в массе растворителя - битума.
Наиболее широко в качестве пластификатора для модификации дорожных битумов ТЭП сегодня используют индустриальные масла И-20, И-40 5. Это неверный подход. Указанные масла состоят, как правило, из углеводородов нафтенового строения. Сродство растворителей нафтенового строения и полимера типа стирол-бутадиен-стирол невысокое. Для пластификации полимеров рассматриваемого
типа с термодинамической точки зрения гораздо более целесообразно использование нефтяных остатков с высоким содержанием ароматических соединений. При таком подходе проблемы улучшения качества битумов за счет модификации решаются более полно, чем в случае применения компонентов нафтеновой структуры. Поэтому при выборе модифицирующей полимерной добавки к битумам необходимо учитывать свойства и природу и полимера, и битума, и пластификатора.
Результатом совместной исследовательской и практической деятельности ГУП ИНХП РБ и ГУП «Башкиравтодор» явилась разработка нового для РБ дорожно-строительного материала - полимербитумного вяжущего ПБВ и полимерасфальтобетона на его основе. Дорожное покрытие, верхний и нижний слои которого изготовлены из полимерасфальтобетона, впервые в истории дорожного строительства РБ было построено в октябре 2008 г. на мосту через р. Уфа. В состав полимербитумного вяжущего, использованного при изготовлении полимерас-фальтобетона для обустройства проезжей части моста, вошли: дорожный битум марки БНД 90/ 130, произведенный на ОАО «Салаватнефтеорг-синтез» по технологии ГУП «ИНХП РБ», тер-моэластопласт марки ДСТ-30Р-01, пластификатор - экстракт селективной очистки масел, и адгезионная присадка катионного типа.
Качество полимербитумного вяжущего ПБВ 60 приведенного состава в сравнении с требованиями действующей нормативно-технической документации представлено в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что все показатели качества ПБВ 60 по ГОСТ 52056-2003 превосходят аналогичные показатели для битума марки БНД 60/90. В то же время качественные характеристики опытно-промышленной партии ПБВ 60, изготовленного по совместным разработкам, существенно превосходит требования действующего стандарта на ПБВ той же марки.
Особое значение имеет существенный рост интервала пластичности (интервала гарантированной работоспособности) нового материала. Для опытной партии ПБВ он составил 92 оС, в то время как ГОСТ на ПБВ нормирует 74 оС, а ГОСТ на битумы всего лишь 52 оС. Это обстоятельство имеет весьма важное значение, учитывая сложные дорожно-клима-тические условия РБ.
В нижний слой проезжей части покрытия уложена крупнозернистая плотная горячая асфальтобетонная смесь марки I типа «А» с характеристиками, указанными в табл. 2, на основе полимерно-битумного вяжущего. В верх-
Таблица 1
Качественные характеристики ПБВ 60, в сравнении с требованиями ГОСТ 22245-90 и ГОСТ Р 52056-2003
Фактические показатели качества ПБВ 60
Глубина проникания иглы, 0.1 мм при 25 °С Глубина проникания иглы, 0.1 мм при 0 °С Растяжимость, см, при 25 °С Растяжимость, см, при 0°С Температура размягчения по КиШ, "С Изменение температуры размягчения, °С Температура хрупкости по Фраасу, °С Температура вспышки, °С
73 39 72 30 63 4,0 -29 240
Требования ГОСТ Р52056-2003 для марки ПБВ 60
не менее 60 не менее 32 не менее 25 не менее 11 не ниже 54 не более 5 не выше минус 20 не ниже 230
Требования ГОСТ 22245-90для битума марки БНД 60/90
61-90 не менее 20 не менее 55 не менее 3.5 не ниже 47 не более 5 не выше минус 15 не ниже 230
Таблица 2
Физико-механические показатели крупнозернистой плотной горячей асфальтобетонной смеси марки I типа «А»
Предел прочности при сжатии, МПа при Водонасы- щение, % Водостойкость Трещиностокость на растяжение при расколе при 0°С, МПа Сдвигоустойчи-вость, по коэффициенту внутреннего трения Сцепление при сдвиге при 50 °С, МПа
50 °С 20 °С 0°С
1.7 4.3 8.4 4.4 0.95 3.7 0.88 0.35
Требования ГОСТ 9128-97для асфальтобетонных смесей типа «А» марки 1
не менее 1.0 не менее 2.5 не более 11.0 от 2.0 до 5.0 не менее 0.90 не менее 3.5 не более 6.0 не менее 0.87 не менее 0.27
Таблица 3 Физико-механические показатели мелкозернистой плотной горячей асфальтобетонной смеси марки 1 типа «Б»
Фактические качественные характеристики
Предел прочности при сжатии, МПа при Водонасы-щение, % Водостойкость, Трещиностой-кость на растяжение при расколе при 0°С, МПа Сдвигоустойчи-вость, по коэффициенту внутреннего трения Сцепление при сдвиге при 50 °С, МПа
50 "С 20 °С 0°С
2.9 4.7 8.5 3.9 0.96 3.9 0.85 0.63
Требования ГОСТ 9128-97для асфальтобетонных смесей типа «Б» марки 1
не менее 1.2 не менее 2.5 не более 11.0 от 1.5 до 4.0 не менее 0.90 не менее 3.5 не более 6.0 не менее 0.81 не менее 0.25
ний слой уложена плотная горячая асфальтобетонная смесь марки I типа «Б» на основе по- ] лимербитумного вяжущего с характеристиками, указанными в табл. 3.
Полимерасфальтобетонное покрытие на мосту «отработало» уже три зимы. Видимых 2 следов износа и разрушения не наблюдается.
Таким образом, разработка представлений о механизме направленного регулирования состава и свойств битумных и битумполимерных систем, а также об особенностях взаимодей- 3 ствия таких систем с катионоактивными ПАВ и полимерными материалами позволила на практике получить для строительного комплекса Республики Башкортостан материал нового ранее недостижимого уровня качества — пол имерасфал ьтобетон.
Литература
Аминов Ш. X., Кутьин Ю. А., Струговец И. Б., Теляшев Э. Г. Современные битумные вяжущие и асфальтобетоны на их основе.— СПб: «Недра», 2007,- 336 с.
Теляшев Э. Г., Аминов Ш. X., Кутьин Ю. А. и др. Особенности производства и применения модифицированных битумных композиций // Материалы межд. научно-практической конф. «Нефтегазопереработка-2009».— Уфа: Изд. ГУП «ИНХП РБ», 2009.- С. 162. Гилязова А. А., Дезорцев С. В., Кутьин Ю. А., Теляшев Э. Г. О некоторых особенностях реологических характеристик нефтяных окисленных битумов // Материалы межд. научно-практической конф. «Нефтегазопереработка-2009».— Уфа: Изд. ГУП «ИНХП РБ», 2009,- С. 178. Кучма М. И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве.— М.: «Транспорт», 1980 - 181 с.
Гохман Л. М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС.— М.: «ЭКОН-ИНФОРМ», 2004,- 510 с.
