Анализ влияния полимерных добавок на свойства дорожных битумов

Нефтяные дорожные битумы являются основным материалом для строительства и ремонта автомобильных дорог, мостов, аэродромных покрытий, а также используются в гидроизоляции и кровельных материалах. Традиционно их получают окислением гудронов и других тяжёлых нефтяных остатков кислородом воздуха. Основной недостаток окисленных битумов – узкий интервал пластичности: при отрицательных температурах они становятся хрупкими, при положительных – размягчаются [1]. Для улучшения свойств битумов применяют полимерную модификацию. Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) получают смешением расплавленного битума с полимером, при температурах 150 – 180°C.

Цель работы – на основе анализа литературных и патентных источников обобщить данные о влиянии различных полимерных добавок на свойства дорожных битумов, выявить основные ограничения полимерной модификации.

• 1    Модификация битумов: понятие и назначение

Модификация битумов – это процесс целенаправленного улучшения их эксплуатационных свойств путём введения специальных добавок Модифицированный битум (ПБВ) представляет собой композиционный материал, в котором полимерная добавка равномерно распределена в битумной матрице.

Обычный немодифицированный битум, получаемый окислением гудрона, имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение в дорожном строительстве: низкая эластичность, хрупкость при отрицательных температурах, слабая адгезия к некоторым видам каменных материалов. Введение полимерных добавок позволяет устранить эти недостатки: обеспечивает повышение температуры размягчения, снижение температуры хрупкости, расширение интервала пластичности, повышение эластичности и растяжимости, улучшение адгезии.

• 2    Виды полимерных добавок и их влияние на свойства битумов

• 1)    СБС-полимеры (стирол-бутадиен-стирол).

В патенте [2] описан способ получения битумного вяжущего с использованием блок-сополимеров стирола и бутадиена (СБС). Полимер предварительно смешивают с индустриальным маслом (1,9–33,3 мас. %) при 80–160 °C, затем полученный раствор вводят в битум (44,4–98,0 мас %) при 110–160 °C. Эта технология позволяет получить вяжущее с улучшенными эксплуатационными характеристиками: температура размягчения достигает до 71 °C; температура хрупкости снижается до минус 40 °C; растяжимость при 25 °C составляет 26–69 см; эластичность при 25 °C достигает до 91,8 %, при 0°C – до 82 %;

Применение такого вяжущего увеличивает срок службы дорожного покрытия в 1,5–2 раза по сравнению с немодифицированным битумом [2].

• 2)    Вторичный полиэтилентерефталат (ПЭТ).

В работе [3] вторичный полиэтилентерефталат ПЭТ (из отходов пластиковых бутылок) применяли для модификации битума марки БНД 100/130. Измельчённый ПЭТ предварительно смешивали с индустриальным маслом И-40 (соотношение 8:1) для улучшения совместимости ПЭТ с битумом при 130 °C. Затем добавляли в битум при 175 °C и перемешивали 6 часов.

При увеличении процентного содержания ПЭТ от 1 до 3 % в БНД динамическая вязкость повышается с 0,16 Па·с до 0,25 Па·с, также значение растяжимости ПБВ возрастает с 30 см до 72 см, при этом температура хрупкости ПБВ понижается с минус 32 °С до минус 36 °С соответственно. Предварительное смешение ПЭТ с пластификатором дало лучшие результаты по сравнению с прямым введением полимера в битум [3].

• 3)    Низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) и его сульфатированная форма.

Низкомолекулярный полиэтилен является побочным продуктом производства полиэтилена высокого давления. Для улучшения совместимости с битумом НМПЭ сульфатировали серной кислотой (3–10 мас. %). Сульфатированный полимер вводили в глубокоокисленный битум в количестве 3–7 %, после чего компаундировали с гудроном. Полимер повышает температуру размягчения до 92-96 °C и пенетрацию при 25 °C до

95-109 х 0,1 мм, что свидетельствует о росте и пластичности модифицированного битума [4].

• 4)    Полимерная композиция на основе отходов (ПЭТФ, ПЭВД поликапролактон).

  Полимерную композицию

  
  

  готовили

  
  

  из

  
  

  пылевидного

  
  

полиэтилентерефталата, термонестабильного полиэтилена высокого давления и некондиционного поликапролактона в соотношении 1:1:1 Смесь оплавляли при 220 °C, охлаждали, дробили, экструдировали и снова дробили до гранулята [5].

Модифицированный битум получали смешением 4 % полимерной композиции и 4 % пластифицирующей добавки «Унипласт» при температуре свыше 200 °C в течение 20 минут, после чего расплав смешивали с битумом при 150 °C в течение 30 минут и выдерживали не менее 12 часов при комнатной температуре.

Исходный некондиционный битум марки БНД 70/100 имел температуру размягчения 44 °C, температуру хрупкости минус 16°C растяжимость при 25 °C 146 см. После модификации температура размягчения повысилась до 52,2 °C, температура хрупкости снизилась до минус 31 °C, растяжимость при 25 °C снизилась до 80,5 см, что связано с повышением жесткости материала эластичность – 91 %, интервал пластичности расширился до 83 °C [5].

• 3    Ограничения и проблемы при полимерной модификации битумов

Несмотря на значительное улучшение свойств, полимерная модификация битумов сталкивается с рядом ограничений, которые затрудняют её широкое промышленное внедрение.

Одной из главных проблем является термическая деструкция полимеров. При нагреве выше 200 °C полимеры разрушаются, теряя эластичность. Поэтому температура приготовления ПБВ не должна превышать 160–180°C.

Серьёзной проблемой является также несовместимость полимера с битумом. При простом смешении они часто не образуют однородной системы: полимер плохо распределяется в битумной матрице, образуются комки или происходит расслоение. Для решения этой проблемы используют пластификаторы [2, 3, 5].

Ещё одно ограничение связано с нестабильностью вяжущего при хранении. ПБВ склонны к расслоению из-за разной плотности полимера и битума. Для повышения стабильности применяют стабилизаторы или гидродинамическую кавитацию, метод интенсивного перемешивания который обеспечивает равномерное распределение полимера в битуме [6].

Существует и экономическая проблема, связанная с дороговизной СБС-полимеров, что увеличивает себестоимость дорожного покрытия Поэтому ведутся поиски более дешёвых альтернатив: вторичных полимеров и побочных продуктов промышленного производства. Однако такие альтернативы менее эффективны [3, 4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа литературных и патентных источников установлено, что введение полимерных добавок значительно улучшает свойства дорожных битумов. Наиболее эффективными модификаторами являются СБС-полимеры, которые повышают температуру размягчения снижают температуру хрупкости и расширяют интервал пластичности [2] В качестве альтернативы СБС могут использоваться вторичный ПЭТ и полимерные композиции на основе отходов, что позволяет снизить себестоимость и решить экологические проблемы, однако их эффективность ниже [3-5]. Основными ограничениями метода являются термическая деструкция полимеров, нестабильность вяжущего при хранении и высокая стоимость СБС-полимеров. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются разработка термостабильных полимерных композиций и совершенствование методов стабилизации, также поиск более дешёвых, но достаточно эффективных альтернатив СБС-полимерам.