Об особенностях формирования структуры и свойств битумов, модифицированных полимерами

Введение . Асфальтобетон - наиболее распространенный дорожно-строительный материал, применение которого обеспечивает высокий уровень индустриализации строительства конструктивных слоев дорожной одежды автомобильных дорог и их эксплуатационную надежность [1-6]. В то же время реальный срок службы асфальтобетонных покрытий 8-10 лет вместо нормативных 15-18 [711]. Автомобильная промышленность добилась отмены ограничений на осевые нагрузки на ось свыше 80 кН (до 130 кН) [9], поэтому возросшая интенсивность движения и особенно доля в ней большегрузных автомобилей, автомобильных поездов и автобусов приводит к существенному возрастанию изнашивающего и разрушающего воздействия автомобилей на дорогу. Следствием является повышение требований, прежде всего, к качеству асфальтобетонов. В связи с этим для устройства конструктивных слоев из асфальтобетона все больше применяются битумополимерные вяжущие [13-20]. Битумополимерные вяжущие получили широкое применение в дренирующих слоях, щебеночно-мастичных и литых смесях, в тонких и в особо тонких слоях износа, а также для устройства трещинопрерывающих прослоек, поверхностных обработок и др.

Свойства асфальтобетона – композиционного материала с коагуляционным типом контактов – определяются, прежде всего, качеством органического вяжущего и процессами взаимодействия на поверхности раздела фаз “органическое вяжущее – минеральный материал” [14-18]. Применяемые битумы марок БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130 (ДСТУ 4044-2001) характеризуются невысокими температурами размягчения (ТрКиШ = 40-600С), отсутствием эластичности, а также неудовлетворительными адгезионнокогезионными свойствами.

Следовательно, необходимо разрабатывать такие способы направленного регулирования качества нефтяных битумов и интенсификации процессов взаимодействия на поверхности раздела фаз «битум – минеральный материал», которые бы позволяли максимально реализовать свойства асфальтобетона в покрытии дорожной одежды.

Целью работы является изучение закономерностей формирования структуры и свойств битумов, модифицированных различными полимерами.

Теоретические положения. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, а также опыт эксплуатации покрытий автомобильных дорог, наиболее перспективным способом повышения долговечности асфальтобетонов является изменение состава и структуры дисперсионной среды битумов введением в органическое вяжущее небольших количеств полимеров, таких как: каучукоподобные эластомеры (натуральные синтетические каучуки, девулканизированная резиновая крошка), термопласты (полиэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат, поливинилхлорид и др.); термореактопласты (фенолформальдегидные, эпоксидные и др.); термоэластопласты (дивинилстирольный, дивинилметилстирольный, бутадиенстиролбутадиеновый каучуки и др.) и пр. [13, 14, 16-19] с одновременной активацией поверхности минеральных материалов ПАВ, олигомерами, растворами полимеров [11, 13, 18].

Свойства БПВ должны определяться термодинамической совместимостью исходных компонентов поскольку в этом случае исключаются эффекты расслоения. Критерием термодинамической совместимости может служить близость параметров растворимости компонентов. Из работ [20, 21] следует, что наиболее применяемые полимеры Элвалой АМ, СБС, ПВХ содержат различные полярные группы: эпоксидные, акрилатные и др. Вследствие этого термофлуктационная сетка может образовываться как между

макромолекулами распределенного в БПВ полимера и компонентами битума, имеющими функциональные группы (например, асфальтогеновыми кислотами). Возможно и образование химической сетки за счет взаимодействия асфальтогеновых кислот с полярными группами полимеров.

Нами установлено, что формирование устойчивой даже при повышенных температурах (по крайней мере, до 600С) структуры битумополимерного вяжущего на основе Элвалоя АМ, происходит в результате оптимального состава и температурно-временного режима производства битумополимерных вяжущих [20]. Процесс получения стабильной структуры осуществлялся путём варьирования продолжительности совмещения битума и Элвалоя АМ в лабораторной мешалке во времени при температуре 2000С, а также варьированием временем термостатирования битумополимерной композиции (табл. 1).

Как следует из приведенных данных (табл. 1), целесообразно в течение одного часа в мешалке обеспечить равномерное распределение полимера в объеме органического вяжущего при температуре 195-2000С, а затем перекачивать битумополимерное вяжущее в битумоварочные котлы и термостатировать в течение семи часов при температуре 190-2000С.

Таблица 1 – Зависимость температуры размягчения и пенетрации системы «битум БНД 40/60 – Элвалой АМ (2)%» от температурно-временных режимов производства битумополимерного вяжущего (Б ПВ)

При исследовании влияния полимера СБС марки СКМС-30 на стабильность литых и горячих асфальтополимерсеробетонов установлено, что полимер взаимодействует с широким набором структурных элементов составляющих модифицированные комплексной добавкой нефтяные дорожные битумы, о чём свидетельствуют зависимости теплового потока от температуры (рис. 1) [21].

На основании изложенного следует, что повышение долговечности асфальтобетона для работы в условиях интенсивного и грузонапряженного движения при воздействии агрессивных факторов окружающей среды возможно при создании структуры асфальтобетона, которая рационально сочетает наиболее плотную упаковку полидисперсных частиц минерального остова (микроструктура плавно переходит в мезоструктуру, а затем в макроструктуру) и непрерывную пространственную сетку эластичного вяжущего с высокими значениями адгезии и когезии при минимально возможной толщине асфальтовяжущего вещества. Важнейшей составляющей структуры долговечного асфальтобетона является контактная зона – зона взаимодействия органического вяжущего с поверхностью минеральных материалов. Поэтому модификация «объемного» и «структурированного» битума полимерами, а также интенсификация процессов взаимодействия на поверхности раздела фаз «битумополимерное вяжущее – минеральные материалы».

Рисунок 1 - Зависимость теплового потока W от температуры Т при нагреве асфальтобитумополимерсерного вяжущего вещества состава в массовых частях компонентов: битум нефтяной дорожный П25=59 град. – 100; бутадиенметилстирольный каучук СКМС-30 – 2; техническая сера – 30; известняковый минеральный порошок, активированный 2% СКМС-30 – 60.

Вывод . Термодинамическая стабильность битумополимерных вяжущих достигается на основе оптимальной структуры, которая образуется при последовательном нагреве (ступенчатом от более низких температур к более высоким).

Донецкая Народная Республика, г. Макеевка Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БИТУМОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРАМИ

Donetsk People's Republic, Makeevka, Donbass national academy of building and architecture

ABOUT FEATURES OF FORMING OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF BITUMEN MODIFIED WITH POLYMERS