Способы улучшения свойств битума с использованием модификаторов

Ведущей и главной областью применения битумов является строительство и ремонт дорог [1]. Многие российские дороги требуют ремонта из-за разрушения дорожного полотна в связи с увеличением транспортных нагрузок внешними природными факторами. Недолговечность дорожных покрытий – главная проблема этой отрасли. Необратимые изменения как в процессе приготовления битумного связующего, так и в процессе эксплуатации создают ряд задач по увеличению продолжительности эксплуатации и качества дорожных покрытий.

На сегодняшний день перед нефтеперерабатывающей промышленностью стоят задачи повышения качества выпускаемой продукции и эффективности переработки нефти. Так эффективным способом улучшения качества битумных материалов являются технологии компаундирования и модифицирования различными добавками, которые позволяют значительно улучшить его качества и получать продукцию с заранее заданными параметрами [2, 3].

Битум – главный компонент в производстве дорожных материалов.

Групповой состав битума включает в себя множество углеводородов различного строения: углеводороды нафтенового, парафинового ряда, гетероциклического строения, асфальтены, карбены и карбоиды. Битум обладает рядом характеристик, которые можно применить в дорожной отрасли – эластичность, лиофобность, адгезионность, термостойкость. Повышение данных характеристик – основная задача по увеличению долговечности и качеству дорожных покрытий.

Так современная химия предлагает множество способов для решения этой задачи, один из таких способов – производство модифицированных битумов с помощью различных модификаторов: сополимер бутадиена и стирола (БСК), сополимер бутадиена и акрилонитрила (СКН), изобутилен с изопреном (бутилкаучук), дивинилстирольный термоэластопласт (ДСТ), полиэтилен, полипропилен и их сополимер. Также используют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) для улучшения адгезионных свойств, а для увеличения стабильности к термоокислению можно применять антиокислители. [4, 5]

В работе [6] рассматривается получение модифицированного дорожного битума марки БНД 60/90 с добавкой рапсового масла и ДСТ, определены важные показатели и их изменение с процентным увеличением добавки в битум. Результаты исследования представлены на рисунке 1-3.

Исходя из результатов исследования можно сделать вывод, что данная добавка рапсового масла и ДСТ положительно влияет на физикохимические свойства битума значительно повышая их с процентным содержанием добавки 2-3%.

Введение в битум высокомолекулярных соединений сразу вызывает ряд необратимых превращений как с битумный связующим, так и с добавкой. Полимер, растворяясь в дисперсной среде, взаимодействует с структурами асфальтенов. Данное взаимодействие носит адсорбционный характер, макромолекулы полимера адсорбируются на поверхности частиц дисперсной фазы, что приводит к увеличению размеру частиц.

Рисунок – 1 Зависимость температуры хрупкости от содержания рапсового масла и ДСТ

Содержание добавки, %

Рисунок – 2 Зависимость температуры размягчения от содержания рапсового масла и ДСТ

Рисунок – 3 Зависимость адгезии от содержания рапсового масла и ДСТ

Влияние на термоокислительную стабильность битума рассматривается в работе [7] с применением сульфонатной присадки С150, по ГОСТ 18180-72. Результаты исследования представлены в таблице 1-2.

Присадка С-150 – применяется в маслах и двигателях, значительно улучшают моющие, диспергирующие и антикоррозионные свойства. По своему строению сульфонатные присадки являются поверхностноактивным веществом. В битуме присадка С-150 способна к солюбилизации, что предотвращает процесс деструкции асфальтенов, уменьшению кислотного числа, нейтрализующим свойством за счет своего строения [7].

Таблица – 1 Результаты исследования влияния добавки С-150

Содержание С-150, % масс	Температура разямгчения, °С			Пенетрация при 25°С, ·0,1 мм			Растяжимость при 25°С, см
	до	после	Δ	до	после	Δ	до	после	Δ
0,00	43	46	3	98	69	29	100	85	15
0,25	42	45	3	100	87	13	100	86	14
0,50	42	45	3	110	89	21	100	88	12
0,75	42	44,5	2,5	115	90	25	100	99	1

1,00

42

44,5

2,5

107

88

19

100

93

7

Таблица – 2 Результаты исследования влияния добавки С-150

Содержание С-150, % масс	Пенетрация при 25°С, ·0,1 мм			Растяжимость при при 0°С, см
	до	после	Δ	до	после	Δ
0,00	47	42	5	8	5	3
0,25	48	43	5	6,6	5,1	1,5
0,50	48	44	4	7	5,8	1,2
0,75	49	44	5	7	6	1
1,00	48	44	4	7,7	6,4	1,3

Сцепление битумов с поверхностью минеральных материалов, с влажными минеральными материалами независимо от природы минерального неудовлетворительно. Для улучшения адегизионных свойств битума с поверхность минерала в технологии применяют поверхностно-активные вещества.

В работе [8] представлены исследования влияние поверхностноактивной добавки Х-1 на физико-химические свойства битума БНД 60/90, исследование изменения свойств проводилось по ГОСТ 9128-2013. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица – 3 Результаты исследования влияния добавки

№	Наименование показателей	Единицы измерения	БНД 60/90	Б. + ПАВ Х-1
1	Водонасыщение	%	1,5	3,3
2	Пористость минеральной части	%	17,2	13,7
3	Остаточная пористость	%	4,2	4,8
4	Предел прочности при сжатии 50° С	МPa	1,2	2,2

Таблица – 3 Результаты исследования влияния добавки

№	Наименование показателей	Единицы измерения	БНД 60/90	Б. + ПАВ Х-1
5	Предел прочности при сжатии 20° С	МPa	2,4	7
6	Предел прочности при сжатии 20° С	МPa	13,2	14,7
7	Водостойкость	-	0,79	0,99

Введение в смесь небольшого количества ПАВ понижает поверхностное натяжение на границе битум – минеральный материал, что облегчает смачивание минеральных частиц битумом. ПАВ способны адсорбироваться на поверхности минеральных зерен на разделе фаз. ПАВ Х-1 положительно влияет на свойства битума и может быть применена в условиях эксплуатации дорожных покрытий.

Многогрупповая система битумного связующего представляет собой сложное и избирательное решение для каждой марки битума, так одни добавки могут оказывать положительное влияние на битум одной марки, но не влиять или вовсе ухудшать физико-химические свойства у другой марки битума, поэтому вопрос применения универсальной добавки остается открытым.