Стирол-бутадиен-стирольные полимеры для автодорожного строительства в Российской Федераци

В настоящее время, в связи с ростом использования полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) в странах Европы, Азии и США, производство ПБВ становится все более перспективным. Более развитым направлением в этой сфере сейчас является Азиатско-Тихоокеанское – ему принадлежат большинство самых быстрорастущих рынков полимерно-модифицированных битумов. На данный момент к одним из самых крупных производителей полимерно-битумных вяжущих в мире относятся «LG Chem Ltd», «LG LUPRENE» и «Kraton Polymers».

Потребность в производстве ПБВ связана с увеличением интенсивности движения и ростом нагрузок на дорожное покрытие, а также специфическими условиями эксплуатации объектов дорожного строительства в различных климатических условиях. Применение полимерно-битумного вяжущего характеризуется рядом преимуществ перед применением обычного дорожного нефтяного битума. Например, ПБВ имеет более высокую эластичность, более широкий интервал пластичности, улучшенные низкотемпературные свойства. С помощью данного продукта возможно увеличить срок службы асфальтобетонных покрытий, что является необходимым для поддержания хорошего состояния автодорог и предотвращения их преждевременного разрушения.

Исходя из указанных причин возникает необходимость производить российские продукты, создавая высококачественное российское ПБВ.

В связи с большой востребованностью ПБВ, исследованием технических характеристик данного продукта занимаются во многих странах. Например, Changjiang Kou, Davis, F.G., Gabriela, C.C., Hussein, H. K., Khamad, R., Suleiman, A.Y., Xiaohu Lu, Zhuangzhuang Liu [1-8], а также Амирбаев Е.Д., Андреев А.А., Гавер С.В., Гарипов Р.Р., Гладий Е.А., Давлятова Д.Ю., Золотарев В.А., Исмаилов А.М., Коваленко П.В., Лазарева

Т.Л., Обухов А.Г., Овчинников И.Г., Рыбачук Н.А., Сальникова А.И., Телтаев Б.Б., Траутваин А.И., Урчева Ю.А., Ярмолинская Н.И., Кременецкая Е.В., Высоцкая М.А. [9-36]. Однако среди работ специалистов по данной теме материалов, посвященных импортозамещению, достаточно скромное количество, чтобы данный вопрос оставался открытым к изучению.

Задаваясь вопросом сравнения свойств битумных вяжущих, можно рассмотреть научные работы профессора Казахстанского дорожного научно-исследовательского института Телтаева_Б.Б. [25-27]. Согласно его исследованиям, у битумных вяжущих с добавлением полимеров по сравнению с исходным БНД меньше понижается высокотемпературная устойчивость после старения [25], больше увеличивается жесткость при уменьшении температуры [26], а также по результатам его испытаний было определено, что асфальтобетоны с полимерными добавками более устойчивы к низкотемпературным трещино-образованиям по сравнению с асфальтобетоном без добавок [27]. Такие результаты показывают преимущество полимерно-битумных вяжущих над обычными нефтяными битумами и дают перспективу проведения исследований в данном направлении.

В настоящее время одним из крупных отечественных производителей является «SIBUR International».

Целью данной работы является рассмотрение свойств полимерно-битумных вяжущих с добавлением стирол-бутадиен-стирольных полимеров (СБС-полимеров), производимых в разных странах, и сравнение их с существующими российскими СБС-полимерами с возможностью импортозамещения.

• 2    Методы

  Для сравнения немецких, южнокорейских, шведских и российских СБС-полимеров к битуму было проведено 3 испытания. При данных испытаниях проверялись свойства полимерно-битумных вяжущих с добавлением полимеров фирм «Kraton Polymers» (Германия, Швеция), «LG Luprene» (Южная Корея), «LG Chemical Ltd» (Южная Корея) и ОАО «АК Сибур» (Россия). Полимерно-битумное вяжущее, использующееся при данных испытаниях, произведено в соответствии с ГОСТ Р 52056-2003 и ГОСТ 22245-90 [37-38] и обладает свойствами, подходящими для Северо-западной части России.

В испытании 1 проводилось сравнение ПБВ с содержанием рассматриваемых СБС-полимеров 3,5% и 4% на такие свойства, как:

• 1.    Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25 ^ОС

• 2.    Растяжимость при 25 ^ОС

• 3.    Температура размягчения по кольцу и шару

• 4.    Температура хрупкости по Фраасу

• 5.    Эластичность при 25 ^ОС

В испытании 2 проводилось сравнение ПБВ с содержанием рассматриваемых СБС-полимеров 3%, 3,5% и 4% на такие свойства, как:

• 1.    Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25 ^ОС и при 0 ^ОС

• 2.    Растяжимость при 25 ^ОС и при 0 ^ОС

• 3.    Температура размягчения по кольцу и шару

• 4.    Температура хрупкости по Фраасу

• 5.    Эластичность при 25 ^ОС и при 0 ^ОС

В испытании 3 проводилось сравнение ПБВ с добавлением рассматриваемых СБС-полимеров на такие свойства, как:

• 1.    Глубина проникания иглы, 0,1 мм

• 2.    Температура размягчения по кольцу и шару

Испытания №1:

При данном сравнении полимерно-битумных вяжущих были использованы СБС-полимеры следующих марок: Kraton D 1101 (Kraton Polymers, Германия), Kraton DT 1101 CS (Kraton Polymers Германия), Luprene LG 501 (LG Luprene, Южная Корея), LG 501 LG (Chemical Ltd, Южная Корея), LG 512 LG (Chemical Ltd, Южная Корея), ДСТ 30-01 (ОАО «АК Сибур», Россия).

Для испытаний были подготовлены шесть партий образцов ПБВ, по два образца на каждый модификатор – с содержанием полимера 4% и 3,5%. Полимерно-битумное вяжущее было изготовлено марки ПБВ-60, являющееся подходящим под климатические условия Северо-западной части России. Для приготовления ПБВ использовался битум марки БНД 60/90 [26].

Результаты испытаний приведены в таблицах №1 и №2.

Таблица 1. Свойства ПБВ-60 с содержанием полимера 4%

Table 1. Properties of PMB-60 with a polymer content of 4%

Использованный модификатор	Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25 ОС	Растяжимость, см, при 25 ОС	Температура размягчения по кольцу и шару, ОС:	Температура хрупкости по Фраасу, ОС	Эластичность,%, при 25 ОС
ГОСТ 22245-90	61 – 90	Не менее 55	Не ниже 47	Не выше -15	0
БНД 60/90	61	65	49	-11	0
ГОСТ Р 52056-2003	60 – 90	Не менее 55	Не ниже 54	Не выше -20	Не менее 80
Kraton D 1101 (Kraton Polymers)	65	62	75,3	-21	91
Kraton DT 1101 CS (Kraton Polymers)	62	56	61	-25	85
Luprene LG 501 (LG Luprene)	63	60	63	-24	85
LG 501 LG (LG Chem Ltd)	62	78,7	77,5	-22,3	85
LG 512 LG (LG Chem Ltd)	66	68,8	79,2	-21,5	89
Сибур ДСТ 30-01 (ОАО «АК Сибур»)	66	69	77,3	-20,1	90

Таблица 2. Свойства ПБВ-60 с содержанием полимера 3,5%

Table 2. Properties of PMB-60 with a polymer content of 3.5%

Использованный модификатор	Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25 ОС	Растяжимость, см, при 25 ОС	Температура размягчения по кольцу и шару, ОС:	Температура хрупкости по Фраасу, ОС	Эластичность,%, при 25 ОС
ГОСТ 22245-90	61 – 90	Не менее 55	Не ниже 47	Не выше -15	0
БНД 60/90	61	65	49	-11	0
ГОСТ Р 52056-2003	60 – 90	Не менее 55	Не ниже 54	Не выше -20	Не менее 80
Kraton D 1101 (Kraton Polymers)	83	68	73,8	-20,5	83
Kraton DT 1101 CS (Kraton Polymers)	75	85	59	-23,6	82
Luprene LG 501 (LG Luprene)	79	83,6	60	-23	82
LG 501 LG (LG Chem Ltd)	70	78,8	70,5	-21	81
LG 512 LG (LG Chem Ltd)	63	76,3	69,8	-20,5	84
Сибур ДСТ 30-01 (ОАО «АК Сибур»)	73	69,5	65	-20	80

Испытания №2:

При данном сравнении полимерно-битумных вяжущих были использованы СБС-полимеры следующих марок: SBS-LG 501 (Chemical Ltd, Южная Корея), Kraton D1185 (Kraton Polymers Швеция), ДСТ 30-01 (ОАО «АК Сибур», Россия), ДСТ 30Р-01 (ОАО «АК Сибур», Россия).

Для испытаний были подготовлены четыре партии образцов ПБВ, по пять образцов на каждый модификатор – с содержанием полимера 3%, 3,5% и 4%. Битумное вяжущее было изготовлено марки ПБВ-60, являющееся подходящим под климатические условия Северо-западной части России. Для приготовления ПБВ использовался битум марки БНД 60/90 [18, 19].

Результаты испытаний приведены в таблице №3.

Таблица 3. Свойства ПБВ-60 в зависимости от концентрации полимера

Table 3. Properties of PMB-60 depending on polymer concentration

Использованн ый модификатор	Концентрац ия полимера, %	Глубина проникновен ия иглы 0,1 мм, при температуре, ОС:		Растяжимост ь, см, при температуре, ОС:		Температу ра размягчени я по кольцу и шару, ОС:	Температу ра хрупкости по Фраасу, ОС:	Эластичност ь, %, при температуре , ОС:
		25	0	25	0			25	0
ГОСТ 22245-90	–	61 – 90	Не менее 20	Не мене е 55	Не мене е 3,5	Не ниже 47	Не выше - 15	0	0
БНД 60/90	0	61	28	65	3,8	49	-11	0	0
ГОСТ Р 52056-2003	–	60 – 90	Не менее 32	Не мене е 55	Не мене е 11	Не ниже 54	Не выше -20	Не мене е 80	Не мене е 70
Kraton D1185	3	78	44	74	45	64	-34	90	85
	3,5	77	41	75	48	65	-35	90	85
	4	75	36	77	53	68	-36	91	87
SBS-LG 501	3	85	45	71	45	61	-32	88	83
	3,5	80	43	71	47	62	-33	89	84
	4	73	39	69	51	66	-35	90	86
ДСТ 30-01	3	87	50	57	31	55	-29	85	80
	3,5	82	48	56	31	55	-30	85	81
	4	74	44	55	32	57	-32	86	82
ДСТ 30Р-01	3	80	47	57	35	62	-31	86	81
	3,5	77	44	59	38	64	-32	86	82
	4	71	39	62	41	69	-34	87	84

Испытания №3:

При данном сравнении полимерно-битумных вяжущих были использованы СБС-полимеры следующих марок: Kraton D 1101 (Kraton Polymers, Германия), LG 411 W (Chemical Ltd, Южная Корея), ДСТ 30-01-В (ОАО «АК Сибур», Россия), ДСТ 30-01-Л (ОАО «АК Сибур», Россия), ДСТ 30-01-Р (ОАО «АК Сибур», Россия).

Для испытаний были подготовлены пять партий образцов ПБВ – с содержанием полимера 3,8%. Битумное вяжущее было изготовлено марки ПБВ-60, являющееся подходящим под климатические условия Северо-западной части России. Для приготовления ПБВ использовался битум марки БНД 60/90 [11].

Результаты испытаний приведены в таблице №4.

Таблица 4. Свойства ПБВ-60 с содержанием полимера 3,8%

Table 4. Properties of PMB-60 with a polymer content of 3.8%

Использованный модификатор	Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при 25 ОС	Температура размягчения по кольцу и шару, ОС:
ГОСТ 22245-90	61 – 90	Не ниже 47
БНД 60/90	61	49
ГОСТ Р 52056-2003	60 – 90	Не ниже 54
Kraton D 1101	81	58
LG 411 W	73	61
ДСТ 30-01-В	63	58
ДСТ 30-01-Л	61	62
ДСТ 30-01-Р	67	59

3 Результаты и обсуждение

Сравнение результатов испытания 1 при разных концентрациях представлены на рисунках 1-5:

Рисунок 1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25˚С

Figure 1. The depth of penetration of the needle, 0.1 mm at 25 ° C

Рисунок 2. Растяжимость, см, при 25˚С Figure 2. Elongation, cm, at 25˚С

Рисунок 3. Температура размягчения по кольцу и шару Figure 3. Softening temperature along the ring and ball

Рисунок 4. Температура хрупкости по Фраасу Figure 4. Fraas fragility temperature

Рисунок 5. Эластичность, %, при 25˚С Figure 5. Elasticity,%, at 25˚С

Сравнение резул ьтатов испытания 2 при разных концентрациях представлены на р исунках 6-13:

Рисунок 6. Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25˚С Figure 6. Needle penetration depth, 0.1 mm at 25 ° C

Рисунок 7. Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 0˚С Figure 7. Needle penetration depth, 0.1 mm at 0 ° C

Рисунок 8. Растяжимость, см, при 25˚С Figure 8. Elongation, cm, at 25˚С

Рисунок 9. Растяжимость, см, при 0˚С Figure 9. Elongation, cm, at 0˚С

Рисунок 10. Температура размягчения по кольцу и шару Figure 10. Softening temperature along the ring and ball

Рисунок 11. Температура хрупкости по Фраасу Figure 11. Fraas fragility temperature

Рисунок 12. Эластичность, %, при 25˚С

Figure 12. Elasticity,%, at 25˚С

Рисунок 13. Эластичность, %, при 0˚С

Figure 13. Elasticity,%, at 0˚С

Результаты испы тания 3 представлены на рисунках 14, 15:

Рисунок 14. Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25˚С

Figure 14. The depth of penetration of the needle, 0.1 mm at 25 ° C

Рисунок 15. Температура размягчения по кольцу и шару Figure 15. Softening temperature along the ring and ball

В ходе проведенного исследования экспериментально установлено, что ПБВ с применением российских СБС немного уступают полимерно-битумным вяжущим с добавлением немецких, шведских и южнокорейских модификаторов по некоторым параметрам. Однако, следует отметить, что значения параметров рассматриваемых образцов полимерно-битумного вяжущего с добавлением российских модификаторов, а также битума нефтяного дорожного, на основе которого были произведены образцы рассматриваемого ПБВ, соответствуют допустимым значениям, установленным в ГОСТ Р 52056-2003 и ГОСТ 22245-90. На основе данных результатов можно сделать вывод о том, что российские СБС-полимеры, добавляемые к нефтяным дорожным битумам, могут быть использованы в качестве импортозамещения и служить основными модификаторами к битумным вяжущим при проектировании составов дорожных покрытий на территории Российской Федерации.

• 4 Заключение

В данной работе путем анализа экспериментальных данных проводилось рассмотрение свойств полимерно-битумных вяжущих с добавлением СБС-полимеров, производимых в разных странах, с целью сравнения их с существующими российскими СБС-полимерами с возможностью импортозамещения.

Анализируя изложенный материал, можно с уверенностью констатировать, что объективное сравнение физико-механических параметров получаемого ПБВ с применяемыми российскими СБС-полимеров практически не отличатся от качества ПБВ с добавлением немецких, шведских и южнокорейских модификаторов, при этом достигаются стабильные физико-механические параметры получаемого ПБВ:

• 1.    Глубина проникания иглы, 0,1 мм при 25 ^ОС

• 2.    Растяжимость при 25 ^ОС

• 3.    Температура размягчения по кольцу и шару

• 4.    Температура хрупкости по Фраасу

• 5.    Эластичность при 25 ^ОС

Это позволяет рекомендовать российские СБС-полимеры для производства ПБВ, что в свою очередь имеет положительный экономический эффект и позволяет снизить себестоимость ПБВ за счет более конкурентоспособной цены СБС-полимеров. Рассматриваемые российские СБС дешевле на 10-25 % по сравнению с рассматриваемыми немецкими, шведскими и южнокорейскими СБС-полимерами.

Таким образом, доказано, что применение российских СБС-полимеров в автодорожном строительстве в Российской Федерации выгодно. Поэтому, импортозамещение рассмотренных немецких, шведских и южнокорейских СБС-полимеров российскими аналогами возможно.