Модифицированный битум. Модифицированные полимерно-битумные вяжущие: новый виток в эволюции дорожного полотна. Термин «битум полимерный»
К добавкам, конечной функцией которых является улучшение качества дорожного полотна, относятся следующие типы материалов:
1. Модификаторы битума;
2. Адгезионные присадки к битуму;
3. Стабилизаторы ЩМАС (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси);
4. Модификаторы асфальтобетонной смеси;
5. Структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь;
Еще более сложным фактором является рост объема грузовых перевозок. Наша дорожная система заполнена грузовиками. Типы модификаторов Модифицированные асфальты часто обычно называют «модифицированными полимером асфальтами». Полимеры, вероятно, являются наиболее распространенным типом модификации, но современные модифицированные асфальты могут быть получены несколькими способами. Согласно «Асфальтовому справочнику Асфальтового института», модификаторы и добавки, используемые для повышения производительности, включают в себя полимеры, химические модификаторы, наполнители, окислители и антиоксиданты, углеводороды и антизапытные добавки.
При низких температурах битум становится твердым и хрупким, при высоких - мягким и текучим. Битум модифицируют различными эластомерами, применение которых имеет цель улучшить эксплуатационные характеристики битума при экстремальных температурах. При модификации битума стирол бутадиен стиролом полимербитумная смесь становится мягкой и более гибкой при низкой температуре, и более вязкой при высокой температуре.
«Полимеры» охватывают широкий диапазон модификаторов, причем эластомеры и пластомеры являются наиболее часто используемыми типами. Стирол-бутадиеновый каучук и стирол-бутадиен-стирол часто используют эластомеры. Эти модификаторы используются для уменьшения колеи и повышения устойчивости к усталости и термическому крекингу.
Резиновая резина - это эластомер из грунтовых шин. Существует несколько технологий для использования резиновой шины. Этот материал используется в первую очередь для решения проблемы колеи. Пластомеры используются для улучшения высокотемпературных свойств модифицированных материалов. Полиэтилен низкой плотности и этиленвинилацетат являются примерами пластомеров, используемых в модификации асфальта.
Применение различных присадок к битуму направлено на улучшение отдельно взятого свойства битума: адгезии с минеральной составляющей асфальтобетонной смеси или пластической текучести при низких температурах. Существует присадка, предотвращающая окисление битума и, как следствие, образование микротрещин на поверхности.
Под стабилизаторами ЩМАС, как правило, понимают волоконные добавки, которые применяются для предотвращения стекания битума из смеси при транспортировке и укладке. Волокна стабилизатора равномерно распределяются в смеси при перемешивании, выполняя функцию микроскопического каркаса, армирующего битум.
Наиболее часто используемым химическим модификатором является полифосфорная кислота. Этот модификатор может использоваться в комбинации с полимерами для повышения жесткости при высокой температуре. Другие модификаторы, которые могут быть использованы, включают в себя асфальтобетонные наполнители и углеводородные материалы. Углеводороды могут давать либо упрочняющие, либо смягчающие эффекты. Материалы могут быть добавлены, чтобы увеличить сопротивление трещин. Смягчающие вещества или омолаживающие средства используются для снижения вязкости прессованных асфальтовых связующих в смесях, содержащих переработанное асфальтовое покрытие.
Также на российском рынке присутствуют модификаторы асфальтобетона на основе резиновой крошки. Подобные модификаторы вводятся в смеситель при приготовлении асфальтобетонной смеси в отличие от модификаторов битума, улучшение битума которыми является трудоемким и энергоемким процессом. Под структурирующими добавками понимают минеральный порошок или цемент.
Положительная эффективность модифицированных асфальтов общепризнана и продемонстрирована лабораторными испытаниями, но было мало доступной документации по улучшению работы на местах. Исследование, проведенное Институтом асфальта, приведенное здесь, является примером одного из усилий по документированию преимуществ производительности. Хотя это исследование касалось только модифицированных полимером асфальтов, оно обеспечивает документацию для преимуществ производительности этого типа модификатора и того, как другие типы могут быть оценены и задокументированы.
Свойства и характеристики модификаторов
СБС (SBS) (стирол-бутадиен-стирол) и прочие сополимеры стирола (SBR, SEBS, SIS, SEPS и т. п.)
Высокоэластичные полимеры (синтетические каучуки), которые придают битумам гибкость при низких температурах. СБС - покрытия обладают отличной адгезией и высокой устойчивостью к резким перепадам температуры (с переходом через 0°С). Кроме того, СБС-материалы высокоэластичны, морозостойки, а также легко повторяют форму той поверхности, на которую укладываются. Теплостойкость его несколько хуже, чем АПП, однако, при использовании высококачественного СБС-модификатора она может достигать 100°С. СБС является наиболее распространенным модификатором битумов.
Полный отчет об этом исследовании «Количественная оценка влияния модифицированного полимером асфальта для уменьшения бедствия дорожного покрытия» можно получить в Институте асфальта в качестве технического отчета. Сокращенная версия также доступна в Информационной серии 215. Бедствия, включенные в предсказания и сравнения эффективности исследования, - это раскалывание и усталостное растрескивание. Также было включено поперечное растрескивание. Сравнение термического растрескивания и снятия изоляции не включалось, поскольку было доступно слишком мало данных.
При модификации битума с помощью СБС создается полимерная матрица, представляющая в данном случае трехмерную сетку, образованную благодаря взаимодействию полистирольных блоков в, так называемые, полистирольные домены. Внутри этой эластомерной сетки в виде мельчайшей дисперсии распределен битум.
Производство качественного модифицированного СБС битума чрезвычайно сложный технологический процесс. Для этого необходимо использовать совместимый СБС битум, отличающийся повышенным содержанием ароматических соединений. Собственно, СБС может использоваться либо в виде порошка тонкого помола, либо в виде гранул.
Хотя преимущества использования модифицированных асфальтов широко признаны, не все модификации асфальтовых смесей или обработок необходимо модифицировать. Каждое приложение должно оцениваться для определения того, оправдывает ли загрузка трафика, ожидаемый срок службы, условия окружающей среды и желаемую производительность, использование модификаторов. Модифицированные асфальты могут быть хорошей инвестицией.
Реологическая оценка полимерных модифицированных асфальтовых связующих. В настоящее время наиболее используемым полимером для модификации асфальтового связующего является термопластичный эластомерный стирол-бутадиен-стирол и ароматическое масло, обычно добавляемое к смесям для улучшения их совместимости. В этой статье предлагается использовать сланцы из осадочных пород в качестве агента совместимости для модифицированного полимером асфальтового связующего. Взаимоупругое поведение образцов подтвердило результаты для классических свойств и варьировалось в зависимости от морфологии и состава образца.
В первом случае возможно получение качественных смесей на обычных смесителях. В случае применения гранулированного СБС необходимо наличие гомогенизатора - устройства, "перетирающегося" полимер с битумом. Без гомогенизатора смесь получается неоднородной (негомогенной). Теплостойкость такой неоднородной смеси может быть иногда даже несколько выше, но гибкость на холоде будет существенно хуже и с течением времени начнет постоянно ухудшаться.
Модификация дорожных битумов
Таким образом, сланцевое масло можно успешно использовать в качестве агента совместимости без потери свойств или даже заменить ароматическое масло. Асфальтовые связующие широко используются в дорожном покрытии 1-5, и их вязкоупругие свойства зависят от их химического состава. Использование синтетических полимеров для изменения характеристик связующего асфальта и продления срока службы мостовых конструкций относится к началу 70-х годов 6-8. Эти полимеры представляют собой термопластичные каучуки и имеют двухфазную морфологию, стекловидную фазу полистирольных клеммных блоков, со стеклянным переходом около 100 ° С и эластомерную фазу из-за центральных блоков полибутадиена.
Как показывает опыт, именно гибкость может служить косвенным критерием качества СБС-материала. Материалы, в которых применяется СБС-модификатор высокого качества (например, фирмы SHELL) достигают гибкости до -30°С. В то же время материалы с гибкостью хуже -20°С имеют, либо недостаточную концентрацию полимера в битуме, либо в них использован несовместимый с СБС битум. На практике такие материалы довольно быстро разрушаются.
С другой стороны, поскольку молекулярные массы полимерных цепей выше или сходны с молекулярными массами асфальтенов, они конкурируют за платежеспособность фракции мальтенов и может происходить разделение фаз, если есть дисбаланс между компонентами. Фазовое разделение указывает на несовместимость между асфальтом и полимером и может быть предотвращено путем добавления в смесь ароматических масел 7, 12 или агентов-совместителей.
Потребность в модификации битумов полимерами
Ароматическое масло представляет собой нефтяную фракцию, поставляемую на нефтеперерабатывающих заводах, и ее доступность может быть уменьшена в ближайшие несколько лет, поскольку существует высокий спрос на более легкие нефтяные фракции и, следовательно, ее необходимо растрескивать, чтобы увеличить производство высокоценных нефтепродуктов. В настоящее время источники, не являющиеся нефтяной нефтью, считаются альтернативными маршрутами для производства нефтепродуктов. Сланцы из осадочной породы содержат битумные материалы, которые выделяются в виде нефтеподобных жидкостей, когда камень нагревается в химическом процессе пиролиза.
Модифицированный битум
К атегория:
Материалы в дорожном строительстве
Модифицированный битум
Неуклонный рост количества грузовых автомобилей и нагрузок на ось создает сложные условия для эксплуатации автомобильных дорог, особенно построенных на основе органических вяжущих, и требует соответствующих контрмер. Основная проблема, возникающая в связи с высокими осевыми нагрузками и большой интенсивностью движения, - деформация асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, построенных с использованием обычных битумов.
Извлечение горючего сланца из пиробитума является более сложным, чем обычная добыча нефти, и в настоящее время является более дорогостоящим. Из-за своей химической природы битум, поступающий из сланцевого масла, полученного из пиролиза, является отличным материалом для производства асфальтовых добавок. Его можно использовать для производства асфальтовых добавок широкого спектра действия, обеспечения адгезии, атмосферостойкости и стойкости к постоянной деформации, увеличения стойкости к износу и долговечности.
Сланцевое масло менее летучее и имеет менее ароматические углероды, чем ароматическое масло, благоприятствующее полимерной связующей смеси при высокой температуре. Масло сланца содержит основной азот и небольшое количество асфальтенов, которые являются более насыщенными соединениями, чем ароматическое масло. Были определены классические и реологические свойства модифицированных асфальтовых связующих, чтобы проверить, можно ли добиться какого-либо улучшения за счет использования сланцевого масла.
Для повышения надежности и долговечности работы покрытий в настоящее время рекомендуется использовать битумы, модифицированные полимерами. Широкое использование модифицированных битумов вместо обычных объясняется их улучшенными свойствами. Полимерные битумы имеют большой диапазон рабочих температур (разница между температурой размягчения и температурой хрупкости) - до 100 °С (обычные битумы до 60 °С).
Все смеси асфальто-полимерных смесей готовили в соответствующем контейнере, оборудованном смесителем с высоким усилием сдвига. Для прогонов с агентом-совместителем сланцевое или ароматическое масло добавляли к горячему асфальту перед добавлением полимера при 500 об / мин и смесь перемешивали в течение 10 минут.
Установка модификации битума
Все образцы асфальтового связующего были проанализированы с помощью следующих классических методов: проницаемость, точка размягчения кольца и мяча, вязкость по Брукфилду, стабильность при хранении и восстановление эластичности с использованием дуктилометра. Тест эластичного восстановления оценивает способность связующего растягиваться и восстанавливаться эластично.
Асфальтобетоны, приготовленные с использованием полимерных битумов, имеют высокую устойчивость к деформациям за счет большой эластичности применяемых битумов. Кроме того, значительно замедляется процесс старения асфальтобетона. Исследования зарубежных ученых показывают, что у битумов, извлеченных из дорожных покрытий, прослуживших 10 лет, не наблюдается существенных изменений вязкости.
Стареющие связующие анализировали с использованием динамического сдвигового реометра для оценки изменений их реологических свойств. Амплитуда деформации ограничивалась линейной вязкоупругой реакцией асфальтового связующего. Он содержит эластичные и вязкие компоненты, обозначенные как модуль накопления и модуль потерь; соответственно. Эти два компонента связаны с комплексным модулем и друг с другом через фазовый угол δ, который является фазой или временем задержки между приложенными напряжениями сдвигового напряжения и сдвиговыми деформациями во время испытания.
Для улучшения свойств дорожных битумов (модификации) принято использовать специально изготавливаемые искусственные материалы. В настоящее время, ввиду многообразия искусственных материалов, предлагаемых нефтехимическими производствами, имеется богатый выбор используемых для модификации полимеров. Условно их можно классифицировать как термопласты (пластомеры); эластомеры и термоэластичные искусственные материалы.
Когда фазовый угол δ равен 90 °, материал можно считать чисто вязким по своей природе, тогда как фазовый угол δ 0 ° соответствует чисто упругому поведению. Между этими двумя крайностями материальное поведение можно считать вязкоупругим по своей природе с сочетанием вязких и упругих ответов.
Термин «битум полимерный»
Все образцы асфальтового связующего в этом исследовании были подвергнуты той же обработке нагрева, чтобы избежать какой-либо разницы в их свойствах, вызванных высокой температурой, используемой во время их приготовления. Никакой модификации условий процесса не было, когда сланцевое масло было добавлено в асфальтовое связующее, и не было изменений в вязкости смеси.
Термопласты состоят из линейных или малоразветвленных полимеров, размягчающихся при нагревании. При охлаждении они снова становятся твердыми. Добавка пластомеров повышает вязкость и жесткость битумов при нормальных рабочих температурах (от -30 °С до 60 °С). Но пластомеры не оказывают влияния на эластичность модифицированных битумов.
Световые области в первом были гораздо более однородными и прозрачными, что демонстрировало более высокую эффективность сланцевого масла при диспергировании полимера в асфальте. Этот результат позволяет предположить, что влияние состава сланцевого масла на процесс набухания полимера должно быть дополнительно исследовано.
Можно заметить, что наблюдается снижение проникновения и увеличение температуры размягчения с добавлением полимера и обратное влияние на эти свойства с добавлением масла. Как и ожидалось, модифицированные образцы асфальта имели пониженное проникновение и более высокую температуру размягчения и упругое восстановление, что свидетельствует об улучшении жесткости и гибкости асфальтового связующего. Таким образом, эти модифицированные образцы являются более подходящими для мощения, поскольку они будут более устойчивыми к деформации, усталости и пластической деформации.
При нагревании битумов, улучшенных пластомерами, наблюдается тенденция к разделению фаз битума и полимера, то есть такие битумы неустойчивы к хранению, поэтому должны готовиться непосредственно перед использованием на асфальтобетонном заводе. В качестве пластомеров чаще всего используются полиэтилен и атактический (стереобеспорядочный) полипропилен.
Эластомеры состоят из длинных полимерных цепочек с широкими разветвлениями. Они эластичны в широком диапазоне температур: от низких до 200 °С.
При добавке эластомеров в битум повышается его вязкость, улучшается эластичность. Но эти системы также неустойчивы при хранении, для предотвращения разделения фаз между битумом и искусственным материалом требуется постоянное перемешивание. Битум, модифицированный эластомерами, можно назвать битумом с эластичным наполнителем. В качестве эластомеров принято использовать натуральный или регенерированный каучук и полибу-тадиены.
Термоэластичные искусственные материалы размягчаются при температурах выше обычных рабочих температур и хорошо деформируются в этом состоянии.
Термоэластичные искусственные материалы начали использоваться с 1965 г. Самым известным представителем группы термоэластичных пластмасс является стирол-бутадиен-стирол (СБС). Этот искусственный материал представляет собой блокополимер, состоящий из блоков стирола и полибутадиена.
Добавка этого материала к битуму составляет, как правило, от 3 до 6% по массе. Необходимое количество добавляемого материала зависит от дисперсного состояния вводимого вещества: если СБС вводится в битум в мелкодисперсной форме, то расход уменьшается, если в крупно дисперсной форме, то требуется большое количество модификатора.
Кроме полимеров для улучшения свойств битума могут использоваться другие модификаторы: неорганические соли (хлорид марганца), синтетические или природные смолы, а также природные асфальты.
Конечные свойства модифицированного битума во многом зависят от технологии введения добавки.
За рубежом модифицированные битумы изготавливаются по специальным технологиям на нефтеперегонных заводах или в специальных обогатительных установках при постоянном лабораторном контроле качества продукта. Полимерный битум является готовым к транспортировке, хранению и переработке продуктом.
В Европе для модификации битума чаще всего используется стирол-бутадиен-стирол. Полимер вводится в виде твердого вещества (гранул или порошка), а также в виде жидкости (эмульсии или раствора). В любом случае необходимо добиться однородности конечного материала.
Для получения смесей, устойчивых при хранении, необходимо выбрать соответствующий базисный битум. Смесь является пригодной для хранения, если при длительном хранении горячего битума в резервуаре асфальтосмеси-тельной установки не происходит разделение фаз. Современные полимерные битумы могут храниться до 6 недель.
Традиционно используются два метода для изготовления модифицированного битума: – приготовление битумно-полимерной дисперсии в мешалках с большими срезывающими усилиями (коллоидных мельницах); – внесение полимера в битум химическим путем с помощью медленно вращающихся мешалок с незначительными срезывающими усилиями.
В первом случае для стабилизации полимерно-битумной дисперсии применяется сера и ее соединения. Между полимером и серой происходят реакции, в результате которых возникают новые химические соединения, они остаются равномерно распределенными в битуме благодаря своей решетчатой структуре.
Во втором случае полимер (например, СБС) предварительно обрабатывается таким образом, что кажется растворенным в битуме.
Недостатком коллоидных мельниц является тенденция разделения макромолекул основного материала, так что в конечном счете в битуме после переработки будут иметься полимеры с меньшим средним молекулярным весом, чем в начале. Это объясняется тем, что возникающие в коллоидных мельницах большие срезывающие усилия ведут к изменению молекулярной структуры полимера.
Мешалки с низкими срезывающими усилиями позволяют добиться более высоких значений точек размягчения и намного большей пластичности модифицированного битума.
При использовании полимеров, которые не могут сочетаться с химической системой битумов (полиэтилен, атактический полипропилен и натуральный каучук), необходимы установки для приготовления модифицированного битума непосредственно на асфальтобетонных заводах, чтобы приготовленный материал мог быть использован для приготовления асфальтобетона до разделения фаз.
Для переработки полипропилена и природного каучука или регенерированной резины рекомендуется использовать мешалки малой скорости. В этом случае перемешивание битума с полимером происходит за счет расплавления полимера. Для получения модификаций на основе полиэтилена используются мешалки с большими срезывающими усилиями, которые могут обеспечить дисперсное распределение полиэтилена в битуме.
В Республике Беларусь и в условиях России применение пластомерных добавок не рекомендуется по климатическим условиям. При сильном охлаждении и продолжительных морозах асфальтобетоны на основе таких вяжущих подвержены сильному трещинообразованию.
К атегория: - Материалы в дорожном строительстве
