Калапов И.А.

Иркутсого Государственного Технического Университета

Обоснование выбора компонентов для приготовления полимерно-битумного вяжущего

Одна из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий заключается в плохом качестве дорожных битумов. Битумы не обладают требуемыми адгезионными свойствами, так как склеивают только минеральные частицы основной породы, и, кроме того, становятся хрупкими при наступлении зимы практически на всей территории России.[1] Это предполагает образование трещин на покрытиях, которые ввиду малой прочности асфальтобетона быстро превращаются в выбоины. В общей доле деформаций, которые претерпевает битумная пленка в результате движений автомобилей по покрытию или под действием температурных напряжений, превалирует пластическая, т.е. идет накопление дефектов. Добавки небольшого количества полимера (3-5% термоэластопласта) и некоторых других материалов заметно улучшают качество покрытий: морозостойкость, трещиностойкость, сдвигоустойчивость, при этом повышается долговечность дорог и уменьшаются затраты на их ремонт.

Основная задача применения ПБВ - повышение долговечности дорожных, мостовых, аэродромных покрытий, устраиваемых с применением органических вяжущих материалов. Это достигается при применении ПБВ за счет повышения трещиностойкости, сдвигоустойчивости, водо- и морозостойкости, усталостной прочности покрытий из полимерасфальтобетона по сравнению с асфальтобетоном на основе традиционно используемых нефтяных дорожных битумов.[2]

ПБВ рекомендуется готовить на основе битумов марок БНД согласно ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия», так как по сравнению с битумами марок БН они характеризуются более низкой температурой хрупкости благодаря высокому содержанию парафинонафтеновых и ароматических углеводородов, что позволит при равном содержании полимера и пластификатора получить ПБВ с более низкой температурой хрупкости. Кроме того, в битумах марок БНД значительно меньше хрупких смол, вследствие чего в них лучше распределяется полимер и его необходимое количество для получения ПБВ с оптимальными свойствами меньше.

В качестве полимерной добавки, создающей пространственную эластичную структурную сетку в битуме, были выбраны полимеры класса термоэластопластов (блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС), так как они сочетают в себе необходимые для поставленной цели преимущества по сравнению с полимерами других классов (эластомерами, пластмассами, реактопластами).

Преимущества термоэластопластов заключаются в следующем:

· Позволяют получить пространственную эластичную структурную сетку в битуме при минимальном по сравнению с полимерами других классов содержании, так как характеризуются способностью к специфическим взаимодействиям. Дело в том, что блоки полистирола трехблочных макромолекул типа СБС расположены по краям и образуют очень прочные связи между разными макромолекулами при температурах ниже 80°С. При этом образующиеся связи настолько прочны, что полимер характеризуется высокой прочностью на растяжение (более 20 МПа), т.е: приближается по этому показателю к чистому полистиролу. Поэтому пространственная сетка, образующаяся в битуме, тоже обладает достаточно высокой прочностью, а следовательно, придает ПБВ высокую теплостойкость. При высокой стоимости полимеров минимальное содержание полимера в битуме имеет большое значение.

· Очень хорошо совмещаются с битумами, так как характеризуются оптимальными свойствами для поставленных целей при минимальной молекулярной массе 80000 - 100000, вместо 500000 - 1000000 для других полимеров, а также потому, что полистирол и полибутадиен хорошо растворяются в углеводородах дисперсионной среды битума и при температурах выше 100°С представляют собой линейный полимер.

· Сочетают в себе высокую прочность, присущую пластмассам, и одновременно высокую эластичность, очень низкую (до минус 80 - 100°С) температуру стеклования, свойственную эластомерам. Характеризуются развитой трехмерной пространственной структурой до температуры 80 - 90°С без вулканизаторов и отвердителей лишь за счет физических связей между макромолекулами (по блокам полистирола). Именно эти качества позволяют обеспечить требуемую эластичность и трещиностойкость ПБВ.

Из многочисленных зарубежных и российских данных, известно, что при введении термоэластопластов в битум без пластификаторов для получения ПБВ с оптимальными свойствами требуется как минимум (5 - 6)% полимера по массе. При этом вязкость получаемого вяжущего существенно выше вязкости битумов, что может привести к технологическим затруднениям при приготовлении асфальтобетонных смесей на АБЗ. Повышать же температуру приготовления более 160°С, как поступают за рубежом, очевидно, не следует, так как в России применяются окисленные битумы, которые подвержены интенсивному старению при температурах выше 160°С, в то время как остаточные битумы, применяемые за рубежом, выдерживают температуру до 180°С. Отметим, что температура начала деструкции полимеров типа СБС - (180 - 190)°С.[3]

Введение пластификатора позволяет обеспечить требуемый температурный режим (не выше 160°С) и существенно повысить эффективность вводимого полимера, т.е. получить ПБВ с развитой пространственной структурной сеткой при минимальном содержании полимера 2 - 2,5%, а также исключить из необходимого комплекта оборудования коллоидную мельницу.

В связи с вышесказанным, а также с целью получений трещиностойких для России ПБВ вплоть до температуры окружающего воздуха минус 55°С при минимальном содержаний полимера и ряде технологических преимуществ, предлагается при приготовлении ПБВ использовать пластификатор.

Таким образом, применение пластификатора, во-первых, позволяет существенно ускорить процесс приготовления ПБВ, во-вторых, существенно снизить стоимость ПБВ, уменьшить энергозатраты на его изготовление, в-третьих, легко обеспечить требуемую температуру хрупкости вплоть до минус 60°С при минимальном содержании полимера.

Применение ПБВ с пластификатором позволяет повысить производительность АБЗ при приготовлении полимерасфальтобетонной смеси, снизить содержание вяжущего в ней, повысить удобоукладываемость и уплотняемость смесей.

В качестве пластификаторов на первом этапе работ по отработке технологии приготовления и применения ПБВ на основе ДСТ применяли очень легкие пожароопасные растворители: бензин и газовый конденсат; токсичные: ксилол, сольвент, затем перешли на более тяжелые малотоксичные: дизельное топливо, битумное сырье (товарный гудрон). При этом следует отметить, что дизельное топливо опасно для применения, так как имеет температуру вспышки около 60°С, а ПБВ на его основе - около 100°С, т.е. процесс приготовления становится взрыво- и пожароопасным. Сырье для производства дорожных битумов - гудрон - не опасен, но с его применением при обычном содержании ДСТ не удается получить температуру хрупкости ПБВ ниже минус 22°С. Следовательно, он пригоден только для получения ПБВ следующих марок - ПБВ 40 и ПБВ 60. Необходимо значительно увеличить содержание полимера для получения ПБВ других марок, а это является экономически нецелесообразным.

В последние годы разработчиками предложен пластификатор, который имеет температуру вспышки выше 200°С, но вместе с тем не хуже дизельного топлива позволяет регулировать температуру хрупкости ПБВ. Этот пластификатор - индустриальные масла по ГОСТ 20799 марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А (см. изменение № 2 к ТУ 35-1669-88). С применением этих пластификаторов однородность ПБВ повысилась настолько, что при определении температуры хрупкости (важнейшего эксплуатационного показателя) получается однозначный результат, что позволило включить этот показатель в технические требования к ПБВ. Этот пластификатор выпускается в промышленном масштабе в России на Кстовском, Уфимском, Волгоградском, Новокуйбышевском, Ярославском, Ново-Уфимском, Пермском и Омском НПЗ.

Таким образом, применение ПБВ взамен битумов позволяет повысить трещиностойкость покрытий дорог, мостов и аэродромов, продлить сроки их службы в 1,5 - 3 раза, а срок службы поверхностных обработок - в 2 - 3 раза.

Литература:

1. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы. - М.: Транспорт, 1973.

2. Окладников В.П., Дошлов О.И., Коновалов Н.П. – Адгезия и адгезивы. Том 3. Влияние органических адгезивов на структурообразование в процессах окусковывания и спекания дисперсных систем: монография. – Иркутск, 1998.- 222 с., ил., рис..

3. Басурманова И.В., Гохман Л.М., Капанадзе И.И. Особенности работы покрытия из асфальтобетонной смеси с применением ПБВ на бетонном основании при отрицательной температуре // Вопросы проектирования дорожных одежд со сборными и монолитными цементобетонными покрытиями. - М., 1983. - (Тр. / Союздорнии).

4. Гохман Л.М., Золотарев В.А., Гезенцвей Л.Б. Исследование деформационной устойчивости асфальтобетона с применением ПБВ (на основе ДСТ) в статическом и динамическом режимах деформирования. - М., 1977. - (Тр. / Союздорнии; Вып. 89).

5. Гуреев А.А., Гохман Л.М., Гилязетдинов Л.П. Технология органических вяжущих материалов: Учеб. пособие МИНГ им. И.М. Губкина. - М., 1986.

6. Гохман Л.М. Улучшение рабочих характеристик дорожных битумов. - М., 1990.