Использование полимерных модификаторов в производстве асфальтобетона

       Исследования показали, что при модификации битума 3-4 % Полидома

прочность и теплостойкость асфальтобетона увеличивается почти  вдвое, что

обеспечивает его повышенную сдвигоустойчивость. В соответствии с полученными результатами средняя плотность асфальтобетонов на основе

модифицированного битума выше, чем у асфальтобетонов на исходных

битумах и возрастает с  увеличением содержания модификатора, а водонасыщение, соответственно, снижается.

        Асфальтобетон на Полидоме проявляет характерную для всех полимерасфальтобетонов особенность - меньшую температурную чувствительность. Коэффициент температурной чувствительности

определялся как отношение  прочности асфальтобетона на сжатие при

температуре 50 °С к этому  же показателю при 0 . При оптимальном содержании Полидома он увеличился в среднем вдвое, что позволяет

прогнозировать повышенную тепло- и трещиностойкость таких

полимерасфальтобетонов.

        Битум,  модифицированный Полидомом, отвечает  требованиям ДСТУ Б В.2.7-135:2007 «Бітуми дорожні, модифіковані полімерами. Технічні умови» и его стандартные характеристики типичны для битумов, модифицированных термоэластопластами. При этом среди всех распространенных полимеров Полидом придает битумам наиболее высокую когезионную прочность.

       Полимерасфальтобетон, содержащий Полидом, имеет более высокие показатели прочности, водо- и теплостойкости по сравнению с обычным асфальтобетоном. Он также характеризуется значительно меньшей температурной чувствительностью и пониженным темпом теплового

старения.

       Доказана возможность упрощенной технологии приготовления полимерасфальтобетонов путем непосредственного введения Полидома в смеситель с последующим перемешиванием смеси при температуре 170 °С в

течение 15-20 с [3].

 

         3.2 Полимер KRATON

          Полимеры Kraton (Kraton Polymers) - это высококачественные термопластичные эластомеры, которые улучшают эксплуатационные характеристики промышленных изделий широкого спектра применения. В последние годы технология применения полимеров структуры стирол-бутадиен-стирол для модификации битумов успешно применяются российскими предприятиями.

        Битум - дешевый термопластичный материал, используемый как связующее дорожных покрытий, водонепроницаемых крыш, адгезивов, герметиков и технических товаров. Рассматривая битум как строительный или конструкционный материал, следует отметить его твердость и хрупкость при низких температурах, мягкость и высокую текучесть при высоких температурах. Добавление полимера KRATON D значительно улучшает свойства и эксплуатационные характеристики битума при экстремальных температурах. Полимербитумная смесь становится мягкой и более гибкой при низкой температуре и более вязкой при высокой температуре. Соответственно, адгезия и когезия модифицированного битума увеличиваются.

      Полимер KRATON D состоит из блоков полистирола и полибутадиена. В ходе синтеза молекулярная масса полимера контролируется с высокой точностью. Полистирольные и полибутадиеновые блоки получают путем полимеризации из растворов мономеров стирола и бутадиена. Взаимодействуя друг с другом, они образуют полистирол-полибутаеновые двойные блоки, полистирол-полибутадиен-полистирольные тройные блоки и разветвленные блоксополимеры. На рис. 1 показаны различные молекулярные структуры, характерные для полимеров KRATON D. Некоторые марки полимеров KRATON D, вместо полибутадиеновых блоков, содержат полиизопреновые блоки, что обуславливает их, отличные от СБС-марок, характеристики. Полиизопреновые марки редко применяются при модификации битума, но находят широкое применение в других областях.

       Полистирол и полибутадиен расслаиваются при низкой температуре, образуя разделенные микроскопические домены. В отдельных полимерах KRATON D полистирол образует твердые "острова" в "море" полибутадиена. Каучуковые молекулы полибутадиена связывают полистирольные "острова", образуя при этом трехмерную сетку. Полибутадиен и полимер KRATON D сохраняют эластичность при температуре минус 60 °C, тогда как полистирольные домены остаются жесткими вплоть до температуры стеклования полистирола (примерно +100 °C). Таким образом, данный полимер обладает свойствами каучука в широком температурном диапазоне.

При нагревании продукта до температур, превышающих температуру  стеклования полистирола, полимер  становится пластичным. Полученную вязкую массу можно подвергать различным  быстрым деформациям, например, формованию. Отходы производства могут быть расплавлены  и легко подвергнуты повторному формованию.

        В смесях с битумом полибутадиен способен адсорбировать масляные компоненты в количествах, превышающих его собственный вес в десятки раз. Полистирольные домены также адсорбируют масла, особенно ароматической природы. Структура пространственной сетки образуется уже при пятипроцентном содержании полимера KRATON D, придавая продукту эластичность и обуславливая его совместимость в широком температурном диапазоне. Влияние содержания полимера KRATON D и образование пространственной сетки на эксплуатационные параметры показано на рис. 2, где приведена зависимость температуры размягчения по методу "кольца и шара" (КиШ) от содержания полимера. Как следует из графика, ощутимые изменения в эксплуатационных параметрах наблюдаются при увеличении содержания полимера, приводящего к образованию сетки.

            Улучшение характеристик битума при добавлении полимеров KRATON D наиболее ощутимо в следующих применениях: " модификация полимерами KRATON D битумных связующих в дорожной отрасли; " модификация битума полимерами KRATON D при производстве гидроизоляционных материалов; " модификация битума полимерами KRATON D при производстве герметиков, применяемых в горячем виде или адаптированных к использованию при температурах окружающей среды;” модификация битума полимерами KRATON D при производстве адгезивов [4].

 

         3.3 Полимеры Элвалой

          Введение небольшого количества Элвалой в исходный битум придает ему свойства эластичности и приводит к увеличению температуры размягчения битумного вяжущего, также существенно растет когезия и повышается сцепление с гранитной крошкой. В отличие от СБС полимеров, которые физически диспергируются в битуме, Элвалой вступает в химическую реакцию с битумом. После модификации битума полимером Элвалой не происходит расслаивания, благодаря чему возможно длительное хранение и транспортировкабитума.

       Дороги построенные на основе битума модифицированного полимером Элвалой® успешно эксплуатируются с 1991 г. Элвалой

разработан специально для  модификации битумных материалов и совместим с широким ассортиментом марок битума.

           Основные параметры.  Предотвращает растрескивание  Основным результатом высокого перепада температур являются трещины, идущие перпендикулярно осевой линии дороги. Одна из основных причин применения битума, модифицированного полимером Элвалой заключается в том, что это дает возможность получить дорожное покрытие стойкое к холодному растрескиванию и одновременно сохраняющее прочность при высоких температурах. 

       Замедляет колеобразование Элвалой обеспечивает высокую стойкость к колееобразованию даже при высоких нагрузках и жаркой погоде, что особенно важно при интенсивном движении грузового транпорта. Элвалой увеличивает интервал пластичности битумного вяжущего на 15 - 30°С. Битумы модифицированные полимером Элвалой обладают адгезией к минеральному наполнителю в несколько раз выше, чем немодифицированные битумы, благодаря чему дорожное покрытие более прочное, а выкрашивание минимальное.

            Стойкость к старению. Акрилатные функциональные группы в полимере Элвалой придают битумному вяжущему гибкость и эластичность. Поскольку главная этиленовая цепь является насыщенной, она обладает относительной стойкостью к окислению и старению по сравнению с материалами на бутадиеновой основе. 

          Технологичность.Для смешивания не требуется коллоидная мельница. После модификации при хранении не происходит расслаивания благодаря реакции между битумом и модифицированный полимером Элвалой® при траспортировке и приготовлении асфальтобетонной смеси ведет себя как обычный битум и не прилипает к оборудованию [5].

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ОСОБЕНОСТИ СТРУКТУРЫ БИТУМОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРАМИ

 

         Существует две технологические схемы производства БМП. Приоритетной технологией производства БМП в России является получение их смешением вязкого битума с маточным раствором полимера в индустриальных маслах или гудроне [2]. Монопольной технологией производства БМП на Западе и в Украине является непосредственное смешение вязких битумов с полимером.

       Западный  подход представляется более  простым технологически и предсказуемым  в отношении качества получаемого  БМП. На основе обширных исследований, выполненных в СоюздорНИИ Л.М.Гохманом [2], сформировалось достаточно четкое  представление о том, что оптимальное  содержание термоэластопласта (СБС)  в окисленных битумах, модифицируемых  из маточного раствора, не должно  превышать 3,5 %. При

этом под оптимальностью подразумевается обязательность обеспечения технических свойств и приемлемой стоимости БМП. На Западе содержание полимера в дорожных битумах может быть принято большим и достигать 5%, а иногда и 7 % [3].

      Объективные  сведения о процессах формирования  структуры и свойств

БМП могут быть получены на основе рассмотрения концентрационных зави-

симостей свойств БМП, охватывающих достаточно широкий диапазон содер-

жания СБС в вяжущем. Представленные на рис.1 зависимости могут интерпретироваться следующим образом. Эластичность БМП  активно нарастает в области  малых концентраций полимера. При  его содержании 2,5-3,5 % (в зависимости от вязкости и структуры исходного битума) она достигает 80-85 %. После этого темп нарастания эластичности замедляется и она выходит на плато, достигая значения, близкого к 90 %. Такой характер изменения эластичности, на первый взгляд мог бы свидетельствовать о формировании в БМП матричной полимерной структуры. Однако такое предположение не согласуется с концентрационной зависимостью температуры хрупкости. Введение в битум 3,0-3,5 % полимера не приводит к изменению температуры хрупкости БМП. Она остается равной температуре хрупкости исходного битума. Существенное понижение температуры хрупкости системы отвечает содержанию полимера большему 5-6 % [2, 3]. При содержании в битуме 8-10 % полимера температура хрупкости может понизиться на 10-20 °С по отношению к исходному битуму.

            Пенетрация БМП интенсивно понижается с ростом содержания полимера до 3,5-5,0 %, а затем темп ее уменьшения падает. Интенсивный прирост температуры размягчения наблюдается до концентрации полимера, отвечающей 5-6 % и близкой к той, при которой начинается снижение температуры хрупкости. Однако концентрационные зависимости пенетрации и температуры размягчения не претерпевают таких резких изменений как эластичность и температура хрупкости. Кроме того, эти два показателя качества вяжущих являются сугубо эмпирическими и по их концентрационным зависимостям трудно судить о физических особенностях испытываемых объектов и процессах структурообразования в них.

    Информационно полезными являются области критических переходов на

концентрационных зависимостях эластичности и температуры хрупкости. Первая критическая концентрация (Сэкр) отвечает содержанию полимера 2,5-3,0 %и соответствует достаточно резкому изменению кривой эластичности. Это может свидетельствовать об образовании в системе сопряженной асфальтено-полимерной сетки, достаточно плотной и прочной для обеспечения БМП высокой эластичности, но недостаточной, чтобы обеспечить его высокую, по сравнению с исходным битумом, деформативность при низких температурах. В этой области низкотемпературные свойства БМП определяются углеводородно-смолистой (мальтеновой) составляющей исходного битума. Стеклуясь также как в

обычном битуме, она замораживает сопряженную эластическую сетку.

Критическая концентрация полимера, выше которой наблюдается суще-

ственное понижение температуры  хрупкости (Схркр), свидетельствует  о фор-мировании в системе собственно полимерной сетки, придающей вяжущему высокую деформативность при  низких температурах. Это вытекает из того, что температура стеклования термоэластопласта очень низка: типичный термоэластопласт ДСТ-30 имеет температуру стеклования, близкую к 90 С.

Таким образом, в зависимости  от концентрации полимера в БМП формиру-

ются две принципиально  различных области структурообразования: первая –

когда средой системы является битум, а фазой полимер; вторая –  когда средой является полимер, а фазой битум. Между этими двумя областями существует третья, переходная область с промежуточным, смешанным типом структуры. Эти представления хорошо согласуются с результатами M.Chappat [4] исследований модифицированных битумов, полученными с помощью отраженноq флуоресцентной микроскопии (рис.2). Из них следует, что в системе, состоящей из битума и полимера, происходят принципиальные структурные изменения. Они заключаются в том, что с ростом содержания полимера в системе происходит обращение фаз: полимер становиться средой, а битум фазой. Процесс происходит достаточно плавно, благодаря формированию переходной области.

         Можно выделить три структурных типа модифицированных битумов: первый – это битумополимерное вяжущее (БПВ), когда матрицей является битум;

второй – полимербитумное  вяжущее (ПВБ), когда определяющей свойства составляющей является полимер;

третий – переходный тип, тяготеющий к первому или второму типу в зависимости от содержания и свойств полимера, а также качества битума. В странах ЕС стандарты регламентируют определение структурных особенностей БМП микроскопичным способом.