Применение полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве
В России около 70 % грузов перевозят автомобильным транспортом. Большие денежные суммы расходуются на строительство новых дорог и на ремонт существующих.
На дорожное покрытие постоянно возрастают нагрузки, а также увеличивается интенсивность движения. Специфические условия эксплуатации объектов дорожного строительства (путепроводы, мосты, развязки) в различных климатических условиях вызывают необходимость предъявлять повышенные требования к дорожным покрытиям. Битум по ГОСТ 22245-90, не может удовлетворить эти требования полностью. В нашей стране проводятся работы по созданию современных материалов для устройства дорожных покрытий. Одно из них – это модификация битумов полимерными добавками.
ГОСТ 9128-2013 нормирует показатели физико-механических свойств полимерасфальтобетонных смесей и полимерасафльтобетона, в том числе показатели прочности, глубины вдавливания штампа, зерновые составы смесей с учетом вязкости ПБВ(полимерно-битумного вяжущего) на основе блоксополимеров типа стирол- бутадиен-стирол (СБС).
Применение ПБВ в России в широком масштабе позволит значительно повысить качество покрытий, их долговечность, и как следствие сократить затраты на ремонт.
Асфальтобетонная смесь представляет собой рационально подобранную смесь из песка, щебня, минерального порошка и битума нефтяного дорожного вязкого.
Экономически эффективными модификаторами для нефтяных битумов являются те, которые не дорогие по цене и обладают ниже перечисленными свойствами:
— не разрушаются при температуре приготовления смеси ;
— совместимы с битумом при проведении процесса перемешивания;
-увеличивают сопротивления битумов к воздействию сдвиговых напряжений и делают битум более «эластичным» при низких температурах;
-химически стабильны, сохраняют свои свойства в условиях работы в дорожном покрытии.
Наибольшее применение нашли полимеры типа СБС. Полимерасфаль- тобетонная смесь обладает лучшей уплотняемостью, смесь хорошо уплотняется при более низких температурах.
Полимерасфальтобетон менее чувствителен к колебаниям температуры, он отличается от асфальтобетона большей деформативной трещино-стойкостью, сдвигоустойчивостью и долговременной прочностью.
В СоюздорНИИ проводились научные исследования по вопросу компонентного состава и изучению физико-механических свойств полимерно-битумных вяжущих.
Так, были определены принципы выбора компонентов для приготовления ПБВ, а именно:
— эластичная сетка в ПБВ должна образовываться во всем объеме при минимальном содержании полимера,
— должна иметься возможность одновременного повышения теплостойкости и трещиностойкости ПБВ,
— нормы по токсичности, технологичности должны быть не ниже чем у битумов.
При получении ПБВ используют пластификатор, также для повышения адгезии к минеральным материалам кислых пород используют поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Термоэластопласты-блоксополимеры типа СБС, применяют для производства ПБВ, т.к. они хорошо растворяются в битуме и образуют пространственную структурную сетку из молекул полимера в битуме.
В качестве пластификатора возможно применение индустриального масла и др, в качестве ПАВ – «Амдор-9», «Дорос-АП», «БП-ЗМ». Содержание полимера колеблется от 1 до 4 % (по массе) для разных битумов и характеризуется резким изменением вязкости.
Коллоидная мельница
При производстве ПБВ используется коллоидная мельница, она измельчает полимерные частицы до молекулярного уровня и равномерно распределяет их в битуме.
Битум, содержащий некоторое количество полимера, которое необходимо для образования пространственной структуры это новое вяжущее и называется ПБВ.
ПБВ в зависимости от глубины проникания иглы при 25°С подразделяются на следующие марки: ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ 130, ПБВ 90, ПБВ 60, ПБВ 40.
При применении пластификатора получается ПБВ высокого качества при минимальном содержании полимера, улучшается удобоукладываемость и уплотняемость полимерасфальтобетонных смесей, появляется возможность обеспечить необходимое качество покрытий по сдвигоустойчивости и трещиностойкости. Эластичная сетка придает ему способность к ориентации при отрицательных температурах. Процесс ориентации обусловлен возможностью пластического деформирования при высокой вязкости системы, которая фиксирует эту сетку в растянутом состоянии, армируя этот материал.
Срок службы верхнего слоя покрытия с использованием ПБВ увеличивается в 1,5-3 раза.
Преимуществом ПБВ является возможность регулировать свойства за счет изменения процентного соотношения полимера и пластификатора, что позволяет использовать его в любых климатических условиях.
Полимерасфальтобетон – это дисперсная система, где частицами дисперсной фазы являются частицы минеральных материалов, адсобрировавшие на своей поверхности и поглотившие в свои поры часть компонетов вяжущего, а дисперсионной средой является дисперсионная среда вяжущего.
В России особые климатические условия, поэтому предпочтительней применять в качестве вяжущего материал, имеющий повышенную трещиностойкость, теплостойкость, адгезию и эластичность.
Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси ПБВ на основе полимера типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта. В настоящее время за рубежом композиции битума с разным содержанием полимера типа СБС находят широкое применение для устройства дорожных одежд на искусственных сооружениях (мостах, дорожных развязках и пр.) и, как показывает опыт, обеспечивают длительные сроки работы покрытий. При работе с битумами, модифицированными полимерами, нельзя не учитывать особенности их структуры и свойств. Игнорирование этих знаний приведет к получению некачественных полимерно-битумных материалов, а следовательно, и к неоправданным затратам вследствие применения дорогостоящих полимеров в такой материалоемкой отрасли, как дорожное строительство.
В последние годы в верхних слоях покрытия применяют битум с добавлением ПАВ – КАП (катионно-адгезионная присадка).Битумы нефтяные дорожные и полимерно-битумные вяжущие, как правило, не имеют удовлетворительного сцепления с минеральными материалами кислых пород (гранитом). При плохом сцеплении вяжущего с минеральной частью смеси снижается водоустойчивость асфальтобетона, происходит выкрашивание, образуются выбоины на дорожном покрытии и в дальнейшем происходит его разрушение. Применение КАП обеспечивает прочное сцепление с поверхностью кислых каменных материалов-гранитов.
Ведущий инженер ЛИКСДОиГ Пагнуева Е.П.
Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Применение ПБВ в дорожном строительстве
Более, чем 70 % грузов в РФ перевозятся автомобильным транспортом. Из-за некачественных дорог РФ теряет порядка 3 % от внутреннего валового продукта. По данным ГИБДД, около 80 % ДТП связаны с недоброкачественным дорожным покрытием. Наши дороги служат в 5 раз меньше, чем европейские, при этом каждый километр обходится в 3 раза дороже. Огромные средства идут как на строительство новых дорог, так и на содержание и ремонт существующих, причём затраты на ремонт растут необоснованно быстро из-за выхода из строя дорог, раньше проектных и гарантийных сроков. Решить транспортную проблему может только кардинальное совершенствование дорожного покрытия, применение инновационных материалов и технологий.
Дорожное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к изменениям температур суточных и сезонных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эти задачи, является применение модифицированных битумов. Стоимость модифицированных битумов выше обычного битума в среднем на 60-65 %, но дороги не строят из одного битума, доля битума в асфальтобетоне всего 6%, расчёты показывают, что удорожание строительства 1км дороги составляет около одного процента. Учитывая увеличение срока службы дороги в 2-3 раза, применение модифицированных битумов, безусловно, экономически обосновано.
Битумы, не модифицированные должным образом, показывают на практике ряд недостатков: высокая термическая чувствительность (размягчение при высоких температурах и хрупкость при низких), плохие механические характеристики и низкая упругость, склонность к старению. Ввиду этих недостатков, а также многих практических и экономических факторов, в течение последних 30 лет был проведен ряд исследований. Они продемонстрировали, что полимерные материалы являются лучшими модификаторами для улучшения технологических качеств битума. Полученный модифицированный битум, образованный объединением обычного битума и полимера, обеспечивает более высокий уровень качества: улучшение рабочих характеристик при высоких и низких температурах, улучшение эластопластических характеристик, повышенное сопротивление усталости материала, улучшение когезии и адгезии с наполнителями, повышенное сопротивление старению.
Перечисленные преимущества сильно связаны с видом использованной битумной основы и полимера, а также с типом применяемого при модификации технологического процесса. Битум обычно характеризуют как коллоидную субстанцию с мицеллами асфальтенов, окруженными смолами и рассеянными в масляных фазах высокой вязкости (мальтенах), которые представляют собой смесь ароматических и насыщенных углеводородов. Наличием асфальтенов обусловлены специфические свойства битумов, а именно вязкость (пластичность) и упругость, устойчивость к определенным типам деформаций, сцепляющие и связующие свойства. Упругость и пластичность также обусловлены наличием смол и мальтенов.
Битум может быть также определен как вязкоэластичный материал, причем его свойства меняются в зависимости от частоты приложенных нагрузок: он проявляет упругие свойства при нагрузках высокой частоты и пластичные при нагрузках низкой частоты. Реологическое поведение битума зависит от его химической структуры, баланс которой сильно зависит от температуры. Это означает, что реологическое поведение битума является функцией температуры. Битумные смеси должны сохранять свои сцепляющие и связующие свойства в любых природных условиях в течение целого года. Термическая чувствительность не позволяет обычным битумным смесям хорошо вести себя и при высоких, и при низких температурах, поэтому они нуждаются в модификации.
Исходя из реологического поведения, полимеры могут быть разделены на пластомеры и эластомеры. Их поведение при рабочей температуре, в частности жесткость, подверженность деформации и ударная вязкость, существенно различаются. Основной целью добавления полимеров в битум для асфальтобетонных смесей является повышение сопротивления деформации путем увеличения жесткости битума и смеси, а также их эластичности.
Модифицирование битума полимерами, обладающими эластическими и пластическими свойствами ведет, к получению в итоге полимерно-битумных вяжущих (ПБВ). Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) на основе термоэластопластов является качественно новым материалом, позволяющим повысить срок службы дорожного покрытия. По сравнению с нефтяными дорожными битумами полимерно-битумные вяжущие обладают новым комплексом свойств, существенно отличающихся от свойств исходных битумов: эластичностью, трещиностойкостью, широким интервалом пластичности (ИП), повышением прочности при растяжении. Технические требования к ПБВ регламентируются ГОСТ Р 52056-2003 и отраслевым стандартом ОСТ 218.010-98. В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С ПБВ подразделяют на следующие марки: ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ 130, ПБВ 90, ПБВ 60 и ПБВ 40. По физико-механическим показателям ПБВ должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в ГОСТе. Чтобы материал соответствовал стандарту, необходимо изготовить полимер высокого качества и создать эффективные установки по производству ПБВ.
Технология производства модифицированных битумов хорошо изучена и освоена. Производство полимерно-модифицированного битума может быть организовано как на асфальтобетонном заводе с терминалом, так и на обособленном производстве. В производстве модифицированных битумов используются две основные системы: непрерывное производство смеси и производство партиями. Независимо от используемого способа производства, главной частью завода является мельница. Лучшие показатели распределения (гомогенизации) достигаются при использовании мельницы с мощными измельчающими и перемешивающими устройствами. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера. Использование оборудования такого типа позволяет получать ПБВ с регламентированными техническими требованиями при температуре не выше 160 °С, содержании модификатора не более 3,5% мас. и маленькой продолжительности процесса. В случае приготовления ПБВ на оборудовании без высокоскоростных измельчителей (коллоидных мельниц) необходимо закладывать большую концентрацию полимера, более высокую температуру процесса (это может привести к старению битума и окислительной деструкции ПБВ, уровень свойств ПБВ при этом существенно снизится), кроме того, продолжительность процесса приготовления увеличивается более чем в 2 раза. Высокие рабочие характеристики достигаются только при условии точного контроля дозировки полимера и его распределения в битумной массе. При производстве полимерно-битумного вяжущего вся мощность коллоидной мельницы должны быть направлена на измельчение полимерных частиц до молекулярного уровня и равномерное распределение их в исходном битуме, для дальнейшего образования и структурирования полимерной сетки.
На рынке имеется несколько видов мельниц, причем большая их часть спроектирована для других отраслей промышленности (пищевой, химической, деревообрабатывающей), но используется для производства полимерно-модифицированных битумов.
Компания ЗАО «КОРРУС-ТЕХ, Инк» поставляет на рынок России высокотехнологичное оборудование Massenza (Италия) для производства модифицированных битумов наивысшего качества. Massenza разработала собственную модель мельницы, специально предназначенную для производства модифицированного битума и являющуюся лучшей в этой отрасли.
Кроме того, Massenza разработала специальную систему с внешним шестеренчатым насосом переменной скорости, питающим мельницу. Этот насос имеет 2 основных назначения:
Такая система позволяет самой мельнице не тратить энергию на накачивание, направляя всю ее на измельчение, а также постоянно обеспечивает максимальный выход продукта путем регуляции потока сырья. Именно поэтому концепция мельницы MASSENZA является выигрышной для производства модифицированных полимерами битумов.
Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ)
В условиях увеличения интенсивности движения и роста нагрузок на дорожное покрытие, а также специфических условий эксплуатации объектов дорожного строительства в различных климатических условиях, возрастают и требования к материалам для строительства и ремонта дорожного полотна. Битумы нефтяные дорожные (БНД) в чистом виде не могут в полной мере соответствовать этим требованиям. Битум термопластичный материал, и при повышенных температурах он размягчается. При низких температурах битумы становятся твердыми и хрупкими, что приводит к образованию трещин на дорогах. Кроме того, битумы обладают недостаточно высокой адгезией к песку и щебню. Значительно повысить долговечность и качество дорожных покрытий позволяет применение полимерно-битумных вяжущих (ПБВ).
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) — битумы, модифицированные добавлением полимеров. Также в состав ПБВ могут входить пластификаторы и адгезионные добавки.
ПБВ имеет ряд преимуществ перед применением БНД:
Вследствие повышения качества, срок службы дорожного покрытия повышается в 2 – 3 раза, с 6 лет при использовании БНД до 12 – 18 лет при использовании ПБВ. Это позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию и ремонт дорог.
При производстве ПБВ в качестве полимера могут использоваться термопласты, каучуки и термоэластопласты.
Термопласты отличаются способностью к многократному размягчению при повышении температуры и отвердеванию при ее снижении. Среди термопластов в процессах модификации битума участвуют полиэтилены, полипропилены, атактические полипропилены, поливинилхлориды, полистиролы, этиленвинилацетаты и вископласты.
Каучуки, или эластомеры имеют спиральное строение макромолекул, что дает возможность удлинения до 10 раз при прикладывании растягивающей нагрузки и возвращение в исходное состояние при ее снятии. Из этого класса модификаторов для улучшения свойств битума используются бутадиен-стирольные, полихлоропропеновые и этиленпропиленовые полимеры, а также бутилкаучук.
Термоэластопласты – полимеры, обладающие в условиях эксплуатации эластичными свойствами, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние. Выделяют три типа термоэластопластов – полимеры стирол-бутадиен-стирол (СБС), полимеры стирол-изопрен-стирол (СИС) и полимеры стирол-этилен/бутилен-стирол (СЕ/БС).
Для модификации дорожных битумов чаще всего используют СБС. Это обусловлено их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – причем при небольшой концентрации (3 – 5% от массы битума). Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифицированного полимером типа СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта.
Способы производства ПБВ
В настоящее время наиболее эффективным методом производства ПБВ можно считать процесс с использованием такого устройства, как коллоидная мельница. Это устройство позволяет измельчать полимер в процессе приготовления ПБВ. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера.
Существует два способа приготовления ПБВ.
По первому основному способу все компоненты ПБВ, согласно рецептуре, перемешиваются в одной емкости.
Сперва в емкость подают битум, предварительно обезвоженный и подогретый до 110 – 120 °С. Затем туда же подают необходимое количество пластификатора, нагретого до 90 – 100 °С, и перемешивают до однородного состояния, после чего, при постоянном перемешивании, порционно вводят полимер и постепенно нагревают смесь до 155 – 160 °С. Далее смесь поступает в коллоидную мельницу. В мельнице полимер дробится на мелкие частицы и эффективно вмешивается в битум. Из мельницы смесь попадает в емкости созревания, где в течение нескольких часов происходит окончательное набухание полимера. После этого полимерно-битумное вяжущее готово к использованию.
По второму способу предварительно готовят раствор полимера в пластификаторе той концентрации, которая была установлена при подборе состава ПБВ, а затем раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса – ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния. Если вязкость раствора полимера высока и возникают трудности при перемешивании и перекачке в расходные емкости, то в него добавляют битум в количестве, равном содержанию раствора в емкости. Получается битумосодержащий раствор полимера, который затем вводят в битум и перемешивают до однородного состояния.
Для ускорения процесса измельчения и набухания полимера, уменьшения температуры протекания процесса и соответственно для минимизации затрат, целесообразно применять комплексные полимерные добавки, в состав которых, кроме полимера, входят специальные поверхностно-активные вещества. В этом случае снижается или вовсе исключается необходимость введения пластификатора, что также снижает себестоимость производимого ПБВ.
Пластификаторы для ПБВ
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 не рекомендуется, так как в России применяются окисленные битумы, которые подвержены интенсивному старению при температурах выше 160 °С. Для получения ПБВ требуемого качества без лишних затрат полимера и энергии важно правильно подобрать пластификатор.
Рынок производства пластификаторов для ПБВ расширяется из года в год. И если раньше в качестве пластификаторов использовали индустриальные масла, экстракты селективной̆ очистки, машинные масла и т.д., то в настоящее время подобные пластификаторы не рекомендованы к использованию, и на смену им выпускается множество эффективных пластификаторов на основе экологически безопасного сырья. К таким относится Унипласт, производимый ООО «Селена». Использование пластификатора Унипласт позволяет обеспечить требуемый температурный режим (не выше 160°С) и существенно повысить эффективность вводимого полимера, т. е. получить ПБВ с развитой пространственной структурной полимерной сеткой при минимальном содержании полимера 2 – 2,5 %, а также, в некоторых случаях, исключить из необходимого комплекта оборудования коллоидную мельницу.
Адгезионные добавки для ПБВ
ПБВ должны характеризоваться необходимой адгезией к поверхности минеральных материалов, используемых в данной полимерасфальтобетонной смеси, чтобы как минимум обеспечить требуемый коэффициент длительной водостойкости материала и его длительную эксплуатацию в покрытии или в другой конструкции без шелушения и выкрашивания. Однако введение только полимера типа СБС в битум в большинстве случаев не позволяет получить требуемую адгезию ПБВ. Необходимо введение эффективных адгезионных добавок.
ООО «Селена» предлагает ряд высокоэффективных дорожных адгезионных добавок ДАД, отличающихся по своему химическому составу и структуре. При этом выбор конкретной марки ДАД зависит от производственных условий приготовления ПБВ, химической природы применяемого вяжущего и используемых каменных материалов.
Варьируя соотношением компонентов, можно получить ПБВ высокого качества с любыми требуемыми характеристиками.