Новая жизнь «выжатых» битумов

Рис.2.

Для сравнения на рис.3. приведены спектры битума, модифицированного добавлением 3% дивинилстирольного термоэластопласта (ДСТ).   

  Рис.3. 

     Детальная расшифровка спектров довольно затруднительна ввиду сложности системы, но поглощение в области 2500–2700 см ^–1, отвечающее за внутримолекулярные связи, и в области 3500–3700 см ^–1, отвечающее за межмолекулярное взаимодействие, более чем на порядок выше в вяжущем БИТРЭК, по сравнению с исходным. Легко заметить, что в случае с ДСТ концентрация и тех и других связей уменьшается, что объясняет ухудшение адгезионных свойств и стабильности всей системы в целом, хотя колебания углеродного скелета в диапазоне 600–1200 см ^–1 показывают действительное 3%–е  присутствие ДСТ в битуме. Следует отметить также, низкое содержание в битумах ароматических составляющих, что еще раз доказывает крайне ограниченную способность окисленных битумов к модифицированию путем растворения полимеров.

Введение химических реагентов, участвующих в полимеризационном процессе, позволяет создать условия,  при которых возможно практически полностью локализовать подвижные неспаренные электроны проводимости в коллоидных частицах битума и добиться их стабилизации. Коагуляция и выпадение кристаллов асфальтеновой фракции и углеродистых графитоподобных образований при старении в данном случае сильно кинетически и стерически затруднены и, практически, не происходят. Как и гелеобразование, которое нередко случается при модифицировании битумов каучуками и эластомерами типа СБС, когда нарушается равновесие и стабильность коллоидного состояния из-за конкуренции полярных молекул асфальтенов и полимера по отношению к жидкой дисперсионной фазе.

Вязкость такой полидисперсной системы при повышенных температурах естественно возрастает, так как поперечные химические связи уменьшают взаимную подвижность частиц, что, кстати, происходит и в случае добавок в битум полимеров. Однако достаточная для практических целей текучесть расплавленного вяжущего сохраняется.

Помимо исправления свойств битумов, резина, по сравнению с каучуками и полимерами (СБС, ТЭП), намного более устойчива к окислительному воздействию кислорода воздуха. Она отличается высокой устойчивостью к воде и солевым растворам. Ее объединение с битумом по предложенной технологии способствует повышению долговечности вяжущих и мастик, устойчивости к старению под действием факторов окружающей среды, ультрафиолетового излучения, значительному снижению водопоглощения. Имеющиеся в составе резин вещества – антистарители, антиоксиданты, обеспечивают повышение устойчивости вяжущего материала к окислительной деградации в условиях эксплуатации, замедляют процессы старения при высокой эксплуатационной температуре и также в условиях нагрева до высоких технологических температур. Введение мелкодисперсных резиновых частиц и их химическая сшивка с компонентами битумов, высокие адгезивные свойства повышает водоустойчивость мастик, вяжущих и продуктов на их основе.

Таким образом, материалы БИТРЭК, произведенные из окисленных битумов по технологии химического модифицирования, неоднородны по фазовому и химическому составу и по своей структуре являются гетерогенными композиционными материалами, полезные свойства которых определяются свойствами составляющих в общей системе.

3. Композиционные вяжущие БИТРЭК и асфальтобетоны на их основе.

Проведенные совместно с ГП РосдорНИИ исследования предложенной технологии, экспериментальные и опытно-производственные работы на объектах дорожной отрасли показали, что вяжущие материалы БИТРЭК отличаются широким интервалом пластичности – до 85°С и более. Известно, что обычные дорожные битумы имеют интервал пластичности как правило, не выше 60-65°С, что недостаточно для устройства верхних слоев покрытий в климатических условиях большинства регионов России.

Комплекс высоких показателей качества вяжущих материалов обеспечивает повышенную трещиностойкость асфальтобетонных покрытий и их долговечность. Высокие адгезионные свойства этих битумов обеспечивают повышенную водостойкость асфальтобетонов и сокращение образования в процессе эксплуатации такого вида повреждений покрытия, как выкрашивания.

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики показателей свойств вяжущих БИТРЭК двух типов и обычных дорожных битумов по ГОСТ 22245-90, используемых в качестве исходных. Результаты стандартных испытаний показывают, что показатель растяжимости (деформативность) при 0°С заметно повышается по сравнению с исходным битумом. Такое поведение соответствует реологическим испытаниям и очень важно для повышения трещиностойкости дорожных покрытий.

Табл. 1. Сопоставление характеристик образцов битумных вяжущих.

      Примечания:   1. Данные получены в лаборатории вяжущих Центрдорконтроля при опытном изготовлении образцов композиционных вяжущих материалов БИТРЭК из предоставленных лабораторией дорожных битумов. 2. Жирным шрифтом выделены показатели не соответствующие нормативным требованиям. 3. Показатель эластичности принят в соответствии с ОСТ 218.010-98 на ПБВ. 4. Относительная адгезионная способность приведена в сравнении с остаточным битумом, компаундированным с природным Тринидадским до достижения близкой температуры размягчения.

Испытания долговременных адгезионных свойств вяжущих БИТРЭК показывают их значительное повышение по сравнению, как с исходными битумами, так и при введении в их состав специальных поверхностно-активных адгезионных добавок.

Проведенные в ЦНИИПромзданий (г. Москва) чрезвычайно жесткие испытания вяжущих БИТРЭК на старение при эксплуатации в качестве кровельных материалов, т.е. при воздействии прямого солнечного ультрафиолета, активного кислорода воздуха и высоких температур, показали реальный гарантийный срок службы не менее 13 – 15 лет. В покрытиях дорог вяжущее находится в более мягких условиях.

Лабораторией ГУДП «Дортехнологии» (г. Санкт-Петербург) были проведены испытания битумов (вяжущих БИТРЭК), модифицированных резиновой крошкой по разработанной технологии, на предмет их использования в асфальтобетонных смесях с целью увеличения срока службы дорожных покрытий.

Вяжущие БИТРЭК готовились путем обработки битума под маркой БНД 60/90 производства Московского НПЗ достаточно низкого качества (измеренные показатели растяжимости при 0°С и сцепления с песком не соответствовали стандартным). В качестве модификатора использовалась мелкодисперсная резиновая крошка из отходов РТИ и изношенных автомобильных шин в соотношении 1:1. Количество модификатора в битуме 8-10% по массе.

В качестве контрольного исходного использовался, лучший из имеющихся в распоряжении лаборатории, остаточный битум производства Ухтинского НПЗ, который по всем параметрам отвечал требованиям ГОСТ 22245-90, с пенетрацией при 25°С, 0,1 мм – 49, такой же, как и у вяжущего БИТРЭК. Этот битум по причине высокого качества и стоимости применяется в городе только для производства литого асфальта.

«С этими вяжущими было приготовлено и испытано несколько проб асфальтобетонных смесей, (разных марок и состава) физико-механические показатели которых определялись по ГОСТ 12801-98, а эксплуатационные характеристики – по ТУ 5718-001-03218295-2000 «Смеси асфальтобетонные мелкозернистые, песчаные, плотные и пористые для городских дорог». Для приготовления асфальтобетонных смесей использовались материалы основных (габбро-диорит) и кислых (гранит) пород.

…Проведенные испытания асфальтобетонных смесей на вяжущем БИТРЭК показали, что:

1. расход вяжущего в смеси не увеличился;

2. средняя плотность снизилась на 0,01 г/см3;

3. физико-механические показатели асфальтобетонной смеси соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97;

4. заметно снижаются показатели предела прочности при сжатии при 0°С – с 12,4 МПа на исходном битуме до 8,69-9,23 МПа на вяжущем БИТРЭК;

5. увеличился коэффициент водостойкости после длительного водопоглощения при 0°С – с 0,62 на исходном битуме до 0,85 на вяжущем БИТРЭК;

6. улучшились показатели прочности при 50°С с 1,9 МПа до 2,16МПа и показатели сдвиговой прочности – с 2,17МПа до 2,51МПа».

Любой квалифицированный специалист-дорожник отметит, что по важнейшим показателям, характеризующим эксплуатационные свойства покрытий (п.п.4,5,6) наблюдается заметное улучшение по сравнению с одним из самых лучших битумов России, особенно это касается трещиностойкости при низких температурах и водостойкости. Причем, вяжущее БИТРЭК изготовлено на основе одного из самых худших битумов России.

Кроме того, необходимо учитывать, что вяжущие БИТРЭК имеют достаточно высокую степень эластичности при низкой температуре, тогда как у обычных дорожных битумов она отсутствует. Этот показатель влияет на устойчивость композиционных материалов, каковым является асфальтобетон, к разрушению под действием циклической нагрузки. Асфальтобетоны на основе БИТРЭК обладают, по крайней мере, в 2-3 раза большей циклостойкостью по сравнению с обычными.

Табл. 2. Сопоставление характеристик асфальтобетона для верхнего слоя покрытия.