Новая жизнь «выжатых» битумов

Вяжущие материалы БИТРЭК на основе химически обработанных

окисленных битумов и мелкодисперсной резиновой крошки

   В последнее время, наряду с резко возросшими транспортными нагрузками, усилилось техногенное воздействие на автодороги. Происходит это в результате выпадения кислотных осадков, агрессивного действия солевых и кислотных антигололедных систем, влияния загрязненной атмосферы и т.п. Стали заметны климатические и природные изменения. Участились перепады температур в районе нуля градусов. В совокупности воздействие этих факторов приводит к усиленному разрушению покрытий автодорог.

Асфальтобетон для дорожных покрытий производится на основе нефтяных битумов в качестве вяжущего. Они же, как известно, являются причиной нестойкости правильно сконструированных и выполненных дорожных асфальтобетонных покрытий в условиях России. Большая часть выпускаемых дорожных битумов по своим свойствам не выдерживает изменившихся условий эксплуатации дорог. Причиной служит отсутствие для их выпуска подходящего и однородного сырья, значительного износа оборудования, падения производственной дисциплины, а также пока неизменного  остаточного принципа их производства при общей технологической отсталости. С другой стороны, нефтяные битумы по самой своей природе не могут обеспечить высокую стойкость асфальтобетонных покрытий дорог и требуют принципиального улучшения свойств.

Для того чтобы дороги как можно дольше оставались в нормальном состоянии, дорожникам было предложено усилить контроль за качеством асфальта. Но при этом не снимается основная проблема: невозможность достижения в современных российских условиях полномасштабного соответствия привычных стандартных материалов покрытий автодорог возросшим требованиям их эксплуатации.

Решение проблемы заключается в разработке и применении принципиально более подходящих и качественных материалов, создании условий для этого. Разумеется, такие материалы могут иметь более высокую стоимость, но реальное серьезное удлинение сроков безремонтной эксплуатации дорог и других объектов, их высокое качество, в конечном итоге, приводит к существенной экономии и общему снижению удельных затрат.

Проведенная нами, совместно со специалистами ГП РосдорНИИ, аналитическая работа позволила сформулировать основные научно-технические и экономические требования к технологии модифицирования нефтяных битумов, продуктами которой являются вяжущие и герметизирующие материалы для дорожного, мостового и аэродромного строительства с их характерными свойствами.

Во-первых, технология должна быть проще, эффективнее и экономичнее по сравнению с существующими (решающий фактор в нынешних условиях). Во-вторых, она должна заметно улучшать свойства отечественных окисленных битумов и, зачастую, некондиционных битумов, имеющихся в настоящее время в распоряжении строителей и дорожников. В-третьих, помимо улучшения физико-механических свойств вяжущего материала или мастики, она должна существенно улучшать их адгезионные свойства и устойчивость к старению.

В результате последующей работы специалистов НПФ «ИНФОТЕХ», ГП РосдорНИИ и Российской АН была разработана универсальная энергосберегающая технология химического модифицирования нефтяных битумов мелкодисперсной резиновой крошкой и композиционные материалы БИТРЭК на ее основе. Причем основное внимание было уделено улучшению свойств отечественных низкокачественных окисленных битумов.

1. Актуальность темы и выбор критериев оценки материалов.

Поводом разработки новой технологии послужила накопленная в ГП РосдорНИИ информация, свидетельствующая о том, что многочисленные попытки улучшения отечественных окисленных, так называемых «выжатых» битумов путем модификации по зарубежным технологиям не дают в наших производственных условиях устойчивых результатов, как по качеству, так и по экономической эффективности.

Так в работе ЛИЦ Мосавтодора 1997 года, посвященной исследованию битумов, используемых подрядными дорожными организациями Московской области, в результате тестирования большого количества отечественных и импортных битумов, а также битумов, модифицированных различными способами, в том числе и по разработанной нами технологии, был сделан вывод, что: «…Модификаторы типа ДСТ и резиновой крошки входят в группу модификаторов, дающих устойчивые значительные результаты.   …Однако результаты применения ДСТ в освоенном производстве говорят о его малой эффективности».

Главным образом это связано с нестабильным и низким качеством отечественных битумов, которые по своей структуре и химическому составу мало подходят для модификации путем растворения блоксополимеров типа СБС. Например, из того же отчета: «Испытанные более 20 проб битума производства Московского НПЗ показывают, что неоднородность свойств битума одной марки и одного производителя чрезвычайно высока». Качество битумов, получаемых на локальных окислительных установках еще ниже. Конечные продукты – асфальтобетонные смеси, вяжущие материалы, герметики и мастики, изготовленные на основе таких битумов, с трудом обеспечивают даже минимальные стандартные требования необходимые для длительного и надежного функционирования конструкций.

С другой стороны, в технических нормативах на модифицированные вяжущие подчеркиваются и эталонизируются свойства, легко получаемые применением термоэластопластов (присущее им по своей природе релаксационное удлинение на 700% и более). Однако в действительности эти свойства не используются, поскольку такие величины никогда не достигаются в реальных строительных конструкциях.

Для создания качественных и долговечных материалов важно установить необходимые и достаточные пределы величин технических характеристик исходя из условий их эксплуатации и, главное, получить эти значения на практике. Расчеты конкретных конструкций и объектов, теоретическое и практическое моделирование их поведения дают такую возможность.

Вяжущие и изолирующие материалы могут подвергаться воздействию сезонных температур в среднем от –30 до +60°С. В таких же условиях они эксплуатируются. Накопленный объем знаний по физикомеханике композиционных материалов, материаловедению, исследования в области материалов для дорожного строительства, опыт отечественных и иностранных специалистов позволяют сделать заключение, что эксплуатационная долговечность и качество материалов, работающих в дорожных, мостовых, аэродромных, шовных и гидроизолирующих конструкциях зависит главным образом от таких обобщенных свойств как:

-          сопротивление нарушению сплошности материала и образованию трещин в местах контакта с инородной поверхностью под действием реальных нагрузок в эксплуатационном диапазоне температур;

-          способность сопротивляться действию циклических эксплуатационных нагрузок;

-          устойчивость к агрессивному воздействию факторов окружающей среды при эксплуатации.

            Очевидно, что при использовании в этих материалах качественных компонентов, их свойства напрямую зависят от совокупности следующих характеристик используемых вяжущих материалов:

-          зависимости их деформативности от температуры или, другими словами,  температурной зависимости реологических свойств;

-          упругости вяжущего, достаточная величина которой должна быть обоснована расчетами и испытаниями конкретных конструкций, а не принята, исходя из свойств полимерных модификаторов и их смесей с битумом;

-          адгезии вяжущего к материалам, составляющих конструкцию объекта;

-          химического состава и структуры вяжущего, его устойчивости к старению.

Объектами, в которых вяжущие и герметизирующие материалы работают в условиях наиболее высоких деформаций, являются швы и стыки бетонных плит дорог и аэродромов, мостов и уплотнения вдоль путей рельсового транспорта в городах.

Наиболее жестким воздействиям условий окружающей среды подвергаются герметизирующие материалы кровель, швов и трещин покрытий городских магистралей.

1. Даже упрощенный расчет возможных деформаций вяжущего в швах аэродромных плит со всеми осложняющими допущениями показывает, что величина его деформации растяжения за счет термических напряжений в температурном интервале от –30 до +60°С не превышает 100%. При правильно рассчитанной и построенной конструкции аэродромного покрытия величина деформации вяжущего в 1,5 – 2 раза ниже, а деформации при нагружении покрытия колесом шасси самолета существенно ниже этой величины. Полный цикл расчетов и испытаний реального поведения конструкций при эксплуатации для выяснения необходимых свойств вяжущих материалов, провели специалисты ЦНИИ №26 МО РФ «Опытное». На основании проведенной работы в 2000 г. было утверждено методическое пособие, включающее нормативы для герметизирующих материалов горячего и холодного применения, предназначенных для заполнения деформационных швов цементо- и асфальтобетонных покрытий аэродромов. В нормах установлена величина деформативности герметизирующего материала от не менее 80% при –20°С в северном регионе до 150% при 20°С в крайнем южном регионе. Можно положить, что эти величины определяют необходимые и в, большинстве случаев, достаточные физико-механические характеристики герметизирующего материала.

Теплостойкость мастик и изолирующих материалов не должна быть ниже максимальной эксплуатационной температуры (+65-70°С). С другой стороны, высокая температура размягчения затрудняет их применение и приводит к необоснованному расходу энергии.

В нормативной документации на дорожные битумы и другие однородные вяжущие температурная зависимость их реологических свойств отмечена температурой хрупкости и температурой размягчения. Понятно, чем ниже температура хрупкости и выше размягчения, то есть чем шире температурный интервал пластичности, тем вяжущее предпочтительнее.

Способность же вязкого битума вытягиваться в тонкие нити длиной 100 см и более свидетельствует только об однородности материала и совершенно не реализуется в условиях эксплуатации покрытий. При внимательном рассмотрении достижение таких показателей не дает какого-либо положительного эффекта в качестве покрытий дорог. Высокая величина растяжимости при 25°С, заложенная в ГОСТе для дорожного битума, приводит к низкой сдвигоустойчивости реальных покрытий при нормальных температурах. Отсюда становится понятным бесперспективность достижения высоких показателей растяжимости вяжущего при 25°С, заложенных в стандарт на битумы. По-видимому, отчасти и по этой причине показатель растяжимости при 25°С исключен из стандартов многих стран.

С другой стороны, реальная величина деформативности нефтяных битумов при отрицательных температурах явно недостаточна и требует существенного увеличения.

Минимально необходимая величина растяжимости вяжущего в процессе температурной деформации асфальтобетонных покрытий при пересчете относительного удлинения в единицы длины измерительного образца, принятые в стандарте на битум, составляет не менее 3 см при 0°С и 8 см при 25°С.

2. Обеспечить релаксацию возникающих в покрытиях и швах циклических деформаций возможно, придав вяжущим свойство упругости. Решить эту задачу помогает введение в битум эластомеров, типичным, давно известным и наиболее распространенным видом которых является резина. Большинство ее разновидностей отличаются низкой температурой стеклования, т. е. сохраняют свои высокоэластические свойства до очень низких температур. Величина упругости полимернобитумных вяжущих характеризуется в стандартах на эти материалы показателем эластичности. Этот показатель отражает степень обратной релаксации материала после разрыва при растяжении. Понятно, что степень эластичности зависит от химического состава вяжущего и его структуры. Известно, что для обеспечения высокой нагрузочной циклостойкости достаточно, чтобы величина этого параметра не менее чем в 3-4 раза превышала величины возможных эксплуатационных деформаций вяжущего в конкретных конструкциях. Важно подчеркнуть, что герметизирующие материалы должны сохранять высокую степень эластичности при низких температурах, когда релаксационные процессы заторможены. Поэтому нормирование показателя эластичности в стандартах на полимернобитумные материалы в промышленно развитых странах осуществляется при пониженных температурах. Например, финские нормы по стандарту PANK 1502 регламентирует необходимую эластичность каучукобитумного (СБС) материала при температуре 5°С на уровне 25 – 35%.