Композиционные дорожные вяжущие материалы

Органические вяжущие материалы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие вещества, состоящие из высокомолекулярных соединений на основе углерода. Такие вяжущие вещества встречаются в природе в чистом виде (природные) или получаются путем переработки продуктов органического происхождения (искусственные вяжущие).

Сырьем для производства органических вяжущих материалов являются нефть, природные битумосодержащие или битуминозные породы, каменные угли, горючие сланцы, древесина, торф, побочные продукты промышленности. Физико-химическая переработка такого сырья (фракционная разгонка, сухая деструктивная перегонка) дает, кроме других продуктов, смолообразные остатки. В результате дополнительной переработки таких смолообразных остатков получают органические вяжущие вещества.

Основные требования, которым должны соответствовать органические вяжущие, чтобы они в период объединения с твердым материалом обладали вязкостью, позволяющей хорошо его смачивать, обволакивать, образуя водоустойчивую пленку, чтобы они не изменяли свои свойства во времени.

Органические вяжущие применяют для устройства дорожных покрытий автомобильных дорог, автомагистралей, скоростных дорог, городских улиц и дорог, аллей и дорожек садов и парков, тротуаров, площадок для стоянки транспорта, площадок для контейнерных терминалов в портах или на железнодорожных станциях, проезжих частей и тротуаров мостов и эстакад, сложных развязок и пересечений автодорог в разных уровнях, полов промышленных зданий.

По химическому составу, свойствам и виду сырья органические вяжущие для дорожного строительства разделяют на битумы и дегти. В последнее время получают применение комплексные органические вяжущие: битумодегтевые, дегтебитумные, гудрокамовые (это продукты совместного окисления каменноугольных вяжущих и нефтяного гудрона), битумо- и дегтеполимерные, битуморезиновые, сернобитумные, а также органические вяжущие вещества из побочных продуктов промышленности.

Битумы - это органические вяжущие материалы, состоящие из высокомолекулярных углеводородов нафтенового, метанового и ароматических рядов и их кислородных, азотистых и сернистых производных соединений.

Дегти - органические вяжущие вещества, состоящие из высокомолекулярных ароматических углеводородов и их кислотных, азотистых и сернистых производных.

Битумы по виду сырья разделяют на нефтяные, получаемые из нефти и ее смолистых остатков, природные, встречающиеся в чистом виде, извлекаемые из асфальтовых горных пород (песчаников, песков, известняков), сланцевые, являющиеся продуктом переработки сланцевой смолы и получаемые при сухой перегонке горючих сланцев.

Дегти получают путем сухой перегонки каменного и бурого угля, торфа и древесины. Такие дегти соответственно называют каменно- или буроугольными, торфяными и древесными.

Органические вяжущие условно разделяют на твердые, вязкие и жидкие в зависимости от строительных свойств и консистенции при нормальной температуре. Твердые органические вяжущие при температуре 20-25°С обладают вязко-упругими свойствами. Такие вяжущие приобретают подвижность и текучесть при температуре 180-200°С.

Вязкие битумы и дегти при температуре 20-25°С находятся в вязкопластичном состоянии с незначительной упругостью. Переход их в текучее состояние происходит при нагреве таких вяжущих до температуры 120-180°С.

Жидкие дегти и битумы при 20-25°С находятся в жидком малоподвижном состоянии. В интервале температур 20-120°С они становятся текучими. По мере окисления, полимеризации и испарения легких фракций жидкие битумы приобретают свойства вязких, а затем твердых битумов. Кроме нагрева, вязкие и жидкие органические вяжущие переводят в текучее состояние путем эмульгирования.

Дорожная эмульсия - это дисперсная система, состоящая из органического вяжущего материала, дисперсированного в водной среде с эмульгатором, придающим эмульсии устойчивость. При распределении эмульсии тонким слоем по поверхности каменных материалов происходит ее распад с выделением вяжущего материала.

Вязкие и жидкие органические вяжущие вещества в расплавленном состоянии или в виде эмульсии применяют для приготовления асфальто- и дегтебетонных смесей, черного щебня, черного гравия, укрепления грунтов, при проведении разнообразных дорожных работ.

Старение органических вяжущих материалов и способы повышения их стабильности

Органические вяжущие в процессе их работы в дорожных покрытиях подвергаются воздействию всего комплекса атмосферных осадков и с течением времени изменяют свои свойства.

По условиям механического износа асфальтобетонные дорожные покрытия толщиной 4 см должны служить 30-40 лет, но очень часто их разрушение происходит значительно раньше (через 7-10 лет) за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств.

Основная причина старения органических вяжущих заключается в испарении масел, которое зависит от температуря их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров, насыщающих пространство. Испаряются вещества с молекулярной массой ниже 400.

Вторым существенным фактором старения органических вяжущих является химическое изменение их компонентов и образование новых веществ. Эти изменения в основном связаны с процессом окисления. Процесс окисления может ускоряться под действием ряда факторов: солнечного света, теплового или механического воздействий, солей металлов переменной валентности: железа, меди, марганца и др.

Неразрывно с изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышаются вязкость, теплоустойчивость, упругость, понижается пластичность, через определенное время битумы становятся хрупкими.

Проведенные исследования на Западе и в СНГ по повышению устойчивости высокомолекулярных (полимерных) материалов к окислению (старению) показали, что для их замедления можно вводить специальные добавки - ингибиторы (противостарители). По механизму воздействия они разделяются на две группы. К первой группе относятся вещества, обрывающие окислительную цепь реакций, ингибиторы, реагирующие со свободными радикалами на стадии их образования. Такими веществами являются антоксиданты аминного и фенольного типа.

Ко второй группе относятся вещества, предотвращающие разложение гидропероксидов по радикальному механизму, то есть разрушающие гидропероксиды до неактивных для развития окислительной цепи продуктов. К ним относятся сульфиды, тиофосфаты, соли диалколдитиокарбоминовых кислот.

Замедляющее действие на старение вяжущих веществ оказывают соли олеиновой, нафтеновой, стеариновой и других жирных кислот в количестве 0,5%. Положительное влияние оказывают антиокислители фентиазина, дефиниламина, гидрохинона. Содержание серы 0,07%, танина 0,2, нафтола 0,1, сульфаниламида 0,01, полиэфирной насыщенной смолы 3-5,5, винилпиридина до 1,5, кумароновой смолы до 10% оказывает замедляющее действие на старение битума.

Для повышения структурной стабильности битума, особенно в химически активных средах (кислых и щелочных), рекомендуется применять регенераты бутилкаучуковых отходов шинной промышленности в количестве 6-10%. Такая добавка является комплексной, ибо она, помимо замедления старения, оказывает пластифицирующее действие, расширяет интервал пластичности как в области положительных, так и в области отрицательных температур.

Добавки, улучшающие свойства органических вяжущих материалов

Из-за недостаточного количества нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, и с целью улучшения свойств битумов в последнее время в развитых странах Запада и Восточной Европы разрабатываются и внедряются различные добавки в битум.

Добавки, вводимые в относительно большом количестве, существенно влияющие на структуру и свойства получаемых вяжущих, называют композиционными, или комплексными. Широко распространенными комплексными вяжущими являются битумодегтевые, битумополимерные, дегтебитумополимерные.

С целью улучшения свойств органических вяжущих (битумов и дегтей): повышения их прилипания к каменным материалам (адгезии), пластичности при низких температурах, погодо- и теплоустойчивости, снижения вязкости в их состав вводят необходимые добавки в количестве до 20%.

Добавки могут классифицироваться по признакам (способу введения в битум, растворимости и прочее).

Разжигающие добавки вводят для понижения вязкости. Разжижители ароматического ряда будут при прочих равных условиях давать более стабильные растворы, ибо в большинстве битумов и дегтей преобладают циклические и ароматические комплексы.

Для приготовления жидких битумов и дегтей применяют керосин, нефть, лигроин, мазут, жидкие крекинг-остатки, антраценовое масло.

Применение разжижителей, содержащих ароматические углеводороды, приводит к пластификации битума.

Пластифицирующие добавки

Такие добавки вводят в битум для уменьшения его хрупкости, снижения температуры стеклования и придания ему большей пластичности.

При использовании высоковязких продуктов деасфальтизации, кумароновых смол возникает необходимость понизить их хрупкость, это может достигаться введением специальных пластифицирующих добавок. Указанные пластификаторы (гудрон, антраценовое масло, зеленое масло, мазут, деготь) являются также растворителями (разжижителями), и их содержание колеблется от 2 до 40%.

Добавки, улучшающие прилипание битума к минеральным материалам

Такие добавки вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь. Введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, способствует повышению его адгезии к каменным материалам. Такими добавками являются поверхностно-активные вещества.

Поверхностно-активные добавки по физико-химическому взаимодействию разделяются на ионогенные и неионогенные. Ионогенные материалы также подразделяются на анионактивные и катионактивные. В анионактивных веществах углеводородная часть молекул входит в состав аниона, а в катионактивных - в состав катиона. К анионактивным добавкам относятся высокомолекулярные органические кислоты, мылонафт (соли нафтеновых кислот), производные карбоновых кислот (мыла, фенолы).

К катионактивным веществам относятся амины, соли аминов и четырехзамещенные аммониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3-10%, катионактивных - 0,5-3% от массы вяжущего. Применение ПАВ (поверхностно-активных веществ) ускоряет обволакивание и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами.

Дисперсные (структурирующие) добавки

Они служат для улучшения механических свойств, повышения температурной устойчивости. К таким добавкам относятся наполнители (заполнители), которые по форме частиц разделяются на порошкообразные и волокнистые. К волокнистым наполнителям относятся волокна асбеста, минеральной ваты, полимерных смол, отходы текстильного производства. Волокнистые наполнители, распределяясь в объеме вяжущего, армируют его и при небольшом их содержании (5-10%) значительно повышают прочность. Порошкообразные наполнители из горных пород (доломиты, известняки) применяются более широко.

Другие специальные добавки

Их вводят для повышения огнестойкости: 1-5% фосфатов (ортофосфорной кислоты), квасцов, сульфита аммония, производных брома.

Для устойчивости к действию масел и топлива в битум добавляют серу. Проведенные во Франции исследования показали, что введение определенного количества серы в битум позволяет получить вяжущее со специфическими свойствами: в горячем состоянии низкая вязкость серы делает вяжущее более жидким, чем битум; в холодном состоянии осаждение растворенной серы способствует образованию пластичной смеси, затем кристаллизация серы обеспечивает еще большую жесткость смеси.

Вяжущее с добавкой серы (оптимальное ее содержание около 30%) используют преимущественно для приготовления асфальтобетонной смеси.

Для приготовления цветных асфальтобетонов применяют бесцветные кумароновые полиэфирные смолы, канифоль, поливинилацетатную эмульсию. Для пластификации указанных смол применяют различные масла: тунговое, талловое, антраценовое, олифу.

Композиционные, или комплексные, органические дорожные вяжущие

Такие вяжущие получают с использованием побочных продуктов промышленности. В последнее время в странах Запада и Восточной Европы предложено много различных добавок (пластифицирующих, модифицирующих) к органическим вяжущим, которые вводятся в довольно большом количестве (10-20%), что позволяет рационально использовать отходы и увеличить выход вяжущего.

В последнее десятилетие увеличился спрос на использование побочных (техногенных) продуктов различных отраслей. В нефтяной и коксохимической отраслях: щелочных отходов (мылонафта), образующихся при переработке нефти смолы пиролиза нефтяных остатков, инденкумароновых смол, кубовых остатков производства синтетических жирных кислот и смолы бензольного отделения, смол, образующихся при переработке каменного и сланцевого сырья (антраценовая смола, пек, фусы), остатков от регенерации отработанных масел. В химическом, полимерном производствах используются отходы, образующиеся при производстве полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида, фенолформальдегидных смол, каучука; изношенная резина. В лесохимической и целлюлозно-бумажной промышленности - лигнин, технический лигносульфонат, талловый пек.

Дегтебитумные, битумодегтевые органические вяжущие

Битумы обладают большим интервалом пластичности, более стабильны, менее токсичны, дегти имеют лучшее сцепление с каменными материалами. Поэтому при взаимном смешении этих вяжущих и их компонентов (масел, смол, пека) можно улучшить свойства полученного комплексного вяжущего. Такие вяжущие получили распространение в странах Европы и США.

Для повышения вязкости битума в Англии и ФРГ используют добавку к битуму или гудрону каменноугольного пека с температурой размягчения 50-80°С в количестве 20-30%. Применение пекобитумного вяжущего показало высокую стойкость покрытия к износу и меньшую его скользкость.

Вяжущее: битум плюс каменноугольная смола плюс полимер

В качестве полимера для приготовления таких вяжущих во Франции используется этиленвинилацетат.

Приготовление вяжущих осуществляется путем перемешивания в горячем состоянии полимера с составом, содержащим битум и каменноугольную смолу, преимущественно в стационарных установках.

Результатом модификации битума и каменноугольной смолы этиленвинилацетатом является увеличение вязкости; уменьшение термической чувствительности; повышение когезии.

Эти вяжущие используют исключительно для устройства поверхностной обработки на дорогах с высокой интенсивностью движения.

Для распределения такого вяжущего по поверхности покрытия дороги применяется такое же оборудование, как и для распределения флюсированного битума.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР