Модифицированные дорожные вяжущие, применяемые во Франции

Органический вяжущий материал является основным структурообразующим компонентом асфальтобетона, в большой степени предопределяющим его свойства. Благодаря органическому вяжущему материалу отдельные минеральные зерна образуют прочный монолит, способный противостоять механическим усилиям и действию атмосферных факторов.

Наибольшее распространение в дорожном строительстве находят нефтяные битумы. Их получение оказалось доступным и рентабельным по сравнению с природными битумами. В среднем стоимость нефтяных битумов в 5-6 раз ниже стоимости природных. Нефтяной битум - ценнейший дорожно-строительный материал, с применением которого строят дорожные покрытия усовершенствованного типа в промышленно развитых странах всего мира. В настоящее время получили распространение разнообразные конструкции дорожный покрытий с применением нефтяных битумов, в том числе и наиболее совершенные из них - асфальтобетонные. Стандартами предусматривается выпуск широкого ассортимента дорожных битумов для устройства различных дорожных покрытий в разнообразных климатических условиях.

Свойства битумов зависят от свойств нефти и способа их получения. Наилучшим сырьем для получения дорожных битумов являются высокосмолистые малопарафинистые нефти, содержащие большое количество асфальтосмолистых веществ (более 20%).

По способу получения различают два основных вида дорожных битумов: окисленные - получаемые в результате окисления остаточных продуктов переработки нефти, остаточные - получаемые как остаточный продукт при переработке нефти. Во многих странах Европы и США наряду с окисленными производится большое количество остаточных битумов. Свойства остаточных битумов в большей мере зависят от свойств нефти. Получение доброкачественных остаточных битумов, обладающих высокими дорожно-строительными свойствами, возможно только из наиболее пригодных для этой цели нефтей (высокосмолистых). Свойства остаточного битума зависят также и от глубины отбора из нефти различных продуктов. Более глубокий отбор нефтепродуктов (отделение из остаточного продукта тяжелых масел) приводит к получению более вязких битумов. При менее глубоком отборе, характеризующемся тем, что в остаточном продукте остается больше масел, получается менее вязкий битум.

В последнее время во многих странах мира находят применение дорожные компаундированные битумы, получаемые смешением нефтепродуктов различной вязкости (например, переокисленные гудроны с экстрактом селективной очистки масел). Получение компаундированных битумов с требуемыми свойствами обеспечивается за счет рационального соотношения компонентов.

Одним из способов улучшения органических вяжущих (битумов или дегтей) является введение в них полимеров, что позволяет изменить одно или несколько таких свойств, как чувствительность к изменению температуры, когезию, упругость и предел усталости.

Сложные процессы изменения свойств вяжущих, которые могут происходить одновременно, схематично можно представить следующим образом: после первого этапа, на котором вводят полимеры в вяжущее, происходит модификация вяжущего в результате частичного или полного растворения полимера; набухания полимера, впитывающего вяжущее; химической реакции полимера с вяжущим под действием катализатора (явление привитой полимеризации); химической реакции между добавками, образующими трехмерную структуру, содержащую вяжущее (в случае образования поперечных связей эпоксидных смол).

При этом учитываются следующие основные параметры: природа добавок, от которой зависят их характеристики и совместимость с изменяемым вяжущим; вязкость; типы используемого оборудования для приготовления вяжущих, температура, продолжительность перемешивания, потребляемая энергия.

Условия приготовления модифицированных вяжущих оказывают непосредственное влияние на их свойства.

Модифицированное вяжущее: битум плюс этиленвинилацетат.

Этиленвинилацетат - это термопластичное вещество, получаемое в результате сополимеризации этилена и мономера винилацетата. Группы ацетокси распределяются в этиленовой группе произвольно. Содержание винилацетата в сополимерах этиленвинилацетата может колебаться от 0 до 50%. Содержание винилацетата определяет механические свойства сополимера. Сополимеры с низким содержанием ацетата обладают свойствами, близкими к свойствам полиэтилена низкой плотности. К тому же свойства сополимеров этиленвинилацетата зависят от образования боковых цепочек и молекулярной массы.

Вяжущее битум плюс этиленвинилацетат получают диспергированием сополимера в битуме при регулировании температуры. Для получения тонкого и равномерного диспергирования сополимера необходимо тщательное перемешивание компонентов. Качество диспергирования влияет на устойчивость вяжущего при его хранении и его свойства.

Характеристики модифицированных вяжущих зависят от дозировки сополимера, содержания винилацетата, показателя текучести, а также от класса битума и используемых добавок.

Модификация битума сополимерами этиленвинилацетата проявляется в увеличении когезии в более широком диапазоне температур; повышении вязкости и модуля при повышенной температуре, что способствует увеличению устойчивости к деформациям; большей упругости при низкой температуре; меньшей термической чувствительности; увеличении растяжимости.

В течение многих лет вяжущие битум плюс этиленвинилацетат используют в дорожном строительстве во Франции: в качестве безводных вяжущих или эмульсий для устройства поверхностной обработки с улучшенными характеристиками; для устройства поверхностной обработки большой толщины и мембранных слоев, устраиваемых горячим способом с целью замедления процесса проявления трещин на покрытии дороги; при приготовлении асфальтобетонных смесей, используемых для устройства слов износа на дорогах с любой интенсивностью движения транспорта; тонких слоев асфальтобетонных покрытий дорог, дренирующих покрытий, покрытий усиления, а также асфальтобетонных смесей, укладываемых холодным способом; для приготовления асфальтобетонных смесей и укладки слоев покрытий на деформируемых основаниях, например мостах с ортотропной плитой; для устройства гидроизоляции; для устройства связующих слоев.

При использовании битумополимерных вяжущих (битум плюс этиленвинилацетат) применяют обычное оборудование.

Модифицированное вяжущее: битум плюс стиролбутадиенстирол.

Стиролбутадиенстирол - это полимер, образованный тремя последовательно соединенными полимерными звеньями (полистирол-S, полибутадиен-В, полистирол-S).

Существует большое разнообразие типов полимеров SBS, отличающихся по форме (линейной или звездообразной), молярной массе, свойствам стирола и бутадиена.

По структуре полимеры SBS относятся к термопластичным эластомерам. Если температура близка к 100°С, полимеры SBS представляют собой эластичное вещество, выше 100°С - переходят в жидкое состояние.

Вяжущее: битум плюс стиролбутадиенстирол получают перемешиванием полимера с битумом в горячем состоянии при контроле температурного режима. В каждом конкретном случае использования битум плюс SBS должен быть определен его состав, который может отличаться полимером и его дозировкой; происхождением и вязкостью исходного битумного вяжущего; видом и дозировкой возможных добавок (добавками, понижающими адгезию, пластифицирующими добавками, маслом для флюсирования, смолой).

Эти вяжущие, как правило, приготавливают в стационарных установках, затем транспортируют к месту использования. Вяжущие могут быть приготовлены и в передвижных установках.

Свойства вяжущих битум плюс SBS зависят от их состава. Битумы с полимером SBS отличаются от обычных битумов следующими особенностями: меньшей термической чувствительностью в интервале эксплуатационных температур; достаточной вязкостью в горячем состоянии, что позволяет применять их в тех же условиях, что и обычные битумы; более высокой пластичностью, выражающейся в способности к достаточно большому растяжению до разрыва даже при низкой температуре; более высокими усталостными характеристиками.

В дорожном строительстве во Франции вяжущие битум плюс SBS стали применять с 1975 г. Различные их составы используются в виде эмульсии или безводного вяжущего для устройства поверхностной обработки (даже на дорогах с очень высокой интенсивностью движения транспорта); в виде эмульсии для устройства связующего слоя, на который укладывается тонкий или очень тонкий слой асфальтобетонного покрытия; в виде нефлюсированного вяжущего, применяемого в горячем состоянии, для устройства поверхностной обработки большой толщины или промежуточных мембранных слоев, предназначенных для обеспечения герметичности и предупреждения проявления усадочных трещин на покрытии; для приготовления асфальтобетонных смесей, предназначенных для строительства слоев износа толщиной 2-8 см; для устройства гидроизоляции или изготовления гидроизоляционных материалов.

При использовании вяжущих битум плюс SBS не требуется специального оборудования.

Резинобитумные дорожные вяжущие

Для приготовления резинобитумных вяжущих во Франции используют смесь крошки старой резины с природной и синтетической.

Резинобитумное вяжущее приготавливают путем перемешивания резиновой крошки в количестве 16-25% с битумом, содержащим добавку масла, называемого "совмещающим". Компоненты вяжущего непрерывно перемешиваются при повышенной температуре до требуемой вязкости.

Время перемешивания изменяется в зависимости от размера зерен резиновой крошки, температуры, природы битума и масла, а также используемого оборудования.

Так как время хранения горячих резинобитумных вяжущих ограничено, то для их приготовления применяют передвижное оборудование, что позволяет использовать вяжущие сразу по окончании приготовления.

Свойства резинобитумных вяжущих зависят от их состава. Такие вяжущие отличаются от чистых битумов более низкой термической чувствительностью в интервале эксплуатационных температур, большей вязкостью при обволакивании каменного материала, высокой когезией, упругостью и устойчивостью к старению.

Резинобитумные дорожные вяжущие широко применяются во Франции с 1980 г. при устройстве поверхностной обработки в качестве флюсированного или разжиженного вяжущего; при устройстве поверхностной обработки большой толщины или мембранных слоев в виде вязких вяжущих без флюсирующих добавок; при приготовлении асфальтобетонных смесей для очень тонких, тонких, толстых и дренирующих верхних слоев покрытий на дорогах с любой интенсивностью движения транспорта.

Для использования резинобитумных вяжущих требуется специальное оборудование.

Вяжущее: битум плюс латекс

К этой группе относятся вяжущие, представляющие собой смесь битумной эмульсии и латекса.

Латексы - это водные суспензии полимера. Наиболее известен натуральный латекс гевеи бразильской, который используется для приготовления натурального каучука. В дорожном строительстве также применят полихлоропреновый латекс.

Вяжущие битум плюс латекс получают либо путем введения латекса в битумную эмульсию при ее приготовлении, либо перемешивания латекса с готовой битумной эмульсией.

Свойства вяжущего, остающегося после распада эмульсии вяжущего битум плюс латекс, зависят от свойств примененного полимера и его дозировки. Это вяжущее отличается от немодифицированных вяжущих меньшей термической чувствительностью, более высокой когезией в широком диапазоне температур, более высокой растяжимостью до разрыва при низкой температуре. Кроме того, некоторые полимеры способствуют повышению устойчивости вяжущего к старению.

Вяжущие битум плюс латекс используются преимущественно в следующих случаях: при устройстве поверхностной обработки на дорогах со средней и высокой интенсивностью движения транспорта; при устройстве связующего слоя (из расчета 0,3-1,0 кг/м 2) под очень тонким, тонким или дренирующим слоем асфальтобетонного покрытия: этот слой обеспечит хорошее прилипание последующего слоя к основанию дорожной одежды, а также герметичность дорожной одежды и сопротивление сдвигу; для приготовления холодных литых асфальтобетонных смесей, в которых благодаря улучшенным свойствам вяжущего может быть использован щебень с размером зерен, равным или превосходящим 10 мм.

Вяжущее: битум плюс полиолефин (синтетический каучук)

Этот вид вяжущих не так широко используют в дорожном строительстве Франции.

Полиолефины, применяемые для модификации дорожных вяжущих, состоят из полиэтилена. Их получают при переработке промышленных отходов. Для дорожного строительства обычно отбирают полиэтилены, слабо реактивные и устойчивые к окислению.

Вяжущие, содержащие полиолефины, приготавливают в передвижных установках, расположенных недалеко от строительной площадки.

Они могут храниться в течение ограниченного времени при постоянном перемешивании с целью предупреждения отслаивания полимера.

Полиэтилен воздействует на битум как отвердитель, способствующий снижению термической чувствительности вяжущего.

Вяжущее битум плюс полиолефин используют для приготовления асфальтобетонных смесей, из которых могут быть уложены основания, нижние и верхние слои покрытия дорожных одежд.

Слой, уложенный из смеси с вяжущим битум плюс полиолефин, обладает хорошей устойчивостью к колееобразованию даже при его большой толщине.

Вяжущее: битум (каменноугольная смола) + эпоксидные смолы

Эпоксидные группы получают в результате реакции между молекулой, включающей хотя бы одно эпоксидной ядро, и компонентом, называемым агентом образования поперечных связей или многофункциональным отвердителем (полиамидом).

Для приготовления таких вяжущих необходимы два компонента, которые хранятся раздельно: эпоксидная смола, битум или каменноугольная смола с добавкой отвердителя.

Эти два компонента, жидкие при обычной температуре, осторожно перемешивают во время применения. В результате химической реакции между смолой и отвердителем образуется трехмерная молекулярная решетка. При этом выделяется тепло. Реакция проявляется в увеличении вязкости, при этом может произойти полное затвердевание вяжущего. При низкой температуре реакция протекает медленно, при повышении температуры скорость реакции быстро возрастает. При температуре окружающего воздуха сохраняется низкая вязкость смеси в течение промежутка времени, необходимого для ее укладки.

Из-за химической инертности битума и каменноугольной смолы необходимо использовать большое количество смол (как правило, более 30%), что требует проведения предварительных исследований совместимости различных компонентов.

Свойства полученных вяжущих после полимеризации отличны от свойств исходных материалов (битума или каменноугольной смолы), происходит их трансформация, а не улучшение. Вяжущие с эпоксидными смолами нечувствительны к изменению температуры.

Каменноугольная смола с добавкой эпоксидной смолы характеризуется устойчивостью к воздействию растворителей углеводородного типа.

Свойства вяжущих, содержащих эпоксидные добавки, обеспечивают их применение при устройстве поверхностной обработки на сложных участках дорог или на участках, где часто тормозят автомобили: у светофоров, пешеходных переходов, на виражах дорог.

При использовании битума с эпоксидными добавками необходимо применять каменный материал очень высокого качества, например бокситы (прокаленные, кальцинированные).

Вяжущие с добавками эпоксидных смол могут применяться также для устройства гидроизоляции на искусственных сооружениях, приготовления высококачественных асфальтобетонных смесей.

Для использования вяжущих с эпоксидными добавками необходимо специально оборудование.

Дорожное вяжущее: битум плюс сера

Проведенные во Франции и США 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%) используется преимущественно для приготовления асфальтобетонной смеси. Модифицированные вяжущие во Франции разрабатываются дорожными предприятиями и производителями обычных (традиционных) вяжущих материалов.

Добавка в битум, предупреждающая отслаивание битума от минерального материала

Для предупреждения отслаивания битума и лучшего обволакивания им минерального материала предложено битум перемешивать с реагентом, содержащим высокомолекулярный моноамин, гетероароматические соединения и альдегид, или с полиамином. Молярное соотношение компонентов реакции: 1:2:3 - 0,25:1:0,25, где 1 - моноамин; 2 - гетероароматические соединения; 3 - альдегид. Количество реагента в битуме составляет от 0,05 до 10%. См. патент №4724003 (США).

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР