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:
- он позволяет мельнице не производить всасывающее действие и сконцентрировать всю имеющуюся мощность исключительно на размельчении;
- он имеет изменяющуюся скорость, скорость регулируется обратным сигналом, который поступает при изменении электропотребления электромотра мельницы. Это означает, что выпуск битумно-полимерной смеси из мельницы всегда остается максимальным. В случае если в мельницу поступает смесь с высоким содержанием полимера, то электропотребление электромотора мельницы возрастает, что в свою очередь уменьшает интенсивность работы насоса и наоборот.
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:
- высокая эластичность;
- более широкий интервал пластичности;
- более сильная адгезия с минеральными компонентами асфальтобетонной смеси;
- улучшенные низкотемпературные свойства;
- снижение колееобразования дорожных покрытий;
- повышение коррозионной стойкости дорожных покрытий.
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.