Введение. Битум является одним из старейших известных конструкционных материалов [39]

Битум является одним из старейших известных конструкционных материалов [39]. Он был широко использован в течение многих тысяч лет [40], например, как клей, герметик, консервант, гидроизолята и связующего. Древние жители непосредственно использовали природный битум[40]. В начале 1900-х, битум впервые был получен при переработке сырой нефти в США [39]. С тех пор, мировое потребление битума быстро возросло, большая часть битума была использована в дорожном строительстве. Согласно совместной публикации Института асфальта и Eurobitume в 2011 году, в настоящее время мировое потребление битума составляет около 102 млн. тонн в год, 85% из которых используется в различных видах покрытий [41]. В самом деле, химический состав получаемого битума очень сложный и носит изменчивый характер; свойства битума тесно связаны с источниками нефти и процессами нефтепереработки. Выбрав хорошую сырую нефть и соответствующий НПЗ, некоторые конкретные свойства битума могут быть получены. Тем не менее, ограниченные запасы нефти и возможности производить качественные битумы и желание получить максимальную экономическую выгоду вынуждает уделять больше внимания модификациям битума [42]. Кроме того, дорожная промышленность быстро развивалась во всем мире в течение последних нескольких десятилетий, особенно в развивающихся странах. После бурного развития, увеличилась транспортная нагрузка, возрос объем трафика и недостаточное обслуживание привели к многочисленным повреждениям дорожных покрытий. Суровая реальность требовала больше внимания к качеству битума. Для того чтобы получить битум улучшенного качества все большее число исследователей начали сосредотачиваться на модификациях битума. Среди всех подходов к улучшению качества дорожных битумов полимерная модификация является одним из самых популярных подходов.

Модификация битума полимерами – это включение полимеров в битум с помощью механического перемешивания или химических реакций [43]. В течение последних 40 лет, все больше и больше исследователей начали концентрироваться на полимерных модификациях битума и быстро возросло число научных исследований в этой области. В них рассматривались различные полимеры: пластомеры (например, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), этилен-винилацетат (ЭВА), этилен-бутил акрилат (ЭБА)) и термопластичные эластомеры (например, стирол-бутадиен-стирол (СБС), стирол-изопрен-стирол (СИС) и стирол-этилен / бутилен-стирол (СЭБС)) [44-60], хотя ни один из них не был первоначально предназначен для модификации битума. Эти полимеры, как сообщалось, приводили к некоторым улучшениям свойств битума, таким как более высокая жесткость при высоких температурах, повышенная устойчивость к разрушению при низких температурах, улучшение влагостойкости и большему сроку службы [41-56]. В работе [40] были подведены итоги, что результаты модификации полимерами приводят к термодинамически неустойчивым, но кинетически стабильным системам, в которых полимеры частично набухают под воздействием легких компонентов битума. Некоторые важные факторы, включая характеристики битума и самих полимеров, содержание полимера и производственных процессов, определяют конечные свойства полимерно-модифицированных битумов (ПБВ) [43,57]. С увеличением содержания полимера возможна инверсия фаз: от битума, являющегося доминирующей фазой, становится доминирующей фаза полимера [58]. Таким образом, идеальной микроструктурой для полимербитумов является структура, содержащая две непрерывные фазы с оптимальным содержанием полимера в этой битумной модификации [59]. В этом случае полимербитум обычно показывает лучшие характеристики: механические свойства, стабильность при хранении и экономическую эффективность.

Помимо указанных преимуществ, исследователи также сталкивались с различными проблемами, в том числе с высокой стоимостью, высокой температурной чувствительностью, низким сопротивлением старению, плохой стабильностью при хранении и ограниченным улучшением эластичности. При этом сочетание окисления битума и разрушения полимера стала причиной старения полимербитумов [60], особенно явным для некоторых ненасыщенных полимеров, например, СБС. Плохая стабильность при хранении некоторых полимербитумов обычно возникает в результате плохой совместимости между полимерными модификаторами и битумом, от которых зависят такие свойства полимербитумов как плотность, молекулярная масса, полярность и растворимость [61]. Химическая структура и реакционная способность полимеров, однако, также должна повлиять на их совместимость с битумом, что приводит к прямой зависимости их с результирующими свойствами полимербитумов [62]. Для того чтобы решить эти проблемы, исследователи рассматривали различные категории решений, таких как насыщение, вулканизация серой, добавление антиоксидантов, использование гидрофобных глинистых минералов, функционализация и применение реактивных полимеров (которые также можно рассматривать в качестве новых функционализированных продуктов).

Наряду с технической стороной вопроса, экономический аспект имеет конечно же огромную важность для выбора технологии. Различные виды покрытий имеют разные требования к производству. С экономической точки зрения это не всегда лучше для достижения более высокого качества дорожного покрытия. Только тогда, когда технология является экономически эффективной, возможно получить максимум выгоды от нее и она может стать популярной. Что касается полимербитумов, стоимость напрямую зависит от добавленного количества полимера, в то время как количество добавленного полимера влияет на качество конечного полимербитума. Поэтому, прежде чем начать строительство дороги, конструкторы должны знать необходимые эксплуатационные требования, а затем решить использовать полимербитумы или нет, и если использовать, то, как много. В настоящее время, большая часть мирового потребления битума по-прежнему приходится на базовые битумы. Даже для одной страны процент колеблется в разные годы. По данным, опубликованным Европейской ассоциацией асфальтового покрытия, процент использования полимербитумов во всех ежегодно используемых битумах для дорожного строительства, как правило, менее 20% в большинстве европейских стран в течение последних 3 лет [63]. Подробные данные для каждой страны можно увидеть в [63]. Касаясь содержания полимера в битуме [64] что оно должно быть около 3,5 % вес.