Пластомеры

В качестве важной категории пластомеров, полиолефины является одним из самых ранних используемых модификаторов для битумов. Различные полиолефиновые материалы, включая полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), изотактический полипропилен и атактический полипропилен [39,44,60,137,164,165], изучались для применения в модификации битума ввиду относительно низкой стоимости и преимуществах, которые они могут принести. Типичные структуры популярной ПЭ и ПП, приведены на Рис. 7.

Рис.7 Структуры полиэтилена и полипропилена

После того как полиолефиновые материалы добавляют в битум, они, как правило, набухают под воздействием легких компонентов битума и двухфазная структура формируется с полиолефиновой фазой (дисперсной фазой) в битумной матрице (непрерывная фаза) [157]. С увеличением концентрации полиолефинов, в модифицированном битуме происходит инверсия фаз. Две непрерывные фазы идеально подходят для полиолефинов, которые могут улучшить свойства битума до некоторой степени. Эти используемые материалы, как правило, приводят к высокой жесткости и хорошей устойчивостью модифицированного битума [44], хотя они имеют совершенно разные химическую структуру и свойства. Тем не менее, используемые полиолефиновые материалы значительно не улучшают эластичность битума [65]. В дополнение к этому, регулярные длинные цепи полиолефиновых материалов приводят к высокой склонности к упаковке и кристаллизации, что может привести к отсутствию взаимодействия между битумом и полиолефином и в результате к нестабильности модифицированного битума. Более того, некоторые исследователи утверждали, что совместимость полиолефинов с битумом очень плохое из-за неполярной природы используемых материалов[40]. В результате, ограниченное улучшение эластичности и потенциальные проблемы стабильности при хранении полиолефинмодифицированного битума ограничивают применение полиолефиноматериалов в качестве модификатора битума, в то время как они пользуются популярностью в производстве непроницаемых мембран.

Более чаще используемые пластомеры в модификации битума являются сополимеры этилена, такие как этилен-винил ацетат (ЭВА) и этилен-бутил ацетат (ЭБА) [46,47]. В связи с их подобными химическими структурами, ЭВА обсуждается здесь как пример сополимеров этилена. Как показано на рис. 8, ЭВА сополимеры состоят из этилен-винилацетатных цепей, образованных случайным образом.

Рис. 8 Структура этиленвинилацетата

Однако свойства сополимеров ЭВА тесно связаны с содержанием винилацетата. Когда содержание винилацетата является низким, степень кристаллизации высока и свойства ЭВА являются совершенно аналогичными ПЭ низкого давления. Поскольку содержание винилацетата увеличивается, ЭВА имеет тенденцию представлять собой двухфазную микроструктуру с жесткой кристаллической фазой (как у полиэтилена) и резиновой винилацетатной аморфной фазой [67]. Чем выше винилсодержание винилацетата, тем выше процент аморфной фазы. Но степень кристаллизации следует тщательно контролировать когда ЭВА используется в качестве модификатора битумов, потому что ни слишком низкая (связи легко быть нарушены), ни слишком высокая (в результате чего отсутствует взаимодействие с битумом) степень кристаллизации не является хорошей [78].

После того, как сополимеры ЭВА добавлены в битум, светлые компоненты битума обычно пополняются сополимерами. При низких концентрациях ЭВА, дисперсная ЭВА-обогащенная фаза может наблюдаться одновременно с битумной фазой [103]. По мере увеличения концентрации ЭВА, инверсии фаз происходит в модифицированном битуме и ЭВА-фаза переходит в непрерывную фазу. Процесс инверсии фаз модифицированного битума был представлен в виде флуоресцентного изображения на рис. 9 [161]. Если в модифицированном битуме существуют две непрерывные фазы, то его свойства могут быть существенно улучшены. ЭВА, как было установлено, образует жесткую сеть в модифицированном битуме и противостоит деформации [47], что означает, что ЭВА модифицированный битум обладает повышенной устойчивостью к образованию колеи при высоких температурах.

Хотя некоторые свойства битума с применением ЭВА улучшаются, есть еще некоторые проблемы, ограничивающие его применение. Главным ограничением является то, что ЭВА не может значительно улучшить упругое восстановление битума [42,65]. Кроме того, температура стеклования (Tg) сополимеров ЭВА, которая сильно зависит от содержания винилацетата [166], недостаточно низка, чтобы значительно улучшить низкотемпературные свойства битума. Было установлено, что Tg полимербитума с 28,4% массовым содержанием винилацетата является -19,9°С [167], что довольно близко к Tg некоторых базовых битум. В результате способность ЭВА для улучшения низкотемпературных свойств битума является довольно ограниченной, особенно при высоких концентрациях ЭВА. Согласно исследованию Амери и др. [159], низкотемпературные свойства увеличиваются до некоторой степени добавлением 2 % по весу или 4 % по весу ЭВА и снижаются при добавлении 6 % мас. В противоположность этому, хотя ЭВА может привести к потенциальной нестабильности при хранении модифицированного битума [168], его Tg является намного ниже, чем у ЭВА с тем же содержанием сомономера (винилацетат или бутилакрилат). Было установлено, что Tg сополимеров ЭБА с 33,9 % массовым содержанием бутилакрилата - 45,9 ° С, что привело к более высокому сопротивлению разрушению из EБA модифицированного битума при низких температурах [167]. Кроме того, температура плавления богатых этиленом компонентов ЭВА значительно ниже, чем температура при приготовлении модифицированного битума. Т.е., жесткие кристаллические домены могут быть частично разрушены при изготовлении битума [40]. Для того, чтобы подготовить идеально модифицированный битум на сополимерах ЭВА, Эйри [161] предложил верхний предел температуры, около 55 °С. Тем не менее, эти этиленовые сегменты еще могут расплавиться и частично разрушены когда ЭВА модифицированный битум смешивают с минеральными компонентами перед мощением дороги, потому что обычная температура смешивания также значительно выше, чем температура плавления этих сегментов.

Рис.9 Изображения ЭВА модифицированного битума с различным

содержанием (по массе) ЭВА[161]