Водостійкість асфальтополімербетонів

Використання бітумів, що модифіковані полімерами (БМП) у промислово розвинених країнах набирає усе більш широкі масштаби. Близько 10 % всіх застосовуваних у дорожньому будівництві бітумів модифікуються полімерами різних класів. Найбільш широко для цієї мети використовуються термоеластопласти (близько 80% всіх БМП), полімери, що змінюють свої властивості залежно від температури і мають, завдяки своїй будові, високу еластичність. Типовими представниками цього класу є полімери типу СБС (стирол - бутадієн - стирол). Другими за масштабами використання є термопласти - полімери, властивості яких також залежать від температури, але які не надають бітумам відчутної еластичності. Представниками цього класу полімерів є етилен-вініл-ацетати (ЕВА), поліпропілени, поліізобутилени. Крім цього, для регулювання якості дорожніх бітумів використовують природні і штучні каучуки, латекси (водні дисперсії каучуків). Останнім часом у США одержали поширення специфічні полімери, особливістю яких є здатність при підвищених температурах до хімічної взаємодії з компонентами бітуму, що супроводжується його істотним зміцненням. Представником таких полімерів в Україні є етилен-гліцидил-акрилат (фірмова назва «Елвалой», виробництва США). Зважаючи на те, що принциповий характер впливу різних полімерів на властивості бітумів якісно подібний, для подальшого розгляду доцільно використовувати бітуми, що модифіковані найбільш застосовуваними у світі полімерами типу СБС.

Існує дві технологічні схеми виробництва БМП. Розповсюдженою технологією виробництва БМП у Росії є одержання їх об’єднанням в’язкого бітуму з маточним розчином полімеру в індустріальних маслах або гудроні. Монопольною технологією виробництва БМП на Заході і в Україні є безпосереднє об’єднання в’язких бітумів з полімером. Західний підхід є більш простим технологічно і передбачуваним відносно якості одержуваного БМП.

На основі досліджень, виконаних у СоюздорНДІ Л.М.Гохманом, сформувалося досить чітке уявлення про те, що оптимальний вміст термоеластопласта (СБС) в окислених бітумах, які модифікують із маточного розчину, не повинен перевищувати 3,5 %. При цьому під «оптимальністю» мають на увазі обов'язковість забезпечення технічних властивостей і прийнятної вартості БМП. На Заході вміст полімеру в дорожніх бітумах може досягати 5%, а іноді і 7 %.

Об'єктивні відомості про процеси формування структури і властивостей БМП можуть бути отримані на основі розгляду концентраційних залежностей властивостей БМП, що охоплюють досить широкий діапазон вмісту СБС у в'яжучому. Представлені на рис.10.33 залежності можуть інтерпретуватися наступним чином: еластичність БМП активно зростає в області малих концентрацій полімеру; при його вмісті 2,5-3,5 % (залежно від в'язкості і структури вихідного бітуму) вона досягає 80-85 %. Після цього темп росту еластичності вповільнюється і вона виходить на плато, досягаючи значення, близького до 90 %. Такий характер зміни еластичності, на перший погляд міг би свідчити про формування в БМП матричної полімерної структури. Однак таке припущення не погоджується з концентраційною залежністю температури крихкості. Введення в бітум 3,0-3,5 % полімеру не приводить до зміни температури крихкості БМП. Вона залишається рівною температурі крихкості вихідного бітуму. Істотне зниження температури крихкості системи відповідає вмісту полімеру більшому 5-6%. При вмісті в бітумі 8-10 % полімеру температура крихкості може понизитися на 10-20°С стосовно вихідного бітуму.

Рис.10.33 Залежність еластичності (¨-Е₂₅), температури розм'якшеності (·-Т_р), крихкості (▲-Т_кр) і пенетрацІЇ (<-П₂₅) від вмісту полімеру

Пенетрація БМП інтенсивно знижується з ростом вмісту полімеру до 3,5-5,0%, а потім темп її зменшення падає. Інтенсивний приріст температури розм'якшеності спостерігається до концентрації полімеру, що відповідає 5-6 % і близькій до тієї, при якій починається зниження температури крихкості. Однак концентраційні залежності пенетрації і температури розм'якшеності не перетерплюють таких різких змін, як еластичність і температура крихкості. Крім того, ці два показники якості в’яжучих є сугубо емпіричними і за їх концентраційними залежностями важко судити про фізичні особливості досліджуваних об'єктів і процеси структуроутворення в них.

Інформаційно корисними є області критичних переходів на концентраційних залежностях еластичності і температури крихкості. Перша критична концентрація (С ) відповідає вмісту полімеру 2,5-3,0 % і демонструє досить різку зміну еластичності. Це може свідчити про утворення в системі сполученої асфальтено-полімерної сітки, досить щільної і міцної для забезпечення БМП високої еластичності, але недостатньої, щоб забезпечити його високу, у порівнянні з вихідним бітумом, деформативність при низьких температурах. У цій області низькотемпературні властивості БМП визначаються вуглеводною-смолистою (мальтеновою) складовою вихідного бітуму. Склування мальтеної складової таке ж як у звичайному бітумі, воно «заморожує» сполучену еластичну сітку.

Критична концентрація полімеру, вище якої спостерігається істотне зниження температури крихкості (С ), свідчить про формування в системі полімерної сітки, що надає в’яжучому високої деформативності при низьких температурах. Це випливає з того, що температура склування термоеластопласта дуже низька: типовий термоеластопласт ДСТ-30 має температуру склування, близьку до мінус 90 °С.

Таким чином, залежно від концентрації полімеру в БМП формуються дві принципово різних області структуроутворення: перша - коли середовищем системи є бітум, а фазою полімер; друга - коли середовищем є полімер, а фазою бітум. Між цими двома областями існує третя, перехідна область із проміжним, змішаним типом структури. Ці положення добре узгоджуються з результатами досліджень (M. Chappat) модифікованих бітумів, отриманими за допомогою відбитої флуоресцентної мікроскопії (рис. 10.34). В системі, що складається з бітуму і полімеру, відбуваються принципові структурні зміни. Вони полягають у тому, що з підвищенням вмісту полімеру в системі відбувається обернення фаз: полімер становиться середовищем, а бітум фазою. Процес відбувається досить плавно, завдяки формуванню перехідної області.

а б в

Рис. 10.34. Фазові стани бітумів, модифікованих полімерами:

а) середовище - бітум, фаза - полімер; б) середовище - полімер,

фаза - бітум; в) перехідна система (за даними F. Durrieu)

Відповідно до цього можна виділити три структурних типи модифікованих бітумів: перший - це бітумополімерне в'яжуче (БПВ), коли матрицею є бітум; другий - полімербітумне в'яжуче (ПБВ), коли визначальною властивостей ПБВ складовою є полімер; третій - перехідний тип, що тяготіє до першого або другого типу залежно від вмісту і властивостей полімеру, а також якості бітуму. У країнах ЄС стандарти регламентують визначення структурних особливостей БМП мікроскопічним способом.

Активація бітумополімерних в’яжучих катіонактивним ПАР дає приріст коефіцієнтів водостійкості у межах 0,03-0,05 і піднімає значення коефіцієнтів водостійкості асфальтополімербетонів до рівня, що відповідає і навіть перевищує вимоги стандарту (0,85). Цей внесок ПАР у водостійкість асфальтополімербетону трохи нижче звичайно від спостережувального у випадку асфальтобетону на бітумі з ПАР (1,0-1,2). Приріст такого рівня в асфальтополімербетонах досягається спільним впливом полімеру і ПАР. Імовірно, ступінь зчеплення обумовлена загальною кількістю активних центрів поверхні кам'яних матеріалів, що вступають у взаємодію з молекулами полімерів і ПАР, що і визначає підсумкове значення зчеплення і коефіцієнтів водостійкості. Переважний вплив на зчеплення полімерів або ПАР визначається швидкістю їх адсорбційної взаємодії з поверхнею кам'яних матеріалів.

Більший приріст зчеплення в’яжучих із пластиною, у порівнянні із приростом коефіцієнтів водостійкості при використанні ПАР в асфальтополімербетонах пояснюється: мінералогічною неоднорідністю (різною активністю окремих ділянок) кам'яних матеріалів, що складають асфальтобетон (наявність матеріалів з кислих і основних порід); утрудненими умовами попадання води до дефектів плівок, що обволікають кам'яні матеріали; меншою швидкістю дифузії води крізь плівку в’яжучого з пор асфальтобетону; складними умовами капілярного змочування, підйому і транспортування води в об'ємі асфальтополімербетону.

Накопичений до цього часу науковий і виробничий досвід свідчить про переваги асфальтобетонів на модифікованих полімерами бітумах, у порівнянні зі звичайними асфальтобетонами у відношенні: міцності та зсувостійкості; температури крихкості та тріщиностійкості (при відповідному вмісті полімеру); стійкості у водному середовищі; і, в кінцевому підсумку, довговічності асфальтополімербетонних покриттів. Одночасно забезпечення цих переваг вимагає ускладнення технологічної підготовки в’яжучих, приводить до подорожчання в'яжучого через високу вартість полімерів, воно поєднано зі значними додатковими витратами енергоресурсів, необхідних для проведення всіх технологічних процесів при температурах на 15-25 °С більш високих, ніж у випадку традиційних бітумів і асфальтобетонів.

Контрольні питання

1. Дайте визначення органічним в'яжучим речовинам.

2. Дайте визначення кам'яновугільному дорожньому дьогтю.

3. Як одержують кам'яновугільний дорожній дьоготь?

4. Охарактеризуйте хімічний і груповий склад кам'яновугільних дорожніх дьогтів.

5. Що собою являє структура кам'яновугільних дорожніх дьогтів?

6. Як змінюється структура кам'яновугільного дорожнього дьогтю залежно від концентрації в кам'яновугільному в'яжучому конденсованої ароматики?

7. Які вимоги пред'являються до стандартних показників якості кам'яновугільних дорожніх дьогтів?

8. Дайте визначення нафтовому дорожньому бітуму.

9. Охарактеризуйте хімічний і груповий склад нафтових дорожніх бітумів.

10. За якими ознаками бітуми поділяються на структурні типи?

11. В чому полягає поводження нафтових дорожніх бітумів різних структурних типів в умовах безперервного зсувного деформування?

12. Які стандартні властивості нафтових дорожніх бітумів і раціональні області їх застосування?

13. Що таке емульсія?

14. Яке призначення має емульгатор у складі емульсії?

15. Наведіть класифікацію емульсій.

16. Що спричиняє розпад емульсії?

17. Яке устаткування використовують для виробництва емульсії? Які властивості повинні мати бітумні емульсії?

18. Де доцільно використовувати емульсії у дорожньому будівництві?

19. До яких структурних змін в’яжучого приводить підвищення вмісту полімеру в бітумі?

20. Яку принципово нову властивість надають термоеластопласти БМП?

21. Чому температура крихкості бітумополімерів при малому вмісті полімерів не відрізняється від температури крихкості вихідних бітумів?

22. До яких наслідків у відношенні властивостей бітумополімерів приводить пластифікація вихідного бітуму?

23. В чому відмінність залежностей між когезією і пенетрацією та когезією і температурою розм’якшеності бітумів і бітумополімерних в’яжучих?

24. Який характер мають залежності між когезією в’яжучого та зсувостійкістю асфальто- і асфальтополімербетонів?

25. Що є причиною розшарування бітумів, модифікованих полімерами?

26. Чим відрізняються властивості в’яжучого з верхньої та нижньої третини ємності після розшарування?

27. Як залежить стійкість проти розшарування модифікованих в’яжучих від в’язкості вихідного бітуму та вмісту полімеру?

28. Як впливає вміст полімеру в бітумі на технологічні температури використання БМП?

29. Як змінюються міцність і тріщиностійкість асфальтополімербетону при зміні в’язкості вихідного бітуму та вмісту в бітумі полімеру?

30. Як впливають ПАР на зчеплення БМП з мінеральною поверхнею та водостійкість асфальтополімербетону?