2.4. Полімерна модифікація – ефективний засіб покращення властивостей нафтових бітумів.

В умовах сучасного вантажонапруженого та інтенсивного руху у всьому світі спостерігається підвищення вимог до дорожніх одягів. Це викликано насамперед тенденцією до збільшення осьових навантажень та тиску у пневматичних шинах. Відтак підвищені вимоги висуваються і до дорожньо-будівельних матеріалів, зокрема до бітумів.

Відомо, що штучний нафтовий бітум із пенетрацією 35/50 при використанні у багатощебеневих дорожніх асфальтобетонах із неперервною гранулометрією мінерального кістяку, не дає змогу забезпечити опір утворенню хвиль, напливів, колійності на поверхні покриття за високих температур в умовах високої вантажонапруженості дорожнього руху. Застосування ще більш в’язких бітумів покращує зсувостійкість дорожніх асфальтобетонних покриттів, проте спричиняє підвищені ризики тріщиноутворення при низьких температурах. Одним із можливих шляхів розвязання даної проблеми є застосування модифікованих вяжучих.

Як свідчать дослідження американських, європейських, російських і вітчизняних вчених – Золотарьова В.О., Братчуна В.І., Жданюка В.К., Мозгового В.В., Гамеляка І.П., Кіщинського С.В. та інших прогрес в технології штучних бітумів і бітумомінеральних сумішей лежить на шляху їх полімерної модифікації. Модифіковані в’яжучі, згідно з прийнятим визначенням, це бітумні в’яжучі, хімічна структура і (або) фізичні та механічні властивості яких змінені шляхом введення хімічного реагенту. Таке в’яжуче попередньо готується на заводі або безпосередньо на спеціальному мобільному обладнанні.

Таблиця 2.1.

Реагенти для модифікації

Термореактивні полімери	Термопласти	Термоеластопласти
- епоксидна смола - поліфелін (синтетичний каучук) - кам’яновугільна смола	Сополімери: -етилен-вінілацетат (EVA); -етиленметилакрилат(EMA); етилен-бутилакрилат (EBA); - поліізобутилен (PIB).	Сополімери: -стирол-бутадієн-стирол (SBS) - стирол -ізопрен-стирол (SIS) - стирол-бутадієн (SB) - статистичні сополімери стирол-бутадієн (SBR)

Аналіз досліджень полімерної модифікації бітумів

Найбільш часто для модифікації бітумів використовуються полімери, що складаються із макромолекул, в яких багатократно і структурно різноманітно повторюються ланки одного й того ж мономеру або різних мономерів.

Перші спроби покращення властивостей бітуму полімерами відносяться до середини минулого сторіччя. Так, у США з кінця 50-х років до 1970 року використовували суміші, що включають бітум, модифікований латексом [122]. Подібні технології використовували і в Європі, зокрема, у Франції у 1966 році. Проте ці роботи мали дослідний характер і розглядалися як недостатньо підготовлені і економічно обгрунтовані.

Ситуація змінилась на початку 70-х років – зростання інтенсивності дорожнього руху і нафтові кризи 1973 і 1979 рр. спричинили широке впровадження бітумополімерних в’яжучих (БПВ). В Європі, зокрема в Німеччині, Австрії, Італії, починається застосування модифікованих в’яжучих і в’яжучих, що вміщують полімерну добавку на виробничому і технічно обгрунтованому рівні. На автомагістралях будуються покриття на базі сумішей з добавками поліетилену, який вводився безпосередньо в асфальтозмішувач.

У Франції пошуки спеціальних полімербітумних в’яжучих були обумовлені необхідністю влаштування покриттів мостів із ортотропними плитами. Такого роду покриття було збудовано на віадуку Картоне у 1972році. В 1976 році бітумополімерне в’яжуче на основі ДСТ було використано для влаштування покриття на ортотропній плиті прогонної будови вантового моста в м. Києві. При цьому, були використані розробки СоюздорНДІ (Росія).

Дослідження, виконані нафтохімічними лабораторіями і деякими дорожніми організаціями, зокрема Центральною лабораторією доріг і мостів Франції, дозволили розробити бітуми, що включають нові полімери і термоеластопласти. Застосування таких бітумів йшло в напрямку від покращених поверхневих обробок до приготування асфальтобетонних сумішей.

Створення БПВ дозволило у 80-х роках розробити цілий комплекс дорожніх технологій, пов’язаних із впровадженням нових складів асфальтобетонних сумішей для влаштування поверхневих шарів малої товщини. Це, перш за все, бетони для тонких, особливо тонких і ультра тонких шарів зносу, приготування яких на чистих бітумах технічно неможливе. Такі бетони і шари можна розглядати як перехідні між шарами поверхневої обробки та асфальтобетонними покриттями.

На автомагістралях і дорогах із інтенсивним рухом застосування дренуючого асфальтобетону стало можливим тільки завдяки БПВ.

Модифіковані полімерами бітуми в наш час широко застосовуються для влаштування тонких проміжних шарів і мембран, що призначенні для запобігання репродукції тріщин основи на поверхневі шари. Вони є найбільш прийнятними для гідроізоляційних шарів штучних споруд завдяки їх здатності чинити опір підвищеному видовженню.

Полімерна модифікація дозволила отримати в’яжучі, що відповідають вимогам зростання інтенсивності дорожнього руху і транспортних навантажень, збільшити інтервал їх пружньо-пластичного стану, зменшити температурну чутливість.

В наш час в дорожньому будівництві з цією метою, переважно, використовуються термоеластопласти, термопласти, латекси. Ці полімери відрізняються температурою використання, сумісністю з бітумами, властивостями (жорсткістю, деформативністю, пружністю).

Технологічні особливості полімерної модифікації нафтових бітумів

Технологія модифікації бітуму полімерами залежно від подальшого використання вяжучого спрямована на підвищення здатності до значних зворотних деформацій в усьому діапазоні експлуатаційних температур, покращення теплостійкості та тріщиностійкості. В свою чергу властивості кінцевого продукту залежать від таких чинників, як кількісні та якісні характеристики вихідних компонентів, обладнання, на якому відбувається процес модифікації, режими і послідовність технології приготування модифікованого вяжучого. Всі ці чинники також повязані між собою: не знаючи властивостей вихідних компонентів, неможливо чітко визначити певну технологію для отримання продукту найвищої якості.

На сьогоднішній день модифікований бітум отримують шляхом циклічного перемішування в лопатевих змішувачах, що дає змогу приготувати до 4 тон модифікованого бітуму за один цикл (рис. 2.6.). Технологія приготування вяжучого на модифікаторі типу СБС наступна. Модифікатор висипається з мішків в дозуючий пристрій змішувальної установки в кількості 2,5-3,0 % від маси бітуму. В змішувач закачується бітум, нагрітий до температури 185-200˚ С. Після того, як змішувач заповнюється приблизно на третину, в нього із дозуючого пристрою подається модифікатор при постійному інтенсивному перемішуванні лопатевою мішалкою, яке продовжується за сталої температури до отримання однорідної маси вяжучого. Середня тривалість приготування однієї порції бітуму, модифікованого добавкою типу СБС на даній установці складає 2-3 години. Особливістю даної технології є те, що полімербітумне вяжуче після перемішування в лопатевому змішувачі, що триває 1,5-2,5 години повинно витримуватись при температурі близько 190˚С протягом близько 24 годин. Така операція є достатньо енергоємкою і тривалою.

В дорожніх організаціях України дуже широко використовується термопласт Елвалой АМ (DuPONT). Технологія приготування бітуму, модифікованого термопластом „Елвалой АМ”, складається з таких операцій:

• закачка бітуму у змішувальну установку і нагрів до температури (195-200) °С;

• введення в бітум за допомогою дозуючого пристрою при постійному інтенсивному перемішуванні термопласту „Елвалой АМ” в кількості (1,5-2,5) % від маси в'яжучого;

• перемішування бітуму з термопластом протягом двох годин при темпе­ратурі (190-200) °С;

• перекачка модифікованого бітуму в накопичуючу ємність та прогрів при температурі (160-170)°С протягом (5-8 годин).

Рис. 2.6. Схема прив’язки змішувача планетарного типу до технологічної лінії приготування асфальтобетонної суміші на АБЗ:

1 - бітумні котли; 2 - змішувач планетарного типу; 3 - склад полімеру; 4 - маслонагрівальне устаткування; 5 - видаткові котли бітумополімерного в'яжучого; б - асфальтозмішувач ДС-158.