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 (·-Тр), крихкості (▲-Ткр) 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.
Сформована в Україні тенденція, що полягає в зменшенні витрат для модифікації дорожніх бітумів дорогих полімерів, обумовлює необхідність поглибленого вивчення бітумополімерних в'яжучих. При цьому істотний науковий і практичний інтерес представляють БПВ, які готують на бітумах різних марок. У табл.10.10 наведені дані, що дозволяють зрівняти властивості бітумів всіх чотирьох марок, включених у ДСТУ 4044-2001 і БПВ на їх основі, модифікованих безпосереднім введенням у бітуми 3 % полімеру СБС. Відповідно до цих даних пенетрація при 25°С всіх модифікованих бітумів нижча, ніж вихідних бітумів. При цьому ступінь її зниження тим вище, чим нижче в'язкість вихідного бітуму, тобто чим вище його пенетрація. Наприклад, пенетрація вихідного бітуму 53х0,1 мм після модифікації зменшилася в 1,47 рази, а пенетрація вихідного бітуму 145х0,1 мм - в 2,07 рази.
Таблиця 10.10
Властивості бітумополімерних в’яжучих на основі
бітумів різної марочної в'язкості
| Найменування показників властивостей | Значення показників для бітумів і БПВ | |||||||
| 40/60 | 40/60 БПВ | 60/90 | 60/90 БПВ | 90/130 | 90/130 БПВ | 130/200 | 130/200 БПВ | |
| Пенетрація, 0,1 мм 25°С 0 °С | ||||||||
| Температура розм'якшеності, °С | ||||||||
| Температура крихкості, °С | -17 | -17 | -19 | -20 | -21 | -21 | -23 | -24 |
| Розтяжність при 25 °С, см | ||||||||
| Еластичність при 25°С, % | - | - | - | - | ||||
| Когезія при 25 °С, МПа | 0,102 | 0,154 | 0,079 | 0,132 | 0,044 | 0,105 | 0,036 | 0,080 |
Таке зменшення пенетрації знаходиться у відповідності зі зміною когезійної міцності бітумів. Для тих же об'єктів когезія після модифікації зростає відповідно в 1,54 і в 2,22 рази. Однак ні пенетрація, ні температура розм'якшеності, ні когезія БПВ на основі бітуму з початковою пенетрацією, рівною 145х0,1 мм, не досягають значень, властивих БПВ, отриманих на основі більш в’язких бітумів. Для того, щоб БМП на основі малов’язких бітумів перевершили за зазначеними показниками БМП на високов'язких бітумах, вміст полімеру в них повинен бути більш 3 %. Згідно з даними табл.10.11 в'яжуче на основі бітуму БНД 90/130 наближається за пенетрацією та когезією до БПВ на основі БНД 40/60 з 3 % СБС у випадку вмісту в ньому полімеру більше 6 %. Таке в’яжуче відповідно до його структурних особливостей повинне бути віднесене до полімербітуму.
Важливим є факт, що БПВ на бітумі з пенетрацією 145х0,1 мм, характеризується найбільшою еластичністю і має найнижчу температуру розм'якшеності і когезію в порівнянні із трьома іншими БПВ. Отже, еластичність не є характеристикою, що визначає міцнісні властивості бітуму. Побічно це відзначалося J. Lessage. Із цим, імовірно, пов'язано мінімальне значення еластичності, що нормовано Європейським комітетом зі стандартизації. Цей факт підтверджує встановлене для еластичних полімерів правило, яке полягає в тому, що з ростом твердості полімерів їхня еластичність знижується.
У той же час БПВ на основі БНД 130/200, що має температуру розм'якшеності набагато більшу, ніж чистий бітум (БНД 40/60), характеризується меншою когезією, що погоджується з більшим значенням його пенетрації. Бітуми і бітумополімерні в'яжучі з близькими значеннями глибини проникності голки близькі за значеннями когезії. Це показує ненадійність температури розм'якшеності як критерію прогнозування теплостійкості бітумів і зсувостійкості асфальтополімербетону, що відзначено А. Dony і B. Wallner.
Температура крихкості відіграє особливу роль в оцінці технічних властивостей в'яжучих для регіонів з континентальним і різко континентальним кліматом. Для всіх представлених у табл.10.10 бітумополімерних в'яжучих з вмістом полімеру, рівному 3%, вона залишається практично рівною температурі крихкості вихідного бітуму. Цей факт не залежить від того, що БПВ має більшу еластичність, а для вихідного бітуму вона практично відсутня.
Несприйнятливість температури крихкості БПВ до вмісту в ньому 3 % полімеру може бути обумовлено тим, що перехід такого в'яжучого в крихкий стан визначається особливостями склування його вуглеводної (мальтенової) складової. Тільки встановлене F. Durrieu і V. Wegen обернення фаз за рахунок вмісту полімеру, вище критичного, для конкретного вихідного бітуму приводить до зміни низькотемпературного поводження в'яжучого. У цьому випадку роль суцільної еластичної сітки стає вирішальною і температура крихкості різко падає (рис.10.33, табл.10.11).
Отже, регулювання низькотемпературних властивостей бітуму при обмеженому вмісті полімеру (до 3,5 %) можливе за рахунок зміни властивостей і складу його смолисто-вуглеводної частини. Це досягається використанням малов’язких марок вихідного бітуму. Бітуми з пенетрацією 130-200х0,1 мм у порівнянні з бітумами з пенетрацією 40-60х0,1 мм утримують масел на 5-7 % більше, а їх в'язкість, у порівнянних умовах, в 10-20 разів менше. Природно, що температура крихкості таких бітумів на 4-12 °С нижча. Такий же ефект досягається при попередній пластифікації вихідного бітуму або при введенні пластифікатора, у якому попередньо розподілений полімер (з маточного розчину), у вихідний досить в’язкий бітум. Збільшення вмісту пластифікатора, наприклад, індустріального масла І-40А, у бітумах БНД 60/90 і БНД 90/130 майже лінійно знижує температуру крихкості компаундів (рис.10.35). При цьому, природно, температури крихкості компаундів на основі бітуму БНД 60/90 (рис. 10.35, крива 1) істотно вищі, ніж компаундів на бітумі БНД 90/130 (рис. 10.35, крива 2). Введення 15 % масла в бітуми знижує температуру крихкості обох компаундів на 12-14°С, а введення 25% масла - на 22-23 °С. У той же час при введенні в кожен з п'яти розглянутих компаундів 3,5 % ДСТ практично не позначається на температурі крихкості модифікованих в'яжучих.
Розглянутий тут характер зміни показників якості бітумів різної марки при введенні в них рівного вмісту полімерів дозволяє стверджувати, що при цьому одержують в'яжуче з істотно меншою пенетрацією (більшою когезією) у порівнянні з вихідним бітумом і з низькою температурою крихкості, властивим вихідному бітуму. Наприклад, модифікацією бітуму БНД 130/200, можна одержати бітум БНД 60/90 з температурою крихкості, рівній температурі крихкості бітуму БНД 130/200 (-24 °С), що на 5 °С нижча від показника крихкості чистого бітуму БНД 60/90 (-19 °С).
Таблиця 10.11
Властивості бітуму, модифікованого різним вмістом полімеру СБС
| Найменування і склад БМП | Показники властивостей | ||||
| П25, 1/10 мм | Тр, °С | Ткр, °С | Е25, % | tдо, МПа | |
| БНД 40/60 з 3 % СБС | -17 | 0,154 | |||
| БНД 90/130 чистий | -21 | - | 0,044 | ||
| БНД 90/130 з 1,5 % СБС | -20 | - | 0,081 | ||
| БНД 90/130 з 3,0 % СБС | -21 | 0,105 | |||
| БНД 90/130 з 6,0 % СБС | -27 | 0,143 | |||
| БНД 90/130 з 10 % СБС | -35 | 0,183 |
 
| Рис.10.35. Залежність температури крихкості чистих бітумів БНД 60/90 (крива 1), БНД 90/130 (крива 2) і модифікованих бітумів БНД 60/90 (крива 1),БНД 90/130 (крива 2) від вмісту масла І-40А. (За даними Л.М. Гохмана): вихідні бітуми (світлі значки); модифіковані бітуми (темні значки) |
Найбільш стійкою закономірністю модифікованих бітумів є ріст їх температури розм'якшеності із введенням полімеру. Ця закономірність поширюється на надзвичайно широкий спектр бітумів (табл. 10.11, рис. 10.36) з діапазоном зміни глибини проникності від 60 до 1200х0,1 мм, що забезпечувалася введенням у звичайні дорожні бітуми пластифікатора І-40А. Вплив пластифікатора відносно вихідного бітуму практично зводиться до прямопропорційного зменшення температури розм'якшеності (рис.10.36, криві 1 і 2).
Введення у кожний із пластифікованих бітумів полімеру приводить до досить складної картини зміни температури розм'якшеності БПВ, що, імовірно, пов'язане з якістю змішання і однорідністю модифікованого в’яжучого. Проте, температура розм'якшеності завжди істотно вище для бітуму, що містить 3,5% полімеру, у порівнянні з вихідним бітумом. У той же час, характер її зміни в міру переходу від більш в’язких (з меншим вмістом пластифікатора) до менш в’язких (з більшим вмістом пластифікатора) бітумів показує, що вона мало чутлива до в'язкості вихідного бітуму. Однак абсолютний приріст температури розм'якшеності тим більше, чим нижча в'язкість вихідного бітуму (для непластифікованого бітуму приріст становить 7°С, для цього бітуму з 10, 20 і 35% масла він відповідно дорівнює 15, 21 і 33°С). Це свідчить на користь того, що значення температури розм'якшеності визначається сполученою структурною сіткою, утвореною в бітумі молекулами полімеру і асфальтенами. Міцність цієї сітки, імовірно, мало залежить від мальтенової складової бітуму, тому значення температур розм'якшеності зі зменшенням в'язкості вихідного бітуму в модифікованому в'яжучому змінюються набагато менше, ніж температури розм'якшеності чистого бітуму при введенні в нього зростаючої кількості пластифікатора. Дані рис.10.36 (криві 3, 4 і 5) також свідчать про те, що температура розм'якшеності істотно менш чутлива до вмісту полімеру в системі, ніж пенетрація. Температура розм'якшеності БПВ на основі бітуму з 25% масла в порівнянні із БПВ без масла зменшується в 1,17 рази, а пенетрація - в 5,85 рази.
| Рис.10.36. Залежність температури розм'якшеності (Тр) чистих бітумів БНД 60/90 (крива 1), БНД 90/130 ((крива 2) і цих же бітумів модифікованих 3,5 % полімеру (крива 3, 4), а також залежність (крива 5) пенетрації П25 бітуму БНД 60/90, модифікованого 3,5 % полімеру, від вмісту масла І-40 А. (за даними Л.М. Гохмана). |
Структурна різниця бітумів і бітумополімерів (тим більше полімер-бітумів) приводить до того, що для цих двох видів в'яжучих не існує узагальненої залежності температури розм'якшеності від пенетрації. Їх залежності при порівнянних пенетраціях по шкалі температури розм'якшеності зміщені на 8-10 °С. Це ж стосується до залежності температури розм'якшеності від когезії (рис.10.37). У той же час між пенетрацією і когезією (рис. 10.37) у досить широкому діапазоні зі змінами для бітумів і бітумополімерів спостерігається прямопропорційна залежність. Це підкреслює однакову міцнісну природу цих двох характеристик.
|
Рис. 10.37. Залежність між температурою розм'якшеності (Тр), когезією (tк) і пенетрацією (П25) вихідних бітумів (світлі значки) і бітумів, модифікованих 3 % СБС (темні значки)
Принциповою технологічною особливістю бітумополімерів, що відрізняє їх від бітумів, є їхня здатність розшаровуватися в процесі зберігання при високих температурах. Це обумовлено різною щільністю бітумів і полімерів, різними значеннями і параметром їх розчинності, а також високою вибірною розчинністю полімерів у вуглеводневому середовищі (маслах) бітумів. Ступінь розшарування системи бітум-полімер залежить від молекулярної маси, складу полімеру, ступеня його дисперсності, в'язкості і складу бітуму.
Як показник стабільності бітумів, модифікованих полімерами, при зберіганні прийнята різниця значень пенетрації, температури розм'якшеності та еластичності в’яжучого в нижньому і верхньому шарах посудини після її прогріву протягом 24 годин при температурі (180 ±5) °С, відносно до середнього значення цих показників, виражених у відсотках. Термостатуванню піддаються туби висотою близько 180 мм і діаметром 30-40 мм, заповнені за спеціальною методикою в’яжучим.
У процесі розшарування формуються дві системи, які різко відрізняються одна від одної. У верхній частині посудини формується система, що представлена переважно маслами як дисперсійне середовище і полімером як дисперсна фаза. Для цієї системи характерна більша пенетрація, дуже висока температура розм'якшеності і велика еластичність. Для цієї системи не виправдується характерне для бітуму правило, коли більша пенетрація відповідає меншій температурі розм'якшеності.
У нижній частині посудини зосереджується смолисто-асфальтенова система, збіднена маслами. Для такої системи характерно: підвищена в'язкість при температурі навколишнього повітря, менша, ніж для вихідного бітумополімерного в’яжучого (через малий вміст полімеру) і більша, ніж для вихідного бітуму, температура розм'якшеності (через більший вміст асфальтенів і меншого вмісту масел). У той же час ця система може мати помітну еластичність, що формується в бітумополімерній системі навіть при малому вмісті термоеластопласта СБС.
Наведені в табл.10.12 дані свідчать про те, що найбільшу стійкість проти розшарування модифікованому в’яжучому надає лінійний термоеластопласт Кратон Д-1101. При вмісті цього полімеру 3%, відхилення показників в’яжучого з верхнього і нижнього шару від середнього становить: для пенетрації 5%, температури розм'якшеності - 2%, еластичності - 6%. Для в’яжучого з 3% радіального СБС (Кратон 1186) ці показники рівні: по пенетрації - 54 %; температурі розм'якшеності - 71%; по еластичності 6%.
Таблиця 10.12
Вплив прогріву на зміну властивостей БМП у верхньому
та нижньому шарах циліндричної посудини
| Вид і кількість полімеру у в’яжучому | Показники | |||||
| Пенетрація при 25 °С, 1/10 мм | Температура розм'якшеності, °С | Еластичність при 25 °С, % | ||||
| Верх | Низ | Верх | Низ | Верх | Низ | |
| 1,5 % ДСТ-30-01 | 49,2 | |||||
| 3,0 % ДСТ-30-01 | >91 | 50,9 | ||||
| 5,0 ДСТ-30-01 | 60,0 | |||||
| 3 % ДСТ-30Р-01 | >80 | 45,8 | ||||
| 3 % Кратон1) Д-1101 | 48,0 | |||||
| 1,5 % Кратон2) Д-1101 | ||||||
| 3,0 Кратон2) Д-1101 | ||||||
| 5,0 % Кратон2) Д-1101 | ||||||
| 1,5 % Кратон Д-1186 | ||||||
| 3,0 % Кратон Д-1186 | ||||||
| 5,0 % Кратон Д-1186 | ||||||
| 2 % Елвалой АМ | ||||||
| 4 % Бутонал NS 198 | 54,5 | 49,5 |
Примітка:1 і 2 дві проби Кратон Д-1101
Підвищення вмісту полімеру приводить до збільшення розшарованості системи. Якщо БМП із 1,5% Кратон Д1101 практично не розшаровується, то розшарованість БМП з 5% цього полімеру становить: по пенетрації 97 %; по температурі розм'якшеності 33%; по еластичності - 71%. Це пояснюється більшою адсорбцією масел з бітуму і утворенням полімерномасляної системи у верхній частині посудини.
Стійкість проти розшаровування росте при використанні як матриці в’яжучого з більшим вмістом масел і малим вмістом асфальтенів. Як правило, це відповідає в’яжучим з низькою в'язкістю або великою пенетрацією. Підтвердженням цьому служать дані табл.10.13, які відносяться до бітумополімерів на основі бітумів БНД 90/130, БНД 60/90 і БНД 40/60. Особливо стійко проти розшарування в’яжуче на основі гудрону і 6 % СБС. У такому випадку великий об'єм низькомолекулярних вуглеводнів забезпечує рівномірний розподіл полімеру в дисперсійному середовищі, а малий вміст асфальтенів знижує ймовірність процесу седиментації.
Порівняння впливу різних полімерів на такі властивості бітумів як пенетрація, когезія та температура розм'якшеності з однієї сторони на стійкість БМП при зберіганні - з іншої дозволяє сформулювати правило, відповідно до якого, чим більше посилююча дія полімеру, тим більше БМП піддано розшаруванню. Це підтверджується експериментальними даними у відношенні Кратон Д-1101, Кратон Д-1186, латексу Бутонал NS 190 і Елвалоя АМ.
Таблиця 10.13
Вплив в'язкості вихідного бітуму на розшарованість БМП із 3 % СБС
| Вихідний Мозирський бітум | Пенетрація при 25 °С, 1/10 мм | Температура розм'якшеності, °С | Еластичність при 25 °С, % | |||
| Верх | Низ | Верх | Низ | Верх | Низ | |
| Гудрон | ||||||
| БНД 90/130 | ||||||
| БНД 60/90 | ||||||
| БНД 40/60 |
Другою технологічною особливістю БМП є кількісна відмінність характеристик їх в’язкості при високих температурах від характеристик вихідного бітуму. Це виражається в підвищенні їх в'язкості і зсуву температурної залежності в'язкості убік більших температур у порівнянні з вихідним бітумом (рис.10.38). Температурні залежності в'язкості дорожніх органічних в’яжучих, крім теоретичного значення, що полягає у використанні їх для визначення енергії активації процесів течії, мають і практичне значення, оскільки вони дозволяють визначити мінімально можливі температури нагрівання в’яжучих, при яких забезпечується якісне перемішування асфальтобетонних сумішей.
Загальноприйнятим критерієм у цьому випадку служить температура, що відповідає в'язкості 0,5 Па·с. Ця температура визначається як точка перетинання температурної залежності логарифма в'язкості із прямою, паралельною осі температур і в'язкості, що відповідає зазначеному значенню, (рис.10.38).
Зі збільшенням вмісту полімеру в'язкість БМП зростає і відповідно росте температура перемішування. У випадку лінійного СБС приріст температури БМП стосовно вихідного бітуму: при 3 % СБС - 15...18 °С, при 5 % СБС - 22...28 °С, при 7 % СБС - 30...38°С. Таким чином, температура розігріву модифікованого полімером бітуму БНД 40/60 може досягти 190 °С, а бітуму БНД 130/200 - 170 °С. Необхідність забезпечення високих технологічних температур на етапах одержання і ущільнення асфальтополімербетонних сумішей є однією із причин обмеження вмісту полімеру в БМП, тому що це приводить до перевитрати енергоресурсів, виникненню небезпеки старіння бітуму при змішуванні з полімером і необхідності забезпечення високої культури виробництва за рахунок застосування сучасного технологічного устаткування.
Рис.10.38. Температурна залежність в'язкості чистого бітуму БНД 60/90 (◊) і бітуму з 3 % лінійного СБС – (□), з 5% СБС - Δ, з 7% СБС –(○) (за даними D.A.GORDON і R. Behzad)
Дорожні бетони на основі бітумів, модифікованих полімерами, можуть класифікуватися як асфальтополімербетони. Найбільш ефективно властивості БМП позначаються на зсувостійкість асфальтополімербетонів. Саме необхідність підвищення стійкості проти колієутворення була в 60-ті роки двадцятого століття першопричиною підвищеного інтересу до БМП, а потім і їх широкого поширення.
Можливість забезпечити підвищену зсувостійкість асфальтобетонів за рахунок модифікації бітумів полімерами безпосередньо випливає із принципу відповідності властивостей цих матеріалів. З ростом когезійної міцності в’яжучого і зниженням його пенетрації за рахунок модифікації, росте міцність при зсуві асфальтополімербетону (рис. 10.39). Більше того, когезійна залежність міцності є загальною для асфальтобетонів і асфальтополімербетонів, тоді як залежність опору зсуву від температури розм'якшення індивідуальна для кожного із цих об'єктів. У той же час приріст опору зсуву відстає від приросту когезії: збільшення когезії в’яжучого у 5 разів приводить до збільшення опору бетону по зсуву в 2,3 рази.
Рис.10.39. Залежність міцності асфальтобетону при зсуві від: log пенетрації (1); когезії (2); температури розм'якшеності (3)
Це пов'язане з тим, що в асфальто- і в асфальтополімербетоні в’яжуче перебуває в структурованому мінеральною підкладкою стані, що знижує можливість повного проявлення в’яжучими своїх властивостей у наповнених системах, якими є асфальто- і полімербетони. Крім того, бетони є пористими системами, що також супроводжується ослабленням посилюючого впливу в'яжучого на формування їхньої міцності.
Об'єктивна оцінка впливу різних бітумополімерів і бітумів на зсувостійкість (і ін. механічні властивості) бетонів можлива тільки у випадку порівняння об'єктів з оптимальним вмістом в’яжучого. Під «оптимальним» розуміють такий його вміст, при якому забезпечується максимальне або мінімальне значення показника властивостей (наприклад: максимальна міцність, мінімальна деформативність при високих і максимальна деформативність при низьких температурах і ін.). Наведені на рис. 10. 40 графіки відносяться до асфальтобетонів на бітумах різної в’язкості і асфальтополімербетонів на цих же бітумах, модифікованих 3 % СБ С (табл. 10.10). Порівняння залежностей показує, що з ростом когезії бітумів і бітумополімеров (зменшенням їх пенетрації) максимальні значення міцності зсуву збільшуються, а оптимальний вміст в’яжучого, що їм відповідає, зміщується в область більших їхніх значень. При цьому оптимальний вміст в’яжучого для асфальтополімербетонів істотно вище, ніж бетонів, що приготовлені на бітумах, які використані для модифікації полімерами. Для прийнятого тут діапазону пенетрацій це збільшення досягає 0,5 %. Такий характер зміни оптимального вмісту бітуму відповідає правилу: чим вище консистенція (технологічна в'язкість, твердість, когезія) в’яжучого, тим більше товщина його плівки на поверхні кам'яних матеріалів і в міжзерновому просторі.
|
|
У повній якісній згоді з розглянутою вище залежністю між когезією в’яжучого та міцністю при зсуві асфальтобетону на його основі перебуває залежність міцності асфальтополімербетону від вмісту в бітумі полімеру (рис.10.41). Оскільки збільшення вмісту полімеру в бітумі від 1,5 до 10 % приводить майже до прямолінійного збільшення когезії БМП (табл.10.11), то відповідно і міцнісність при зсуві підпорядковується подібній залежності: збільшення когезії в’яжучого від 0,05 МПа до 0,18 МПа (3,6 рази) збільшує міцність бетону від 0,14 до 0,34 МПа (2,4 рази). Відставання темпу міцності при зсуві асфальтобетону від приросту когезії обумовлено причинами, наведеними вище. Також, як і в попередньому випадку, у міру збільшення вмісту полімеру у в’яжучому, тобто в міру наростання його когезійної міцності або зниження пенетрації, збільшується необхідне для забезпечення максимальної міцності бетону, на даному бітумі, вмісту в’яжучого . При переході від чистого бітуму до бітуму з 3 % СБС витрата в’яжучого зросте на 10-15 %, а при переході до БМП із 10% СБС його витрата збільшиться майже на 70%. Таким чином, одержання високоякісних асфальтобетонів за рахунок використання полімерів пов'язане з підвищенням їх вартості. У той час європейський досвід показує, що додаткові витрати при використанні полімерів компенсуються зменшенням витрат на експлуатацію і ремонт покриттів з таких асфальтобетонів.
Рис. 10.41. Вплив концентрації полімеру в модифікованому в’яжучому і вмісту модифікованих в’яжучих на міцність при зсуві асфальтобетону:
1 (◊)- бітум 90/130;2 (◊)- бітум 90/130 з 1,5 % СБС; 3 (◊)- бітум 90/130 з 3 % СБС; 4 (◊)- бітум 90/130 з 6 % СБС; 5 (◊)- бітум 90/130 з 10 % СБС
Вплив модифікації бітуму полімерами на низькотемпературні властивості асфальтобетону вивчено вкрай недостатньо. Причинами цього є відсутність загальновизнаного критерію тріщиностійкості й слабкий інтерес до цього аспекту поводження асфальтополімербетону, у зв'язку з досить м'якими зимовими умовами роботи асфальтобетонних покриттів у Західній Європі. Літературні дані, що присвячені цьому питанню, підтверджують висловлене вище твердження про те, що при відносно малих концентраціях полімеру в бітумі (до 3,0...3,5 %) зниження температури крихкості або механічного склування ні самого в’яжучого, ні асфальтобетону на його основі практично не спостерігається.
Після введення в мексиканський бітум з пенетрацією 180x0,1 мм при 25°С 6% полімеру типу СБС його пенетрація, згідно з X. Lu і V. Isacsony знижується в 2,04 рази, температура розм'якшеності зростає в I,87 рази, а температура крихкості знижується лише на 3°С (від мінус 17 до мінус 20°С). Температура руйнування асфальтобетону за рахунок внутрішніх температурних напружень при цьому знижується лише на 1°С. Набагато більше зниження температури руйнування має місце при переході від венесуельського бітуму з пенетрацією 84x0,1мм до бітуму того ж походження з пенетрацією 183x0,1мм. Воно становить 7°С.
Сприятливим фактором, що підвищує тріщиностійкість асфальтополімербетонів, є те, що наростання внутрішніх напружень у міру зниження температури в асфальтополімербетонах через релаксаційні процеси істотно нижче, ніж у звичайному асфальтобетоні. Максимальна різниця цих напружень у таких матеріалах, складає близько 0,7 МПа і відповідає температурі мінус 18 °С.
Більш виразний вплив полімеру виявлений F. Olard’oм при випробуванні бетону з діоритового відсіву, що містить 6 % в’яжучого і має залишкову пористість 3%. Залежності внутрішніх температурних напружень (рис. 10.42) показують, що максимальні напруження розтягнення в асфальтополімербетоні досягають 7, 2 МПа, тоді як для асфальтобетону вони на 1, 6 МПа менше. При цьому температура максимуму, міцності для асфальтополімербетону дорівнює мінус 30°С, а асфальтобетону мінус 20°С. Таке істотне розходження в значеннях температур, що відповідають максимальним напруження, обумовлених низькою структурованістю в’яжучого в суміші, що не містить мінерального порошку, і більшим вмістом полімеру (9 %) у в’яжучому.
|
Рис.10.42. Залежність внутрішніх напружень в асфальтобетоні на основі:
1 - чистого бітуму, 2 - полімербетону. (за даними F.Olard'а)
Вплив БМП на фізичні властивості асфальтополімербетонів вивчені
недостатньо. Найнебезпечнішими факторами фізичного впливу на асфальтобетони є зволоження і циклічне заморожування-відтавання. Відповідно до цього асфальтополімербетони, як і звичайні бетони, повинні бути водо- і
морозостійкими. Численними експериментами доведено, що між показниками цих властивостей існує тісний кореляційний зв'язок, оснований на близькій природі руйнування асфальтобетону під дією цих факторів. Її сутність полягає в тому, що вода відшаровує бітумну плівку, яка обволікає
кам'яні матеріали. З урахуванням цього методично доцільно спочатку
розглядати дію води, що відшаровує плівки бітуму, нанесеної на мінеральну поверхню, а потім вивчити її руйнуючу дію на асфальто- і асфальтополімербетон.
Відповідно до методики, що рекомендована в Україні державним стандартом (ДСТУ), зчеплення в’яжучого з мінеральною підкладкою (скляної або з будь-якої гірської породи) оцінюється за процентною часткою поверхні плівки в’яжучого, що залишились на пластині після витримування її протягом нормованого часу при заданій температурі. Загальні тенденції зміни зчеплення бітуму із твердою підкладкою у водному середовищі зводяться до наступного. Зчеплення підвищується: з ростом в'язкості бітумів, отриманих з однієї сировини за єдиною технологією; при введенні в бітуми поверхнево-активних речовин; при застосуванні карбонатних гірських порід; при підвищенні вмісту в основних магматичних гірських породах окислів важких і лужноземельних металів (30-50%).
Дослідження, що початі з метою з'ясування впливу полімерів на зчеплення в’яжучого у водному середовищі з інактивною гладкою і щільною підкладкою (склом) на водостійкість асфальтополімербетону, свідчать про наступне (табл. 10.14). Для кожної із групи полімерів, представлених термоеластопластом (СБС), каучуковим латексом (КЛТ) і терполімером (ЕЛВ), притаманний позитивний вплив на зчеплення. Це виражається в невеликому приросту зчеплення (6-11 %), для СБС і Елвалоя. Одночасно латекс сприяє різкому збільшенню зчеплення (на 48-52 %), що викликано наявністю в його складі катіоноактивних речовин.
Незважаючи на ріст зчеплення в’яжучого після модифікації його полімером, абсолютне зчеплення принаймні для СБС і ЕЛВ залишається досить низьким. Тому виникає необхідність перевірити ефективність використання ПАР в модифікованих в’яжучих.
До сьогодні у світі виконано всього кілька робіт такого плану. Це пов'язано з усталеною думкою, що бітумополімерні в’яжучі забезпечують високу водостійкість асфальтобетонів без додаткової їхньої активації ПАР. Така точка зору значною мірою відповідає істині, тому що БМП, як правило, є високов'язкими в’яжучими, для яких характерно підвищене зчеплення. Крім того, вони переводять частину вуглеводнів бітуму в смолистий стан, що супроводжується ростом адгезії в’яжучого.
Таблиця 10.14
Вплив полімерів і поверхнево-активних речовин на зчеплення в’яжучого із твердою підкладкою і тривалу водостійкість асфальтобетону
| Вид і склад в’яжучого | Властивості в’яжучого | Водостійкість асфальтобетону | |||||
| П25, 0,1 мм | Тр, °С | Е25, % | С, % | через 15 діб | через 30 діб | водонасичення, % | |
| Бітум БНД 130/200 | 0,79 | 0,74 | 8,4 | ||||
| 130/200 +3 % СБС | 0,84 | 0,79 | 7,9 | ||||
| 130/200 + 3,5 % КЛТ | 0,84 | 0,79 | 8,1 | ||||
| 130/200 + 1,7 % ЕЛВ | 0,85 | 0,80 | 6,5 | ||||
| 130/200 +3 % СБС+0,7 ПАР | 0,88 | 0,84 | 7,3 | ||||
| 130/200+3,5 % КЛТ+0,7 ПАР | 0,87 | 0,83 | 7,5 | ||||
| 130/200+1,7 % ЕЛВ+0,7 ПАР | 0,89 | 0,85 | 6,2 | ||||
| Бітум 90/130 | 0,77 | 0,72 | 7,8 | ||||
| 90/130 +3 % СБС | 0,82 | 0,77 | 7,3 | ||||
| 90/130 + 3,5 % КЛТ | 0,81 | 0,76 | 7,5 | ||||
| 90/130 + 1,7 % ЕЛВ | 0,82 | 0,77 | 7,1 | ||||
| 90/130 +3 % СБС+0,7 % ПАР | 0,85 | 0,81 | 6,9 | ||||
| 90/130 +3,5 % КЛТ + 0,7 ПАР | 0,84 | 0,79 | 7,3 | ||||
| 90/130 +1,7 % ЕЛВ +0,7 ПАР | 0,85 | 0,81 | 6,7 |
Представлені в табл.10.14 результати однієї з останніх робіт ХНАДУ по проблемі зчеплення свідчать про те, що бітумополімерна матриця не перешкоджає вільному розподілу в ній молекул ПАР. Більше того, можна говорити про певний рівень синергізму дії полімерів і ПАР, тобто про їхній взаємодоповнюючий вплив. У результаті цього зчеплення всіх модифікованих в’яжучих на основі бітумів двох марок БНД 90/130 і БНД 130/200 піднімається до дуже високого рівня 90-99 %. Це свідчить про високу ефективність активаційної спроможністі ПАР в БМП. Більш повне уявлення про роль ПАР в підвищенні адгезійної активності БМП може бути отримане при розгляді водостійкості асфальтобетону.
В якості критерію здатності асфальтобетону чинити опір руйнівній дії води використані коефіцієнти водостійкості, що визначається після 15 і 30 доби водонасичення. Введення в бітум кожного із трьох вище згаданих полімерів приводить до істотного росту коефіцієнтів водостійкості як після 15 добового (0,05..0,06), так і 30 добового водонасичення (0,05...0,06). Звичайно такий приріст водостійкості виявляється в результаті підвищення зчеплення в'яжучого із пластиною на 25...35 %. Реальний приріст зчеплення склав для випадку використання як модифікаторів СБС і Елвалоя відповідно 6 і 11 %, у випадку ж катіонактивного латексу приріст відповідав 52 %. Отримані значення коефіцієнтів водостійкості після 15 діб водонасичення трохи поступаються тим, що нормуються стандартом для асфальтобетонів на в’язких бітумах з пенетрацією 40...90х0,1 мм.
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.