УДК 691.16

Анализ методов улучшения свойств битумов для применения в асфальтобетоне

Грачева Ольга Михайловна – студент Строительного факультета Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Аннотация: В данной статье произведен анализ методов, направленных на улучшение свойств битумов для применения в асфальтобетоне. Рассмотрение этих методов позволяет понять их эффективность и возможность их применения в дорожной отрасли. Работа содержит информацию по применению добавок, которые позволяют улучшить качество битума. Также затронуты негативные стороны использования данных методов. В статье рассматриваются потенциальные риски, связанные с применением добавок и модификации битумов. В работе рассмотрен пример полимерной модификации битумного вяжущего, которая привела к значительному улучшению свойств битума. Сделаны выводы, отображающие преимущества для дорог при использовании битумных вяжущих с улучшенными свойствами.

Ключевые слова: битум, битумное вяжущее, улучшение свойств, модификация вяжущих, свойства битумных вяжущих, добавка, асфальтобетон.

Количество транспорта, как легкового, так и грузового с каждым годом возрастает, соответственно увеличивается нагрузка на дорожное полотно. Новые дороги приходится ремонтировать спустя 3-4 года, так как они уже не пригодны для комфортного движения транспорта. Поэтому необходимо постоянно разрабатывать пути решения улучшения качества и увеличения долговечности и межремонтных сроков дорог. В нашей стране преимущественно дороги имеют асфальтобетонное покрытие, а для производства асфальтобетонных смесей применяется битум. Если один из компонентов асфальтобетонной смеси будет улучшен, это улучшит и свойства уложенного асфальтобетонного покрытия, что приведет в итоге к повышению качества и увеличению долговечности отечественных дорог.

В целом самим битумом принято считать органическое вяжущее вещество, которое является сложной смесью из многообразных по химическому строению углеродов, как жидких, так и твердых, а также их производных.

Для улучшения свойств битумных вяжущих необходимо усложнить их состав, преобразовать структуру собственно вяжущих (класс битума по составу) химическими добавками в количестве до 10% к массе. Также улучшить свойства битумов можно получением составленных вяжущих, образующихся при смешении вяжущих в пропорциях от (10-90) % до (90-10) %.

Самым распространённым способом регулирования свойств битумов является применение полимерных добавок (полиэтилена, полипропилена, этиленвинилацетата и других). Стоит отметить, что в России, также, как и в Европе, самым распространённым полимером, используемым в роли химической добавки в битумное вяжущее, является стирол-бутадиен-стирол, который может вводиться в состав смеси в виде твердого вещества (порошка или гранул) или же в виде жидкости (эмульсии либо раствора).

Основной метод улучшения свойств, вяжущих – это модифицирование, в результате которого получают модифицированные вяжущие вещества. Модифицирование – процесс изменения структуры исходного вяжущего добавкой специальных химических веществ, называемых модификаторами – веществами, улучшающими пластические свойства битумов, то есть снижающими их жесткость. К модификаторам относят, например, полимерные вещества, ПАВ, неорганические вяжущие, а также органические вещества с высокой температурой кипения. К модификации битумов относится следующее:

- пластификация: добавление специальных добавок (пластификаторов) для улучшения пластичности, эластичности и укрепления битума;

- полимерная модификация: добавление полимерных материалов, таких как стирол-бутадиеновые блок-сополимеры (СБС) и эластомеры, для улучшения прочностных и эластичных свойств битума;

- модификация с использованием наночастиц: добавление наноматериалов, таких как нанокремний, наноглины и других, для улучшения физико-механических свойств и устойчивости битума к увлажнению.

Пластификация битумов – это добавление специальных пластификаторов, которые позволяют снизить вязкость битума и улучшить его текучесть. Это позволяет значительно улучшить свойства асфальтобетона. В результате пластификации повышается текучесть битума и асфальтобетонной смеси, что облегчает и улучшает их обработку и формование. Кроме того, пластифицированные битумы и асфальтобетоны обладают более высокой эластичностью, устойчивостью к интенсивному движению и улучшенными адгезионными свойствами, что способствует повышению долговечности дорожного покрытия.

Полимерная модификация битумов также приводит к значительному улучшению свойств асфальтобетона. Полимеры добавляются в битум с целью улучшения его эластичности, адгезии к минеральным веществам и устойчивости к ультрафиолетовому излучению и окружающей среде. Это позволяет увеличить долговечность и устойчивость дорожного покрытия к механическим нагрузкам и агрессивным факторам. Полимерная модификация также повышает устойчивость асфальтобетона к термическим циклам и значительно снижает его склонность к образованию трещин. Но стоит отметить, что одной из главных проблем модификации битума полимерами является высокая стоимость. Добавление полимеров в битум требует значительных затрат на приобретение самого полимера и оборудования для его смешивания и нанесения. Это может привести к значительному увеличению стоимости строительных и дорожных работ.

В своей работе Тютюнщнков Н.В. выяснил, как влияет модифицирующие добавки (смеси олигокапроамидов – Олиг., олигомеров циклического и линейного строения – ОЦС и ОЛС) на физико-механические свойства битумов, результаты, полученные в ходе работы отображены в таблице 1.

Таблица 1.

 Полученные в ходе работы Тютюнщнкова Н.В. данные говорят о том, что при внедрении добавок увеличивается пенетрация вяжущего при 25 ˚С, показатель растяжимости (деформативность) увеличивается при 0 ˚С, увеличивается температура размягчения приблизительно на 11 ˚С, понижается температура хрупкости до -31 ˚С, что расширяет диапазон температур, при котором эффективно применение данного модифицированного вяжущего вещества.

Модификация с использованием наночастиц – это относительно новая методика, которая также позволяет улучшить свойства битумных вяжущих и асфальтобетона. Добавление наночастиц в битум и асфальтовую смесь может улучшить их механические свойства, такие как прочность, устойчивость к утомлению и трещинообразованию. Наночастицы также способны улучшить адгезию между битумом и минеральными веществами, что повышает стойкость дорожного покрытия к деформациям и отслоениям.

Еще одним методом улучшения и регулирования свойств битумов являются порошкообразные добавки. Например, добавление минеральных порошков (известняка, доломита, кварцевого песка и других) для формирования структуры и улучшения адгезии между битумом и заполнителями. Также такими добавками можно считать стекловолокно и стекловолокнистые материалы для усиления армирующих свойств битумов.

Добавка порошкообразных материалов, таких как каолин или глина, способствует улучшению различных свойств битума. Во-первых, это улучшение реологических характеристик, таких как вязкость и пластичность. Порошкообразные добавки могут усилить структуру битума, делая его более устойчивым к деформации и снижая его текучесть при повышенных температурах. К негативной стороне применения таких добавок можно отнести то, что они могут вымываться, что в свою очередь приведет к ухудшению, а не улучшению характеристик битума.

Введение стекловолокнистых материалов, таких как стекловолокно или стекловолокнистые листы, также способствует улучшению свойств битума. Стекловолокно добавляется в битум для усиления его структуры и повышения его прочности. Это позволяет битуму лучше сопротивляться разрывам и трещинам, что существенно продлевает его срок службы. Кроме того, стекловолокнистые материалы также способствуют улучшению адгезии битума к поверхностям, что важно для дорожного строительства. Введение стекловолокна в битум также имеет и свои негативные стороны. Стекловолокно может замедлить процесс затвердевания битума, что может вызвать задержки в строительстве.

Следует отметить, что добавки порошкообразных и стекловолокнистых материалов могут также повысить устойчивость битума к ультрафиолетовому излучению, окислительному воздействию и другим негативным факторам окружающей среды. Они сокращают воздействие агрессивных сред на битум и способствуют его долговечности.

Подводя итоги, хочется указать, что улучшение свойств битумных вяжущих различными методами позволяет достичь следующих преимуществ для дорог:

1. Повышенная устойчивость к деформациям: битумы с улучшенными свойствами обладают повышенной вязкостью и эластичностью, что позволяет снизить вероятность деформации дороги под воздействием тяжелых нагрузок.
2. Улучшенное сцепление с асфальтобетонными материалами: способность обеспечить лучшую адгезию между асфальтобетонной смесью и грунтом, повышая прочность и долговечность покрытия.
3. Увеличенная устойчивость к трещинам: битумные вяжущие с улучшенными свойствами, позволяет снизить вероятность трещинообразования и образования полых мест на дороге.
4. Улучшенная стойкость к атмосферному воздействию: способность лучше удерживать свои свойства при высоких температурах, а также при воздействии влаги и ультрафиолетового излучения.
5. Продолжительный срок службы: благодаря улучшенным свойствам битумов, дороги с такими покрытиями, где в состав асфальтобетонной смеси входит данное вяжущее, имеют долгий срок службы, что позволяет направить средства, ранее идущие на быстронаступающий после строительства ремонт, на развитие, к примеру, той же дорожной отрасли в нашей стране.

Список литературы

1. Тютюнщнков Николаи Викторович, Дорожный асфальтобетон на основе битумного вяжущего, модифицированного олигомерными отходами поликапроамида, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ФБОУ высшего образования «Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет», 2004.
2. Андреев Андрей Анатольевич, Прогнозирование свойств СБС-модифицированных битумных вяжущих в зависимости от качества битумной основы, полученной на различных НПЗ, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ФБОУ высшего образования «Самарский государственный технический университет», 2022.
3. Д.А. Аюпов, инженер, А.В. Мурафа, канд. техн. наук, Д.Б. Макаров, канд. техн. наук, Ю.Н. Хакимуллин, д-р техн. наук, В.Г. Хозин, д-р техн. наук, Наномодифицированные битумные вяжущие для асфальтобетона, ФБОУ высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», 2010.
4. Ярцев, В. П. Битумные композиты : учебное пособие для студентов, обучающихся по специальностям 270102, 270105, 270205 / В. П. Ярцев, А. В. Ерофеев. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014. – 80 с. – 50 экз.
5. Галдина В.Д. Модифицированные битумы: учебное пособие. – Омск: СибАДИ, 2009. – 228 с.
6. Х.Х. Ахмадова, Ж. Т. Хадисова, Л.Ш. Махмудова, З. А. Абдулмежидова, М. А. Мусаева, Основные способы модификации битумов различными добавками, Вестник ГГНТУ. Технические науки, том XV, № 3 (17), 2019 – С.42-56.