Модификация асфальтобетона полимерами методом «сухого ввода»: технология и результаты исследований

Введение

За последние годы качество материалов и работ по обустройству дорожной одежды в странах Европы, Азии, СНГ, Америки и Африки существенно улучшилось. Это в значительной степени связано с внедрением новых технологий, стандартов и использованием современных строительных материалов, обеспечивающих долговечность и надежность дорожного покрытия. Однако, учитывая климатические изменения и растущую интенсивность транспортных нагрузок, вопрос обеспечения стабильности и температуростойкости асфальтобетонных покрытий становится все более актуальным.

Проблемы, связанные с физическими и химическими свойствами битумов, используемыми в качестве связующего элемента в асфальтобетонных смесях, нуждаются в углубленных исследованиях и новых технологических подходах. Модификация битума полимерами и другими добавками может существенно повысить стойкость асфальтобетонного покрытия к внешним воздействиям, таким как температурные колебания, воздействие влаги и механические нагрузки. Этот вопрос неоднократно поднимался в различных научных публикациях, таких как «Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances» (Applied Sciences) и «Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами» (Аюпов Д. А., Потапова Л. И.) и многих других. Однако, как свидетельствуют научные исследования, особенности битумов, произведённых методом дистилляции, либо значительно усложняют его модификацию, либо делают её практически невозможной. Также непостоянство показателей битумов и несоответствие паспортным характеристикам требуют поиска альтернативных решений для получения качественного асфальтобетонного покрытия.

Цель работы

Целью этой работы является привлечение внимания экспертов и специалистов отрасли дорожного строительства к альтернативной технологии модификации асфальтобетонных смесей, которая позволяет достигать стабильных эксплуатационных характеристик покрытия вне зависимости от нестабильности свойств исходного битума. Особое внимание уделено применению полимерных добавок, которые могут компенсировать недостатки современных битумов, особенно полученных дистилляционным методом, в частности, их низкую способность к модификации полимерами. Эта технология призвана обеспечить стабильность и продолжительность эксплуатации дорожных покрытий в условиях значительных температурных колебаний и повышенных нагрузок от транспорта.

Исследования направлены на поиск оптимального процесса модификации полимерами, который обеспечит необходимые физико-механические характеристики асфальтобетона, износостойкость и длительный срок эксплуатации дорожной одежды. Не считая того, принципиальной целью является упрощение процесса модификации и снижение издержек на создание качественных покрытий.

Активное развитие дорожно-строительной отрасли в развивающихся и развитых странах мира и увеличение объемов строительства автомобильных дорог требует значительного улучшения качества материалов, используемых в процессе укладки асфальтобетонных покрытий. Среди основных компонентов, определяющих долговечность дорожного покрытия, немаловажную роль играет асфальтобетонная смесь. Она должна не только выдерживать динамические нагрузки от транспорта, но и демонстрировать устойчивость к резким изменениям температуры, влиянию атмосферных осадков и другим агрессивным факторам внешней среды.

Ключевым элементом, определяющим свойства асфальтобетонных смесей, является битум, выполняющий функцию вяжущего материала, обеспечивая сцепление между частицами минеральных компонентов. Однако с углублением научных исследований в этой сфере было обнаружено, что качество исходного битума не всегда отвечает необходимым стандартам. Это обусловлено не только характеристиками самого сырья, но особенностями его производства, особенно при использовании битумов, полученных методом дистилляции на нефтеперерабатывающих заводах.

Битум как коллоидная система состоит из разнообразных химических соединений, которые обладают определенными свойствами и формируют его структуру. В зависимости от количественного соотношения этих компонентов, битум может иметь разную физическую структуру. Наиболее общепринятая модель битума описывает его как коллоидный раствор, в котором большие молекулярные структуры (мицеллы) связаны между собой посредством слабых водородных связей. Мицеллы образуются из асфальтеновых молекул, которые являются наиболее твердой частью битума, тогда как их наружная поверхность стабилизируется смолами. Это обеспечивает структурную стойкость битума в коллоидной фазе.

На основе этой модели выделяют три основных структурных типа битума: «золь», «золь-гель» и «гель». Каждый из этих типов имеет свои специальные физико-химические характеристики. Например, битумы типа «золь» характеризуются высоким содержанием асфальтенов, делающих структуру битума более жесткой и хрупкой. В то же время битумы структуры «гель» отличаются более редкой консистенцией, поскольку имеют высокое содержание масел и смол. Наиболее оптимальными для применения в производстве полимер-битумных связующих (ПБВ) являются битумы типа «золь-гель», поскольку они сочетают лучшие свойства обоих типов и обладают сбалансированными физико-механическими характеристиками.

Несмотря на это, процесс модификации битумов полимерами часто сталкивается с рядом затруднений. Одной из главных проблем является конкуренция между асфальтенами и полимерами за мальтеновую часть битума, которая является основной дисперсионной средой модификации. Во время этого процесса полимеры, вводимые в состав битума, должны приобрести стабильную дисперсионную фазу в среде, которая уже занята молекулами асфальтенов. Это существенно усложняет процесс набухания полимера и снижает эффективность модификации. Особенно это проявляется в случае битумов полученных дистилляционным методом, имеющих более низкое содержание асфальтенов, что делает их менее пригодными для модификации.

Для успешной модификации битумов полимерами необходимо обеспечить, чтобы исходный битум обладал оптимальными свойствами. В частности важно, как пример, чтобы глубина проникновения иглы при температуре 25 °C составляла от 60 до 90 мм⁻¹ для климата Восточной Европы. Однако реалии нефтеперерабатывающей промышленности заставляют производителей максимально использовать легкие фракции нефти, оставляя битум как остаточный продукт, что часто приводит к ухудшению его качества.

Технологии переработки нефти постоянно совершенствуются, позволяя максимально извлекать из сырья ценные светлые нефтепродукты — бензин, дизельное топливо, авиационный керосин, которые намного более дорогостоящие, чем битум. Современные методы, такие как глубокая переработка, гидрокрекинг и термическое крекирование, значительно увеличивают выход моторных топлив. Однако побочным эффектом этого процесса становится ухудшение качества битума, поскольку он остаётся остаточным продуктом с изменёнными структурными характеристиками.

Ранее битум получали преимущественно прямой перегонкой, что обеспечивало ему сбалансированный состав и стабильные эксплуатационные свойства. Сейчас же в производстве преобладают деструктивные процессы, при которых из нефти удаляются наиболее ценные компоненты, а оставшийся битум характеризуется низким содержанием высокомолекулярных соединений, нестабильностью структуры и повышенной склонностью к старению. Кроме того, всё чаще нефтеперерабатывающие заводы используют сырьё с высокой парафинистостью, что дополнительно снижает эластичность битума и ухудшает его адгезионные свойства. Особенно проблемными являются битумы, полученные методом дистилляции без последующего окисления. Они плохо взаимодействуют с полимерами, такими как СБС, поскольку содержат недостаточное количество асфальтенов, необходимых для формирования устойчивой сетчатой структуры. В результате полимерная модификация требует дополнительных пластификаторов и стабилизаторов, повышенного расхода полимеров или комбинированных и дорогих решений для достижения нужных эксплуатационных характеристик. По сути, это делает модификацию битума крайне сложной и экономически нецелесообразной, т. к. финансовые затраты и технические риски не перекрываются возможным результатом.

В таких условиях дорожные службы и производители асфальтобетонных смесей вынуждены искать эффективные добавки и технологии, компенсирующие недостатки современного битума и обеспечивающие долговечность дорожного покрытия.

Рынок и результаты исследований

В последние годы спрос на дорожный битум в странах Европы, СНГ и Средней Азии значительно вырос, особенно в связи с реализацией масштабных инфраструктурных проектов, таких как строительство новых автомобильных дорог и реконструкция существующих транспортных артерий. Если в 2017 году общая потребность дорожной отрасли в битумах только в одной стране – Украине составляла около 350-400 тысяч тонн в год, то уже в 2021 году этот показатель вырос до 1,2-1,4 миллионов тонн. Рост спроса на битум привел к активному импорту дистилляционных битумов из стран Южной Европы и Азии. Однако эти битумы часто обладают свойствами, значительно отличающимися от требований стандартов, особенно во время модификации полимерами.

В течение 2021-2024 годов группа компетентных экспертов провела более 90 испытаний различных образцов битума, производимых в Италии, Испании, Греции, Польше, Азербайджане, Иране и других странах. Обобщенные результаты этих исследований выявили серьезные проблемы с соответствием заявленных характеристик битума реальным показателям, в частности, по температуре размягчения и пенетрации. Более того, не была установлена четкая зависимость между начальными характеристиками битума и результатами модификации. Важно, что некоторые образцы вообще не подвергались модификации, даже при увеличении количества полимера и времени процесса модификации. Кроме того, готовая асфальтобетонная смесь иногда демонстрировала непредсказуемые физико-механические свойства, что требовало постоянной корректировки процесса модификации.

Еще одной проблемой, возникающей в процессе производства полимер-битумных вяжущих, является расслоение битума при хранении и транспортировке. Это приводит к тому, что при использовании битума для укладки дорожного покрытия его свойства могут существенно отличаться от исходных, что отрицательно сказывается на качестве асфальтобетонной смеси. Хуже всего, что сотрудникам асфальтных заводов и лабораторий очень часто нужно принимать сложные решения быстро, не имея достаточно времени на тесты и лабораторные испытания.

Альтернативой модификации битума является технология модификации асфальтобетонной смеси методом «сухого ввода», как конечного продукта, с добавлением полимерной добавки, например «ПКМ» VELETON™, непосредственно в асфальтосмеситель, отвечающий требованиям ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 и другим.

Эта технология уже давно распространена и активно применяется дорожно-строительной отраслью передовых стран Европы и Азии, а также США и имеет определенные преимущества по сравнению с традиционной модификацией битума, а именно:

1. Качество и физико-механические свойства конечного продукта – асфальтобетонной смеси, не существенно зависят от качества битума и его способности к модификации полимерами. Причина в том, что полимерная добавка «сухого ввода» работает с компонентами смеси, а именно со щебнем, в результате чего асфальтобетонная смесь получает прочные полимерные связи между компонентами, которые можно представить как полимерную 3D-решетку.
2. Существенно упрощается процесс изготовления асфальтобетонной смеси, потому что не требуется сложное и дорогостоящее оборудование для модификации битума полимерами, как коллоидная мельница и высокоскоростные мешалки. Также производитель существенно экономит время, потому что битум можно использовать сразу без типовой модификации 8-12 часов (как добавками типа СБС).
3. Нет необходимости существенно выгревать битум (выше температур 165-170 °C), что не приводит к его быстрому окислению и старению.
4. Результаты использования добавки «сухого ввода» ПКМ всегда прогнозируемы и математически рассчитаны, в зависимости от типа АБС и количества полимера в смеси.

Таблица 1 — анализ использования добавки «сухого ввода» на примере Украины в период 2020-2024 годов показывает следующие результаты:

Таблица 2 — результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных определение количества циклов нагрузки до разрушения образцов изучаемых асфальтобетонов с добавкой. Температура: Т = +20 °C.

Полученные данные (Таблица 2) указывают, что теоретические расчеты согласовываются с экспериментальными данными. Это свидетельствует о возможности использования данных зависимостей в практических расчетах для обеспечения или прогнозирования долговечности асфальтобетонного покрытия на автомобильных дорогах и мостах от воздействия температуры и нагрузки транспортных средств, а также спрогнозировать его изменения во время эксплуатации в течение заданного промежутка времени.

Опыт использования ведущими дорожно-строительными компаниями стран Европы, СНГ и Средней Азии показал высокие, а главное повторяющиеся результаты, высокую устойчивость к нагрузкам, морозостойкость и сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий. Результаты тестов показывают, что асфальтобетонная смесь по всем показателям отвечает требованиям ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 и другим.