Модифікація асфальтобетону полімерами методом «сухого введення»: технологія та результати досліджень

Вступ

За останні роки якість матеріалів і робіт з улаштування конструкції дорожнього одягу в країнах Європи, Азії, СНД, Америки та Африки суттєво покращилася. Значною мірою це пов’язано з упровадженням нових технологій, стандартів і використанням сучасних будівельних матеріалів, які забезпечують довговічність і надійність дорожнього покриття. Проте з огляду на кліматичні зміни та зростання інтенсивності транспортних навантажень питання забезпечення стабільності й температурної стійкості асфальтобетонних покриттів стає дедалі актуальнішим.

Проблеми, пов’язані з фізичними та хімічними властивостями бітумів, які використовують як в’яжучий елемент в асфальтобетонних сумішах, потребують поглиблених досліджень і нових технологічних підходів. Модифікація бітуму полімерами та іншими добавками може суттєво підвищити стійкість асфальтобетонного покриття до зовнішніх впливів, таких як температурні коливання, дія вологи та механічні навантаження. Це питання неодноразово порушували в різних наукових публікаціях, таких як «Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances» (Applied Sciences) та «Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами» (Аюпов Д. А., Потапова Л. І.), і в багатьох інших. Однак, як свідчать наукові дослідження, особливості бітумів, вироблених методом дистиляції, або значно ускладнюють їхню модифікацію, або роблять її практично неможливою. Також непостійність показників бітумів і їхня невідповідність паспортним характеристикам змушують шукати альтернативні рішення для отримання якісного асфальтобетонного покриття.

Мета роботи

Мета цієї роботи полягає в тому, щоб привернути увагу експертів і фахівців галузі дорожнього будівництва до альтернативної технології модифікації асфальтобетонних сумішей, яка дає змогу досягати стабільних експлуатаційних характеристик покриття незалежно від нестабільності властивостей вихідного бітуму. Особливу увагу приділено застосуванню полімерних добавок, які можуть компенсувати недоліки сучасних бітумів, особливо отриманих дистиляційним методом, зокрема їхню низьку здатність до модифікації полімерами. Ця технологія покликана забезпечити стабільність і тривалість експлуатації дорожніх покриттів в умовах значних температурних коливань і підвищених навантажень від транспорту.

Дослідження спрямовані на пошук оптимального процесу модифікації полімерами, який забезпечить необхідні фізико-механічні характеристики асфальтобетону, зносостійкість і тривалий строк експлуатації конструкції дорожнього одягу. Крім того, принциповою метою є спрощення процесу модифікації та зниження витрат на створення якісних покриттів.

Активний розвиток дорожньо-будівельної галузі в країнах світу, що розвиваються, і в розвинених країнах та збільшення обсягів будівництва автомобільних доріг вимагають значного покращення якості матеріалів, які використовують під час укладання асфальтобетонних покриттів. Серед основних компонентів, що визначають довговічність дорожнього покриття, чималу роль відіграє асфальтобетонна суміш. Вона має не лише витримувати динамічні навантаження від транспорту, а й демонструвати стійкість до різких змін температури, впливу атмосферних опадів та інших агресивних чинників зовнішнього середовища.

Ключовим елементом, що визначає властивості асфальтобетонних сумішей, є бітум, який виконує функцію в’яжучого матеріалу, забезпечуючи зчеплення між частинками мінеральних компонентів. Однак із поглибленням наукових досліджень у цій сфері було виявлено, що якість вихідного бітуму не завжди відповідає необхідним стандартам. Це зумовлено не лише характеристиками самої сировини, а й особливостями його виробництва, особливо коли використовують бітуми, отримані методом дистиляції на нафтопереробних заводах.

Бітум як колоїдна система складається з різноманітних хімічних сполук, які мають певні властивості й формують його структуру. Залежно від кількісного співвідношення цих компонентів бітум може мати різну фізичну структуру. Найпоширеніша модель бітуму описує його як колоїдний розчин, у якому великі молекулярні структури (міцели) пов’язані між собою слабкими водневими зв’язками. Міцели утворюються з молекул асфальтенів, які є найтвердішою частиною бітуму, тоді як їхню зовнішню поверхню стабілізують смоли. Це забезпечує структурну стійкість бітуму в колоїдній фазі.

На основі цієї моделі виділяють три основні структурні типи бітуму: «золь», «золь-гель» і «гель». Кожен із цих типів має свої специфічні фізико-хімічні характеристики. Наприклад, бітуми типу «золь» характеризуються високим вмістом асфальтенів, які роблять структуру бітуму жорсткішою та крихкішою. Водночас бітуми структури «гель» відрізняються рідшою консистенцією, оскільки мають високий вміст олив і смол. Найпридатнішими для виробництва полімерно-бітумних в’яжучих (ПБВ) є бітуми типу «золь-гель», оскільки вони поєднують найкращі властивості обох типів і мають збалансовані фізико-механічні характеристики.

Попри це, процес модифікації бітумів полімерами часто стикається з низкою труднощів. Однією з головних проблем є конкуренція між асфальтенами й полімерами за мальтенову частину бітуму, яка є основним дисперсійним середовищем модифікації. Під час цього процесу полімери, які вводять до складу бітуму, мають набути стабільної дисперсійної фази в середовищі, яке вже зайняте молекулами асфальтенів. Це суттєво ускладнює процес набухання полімеру та знижує ефективність модифікації. Особливо це проявляється у випадку бітумів, отриманих дистиляційним методом, які мають нижчий вміст асфальтенів, що робить їх менш придатними для модифікації.

Для успішної модифікації бітумів полімерами необхідно, щоб вихідний бітум мав оптимальні властивості. Зокрема, важливо, наприклад, щоб глибина проникнення голки за температури 25 °C становила від 60 до 90 мм⁻¹ для клімату Східної Європи. Однак реалії нафтопереробної промисловості змушують виробників максимально використовувати легкі фракції нафти, залишаючи бітум як залишковий продукт, що часто призводить до погіршення його якості.

Технології переробки нафти постійно вдосконалюються, даючи змогу максимально вилучати із сировини цінні світлі нафтопродукти — бензин, дизельне пальне, авіаційний гас, які набагато дорожчі за бітум. Сучасні методи, такі як глибока переробка, гідрокрекінг і термічний крекінг, значно збільшують вихід моторних палив. Однак побічним ефектом цього процесу стає погіршення якості бітуму, оскільки він залишається залишковим продуктом зі зміненими структурними характеристиками.

Раніше бітум отримували переважно прямою перегонкою, що забезпечувало йому збалансований склад і стабільні експлуатаційні властивості. Нині ж у виробництві переважають деструктивні процеси, за яких з нафти вилучають найцінніші компоненти, а бітум, що залишається, характеризується низьким вмістом високомолекулярних сполук, нестабільністю структури та підвищеною схильністю до старіння. Крім того, нафтопереробні заводи дедалі частіше використовують сировину з високою парафінистістю, що додатково знижує еластичність бітуму й погіршує його адгезійні властивості. Особливо проблемними є бітуми, отримані методом дистиляції без подальшого окиснення. Вони погано взаємодіють із полімерами, такими як СБС, оскільки містять недостатню кількість асфальтенів, необхідних для формування стійкої сітчастої структури. Як наслідок, полімерна модифікація потребує додаткових пластифікаторів і стабілізаторів, підвищеної витрати полімерів або комбінованих і дорогих рішень для досягнення потрібних експлуатаційних характеристик. По суті, це робить модифікацію бітуму вкрай складною та економічно недоцільною, оскільки фінансові витрати й технічні ризики не перекриваються можливим результатом.

У таких умовах дорожні служби та виробники асфальтобетонних сумішей змушені шукати ефективні добавки й технології, які компенсують недоліки сучасного бітуму та забезпечують довговічність дорожнього покриття.

Ринок і результати досліджень

Останніми роками попит на дорожній бітум у країнах Європи, СНД і Середньої Азії значно зріс, особливо у зв’язку з реалізацією масштабних інфраструктурних проєктів, таких як будівництво нових автомобільних доріг і реконструкція наявних транспортних артерій. Якщо у 2017 році загальна потреба дорожньої галузі в бітумах лише в одній країні – Україні становила близько 350-400 тисяч тонн на рік, то вже у 2021 році цей показник зріс до 1,2-1,4 мільйона тонн. Зростання попиту на бітум призвело до активного імпорту дистиляційних бітумів із країн Південної Європи та Азії. Однак ці бітуми часто мають властивості, що значно відрізняються від вимог стандартів, особливо під час модифікації полімерами.

Протягом 2021-2024 років група компетентних експертів провела понад 90 випробувань різних зразків бітуму, вироблених в Італії, Іспанії, Греції, Польщі, Азербайджані, Ірані та інших країнах. Узагальнені результати цих досліджень виявили серйозні проблеми з відповідністю заявлених характеристик бітуму реальним показникам, зокрема за температурою розм’якшення та пенетрацією. Ба більше, не було встановлено чіткої залежності між початковими характеристиками бітуму та результатами модифікації. Важливо, що деякі зразки взагалі не піддавалися модифікації, навіть за збільшення кількості полімеру й часу процесу модифікації. Крім того, готова асфальтобетонна суміш іноді демонструвала непередбачувані фізико-механічні властивості, що вимагало постійного коригування процесу модифікації.

Ще однією проблемою, що виникає у процесі виробництва полімерно-бітумних в’яжучих, є розшарування бітуму під час зберігання та транспортування. Це призводить до того, що під час використання бітуму для укладання дорожнього покриття його властивості можуть суттєво відрізнятися від вихідних, а це негативно позначається на якості асфальтобетонної суміші. Найгірше те, що працівникам асфальтобетонних заводів і лабораторій дуже часто доводиться ухвалювати складні рішення швидко, не маючи достатньо часу на тести й лабораторні випробування.

Альтернативою модифікації бітуму є технологія модифікації асфальтобетонної суміші як кінцевого продукту методом «сухого введення», з додаванням полімерної добавки, наприклад Veleton™ MPC, безпосередньо в асфальтозмішувач, що відповідає вимогам ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 та інших.

Ця технологія вже давно поширена й активно застосовується дорожньо-будівельною галуззю передових країн Європи та Азії, а також США, і має певні переваги порівняно з традиційною модифікацією бітуму, а саме:

1. Якість і фізико-механічні властивості кінцевого продукту – асфальтобетонної суміші, істотно не залежать від якості бітуму та його здатності до модифікації полімерами. Причина в тому, що полімерна добавка «сухого введення» працює з компонентами суміші, а саме зі щебенем, у результаті чого асфальтобетонна суміш отримує міцні полімерні зв’язки між компонентами, які можна уявити як полімерну 3D-решітку.
2. Суттєво спрощується процес виготовлення асфальтобетонної суміші, тому що не потрібне складне й дороге обладнання для модифікації бітуму полімерами, як-от колоїдний млин і високошвидкісні мішалки. Також виробник суттєво заощаджує час, тому що бітум можна використовувати одразу, без типової модифікації 8-12 годин (як у випадку з добавками типу СБС).
3. Немає потреби суттєво нагрівати бітум (вище температур 165-170 °C), що не призводить до його швидкого окиснення та старіння.
4. Результати використання добавки «сухого введення» MPC завжди передбачувані та математично розраховані залежно від типу АБС і кількості полімеру в суміші.

Таблиця 1 — аналіз використання добавки «сухого введення» на прикладі України за період 2020-2024 років показує такі результати:

Таблиця 2 — результати зіставлення експериментальних і теоретичних даних визначення кількості циклів навантаження до руйнування зразків досліджуваних асфальтобетонів із добавкою. Температура: Т = +20 °C.

Отримані дані (Таблиця 2) вказують, що теоретичні розрахунки узгоджуються з експериментальними даними. Це свідчить про можливість використання цих залежностей у практичних розрахунках для забезпечення або прогнозування довговічності асфальтобетонного покриття на автомобільних дорогах і мостах від впливу температури та навантаження транспортних засобів, а також для прогнозування його змін під час експлуатації протягом заданого проміжку часу.

Досвід використання провідними дорожньо-будівельними компаніями країн Європи, СНД і Середньої Азії показав високі, а головне, повторювані результати, високу стійкість до навантажень, морозостійкість і зсувостійкість асфальтобетонних покриттів. Результати тестів показують, що асфальтобетонна суміш за всіма показниками відповідає вимогам ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 та інших.