Добавки, улучшающие свойства органических вяжущих

В связи с недостаточным количеством нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, а также для улучшения их свойств, в последнее время предложены различные добавки. Добавки, вводимые в относительно большом количестве, существенно влияющие на структуру и свойства получаемых вяжущих, называют композиционными, или комплексными. Наиболее распространенными комплексными вяжущими являются битумо-дегтевые, битумо-полимерные, дегте-битумо-полимерные.

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов и цепей), повышения их прилипания к каменным материалам (адгезии), пластичности при низких температурах, тепло и погодоустойчивости, снижения вязкости в их состав вводят соответствующие добавки в количестве до 20%.

Добавки могут классифицироваться по признакам (растворимости, способу введения и т. д.).

Разжижающие добавки вводят для понижения вязкости органических вяжущих в них. Чем ближе состав разжижителя к составу вяжущего материала, тем более гомогенные и стабильные будут растворы. Поскольку в подавляющем большинстве отечественных битумов и дегтей преобладают циклические и ароматические комплексы, то и разжижитель ароматического ряда будет при прочих равных условиях давать более стабильные растворы.

Для приготовление жидких битумов и дегтей применяют лигроин, керосин, нефть, мазут, жидкие крекинг-остатки, антраценовое масло. Оптимальное содержание разжижителя определяют в лаборатории в зависимости от требуемой вязкости: оно может колебаться от 2 до 50 %. Изменение вязкости зависит от состава вяжущего и разжижителя и содержания разжижителя.

В зависимости от содержания разжижителя наблюдаются следующие структурно-реологические модификации. При относительно малом его содержании вязкость битума изменяется незначительно, что связано с сохранением исходной структуры битума. При дальнейшем увеличении содержания разжижителя происходит относительно резкое падение вязкости, что связано с нарушением структурных связей, и битум приобретает свойства жидкости. Применение разжижителей, содержащих ароматические углеводороды, приводит к пластификации битума.

Пластифицирующие добавки вводят для уменьшения хрупкости, снижения температуры стеклования и придания большей пластичности полимерам и органическим вяжущим. При использовании высоковязких продуктов деасфальтизации, кумароновых смол возникает необходимость понизить их хрупкость, что может быть достигнуто введением специальных пластифицирующих добавок. Важнейшим требованием, предъявляемым к пластификатору, является его растворимость и совместимость с пластифицируемым веществом. Таким образом, пластификация является частным случаем растворения, она сопровождается набуханием и разрыхлением макромолекул, связанным с прониканием в них пластификатора.

Добавки, улучшающие прилипание, (адгезию) битума, вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь. Вопрос о физико-химической природе адгезии изучен недостаточно и связан с сорбционными процессами, протекающими на границе раздела фаз, рассмотренных ниже. Вследствие того что природа сил, обусловливающих сорбционные процессы, носит электрический характер, ряд авторов (Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова) взаимодействие соприкасающихся поверхностей объясняют возникновением двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Большинство каменных материалов, применяемых в дорожном строительстве, имеют кристаллическое строение с ионной решеткой. При измельчении на их поверхности образуется сложное электрическое поле, знак и величина потенциала которого определяются свойствами ионов и характером их расположения на поверхности. Большинство основных карбонатных пород (известняки, доломиты) имеют положительный заряд, кислые (гранит, кварц) — отрицательный. В сложном составе битума преобладают анионактивные вещества. С точки зрения электростатической теории адгезии хорошее сцепление битума с известняками объясняется разноименными зарядами поверхности каменного материала и компонентов битума, плохое — одноименными с кислыми (гранит, кварц). Однако изложенные представления не могут объяснить целого ряда положений о взаимодействии битума с каменными материалами Исследования с применением методов хроматографическсго анализа и инфракрасной спектроскопии показали, что наряду с физической адсорбцией имеет месте хемосорбция активных функциональных групп с карбонатами кальция, магния полуторных оксидов в виде свободных гидратов, с образованием поверхностных соединений типа кальциевых мыл. Таким образом, физико-химические свойства органических вяжущих в значительной мере обусловливает их прилипание (адгезию) к каменным материалам.

Анализ работ по адгезии полимеров показывает, что она определяется двумя факторами: степенью гибкости звеньев макромолекулы и полярностью групп, входящих в структуру макромолекулы. Ориентированная структура, наличие поперечных мостиков между цепями макромолекулы снижают адгезию. Высокая разветвленность молекул с полярными группами увеличивает ее. Все факторы, способствующие большей подвижности звеньев макромолекул и содержанию полярных групп, повышают адгезию. Таким образом, введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, будет способствовать повышению его адгезии к каменным материалам. Такими добавками являются поверхностно-активные вещества.

Молекулы поверхностно-активных веществ обладают амфотерными свойствами и состоят из двух частей: полярной и неполярной. Полярная часть (группа) обладает дипольным моментом. К таким полярным группам относятся -ОН - СООН, - Н₂; Н и др. Эти группы являются гидрофильными, реакционно-способными, обладают более выраженным силовым полем и обусловливают хорошее прилипание к каменным материалам. Неполярная часть — не активная, гидрофобная состоит из углеводородной цепи или ароматического радикала, обладает слабым силовым полем. Такие молекулы, состоящие из полярной и неполярной частей, при адсорбции ориентируются неполярной частью в сторону более полярной фазы - каменного материала, а полярной частью - к битуму или дегтю. При этом они понижают избыток свободной энергии, уравнивают разность полярности между граничащими фазами (каменный материал — битум) и таким образом увеличивают энергию взаимодействия (прилипания) между ними.

Поверхностно-активные добавки по физико-химическому взаимодействию разделяются на коногенные и кеионогенныг. Ионогенные вещества в свою очередь подразделяются на анионспстивные и кагионактивные. В акионактивных веществах углеводородная часть молекул входит в состав аниона, а в катионактивных - в состав катиона. К анионактивным добавкам относятся высокомолекулярные органические кислоты, мылонафт (соли наф­теновых кислот), производные карбоновых кислот (мыла, фенолы и др.). К катионактивным веществам относятся амины, соли аминов и четырехзамещенные аммониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3 - 10% и катионактивных - 0,5 - 3% массы вяжущего. Применение ПАВ облегчает и ускоряет обволакивание и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами.

Эффективность действия ПАВ зависит от вида каменного материала (подложки). Катионактивные ПАВ обеспечивают повышение сцепления со всеми горными породами, но особенно эффективно с кислыми. Анионактивные ПАВ повышают сцепление с карбонатными (основными) и почти не влияют на сцепление с кислыми породами.

Активация битума выполняется для повышения адгезии битума к поверхности каменных материалов. Применяется также активация поверхности каменных материалов и активация битума в момент смешения его с минеральными материалами. Активация битума основана на положениях механохимии о возможности перехода механической энергии в химическую. На этом принципе основан способ активации битума ультразвуком. Обработка битума ультразвуком в течение 5 мин при частоте 15 - 35 кГц мощностью 50 - 60 Вт/см² повышает сцепление битума как с основными, так и с кислыми материалами.

Аналогичные результаты получены при обработке битума энергией электроразрядов. При этом способе в зависимости от температуры обработки наблюдаются более глубокие структурные изменения компонентов битума (табл. 10.13). При электроимпульсном методе обработки битума также происходит изменение его пенетрации, дуктильности.

Дисперсные (структурирующие) добавки служат для улучшения механических свойств, повышения температурной устойчивости. К этой группе добавок относятся наполнители (заполнители), которые по форме частиц разделяются на волокнистые и порошкообразные. К волокнистым наполнителям относятся волокна минеральной ваты, асбеста, полимерных смол, отходы текстильного производства. Волокнистые наполнители, распределяясь в объеме вяжущего, как бы армируют его и при относительно небольшом содержании (5 - 10 %) существен­но повышают прочность. Волокнистые наполнители ввиду ряда технологических затруднений еще не получили широкого распространения. Порошкообразные наполнители из горных пород (известняки, доломиты и др.) применяются более широко. При введении минеральных порошков в органические вяжущие в зависимости от свойств их поверхности, минералогического состава, пористости, шероховатости, а также свойств вяжущего на зернах порошка формируются адсорбционно-сольватные оболочки связанного битума различной толщины и устойчивости.

Взаимодействие битума с каменными материалами зависит от свойств органических вяжущих. Наиболее активными являются высокомолекулярные соединения, содержащие активные функциональные группы, особенно карбоксильные группы и алифатические углеводороды, которые не поддаются полной десорбции. Соединения с эфирными связями адсорбируются менее прочно и поддаются десорбции; их адсорбция, по-видимому, обусловливается полярными силами эфирных связей.

В отношении компонентного состава битума асфальтено-смолистая часть является наиболее активной, менее активны масла.

Известняковые и кварцевые минеральные материалы по-разному взаимодействуют с битумом. Известняки за счет более интенсивной капиллярной фильтрации вяжущего и его компонентов внутрь минеральных зерен и адсорбционных процессов образуют- достаточно прочное соединение с битумом. Это способствует образованию водо- и теплоустойчивых асфальтовых систем с относительно высокими механическими свойствами.

Специальные добавки вводят для повышения огнестойкости: 1:5% фосфатов (ортофосфорной кислоты), квасцов, сульфита аммония, производных брома и др. Для устойчивости к микроорганизмам применяют 2 - 5% перманганата калия, соли окиси цинка, производных соединений фенола, крезота, 5 - 15 % фенольного пека или тяжелого каменноугольного масла.

Для устойчивости к действию масел и топлива добавляют серу. Для приготовления цветных бетонов применяют светлые бесцветные кумароновые полиэфирные смолы, канифоль, поливинилацетатную эмульсию. Для пластификации указанных смол применяют различные масла: таловое, тунговое, антраценовое, а также олифу и др.

В РУП «БелдорНИИ» разработана технология модификации битумов полимерами, позволяющими повысить способность органических вяжущих к большим обратимым деформациям во всем диапазоне эксплуатационных температур; повысить трещи постой кость при низких температурах и в целом расширить интервал работоспособности материала. В качестве полимерной добавки, создающей пространственную эластичную структурную сетку, в битуме применены полимеры класса термозластопластов — блоксополимеры СБС, обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими полимерами.

Применяемые для модификации термоэластопласты при минимальном своем содержании в битуме позволяют получить прочную и эластичную пространственную сетку, обеспечивая модифицированному вяжущему высокую термостойкость.

Термоэластопласты характеризуются развитой трехмерной пространственной структурой до температуры 80-90 °С, высокой эластичностью и очень низкой температурой стеклования (до минус 80 - 100 °С). Эти качества позволяют обеспечить модифицированному битуму требуемую эластичность и трещиностойкость.

Модифицированные битумы используются для:

- асфальтобетона верхнего слоя;

- поверхностных обработок,*

- устройства защитных слоев цементобетонных покрытий;

- устройства трещинопрерывающих прослоек мембранного типа;

- дренирующего асфальтобетона;

- приготовления битумно-эластомерных герметизирующих мастик.

Радикальным способом повышения сроков службы асфальтобетонных покрытий и поверхностных обработок, снижения толщины защитных слоев является изменение структуры и свойств дорожных битумов. Битумы, поставляемые дорожным организациям НПЗ, не отвечают требованиям дорожного строительства по следующим причинам: высокая температурная зависимость, т.е. недостаточная тепло- и трещиностойкость, отсутствие эластичности, а следовательно низкая усталостная прочность и способность к обратимым деформациям. Выполнение этих требований находится за пределами возможности традиционных битумов. Скорректировать поведение битумов при эксплуатации во всем диапазоне рабочих температур позволяет модификация битумов эластомерами.

Введение комплексной добавки ТС-51 ощутимо расширяет истинный интервал пластичности как за счет положительной, так и за счет отрицательной области температур. В четыре и более раз возрастает эластичность.

Добавка ТС-51 рекомендуется для производства модифицированных дорожных битумов для асфальтобетонных смесей верхних слоев покрытий, тонких защитных слоев автомобильных дорог высоких категорий и поверхностных обработок.

Полимерный концентрат предназначен для приготовления модифицированного битума непосредственно на производственной базе (АБЗ) без использования специальных установок.

Полимерный концентрат состоит из полимера класса СБС (стирол-бутадиен-стирольного типа) и пластифицирующей добавки (индустриального масла, отработанного машинного масла и т.д.) в различных соотношениях.

Полимерный концентрат - продукт желеподобного вида, который после добавления в горячий битум «растворяется» в течение 4-8 часов в зависимости от их соотношения.

Применение полимерного концентрата позволяет приготавливать модифицированный битум с заданными свойствами без применения дорогостоящего специального оборудования непосредственно на месте производства работ. Это обстоятельство позволяет избегать транспортировки и длительного хранения модифицированного вяжущего, что способствует сохранению его высоких физико-механических свойств.

Пластомерная добавка ЕVА (этилен-винил-ацетат) повышает пластичность, расширяет истинный интервал пластичности за счет положительной температуры.

Пластомерные добавки (ЕVА) рекомендуются для производства модифицированных дорожных битумов, применяемых для приготовления горячих асфальтобетонных смесей, укладываемых в верхние слои дорожных покрытий, устройства тонких защитных слоев, дренирующего асфальтобетона, поверхностной обработки, для приготовления битумных эмульсий, применяемых при выполнении названных работ.

Дата добавления: 2014-01-07