Вступ.
За останні роки якість матеріалів та виконання робіт з облаштування дорожнього одягу в Україні суттєво покращилась. Однак, питання якості, фізичних та хімічних властивостей бітумів , які використовуються в якості в’яжучого асфальтобетоних сумішей дуже на часі та потребує додаткових досліджень та нових рішень.
Питання якості бітумів та його здібності до модифікації порушувалося вже неодноразово й різними авторами. У статті “Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances” (інтернет видання “Applied sciences”, 02.2020), “Дослідження особливостей взаємодії бітумів з полімерами” (Аюпов Д.А., Потапова Л.І.), а також багатьох інших публікаціях. Основна проблема, яка розкрита авторами та дослідниками – суттєві труднощі при модифікації бітумів, одержаних дистиляційним методом.
Мета роботи.
Розробка альтернативної технології модифікації асфальтобетонних сумішей, для отримання необхідних та стабільних результатів, з урахуванням нестабільних властивостей вхідного бітуму.
Виклад основного матеріалу досліджень.
Активний розвиток дорожньої галузі, що зумовлює високі вимоги до якості сировинних компонентів, що забезпечують довговічність асфальтобетону дорожнє покриття. Одним із основних напрямків наукового пошуку в даній галузі стало вивчення впливу різних полімерних та пластифікуючих добавок на в’яжучі з метою підвищення експлуатаційних властивостей асфальтобетону за допомогою зміцнення його структури.
Існують різні структурні моделі бітуму. Найбільш поширена модель описує бітум як колоїд, у якому компоненти більшого розміру вільно пов’язані один з одним слабким водневим зв’язком.
Слабозв’язані ланки – міцели, колоїдно розпорошені в суцільному середовищі з молекул меншого розміру. Міцели складаються переважно з молекул асфальтенів. Смоли адсорбуються на їх зовнішній поверхні, і, таким чином, стабілізують розсіювання у середовищі. У свою чергу, дисперсійне (олійне) середовище складається з фракцій насичених вуглеводнів та ароматичних сполук.
Існують три структурні типи бітумів: золь, золь-гель та гель. Бітуми структури золь характеризуються високим вмістом асфальтенів, які роблять структуру жорсткої та водночас тендітної. Структура «гель» є в основному суміш олій та смол і має рідку консистенцію. Структура «золь-гель» є збалансованою, що поєднує властивості золю і гелю, і найбільш кращою за фізико-механічними характеристиками для виробництва ПБВ.
Як відомо, у технології модифікування бітумів полімерами, асфальтени схильні конкурувати з полімерами за дисперсійне середовище (мальтенову частину) в’яжучого, в якому і відбувається процес набухання. Цей факт суттєво ускладнює процес модифікації.
Для надання бітуму, модифікованому полімером, здібності в реальній експлуатації дорожніх покриттів утримувати різні навантаження, без руйнування і для приготування полімерно-бітумного в’яжучого доцільно використовувати нафтові бітуми з глибиною проникнення голки при 25 ° С від 60 до 90 мм-1. Однак, цільове завдання нафтопереробки полягає в прагненні витягти з нафти максимально можлива кількість світлих (легких) фракцій з віднесенням бітуму до залишкового продукту. Таким чином, якість бітуму у нафтопереробників, а також його здатність модифікуватися полімерами, йде на другий план, що створює суттєві проблеми при приготуванні полімер-бітумного в’яжучого.
Останні роки у зв’язку з активним розвитком сфери дорожнього будівництва попит на дорожній бітум в Україні зріс дуже суттєво. У період з 2017 року по 2021 рік, загальна потреба у дорожніх бітумах підприємствами України збільшилася з 350-400 тис. тонн до 1,2-1,4 млн. тонн. На ринку з’явилися дистиляційні бітуми країн південної Європи та Азії, які істотно відрізняються за властивостями та поведінкою під час модифікації полімерами.
Існує багато досліджень та наукових робіт щодо властивостей бітуму та здібності до модифікації полімерами, але однозначної відповіді на питання, чому деякі зразки не модифікуються, або модифікуються дуже важно – немає. Є практичний досвід покращення цих процесів введенням пластифікаторів до бітуму, наприклад технічних олій, але в деяких випадках, особливо із використанням дистиляційних бітумів, ефект від цього мінімальний. Отримані результати не відповідають ДСТУ 8959-2019 по температурі розм’якшення за КіК.
Співробітниками нашої компанії у 2021-2022 роках було проведено більш ніж 60 випробувань модифікації різних бітумів (виробництво Італія, Іспанія, Греція, Польща, Азербайджан та інші) полімерами. Узагальнення результатів виявило наступні серйозні проблеми.
- Невідповідність реальних параметрів бітуму заявленим виробником (як то температура розм’якшення за КіК, пенетрація).
- Відсутність залежності початкових характеристик бітуму та отриманих результатів, внаслідок модифікації одним і тим самим полімером. Тобто, практично неможливо спрогнозувати властивості модифікованого бітуму заздалегідь, спираючись на початкові показники.
- Деякі взірці бітуму практично не піддаються модифікації різними полімерами не за яких підстав, навіть із суттєвим збільшенням часу модифікації та додаванням значно більшої кількості полімеру.
- Властивості та фізико-механічні характеристики готової асфальтобетонної суміші не завжди очікувані, і є необхідність коригувати параметри модифікації бітуму полімерами декілька разів.
- Розшарування бітуму (полімерної фракції) при зберіганні та транспортуванні, що потім призводить до досить різних властивостей бітуму та асфальтобетонної суміші.
Якщо торкнутися практичної частини цього питання, то багато виробників асфальтобетонних сумішей неодноразово скаржилися на суттєві проблеми із модифікацією бітумів. Гірш за все, що співробітникам дуже часто потрібно приймати складні рішення швидко, не маючи достатньо часу на тести та лабораторні випробування.
Альтернативою модифікації бітуму є технологія модифікації асфальтобетонної суміші, як кінцевого продукту, із додаванням полімерної домішки, наприклад ПКМ ТМ «VELETON», безпосередньо у асфальтозмішувач, що відповідає вимогам ДСТУ 8959-2019, пункт 5.4.4.
Ця технологія вже досить давно розповсюджена на ринку США та країн Європи, та має певні переваги у порівнянні із традиційною модифікацією бітуму, а саме:
- Якість та фізико-механічні властивості кінцевого продукту – асфальтобетонної суміші, не суттєво залежить від якості бітуму та його здібності до модифікації полімерами. Причина у тому, що полімерна домішка прямого вводу працює з компонентами суміші, а саме із щебнем, в результаті чого асфальтобетона суміш отримує міцні полімерні зв’язки між компонентами, які можно представити як полімерну 3D-решітку.
- Суттєво спрощується процес виготовлення асфальтобетонної суміші, тому що не потрібно складне обладнання для модифікації бітуму полімерами, як то колоїдний млин та високошвидкісні мішалки. Також виробник економить час, тому що бітум можна використовувати відразу, без типової модифікації 8-12 годин (добавками типу СБС).
- Немає потреби суттєво вигрівати бітум (вище температур 165-170 0С), що не призводить до його швидкого окислення та старіння.
- Результати використання домішки ПКМ ТМ «VELETON» завжди прогнозовані та математично розраховані, в залежності від типу АБС та кількості полімера у суміші.
Аналіз використання домішки «сухого вводу» в Україні у період 2020-2021 роках показує наступні результати:
| № | Найменування показника | Без домішки | Ввод ПКМ 2,2 кг/тона суміші | Ввод ПКМ 2,5 кг/тонна суміші |
| 1 | Міцність на стиск Р20 | 2,6 Мпа | 5,2 Мпа | 6,1 Мпа |
| 2 | Міцність на стиск Р50 | 1,24 Мпа | 2,05 Мпа | 2,4 Мпа |
| 3 | Колія за 10 000 проходів, методом Гамбургського колеса | 7,5-8 мм | 2,3-3 мм | 1,2-1,5 мм |
Досвід використання провідними дорожньо-будівельними компаніями України, як «URD», «ЕДБ», «РДС», «ДС ПромГруп», АБЗ «Столичний» та іншими показав високі, а головне повторювані результати, високу стійкість до навантажень, морозостійкість та ссувостійкість асфальтобетонних покриттів. Результати тестів показують, що асфальтобетона суміш за всіма показниками відповідає вимогам ДСТУ 8959-2019.
Висновки.
Питання модифікації бітумів та асфальтобетонних сумішей з урахуванням різної здатності бітумів до модифікації, підштовхує до використання альтернативних методів модифікації.
Як один із методів, додавання полімерної домішки безпосередньо в асфальтозмішувач, має суттєві переваги перед іншими технологіями, якість модифікації не залежить від технології виробництва бітуму, економія часу та енергетичних ресурсів, збереження бітуму від надлишкового нагрівання та прогнозовані результати, відкривають нові можливості та перспективи для виробництва якісних та енергоефективних асфальтобетонних сумішей.
Перші кроки з використання цієї технології вже зроблені, практичний досвід з використання підтверджує деякі переваги цієї технології.
Якщо взяти до уваги всі вищевикладені переваги, при подальшій підтримці з боку виробників АБС та науковців, метод модифікації із додавання полімерної домішки безпосередньо в асфальтозмішувач в перспективі може бути альтернативою традиційної модифікації бітумів, за умов дотримання технології використання та чіткого розуміння вимог проекту.
Ми продовжимо накопичувати досвід та будемо виконувати дослідження, за для будівництва якісних та енергоефективних доріг.