Качество битума не оказывает существенного влияния на характер модифицирующего действия полимеров, который обусловлен, преимущественно, химической природой полимера.

Однако химический состав и структура битума влияют на совместимость с полимерами и свойства конечного продукта. С повышением степени окисленности битума совместимость его с полимерами любого химического строения и молекулярной массы ухудшается, что обусловлено увеличением содержания в битуме асфальтенов и высокомолекулярных смол, снижением количества масел и низкомолекулярных смол, которые принимают непосредственное участие в процессе растворения полимеров. Использование в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумных композиций битумов, обогащенных ароматическими соединениями, благоприятствует совместимости компонентов, что согласуется с известными положениями теории физической химии полимеров и обусловлено лучшей растворимостью полимеров в ароматических соединениях.

Свойства композиций, приготовленных в одинаковых технологических условиях из разных по химической природе битумов (БДУ – из тяжелой ярегской нефти; БДУС – из смеси западно-сибирских нефтей) при использовании полимера KRATON D 1101 (фирмы «SHELL»), различны (таблица 3). Введение полимера приводит к резкому снижению значений показателя растяжимости битума при 25°C. За счет более высокой способности к растяжению битума марки БДУ композиция последнего с KRATON D 1101 характеризуется также более высокими значениями показателя растяжимости, по сравнению с материалом, приготовленным на битуме марки БДУС. Для придания битуму, модифицированному полимером, способности выдерживать без разрушения растягивающие усилия в реальных условиях эксплуатации дорожных покрытий в качестве исходного сырья для приготовления полимерно-битумной композиции следует применять битумы, характеризующиеся высоким уровнем значений показателя растяжимости при 25°C (более 100 см) как до, так и после смешения с минеральным материалом.

Таблица 3.
Свойства композиций битумов разной химической природы, приготовленных с использованием полимера KRATON D 1101 (5% масс)

За счет лучшей растворимости в массе битума дорожного улучшенного марки БДУ полимер типа СБС способен в несколько большей степени реализовывать присущую ему эластичность. Этим же объясняется и более высокая вязкость композиции полимера с битумом, полученным из остатков переработки тяжелой ярегской нефти.

Битумы, модифицированные полимерами (в том числе и блоксополимерами), являются дисперсными (неоднородными) системами, а следовательно, термодинамически неустойчивыми, что является причиной их расслоения (разрушения), особенно при повышенной температуре в статических условиях (в отсутствие перемешивания). Чем выше сродство полимера к битуму, чем выше степень дисперсности полимера в массе битума, тем выше устойчивость композиционного материала к расслаиванию. Вследствие худшей совместимости компонентов композиция, приготовленная на битуме марки БДУС с полимером KRATON D 1101, характеризуется наибольшим различием в значениях показателя температуры размягчения верхнего и нижнего слоев массы композиции (таблица 3) после испытания на термостабильность в статических условиях, по сравнению с битумом марки БДУ, модифицированным равным количеством этого же полимера, приготовленным в идентичных условиях.

При использовании высокоэффективных смесителей, позволяющих достичь более высокой степени дисперсности полимера в битуме, устойчивость композиционных материалов к расслаиванию возрастает (температура размягчения массы полимерно-битумного вяжущего в верхнем и нижнем слоях после термостатирования практически одинакова), вот почему за рубежом приготовление полимерно-битумных материалов осуществляется с помощью коллоидных мельниц.

Для обеспечения заданного качества товарной продукции, достижения максимальной эффективности от ее использования в дорожном строительстве нормативные требования к битумам, модифицированным полимерами, обязательно должны предусматривать контроль не только за однородностью свежеприготовленной композиции, но и за устойчивостью к расслаиванию при повышенной температуре. Учитывая тот факт, что полностью предотвратить расслоение композиции битума с полимером типа СБС на стадии хранения при повышенной температуре невозможно, необходимо лимитировать длительность хранения, а также осуществлять механическое перемешивание массы изготовленной товарной продукции на стадии хранения.

В связи с тем, что механизм распределения в битуме полимера заключается в растворении последнего в мальтеновой части битума, на первый взгляд кажется, что для достижения наилучшей совместимости компонентов необходимо увеличить количество масляных компонентов в битуме, например за счет дополнительного введения минеральных масел. Однако следует напомнить, что нефтяные дорожные битумы, как коллоидные системы, также термодинамически неустойчивы во времени. Введение масел приводит к нарушению относительной стабильности структуры битума, сформировавшейся на стадии изготовления последнего. В зависимости от химической природы соединений, входящих в состав минерального масла, последнее может являться хорошим или плохим растворителем по отношению к битуму. Кроме того, уместно напомнить, что процесс совмещения битума с минеральным маслом не так прост, поскольку механизм его также заключается в смешении жидкостей, различающихся по вязкости. Следовательно, получение при повышенной температуре гомогенной массы на основе нефтяного битума и минерального масла само по себе представляет непростую технологическую задачу. Использование полимерно-масляных концентратов в качестве исходного компонента для приготовления модифицированного битума не упрощает процесс получения материала с заданным комплексом физико-механических свойств, в том числе и по причине переменного (от партии к партии) качества исходного битума, поступающего на предприятия дорожной отрасли нашей страны.

Использование пластификаторов (масел) на стадии приготовления битумов, модифицированных полимерами, не только не повышает устойчивость последних к расслаиванию, но и способствует разрушению вяжущего в составе дорожного покрытия, вследствие выпотевания (отторжения) масел, в первую очередь, введенных дополнительно. Для получения полимерно-битумных материалов, характеризующихся более высокой пластичностью, достаточно использовать в качестве исходного сырья битумы с более высокими значениями показателя глубины проникания иглы при 25°C, что имеет место в зарубежной практике.

Таким образом, битумы, модифицированные полимерами, представляют собой композиционные материалы, структура и свойства которых при прочих равных условиях зависят от вида и концентрации полимера, марки битума, а также от технологии смешения компонентов.

Для получения модифицированных битумов с заданным комплексом свойств в каждом конкретном случае необходимо осуществлять правильный выбор полимерного модификатора, битумного сырья, выполнять комплекс лабораторных работ по оптимизации рецептуры композиционного материала. Для обеспечения стабильности структуры и свойств битума, модифицированного полимером, при изготовлении разных партий товарной продукции следует использовать полимер и битум постоянного качества, а также строго соблюдать технологический регламент процессов приготовления и хранения модифицированного битума.

Анализ зарубежного и отечественного опыта применения битумов, модифицированных полимерами, показывает принципиальные отличия в подходах к выбору исходных компонентов, к проектированию составов полимерно-битумных вяжущих, к регламентированию комплекса физико-механических свойств ПБВ, к выбору объектов, на которых наиболее целесообразна замена битума дорожного на новый вид вяжущего.

Для объективной оценки зависимости долговечности дорожных покрытий, работающих в сложных климатических условиях Санкт-Петербурга, от вида нефтяного вяжущего, используемого в составе горячей асфальтобетонной смеси, в 1998 г. было проведено опытное строительство участков дорожного покрытия на особо грузонапряженных трассах: Северном проспекте, Дворцовом проезде, а также на Гакелевской улице, с применением битума дорожного улучшенного марки БДУ 70/100 (производства Ухтинского НПЗ) и полимерно-битумного вяжущего. В качестве производителя полимерно-битумного вяжущего был выбран концерн «КОСМОС» (г. Москва), имеющий опыт по устройству дорожного покрытия с применением полимерно-битумного вяжущего на кольцевой дороге в Москве. ПБВ изготавливалось в соответствии с требованиями ОСТ 218.010-98 на промышленной установке концерна «КОСМОС» и доставлялось в Санкт-Петербург битумовозами. Процесс производства и укладки горячих полимер-асфальтобетонных смесей курировался представителями концерна «КОСМОС» и ФГУП «СоюздорНИИ».

Визуальный осмотр, проведенный в 2002 г., показал, что состояние дорожных покрытий на опытных участках Дворцового проезда и Гакелевской улицы, устроенных с применением ПБВ и битума марки БДУ, удовлетворительное. Независимо от вида использованного нефтяного вяжущего, на дорожном покрытии появились отдельные продольные и поперечные трещины, а также разрушения вокруг колодцев (по сравнению с 2001 годом, количество разрушений увеличилось). На всех остановках общественного транспорта, где под верхний слой асфальтобетона укладывалась армирующая сетка «Хателит», наблюдается незначительная колея по полосам наката, которая, по сравнению с 2001 годом, также несколько увеличилась.

Асфальтобетонное и полимер-асфальтобетонное покрытие на опытных участках, устроенных на Северном проспекте, находится в хорошем состоянии: трещин и разрушений нет, перед перекрестком с ул. Есенина в зоне торможения пластические деформации отсутствуют. Наблюдается равномерный незначительный износ покрытия по полосам наката.

По истечении 4 лет эксплуатации в одинаковых условиях принципиальных различий в состоянии покрытий на основе битума марки БДУ и ПБВ не обнаружено. Обращает на себя внимание тот факт, что ПБВ не повысило устойчивость дорожного покрытия к различного рода пластическим деформациям, не предохранило верхний слой покрытия от образования трещин, как отраженных, так и другого характера появления, причиной которых является состояние инженерных сетей и недостаточная несущая способность конструкции дорожной одежды.

Таким образом, по результатам четырехлетнего наблюдения за состоянием полимер-асфальтобетонных покрытий пока не представляется возможным сделать вывод об эксплуатационных преимуществах полимерно-битумного вяжущего, по сравнению с битумом марки БДУ, а следовательно, и целесообразности замены битума БДУ на полимерно-битумное вяжущее для устройства дорожных покрытий на грузонапряженных трассах г. Санкт-Петербурга.

На сегодняшний день одной из важнейших задач, стоящих перед дорожниками Санкт-Петербурга, является повышение срока службы дорожных покрытий на мостах, приведение в порядок трамвайных путей. Условия работы дорожного покрытия на указанных объектах намного более сложные, чем на обычных адресах, в связи с постоянным пребыванием материала под воздействием вибраций, усилий сдвига, растяжения, сжатия и пр. Как показывает опыт Санкт-Петербурга (Финляндии, Германии и др. государств), в таких случаях технически и экономически оправдано применение битумов, модифицированных полимером типа СБС.

В 1999 г. на ОАО «АБЗ-1» (Санкт-Петербург) была введена в эксплуатацию установка по модификации битума периодического действия, разработанная научно-конструкторским бюро Минэкономики РФ. По технологии ЦНКБ модификация битума полимером осуществляется в двух смесителях объемом 2,5 т каждый. Для гомогенизации смеси конструкцией предусмотрены перемешивающие устройства: рама (48,9 об./мин), шнек (34,5 об./мин), а также циркуляция. Окончание процесса приготовления полимерно-битумного вяжущего определяется визуально путем оценки однородности массы при температуре смешения (175–180°C).

В 1999 г. были выпущены по рецептуре, предложенной ЦНКБ, опытные партии полимерно-битумного вяжущего марки ПБВ-90 на основе битума марки БНД 60/90, полимера ДСТ-30 и индустриального масла, которые уложены на Ждановской набережной напротив Петровского стадиона и повороте на Малый проспект.

Анализ физико-механических характеристик ПБВ в пробах, отобранных из опытных партий товарной продукции, показал нестабильность свойств полученного материала, в ряде случаев даже несоответствие требованиям ОСТ 218.010-98. Из-за различия свойств исходных компонентов, поступающих на асфальтобетонный завод (в частности, разных партий битума и ДСТ-30), возникали сложности при проектировании в лаборатории АБЗ рецептуры полимерно-битумного вяжущего, полимер-асфальтобетонной смеси, а также с распределением полимера в массе битума в промышленном смесителе в течение времени перемешивания компонентов, рекомендованном Технологическим регламентом (3–4 часа).

Для обеспечения стабильности качества товарной продукции возникла необходимость в разработке оптимальной рецептуры битума, модифицированного полимером, и в корректировке технологического режима его приготовления.

Учитывая то, что битум дорожный, изготавливаемый из остатков переработки тяжелой нефти Ярегского месторождения (Республика Коми), характеризуется не только стабильностью значений показателей физико-механических свойств в разных промышленных партиях товарной продукции, но и большей растяжимостью, а также повышенной термостабильностью в условиях изготовления горячих асфальтобетонных смесей (по сравнению с битумом марки БНД 60/90), представлялось целесообразным произвести замену битума марки БНД 60/90 в рекомендованной ранее рецептуре полимерно-битумного вяжущего на битум дорожный улучшенный марки БДУ 70/100. В качестве полимерного модификатора для дальнейших работ по выпуску на установке ОАО «АБЗ-1» битума, модифицированного полимером, был выбран полимер «KRATON D1101», широко использующийся для этих целей за рубежом. Комплекс показателей физико-механических свойств указанного полимера как товарного продукта фирмы «KRATON» определенного назначения обусловливает стабильность качества и предопределяет способность его к образованию с нефтяными битумами при температуре 175–180°C гомогенных композиций.

С целью получения максимальной отдачи от введения в битум дорогостоящего полимера корректировке были подвергнуты и нормативные требования к битуму, модифицированному полимером. В 2000 г. были разработаны, а в 2001 году зарегистрированы в органах Госстандарта ТУ 0256-002-03218295-2001 на битум, модифицированный полимером (марки БМП).

В связи с тем, что полимер СБС способен придавать битуму эластические свойства, представлялось целесообразным ужесточить требования к показателю эластичности, по сравнению с требованиями ОСТ 218.010-98: для БМП эластичность определяется через 10 минут, а не после полного прекращения сокращения образца ПБВ, подвергнутого испытанию на растяжимость на дуктилометре. Повышенная эластичность вяжущего обусловливает практически моментальное эластическое восстановление дорожного покрытия после снятия прилагаемой нагрузки до ее повторного приложения, а следовательно, создает предпосылки для повышения долговечности дорожного покрытия.

Для изготовления битумов, модифицированных полимером, способных работать в условиях воздействия разных по виду и величине прилагаемых нагрузок, в ТУ включены несколько марок БМП, различающихся значениями таких показателей качества, как глубина проникания иглы, температура размягчения и др. За основу взяты нормативные требования к качеству модифицированных битумов зарубежного производства. Для обеспечения практической возможности изготовления в условиях асфальтобетонного завода модифицированных битумов разных марок предусмотрено использование в рецептуре композиционного материала специальной добавки, обладающей химическим сродством к битуму дорожному улучшенному – БДУ.

В августе 2000 г. ОАО «АБЗ-1» выпустило в соответствии с ТУ 0256-002-03218295-2001 первую опытную партию вяжущего марки БМП-65 и на его основе изготовило полимерасфальтобетонную смесь. Для отработки технологии укладки смеси с новым видом нефтяного вяжущего в качестве объекта был выбран участок протяженностью 120 м на ул. Бадаева, интенсивность движения по которой не велика. При осмотре опытного участка в 2002 г. разрушений покрытия не обнаружено.

Основным направлением использования битума, модифицированного полимером типа СБС, отработкой технологий изготовления и применения которого, начиная с 2000 г., занимается ОАО «АБЗ-1», является применение его в составе литого асфальтобетона. В 2000 г. было изготовлено 47,5 т БМП, литым асфальтобетоном отремонтированы трамвайные пути по ул. Расстанной (опытный участок 70 м), ул. Инженерной (от здания цирка до Садовой ул.), Большому Сампсониевскому проспекту, Заневскому проспекту до моста Александра Невского и др. Для оценки работоспособности литого асфальтобетона, приготовленного с использованием битума, модифицированного полимером, в более жестких условиях эксплуатации в 2000 г. отремонтированы трамвайные пути на Сампсониевском мосту. При осмотре указанных выше объектов в 2002 г. разрушений не обнаружено.

В 2001 г. для проведения работ по устройству гидроизоляции и дорожного покрытия по металлической ортотропной плите на разводной части моста Александра Невского в зоне проезжей части трамвайных путей и тротуаров ОАО «АБЗ-1» совместно с финскими специалистами фирмы «Леминкяйнен» были использованы литые асфальтобетонные смеси и мастики, изготовленные на основе битума, модифицированного полимером, отвечающего требованиям ТУ 0256-002-03218295-2001. По результатам лабораторных исследований, проведенных финскими специалистами в Финляндии, битум, модифицированный полимером марки БМП в пробах, отобранных из опытных партий, изготовленных на промышленной установке ОАО «АБЗ-1», и литые асфальтобетонные смеси на его основе, полностью отвечали требованиям финских норм. По мнению финских специалистов, применение полимерно-битумного вяжущего позволяет обеспечить гарантийный срок службы покрытия на мосту в течение 3 лет.

В 2002 г. ОАО «АБЗ-1» совместно с немецкой фирмой «FLH Consult G&R» проводило работы по гидроизоляции Троицкого моста через реку Нева. На разводной части моста дорожная одежда была устроена по ортотропной металлической плите (предварительно обработанной эпоксидным праймером) из 2 слоев литого асфальтобетона, изготовленного на промышленной установке ОАО «АБЗ-1» на битуме, модифицированном полимером марки БМП-85 (ТУ 0256-002-03218295-2001). На стационарных пролетах моста литой асфальтобетон на основе БМП использовался как защитный слой. Гарантийные обязательства ОАО «АБЗ-1» на дорожную одежду разводной части моста составляют 3 года, а на гидроизоляцию – 10 лет.

В 2002 г. литые асфальтобетонные смеси применялись также для ремонта трамвайных путей (по ул. Садовой, ул. Б. Дворянской, Среднему проспекту, Каменноостровскому проспекту, Московскому проспекту (угол Обводного канала), площади Восстания, площади Труда, Сенной площади), для устройства покрытий технологических проходов на Автовском путепроводе. Общий объем выпуска БМП на установке ОАО «АБЗ-1» в 2002 г. составил около 315 т.

Одним из перспективных направлений применения битума, модифицированного полимером (марки БМП), является использование в качестве вяжущего при изготовлении щебнемастичных асфальтобетонных смесей (SMA), дорожное покрытие из которых характеризуется повышенной прочностью. Щебнемастичный асфальтобетон широко применяется в верхних слоях дорожных покрытий в Швеции, Норвегии и других странах.

Возрастающий спрос на битум, модифицированный полимером, марки БМП для устройства и ремонта дорожных покрытий на объектах Санкт-Петербурга, обусловлен положительными результатами опытного использования этого вида нефтяного вяжущего в сложных условиях эксплуатации.

Трехлетний опыт производства БМП на промышленной установке ОАО «АБЗ-1» показал, что работоспособность БМП в составе дорожного покрытия зависит от:

• качества исходных материалов;

• соблюдения рецептуры;

• квалификации обслуживающего персонала;

• соблюдения технологических режимов приготовления и хранения.

Специалисты ОАО «АБЗ-1» отмечают, что установка ЦНКБ по приготовлению битума, модифицированного полимером, далека от идеальной модели устройства по приготовлению такого вида композиционного материала для промышленного использования. При этом указывают, что при хранении БМП в статических условиях (без перемешивания) при температуре 150–200°C (технологических температурах изготовления полимерно-битумного вяжущего и укладки литых асфальтобетонных смесей) наблюдаются необратимые изменения в структуре вяжущего, происходит расслоение («желатинизация») массы вяжущего вблизи нагревательных элементов, приводящие к ухудшению физико-механических свойств (снижению значений показателей глубины проникания иглы, температуры размягчения, растяжимости, эластичности). В течение первых суток изменения незначительны и после интенсивного перемешивания могут быть устранены с малым ущербом для качества. При более длительном хранении процесс разрушения структуры БМП становится необратимым.

Таким образом, выводы, сделанные производителями и потребителями промышленных партий битумов, модифицированных полимером типа СБС, полностью совпадают с заключениями, сформулированными российскими и зарубежными учеными на основании результатов научных исследований структуры и свойств этого вида нефтяного вяжущего. При работе с битумами, модифицированными полимерами, нельзя не учитывать особенности их структуры и свойств. Игнорирование этих знаний приведет к снижению эффективности использования полимеров в качестве модифицирующих добавок к битуму, получению некачественных полимерно-битумных материалов, а следовательно, и к неоправданным затратам вследствие применения дорогостоящих полимеров в такой материалоемкой отрасли, как дорожное строительство. При выборе промышленной установки по производству полимерно-битумных вяжущих следует руководствоваться не только соображениями ценовой политики, но и техническими, технологическими возможностями установки, которые должны обеспечивать минимальное влияние на качество товарной продукции известных факторов риска.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка нефтяных битумов можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок нефтяных битумов в России».

Калинин В. В.,
генеральный директор ОАО «АБЗ-1» (Санкт-Петербург)

Масюк А. Ф.,
начальник лаборатории технического контроля и испытаний материалов ГУДП «ДОРТЕХНОЛОГИИ» Комитета по благоустройству и дорожному хозяйству Администрации Санкт-Петербурга

Худякова Т. С.,
к.т.н., заместитель директора ГП «Дорожный учебно-инженерный центр» (Санкт-Петербург)