Предложено модифицировать дорожный битум гидролизным лигнином и техногенной серой для получения асфальтобетона повышенной прочности, морозо- и трещиностойкости. Разработана технология включение комплексного лигно-серного модификатора в состав битумного вяжущего для асфальтобетона.

По предложению автора гидролизный лигнин (влажность 63%, остаточное содержание серной кислоты 0,5%, зольность 1,5%) подвергается грохочению в течение 10 минут с нагретым до  температуры 200 °С известняком в специальной камере с внешним электрообогревом. В процессе грохочения происходит измельчение лигнина ударом и истиранием без изменения  размеров кусков известняка, высушивание лигнина и нейтрализация в нем  остаточной кислоты. Лигнин выходит с влажностью 3,4%, размер частиц более 150 мкм, кислотность 0, зольность 23,7%.

В горячий элеватор параллельно подаются полученный лигнин и подогретый до температуры 120-200°С щебень с последующим грохочением на грохоте асфальтобетонной установки, оснащенной расходным бункером гидролизного лигнина и устройством его дозирования. Высушенный и измельченный лигнин совместно со щебнем подается в смесительный бункер для дальнейшего приготовления асфальтобетонной смеси

Введение

Одним из критериев уровня развития стран является состояние дорожной сети. В настоящее время транспортно – эксплуатационные характеристики большинства отечественных автомобильных дорог отстают от мирового уровня. Поэтому в последние годы появилась необходимость создания дорожных покрытий повышенной долговечности.

Битумы и битумоминеральные композиции являются одними из наиболее распространенных материалов, используемых в строительстве покрытий. Однако сроки службы битумных покрытий в несколько раз меньше нормативных. Разработка путей повышения качества и долговечности битумов и материалов на их основе представляется весьма актуальной задачей, позволяющей решать проблему надежности и долговечности работы покрытий.

1.    Постановка задачи

Свойства асфальтобетона значительно улучшаются при введении в массу полимерных добавок либо при модификации битумных вяжущих полимерными соединениями. Как правило, полимерные добавки химически не взаимодействуют с битумом. Растворяясь или диспергируясь в битуме, они способствуют упрочнению его структуры. Благодаря этому полимербитумная композиция приобретает ряд ценных физико-механических свойств, присущих вводимым полимерам и устойчивость к старению [1].

Наибольшее применение в качестве полимерных добавок к битуму получили эпоксидные олигомеры. Эпоксидные олигомеры под действием отвердителей образуют в битумно-эпоксидной композиции прочную пространственную сетку, усиливают адгезию материала. Приготовление смесей с добавками олигомеров ведут при температуре 140-190 ◦С. При этом предварительно смешивают модификаторы с битумом. Прочность покрытия на сжатие составляет 35-38 МПа, водопоглащение – 0,2%, линейная усадка при охлаждении – не более 0,25% [2].

Свойства битумов существенно улучшаются при совмещении их с структурирующими полимерами – поливинилацетат, полистирол, синтетические каучуки и латексы, низкомолекулярный полиэтилен и полиизобутилен, полипропилен и сополимеры этилена с пропиленом.

Поливинилацетат улучшает реологические и адгезионные свойства, увеличивает интервал пластичности, повышает прочность. Полистирол замедляет старение битумных материалов, повышает твердость покрытий [3].
Каучуки при смешивании с битумами создают в них самостоятельную решетку, способную воспринимать механические и температурные деформации композита без растрескивания. Для увеличения прочности битумно-каучуковых материалов прибегают к частичной или полной вулканизации каучука в композиции; при этом каучук сначала набухает в битуме, а затем диффузионно распределяется в нем. Это приводит к снижению хрупкости и повышению теплостойкости материала [4].

К наиболее известным способам модифицирования дорожных битумов относится добавление резиновой крошки в расплав с температурой 160-180 ◦С, при которой происходит девулканизация резины, высвобождение макромолекул каучука и сплавление его с битумом. Крошку получают дроблением старых автопокрышек и других резинотехнических изделий. Количество добавляемой крошки составляет 12-20% от массы расплавленного битума. Добавки резиновой крошки термореактивных полимеров позволяют повысить деформативность и эластичность, снизить шумовой эффект. В результате набухания полимеров в битумной среде возникает вторичная структура, взаимодействующая с битумом через поверхность раздела [5,6].

Помимо органических, в основном полимерных модификаторов дорожного битума существенную роль в улучшении свойств асфальтобетона играют минеральные модификаторы – цемент, зола ТЭЦ, техническая сера и др. В совокупности с органическими модификаторами они образуют группу дорожных композиционных материалов.

К минеральным модификаторам дорожных битумов относятся, прежде всего, измельченные известняки и доломиты с пределом прочности на сжатие не менее 20,0 МПа, измельченные доменные шлаки и природные асфальтовые породы. По степени измельчения необходимо, чтобы порошок полностью проходил через сито с отверстиями 1,25 мм., при этом содержание частиц мельче 0,071 мм. должно быть не менее 70% по массе, а частиц, мельче 0,315 – не менее 90% [7].

Наполнителем асфальтобетона может быть цементная пыль с фильтров обжигальных печей, преимущественно в производстве водонепроницаемого расширяющего, водонепроницаемого безусадочного, гипсоглиноземистого расширяющегося и др. цементов.

Традиционно известно о применении техногенной серы в качестве компонента дорожных асфальтобетонов, мастик, растворов. Разработаны составы высокопрочного асфальтобетона с использованием серы и местных отходов промышленности для дорожного строительства. Предполагается (в отличие от дорожного битума), что добавка серы выполняет двойную роль в структуре материала: повышает его прочность и значительно улучшает сцепление вяжущего с поверхностью минерального заполнителя [8].

Если применять мелкозернистый заполнитель для асфальтобетона в количестве не менее 60% по массе, то при замене половины объема битума серой достигается повышение прочности битумосодержащего бетона до 26МПа, асфальтобетона – до 7,5 МПа. Асфальтовые бетоны, модифицированные серой, отличаются высокой прочностью и теплостойкостью сдвигоустойчивостью и стойкостью к органическим растворителям, а также возможностью использовать в своем составе низкокачественные материалы и отходы промышленности.

Битумосерные бетоны рекомендуется для дорожного строительства в условиях сухого, жаркого климата. Они отличаются хорошими эксплуатационными качествами, ремонтопригодны, безопасны. Физико-механические свойства битумосерных асфальтобетонов в значительной степени зависят от гранулометрического состава заполнителей и их химической природы. При прочих равных условиях битумосерные материалы имеют повышенную прочность на сжатие, высокие значения коэффициентов тепло- и водостойкости, устойчивы при длительном водонасыщении.

Взаимодействие серы с битумом обусловлено действием адсорбционных, электрических, химосорбционных и механических сил адгезии. Совокупность различных видов адгезии значительно улучшает структуру и механические свойства получаемого композиционного материала. Эффективность взаимодействия серы с минеральными компонентами асфальтобетона повышается, если использовать фосфорно-шлаковый наполнитель – отход фосфорного производства [7].

При соотношении битум: сера = 1:0,3 по массе выявлены реальные признаки химического взаимодействия серы и битума в расплавленном состоянии при температуре 120-140◦С, протекающего по механизму взаимной физической диффузии: битума в серу, а серы в битум с образованием компаунда, свойства которого подчиняются закону аддитивности. Это доказывается тем, что прочность материала при изгибе увеличивается в 1,7-1,8 раза [8].

На основе использованных теоретических положений получен полимерный асфальтобетон с марочной прочностью 400-500, истираемый не более чем на 0,25-0,31, имеющий морозостойкость более 100 циклов и марку по водонепроницаемости В8-В10. Материал стоек во многих агрессивных жидкостях – натриевой щелочи, в растворах серной кислоты.

Представляет теоретический интерес модификация битума лигнином. Как модификатор, лигнин обладает способностью значительно улучшать свойства битума и других битуминозных вяжущих в результате совмещения тонкодисперсного лигнинного порошка с расплавом битума. Этот процесс связывается с уменьшением толщины структурированных (ориетированых) оболочек и, как следствие, с резким увеличением когезии. Сформировавшаяся структура становится более или менее однородной, ее адгезионная активность возрастает.

В дорожных мастиках применяют вяжущее включающее просушенный гидролизный лигнин, расплавляемый в жидкой каменноугольной смоле при 305-320 ◦С. При этом происходит крекинг лигнина, получается черное аморфное вещество с блестящим изломом плотностью 1,22-1,38 г/см3 и температурой размягчения до 150 ◦С. С учетом предыдущих сведений о модифицировании дорожных битумов каменноугольными смолами можно считать, что получается практически однородный каменноугольно-лигниновый субстрат, через посредство которого можно получать лигнобитумные серные композиции [9].

Заключение

Таким образом, становится теоретически боле обоснованной возможность получать однородные смеси лигнина с битумом через посредство органических каменноугольных модификаторов. Другой путь – прямое введение лигнинового порошка в асфальтобетон. Изначально он служит органическим наполнителем в дополнение к минеральным. В дальнейшем, при технологических переделах происходит взаимодействие порошка лигнина через посредство его функциональных групп, и полученный асфальтобетон становится более однородным. Разработана промышленная технология производства асфальтобетона с порошковым наполнителем органической природы.

C оценкой потенциала спроса на серобетон на российском рынке Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Серобетон: анализ потенциального спроса».

А. В. Демина

Источники:

1. Химерик, Т.Ю. Гидролизный лигнин, как наполнитель для дорожного асфальтобетона [Текст]: Автореф. дисс. канд. техн. наук / Т.Ю. Химерик.– Харьков: ХАДИ, 1984. – 20 с.
2. Веренько, В.А. Влияние элементарной серы на свойства органических вяжущих и бетонов / В.А. Веренько. - М.: Известия вузов, Строительство и архитектура, 1985, №4. – с. 62-66.
3. Рыбьев, И.А. Асфальтовые бетоны: учебное пособие для вузов / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая школа, 1969. – 218 с.
4. Рыбьев, И.А. Общий курс строительных материалов: учебное пособие для вузов / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая школа, 1987. – 584 с.
5. Воробьев, В.А. Технология полимеров: учебник для вузов / В.А. Воробьев, Р.А. Андрианов. – М.: «Высшая школа», 1971. – 360 с.
6. Елшин, И.М. Полимерные материалы в ирригационном строительстве: учебное пособие / И.М. Елшин. – М.: «Колос», 1974. – 192 с.
7. Хрулев, В.М. Технология и свойства композиционных материалов для строительства / В.М. Хрулев. – Уфа: ТАУ, 2001. – 168 с.
8. Хрулев, В.М. Основы технологии полимерных строительных материалов: учебник для вузов / В.М. Хрулев, Г.М. Шутова, Л.М. Безверхая. – Минск: Высшая школа, 1991. – 384 с.
9. Веренько, В.А. Дорожные композитные материалы. Структура и механические свойства / В.А. Веренько, под ред. И.И. Леоновича. – Минск: изд. Наука и техника, 1993. – 246 с.

А. В. ДЕМИНА, аспирант НГАСУ Сибстрин, г. Новосибирск,

 асс. кафедры экспертизы и управления недвижимостью

Хакасский технический институт
(Филиал ГОУ ВПО «Сибирского федерального университета»)
ул. Щетинкина, 27, г. Абакан, 655017, Республика Хакасия, Россия

www.newchemistry.ru