Применение ПБВ в дорожном строительстве

Более, чем 70 % грузов в РФ перевозятся автомобильным транспортом. Из-за некачественных дорог РФ теряет порядка 3 % от внутреннего валового продукта. По данным ГИБДД, около 80 % ДТП связаны с недоброкачественным дорожным покрытием. Наши дороги служат в 5 раз меньше, чем европейские, при этом каждый километр обходится в 3 раза дороже. Огромные средства идут как на строительство новых дорог, так и на содержание и ремонт существующих, причём затраты на ремонт растут необоснованно быстро из-за выхода из строя дорог, раньше проектных и гарантийных сроков. Решить транспортную проблему может только кардинальное совершенствование дорожного покрытия, применение инновационных материалов и технологий.

Дорожное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к изменениям температур суточных и сезонных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эти задачи, является применение модифицированных битумов. Стоимость модифицированных битумов выше обычного битума в среднем на 60-65 %, но дороги не строят из одного битума, доля битума в асфальтобетоне всего 6%, расчёты показывают, что удорожание строительства 1км дороги составляет около одного процента. Учитывая увеличение срока службы дороги в 2-3 раза, применение модифицированных битумов, безусловно, экономически обосновано.

Битумы, не модифицированные должным образом, показывают на практике ряд недостатков: высокая термическая чувствительность (размягчение при высоких температурах и хрупкость при низких), плохие механические характеристики и низкая упругость, склонность к старению. Ввиду этих недостатков, а также многих практических и экономических факторов, в течение последних 30 лет был проведен ряд исследований. Они продемонстрировали, что полимерные материалы являются лучшими модификаторами для улучшения технологических качеств битума. Полученный модифицированный битум, образованный объединением обычного битума и полимера, обеспечивает более высокий уровень качества: улучшение рабочих характеристик при высоких и низких температурах, улучшение эластопластических характеристик, повышенное сопротивление усталости материала, улучшение когезии и адгезии с наполнителями, повышенное сопротивление старению.

Перечисленные преимущества сильно связаны с видом использованной битумной основы и полимера, а также с типом применяемого при модификации технологического процесса. Битум обычно характеризуют как коллоидную субстанцию с мицеллами асфальтенов, окруженными смолами и рассеянными в масляных фазах высокой вязкости (мальтенах), которые представляют собой смесь ароматических и насыщенных углеводородов. Наличием асфальтенов обусловлены специфические свойства битумов, а именно вязкость (пластичность) и упругость, устойчивость к определенным типам деформаций, сцепляющие и связующие свойства. Упругость и пластичность также обусловлены наличием смол и мальтенов.

Битум может быть также определен как вязкоэластичный материал, причем его свойства меняются в зависимости от частоты приложенных нагрузок: он проявляет упругие свойства при нагрузках высокой частоты и пластичные при нагрузках низкой частоты. Реологическое поведение битума зависит от его химической структуры, баланс которой сильно зависит от температуры. Это означает, что реологическое поведение битума является функцией температуры. Битумные смеси должны сохранять свои сцепляющие и связующие свойства в любых природных условиях в течение целого года. Термическая чувствительность не позволяет обычным битумным смесям хорошо вести себя и при высоких, и при низких температурах, поэтому они нуждаются в модификации.

Исходя из реологического поведения, полимеры могут быть разделены на пластомеры и эластомеры. Их поведение при рабочей температуре, в частности жесткость, подверженность деформации и ударная вязкость, существенно различаются. Основной целью добавления полимеров в битум для асфальтобетонных смесей является повышение сопротивления деформации путем увеличения жесткости битума и смеси, а также их эластичности.

Модифицирование битума полимерами, обладающими эластическими и пластическими свойствами ведет, к получению в итоге полимерно-битумных вяжущих (ПБВ). Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) на основе термоэластопластов является качественно новым материалом, позволяющим повысить срок службы дорожного покрытия. По сравнению с нефтяными дорожными битумами полимерно-битумные вяжущие обладают новым комплексом свойств, существенно отличающихся от свойств исходных битумов: эластичностью, трещиностойкостью, широким интервалом пластичности (ИП), повышением прочности при растяжении. Технические требования к ПБВ регламентируются ГОСТ Р 52056-2003 и отраслевым стандартом ОСТ 218.010-98. В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С ПБВ подразделяют на следующие марки: ПБВ 300, ПБВ 200, ПБВ 130, ПБВ 90, ПБВ 60 и ПБВ 40. По физико-механическим показателям ПБВ должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в ГОСТе. Чтобы материал соответствовал стандарту, необходимо изготовить полимер высокого качества и создать эффективные установки по производству ПБВ.

Технология производства модифицированных битумов хорошо изучена и освоена. Производство полимерно-модифицированного битума может быть организовано как на асфальтобетонном заводе с терминалом, так и на обособленном производстве. В производстве модифицированных битумов используются две основные системы: непрерывное производство смеси и производство партиями. Независимо от используемого способа производства, главной частью завода является мельница. Лучшие показатели распределения (гомогенизации) достигаются при использовании мельницы с мощными измельчающими и перемешивающими устройствами. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера. Использование оборудования такого типа позволяет получать ПБВ с регламентированными техническими требованиями при температуре не выше 160 °С, содержании модификатора не более 3,5% мас. и маленькой продолжительности процесса. В случае приготовления ПБВ на оборудовании без высокоскоростных измельчителей (коллоидных мельниц) необходимо закладывать большую концентрацию полимера, более высокую температуру процесса (это может привести к старению битума и окислительной деструкции ПБВ, уровень свойств ПБВ при этом существенно снизится), кроме того, продолжительность процесса приготовления увеличивается более чем в 2 раза. Высокие рабочие характеристики достигаются только при условии точного контроля дозировки полимера и его распределения в битумной массе. При производстве полимерно-битумного вяжущего вся мощность коллоидной мельницы должны быть направлена на измельчение полимерных частиц до молекулярного уровня и равномерное распределение их в исходном битуме, для дальнейшего образования и структурирования полимерной сетки.

На рынке имеется несколько видов мельниц, причем большая их часть спроектирована для других отраслей промышленности (пищевой, химической, деревообрабатывающей), но используется для производства полимерно-модифицированных битумов.

Компания ЗАО «КОРРУС-ТЕХ, Инк» поставляет на рынок России высокотехнологичное оборудование Massenza (Италия) для производства модифицированных битумов наивысшего качества. Massenza разработала собственную модель мельницы, специально предназначенную для производства модифицированного битума и являющуюся лучшей в этой отрасли.

Коллоидная мельница Massenza модель PMB40

Кроме того, Massenza разработала специальную систему с внешним шестеренчатым насосом переменной скорости, питающим мельницу. Этот насос имеет 2 основных назначения:

• он позволяет мельнице не производить всасывающее действие и сконцентрировать всю имеющуюся мощность исключительно на размельчении;
• он имеет изменяющуюся скорость, скорость регулируется обратным сигналом, который поступает при изменении электропотребления электромотра мельницы. Это означает, что выпуск битумно-полимерной смеси из мельницы всегда остается максимальным. В случае если в мельницу поступает смесь с высоким содержанием полимера, то электропотребление электромотора мельницы возрастает, что в свою очередь уменьшает интенсивность работы насоса и наоборот.

Принцип работы коллоидной мельницы Massenza

Такая система позволяет самой мельнице не тратить энергию на накачивание, направляя всю ее на измельчение, а также постоянно обеспечивает максимальный выход продукта путем регуляции потока сырья. Именно поэтому концепция мельницы MASSENZA является выигрышной для производства модифицированных полимерами битумов.