Для выполнения работ по возведению новых зданий и сооружений необходимо применять качественные исходные материалы, где классическим примером может стать модифицированный битум. Он позволит сделать постройку надежной, увеличивая ее срок эксплуатации в несколько раз.
К сожалению, распространенная ситуация такова, что применяемые строительные материалы могут неполно соответствовать требованиям качества. Это также актуально и в секторе дорожного строительства. Согласно статистическим данным, общая протяженность автомобильных дорог на Земном шаре составляет более 64 миллионов километров (данные от 2013 года). С развитием инфраструктуры внутри отдельных стран, растет и указанная выше цифра.
Дорожное движение характеризуется постоянной нарастающей эффективностью, кроме этого имеют место быть и сложные климатические условия в отдельных регионах. Это все обуславливает невозможность использования классических связующих материалов для изготовления асфальтобетонной смеси. Они просто не смогут обеспечить необходимый уровень долговечности для покрытия. Использование таких материалов снижает срок службы новой дороги в 2-3 раза по сравнению с нормативом. В итоге это оборачивается дополнительными расходами бюджетов всех уровней.
Модификаторы для улучшения свойств битума
Наиболее дешевое решение – это изначальное использование качественных материалов при строительстве объекта, что определит длительный срок эксплуатации. В последние 10-15 лет появился целый ряд научных работ, в которых затрагиваются вопросы улучшения качества дорожного полотна. Одним из сделанных выводов стало то, что вовсе необязательно прекращать применение классического битума, то требуется модификация его свойств. Это может быть достигнуто с помощью применения специализированных добавок-модификаторов.
При помощи модификаторов можно будет добиться от дорожного покрытия именно тех характеристик, которые и определяются современными нагрузками. Во-первых, это устойчивость к образованию трещин, стойкость к сниженным температурам, а также повышение прочности и выносливости. Существенным преимуществом классического битума является возможность применения асфальтобетона в увеличенном интервале температур. Среди распространенных добавок можно выделить резиновую крошку, соединения серы, а также большое количество каучуков всех сортов. Кроме этого, применяется большое количество различных полимерных соединений.
Модифицированный битум эффективно показал себя в реальных условиях эксплуатации, представляясь конкурентоспособным строительным материалом. Он быстро перекочевал в другие сферы строительства – кровельные работы и гидроизоляцию.
Существующие способы получения модифицированных битумов
Один из самых распространенных способов – это
модификация битума полимерными соединениями, которая проводится при увеличенной (до 200 градусов) температуре совмещенной с интенсивным перемешиванием.
После увеличения температуры структура битума размягчается, что сопряжено с переходом термопластичных полимеров в вязко-текучее фазовое состояние. Смешивание полученной вязкой жидкости происходит в 2 этапа при повышенной температуре. Для начала происходит процесс эмульгации полимерного соединения в жидком битуме, а затем производится тотальное или частичное растворение. При этом может иметь место предварительно диспергирование полимерной добавки до определенного фракционного состава. Необходимость данной стадии определяется химической природой полимера, а также его свойствами при реакции с битумом.
Для приготовления битумов, которые впоследствии будут применены для гидроизоляции или кровельных работ также используется модификация при помощи полимерных соединений. Этот способ позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства готового продукта, делая его более гибким, устойчивым к сниженным температурам, более теплостойким и эластичным. Кроме этого модифицированный битум приобретает способность сопротивляться усталостному напряжению, а также становится более устойчивым к естественному старению. Для проведения модификации битума, как правило, добавляют до 25-30% полимерной добавки по массе.
Для модификации могут быть использованы следующие полимерные соединения:
- Полипропилен атактического типа (АПП);
- Полимерное соединение на основе триплета стирол – бутадиен – стирол (SBS);
- Полимерное соединение на основе триплета этилен – пропилен – бутен (ЭПБ).
Финальные характеристики готового битума определяются целым рядом факторов, среди которых выделим наиболее важные:
- Насколько однородной получилась смесь;
- Насколько выражено сродство модификатора и полимера на химическом уровне;
- Какое количество модификатора по массе было добавлено.
Что касается стоимости кровельных и гидроизоляционных материалов из модифицированного битума, то они намного дороже, чем стандартные. При этом следует сделать акцент на увеличенном сроке службы, который может быть увеличен на 15-20 лет. Кроме этого, будет достигаться экономия при монтаже (2 слоя модифицированного битумного покрытия заменяют 5 слоев традиционного).
Свойства модифицированного битума
Исторически сложилось так, что для строительства дорог применялся нефтяной битум в качестве связующего компонента. На первоначальном этапе применения его характеристик было достаточно для обеспечения качества дорожного полотна. При возрастании интенсивности дорожного движения, этих характеристик уже перестало хватать.
Совершенно очевидным представился тот факт, что необходим либо совершенно новый материал, который обеспечит необходимые эксплуатационные характеристики, либо необходимо проводить работы с традиционным битумом в направлении его модификации. Наиболее перспективным был выбран второй путь, что в конечном итоге определило успех модифицированного битума.
Для улучшения эксплуатационных показателей было избрано несколько направлений, которые разделялись на совершенствование технологического процесса производства, а также на химическую модификацию при помощи полимеров. Отдельные исследования показали, что недостаточно просто улучшить технологический процесс окисления гудрона, поскольку получаемое соединение не может обеспечить нужных эксплуатационных свойств. С другой стороны, добавление полимерных присадок показало свою эффективность, позволяя легко достигать заданных целевых значений свойств.
Для модифицированного битума характерен целый ряд отличий, которые и определяют его положительные свойства. Это увеличенные уровни теплостойкости и морозостойкости, существенное увеличение надежности при использовании в высоконагруженных конструкциях.
Наибольшее количество сортов улучшенного битума получено исключительно при использовании способа модификации с применением полимерного вещества. Дополнительно могут вводиться и твердые добавки – минеральные порошки различной дисперсности. Это необходимо для уменьшения уровня текучести.
Панацея или нет?
При этом, необходимо понимать, что модифицированный полимерами битум не спасет от некачественного дорожного покрытия. Однако, тот факт, что такой процесс улучшает эксплуатационные свойства, является научно доказанным.
В течение определенного периода (10-15 лет назад) в нашей стране (а также за рубежом) в большинстве случаев использовали нефтяной битум для строительства дорожного полотна. После того, как требования к прочности и эксплуатационной устойчивости были ужесточены, свойств природного соединения стало просто недостаточно. Наиболее проблемными участками стали высокоскоростные автомагистрали – места наиболее критических нагрузок.
Адекватное решение было предложено только в 80-х годах прошлого века, когда в результате научных изысканий был получен модифицированный полимерными компонентами битум. Это положительно сказалось на устранении остаточных деформаций, а также способствовало повышению износостойкости дорожного покрытия.
Как было и как есть
В Российской Федерации, модифицированные при помощи полимеров битумы, уже давно используются в дорожном строительстве, как стандарт качества. На такую трансформацию было потрачено порядка 15 лет. Наиболее часто используемый вариант – это битум с присадкой из полимера стирол – бутадиен – стирол (SBS). Исследования не прекращаются, производится постоянный поиск новых комбинаций битума и других полимеров.
Вводить или не вводить?
Кроме модификаторов, для полимерно-битумной композиции применяются пластифицирующие добавки. Это необходимо с целью увеличения температуры хрупкости. Некоторые ученые считают использование пластификаторов неоправданным, несущим в себе достаточно большое количество рисков. Наиболее негативно обычно характеризуют индустриальное масло. Наиболее значимый риск связывают с тем, что масло приводит к нарушению внутренней структуры полимера, за счет чего происходит выделение маслянистых структур из общей битумной смеси.
Кроме мнения некоторых ученых, данная теория не находит подтверждения среди ведущих производителей битумно-полимерных смесей.
Некоторое время назад битум для укладки дорожного покрытия изготавливался прямо на месте производства работ, фактически наибольшая часть процесса была возложена на самих строителей. С точки зрения оптимизации затрат на производство и логистику, это было оправдано. При этом рынок динамично изменяется, соответственно, более выгодно стало изготавливать битум на предприятиях нефтяной промышленности. Это гарантирует качество и точное соответствие необходимых эксплуатационных свойств для конкретного региона строительства.
При этом не произошло отказа от производства битума на месте самостоятельно дорожниками. Некоторые крупные компании дорожного строительства модифицировали этот процесс, купив специализированное оборудование, которое позволяет получать качественный продукт. Наиболее часто применяются установки типа УСБ-2 от компании GlobeCore.
Потребляем разумно
Основная сфера применения битумов, модифицированных полимерами – это полный цикл дорожного строительства (другими словами, в проектах жизненного цикла). Состав таких проектов, как правило, включает в себя проектные работы и кадастровые исследования, реконструкцию, постройку и дальнейшее содержание. В исполнительной документации на готовый объект, указывается тип выполненного дорожного полотна, а также делается отметка о типе применении битума, модифицированного полимером. Кроме этого перечисляется перечень мероприятий по замене и ремонту покрытия. Для долгосрочных договоров на 25-30 лет, может быть предусмотрено до 3 замен покрытия.
Когда происходит ремонт дорожного покрытия, то, как правило, происходит замена только верхнего слоя полотна, а нижние остаются неизменными. Тем не менее, есть научные данные о том, что максимальное сдвиговое напряжение формируется исключительно в нижних слоях. Это открывает расширенные возможности для использования битумных материалов вяжущего характера, однако это никак не учтено в действующих государственных стандартах.
Есть также и другие особенности. Например, соответствующий ГОСТ говорит о том, что полимерно-битумные вяжущие должны решать задачу эластичности и понижения температуры хрупкости. Большинство строительных нормативных документов были разработаны еще 20-30 лет назад, и они не могли прогнозировать будущее изменение климата или состава транспортного потока. В наше время температура дорожного полотна может достигать 60-70 градусов по Цельсию. Старые нормативные акты ничего «не знают» о таких показателях. Поэтому существует необходимость в обновлении нормативных документов в соответствии с вызовами современности.
Что дальше?
Даже несмотря на все очевидные преимущества модифицированных битумов, их распространение в России пока оставляет желать лучшего. Многие дорожные организации отказываются от применения данного строительного материала исключительно по незнанию, хотя впервые модифицированные битумы были применены еще 20 лет назад. В некоторых случаях использование вяжущих сталкивается с административными проблемами.
В любом случае, надлежащий толчок развитию индустрии модифицированных битумов может дать только грамотная государственная политика и актуализация производственных норм и требований.
