3. Современные материалы: Резинобитум | СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОДЕРЖАНИЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ | Дорожные работы и технологии | Статьи, публикации, обзоры | "Объединенная Дорожно-Строительная Компания"

Для сопротивления трещинообразованию необходим материал, который может эффективно воспринимать возникающие в покрытии напряжения. При рефлекторном трещинообразовании концентрации напряжения возникают над трещинами, существующими в нижележащих слоях. Температурные трещины вызываются напряжениями, связанными с температурными изменениями. Сжатие дорожного покрытия приводит к образованию трещин, когда сжимающее напряжение превышает предел прочности вяжущего на сжатие. Поэтому материал должен, не разрушаясь, свободно переносить высокие растягивающие напряжения. Для того, чтобы материал сопротивлялся усталостному разрушению при значительных прогибах, связанных с размягчением основания, от него требуется возможность растяжения и восстановления формы, равно как и способность останавливать трещинообразование. Общеизвестно, что содержание вяжущего в тонких слоях влияет на долговечность. Любое вяжущее, обладающее высокой вязкостью, будучи добавлено в смесь в большем количестве, без риска вызвать выпотевание может улучшить устойчивость к образованию трещин. Если вяжущее может поддерживать такие свойства в широком температурном и временном диапазонах, то его использование значительно увеличит срок службы покрытия. Применение полимеров призвано увеличить срок службы дорожных покрытий. Хотя, с другой стороны, это зачастую увеличивает стоимость вяжущего. Более доступным вариантом является использование измельченной резины покрышек (в вяжущих это называется резинобитум). Применение этого материала для улучшения реологических свойств битума имеет долгую историю и подробно описано в литературе.

Резинобитум производится путем смешивания гранулированной резины покрышек с битумом и добавками. Добавляется как минимум 15% (а обычно 18–20%) резины. Совместимость битума и резины является ключевым аспектом для дальнейшего применения материала. Гранулометрия резиновой крошки, время и температура смешивания, равно как и уровень сдвига при смешивании, влияют на свойства материала.

Типичная кривая рассева частиц измельченной резины

Рис. 7. Типичная кривая рассева частиц измельченной резины

На рисунке 7 показана приблизительная идеальная кривая рассева. Однако, если время реакции достаточно продолжительное, используется специальное оборудование для смешивания, а температура реакции строго контролируется, могут быть использованы даже частицы резины размером до 2 мм.

Совместимость систем «битум-полимер» может быть определена несколькими путями:

с точки зрения получения определенной морфологии, т. е. структурной схемы полимерных частиц, цепей или групп в битумной матрице;
с точки зрения термодинамической стабильности – для чего необходимо определить, находится ли структура полимерных частиц или цепей в низком энергетическом состоянии (иными словами, имеется ли движущая сила для увеличения энтропии);
исходя из стабильности хранения на практике – т. е., определяя, не разделяются ли исходные компоненты при хранении;
на заключении о достижении какого-то заданного свойства или комбинации свойств, которые могут сохраняться значительный период времени (как правило, до момента укладки).

Стадии реакции частиц резины и битума

Рис. 8. Стадии реакции частиц резины и битума

Итак, происходит реакция, при которой битум и частицы резины взаимодействуют друг с другом. В результате частицы покрываются гелем (рисунок 8), что аналогично процессу разбухания, происходящему в полимерно-битумных системах, в результате чего получается самостоятельная резинобитумная матрица. По существу, имеет место трехфазная система: резина, смесь резины и битума, и битум. Механизм работы этой системы в какой-то мере похож на тот, что работает в полимерах. Битумная смесь состоит из связанных молекул полярного типа в дисперсной среде. (О такой смеси часто говорят как об асфальтенах с мальтенами, хотя это более сложная система, а битум в действительности представляет собой сплошную среду соединений от высокополярных асфальтенов до неполярных алифатических масел). Процесс очистки и тип сырца оказывают сильнейшее воздействие на состав битума и, как следствие, на совместимость резины и битума. Разбухание резины вызывается ароматическими и нафтеновыми (с кольцевой структурой) маслами. Поэтому источники сырья и процесс их очистки для получения битума влияют на формулу резинобитума.

3.2. Свойства резинобитумных вяжущих

Морфология вяжущего с масляным наполнителем и без него

Рис. 9. Морфология вяжущего с
масляным наполнителем
и без него

Свойства всех модифицированных полимерами систем зависят от морфологии. Они оптимизированы, когда материалы совместимы. Это дает лучшую дисперсность (Рис. 9). Это также может проиллюстрировать сравнение совместимых и несовместимых систем с использованием системы оценки SHRP PG. Совместимые системы имеют более широкий диапазон рабочих температур и более высокое качество. Химические характеристики битума, и особенно наличие функциональных веществ, таких, как карбоновая кислота и сульфоксиды, тоже очень важны. При этом нежелательна высокая концентрация насыщенных парафинов. Что касается битумов для эмульсий, то здесь композитный состав может быть оптимизирован с помощью добавок, а иногда путем смешения различных битумов.

Улучшение термической чувствительности при добавлении резины

Рис. 10. Улучшение термической чувствительности при добавлении резины

Основные эффекты использования резиновой крошки заключаются в увеличении вязкости и улучшении термической чувствительности, что иллюстрируется рисунком 10. На рисунке 11 приводятся сравнение показателей точки размягчения и температуры хрупкости по Фраасу. Это означает, что такие вяжущие менее хрупки при отрицательных температурах и менее подвержены деформациям при высоких температурах.

Влияние на температуру размягчения по кольцу и шару и температуру хрупкости по Фраасу

Рис. 11. Влияние на температуру размягчения по кольцу и шару и температуру хрупкости по Фраасу

Точка пересечения кривых на рисунке 10 показывает идентичность свойств модифицированного и немодифицированного битума, но только при данной температуре ±10°C. При низких температурах модуль упругости резинобитума на несколько порядков ниже и вяжущее намного эластичнее. При высоких температурах модуль упругости резинобитума во много раз выше и вяжущее более жесткое. Таким образом, эффект использования резинобитума наиболее ярко проявляется при низких температурах.

Эффекты старения резинобитумных вяжущих (в печи - TFO, в симуляторе погодных условий - W)

Рис. 12. Эффекты старения резинобитумных вяжущих (в печи – TFO, в симуляторе погодных условий - W)

Такие вяжущие легче сопротивляются неблагоприятным погодным условиям, равно как и процессам старения вследствие присутствия антиоксидантов в составе резины, как показано на рис. 12. Можно получать более толстые пленки вяжущего в смеси при условии наличия высокой вязкости вяжущего, что способствует увеличению устойчивости к старению, поскольку окисление является процессом, зависящим от диффузии в битумных вяжущих.

Влияние использования резинобитума на напряжение в верхних слоях

Рис. 13. Влияние использования резинобитума на напряжение в верхних слоях

Свойства мембран, устроенных с применением резинобитумных вяжущих, и вследствие их применения – уменьшение количества отраженных трещин, основываются на способности снижения напряжений в верхнем слое покрытия, что и показано на рис. 13. Снижение температурных напряжений требует увеличения предела прочности при разрыве и удлинения при разрыве, как видно на рисунке 14.

Влияние модификации битума на предел прочности на разрыв и удлинение при разрыве – тест Бенсона

Рис. 14. Влияние модификации битума на предел прочности на разрыв и удлинение при разрыве – тест Бенсона

3.3. Свойства поверхностных обработок, горячей смеси и Микросюрфейсинга

3.3.1. Мембранная поверхностная обработка

Обработки зависят, в основном, от уже упомянутых свойств вяжущего. В стрессовоспринимающих мембранах к предыдущим требованиям гибкости при низких температурах и пределу прочности на разрыв добавляется требование к удержанию каменного материала. Это иллюстрирует рисунок 15 на примере испытания Vialit при различных низких температурах. Ясно видно, что резинобитум имеет исключительную когезию при низких температурах и адгезию к данному каменному материалу (кремнистый гранит).

Приживаемость щебня в резинобитумном вяжущем

Рис. 15. Приживаемость щебня в резинобитумном вяжущем

Во многих случаях адгезия может быть улучшена применением ПАВ. Особенно важным является испытание систем перед их использованием на дороге и проектирование систем именно для того каменного материала, который будет использоваться. Очень полезно проведение тестов на прилипание для каменного материала и вяжущего для поверхностных обработок (приживаемость щебня).

3.3.2. Горячая асфальтобетонная смесь

При использовании асфальтобетонных смесей резинобитум может быть использован как с прерывистым, так и с непрерывным зерновым составом минеральной части асфальтобетонов. В сравнении с обычными вяжущими он имеет более высокий предел прочности, и, как следствие, большую долговечность. Смесь с использованием резинобитума может быть уложена толщиной, в два раза меньшей, чем толщина обычного слоя горячего асфальтобетона, при сохранении срока службы покрытия. Рисунок 16 показывает увеличение усталостной прочности смесей при использовании резинобитума. Усталостная прочность зависит от толщины пленки вяжущего, его объемного содержания, и, таким образом, более высокая вязкость позволяет иметь более высокое содержание вяжущего во всех типах смесей. Тем самым, увеличивается показатель усталостной прочности.

Усталостная прочность а/б смесей с применением резинобитума

Рис. 16. Усталостная прочность а/б смесей с применением резинобитума

Свойства смесей при низких температурах также исключительны, как видно из результатов испытаний TRST, приведенных на рисунке 17 для различных вяжущих. Рисунок показывает, что применение резинобитума значительно увеличивает устойчивость к трещинообразованию при низких температурах. Это происходит, частично, из-за увеличения предела прочности на разрыв вяжущего, а также благодаря возросшему на 1– 2% количеству такого материала в смесях.

Свойства смесей при низких температурах

Рис. 17. Свойства смесей при низких температурах

Свойства смесей при высоких температурах улучшаются схожим образом, что и показали испытания колесной нагрузкой при температуре +60°С (см. рисунок 18). Резинобитум придал смеси великолепную устойчивость к образованию колеи. Всегда необходимо помнить, что устойчивость к образованию колеи скорее зависит от свойств каменного материала, чем от свойств вяжущего, поэтому состав смеси в таких случаях особенно важен.

Устойчивость смесей на основе резинобитума к деформациям

Рис. 18. Устойчивость смесей на основе резинобитума к деформациям

3.3.3. Микросюрфейсинг

Используется, в основном, в двухслойных системах, в комбинации с традиционной поверхностной обработкой и называется «Кейп Сил». Такое применение использует преимущества устойчивости резинобитума к трещинообразованию в комбинации с износостойкостью Микросюрфейсинга. Использование резинобитумных вяжущих возможно и в эмульсиях, что также может значительно повысить износостойкость микросюрфейсинга, как показано на рисунке 19 на примере результатов испытаний на мокрое истирание. Резиновая крошка может быть добавлена или в виде дисперсии (RG-1), в сухом виде непосредственно в мешалку укладчика, или в виде эмульсии.