В настоящее время в производстве нефтяных битумов уделяется внимание получению модифицированных битумных материалов [1]. Главной целью модифицирования является получение битумов или материалов на их основе, которые позволили бы: расширить интервал пластичности битумов; усилить адгезию к металлическим и минеральным материалам; увеличить устойчивость к старению; обеспечить коллоидную и механическую прочность; расширить рабочий интервал температур; обеспечить экологическую безопасность получения и применения модифицированных битумов и др.

Необходимо отметить, что в пользу модифицирования говорит хорошая совместимость битумов с различными органическими веществами и полимерами, которые способны придать битуму специфические улучшенные свойства. В результате приготовления модифицированных битумных материалов образуется устойчивая (стабильная) коллоидная система, способная обеспечить выполнение ряда требований, предъявляемых к материалам для конкретного применения.

Регулировать свойства битумов возможно, изменяя дисперсную структуру битума добавками. В результате подбора наилучшего соотношения битум-добавка можно достичь по необходимости улучшения одного или нескольких свойств готового битумного материала. Основные критерии подбора добавки- это хорошая совместимость ее с битумом, высокая температура кипения или приемлемая температура плавления, доступность, дешевизна, нетоксичность, технологичность, возможность улучшать физико-химические и эксплуатационные свойства битума.

При анализе литературы выявлено много способов улучшения свойств и структуры дорожных битумов, из которых можно выделить: введение наполнителей, таких как сера, резиновой крошки; добавок – поверхностно-активных веществ (ПАВ), полимеров различного строения (эластомеры, термопласты, реактопласты, термоэластопласты).

Среди полимерных модификаторов битумов наиболее широко рекомендованы к применению различные марки каучуков, в частности, бутадиен-стирольный, а также другие классы и разновидности пластичных и эластичных синтетических полимеров [2]. Естественно, что использование марочных синтетических полимеров даже в небольших количествах при многотоннажных объемах производства, выражающихся в тысячах тонн в год, приводит к весьма серьезному удорожанию стоимости, как полимер-битумной композиции, так и всего строительства. Поэтому удешевление стоимости полимера представляет интерес.

Модификация битумных материалов каучуками заключается в следующем: повышается температура размягчения, уменьшается зависимость пенетрации от температуры, снижается температура хрупкости, возникает способность к эластическим обратимым деформациям, повышается жесткость и прочность битумной смеси, значительно улучшаются низкотемпературные характеристики [1, 2].

При производстве вязкого дорожного битума из гудрона парафинистых нефтей не удается получить битум марки БДН 60/90 улучшенного качества-некоторые показатели качеств товарного битума, как температура хрупкости, пенетрация при 0°С, растяжимость отстают от требований стандарта.

Причиной этого является изменение состава смеси нефтей, поступающей на НПЗ, особенно использование гудрона парафинистых нефтей, непригодных для производства дорожного битума.

В данной статье предоставлены композиционная смесь полимерного материала с низкокачественным парафинистым гудроном с последующим окислением. В качестве полимера использован полибутадиеновый каучук с молекулярной массой 6000. С этой целью в исходный гудрон добавляли от 3 до 6% полибутадиенового каучука и смесь подвергали окислению.

В результате окисления получали композиционную смесь гудрона с полибутадиеновым каучуком – битум, с улучшенными качествами [3].

В таблице 1 приведены показатели качества композиционного окисленного гудрона.

Таблица 1. Качества композиционно-окисленного битума

Как видно из данных в таблицы 1, показатели качества битумов: растяжимость, температура хрупкости, пенетрация улучшаются. Одновременно в 1,5 – 2 раза увеличивается скорость реакции окисления, что положительно влияет на производительность установки.

Установлено, что окислением смеси гудрона парафинистой нефти с полибутадиеновым каучуком получаются дорожные битумы с улучшенными качествами.

В таблице 2 приведены характеристики модифицированных битумов, полученных с использование различных модификаторов и апробированных на практике.

Таблица 2. Сравнительные характеристики модифицированных битумов, полученные с использованием различных модификаторов

Примечания: ДСТ – дивинилстирольный термоэластопласт; НПС – нефтеполимерная смола; СКД – синтетический каучук дивиниловый; СКС – синтетический каучук дивинилстирольный; СКИ – синтетический каучук изопреновый; СКДПН – синтетический каучук дивинилпипериленовый; СКН – синтетический каучук нитрильный.

Как видно из таблицы 2, характеристики приведенных модифицированных битумов в большинстве своем превосходят требования ГОСТ. Исключение составляют лишь показатели растяжимости при 25°C для пяти из семи видов модифицированных битумов. Битум, модифицированный добавкой ДСТ, отличается более высокими значениями глубины проникания иглы при 0°C и растяжимости при 0°C.

Из приведенных в таблицы 2 модификаторов широкое практическое применение уже сегодня получили ДСТ, растворы в сланцевом масле синтетических каучуков СКД, СКС или СКИ, а также НПС. В отличие от ДСТ указанные выше модификаторы придают вяжущему высокое адгезионные свойства по отношению к каменным материалам кислых пород, что является особенно важным при устройстве поверхностных обработок. Они отличаются также простотой объединения с битумом. Отпускная цена битума, модифицированного этими добавками, в 2 – 3 раза ниже, чем с применением ДСТ.

С учетом данных таблицы 2 и отмеченного выше можно рекомендовать использовать: ДСТ-в асфальтобетонных смесях для верхних слоев покрытий дорог I – III категорий в районах I и II дорожно-климатических зон; СКД, СКС или СКИ, а также НПС – в асфальтобетонных смесях для верхних слоев покрытий дорог I – III категорий в III дорожно-климатической зоне.

В России работает установка «Катион-М» (рисунок 1) контейнерного типа, производительностью 2 тонн в час, автоматической системой управления и контроля [4]. В качестве полимерных добавок используются полимеры класса термоэластопластов-блоксополимера СБС (стиролбутадиенстирол) в виде порошка или крошки. Полученный модифицированный битум применяется для асфальтобетона верхнего слоя, поверхностных обработок и т.д. Исходным сырьем установки являются: битум, ДСТ и пластификаторы.

Рисунок 1. Технологическая схема приготовления модифицированного битума:

1 – емкость для битума; 2 – емкость для пластификатора; 3 – емкость для модифицированного битума; 4 – емкость для модификатора; 5 – насос пластификатора;

6 – насос битума; 7 – винтовой конвейер для подачи модификатора; 8 – измельчитель;

9 – реактор; 10 – лопасная мешалка; 11 – масляная рубашка.

Технологический процесс включает в себя следующие этапы:

1. Подготовка битума до температуры 140 – 150°С в рабочей емкости;
   
2. Дозирование насосом 6 из битумной емкости 1 в реактор 9 контрольного объема (1500 л) битума с температурой 140 – 150°С;
   
3. Дозирование насосом 5 из емкости 2 пластификатора, температура которого составляет:
   

   а) мазут 90 – 100°С;
   

   б) гудрон 120 – 130°С;
   

   в) экстракт селективной очистки масел 130 – 140°С.
   

   Одновременно с подачей пластификатора из емкости 4 по винтовому конвейеру 7 дозируется модификатор в реактор 9 и включается лопастная мешалка 10;
   

   – после дозировки каждого из составляющих компонентов и достижения в реакторе объема 7500 литров, насосы отключаются;
   

   – процесс приготовления модифицированного битума проходит в реактор 9 при постоянно работающей мешалке 10 и измельчителе 8;
   

   – подача готового модифицированного битума производится в хранилище или автобитумовозы.
   

   Итак, обобщая вышесказанное можно сделать вывод, что битумно-полимерные композиции на основе полимеров обладают:
   

4. большей долговечностью, чем окисленные покровные битумы;
   
5. улучшенным адгезионным свойством, особенно по отношению к поверхности материалов кислых пород;
   
6. повышенной трещиностойкостью вплоть до температур минус 50 – 60°С.