Применение жидкого битума в дорожных конструкциях



Жидкие битумы в современном дорожном строительстве применяются для создания покрытий автомобильных дорог и тротуаров нужного качества. Свойства битумов при их правильном сопоставлении с другими компонентами асфальтобетонной смеси позволяют создавать строительный материал нужных технологических параметров. Быстрое развитие автомобильной отрасли в мире, продолжающиеся процессы индустриализации и нестабильные цены на строительное сырье обуславливают актуальность в создании новых способов применения жидкого битума с ориентацией на экологичное, рациональное и экономичное строительство. В статье рассматриваются технологические подходы к применению жидкого битума в строительстве дорожных конструкций, приводятся преимущества и недостатки отдельных новых битумных технологий, а также всей отрасли производства дорожных битумов.

Ключевые слова: жидкий битум, асфальт, строительство, дороги, тротуары.

Жидкий битум — вещество на основе углеводородного сырья, используемое в строительстве в качестве связующего и гидроизолирующего материала [1]. Оно представляет собой вязкоупругую жидкость черного цвета, состоящую преимущественно из углеводородных соединений, практически нелетучую, размягчающуюся при нагревании. Основные составляющие химические элементы битума — углерод (80–88 %) и водород (8–11 %). В битуме также присутствуют разные примеси, такие как гетероатомы, атомы переходных металлов (в основном ванадий и никель), сера и кислород. Битумы обладают сложным химическим составом с содержанием от 300 до 2000 (обычно 500–700) химических веществ и их соединений [2].

Применение жидкого битума известно с древних времен: жидкий битум использовался древними римлянами для строительства дорог, в Месопотамии битум применялся для гидроизоляции деревянных конструкций. В V тыс. до н. э. жидкий битум использовался в Мехргархе (долина реки Инд) для гидроизоляции хранилищ урожая. В III тыс. до н. э. жидкий битум использовался для гидроизоляции сооружений в Мохенджо-Даро (современный Пакистан). По сохранившимся сообщениям Геродота, горячий битум использовался для гидроизоляции стен Вавилона. Одним из основных крупнейших источников жидкого битума для многих древних цивилизаций служило Мертвое море, которое римляне называли Асфальтовым озером [3].

Более поздние свидетельства применения жидкого битума в строительстве относятся к 1621 году. Тогда во Франции жил некий господин д’Эринис, в своем сообщении утверждавший об обнаружении месторождения битума в окрестностях Навшателя, и предложивший его использовать в качестве гидроизоляции и для защиты дорог Парижа «от грязи» и разрушений [4]. В широком применении жидкий битум для строительства дорог стал использоваться во Франции после череды революций, в 1830-х гг. Тогда битум стал применяться для строительства дорог, тротуаров и для гидроизоляции плоских крыш и цистерн. В тот же период были обнаружены крупные месторождения битума во Франции и в остальной Европе. Одно из первых масштабных применений жидкого битума в Европе произошло во время строительства площади Согласия в 1835 г. (Сесель, юго-восточная Франция) [5]. После Франции широкое применение жидкого битума в строительстве дорог произошло в Англии 1830-х гг., где на его основе в основном строятся тротуары городов. В США жидкий битум для строительства тротуаров стал применяться с 1870-х гг. После 1920-х гг. технология использования битумов усовершенствовалась, когда было изобретено асфальтовое покрытие дорог, которое стало необходимым ввиду распространения автомобильного транспорта.

В настоящее время жидкий битум в 85 % случаев используется для создания асфальтового покрытия дорог и пешеходных тротуаров. В природном виде битум встречается в разном виде — жидкий, твердый битум, битуминозный песок, компонент горных пород и др. При температуре 100–200 °С твердый битум переходит в жидкое состояние, в котором к смеси добавляются крупные и мелкие связующие (песок, гравий, щебень и др.), придающие веществу нужные свойства и образующие при его нанесении на дорожное полотно асфальтовое покрытие [6].

Асфальтовые покрытия (асфальтобетон) состоят на 5 % из жидкого битума и на 95 % из заполнителей (камня, песка и гравия) [7]. Технология асфальтирования на основе жидкого битума очень хорошо поддается повторному использованию. Ежегодно более 99 % асфальта, удаляемого с дорожных покрытий, направляется на вторичную переработку, поскольку свойства жидкого битума при многократном затвердевании и плавлении практически не меняются.

В дорожном строительстве, кроме асфальтобетона, используются другие различные материалы на основе жидкого битума. Например, битумные мастики, отличающиеся более высоким процентным содержанием связующего вещества (7–10 %), применяются для усиленной гидроизоляции дорожных конструкций.

Каменно-мастичный асфальт (SMA) или каменно-матричный асфальт — технология, разработанная в Германии 1960-х гг., которая представляет собой устойчивый к деформации и прочный материал [8]. В настоящее время он используются в качестве дорожного покрытия дорог с очень интенсивным движением в Европе, США, Австралии и Канаде. В SMA присутствует высокое содержание крупных грубых заполнителей, которые при сцеплении образуют каменный каркас, устойчивый к постоянной деформации (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение каменно-мастичного и битумного асфальта

Обычный состав SMA — 70–80 % крупного заполнителя, 8–12 % наполнителя, 6–7 % связующего и 0,3 % волокна. Повышенные качества SMA обусловлены высоким сцеплением крупных граней камней, создающих прочный каркас, а также высоким содержанием битума, утолщенной битумной пленкой и пониженным содержанием воздушных пустот. Небольшое количество целлюлозы или минерального волокна предотвращает потерю качества материала во время его транспортировки.

Примером новых технологий на основе жидких битумов являются полимерно-модифицированные битумы (PMBs), которые созданы на основе дорогостоящего модификатора блок-сополимер-стирол-бутадиен-стирола (SBS). Компоненты для этой технологии нередко используют продукты переработки автомобильных шин (RTR), что позволяет получить модифицированный битум на основе жидкого каучука (LR), состоящего из гомогенной смеси с 50–70 % RTR, и обработанного тяжелыми маслами и парафином. Общая смесь связующих тяжелых масел и парафина образует этилен-бис-стеарамид (EBS). Согласно исследованиям 2020 года, битумные связующие на основе жидкого каучука (LR) повышают гибкость покрытия при низких рабочих температурах, а битумы на основе этилен-бис-стеарамида (EBS) повышают жесткость дорожного покрытия при высоких рабочих температурах. Различные модификации полимеров (PMBs) позволяют получать нужные свойства битумов [9].

Основные современные модификаторы жидких битумов представляют собой полимерные добавки, такие как термоэластопласты типа SBS, латекс и терполимеры, которые увеличивают прочность асфальтобетона, когезионную прочность, термостойкость и эластичность битума при низких температурах эксплуатации. Недостаток полимерных модификаторов заключается в их высокой стоимости, что замедляет распространение этого вида современных битумов в масштабном дорожном строительстве. Один из возможных способов устранения проблемы — частичная замена дорогих модификаторов более дешевыми пластиковыми отходами. Однако здесь следует соблюдать два требования. Первое требование — пластиковый материал должен быть совместим с битумом, второе требование — пластик должен придавать битуму нужные положительные свойства. Эти факторы не всегда позволяют обеспечить эквивалентность эффекта от пластиковых компонентов сравнительно специальным полимерным модификаторам.

Полимерные модификации могут применяться по разной технологии, например, по предложенной учеными Казанского архитектурного-строительного университета, которая подразумевает совмещение битума с гибкоцепными эластомерами (каучуками), придающими битуму эластичные свойства в широком интервале температур (от -40°С до +100°С), что способствует повышению устойчивости дорожного покрытия от трещин в российских условиях резких перепадов сезонных температур. Макромолекулы в структуре жидкого битума растворяются и пронизывают мальтеновую фракцию, образуя трехмерную эластичную сетку (рис. 2).

Рис. 2. Идеальная схема модификации структуры битума гипкоцепным полимером: А — асфальтены; П — макромолекулы полимера; М — мальтены [10]

Согласно новым исследованиям, эквивалентом специальных модификаторов в отношении пластика может быть вторичный полиэтилен, получаемый в результате переработки пластмассовых изделий (пленки для сельскохозяйственных работ, упаковочного материала и т. п.). Переработанный полиэтилен позволяет увеличить вязкость, когезионную прочность, термостойкость и устойчивость к растрескиванию битума при относительно невысокой стоимости технологии. Содержание компонентов в полимерной композиции следующее: вторичный полиэтилен (50–65 %), латекс или термоэластопласты типа SBS (30–50 %), пластификатор (индустриальное масло, масляные экстракты и др. — до 10 %) и битум (3–4 %) [11].

Некоторые технологии позволяют использовать битум для создания асфальтового покрытия в умеренных температурах. Вязкость вещества снижается путем эмульгирования асфальта путем добавления жирных аминов-эмульгаторов (2–25 %). Катионные амины усиливают связывание асфальта с поверхностью дробленой породы. Технология дешевой асфальтовой эмульсии в зарубежных странах носит название «cheapseal» — она реализуется через нанесение тонких слоев асфальта, как правило, на сельских дорогах с небольшой интенсивностью движения. За счет качества битумного связующего при наличии мелкого наполнителя предотвращается образование трещин, а за счет низкого содержания растворителя снижаются выбросы летучих органических соединений. При этом у cheapseal существует множество недостатков, прежде всего подразумевающих только кратковременный эффект в сдерживании образования трещин при относительно слабой прочности, высокой шероховатости, высокой вибрации, быстром износе шин и требованиях к особому экологическому контролю за состоянием дорог, выполненных по технологии cheapseal [12].

В целом, современные технологии использования жидкого битума имеют большие технологические перспективы в строительстве дорожных конструкций. Тем не менее, в настоящее время существуют значительные сложности в применении новых битумных технологий: высокая стоимость качественных модификаторов, сложности в совместимости с пластиковыми модификаторами, проблемы с хранением и экологичным производством новых видов жидкого битума. Устранение подобных проблем возможно после проведения комплексных исследований разной направленности с целью поиска способов создания дешевых и качественных технологических решений с приоритетом на экономичность, надежность, долговечность и экологичность новых дорожных покрытий.

Литература:

1. Хилиулина Л. Э. Применение нефтяных битумов // Научный журнал. 2018. С. 12–13. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-neftyanyh-bitumov.
2. Porto M, Caputo P., Loise V., Eskandarsefat S. Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances. Applied Sciences. 2019. № 9 (4). P. 35.
3. Herbert A. Asphalts And Allied Substances. Technology, Agriculture and related sciences and techniques. Foresty. Farming, Wildlife exploitation. 2006. Osmania University.
4. Salmon M. The Mechanics' Magazine, Museum, Register, Journal, and Gazette. London: W. A. Robertson.1883.
5. Forbes R. J. Studies in Early Petroleum History. Brill Archive. 1958. P.199.
6. Pavement Technologies. URL: http://driveasphalt.org/technologies.
7. The Asphalt Paving Industry A Global Perspective Second Edition. Lanham, Maryland, and Brussels: National Asphalt Pavement Association and European Asphalt Pavement Association. 2012. URL: https://eapa.org/wp-content/uploads/2018/07/GL101–2nd-Edition.pdf.
8. Waanders, G. Els, H. Splittmastixasphalt und Dränasphalt in den Niederlanden. Erfahrungen und Untersuchungen in der Provinz Overijsel. Asphalt. 1995. № 95 (4). P. 8–17.
9. Carrion A. J. d. B., Subhy A., Rodriguez M. A. I., Presti D. L. Optimisation of liquid rubber modified bitumen for road pavements and roofing application. Construction and Building Materials. 2020. Volume 249.
10. Аюпов Д. А., Макаров Д. Б., Мурафа А. В., Потаова Л. И. Битум-полимерные вяжущие и битумные эмульсии для дорожного строительства с применением продукции нефтехимического комплекса Республики Татарстан. Известия КГАСУ. 2012. № 4 (22). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/bitum-polimernye-vyazhuschie-i-bitumnye-emulsii-dlya-dorozhnogo-stroitelstva-s-primeneniem-produktsii-neftehimicheskogo-kompleksa.
11. Kishchynskyi S., Nagaychuk V., Bezuglyi A.Improving Quality and Durability of Bitumen and Asphalt Concrete by Modification Using Recycled Polyethylene Based Polymer Composition. Procedia Engineering. 2016. Volume 143. P. 119–127.
12. Gransberg D. D., James D. M. Chip Seal Best Practices. Transportation Research Board. 2005. P.111.