Перспективы применения синтетических восков как структурирующих и температуропонижающих добавок для асфальтобетонов



Взарубежных странах популярноприменение в качестве модифицирующей добавки синтетических восков для улучшения ряда показателей битумного вяжущего и асфальтобетонных смесей, полученных с его применением. В России технология применения синтетических восков в составе битума только начинает внедрятся. Состав битума, а также требования к дорожному покрытию в силу сложных климатических условий в нашей стране отличается от зарубежных стран. А потому актуальным является всестороннее изучение перспектив использования таких модификаторов. Данная статья представляет собой обзор литературных данных о влиянии органических добавок (восков) на структуру и физико-химические свойства битумного вяжущего.

Ключевые слова: битум, битумное вяжущее, синтетические воски, структурирующие добавки, асфальтобетон.

Современное строительство автомобильных дорог в силу постоянного повышения трафика и нагрузок диктует необходимость повышенных требований к материалам для строительства дорог. А потому актуальным является получение новых способов улучшения качественных характеристик битума как связующего, определяющего основные свойства наиболее распространенного материала для дорожного покрытия — асфальтобетона.

Наиболее распространенными способами повышения эксплуатационных свойств органического вяжущего являются: добавление поверхностно-активных веществ, повышающих сцепление битума с минеральным наполнителем асфальтобетона; применение пластификаторов, влияющих на реологические свойства битума и улучшающих его пластические свойства; модификация битума структурирующими добавками такими как полимеры и воски [1].

Одним из вариантов решения проблемы улучшения свойств битума является введение в битум структурирующих добавок на основе синтетических восков, которые позволяют не только улучшить устойчивость дорожного покрытия к пластическим деформациям, но и снизить вязкость и температуру приготовления асфальтобетонной смеси, что позволяет решить ряд как экономических (снижение энергетических затрат, возможность внесения в смесь большего количества переработанного асфальтобетона) так и экологических задач (снижение выделения вредных выбросов при производстве) [2].

В России в дорожном строительстве применение синтетических восков в качестве структурирующих и температуропонижающих добавок для теплых и литых асфальтобетонных смесей внедрено пока не так широко, как за рубежом. До недавнего времени на отечественном рынке органические добавки были представлены довольно дорогостоящими и исключительно импортными продуктами. На данный момент с появлением отечественных модификаторов на основе синтетических восков (например, добавки серии Вискодор, производства ООО «Селена») становится возможным более широкое применение подобных модификаторов при производстве асфальтобетонного дорожного покрытия. В связи с этим актуальным является детальное исследование действия таких добавок на структуру и физико-химические свойства битумного вяжущего.

Битумное вяжущее представляет собой сложную многофазную и многокомпонентную систему, в состав которой входят смолы, масла, асфальтены, а также различные соединения карбоидов, карбенов, парафинов, асфальтеновых кислот и их ангидридов. Битум можно рассматривать как коллоидную систему, где асфальтены — дисперсионная фаза, а мальтены (смолы и масла) являются дисперсионной средой [3]. Химической природой веществ, входящих в состав битума определяется его пространственная структура и физико-химические свойства.

Входящие в битум масла состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, моно- би- и полициклических углеводородов. Растворяющая способность масел зависит от соотношения ароматических и парафинонафтеновых углеводородов в составе. Парафиновые углеводороды ухудшают растворимость и набухание асфальтенов, что ведет к ухудшению однородности битума. Парафиновые углеводороды имеют тенденцию при понижении температуры выкристаллизовываться на поверхности пленки битума и понижать его способность к сцеплению с минеральным материалом. Ароматические углеводороды напротив — увеличивают растворимость асфальтенов, улучшая однородность и повышая пластичность битума, и, обладая полярностью, повышают адгезионные свойства битума.

Асфальтены — высокомолекулярные соединения, состоящие из смеси высококонденсированных гетероциклических соединений. Они представляют собой твердые тела кристаллоподобной и аморфной структуры.

Смолы по своему составу и строению близки к асфальтенам, но отличаются меньшей молекулярной массой, более низким содержанием водорода. Благодаря своему химическому строению смолы способны растворять асфальтены и сами растворимы во всех углеводородах битума. Таким образом, смолы улучшают растворимость асфальтенов, повышая однородность битума и пластичность битума. Молекулы смол способны в результате реакций дегидрогенизации и конденсации, происходящих при хранении и термообработке битума, образовывать асфальтены [4].

Карбены и карбоиды являются высокоуглеродистыми соединениями, по своим свойствам похожие на асфальтены. Их содержание в битуме 1–3 %, увеличение содержания данных веществ ведет к повышению вязкости и хрупкости битума.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды являются наиболее полярными компонентами битума. С увеличением их содержания повышаются адгезионные свойства битумного вяжущего [5].

По классификации А. С. Колбановской, битумы I (гель), II (золь) и III (золь-гель) структурного типов [6]. Структура I типа представляет собой связнодисперсную систему, которая представляет собой коагуляционную пространственную сетку из асфальтенов, находящихся в слабо структурированной смолами дисперсной среде. Асфальтены взаимодействуют между собой лиофобными участками через тонкие прослойки дисперсионной среды. Структура II типа является свободнодисперсной системой представляющую собой суспензию асфальтенов в сильно структурированной смолами дисперсионной среде. В данном случае асфальтены не связаны между собой и свободно перемещаются в мальтеновой среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Структура III типа представляет собой систему, в которой отдельные агрегаты асфальтенов находятся в дисперсионной среде, которая структурирована смолами в меньшей степени, чем в структуре II типа, но в большей степени, чем структура I типа. Количество асфальтенов в такой системе достаточно для того, что они могут взаимодействовать между собой, образуя отдельные агрегаты и зародыши коагуляционной структуры, но их еще недостаточно для создания сплошного структурного каркаса. Структура III типа является оптимальной для дорожного строительства [7].

Тип структуры определяет реологическое поведение битума. Так, при изменении температуры, структура битумов I типа обратимо меняется от твердообразной конденсационной через коагуляционную и структурировнную жидкость в истинную жидкость. Структура битума II меняется от твердообразной надмолекулярной структуры к жидкообразной структурированной жидкости и далее к истинной жидкости. Структура битума III типа переходит от твердообразной конденсационной структуры через структуру сопряженных сеток к структурированной жидкости и далее к истинной жидкости [8].

Определяющиеся особенностями структуры реологические характеристики битума и границы перехода его из жидкого в пластичное и твердое состояние имеют важное значение при оценке его свойств в качестве вяжущего для асфальтобетонных покрытий. Вязкость определяет основные технологические параметры применения битумного вяжущего, технологические параметры приготовления и укладки асфальтобетона, его распределение и уплотнение. С увеличением количества асфальтенов и структурированности битума вязкость возрастает. [9]. В производственных условиях принято определять ряд условных показателей, которые характеризуют физико-химические свойства битума хоть и косвенно, но тем не менее достаточно полно, чтобы определить пригодность битумного вяжущего к различным видам работ. Это вязкость, глубина проникания иглы (пенетрация), температура размягчения, температура хрупкости, растяжимость, интервал пластичности битума [10].

Главной целью модифицирования битумов является получения вяжущего с улучшенными физико-химическими свойствами, позволяющего; расширить рабочий интервал температур; улучшить прочность и долговечность асфальтобетонного покрытия; обеспечить экологическую безопасность получения и применения асфальтобетонной смеси и др.

Одним из способов улучшения свойств битумного вяжущего является применение природных и синтетических восков в качестве структурирующих добавок. Цели применения таких добавок — улучшить механические характеристики вяжущего в области умеренных эксплуатационных температур и понизить вязкость при высоких технологических температурах. Такие воски имеют температуру плавления в пределах 100- 140 °С. Выше этих температур они плавятся и переходят в маловязкие жидкости (вязкость около 10 мПа·с при 150°С). Таким образом, воски разжижают расплавленный при высокой технологической температуре битум. При снижении температуры вязкость восков повышается, они кристаллизуются и выполняют роль либо тонкодисперсного наполнителя, либо создают в вяжущем дополнительную структурную сетку, что значительно повышает вязкость битума при температуре эксплуатации дорожного покрытия [11].

В нефтяной промышленности термин «воск» обычно относят к содержащимся в нефтепродуктах парафинах, с температурой плавления выше 25°С. Такие воски способны кристаллизоваться в крупные кристаллы, что ведет к охрупчиванию битума, снижению его устойчивости к усталости и низкотемпературным трещинам [12]. Воски, применяемые в качестве модификаторов битумного вяжущего, существенно отличаются по своему химическому происхождению и свойствам от нефтяных парафинов, обычно присутствующих в битуме. В качестве восковых модификаторов используют воск Фишера-Тропша, амидные воска и воск Монтана [2].

Воск, полученный синтезом по методу Фишера-Тропша представляет собой парафиновый углеводород. Температура его плавления 100–110 °С. Но при смешивании с битумом его температура плавления понижается до 80–85°С, что позволяет уплотнять асфальтобетонную смесь при температуре менее 100°С. Одной из таких добавок является Sasobit (пр-во «SasolWax» (Германия). При температуре выше 120 °C эта добавка полностью растворяется в битуме, а при понижении температуры образует в битуме кристаллообразную сетчатую структуру. Добавка Sasobit позволяет понизить температуру приготовления асфальтобетонной смеси на 20–30°C. G. Zhao в 2012 году [13] исследовал образцы горячего (без добавки) и теплого (с добавкой Sasobit) асфальтобетона при температуре приготовления соответственно 175°C и 145°C. Исследователь обнаружил, что разница в содержании пустот в горячей и теплой асфальтобетонных смесях незначительна, и, таким образом, добавка Sasobit может снизить температуру уплотнения смеси примерно на 30°C.

Амидные воски представляют собой синтетические амиды жирных кислот. Эти воски плавятся при температуре 140–145°С, но при этом затвердевание происходит при 135–145°С. По мере того, как амиды жирных кислот охлаждаются, они образуют кристаллическую решетку в битуме, тем самым повышая стабильность асфальта и сопротивление деформации. Представителем амидных восков является добавка Licomont.BS-100 (пр-во «Clariant» (Швейцария). Согласно опыту исследований [14], введение в состав вязких нефтяных дорожных битумов 2,0–3,0 % добавки «Licomont BS 100» снижает их вязкость при высоких технологических температурах и повышает при снижении температуры ниже 110°С.

Воск Монтана — это лигнитовый воск, он состоит в основном из сложных эфиров жирных кислот. Так как температура плавления этого воска составляет около 75°С, на практике его часто смешивают с материалами с более высокой температурой плавления, такими как амидные воски [2].

Многочисленные исследования [14–24] позволяют утверждать, что восковые добавки оказывают следующее влияние на физико-химические свойства битума: уменьшают вязкость при температурах приготовления битума; уменьшают вязкость при температурах эксплуатации дорожного покрытия; снижают пенетрацию битума при 25°С; значительно увеличивают температуру размягчения битума и тем самым повышают интервал пластичности битума; повышают устойчивость вяжущего к старению; улучшают адгезионные свойства.

Тем не менее, следует отметить, что органические добавки имеют не только преимущества, но и недостатки. С одной стороны, они снижают вязкость битумного вяжущего при высоких температурах, позволяя снизить температуру приготовления асфальтобетонной смеси, повышают стойкость дорожного покрытия к колееобразованию. С другой стороны, восковые модификаторы могут увеличивать вероятность усталости и низкотемпературного растрескивания при пониженных температурах [2]. Поэтому важно осуществлять тщательный подбор состава вяжущего, модифицированного такими добавками. Тип воска должен быть выбран таким образом, чтобы температура плавления воска не была ниже температуры эксплуатации покрытия. При этом количество и тип воска должны быть подобраны так, чтобы свести к минимуму охрупчивание вяжущего при низких температурах. Высокой эффективности улучшения свойств битумного вяжущего и соответственно асфальтобетонной смеси можно также добиться, применяя совместное использование добавок на основе синтетических восков и пластификаторов, что доказали исследования [19, 25]. В данных исследованиях при совместном использовании пластификатора и восковой добавки получали улучшенное битумное вяжущее, с увеличенной температурой размягчения и при этом с высокими показателями пластичности (пенетрации и растяжимости) битумного вяжущего.

Выводы

Синтетические воски при растворении в битуме при высоких температурах переходят в жидкое состояние, таким образом разжижая битум. При понижении температуры воски кристаллизуются и способны образовывать в битуме самостоятельные структурные сетки. Такой механизм определяет влияние данных добавок на реологическое поведение и другие физико-химические свойства вяжущего:

— при температурах выше плавления воска, вязкость битумного вяжущего снижается, что позволит снизить температуру приготовления асфальтобетонной смеси, снизить энергозатраты и улучшить экологичность производства асфальтобетона;

— температура размягчения вяжущего повышается, а пенетрация при 25°С снижается, что положительно скажется на устойчивости дорожного полотна к воздействию повышенных температур в летний период и пластическим деформациям (снизит колееобразование);

— повышается устойчивость битумного вяжущего к старению, а также улучшаются адгезионные свойства, что позволит увеличить срок эксплуатации асфальтобетонного дорожного покрытия.

Таким образом, применение синтетических восков в качестве теплопонижающих и структурирующих добавок в асфальтобетонных смесях является перспективным способом улучшения свойств дорожного покрытия.

Литература

1. Вольфсон, С.И., Хакимуллин, Л. Ю. Закирова Ю. Н. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19, № 17. С. 29–33.
2. Алшахван, А., Калгин. Ю. И. Обзор технологий приготовления тёплых асфальтобетонных смесей // Молодой ученый. 2019. № 32 (270). С. 102–107
3. Глазунов, И. И. Битум как основной компонент асфальтобетона // Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции молодых исследователей (с международным участием), Волгоград, 23–28 апреля 2018 года / Под общей редакцией Н. Ю. Ермиловой. — Волгоград: Волгоградский государственный технический университет, 2018. С. 20–23.
4. Мамылов, С.Г Дончук, А.И., Ломовский, О. И. Сравнение физико-химических макромоделей битумов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2015. Т. 12, № 2. С. 153–157.
5. Галдина В. Д. Модифицированные битумы: учебное пособие. /В. Д. Галдина // Омск: СибАДИ, 2009. с. 228.
6. Колбановская А. С. Структурообразование дорожных битумов // Физико-химическая механика дисперсных структур. — М.: Наука, 1966. С. 103–133.
7. Усов, Б.А., Горбунова Т. Н. Свойства и модификация битумных вяжущих // Системные технологии. 2017. № 22. С. 72–88
8. Сангариева, Э.Н., Мусостов, Ш. И. Структура и свойства битума при модифицировании полимерными добавками // Вестник магистратуры. — 2021. № 3–2(114). С. 13–19.
9. Филиппова, А.Г., Кириллова, Н. А. Охотина Л. Г. Вязкость полимер-битумных вяжущих // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62, № 6. С. 832–836.
10. Акимова, Т. Н. Органические вяжущие материалы: Учебное пособие // Российский университет транспорта (МИИТ). — Москва: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет транспорта», 2018. с. 122
11. Ахмадова, Х. Х. Хадисова, Ж.Т., Махмудова, Л. Ш. Основные способы модификации битумов различными добавками // Вестник ГГНТУ. Технические науки. 2019. Т. 15, № 3(17). С. 42–56.
12. Şahan, N., Kumandaş, A. Kabaday, E., Çavdar E., Oruç, Ş. The use of wax-based additives in bitumen modification: A systematic quantitative literature review, // Construction and Building Materials 2023. Vol. 407, Р. 133423.
13. Zhao G., Guo P. Workability of Sasobit Warm Mixture Asphalt // International Conference on Future Energy, Environment, and Materials. 2012. № 16. С. 1230–1236.
14. Пыриг, Я.И., Галкин А. В. Сравнительная оценка влияния энергосберегающих добавок на свойства битума // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2020. № 90. С. 114–124.
15. Лукина, В. И. Дьячкова, С. Г. Житов, Р. Г. Трансформация нефтяных дисперсных систем при вовлечении синтетических восков // Теоретические основы химической технологии. 2023. Т. 57, № 6. С. 731–735.
16. Hadithon, K. A. Kamal, M.M., Mansor, M.Kh. Ahmad, N. The properties of cuplump-modified bitumen with wax // Journal of Rubber Research. 2022. Vol.25, No. 4. P. 367–373.
17. Zhao, X. Lu, Zh., Su, H. Effect of Sasobit/Waste Cooking Oil Composite on the Physical, Rheological, and Aging Properties of Styrene–Butadiene Rubber (SBR)-Modified Bitumen Binders // Materials. 2023. Vol. 16, No. 23. P. 7368.
18. Моор, Е. В. Бормотов, М.В., Булдаков, С. И. Реологические свойства битумного вяжущего для пористо-мастичных асфальтобетонных смесей с добавлением воска Фишера Тропша // Научное творчество молодежи — лесному комплексу России: материалы XVIII Всероссийской (национальной) научно-технической конференции, Екатеринбург, 04–15 апреля 2022 года. — Екатеринбург: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный лесотехнический университет», 2022. С. 437–442.
19. Laukkanen, O.V., Soenen, H. Rheological characterization of wax modified bituminous binders: Effect of specimen preparation and thermal history // Construction and Building Materials, 2015. vol. 95, Рp. 269–278.
20. Gokalp, İ. Investigation the Physical and Rheological Properties of Bitumen Modified with Warm Mix Asphalt Additive // European Journal of Technique (EJT), 2021. No 11(2), Pp 182–189.
21. Jamshidi, A. Hamza, M.O., You, Z. Performance of Warm Mix Asphalt containing Sasobit: State-of-the-art // Construction and Building Materials. 2013. No. 38. P. 530–553.
22. Silva, H. M. R.D., Oliveira J. R. M., Peralta, J., Zoorob, S. E. Optimization of warm mix asphalts using different blends of binders and synthetic paraffin wax contents // Construction and Building Materials. 2010. № 9. P. 1621–1631.
23. Kenneth, A. Warm-Mix Asphalt and Pavement Sustainability: A Review /A. T. Kenneth, A. T. Yaw// Open Journal of Civil Engineering. 2016. № 6. P. 84–93.
24. Ядыкина, В.В., Михайлова О. А. Влияние температуропонижающих добавок на основе синтетических восков на свойства битума // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2023. № 3. С. 8–18.
25. Михайлова, О.А., Колесников Р. С. Эффективность использования комплексной добавки на основе синтетических восков для приготовления битумного вяжущего с улучшенными физико-химическими показателями // Мир дорог. 2023. № 152. С.82–85.