Добавки за асфалт

Увеличаването на превозните средства по пътищата и влиянието на климатичните фактори създават необходимостта от производството на асфалтови смеси с по-голяма еластичност и съпротивление на пътната настилка срещу пластични деформации. Способността на асфалта да се съпротивлява на опънни напрежения е ограничена. Когато върху бетонни или съществуващи асфалтови настилки се полагат нови асфалтови пластове, в много кратки срокове в новите пластове се появяват пукнатини. Това води до бързо разрушаване на настилките. С прилагането на технологични добавки се подобряват свойствата на произвежданите асфалтови смеси. Постигат се физико-механични показатели, съответстващи на всички технически изисквания и норми, гарантиращи високо качество на асфалта, ниски експлоатационни разходи и опазване на околната среда.

Основните компоненти на асфалтовата смес са инертните материали - агрегатите, пълнителите и битумното свързващо вещество. Агрегатите представляват приблизително 95% от общата маса на сместа. Якостта, здравината и дълготрайността на настилката зависи от правилния избор на големината, формата и механичните свойства на агрегатите. Свързващото вещество е около 5 до 6% от общата смес и служи за слепване на отделните частици на агрегатите. Като типичен битумен продукт то е подложено на стареене и оксидация. За намаляване на негативното влияние на тези процеси върху пътното покритие в сместа често се включват различни добавки и модификатори. Чрез някои от тях се постига и оптимизиране на свойствата на асфалтобетонната смес – увеличава се адхезията между отделните компоненти, намалява разслояването, подобрява се обработваемостта.

Модифициращи добавки за подобряване качеството на асфалтовите настилки
Добавките за подобряване качеството на асфалтовите настилки се прибавят в битума или директно в асфалтовата смес. Следователно прибавянето на определен вид добавка може да бъде извършено както в битума, така и в асфалтовата смес, т.е. в два различни технологични процеса. Прибавянето може да стане преди смесването, в етапа на подготовка на материалите, или директно в процеса на смесване в барабанния асфалтосмесител. В рамките на определен период от време се формират макроструктурите на асфалта. Най-често използваните модифициращи добавки в пътното строителство за битум са еластомерите и термопластите.

Към еластомерите, използвани като модификатори, се отнасят предимно синтетичните каучуци в различни физически форми - прах, гранули, течност. С каучуци се модифицират както битума, така и асфалтовата смес. Използват се регенерирани каучуци. Термопластичните полимерни материали обратимо преминават при нагряване във високо-еластично или в трудно течливо състояние. За модификатори на битума се използват термопластични материали, като съполимери на етилена - етиленвинилацетат, етиленметилакрилат, атактичен полипропилен, полиетилен.

Повърхностно-активните вещества се използват за подобряване на адхезията на битума с минералната част на асфалтовата смес. Има два вида на повърхностно активни вещества - катионни и анионни. Използването на смоли за намаляване на пластичната течливост на битума при ниски температури е характерно за eвропейските страни и Съединените щати. Използват се епоксидни и полиуретанови смоли. Използването на бързосъхнещи масла за предотвратяване на окисляването все по-често се прилага в Западноевропейските държави. При модифициране на битума със стирен-бутадиен-стирен съполимер - SBS, се добавя промишлено масло като помощен материал. За стабилизатори на дребно натрошена каменна-пастообрзна асфалтова смес се използват влакнести добавки за предотвратяване изтичането на битум от сместа по време на транспорт и полагане. Te представляват гранулирани целулозни влакна. Също така е възможно да се използват и минерални влакна. Тези добавки се използват за увеличаване на якостта и деформационната устойчивост на сместа. За структуриращи добавки се използва минерален прах или цимент. Към добавките за подобряване на качеството на асфалтовата настилка се включват следните материали като модификатори за битум, адхезивни добавки към битума, стабилизатори за дребно натрошената каменна-пастообрaзна асфалтова смес, модификатори за асфалтова смес, структуриращи добавки за асфалтова смес.

При ниски температури битумът става твърд и чуплив, а при високи - мек и течлив. Битумът се модифицира с различни еластомери, с цел да се подобрят експлоатационните му характеристики при екстремни температури. При модифициране на битума с SBS полимернобитумната смес става мека и по-гъвкава при ниски температури и по-гъста при висока температура. Използването на различни добавки в битума е насочено към подобряване на физичните му свойства, като адхезията с минералната съставка на асфалтовата смес и хидрофобността й или пластичната течливост при ниски температури. Има и добавка за предотвратяване окисляването на битума, съответно и предотвратяване образуването на микропукнатини на повърхността.

Свойства и характеристики на модификаторите
Еластомерите придават на битума гъвкавост при ниски температури. SBS покритията имат отлична адхезия и висока устойчивост на резки температурни промени. В допълнение, тези материали са гъвкави, студоустойчиви, и лесно следват формата на повърхността, върху която са положени. SBS е най-често използваният модификатор на битума.

При модифициране на битума с SBS се създава полимерна матрица, която в дадения случай представлява триизмерна мрежа. Образува се от взаимодействието на полистиренови блокове в така наречените полистиренови домени. В рамките на тази еластомерна мрежа битумът е разпръснат под формата на дисперсия. Производството на висококачествен SBS модифициран битум е изключително сложен процес. Трябва да се използва SBS и съвместим битум, отличаващ се с високо съдържание на ароматни съединения. Всъщност SBS може да бъде използван като фин прах или под формата на гранули. В първия случай е възможно да се получи смес с високо качество от конвенционалните асфалтосмесители. При използване на гранулиран SBS се изисква хомогенизатор – устройство за ”умокряне” на полимера с битум. Без хомогенизатор сместа става нехомогенна. Термичната устойчивост на такава нехомогенна смес понякога може да бъде малко по-висока, но еластичността й на студено ще бъде значително по-лоша. С течение на времето ще започне да се влошава постоянно. Опитът е показал, че еластичността може да служи като косвен показател за качеството на SBS материала. Материали, в които се използва SBS-модификатор с високо качество, например от SHELL, достигат еластичност до -30°C. В същото време материали с по-лоша еластичност при -20°С имат недостатъчна концентрация на полимера в битума или несъвместим с SBS битум. На практика тези материали достатъчно бързо се разрушават.

Съполимерите на етилена – етиленвинилацетат (EVA) и етленметилакрилат (EMA) се използват за модифициране на битуми. Тези вещества могат да подобрят свойствата на битума чрез промяна на реологичните му свойства. Промяната на реологичните свойства води до повишаване на температурата на омекване, повишена твърдост при висока температура. По този начин се увеличава устойчивостта на пластична деформация и се подобрява еластичността на битума при ниски температури. Така се повишава здравината на битума и следователно неговата устойчивост на напукване. Намалява се пенетрацията му, което също увеличава съпротивлението на деформация без значително изменение на производствения процес. Увеличава се и вискозитетът, но не до такова ниво, което би се отразило на производствения процес. Етиленовите съполимери се смесват лесно с битума. Това се потвърждава на практика от производителите с използването на EVA, а също и експериментално в лабораторни условия.

Модификаторите за асфалт на базата на регенериран каучуков гранулат от стари автомобилни гуми се използват за производството на гумено-модифициран асфалт чрез сухи и мокри процеси. При сухите процеси гуменият прах се смесва директно с асфалта. Извършва се реакция между каучука и битума. В мокрия процес гуменият прах се използва като модификатор за битума и се добавя свързващо вещество. Преди уплътняване материалът се нагрява до температури между 1490°C и 1900°C. Тези процеси са добре изследвани и прилагани в САЩ, Западна Европа и Бразилия. Каучуковите добавки в асфалта предотвратяват проникването на вода във вътрешността на асфалтирания участък. Така асфалтът не се разрушава и запазва твърдостта си. Предимствата им са, че намаляват шума от превозните средства, правят движението по-безопасно при мокри условия и увеличават експлоатационния срок на асфалта.

Видове стабилизиращи и технологични добавки за битум и асфалт
Промяната в структурата на асфалта под влиянието на различни видове фактори е пряко свързана с изменения в свойствата на свързващото вещество. Регулирането на физико-механичните характеристики на асфалта се извършва с промяна в свойствата на свързващото вещество, чрез добавяне на различни полимерни модификатори. Модифициращите добавки, използвани при получаването на асфалтови смеси, служат за повишаване на качеството на горния асфалтов слой на пътищата.

За модифициране свойствата на битума се използва група от полимерни добавки, състояща се от SBS, SBR-стирен-бутадиенов каучук, EVA-съполимер на етилена и винил-ацетата, реактивни полимери. С тях се влияе върху пластичността на битума. Постига се подобряване на свойствата на битума при високи и ниски температури. Например, основният произведен битум се характеризира с температура на размекване 49-54°С, температура на крехкост – 8 до -10°С, пенетрация - дълбочината на проникване на калибрирана игла 50-70mm. След прибавянето към основния битум на SBS с 5-8%, свойствата му се модифицират и температурата на размекване вече е 55-63°С, температурата на крехкост е -8 до -10°С, а пенетрацията е 20-25mm. От примера се вижда, че положителната страна на модифицирането на битума е повишената температурна устойчивост, а отрицателната е недостатъчното хомогенизиране и дозиране. Важен аспект при модифицирането на битума е стабилността на крайния продукт. С прибавянето към битума на SBS и SBR те частично запазват структурата си при смесването си с него. За разлика от тях реактивните полимери са полярни, реагират с битума и се образува химична връзка. Системата става еднофазна и се създава дълготрайна стабилност.

Групата от добавки, които се прибавят в асфалтосмесителните инсталации на етапа на приготвяне на асфалтовите смеси, се състои от PE-полиетилен, EVA-съполимер на етилена и винил-ацетата, синтетични восъци. С тях допълнително се влияе върху пластичността на битума, който е модифициран с SBS полимера. Постига се подобряване на високотемпературните свойства на битума. След прибавянето към основния битум на съответната полимерна добавка от посочената група, свойствата му се модифицират и температрурата на размекване се повишава 54-70°С, температурата на крехкост намалява и е -4 до -8°С, пенетрацията се запазва същата (20-25mm). В Европа и САЩ такива добавки често се използват като допълнение към битум, модифициран с SBS полимер. Най-често използваните добавки са на базата на полиолефините.

Положителните страни на допълнителното модифициране на битума, предварително модифициран с SBS полимера, са добрите температурни свойства и лесната употреба. Отрицателните са много лошите нискотемпературни свойства, особено при бързото понижаване на температурите, бързото стареене на добавката и значително намаляване на нискотемпературните свойства на асфалта според степента на стареене, необходимостта от допълнително прибавяне на стабилизиращата добавка SMA - съполимер на стирола и малеиновия анхидрид.

Групата от технологични добавки, които се прибавят в асфалтосмесителните инсталации на етапа на приготвяне на асфалтовите смеси, се състои от природни минерални восъци и синтетични полимерни восъци. С тях се влияе върху пластичността на битума. Постига се подобряване на реологията на битума при ниски температури, и като резултат, уплътняемост на сместа и лек ефект върху пластичността на битума.

Добавки от този вид се използват в приготвянето на SMA и Gussasphalt - лят асфалт, за подобряване на техните технологични свойства и понижаване на температурата при полагане на готовата асфалтова смес. Летият асфалт е много популярен в Европа. Положителните им страни са понижаването на температурата при смесване на асфалтовите смеси с SMA до 140-150°С, подобряване на условията на труд чрез намаляване на битумните изпарения, по лесно полагане на асфалтовите смеси. Отрицателните са високите допълнителни разходи и лекият ефект върху пластичността на битума.

Групата на стабилизиращите добавки, които се прибавят в асфалтосмесителните инсталации на етапа на приготвяне на асфалтовите смеси, са целулозни или синтетични влакна, неорганични съединения. С тях се постига стабилизиране на битумния филм около минералните частици. Положителните им страни са подобряване на нискотемпературните свойства на асфалта поради образуването на битумен филм около минералните частици в смесите със SMA, висока устойчивост на асфалта към стареене. Отрицателните им са високите разходи за материали, в сравнение с постигнатия ефект и допълнителните разходи за преработка.

Комплексни добавки за асфалтови смеси
В допълнение към по-горе изброените добавки има и други интегрирани решения. Например, с немската добавка Duroflex WA-80 в асфалтовата смес се въвежда SAN-стирен-акрил-нитрил-съполимери, целулоза и полиестер. С тази многокомпонентна добавка се подобряват всички свойства на асфалта, т.е. само с използването на една добавка. В сравнение с други аналози, Duroflex осигурява балансирано подобрение в целия комплекс от свойства на асфалта. След тестване е установено, че разглежданата добавка е ефективна като цяло за плътен асфалт тип А и по специално - за значително подобрение на показатели като водоустойчивост и устойчивост срещу напукване. Икономическата ефективност на асфалт, модифициран с Duroflex, е 15-20% по-висока в сравнение с асфалт, направен с битум, модифициран с полимери като SBS. Използването на Duroflex в традиционното производство на асфалт води до отпадане на стабилизиращите добавки в предварителното смесване и модифициране на битума преди окончателното смесване. С тази многокомпонентна добавка в асфалтовата смес се осигурява подобряване на устойчивостта на приплъзване, температурната устойчивост срещу напукване и умора на пътната настилка. В тази връзка, най-широко е приложението на добавката в производството на асфалтови смеси за изграждане на най-натоварените автомобилни пътища. Предимствата на многокомпонентни полимерни добавки Duroflex са: повишена устойчивост на приплъзване, водоустойчивостта, температурна устойчивост срещу напукване и умора на асфалта, подобряване на физико-механични свойства на 30-100%. Стабилизиране на дребно натрошените каменни пастообразни асфалтови смеси и другите смеси с високо съдържание на битум. Запазване свойствата на асфалта за дълго време. Съпротивление срещу стареене. Намаляване на разходите за асфалтови смеси с 15-20% в сравнение със смеси от битум, модифициран с полимери като SBS. Възможността да се произвежда висококачествен асфалт с местни, евтини материали и печелившо съотношение цена - качество.