17 Февраля 2017

Высокомодифицированный битум (HiMA). Более качественные дороги за меньшие деньги.

Мировые объемы потребления полимеров дорожной отраслью постоянно растут. На приведенном ниже слайде видна тенденция роста потребления полимеров для модификации битума в период до 2010 года включительно. Начиная с 2011 года наблюдается практически нулевой рост, который связывают с мировым кризисом. Ожидается, что в течение ближайших лет тенденция к росту восстановится.

В последние несколько лет годовая потребность глобальной дорожной отрасли в полимерах составляет около 500 000 тонн, из которых около 70% — потребность в СБС блок-сополимерах. Из переработанных 500 000 тонн полимера было произведено около 10 000 000 т ПБВ, 90% которого были применены в слоях износа, 8% в средних слоях и 2% в нижних слоях асфальтового покрытия. Применение ПБВ в слое износа повышает комфортность передвижения, а в структурных (среднем и нижнем) слоях – позволяет предотвратить прогиб полотна, минимизировать постоянную деформацию и усталостное растрескивание покрытия.

При модификации битума СБС полимером, каучук адсорбирует мальтеновые компоненты битума, увеличиваясь при этом в объеме до 9 раз. УФ-микроскопия позволяет визуально идентифицировать морфологию полимер-битумной композиции для разного содержания СБС блок-сополимера. При 2,5%вес содержании СБС полимера преобладает битумная фаза, при этом полимерная фаза обладает островной структурой («острова» полимера в «море» битума). При увеличении СБС полимера до 5% вес наблюдаются две взаимопроникающие непрерывные фазы СБС полимера и битума. При повышении содержания СБС полимера до 7,5%вес фаза полимера доминирует, а морфология битумной фазы трансформируется в островную.

Изучение зависимости температуры размягчения ПБВ от содержания СБС полимера показывает, что наибольшая эффективность модификации битума достигается при содержании СБС полимера не ниже 7-8%вес.

Помимо пластической деформации в ходе эксплуатации асфальтовое покрытие подвергается растрескиванию. Процесс образования и развития трещин достаточно хорошо изучен. В ударопрочном пластике (модифицированном каучуком) развитие трещины идет по более хрупкой фазе до тех пор, пока фронт трещины не упирается в частицу модификатора (более прочную фазу). Поскольку развитие трещины идет по более хрупкой фазе, фронт трещины огибает фазу модификатора и продолжает движение. В случае с модифицированным битумом развитие трещин происходит аналогичным образом. При высоком содержании СБС полимера (около 7,5%вес) фронт образовавшейся трещины (если таковая образуется) упирается в доминирующую непрерывную фазу СБС полимера и в данных условиях развитие трещины невозможно. Для дальнейшего развития трещины должна быть приложена разрушающая нагрузка, достаточная для разрыва более прочной каучуковой фазы и намного превышающая первоначальную.

С целью улучшения распределения нагрузки и уменьшения прогиба полотна для производства среднего и нижнего слоев применяют более твердые битумы. Это приводит к снижению устойчивости покрытия к низкотемпературному растрескиванию. Для улучшения низкотемпературного показателя покрытия необходимо модифицировать нижние слои СБС полимером, причем содержание СБС полимера должно быть не меньше 6%вес. Комбинация твердого битума и высокого содержания СБС полимера представляет достаточно сложную задачу в плане технологичности такого ПБВ (очень высокая вязкость) и его совместимости (расслаивание). Для решения этой проблемы Kraton Polymers разработал уникальную марку Kraton D0243, которая незначительно повышает вязкость ПБВ, сохраняя его технологичность и обладает высокой реакционной способностью, обуславливающей хорошую совместимость с битумами.

Технологичность марки Kraton D0243 была проверена в институте Шелленберга. В ходе испытаний было установлено, что 6%вес Kraton D0243 повышают вязкость ПБВ в меньшей степени, чем 2,5%вес регулярной марки СБС (например, Kraton D1101 или его аналоги).

Лабораторные исследования образцов асфальтобетона показали, что асфальтобетон HiMA (здесь и далее – HiMA (ХайМА) – highly modified asphalt – высокомодифицированный битум –битум, содержащий не менее 7,5%вес Kraton D0243) способен выдерживать усталостные нагрузки с амплитудой намного превышающей предельную для асфальтобетона со стандартным содержанием регулярной марки СБС блок-сополимера.

Полученные результаты лабораторных испытаний и фундаментальные свойства материалов были использованы для 3D анализа, построенного на методе конечных элементов.

Компьютерное моделирование показало, что вяжущее, содержащее 7,5%вес Kraton D0243, обладает настолько выдающимися показателями, что более тонкое (на 40%) асфальтовое покрытие HiMA обладает лучшими характеристиками, чем более толстое полотно, произведенное на основе немодифицированного битума.

Сравнение расчетной устойчивости покрытий к различным видам разрушающих воздействий приведено на слайде ниже.

Результаты лабораторных испытаний и компьютерного моделирования оказались весьма интересными и обнадеживающими, поэтому было принято решение проверить вяжущее HiMA в полевых условиях. Тестирование проводилось на испытательном полигоне NCAT (национального центра технологий асфальтовых покрытий) при Обернском университете, штат Алабама, США.

Изначально с применением технологии HiMA был построен один сектор, N7 – с уменьшением толщины. Администрация полигона позволила снизить толщину покрытия только на 20%, тем не менее, покрытие HiMA оказалось самым тонким из когда-либо тестируемых на полигоне NCAT. Вяжущие HiMA применялись для производства смесей для всех слоев (слой износа, средний и нижний) покрытия. Сектор прошел два двухлетних цикла испытаний (в общей сложности 20 млн ESALs), в результате которых он испытал нагрузку, эквивалентную создаваемой в реальной жизни грузовым транспортом в течение 20 лет. Структура покрытия HiMA и результаты испытаний представлены ниже. Следует отметить, что в середине второго цикла испытаний сектор сравнения, S9 (трехслойное покрытие общей толщиной 17,8см, твердый грунт, гранитное основание, со слоем износа и средним слоем из модифицированного битума, PG76-22) разрушился и по этой причине сравнение было прекращено в середине второго цикла испытаний.

Испытания второго цикла закончились в середине октября 2014 г. По окончанию испытаний были оценены степени разрушений прошедших испытания секторов. После двух циклов испытаний с нагрузкой, эквивалентной создаваемой в реальной жизни в течение 20 лет, глубина колеи сектора с покрытием HiMA составила около 4 мм, общая площадь растрескивания сектора – около 6%.

Во время первого цикла испытаний разрушился соседний с N7 (HiMA) сектор. Данный сектор, N8, представлял собой реабилитированное покрытие, прошедшее испытание предыдущего цикла. Изначально покрытие сектора N8 представляло собой трехслойное покрытие общей толщиной 25,4 см на мягком грунте. Все слои были произведены на основе немодифицированного битума. Реабилитация заключалась в замене (фрезеровании и укладке) среднего слоя и слоя износа (оба – на основе регулярного ПБВ PG76-28) общей толщиной 12,7 см с укладкой геотекстиля между верхним и структурным слоями. Реабилитированное по стандартной технологии покрытие разрушилось через 10 месяцев после нагрузки 4,0 ESALs. Kraton Polymers предложил использовать для повторной реабилитации технологию HiMA.

Уложенные в ходе первой реабилитации слои и часть среднего слоя были сняты и вместо них уложены два слоя HiMA общей толщиной 14 см, причем уложенный нижний слой был с повышенным содержанием вяжущего HiMA. Восстановленное с применением технологии HiMA покрытие прошло тестирование до конца первого цикла (фотография справа на слайде внизу) и весь второй испытательный цикл. Приложенная общая нагрузка на восстановленное HiMA покрытие составила около 15,5 млн ESALs и была эквивалентна нагрузке, создаваемой грузовиками в течение 15,5 лет. Средняя глубина колеи покрытия составила около 5 мм, а общая площадь растрескивания – около 3 %.