К вопросу о технологии приготовления полимерно-битумных вяжущих

В России, как и в большинстве стран, основным технологическим процессом получения товарного полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) является стадийное перемешивание нефтяного вязкого битума, полимера и в ряде случаев пластификатора и поверхностно-активных веществ (ПАВ) с использованием смешивающего и измельчающего оборудования. С началом развития производства ПБВ в 60–70-х годах прошлого века [1] и до настоящего времени проводятся исследования по совершенствованию процесса их приготовления. Усилия направлены главным образом на улучшение аппаратного обеспечения и применение различных компонентов, позволяющих регулировать качество ПБВ. В то же время лишь сравнительно небольшая часть исследований посвящена рассмотрению технологии приготовления.
За почти 50 лет исследования полимерно-битумных вяжущих не создано единой схемы, определяющей технологию их приготовления, что можно объяснить следующими обстоятельствами:
– широким ассортиментом оборудования, используемого в технологических схемах (коллоидные мельницы, разнообразные механические мешалки и др.);
– многообразием и изменчивостью химического состава исходных нефтяных компонентов;
– многообразием полимеров (разных по классу, химическому составу, структуре, размеру частиц, молекулярной
массе и т. д.);
– многообразием условий ведения процесса приготовления на отдельных заводах (стадийность производства, различные температуры, время смешения).
В 2003 году распоряжением Минтранса России было издано Руководство по применению комплексных органических вяжущих, в том числе полимерно-битумного вяжущего на основе блоксополимеров стирол-бутадиен-стирол в дорожном строительстве, в котором были приведены способы приготовления ПБВ и особенности технологии приготовления полимерасфальтобетонных смесей. Позднее, в 2007 году, по заданию Росавтодора в СоюздорНИИ разработан ныне действующий ОДМ 218.2.003-2007 «Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС при строительстве и ре-
конструкции автомобильных дорог»[2].
Согласно ОДМ 218.2.003-2007, приготовление ПБВ возможно осуществлять двумя способами.
1. Одностадийное перемешивание
Все компоненты ПБВ, согласно установленному составу, перемешиваются в одной емкости. Битум нагревают до
температуры 120 °С, затем добавляют пластификатор, нагретый до температуры 90–100 °С и перемешивают до однородного состояния. Порционно добавляют полимер. Сначала смесь медленно перемешивают для смачивания и равномерного распределения полимера. Затем включают нагрев емкости и начинают интенсивное перемешивание смеси с постепенным нагревом до 155–160 °С. После смесь перекачивают из емкости в емкость, пропуская через диспергатор. Если блоксополимер типа СБС не содержит ПАВ, то на последней стадии изготовления ПБВ в него вводят ПАВ и доводят смесь до однородного состояния.
2. Двухстадийное перемешивание
Предварительно готовят раствор полимера (РП) в пластификаторе или битумосодержащий раствор полимера
(БРП) в смеси пластификатора и битума той концентрации, которая была установлена при подборе состава ПБВ. Затем вводят раствор в обезвоженный и нагретый битум, после чего, в конце процесса, – ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния.
Пластификатор нагревают до 90–100 °С, порционно подают полимер и с малой скоростью перемешивают, включают интенсивное перемешивание и пропускают через диспергатор. Для приготовления БРП на последней стадии в раствор добавляют часть битума, равную массе раствора полимера. Раствор пропускают через диспергатор, перекачивая его из емкости 1 в емкость 2.
Параллельно с приготовлением раствора в емкость 3 подают нагретый до 160 °С битум, затем – РП или БРП и, механически перемешивая с битумом, пропускают через диспергатор, качая смесь из емкости в емкость.
В обоих случаях приготовления ПБВ перед подачей в битумовоз смесь желательно выдерживать в емкости в течение двух часов при температуре около 160 °С и малоинтенсивном перемешивании для лучшего растворения (созревания).
Исходя из анализа литературы, отметим, что мнения специалистов о влиянии последовательности введения компонентов противоречивы. Так, например, согласно Л. М. Гохману [3], качество ПБВ, полученное постепенным введением в битум масла, полимера, а затем ПАВ, ничем не отличается от ПБВ, полученного путем введения в битум раствора полимера в масле, а затем ПАВ, в том случае, если раствор полимера однороден. А. А. Горбатовский [4] считает, что последовательность стадий смешения компонентов в некоторых пределах влияет на свойства получаемых композиций, а также на продолжительность и температуру процесса (на примере композиции битум БДУС 70/100 85 % масс., термоэластопласт 6 % масс., пластификатор И-40 9 % масс.)
(табл. 1).

К сожалению, технологические вопросы стадийности смешения компонентов и их влияние на показатели полимерно-битумных композиций освещены в современных исследованиях недостаточно, этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Считается, что показатели качества, однородности и стабильности полимерно-битумных вяжущих напрямую
связаны с размерами частиц вяжущего [5, 6]. Чем больше удельная поверхность, тем быстрее протекает процесс наполнения и набухания полимера, что позволяет уменьшить время смешения, повысить стабильность ПБВ [6] и предотвратить повышенное старение битума [5, 7]. Авторами исследования [6] также отмечалось, что вяжущие с большими размерами частиц при равнозначных концентрациях СБС полимера менее стабильны. При исследовании свойств полимерасфальтобетонов, приготовленных с вяжущими, различными по размерам частиц
(менее 1 мкм и более 10 мкм) и концентрации полимера, выявлено их значительное влияние на усталостные свойства (табл. 2). Так, вяжущие с разными размерами частиц (сравним структуру I и II) выдерживают в 3 раза большие нагрузки (при концентрации СБС 5 % масс.). Увеличение количества полимера с 5 до 12 % масс. увеличивает усталостную прочность асфальтобетона в 15 раз. А при совместном повышении количества полимера до 12 % масс. и уменьшении размеров частиц усталостная прочность возрастает в 50 раз.

В современных технологических процессах приготовления полимерно-модифицированных битумов для измельчения частиц при наполнении и набухании полимера используют диспергаторы. Нужно отметить, что в ОДМ отсутствуют требования к диспергаторам. Пункт 6.7 ОДМ 218.2.003-2007 регламентирует, что «для приготовления ПБВ можно использовать любую обогреваемую емкость, оборудованную механической мешалкой, в том числе битумные котлы и реакторы бескомпрессорных установок». В качестве диспергатора разрешено использование любого оборудования, обеспечивающего уменьшение размера частиц полимера.
В таблице 3 приведены основные виды оборудования, используемого при смешении жидких и высоковязких сред, а также проходившего апробацию и нашедшего распространение для приготовления композиционных материалов на основе термоэластопластов.

Наиболее распространено применение коллоидных мельниц. В процессе приготовления материал многократно
проходит через мельницу для равномерного измельчения во всем объеме. Однако, согласно источнику [7], эффективность измельчения коллоидной мельницей сильно зависит от твердости частиц полимера, т.е. размягченные и набухшие полимеры измельчаются в меньшей степени или вообще не размалываются. Попадая в зазор между статором и ротором, частица полимера вытягивается в направлении усилия и, попадая в свободный объем битума, трансформируется в исходную форму. Автором поднимается вопрос целесообразности повторного прохождения композиции через мельницу.
Полимерно-битумные вяжущие и полимерасфальтобетоны дорогостоящие и активно применяемые дорожно-
строительные материалы. При этом широкий ассортимент и многообразие технологического оборудования и схем производства является малоизученным и перспективным решением повышения качества полимерно-битумных вяжущих.

ЛИТЕРАТУРА
1. Гохман Л. М. История разработки и проблемы с внедрением ПБВ в России // Автомобильные дороги. 2013. № 8. С. 66–69.
2. ОДМ 218.2.003-2007. Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. М.: ФГУП «Информавтодор», 2007. 91 с.
3. Гохман Л. М. Преимущества применения индустриального масла для полимерасфальтобетонных покрытий // Автомобильные дороги. 2012. № 1. С. 38–44.
4. Горбатовский А. А. Регулирование показателей качества полимерно-битумных композиций на основе дивинилстирольного термоэластопласта: дис. … канд. техн. наук: 05.17.07/ Горбатовский Антон Андреевич. СПб., 2012.157 с.
5. Дубина С. И., Никольский В. Г., Дударева Т. В. Модифицированные битумные вяжущие и асфальтобетоны, устроенные на их основе. Структура и свойства полимер-модифицированных вяжущих // Автомобильные дороги. 2013. № 8. С. 76–84.
6. Гидродинамический смеситель для приготовления полимерно-битумных вяжущих / В. И. Полякова, А. И. Садиков, А. П. Федоров, Ю. Б. Кобылко // Информационный сборник ИНФОРМАВТОДОР. 1998. № 10. С. 21–27.
7. Полякова С. В. Важная роль вяжущих материалов // Автомобильные дороги. 2012. № 1. С. 56–59.
8. Полякова В. И., Полякова С. В. Особенности получения и применения полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве [Электронный ресурс] // Дороги и мосты / ФГБУ РОСДОРНИИ. 2013. URL: http://rosdornii.ru/files/dorogi-i-mosti/9-8-13/23.pdf.
9. Куприенко В. В. Технические аспекты модифицирования битума полимерами и производства полимерно-битумных вяжущих // Автомобильные дороги. 2009. № 7. С. 120–122.
10. Энциклопедия полимеров / ред. коллегия: В. А. Кабанов (гл. ред.) и др. М.: Советская энциклопедия, 1974. Т. 2. 1032 с.
11. Энциклопедия полимеров / ред. коллегия: В. А. Кабанов (гл. ред.) и др. М.: Советская энциклопедия, 1977. Т. 2. 1152 с.
12. Энергосберегающая технология получения ПБВ [Электронный ресурс] /АНО «Научный инновационно-инжиниринговый центр перспективных технологий Международной инженерной академии». 2014. URL: http://niicpt.ru/p090.html.
13. Полякова С. В. Гидродинамический способ производства битума и свойства асфальтобетона с его использованием: дис. …канд. техн. наук: 05.23.05 / Полякова Светлана Владленовна. М., 1993. 209 с.
14. Установка ин-лайн обработки вяжущего. Давиал ПБВ ИНЛАЙН (установка для производства полимерно-битумного вяжущего) [Электронный ресурс] / «Дорхим-ДВ». 2014. URL: http://dorhim-dv.ru/files/files/5_proizvodstvo/2.Производство ПБВ/Установка для производства ПБВ от ООО ДАВИАЛ.doc.

Д. Ю. ДАВЛЯТОВА, аспирант МАДИ