Модификатор битума - полифосфорная кислота.

20 апреля

Для улучшения качества битумов, очень часто необходимо прибегать к химическому модифицированию. Например, в Северной Америке для этих целей используется Полифосфорная кислота (ПФК).

977b6du-960.jpg

Сегодня кислота применяется как прямой модификатор битумов, так и как катализатор при производстве более вязких битумов (продувке горячим воздухом) и в процессе модификации битумов полимерами.

ПФК классифицируется как химический модификатор, т.к. при модификации происходит реакция между ПФК и компонентами битума. 

При ее использовании в качестве модификатора:

· улучшаются высоко- и низкотемпературные свойства асфальтобетона, что приводит к расширению интервала пластичности.

· в комбинации с различными полимерами кислота способна значительно улучшать реологические свойства битумов за счет более эффективного использования полимерной структуры. В связи с этим возможно уменьшение количества полимера в смеси без утраты, а иногда со значительным улучшением свойств битума.

Модификация битумов только ПФК, а так же в комбинации с полимерами на основе СБС активно используется в Северной Америке для производства дорожных битумов, которые соответствуют высоким стандартам. Впервые для модификации битумов использование кислоты было задокументированно в 1973 году выдачей патента компании Тоско-Лаон. Ранняя литература упоминает использование рентаоксида фосфора (Р2О5) в качестве катализатора в процессе продувки горячим воздухом. Значительная часть работы по модификации битумов в комбинации с полимерами на основе СБС началась в 1990 году и описана в патентах.

В последнее время растет спрос на высококачественный материал для дорожных работ, который обладал бы необходимой прочностью при разумной цене. В связи с этим интерес к применению кислоты с полимерами значительно вырос. Также значительный интерес проявляется к изучению механизма ее взаимодействия с различными битумами, что способствует развитию новых технологий. Научная работа в этой области представлена большим количеством публикаций и докладов, с некоторыми из которых можно ознакомиться. В этой статье представлены данные, отображающие эффект воздействия ПФК на такие свойства битумов, как пенетрация, вязкость и температура размягчения, а также ее влияние на низкотемпературные характеристики битумов.

Добавление ПФК к чистому битуму приводит к значительному изменению реологических свойств последнего и может быть продемонстрировано измерением таких свойств, как вязкость, пенетрация и температура размягчения. Добавление Полифосфорной кислоты ведет к увеличению вязкости и температуры размягчения, и к уменьшению пенетрации. При температуре 4°С значение пенетрации либо не изменяется, либо немного увеличивается. ПФК влияет на реологические свойства битумов, делая их жестче при повышенных температурах, при этом сохраняя требуемую мягкость при пониженных температурах.

Было изучено также влияние кислоты на свойства битумов в присутствии СБС. Обнаружено, что ПФК и СБС взаимно дополняют друг друга. Результаты свидетельствуют о том, что при замещении небольшого количества СБС небольшим количеством ПФК (115%) общее количество СБС может быть уменьшено, при полном сохранении свойств битума. Более того, добавление кислоты значительно расширяет интервал пластичности битумов, как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной области.

Водостойкость модифицированных битумов

Одним из главных требований к дорожному битуму является его водостойкость. Были проведены исследования смесей, состоящих из 5% битума и 95% минеральной добавки (камни) на водостойкость при применении тестов на адгезию и на прочность при расколе. В качестве агрегата (твердой минеральной составляющей) использовался гранит, который, как известно, является влагочувствительным материалом. Обнаружено что при добавлении ПФК значительно увеличивается адгезия битума к граниту: с 25–45% при отсутствии кислоты до 60–80% при ее присутствии.

Адгезионные присадки

Для того, чтобы осветить проблему связанную с возможным взаимодействием ПФК и адгезионной присадки (извести или присадки на базе амина), были проведены эксперименты по изучению изменения прочности образцов при расколе. Исследуемая смесь состояла из битума, минеральной составляющей, 0,5% кислоты (105%) и адгезионной присадки, в качестве которой использовалась либо известь либо другая адгезионная присадка, приготовленная на базе амина. Результаты показали при добавлении ПФК прочность либо увеличивается, либо остается неизменной для всех образцов. Итог ПФК не взаимодействует с адгезионными присадками. Так же эксперименты показали, что для необработанных образцов (тест проводился при нормальных условиях) и для образцов, прошедших термичискую обработку перед тестированием (насыщение водой, замораживание при -18°С в течение 16 часов с последующим оттаиванием при 60°С в течение 25 часов и приведению к нормальным условиям при 25°С в течение двух часов), величина прочности значительно изменилась  для чистого битума. В частности, прочность уменьшается на 43% для чистого битума. В случае, если битум модифицирован ПФК и адгезионной присадкой, возможно сохранить от 90% до 100% начальной прочности. Таким образом, при добавлении 0,5% кислоты увеличивается адгезия битума к агрегату и не наблюдается взаимодействий с адгезионными присадками.

Устойчивость к колееобразованию

Испытания на водостойкость и устойчивость к колееобразованию были проведены с помощью теста колесной нагрузки. В данных экспериментах использовались смеси состоявшие из 5% битума, 95% гранита, а также ПФК и извести.

После 8000 циклов (проходов колеса по уплотненному с помощью гиратора образцу) глубина колеи в образце № 1 (не содержит ПФК и извести) составила 12 мм. Для образцов, содержащих битум, модифицированный 0,5% ПФК, глубина колеи составила в среднем 4,5 мм, что является примерно 60%-ным сокращением возможного разрушения дорожного покрытия.

дорога в движ.JPG

Основные преимущества применения кислоты в качестве модификатора для битумов включают в себя:

· увеличение вязкости;

· улучшение низкотемпературных и высокотемпературных показателей;

· улучшение адгезии битума к влагочувсвительным минеральным составляющим, таким как гранит, в результате чего возможно добиться такого же результата, как в случае применения извести или других адгезионных присадок;

· значительное уменьшение подверженности к колееобразованию;

· улучшение жесткости;

· стабильная модификация, сохраняет постоянную активность в битуме.

Взаимодействие ПФК с битумом, в результате которого улучшаются как физические, так и реологические характеристики битумов, является предметом многих научных дискуссий и исследований. Согласно одной из существующих теорий, кислота вступает в реакцию с различными функциональными группами, входящими в состав битумов, в частности асфальтенами. Реакция ПФК с асфальтенами ведет к лучшей дисперсии последних в фазе малтенов, что способствует более эффективному формированию асфальтеновой сети. Формирование такой сети способствует улучшению эластичных свойств битумов.