ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИКАЦИИ БИТУМА МАРКИ БНД 60/90 ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВЯЖУЩЕГО

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрен процесс модификации нефтяного битума марки БНД 60 / 90 полимерами различной химической природы: стирол-бутадиен-стиролом (SBS), атактическим полипропиленом (APP), полиэтиленом (PE) и поливинилхлоридом (PVC). Цель исследования заключалась в повышении физико-механических и реологических характеристик битума. Эксперименты показали, что введение полимерных добавок (3–7 %) способствует увеличению температуры размягчения, стабилизации пенетрации и улучшению сопротивления деформациям. Морфологический анализ методом SEM выявил формирование устойчивой гетерогенной структуры с равномерным распределением полимеров. Это обеспечивает повышение термостабильности, снижение хрупкости при низких температурах и увеличение долговечности дорожных покрытий. Результаты SEM согласуются с данными испытаний.

ABSTRACT

This study examines the modification of petroleum bitumen grade BND 60/90 with polymers of different chemical nature: styrene-butadiene-styrene (SBS), atactic polypropylene (APP), polyethylene (PE), and polyvinyl chloride (PVC). The aim of the research was to improve the physical-mechanical and rheological properties of bitumen. Experiments showed that the introduction of polymer additives (3–7%) contributes to an increase in softening temperature, stabilization of penetration, and enhanced resistance to deformation. Morphological analysis using SEM revealed the formation of a stable heterogeneous structure with uniform polymer distribution. This ensures improved thermal stability, reduced brittleness at low temperatures, and increased durability of road pavements. The SEM results are consistent with the performance test data.

Ключевые слова: сера, polietilen, модификатор марки AG-1S, битум марки BND 60 / 90, полистирол, бутадиена-стирол, SEM.

Keywords: sulfur, polyethylene, modifier grade AG-1S, bitumen grade BND 60/90, polystyrene, butadiene-styrene, SEM.

Введение. Битум является ключевым вяжущим материалом в дорожном строительстве, от его физико-механических и реологических свойств напрямую зависит долговечность и эксплуатационная надёжность покрытий. Традиционные нефтяные битумы характеризуются недостаточной термостабильностью: при высоких температурах они склонны к пластической деформации, а при низких — к хрупкости и растрескиванию [4].

Модификация битума полимерными материалами рассматривается как один из наиболее эффективных способов повышения его эксплуатационных характеристик. Полимеры обеспечивают улучшение эластичности и пластичности вяжущего, расширяют температурный диапазон его работы и снижают чувствительность к климатическим условиям [6].

Битум марки БНД 60 / 90 широко применяется в дорожной практике, и его модификация полимерами позволяет существенно увеличить срок службы асфальтобетонных покрытий. Цель настоящего исследования — изучение процесса модификации БНД 60 / 90 полимерными материалами и оценка изменений его реологических и эксплуатационных свойств [2].

Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовался нефтяной битум марки БНД 60 / 90, характеристики которого соответствуют требованиям стандарта ГОСТ 22245-90. Данный вид вяжущего широко применяется в дорожном строительстве, что делает его перспективным материалом для модификации и совершенствования эксплуатационных свойств [3].

С целью улучшения физико-механических и реологических характеристик в состав битума вводились полимерные модификаторы различной химической природы: стирол-бутадиен-стирол (SBS) как представитель термопластичных эластомеров, атактический полипропилен (APP), полиэтилен (PE) и поливинилхлорид (PVC). Концентрация полимерных добавок варьировалась в пределах 3–7 % от массы битума, что позволило проследить влияние их содержания на основные эксплуатационные показатели.

Процесс модификации осуществлялся путём диспергирования полимеров в разогретую битумную матрицу при температуре 140–170 °С. Для обеспечения равномерного распределения частиц модификатора применялся высокооборотный механический смеситель, создающий интенсивное сдвиговое воздействие. Данный режим позволял предотвратить агломерацию полимерных фрагментов, способствовал формированию устойчивой гетерогенной структуры и обеспечивал стабильность полученной композиции.

Полученные результаты. Чистый битум при повышенных температурах теряет пластичность. При модификации битума с использованием СБС температура размягчения увеличилась на 20–30 %, а показатель пенетрации стабилизировался. Добавление АПП усилило сопротивление деформации в условиях высоких климатических температур.

Рисунок 1. X – SEM-анализ модифицированного битума: микроструктурные изображения при увеличении а) ×10 и б) ×100

Морфологические особенности поверхности образцов модифицированного битума исследованы методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) при различных увеличениях (a – ×10, b – ×100). На микрофотографиях отчётливо прослеживается степень распределения полимерных добавок в битумной матрице, а также характер их морфологических изменений. (a-×10) Изображение при увеличении ×10 демонстрирует наличие дисперсной полимерной фазы в битумной матрице.

В структуре наблюдаются частицы неправильной формы, полимерные кластеры и их взаимодействие с компонентами битума. Равномерное распределение полимеров способствует повышению эластичности материала и его устойчивости к деформациям при высоких температурах. (b-×100) На изображении при увеличении ×100 более чётко проявляется интерфейс между полимером и битумом. Фиксируется наличие плотных и жёстких кластеров, формирующихся на поверхности материала. Полимерные добавки усиливают внутреннюю структуру битума, образуя устойчивую гетерогенную композицию. Такая структура ограничивает подвижность полимеров при воздействии температуры и способствует повышению термостабильности. Морфологический анализ также подтверждает, что полимеры не склонны к агрегации, а формируют однородную дисперсную фазу.

SEM-результаты. Морфологические исследования показали, что введение полимеров способствует формированию устойчивой структурной фазы в битумной матрице, что обеспечивает следующие преимущества:

• повышение жёсткости и устойчивости к деформациям при высоких температурах;
• снижение хрупкости при низких температурах;
• улучшение долговечности дорожных покрытий за счёт целостности микроструктуры.

Полученные результаты SEM-анализа хорошо согласуются с данными физико-механических и реологических испытаний. В частности, для полимермодифицированного битума зафиксировано снижение пенетрации и повышение температуры размягчения.

Заключение. Результаты исследований показали, что модификация нефтяного битума марки БНД 60 / 90 полимерами способствует улучшению его физико-механических, реологических и структурных свойств. SEM-анализ подтвердил формирование устойчивой гетерогенной микроструктуры, что обеспечило повышение деформационной стойкости при высоких температурах. Под воздействием полимерных модификаторов (SBS, APP, PE, PVC) зафиксировано увеличение температуры размягчения, стабилизация показателей пенетрации и сохранение внутренней структурной целостности. Наиболее эффективно проявил себя термопластичный эластомер SBS, повышающий температуру размягчения на 20–30 %, тогда как APP значительно усиливает сопротивляемость деформациям в условиях повышенных температур.

Список литературы:

1. Al-Shawabkeh A.F., Mohammad T. Awwad, Ibrahim I. Ikhries, Ziad S. Abu-Hamatteh, Nijad A. Al-Najdawi. Assessing recycled polyvinyl chloride reinforced modified asphalt mixtures for sustainable paving applications // Journal of Cleaner Production. – Vol. 486. – 2025. – P. 144583. doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144583.
2. Kozel M., Remek Ľ., Mikolaj J., Mušuta, J., Šrámek J., Mazurek G. Performance and Lifecycle of Hot Asphalt Mix Modified with Low-Percentage Polystyrene and Polybutadiene Compounds // Buildings. – 2024. – Vol. 14. – C. 389. https://doi.org/10.3390/buildings14020389.
3. Niu Y., Wang X., Burmistrov I., Niu D. Rheological properties and 3D printability of SBS/CR-modified asphalt binder with C9 petroleum resin for crack filling // Frontiers in Materials. – Vol. 11. – 2024. DOI=10.3389/fmats.2024.1416246
4. Wang Y., Guo S., Pei Z., Zhan S., Lin S., Ma K., Lei J., Yi J. Study of the Properties and Modification Mechanism of SBS-Modified Asphalt by Dry Process // Materials. – 2024. – Vol. 17. – P. 1454. https://doi.org/10.3390/
5. Wu, W., Cavalli Maria Chiara. Differing perspectives on the use of high-content SBS polymer-modified bitumen, (ScienceDirect) // Constractions & Building Materials. – 2024. – Vol. 411. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134433
6. Zhang. Minireview on the rejuvenation of aged styrene–butadiene-styrene (SBS) modified binders // ACS Energy & Fuels. – 2023.