Modyfikatory mas bitumicznych - ich znaczenie

Rys. 1. Przykłady rozmieszczenia podstawników w łańcuchu polimeru
a) w izomerze taktycznym,
b) w izomerze izotaktycznym,
c) w izomerze syndiotaktycznym

Większość cech pożądanych w pokryciach bitumicznych otrzymujemy dzięki dobrym własnościom użytych mieszanek bitumicznych. Najważniejszymi z nich są:

• nieprzepuszczalność dla wody i roztworów wodnych, zarówno kwaśnych jak i zasadowych,
• stabilność strukturalna materiału w różnych temperaturach,
• termiczna stabilność wymiarowa,
• mały ciężar właściwy,
• dobra reakcja zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach,
• wysoki stopień jednorodności strukturalnej.

Celem modyfikacji mas bitumicznych za pomocą polimerów jest podwyższenie temperatury przejścia mas zmodyfikowanych w stan cieczy lepkiej oraz obniżenie temperaturowej granicy utraty właściwości plastycznych i przejścia masy w stan ciała stałego.

Podobne do podobnego
Jak wiadomo, w chemii istnieje zasada, że najlepiej mieszalne są dwa składniki o podobnej do siebie strukturze chemicznej np: woda i kwasy nieorganiczne czy też woda i alkohole. Podobnie należy rozważać możliwość łączenia polimerów z masami bitumicznymi. Jedynie te wykazujące się podobnymi do asfaltów właściwościami termoplastycznymi mogą być stosowane w roli modyfikatorów.

Pierwsze próby modyfikacji mas asfaltowych przeprowadzono w pierwszej połowie XIX wieku. Początkowo do bitumu dodawano kauczuk naturalny pod postacią lateksu, siarkę i gumę, by wraz z postępem wiedzy chemicznej, dążyć do zastąpienia go polimerami syntetycznymi. Badania rozpoczęte w 1948 roku w Japonii, Stanach Zjednoczonych i we Włoszech dotyczyły jedynie chloropropenu i kopolimeru styren–butadien.

Testy nad możliwością zastosowania konkretnego polimeru jako modyfikatora prowadzone są w kierunku określenia stopnia rozpuszczenia polimeru w asfalcie (homogeniczność) w połączeniu z koniecznością zachowania jednorodności uzyskanego produktu przez długi okres czasu. Niestety mimo pełnej homogeniczności mieszanki w produkcji często zdarza się późniejsze jej rozwarstwienie podczas procesu leżakowania, co dyskwalifikuje zastosowany polimer.

Lata pracy naukowców zaowocowały wyselekcjonowaniem polimerów, których dodatek do mas bitumicznych znacznie poprawia ich właściwości. I tak, zgodnie z wytycznymi do europejskich aprobat technicznych ETAG 005 5 z marca 2000 roku z późn. zm., modyfikatorami odpowiednimi do mieszania z bitumem są:

• APP – ataktyczny polipropylen,
• CR – polichloropen,
• EVA – etylenowy octan winylu,
• PB – polibutylen,
• SBR – styren–butadien–rubber (przypadkowy lub statystyczny),
• SBS – styren–butadien–styren,
• kauczuk naturalny.

Jako dodatki do wyżej wymienionych polimerów stosuje się także EPDM (termopolimer etylen–propylen–dien), EMA i EBA (kopolimer etylen–akrylan metylu/butylu), SIS (polimer styren–izopren–styren).

Modyfikowany to nie tylko wymieszany
Materiałów modyfikowanych polimerami nie należy mylić z tzw. mieszankami z dodatkiem polimerów. Mieszankę bitumiczną uznaje się za zmodyfikowaną dopiero w momencie całkowitego wymieszania i równomiernego rozmieszczenia cząsteczek polimeru względem cząsteczek bitumu, niezależnie od ilości dodanego modyfikatora. Proces ten zachodzi w homogenizatorach w przeciągu wielu godzin. W przypadku zaś mieszanek z dodatkiem polimery dodawane są bezpośrednio do mieszalnika i mieszane są wraz z mieszanką asfaltową. Przy krótkim okresie mieszania, jaki tu ma miejsce, nie jest możliwe równomierne rozmieszczenie modyfikatora w masie, a zastosowane polimery pełnią raczej funkcję wypełniającą masę bitumiczną.
Bitumy destylowane i oksydowane
Pierwotnie stosowane jako pokrycia dachowe masy bitumiczne – bitumy destylowane – starzały się w bardzo szybkim tempie, a nie wykazywały także żadnej sprężystości, nawet przy minimalnym poziomie odkształceń. Kolejnym etapem ewolucji bitumów były bitumy oksydowane, wykazujące się lepszą wodoszczelnością niż ich poprzednicy. Jednak ich  niezaprzeczalnym mankamentem jest bardzo szybkie starzenie się pod wpływem promieniowania UV. Inną wadą jest brak odporności na niskie i wysokie temperatury: temperatura 0°C powoduje, że papa oksydowana zachowuje się jak ciało stałe, zaś w temperaturze powyżej 70°C potrafi „spłynąć” z powierzchni dachu. Trzeba zaś sobie uzmysłowić, że temperatura pod powierzchnią pokrycia z blachy czy blachodachówki w upalny dzień (temperatura powietrza rzędu 35°C) wynosi około 90°C. Poziom granicy sprężystości materiału oksydowanego plasuje się w okolicach 0,5%.

Modyfikatory
Ataktyczy polipropylen
Krokiem milowym dla producentów pap i innych pokryć bitumicznych było zastosowanie polimerów ataktycznych, szerzej znanych jako modyfikatory APP. Termoplasty te powstają w procesie polimryzacji propylenu i są produktem ubocznym (wraz z polipropylenem syndiotaktycznym) w produkcji izotaktycznego polipropylenu, używanego do produkcji opakowań. Polimeryzacja zachodzi w temperaturze około 60°C pod ciśnieniem przekraczającym 1 MPa. Największą zaletą APP jest jego zdolność przechodzenia w stan plastyczny w podwyższonej temperaturze, a następnie po ochłodzeniu, odzyskanie pierwotnych własności fizyko–chemicznych. Plastyfikatory, do których należy APP, mają zdolność wnikania między łańcuchy bitumu zmniejszając oddziaływania miedzy nimi, co prowadzi do podwyższenia giętkości jego cząsteczek. W przypadku mas modyfikowanych APP ważniejszą kwestią jest jednak jakość dodanego polimeru, a nie jego ilość. Dodanie nawet kilku procent dobrej jakości APP do masy bitumicznej powoduje poprawienie jej właściwości niż dodanie kilkudziesięcu procent polipropylenu ataktycznego zanieczyszczonego jego izomerem syndiotaktycznym.

Materiały modyfikowane tym polimerem wykazują wysoką stabilność formy, a także wysoką odporność na działanie kwasów, soli nieorganicznych oraz ozonu. Z tego względu polecane są do użytkowania na powierzchniach obiektów znajdujących się w obszarach wysokich zanieczyszczeń środowiska.

Styren–butadien–styren
Kolejnym, obecnie najczęściej stosowanym, modyfikatorem mas asfaltowych jest kauczuk syntetyczny – SBS. Kauczuk ten należy do grupy polimerów określanych mianem elastomerów. Mają one zdolność do ulegania dużym, aczkolwiek odwracalnym odkształceniom, zanikającym natychmiast po usunięciu siły zewnętrznej powodującej te zmiany. Przykładem świetnie obrazującym właściwości polimeru niech będzie doświadczenie, które wykazało, że w przypadku naprężeń rozciągających, przyłożonych w jednej osi, odkształcenie próbki może sięgać 1000%. Uzyskana w cyklu produkcyjnym mieszanka bitumiczno–polimerowa zachowuje wszystkie właściwości asfaltu i całkowicie przejmuje cechy modyfikatora.

Kolejnym, obecnie najczęściej stosowanym, modyfikatorem mas asfaltowych jest kauczuk syntetyczny – SBS. Kauczuk ten należy do grupy polimerów określanych mianem elastomerów. Mają one zdolność do ulegania dużym, aczkolwiek odwracalnym odkształceniom, zanikającym natychmiast po usunięciu siły zewnętrznej powodującej te zmiany. Przykładem świetnie obrazującym właściwości polimeru niech będzie doświadczenie, które wykazało, że w przypadku naprężeń rozciągających, przyłożonych w jednej osi, odkształcenie próbki może sięgać 1000%. Uzyskana w cyklu produkcyjnym mieszanka bitumiczno–polimerowa zachowuje wszystkie właściwości asfaltu i całkowicie przejmuje cechy modyfikatora.

Również w laboratoriach grupy Lotos prowadzano badania nad właściwościami następującej mieszanki: masa bitumiczna (asfalt D70) i SBS. Asfalt ten w postaci niezmodyfikowanej posiada temperaturę mięknienia 37°C, która po wbudowaniu w jego sieć 4% modyfikatora wzrasta do 65oC; dodatek 10–12% powoduje przesunięcie tej granicy w okolice 100°C. Niestety w temperaturze powyżej 100°C rozpoczyna się rozpadanie struktury modyfikatora, a co za tym idzie zanikają jego właściwości. Potwierdza to całkowicie założenia stosowania dokładnie takiej a nie innej ilości polimeru w technologii modyfikacji opracowanej przez Kraton Polymers.

Temperaturę płynięcia mieszanki można podwyższyć o kolejne 10– 15°C, dodając różnego rodzaju stabilizatory struktury kauczuku.

Odporność na wysokie i niskie temperatury rzędu nawet –30°C tłumaczy się blokową budową SBS. Bloki polibutadienowe (polibutadien osiąga właściwości ciała stałego w temperaturze –100°C) i polistyrenowe (temperatura zeszklenia polistyrenu wynosi +100°C) przekazują część swoich właściwości całej cząsteczce polimeru.

W Polsce najszerzej stosuje się właśnie produkty modyfikowane SBS. Szczególnie korzystne jest stosowanie pokryć bitumicznych modyfikowanych tym plastomerem na dachach budynków ulegających drganiom. Korzystne jest również ich układanie tam, gdzie połacie dachu ulegają odkształceniom czy też gdy wymagana jest ich renowacja – wtedy nie jest konieczne usuwanie poprzedniego pokrycia bitumicznego, a jedynie jego zagruntowanie.
CZYTAJ WIĘCEJ

Wpływ struktury bitumu na proces modyfikacji
Papy modyfikowane
Papy bitumiczne: krycie narożników wewnętrznych i zewnętrznych

---