Wpływ struktury bitumu na proces modyfikacji

Wiele czynników decyduje o właściwościach materiałów pokryciowych produkowanych z mas  bitumicznych. Do czynników decydujących należą: rodzaj modyfikatora użytego do nadania masie bitumicznej pożądanych cech, rodzaj nośnika bitumu oraz struktura poddawanego modyfikacji bitumu.

Rys. 2. Przykładowe struktury składników zawartych w asfaltach naftowych:
a) oleje, b) żywice, c) asfalteny

Asfalty naturalne, po oczyszczeniu ich ze związków mineralnych i wody, są wykorzystywane w przemyśle, ale głównie jako dodatek do asfaltów przemysłowych w procesie produkcji materiałów hydroizolacyjnych. Dodatek 5–15% wpływa zwłaszcza na utwardzenie powstałej masy bitumicznej. Same asfalty naturalne są zbyt twarde, aby mogły występować jako samodzielny materiał hydroizolacyjny – byłby on zbyt kruchy.

Struktura asfaltów naftowych do chwili obecnej nie jest jednoznacznie ustalona. Przyjmuje się że, asfalt to układ koloidalny składający się z dwóch faz:

Teoria mieszania: polimer tym mocniej wpływa na właściwości asfaltu, im większa jest zawartość małocząsteczkowych składników olejowych w asfalcie.

Modyfikowanie asfaltów jest procesem fizycznym polegającym na współmieszalności bitumu i polimeru.

Bitumy są złymi rozpuszczalnikami większości polimerów, ponieważ zawierają grupy związków, tj. oleje naftenowe i aromatyczne i żywice oraz asfalteny, które sprzyjają wytrącaniu się polimerów w środowisku asfaltu. Układ bitum-polimer łatwiej jest utworzyć wtedy, gdy uda się dobrać substancje o podobnych właściwościach. Dla przykładu asfalty naftowe zawierają oleje aromatyczne, dzięki czemu lepiej mieszają się z polimerami o łańcuchach nienasyconych, zaś asfalty pochodzące z destylacji ropy parafinowej lepiej mieszają się z polimerami o łańcuchach nasyconych. Modyfikacja fizyczna asfaltów naftowych najłatwiej zachodzi przy użyciu polimerów olefinowych i kauczuków. 

Niepolarność cząsteczek bitumu ogranicza stosowanie polimerów silnie polarnych, zaś uprzywilejowane są cząsteczki o niewielkim stopniu usieciowania i regularnej strukturze przestrzennej. W większości polimery są niereaktywne względem asfaltów, a wzrost mieszalności można uzyskać dzięki podniesieniu temperatury mieszania. Wysoka temperatura (powyżej 150°C) powoduje mięknienie polimeru, co ogranicza równomierność jego zdyspergowania (rozproszenia) w asfalcie.  Rozpuszczona część polimeru może powodować duża elastyczność papy w niskich temperaturach, zaś część cząsteczek pozostająca w stanie rozproszenia makromolekularnego wpływa na zwiększenie wytrzymałości mechanicznej mieszanki i zmniejszenia jej płynięcia plastycznego.

Rys. 3. Wpływ ilości asfaltenów (A) i stopnia aromatyczności fazy maltenowej (SA) na mieszalność bitumu z SBS: I, II – obszary odpowiadające jednorodnym kompozycjom bitum–SBS; I – obszar bardzo dobrej mieszalności (optymalna zawartość składników aromatycznych i asfaltenowych w bitumie), II – obszar mieszanin jednorodnych o dominującej roli asfaltenów

W przypadku każdego bitumu istnieje graniczna zawartość polimeru, której przekroczenie powoduje uniemożliwienie wzajemnego zmieszania składników.

Rozważania termodynamiczne
Przyjmuje się, że oprócz ilości, struktury oraz ciężaru polimeru, podstawowymi czynnikami decydującymi o stabilności układu bitum–polimer są:

Rolę ilości asfaltenów i stopnia aromatyczności asfaltu na mieszalność z termoplastem SBS przedstawił w postaci wykresu Whiteoak.

Podsumowanie
Prowadzone badania nie pozwalają jednoznacznie określić optymalnych warunków dla uzyskania homogeniczności układu bitum–polimer. Wskazują jednak, że równie ważna co ilościowy i jakościowy skład bitumu, jest struktura i ciężar cząsteczkowy polimeru. Jednakże badania termodynamiczne udowodniły, że szczególne znaczenie ma ilość i ciężar asfaltenów oraz składników olejowych przy traktowaniu asfaltu naftowego jako rozpuszczalnika.

Monika A. Tomaszewska–Rzęsista

Literatura:
1. Zieliński J. „Fizykochemia i termodynamika układów semikoloidalnych polimer-bitum. Cz. I Polimery jako modyfikatory asfaltu naftowego”; „Polimery” 1997, T 42 nr 12.
2. Zieliński J. „Fizykochemia i termodynamika układów semikoloidalnych polimer-bitum. Cz. III Termodynamiczne aspekty mieszalności polimerów, bitumów i bitumo-polimerów”; „Polimery” 1998, T 43 nr 2.
3. Praca zbiorowa „Budownictwo ogolne” T.1, Arkady 2005.
4. Czarnecki L. „Chemia w budownictwie”, Arkady 1996.
5. Źródła internetowe.