Вплив присадок на властивості нафтових бітумів: огляд сучасних досліджень

Abstract

Стаття присвячена систематичному огляду сучасних підходів до модифікації нафтових бітумів різними класами присадок з метою підвищення довговічності та надійності дорожніх покриттів (УДК 665.775:66.095.26). Розглянуто класифікацію та фу-нкціональне призначення основних груп добавок: полімерні модифікатори (СБС, ЕВА, ПЕ), поверхнево-активні речовини (ПАР), антиоксиданти, пластифікатори, а також технологічні антипінні та антифрикційні агенти. Окрему увагу приділено інноваційним трендам — наноматеріалам (наноглина, графен) та використанню біополімерів і вторинної сировини. Показано, що полімерні присадки формують у в’яжучому просторову сітку, яка одночасно підвищує температурну стійкість, еластичність і тріщиностійкість без істотних змін стандартних температурних режимів приготування сумішей. Для ПАР наведено експериментальні дані про зростання адгезії бітум–мінеральний матеріал за малих дозувань (0,2–0,4 %), стабілізацію в’язкості та стримування термоокиснювального старіння. Антиоксиданти продемонстрували зниження критичної температури жорсткості після RTFOT/PAV, покращення параметрів опору колієутворенню та водочутливості (зростання TSR), що підтверджує їхню ефективність у зниженні швидкості деградації в’яжучого. Пластифікатори (ТСО, вакуумний газойль, технічні масла та рецикляти) забезпечують зменшення в’язкості та зниження температур укладання (на 10–15 °C за до-зувань 5–15 %), за умови сумісності з колоїдною структурою бітуму. Розділ про механізми дії зіставляє фізичну модифікацію (розподіл, диспергування, зниження міжфазної напруги) з хімічними взаємодіями (зв’язування радикалів антиоксидантами, утворення міцних зв’язків ПАР з полярними фрагментами асфальтенів, можливе часткове зшивання полімерів). Методичний блок охоплює ключові випробування: пенетрацію, температуру розм’якшення (кільце–куля), в’язкість (Brookfield, DSR), старіння (RTFOT/PAV), а також тести сумішей (Marshall, ITS, Hamburg), і містить приклад графічної залежності «вміст СБС — температура розм’якшення». У блоці «Сучасні тренди» узагальнено результати новітніх досліджень щодо наноглини та графенових нанопластин (підвищення G*, опір колієутворенню, покращення втомної витривалості), а також застосування біополімерів і вторинної сировини як шляху до зменшення вуглецевого сліду та вартості матеріалів. Завершальні висновки підкреслюють доцільність багатокомпонентної модифікації та необхідність стандартизації сумісності інноваційних присадок із рециклованими компонентами.

This article presents a systematic review of contemporary approaches to modifying petroleum bitumens with various classes of additives in order to enhance the durability and reliability of road pavements (UDC 665.775:66.095.26). The classification and functional roles of the main groups of additives are considered: polymer modifiers (SBS, EVA, PE), surface-active agents (surfactants), antioxidants, plasticizers, as well as process-oriented antifoaming and antifriction agents. Particular attention is paid to innovative trends –nanomaterials (nanoclay, graphene) and the use of biopolymers and recycled raw materials. It is shown that polymer additives form a spatial network within the binder that simultaneously increases thermal stability, elasticity, and crack resistance without significant changes to standard hot-mix production temperatures. For surfactants, experimental data demonstrate increased adhesion at the bitumen–mineral interface at low dosages (0.2–0.4 %), viscosity stabilization, and suppression of thermo-oxidative aging. Antioxidants reduce the critical stiffness temperature after RTFOT/PAV, improve rutting resistance and moisture susceptibility (higher TSR), confirming their effectiveness in slowing binder degradation. Plasticizers (selective extraction oils – TSO, vacuum gas oil, technical oils, and recyclates) reduce viscosity and lower laying temperatures (by 10–15 °C at 5–15 % dosages), provided compatibility with the bitumen’s colloidal structure is ensured. The mechanisms section contrasts physical modification (dispersion, distribution, reduction of interfacial tension) with chemical interactions (radical scavenging by antioxidants, formation of strong bonds between surfactants and polar asphaltene fragments, and potential partial crosslinking of polymers). The methodological block covers key tests: penetration, softening point (ring-and-ball), viscosity (Brookfield, DSR), aging (RTFOT/PAV), as well as mixture tests (Marshall, ITS, Hamburg), and includes an example of a graphical dependence “SBS content vs. softening point.” The “Modern Trends” section summarizes recent findings on nanoclay and graphene nanoplatelets (increases in G*, improved rutting resistance, enhanced fatigue performance), as well as on biopolymers and secondary raw materials as a pathway to reducing carbon footprint and material costs. The concluding remarks emphasize the advisability of multicomponent modification and the need to standardize compatibility of innovative additives with recycled constituents.