Низкая трещиностойкость асфальтовых дорожных покрытий и невысокая устойчивость к деформации при интенсивной нагрузке во многом определяются недостатками используемых для их приготовления товарных окисленных битумов: малой растяжимостью, низкой температурой размягчения, повышенной температурой хрупкости. Для улучшения свойств нефтяных битумов применяют модифицирующие добавки синтетических термопластичных полимеров и эластомеров, а также отходов их производства. Важная проблема модифицирования — способ введения полимера в битум и создание стабильных гомогенных полимербитумных композиций. В типичных условиях производства асфальта растворение большинства синтетических полимерных материалов в нефтяных битумах затруднено. Поэтому при модифицировании битума полимер предварительно растворяют в органических растворителях (обычно нефтяного происхождения) с последующим добавлением модификатора к вяжущему. Однако этот метод не может быть применен при использовании в качестве модификаторов полимерных материалов, имеющих ограниченную растворимость либо нерастворимых в нефтяных продуктах. К их числу относятся отходы производства маслостойких сортов каучука, материал отработанных изделий из резины на основе такого каучука, в том числе автомобильные шины, эффективные методы утилизации которых в настоящее время отсутствуют.

В ИХиХТ СО РАН совместно с СФУ разрабатывают способы модифицирования дорожных битумов, основанные на термическом растворении синтетических полимерных материалов в смеси с ископаемыми углями либо в жидких продуктах превращения углей. Было показано, что качественные вяжущие для дорожного строительства можно получить путем термического растворения бурого угля и ряда синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, отходов резины различных марок) в остатках дистилляции нефти при 350—380 °С. Высококипящий остаток, содержащий до 25 мас. % продуктов термодеструкции полимеров, соответствовал требованиям к нефтяным дорожным битумам и имел оптимальное соотношение масел, смол и асфальтенов. Продукт можно использовать в качестве вяжущего для дорожного строительства без выделения из него нерастворившейся части угля и минеральных компонентов, что упрощает технологию его приготовления. Данный метод позволяет применять для модифицирования вяжущих широкий спектр полимерных материалов, в том числе нерастворимых в нефтяных битумах при умеренных температурах.

Большой практический интерес представляют разработка и производство модификаторов, которые можно транспортировать на значительные расстояния, легко смешивать в требуемом количестве с нефтяными битумами при температурах 120–180 °С непосредственно в процессе приготовления асфальта. Для создания таких модификаторов проведены исследования растворимости маслостойких каучуков в жидких продуктах термопревращения углей, отличающихся от продуктов нефтяного происхождения повышенным содержанием ароматических углеводородов.

Установлено, что оптимальная концентрация полимера в растворе (модификаторе битумов) составляет 25–30 мас. %. При такой концентрации процесс растворения протекает быстро (менее 1 ч), а полученный модификатор хорошо смешивается с нефтяными битумами при нагревании. Образцы битумов, модифицированные каучуксодержащими компонентами, характеризуются повышенным содержанием асфальтенов и смол. Асфальтены обеспечивают твердость битума и высокую температуру размягчения, а смолы — тягучесть и эластичность. Испытания показали, что модификаторы, полученные путем растворения маслостойких каучуков и отходов их производства (коагулюма) в продуктах полукоксования каменного угля и терморастворения бурого угля, снижают температуру хрупкости битума и увеличивают растяжимость, особенно при температуре 0 °С (рис. 1). Это позволит получать асфальтобетон, устойчивый к образованию трещин в зимний период. Модификаторы, при приготовлении которых в качестве растворителя использовали продукты гидрогенизации бурого угля, не снижают температуру хрупкости, но увеличивают растяжимость битума при температуре 25 °С, улучшая его деформационные свойства.

Рис. 1. Зависимость от содержания модификатора:
а — растяжимости композиционного вяжущего при температурах 25 и 0 °С; б — температуры хрупкости по Фраасу:
 x — исходный битум БНД 90/130; 1 — битум + модификатор, содержащий 30 мас. % коагулюма, 70 мас. % смолы полукоксования каменного угля; 2 — битум + модификатор, содержащий 30 мас. % каучука, 70 мас. % высококипящих продуктов терморастворения бурого угля в нефтяных остатках

По сравнению со смесями на исходном битуме мелкозернистые щебеночные асфальтобетонные смеси, приготовленные на модифицированном вяжущем оптимального состава, имеют значительно больший предел прочности при сжатии при температурах 20 и 50 °С, а также более высокие коэффициенты водостойкости при кратковременном (1 сут) и длительном (14 и 30 сут) водонасыщении (рис. 2). Это позитивно влияет на теплостойкость и погодоустойчивость асфальтобетонного покрытия в условиях высоких температур и обильных осадков.

Рис. 2. Влияние содержания модификатора в композиционном вяжущем на предел прочности асфальтобетона при сжатии:
а — при температурах 20 и 50 °С; б, в — соответственно при кратковременном и длительном сжатии в водонасыщенном состоянии:
1  — модификатор, содержащий 30 мас. % коагулюма, 70 мас. % смолы полукоксования каменного угля; 2  — модификатор, содержащий 30 мас. % каучука, 70 мас. % высококипящих продуктов терморастворения бурого угля в нефтяных остатках (Содержание вяжущего в асфальтобетоне 6,5 мас. %.)