CC BY
33
Киселев В.П.
Красноярская архитектурно-строительная академия
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ЛЕСОХИМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ С МАТЕРИАЛЬНЫМИ РЕСУРСАМИ ДРУГИХ ПРОИЗВОДСТВ - КОМПОНЕНТАМИ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Установлено, что при целом комплексе положительного влияния на свойства битума синтетические термоэластопласты на основе сополимеров дивинила и стирола, термопласты типа полиэтилена снижают адгезную прочность вяжущего. Предложено для улучшения адгезионно-когезионного взаимодействия между полимербитумным вяжущим и минеральным материалом основного характера вводить в вяжущее водонерастворимые отстойные смолы пиролиза растительного сырья. Показано, что лигнинсодержащие вторичные ресурсы лесохимической отрасли способны увеличивать адгезию неф-тебитума и мраморной подложки.
При использовании некоторых добавок промышленного производства в органоминеральных смесях не всегда удается создать материал, полностью удовлетворяющий по своим эксплуатационным свойствам потребителей. В некоторых случаях положительный эффект достигается путем введения в органоминеральные смеси нескольких веществ, каждое из которых улучшает определенные показатели. При этом возможно проявление синергетического эффекта. Иногда применение сопутствующей добавки способствует использованию веществ, которые в исходном состоянии не могут применяться как сырье или ингредиенты в производстве в силу своей токсичности или по другим причинам.
Из литературных источников [1-4] известно, что применение блоксополимеров типа ДСТ улучшает свойства полимербитумного вяжущего: расширяет интервал пластичности, снижая температуру хрупкости и повышая температуру размягчения, увеличивает прочностные характеристики асфальтобетона, его тре-щиностойкость, сдвигоустойчивость и т. д. Кроме этого, как указывается авторами работ [1-4], адгезионная способность полимербитум-ного вяжущего превышает аналогичную исходных битумов. Возрастает и когезионная прочность материала - способность противостоять разрушающей нагрузке самого материала.
По нашему мнению, добавление каучукоподобных полимеров, особенно блоксополиме-ров СБС с блоками ароматических звеньев стирола, действительно способствует при одновременном улучшении эластичности, растяжимости вяжущего упрочнению материала, т. е. увеличивает энергию когезии ^к). Однако при этом необходимо учитывать следующее.
Как правило, готовые резинотехнические изделия на основе каучуков и термоэластоплас-тов обладают малой величиной адгезии. Поэто-
му можно предположить, что невулканизирован-ные каучукоподобные полимеры, будучи добавленными в массу битума, не способны существенно увеличивать адгезию модифицированного вяжущего к минеральным материалам. При этом природа минерального материала не имеет значения, поскольку в состав каучуков и термоэла-стопластов реакционноспособные группы не входят. С целью проверки данного предположения были проведены опыты по изучению адгезионных свойств модифицированных битумов.
Адгезионно-когезионное взаимодействие на границе вяжущее - мрамор определяли прямым опытом: путем отрыва друг от друга мраморных пластинок, склеенных тонким слоем битума. Для этого несколько капель расплавленного при 150° С битума помещали между полированными поверхностями горизонтально расположенных мраморных пластин. Верхнюю пластину прижимали к нижней нагрузкой 0,28 Ма. В течение 15 мин. доводили температуру пластин до комнатной. Для определения усилий отрыва пластин друг от друга применяли разрывную машину РС-250. Скорость сдвига 25 мм/мин. В таблице 1 приведены определенные этим методом значения разрывной нагрузки. Следует отметить, что отнесение полученного усилия отрыва пластин друг от друга к чисто адгезионному взаимодействию между модифицированным битумом и мраморной пластинкой или когезионному разрушению вяжущего достаточно сложно. Поэтому дополнительно указана площадь пластинки из мрамора, на которой сохранился слой битума.
Адгезионная прочность битума определена как:
°Рб = f (1),
где Р - разрывная нагрузка в момент разделения пластин; S - площадь пластин, 2,7 см2
Адгезионную прочность образцов, модифицированных синтетическими полимерами и продуктами незавершенного производства гидролизной и лесохимической промышленности, определяли относительно битума:
К _ °рм °Рб
(2),
где К0 - относительная адгезионная прочность модифицированного образца, о рм - адгезионная прочность модифицированного вяжущего.
Как показывают данные, приведенные в табл.1, добавки продуктов незавершенного производства гидролизной и лесохимической промышленности оказывают положительное воздействие на адгезионные свойства получаемых с их использованием композиционных вяжущих материалов. Добавление в битум 5% по массе гидролизного лигнина (образец №2), карамели (образец №4), отстойной смолы пиролиза (образец №6) гидролизного лигнина, скорлупы кедровых орехов (образец №3) повышает адгезионную прочность вяжущего соответственно на 34,8%; 7,4%; 42,8%; 47,6%. Наибольшее повышение адгезионной прочности характерно для композиционного вяжущего на основе отстойной смолы пиролиза лигнина. Результаты можно объяснить тем, что все отходы ра-
стительного сырья содержат активные функциональные группы, максимальное их количество в смолах пиролиза.
Следует отметить низкие значения К0 для модифицированного полиэтиленом и ДСТ битума. Особое негативное влияние на адгезию имеет добавка индустриального масла, служащая для предварительного растворения термоэластопла-ста. Использование трехкомпонентных композиций: Б + ДСТ + ОСП; Б + ПЭ + ОСП улучшает адгезионную прочность вяжущего.
Следует, однако, иметь в виду, что в случаях с образцами №5, 7, 8, 9 (табл. 1) модифицирование исходного нефтяного битума привело к резкому снижению адгезии вяжущего к поверхности мрамора еще и потому, что возросла когезия (силы взаимодействия между молекулами самого материала) вяжущего.
Таким образом, по-видимому, целесообразно использовать в качестве бикомпонентных модифицирующих добавок совместно с синтетическими полимерами и отходы полимеров растительного происхождения.
Были изучены физико-механические свойства битума и полимербитумных вяжущих на основе термоэластопласта Финапрен (Бельгия), введенного в битум в составе композиций: битум + финапрен (3% от массы битума); битум + финапрен (3% масс) + ОСП (5% масс).
Таблица 1. Экспериментальные результаты определения адгезионной прочности исходных и модифицированных битумов
Номер образца Характеристика образца Орб 105н/м2 Орм -105н/м2 Ко Площадь мрамора, на котор о Й сохранился слоЙ битума, % Примечание
1 ЧИСТЫЙ битум БНД60/90 6,26 -- 1,0 ~50
2 Битум +5% ГЛ -- 8,44 1,34 ~50
3 Битум + 5% СКО -- 6,72 1,07 ~50
4 Битум +5% карамели -- 8,94 1,43 ~50
5 Битум +5% ДСТ в масле (10% ДСТ в индустриальном масле ИС-20) 0,22 0,035 следы битума Полный отрыв слоя битума
6 Битум +5% ОСП -- 9,24 1,48 ~50-60
7 Битум +2,5% полиэтилена -- 2,57 0,41 10-15 Значительный отрыв слоя битума от поверхности
8 Битум +4% полиэтилена -- 1,18 0,19 следы битума ПолныЙ отрыв слоя битума от одной из пластин
9 Битум +2,5% ДСТ без масла -- 5,19 0,83 —15-20 Значительный отрыв слоя битума
10 Композиция: битум +2,5 ДТС +5% ОСП 6,45 1,03 —40 Незначительный отрыв слоя битума
11 Битум +2,5 полиэтилена +5% ОСП 5,76 0,92 —40 Незначительный отрыв слоя битума
*ГЛ - гидролизный лигнин, карамель - органический шлам гидролизных производств, СКО - скорлупа кедровых орехов, ОСП - отстойная смола пиролиза гидролизного лигнина.
Для сравнения свойств аналогичных композиций был изучен в качестве полимерной добавки полиэтилен - отход упаковочного материала: битум + полиэтилен (2,5% от массы битума); битум + полиэтилен (2,5% от массы битума) + ОСП (5% по массе).
Результаты приведены в табл. 2.
Как показывают результаты табл. 2, использование композиции битум + полимер + отстойная смола пиролиза приводит к улучшению адгезионного взаимодействия с минеральным материалом, увеличивает растяжимость полимер-битумного вяжущего и его эластичность.
Основным достоинством отстойных смол пиролиза как гидролизного лигнина, так и скорлупы кедровых орехов, привлекающим к себе внимание, является их отличная совместимость с битумом и полимерными модификаторами -полиэтиленом и термоэластопластом - финап-реном. Совмещение возможно в самых простых смесительных установках. Во многих случаях это позволит готовить трехкомпонентное вяжущее: битум - полимер - смола в имеющихся на действующих АБЗ смесительных устройствах, снабженных мешалкой и дополнительными шестеренчатыми насосами.
Таблица 2. Свойства битума БНД 90/130, модифицированного полимерами: финапреном, полиэтиленом и полимерами с добавкой отстойной смолы пиролиза
Наименование показателей Содержание добавок, % масс.
0 Ф-3 О „ О © - ^ и. * * ПЭ-2.5* ПЭ-2.5 ОСП-5
Пенетрация, 0,1 мм
при 25°С 102 70 86 65 89
при 0 ° С 32 30 38 23 26
Растяжим°сть, см
при 25°С 70 48 76 53 58
при 0 ° С 6 5 16 6 7
Эластичн°сть, %
при 25°С 22 36 40 18 34
при 0 ° С 7 43 47 12 38
Температура размягчения, °С
исх°дн°г° 46 58 52 57 52
п°сле старения 51 62 55 61 54
К°гезия при 21° С, МПа 0,08 0,13 0,12 0,12 0,09
Сцепление, % 11 20 78 18 64
Температура хрупк°сти, °С - 20,5 - 24,0 -27,0 -22,5 -26,5
Интервал пластичн°сти, °С 66,5 82,0 81,0 79,5 77,5
*Ф - финапрен,
*ОСП - отстойная смола пиролиза скорлупы кедровых орехов, *ПЭ - полиэтилен, отход упаковочного материала.
Таблица 3. Свойства асфальтобетона на битумах БНД 90/130, модифицированных полимерами полиэтиленом и
финапреном с добавками смол пиролиза
Номер образца Характеристика вяжущего Средняя плотность Г/см3 Водонасыщение, % по объему Прочность на сжатие Я, в Мпа при температуре Коэффициенты водоустойчивости
О о О Я о 20 о С Я20 50 о С Я50 1 сутки 14 суток
1 Битум БНД 9о/1зо, Б-6,5% 2,61 5,2 6,1 3,2 1,4 0,86 0,79
2 Битум БНД 90/130 +0,5%ПЭ, ПБВ-6,5% 2,52 3,2 6,4 4,2 1,9 0,88 0,70
3 Битум БНД 90/130 +2,5%ПЭ, ПБВ-6,5% 2,35 2,8 8,1 4,7 2,1 0,87 0,82
4 Битум БНД 90/130 +0,5% Ф, ПБВ-6,5% 2,56 3,0 8,4 4,6 2,3 0,94 0,84
5 Битум БНД 90/130 +2,5%Ф, ПБВ 6,5% 2,36 22,4 9,0 4,4 2,2 1,0 0,84
6 Битум БНД 90/130 +2,5%ПЭ +5% ОСП, ПБВ 6.5% 2,62 1,5 9,9 4,6 2,5 1,2 0,85
7 Битум БНД 90/130 +2,5% Ф +5% ОСП, ПБВ 6,5% 2,60 1,4 9,4 4,8 2,3 1,3 0,88
Отстойные смолы пиролиза древесного сырья, по-видимому, играют пластифицирующую роль, облегчая распределение полимера в массе битума. В то же время ОСП играют роль адгезионных присадок и ингибиторов «старения» вяжущего. Температура размягчения битума после испытания на «старение» снижается на 5о С, температура размягчения битума, модифицированного финапреном и полиэтиленом, снижается на 4о С, а температура размягчения трехкомпонентных композиций: битум - финапрен - ОСП, битум - полиэтилен - ОСП снижается на 3о С и 2 о С соответственно. Для изучения влияния трехкомпонентного вяжущего на физико-механические свойства асфальтобетонных смесей приготавливали мелкозернистые смеси типа Б, II марки, содержащие 35% щебня крупностью 20-5 мм, 15% щебня крупностью 5-0мм, песка - 35%, 15% - минерального порошка и 6,5% битума или модифицированного вяжущего от суммы минеральных компонентов. Исследования асфальтобетона включали стандартные испытания по ГОСТ 9128-97 (прочность на сжатие при 0о С, 20оС и 50о С, во-донасыщение, плотность, коэффициенты водостойкости на 1 и 14 суток водонасыщения). Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Как видно из данных табл. 3, показатели свойств асфальтобетонных образцов зависят от содержания финапрена и полиэтилена в вяжущем. С ростом содержания полимера значи-
тельно увеличиваются показатели прочности при сжатии при 0о С, 20 оС и 50 о С, повышаются коэффициенты водостойкости Кв и длительной (после 14 суток водонасыщения) водостойкости Квдл При использовании в составе трехкомпонентного вяжущего отстойных смол пиролиза древесного сырья водонасыщение уменьшается в большей степени (образцы 6,7), что свидетельствует об улучшении уплотняемо-сти смеси. При этом повышается коэффициент длительной водостойкости, что свидетельствует о получении более плотной смеси в целом. Полученные закономерности объясняются тем, что в присутствии смол пиролиза повышается адгезия битумно-полимерного вяжущего к минеральным материалам.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено:
• при целом комплексе положительного влияния на свойства битума синтетические тер-моэластопласты на основе сополимеров дивинила и стирола, термопласты типа полиэтилена снижают адгезионую прочность вяжущего;
• для улучшения адгезионно-когезионного взаимодействия между полимербитумным вяжущим и минеральным материалом основного характера целесообразно введение в вяжущее водонерастворимых отстойных смол пиролиза растительного сырья;
• лигнинсодержащие вторичные ресурсы лесохимической отрасли способы увеличить адгезию нефтебитума и мраморной подложки.
Список использованной литературы:
1. Гохман Л.М. Применение полимернобитумных вяжущих в дорожном строительстве / Л.М. Гохман, О. Бабак, Т. Старков // Дорожная техника и технологии. - 2001, №5. - С. 72-76.
2. Полякова С.В. Применение модифицированных битумов в дорожном строительстве // Наука и техника в дорожной отрасли.
- 1999, №1. - С. 19-21.
3. Lehdrich Jürgen. 25 - Jhare Erfahrungen mit Polymerbitumen in Deutschland, U,sterreich und der Schweiz // Asphalt (BRD). - 1994
- B.7, №4. - S. 28.
4. Золотарев В.А. Влияние добавок термопласта эвалой на свойства битума и асфальтобетона / В.А. Золотарев, С.В. Ефимов, Я.И. Пыриг, С.А. Чераенко // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2004, №1. - С. 41-44.
