CC BY
15Мардиросова И. В., канд. хим. наук, доц.
Ростовский государственный строительный университет
Леконцев Е. В., мл. науч. сотр.
ДорТрансНИИ РГСУ, Каклюгин А. В., канд. техн. наук, доц.
Ростовский государственный строительный университет
АСФАЛЬТОВОЕ ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ ВИБРОЛИТЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ПРОЦЕССАМ СТАРЕНИЯ
Isabellavm@rambler.ru
В работе рассмотрена актуальная проблема повышения долговечности дорожных покрытий путем замедления процессов старения асфальтового вяжущего, которые во многом определяются структурой и свойствами применяемых органических вяжущих. Для повышения устойчивости асфальтового вяжущего к процессам старения предложен комплексный модификатор из резинового термоэластопласта РТЭП и резиновой крошки.
Ключевые слова: асфальтовое вяжущее, коэффициенты старения вяжущего, битум, асфальтобетон
Одной из самых актуальных проблем современного дорожного строительства является повышение долговечности асфальтобетона, которая во многом зависит от структуры и свойств применяемых органических вяжущих веществ и, прежде всего, их склонности к старению. Наиболее объективным методом оценки влияния битума на структурно-механические свойства асфальтобетона и процессы его старения является исследование свойств асфальтового вяжущего (смеси битума с минеральным порошком). Диспергированные частицы минерального порошка могут изменять структуру битума в тонких слоях, образуя с ним коллоидную систему, подобно системе цемент-вода и для правильного проектирования составов смесей важно знать не только свойства исходного битума, но и то, как они влияют на свойства асфальтового вяжущего.
Кроме межмолекулярных сил и коллоидных образований на структуру битума в асфальтобетонных смесях оказывают влияние и химические реакции, протекающие на границе битум-минеральный материал в результате взаимодействия асфальтогеновых кислот битумного вяжущего с минеральными частицами порошка, особенно основного характера. Определенный интерес в этом отношении представляет проведение исследований процессов старения асфальтового вяжущего разработанной в ДорТрансНИИ РГСУ модифицированной вибролитой асфальтобетонной смеси II типа, предназначенной для нового строительства и капитального ремонта дорожных покрытий, что и определило цель и задачи настоящей работы[1,2].
Основными причинами вызывающими старение битума являются несоблюдение технологических режимов при приготовлении, укладке и уплотнении асфальтобетонных смесей, а также
воздействие кислорода воздуха и солнечной радиации при эксплуатации покрытий в жаркое время года. Под влиянием этих факторов, в битуме происходит глубокая полимеризация и окислительная полимеризация асфальтенов, смол и масел, сопровождаемая необратимыми изменениями фазового состава органического вяжущего. В результате чего, битум теряет упруго-пластичные свойства, приобретает хрупкость, понижается его адгезия к поверхности минеральных составляющих асфальтобетона. Все это, в конечном итоге, приводит к снижению водо-, морозо- и трещиностойкости асфальтобетона и его преждевременному разрушению.
Отечественными и зарубежными исследователями накоплен значительный опыт по направленному регулированию структурно-реологических свойств битума и повышению его стойкости к старению за счет применения различных модифицирующих добавок типа эластомеров (натурального и синтетического каучу-ков), резины, серы, полиолефинов, минеральных порошкообразных и волокнистых отходов промышленных производств и т.п. [1-2].
В этих целях для приготовления асфальтового вяжущего в настоящем исследовании использовали известняковый минеральный порошок, битум марки БНД 60/90, модифицированный комплексной добавкой из резинового тер-моэластопласта РТЭП и резиновой крошки. Соотношение минерального порошка и битума в асфальтовом вяжущем составляло 1,3:1.
Модифицирующая добавка РТЭП вводилась в вяжущее в количестве 0,3 %, а резиновая крошка от 0,9 до 1,3%, с шагом через 0,2% %. В больших количествах РТЭП и резиновая крошка не вводились, т. к. это приводило к затруднению процессов изготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонного слоя. Последнее
связано со значительными изменениями показателей: повышения температуры размягчения и понижения глубины проникания иглы модифицированного битума (см. табл. 1), что делает невозможным строительство асфальтобетонного слоя.
Модифицирующая добавка термоэласто-пласт РТЭП выпускается научно-
производственным предприятием ООО «Юж-ДорНИИ» г. Ростов-на-Дону, согласно ТУ 5718001- 79259416. Он имеет вид гранул темного цвета, неправильной сферовидной формы. Размер гранул составляет 2-6 мм, насыпная плотность их -0,3-0,4 г/см3. Температура размягчения добавки не выше 1400С. Увеличение температуры размягчения и эластичность битума с 5-ти процентным содержанием добавки в битуме БНД 60/90 имеют соответственно значения не менее: 15% и 40% (см. ОДМ 218.3.001-2006). Добавка содержит полиолефиновый компонент, резиновую крошку размером до 1,0 мм, антиок-сиданты и битум. Такая комплексная композиция обладает значительным количеством ненасыщенных связей, свойственных полиолефино-вым и резиносодержащим соединениям. Особенно эффективно используется РТЭП в районах с континентальным климатом, а также на участках дорог с повышенными динамическими воздействиями на покрытие, например на полосах примыкающих к трамвайным путям [3]. Модификатор обладает повышенной износо- и морозостойкостью, растворяется в углеводородах, битуме, хлороформе, четыреххлористом углероде и т.п. Вредных веществ не содержит.
В работе использовалась резиновая крошка, получаемая дроблением шинной резины из изношенных автомобильных шин и покрышек. Размер частиц резиновой крошки не превышал 1 мм.
Для повышения адгезионных свойств используемых отечественных битумов, особенно при применении минеральных материалов кислых пород в работе использовалась поверхностно-активная добавка аминного типа КАКЭМ-ВТ. Указанный реагент изготавливается в соответствии с ТУ 2482-009-04706205-03. Это вещество катионного типа, представляет собой продукт синтеза сложных полиаминов с жирными кислотами. При введении добавки в разогретый битум она хорошо растворяется, равномерно распределяясь в нем при перемешивании, создавая условия повышенной адгезии вяжущего к минеральному материалу. Количество вводимого адгезива в работе составляло 0,2-0,4 мас.%.
При исследовании составов приготовляемого асфальтового вяжущего до и после старения устанавливали: глубину проникания иглы
при 25 °С (П и Пс), 0,1 мм; растяжимость при 25 °С (Р и Рс), см; эластичность (ЭЛ и ЭЛс), % температуру хрупкости (Тх и Тсх), °С; температуру размягчения (ТР и Тср), °С; изменение
температуры размягчения после прогрева, °С.
Влияние процесса старения на свойства ас-фальтовяжущего исследовали по американской методике TFOT (Thin Film Oven Test) согласно стандарту ASTM D 1754. Асфальтовяжущее подогревали в тонком слое толщиной 3,2 мм в формах диаметром 140мм и высотой 9,5 мм, которые находились на вращающейся со скоростью 6 оборотов/мин. полке термостата с циркуляцией воздуха.
Для более объективной оценки влияния процесса старения на свойства битума использовались коэффициенты старения, введенные в работе [3], характеризующие изменения свойств вяжущего в процессе старения: Ксп КсТр, КсТх , Ксд: соответственно коэффициенты глубины проникания иглы при 25 °С (%), температуры размягчения, температуры хрупкости, растяжимости при 25 °С. Коэффициенты рассчитывались из соотношения разности данного показателя до и после старения асфальтового вяжущего отнесенной к одноименному показателю асфальтового вяжущего до старения.
Так, например: Кпс = ДП / П 100 %, где ДП = П°..- П
П - глубина проникания иглы до старения П° - глубина проникания иглы после старения. Результаты испытаний приведены в таблице 1, а рассчитанные коэффициенты изменения важнейших физико-химических показателей исследованных составов в процессе старения - в таблице 2.
Представленные данные показывают, что предлагаемый комплексный модификатор, состоящий из резинового термоэластопласта и резиновой крошки оказывает заметное структурирующее влияние на свойства асфальтовяжущего. Модифицированное вяжущее по сравнению с исходным характеризуется меньшей глубиной проникания иглы и растяжимостью при 25 °С, большей температурой размягчения, эластичностью и пониженной температурой хрупкости.
Вяжущее становится более вязким и характеризуется пониженными коэффициентами старения, что свидетельствует о замедлении процессов его старения по сравнению с не модифицированным. Однако, полностью комплексный модификатор не исключает процесс старения битума (табл. 1, 2).
Глубина проникания иглы, как следует из данных табл.1, при введении в асфальтовое вяжущее добавки понижается, что свидетельствует
о повышении вязкости материала, обеспечивая асфальтобетону необходимые эксплуатационные свойства. Так, коэффициенты старения глубины проникания иглы (КсП) для составов содержащих по 0,3 % РТЭП и резиновой крошки до 1,3% имеют невысокие значения, понижаясь, по сравнению с вяжущим без добавок, от 26,3 % до составов с добавками до 15,2%. Снижение этого показателя с увеличением концентрации резиновой крошки указывает на замедление процессов старения асфальтового вяжущего в присутствии модификатора.
Как показали проведенные исследования использование РТЭП и резиновой крошки в составе асфальтового вяжущего вызывает значительное понижение растяжимости (табл.1). Однако, в данном случае это можно считать вполне приемлемым. В ряде работ [4,5], отмечается, что показатель растяжимости, оказывается малопригодным для оценки качества вяжущего и не позволяет судить о его поведении в асфальтобетоне в условиях динамических воздей-
ствий. Высокие значения растяжимости указывают лишь на однородность вяжущего, но могут стать причиной снижения сдвигоустойчивости покрытия. Однако, как показали исследования установлено, что повышение концентрации резиновой крошки в составе смеси выше 1,1 % не целесообразно, т.к. при этом наблюдается значительное понижение показателя растяжимости (табл.1).
Показатель старения растяжимости Ксд значительно понижается с ростом концентрации резиновой крошки, что следует также отнести подобно показателю КсП к числу положительных влияний резиновой крошки на свойства асфальтового вяжущего. Так, коэффициент Ксд вяжущего, не содержащего модифицирующую добавку, составлял 24,5%, в то время, как у состава с добавкой 0,3 % РТЭП и 1,1% резиновой крошки, он понизился до 9,3 %, т.е. более, чем в 2,5 раза и при больших ее концентрациях наблюдается дальнейшее его понижение.
Таблица 1
Зависимость физико-механических показателей асфальтовяжущих, модифицированных добавкой 0,3 % резинового термоэластопласта от содержания резиновой крошки
Наименование проб Глубина проникания иглы при Растяжимо ть, мм, при 25°С Температура, 0С
25°С 0°С размягчения хрупкости
1. Битум БНД 60/90 до старения после старения 74,0 50,0 8,0 8,1 66,3 40,1 47,0 53,0 -17,0 -14,0
2.Асфальтовяжущее (А.В.) до старения после старения 57,0 42,0 25,0 21.0 38.2 29.3 54,0 60,0 -15,0 -13,0
3. А.В.+ 0,3% РТЭП до старения после старения 43,0 33,0 22,0 14,0 28,9 24,7 62,0 68,0 -17,0 -15,0
4. А.В.+ 0,3% РТЭП+0,9%РК до старения после старения 41,0 32,0 20,0 27,0 25,4 22,8 68,0 73,0 -26,0 -24,0
5. А.В.+ 0,3% РТЭП+1,1%РК до старения после старения 37,0 30,0 20,0 17,0 24,6 22,3 76,0 81,0 -27,0 -25,0
6. А.В.+ 0,3% РТЭП+1,3%РК до старения после старения 33,0 28,0 18,0 16,0 16,3 14,9 86,0 90,0 -22,0 -21,0
Температура размягчения асфальтового вяжущего при введении РТЭП и резиновой крошки с ростом содержания резиновой крошки заметно повышается. При содержании РТЭП в количестве 0,3 % и резиновой крошки 1,1 % в процессе старения температура размягчения повышается по сравнению с не модифицированным вяжущим от 54 0С до 76 0С. Коэффициент старения при этом КсТр .характеризуется невысокими значениями: асфальтовое вяжущее без до-
бавок имеет значение КсТр 11,1 %, у модифицированного вяжущего, он составляет 6,6 %, т.е. процесс старения также сокращается в 1,7 раза.
Следует отметить и положительные изменения температуры хрупкости наблюдаемые в процессе старения асфальтового вяжущего. Добавки. РТЭП и резиновой крошки введенные в состав асфальтового вяжущего в количестве соответственно 0,3 % и 1,1 % обеспечили понижение температуры хрупкости на 10 0С (табл.1).
Коэффициент старения асфальтового вяжущего КсТх в этом случае снизился от 13,3 % до 7,4 %, т.е. процесс старения модифицированного вяжущего (табл.2) по этому показателю по сравнению с не модифицированным замедлился в 1,8 раза, что благоприятно сказывается на повышении работоспособности асфальтобетона в зимних условиях.
Таблица2
Зависимость коэффициентов старения Кс асфальтового вяжущего с добавкой 0,3% _РТЭП от крошки _
Наименование проб Кс п, % при 25 °C Кс д Кс х Кс р
1. Битум БНД 60/90 32,4 39,5 17,6 12,8
2.Асфальтовяжущее (А.В.) 26,3 24,5 13,3 11,1
3. А.В.+ 0,3% РТЭП 23,3 14,5 11,8 9,7
4. А.В.+ 0,3% РТЭП+0,9%РК 22,0 10,2 7,7 7,4
5. А.В.+ 0,3% РТЭП+1,1%РК 18,9 9,3 7,4 6,6
6. А.В.+ 0,3% РТЭП+1,3%РК 15,2 8,6 4,5 4,7
Использование поверхностно-активной добавки КАДЭМ-ВТ позволило во всех случаях улучшить адгезионные свойства вяжущего.
Понижение значений описанных выше коэффициентов старения асфальтового вяжущего объясняется, прежде всего, наличием в его составе РТЭП, и резиновой крошки, содержащей антиоксиданты, значительно замедляющих протекание процессов старения. В условиях повышенных температур эти добавки способствуют также структурированию асфальтового вяжущего. Частицы резиновой крошки являются более в этом случае активными адсорбентами, а следовательно и структурными центрами. За счет увеличения удельной поверхности минеральной части асфальтового вяжущего количество структурированного битума значительно возрастает. Структурированный битум, находящийся в ультратонких сольватных оболочках резиновой крошки отличается повышенной стойкостью к старению по сравнению со свободным [6]. ВЫВОДЫ В работе рассмотрена актуальная проблема - повышение долговечности дорожных покрытий путем замедления процессов старения асфальтового вяжущего, которые во многом определяются структурой и свойствами применяемых органических вяжущих. Для улучшения структурно-механических свойств асфальтобетона и повышения его устойчивости к процессам старения в работе предложен комплексный модификатор из резинового термоэластопласта РТЭП и резиновой крошки. В условиях повы-
шенных температур модификатор способствуют протеканию процессов структурирования асфальтового вяжущего. При этом частицы резиновой крошки являясь более активными адсорбентами выступают в роли структурных центров. За счет увеличения удельной поверхности минеральной части асфальтового вяжущего количество структурированного битума значительно возрастает. Структурированный битум, находящийся в ультратонких сольватных оболочках резиновой крошки отличается повышенной стойкостью к старению по сравнению со свободным.
Для оценки процессов старения асфальтового вяжущего использовались коэффициенты старения: глубины проникания иглы при 25 0С Ксп, температуры размягчения КсТр, температуры хрупкости КсТх и растяжимости при 25 0С, Ксд. Отмечено заметное понижение всех перечисленных коэффициентов, указывающего на положительное влияние разработанного комплексного модификатора на замедление процессов старения асфальтового вяжущего, что безусловно скажется в дальнейшем на долговечности покрытия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мелик-Багдасаров М.С., Гноев К. А., Ме-лик-Багдасарова Н.А. Строительство и ремонт дорожных асфальтобетонных покрытий /М.С. Мелик-Багдасаров, К.А. Гноев, Н.А. Мелик-Багдасарова. - Белгород. изд-во, 2007. - 158 с.
2. Мелик-Багдасаров М.С. Исследование жесткого литого асфальтового бетона с целью применения в покрытиях городских дорог: дис. ... канд. техн. наук. - Союз ДорНИИ, 1975.
3. Иваньски М., Урьев Н.Б. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперс-ным и полимерным компонентами). Под общей редакцией профессора, доктора химических наук Н.Б. Урьева. - М.: Техполиграфцентр, 2007. -668с.
4. Руденский А.В., Смирнов Н. Для всех климатических зон. Композиционные резиноби-тумные материалы широкого применения /А. В. Руденский, Н.В. Смирнов // Дороги России XXI века. - 2002. - № 3. - С. 86-88.
5. Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительств. -М.: Транспорт, 1984. - 229 с.
6. Мардиросова И.В., Леконцев Е.В., Сараев Д.С. Плотная вибролитая асфальтобетонная смесь для строительства и а автомобильных дорог // М.: Дороги и мосты.
