CC BY
72
УДК 691.16:541.6
БИТУМНО-РЕЗИНОВЫЕ ДОРОЖНЫЕ И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСТИКИ
© В.В. Алексеенко1, К.Ю. Лебедева2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Изучены физико-механические характеристики битумно-резиновых композиционных вяжущих, а также влияние различных пластифицирующих и отверждающих добавок на температуру хрупкости и температуру размягчения композита. В качестве добавок использованы материалы, являющиеся отходами производства, а значит, имеющие небольшую стоимость. Разработаны составы битумно-резинового композита с высокими эксплуатационными характеристиками. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: битумно-резиновый композит; гидроизоляционные материалы; температура хрупкости; температура размягчения; отходы производства.
WATERPROOFING ROAD BITUMINOUS-RUBBER MASTICS V.V. Alekseenko, K.Yu. Lebedeva
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper studies the physico-mechanical characteristics of bituminous-rubber composite mastics as well as the influence of various plasticizing and hardening additives on the brittle and softening point of a composite. The production wastes of low cost have been used as additives. High performance compositions of the bituminous-rubber composite have been developed. 3 tables. 5 sources.
Key words: bituminous-rubber composite; waterproof materials; brittle point; softening point; wastes.
В настоящее время распространённым способом улучшения физико-механических характеристик органических вяжущих является их модификация полимерами. Как показано рядом авторов [1, 3, 5, 6], применение битумно-полимерных и битумно-резиновых композиционных вяжущих значительно улучшает свойства битума и, что не менее важно, повышает долговечность дорожных и кровельных материалов. С другой стороны, стоимость битумно-полимерных материалов в разы превышает стоимость битума марки БНД, что ограничивает область их применения. По нашему мнению, наиболее перспективным модификатором битума может выступать резиновая крошка из автомобильных покрышек, так как, во-первых, она во много раз дешевле сырья из полимеров, во-вторых, одновременно с задачей улучшения качества органических вяжущих решается проблема утилизации автомобильных покрышек. При этом нужно учесть, что в Иркутском регионе освоена технология получения битумно-резиновых вяжущих [1].
Помимо резиновой крошки композиционное вяжущее может содержать ароматические масла (улучшают растворение резины в битуме), пластификаторы, минеральные добавки (обычно повышают теплостойкость композита) и другие материалы, изменяющие конкретные физико-механические параметры композита. Когда количество добавок достигает десятков
процентов, то такой материал называется мастикой. Данная работа посвящена исследованию и созданию мастик для конкретного вида работ, а именно: для заливки трещин в асфальтобетонных покрытиях и для ремонта мягких кровель. Такие мастики должны иметь высокую морозо- и теплостойкость, хорошую адгезию к большинству строительных материалов. А мастики, предназначенные для заливки трещин, помимо этого должны быть и износостойкими. В целях понижения стоимости композиционного вяжущего авторы данной статья ориентировались на добавки, которые являются отходами различных производств и к тому же достаточно доступны, то есть образуются в больших количествах.
Основными измеряемыми параметрами являлись температура хрупкости по Фраасу, характеризующая морозостойкость композита, и температура размягчения по «кольцу и шару», которая характеризует теплостойкость. Все образцы композита выдержали испытания на определение адгезии к каменным материалам, которая измерялась по методу «А» ГОСТа 1150878. Адгезия битумно-резинового композиционного вяжущего ко всем каменным материалам отличная, что уже подчёркивалось авторами в работе [1].
Измерения температуры размягчения проводились на автоматическом аппарате КиШ-20М4 по ГОСТу 11506-73, в этом случае у исследователей нет ни-
1Алексеенко Виктор Викторович, кандидат химических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: [email protected]
Alekseenko Victor, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Automobile roads, e-mail: [email protected]
2Лебедева Кристина Юрьевна, студент, e-mail: [email protected] Lebedeva Kristina, Student, e-mail: [email protected]
каких сомнений в правильности методики. Измерения температуры хрупкости проводились на автоматическом аппарате АТХ-20, а не на приборе Фрааса, и здесь требуются некоторые комментарии. Дело в том, что формально АТХ-20 предназначен для измерения температуры хрупкости нефтяных битумов. При исследовании битумно-резиновых и полимерно-битумных вяжущих на данном приборе возникает опасность неправильного измерения температуры хрупкости. В самом деле, срабатывания пьезодатчика прибора не всегда подтверждаются визуальным осмотром образца, то есть отсутствует видимая трещина. Данный недостаток прибора АТХ-20 преодолевается путём настройки пьезодатчика, обязательным визуальным осмотром образцов и испытанием нескольких образцов. Первый образец всегда служит для настройки прибора. Приведённые данные по температуре хрупкости как раз соответствуют испытаниям, когда срабатывания пьезодатчика и визуальное наличие трещины совпадали.
Композиционное вяжущее всегда приготовлялось на основе битума марки БНД 90/130 производства АНКХ (г. Ангарск), температура хрупкости -21°С, температура размягчения +46°С. В качестве растворяющего агента использовалась тяжёлая смола пиролиза, выпускаемая АНКХ [4]. Резиновая крошка (далее -резина) производится из отработанных автомобильных покрышек на предприятии ИП Митюгина (г. Братск). Микрокремнезём с примесью углеродных на-ночастиц, каменноугольный и нефтяной пек являются отходами производства Братского алюминиевого завода (далее - м.у., к.п. и н.п. соответственно). Минеральный порошок (далее - м.п.) производится Олхин-ским известковым заводом (г. Шелехов). В качестве пластификатора использовались отработанные обезвоженные масла. Все разновидности вяжущих, описанные ниже, изготовлены на промышленной двухре-акторной установке оригинальной конструкции [2]. Отметим, что данная технология в отличие от всех известных в мире аналогов использует крупную (до 5-7 мм), а значит дешёвую резиновую крошку.
Как было исследовано ранее [1], оптимальное содержание резины в композите составляет 20-25% по массе. При таком содержании резины наблюдается минимальная температура хрупкости и приемлемая для дорожных строителей температура размягчения. Поэтому в данных исследованиях содержание резины
почти всегда находилось в указанном диапазоне. О процессе растворения (девулканизации) резины говорит тот факт, что у композита температура хрупкости ниже, чем у битума, а температура размягчения выше. Аналогичное явление наблюдается при растворении в битуме искусственных полимеров [3]. Далее во всех таблицах массовая доля ингридиентов приведена в процентах относительно содержания битума, принятого за 100%. Под отвердителем имеются в виду компоненты, повышающие температуру размягчения (в соответствующих колонках таблиц помимо процентного содержания указывается вид отвердителя).
На первом этапе было проведено исследование физико-механических характеристик композита в зависимости от содержания тяжёлой смолы пиролиза и минеральных добавок (табл. 1).
Таким образом, повышение содержания смолы пиролиза приводит к улучшению растворения резины, что благотворно отражается на температуре размягчения. Добавление минерального порошка повышает теплостойкость, не ухудшая морозостойкости композита. Смола пиролиза и отработанное масло являются разжижителями битума, и тот факт, что температура размягчения образцов выше, чем у исходного битума, говорит о растворении резиновой крошки. Образец № 1 как раз демонстрирует, что плохое растворение резины не компенсируется увеличением содержания отвердителя. Состав № 4 демонстрирует очень хорошие физико-механические характеристики и может использоваться в качестве мастики для заделки трещин в асфальтобетонных покрытиях, для ремонта кровель и даже в качестве заменителя битума при производстве асфальтобетона. Заметим, что все используемые ингредиенты имеют стоимость меньше, чем битум марки БНД 90/130. Единственная проблема - смола пиролиза имеет достаточно сильный запах, поэтому в дальнейших исследованиях авторы постарались минимизировать её содержание.
Процесс девулканизации резины, который вносит основной вклад в изменение свойств мастики, зависит не только от содержания смолы пиролиза, но также от других параметров обработки: температуры растворения, интенсивности механического воздействия и т.п. В табл. 2 представлены результаты, полученные при минимальном содержании смолы пиролиза и при дополнительных воздействиях на композит.
Номер Отвер- Пластифи- Температура Температура
состава Резина Смола дитель катор хрупкости, °С размягчения, °С
1 21 10 9 м.п 3 -27 +46,3
2 22 12 0 7 -31,6 +49,7
3 22 16 0 3 -32 +56,3
4 22 15 6 м.п. 4 -31,6 +61,9
Таблица 1
Физико-механические характеристики композита при различном содержании смолы пиролиза
Таблица 2
Физико-механические характеристики композита при различном содержании отвердителя_
Номер состава Резина Смола Отвердитель Пластификатор Температура хрупкости, °С Температура размягчения, °С
1 21 10 9 м.п. 3 -35 +48,3
2 21 10 9 м.п. 3 -36 +50,6
3 21 10 9 м.п.+10 м.у. 3 -34 +59,5
4 21 10 9 м.п.+10 к.п. 3 -34 +54
Таблица 3
Физико-механические характеристики композита при большом содержании добавок_
Номер состава Резина Смола Отвердитель Пластификатор Температура хрупкости, °С Температура размягчения, °С
1 21 10 9 м.п.+40 н.п. 3 -28 +72,6
2 23 10 5 м.п.+ 2 н.п. 3 -28,5 +47.4
Состав № 1 приготовлен на промышленной установке и имеет визуальные неоднородности размером 1-3 мм. Составы № 2-4 дополнительно обработаны на лабораторном высокоскоростном диспергаторе в течение 1-2 минут и визуально однородны. Кроме того, составы, приведённые в табл. 2, приготовлены при температуре на 10-15°С выше, чем составы, представленные в табл. 1. Повышение температуры влечёт за собой частичную деструкцию полимерных молекул резины, что приводит к дополнительной пластификации (понижению температуры хрупкости) композита. Для того чтобы повысить температуру размягчения, необходимо добавлять отвердители. Отметим, что очень сильное воздействие на температуру размягчения оказывает микрокремнезём с большой примесью углеродных частиц, которые в свою очередь содержат некоторое количество наночастиц углерода. Составы № 3, 4 хорошо подходят для ремонта кровель и гидроизоляционных работ ввиду очень хорошей морозостойкости, в том числе по металлу.
Далее были исследованы составы, содержащие большой процент добавок и имеющие уникальные характеристики (табл. 3).
Состав № 1 отличается высокой теплостойкостью и может использоваться в качестве дешёвого гидроизоляционного материала, так как битума в его составе меньше половины. Состав № 2 имеет невысокие физико-механические характеристики, но при заливке трещин в асфальтобетонных покрытиях он показывает самые лучшие результаты из всех вариантов мастик,
испытанных на федеральной автодороге Тулун -Братск, так как большое содержание резины обеспечивает повышенную износостойкость и эластичность. Композит текучий (о чём свидетельствует невысокая температура размягчения) и смачивает края даже самых мелких трещин, но при этом на поверхности покрытия остаются частички резины, которые препятствуют истиранию композита колёсами автотранспорта. Следует отметить, что при ремонте асфальтобетонных покрытий слишком жидкие мастики недолговечны, они легко истираются и протекают вглубь трещин. Однако слишком жёсткие (имеющие температуру размягчения 80°С и выше) невозможно залить внутрь трещины.
Таким образом, битумно-резиновые композиционные вяжущие обладают очень широкой гаммой характеристик, отличной адгезией практически ко всем строительным материалам и долговечностью. Это позволяет изготавливать вяжущее под конкретные практические задачи. Стоимость таких вяжущих заметено ниже стоимости полимерно-битумных вяжущих, так как большинство используемых ингредиентов являются отходами производства.
Работа выполнена в лаборатории «Инновационные строительные и дорожно-строительные материалы» при кафедре автомобильных дорог. Авторы выражают признательность О.И. Дошлову за информацию по тяжёлой смоле пиролиза, а также Р.Г. Житову, В.Н. Кижняеву и А.В. Митюгину за ценную помощь в работе.
Библиографический список
1. Алексеенко В.В., Житов Р.Г., Кижняев В.Н., Митюгин А.В. Новые технологии получения битумно-резиновых композиционных вяжущих для дорожного строительства // Наука и техника в дорожной отрасли. 2010. № 1. С. 25-27.
2. Битумно-резиновые композиты из отработанных автомобильных покрышек [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bitumen-rubber.com
3. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон: учеб.-метод. пособие. М.: ЗАО «Экон-информ», 2008. 118 с.
4. Кукс И.В., Дошлов О.И., Лубинский М.И. [и др]. Современ-
ные тенденции применения тяжёлой смолы пиролиза в производстве анодной массы // Нефтепереработка и нефтехимия. 2010. № 6. С. 33-36.
5. Радзишевский П. Свойства асфальтобетона на битумно-резиновом вяжущем // Наука и техника в дорожной отрасли. 2007. № 3. С. 38-41.
6. Смирнов Н.В. Обзор проведённой работы по применению битумно-резиновых композиционных вяжущих // НПГ «Информация и технология». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bitrack.ru
