Научная статья на тему 'БУТАДИЕН-α-МЕТИЛСТИРОЛЬНЫЙ СОПОЛИМЕР – МОДИФИЦИРУЮЩАЯ ДОБАВКА В СОСТАВЕ ДОРОЖНОГО БИТУМА'

БУТАДИЕН-α-МЕТИЛСТИРОЛЬНЫЙ СОПОЛИМЕР – МОДИФИЦИРУЮЩАЯ ДОБАВКА В СОСТАВЕ ДОРОЖНОГО БИТУМА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
420
132
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БИТУМ / ПОЛИМЕР / МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ / BITUMEN / POLYMER / MODIFYING ADDITIVES

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Ахунова Р. Р., Биглова Р. З., Цадкин М. А., Талипов Р. Ф., Мустафин А. Г.

В качестве модифицирующей высокомолекулярной добавки в составе дорожного битума предложен бутадиен-α-метилстирольный сополимер. Исследовано влияние добавки на основные показатели полимерно-битумного вяжущего. Предложено оптимальное соотношение ингредиентов в составе асфальтобетонного покрытия.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Ахунова Р. Р., Биглова Р. З., Цадкин М. А., Талипов Р. Ф., Мустафин А. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

BUTADIEN-α-METYLSTYRENE COPOLYMER AS MODIFYING AGENT IN ROAD BITUMEN COMPOSITION

Butadiene-α-methylstyrene copolymer is suggested as high molecular weight of the modifying agent in the bitumen. The influence of the modifying agent on the basic parameters of polymer-bitumen binder is investigated. An optimal ratio of ingredients in the asphalt pavement is proposed.

Текст научной работы на тему «БУТАДИЕН-α-МЕТИЛСТИРОЛЬНЫЙ СОПОЛИМЕР – МОДИФИЦИРУЮЩАЯ ДОБАВКА В СОСТАВЕ ДОРОЖНОГО БИТУМА»

УДК 665.775

БУТАДИЕН-а-МЕТИЛСТИРОЛЬНЫЙ СОПОЛИМЕР -МОДИФИЦИРУЮЩАЯ ДОБАВКА В СОСТАВЕ ДОРОЖНОГО БИТУМА

© Р. Р. Ахунова1*, Р. З. Биглова1, М. А. Цадкин1, Р. Ф. Талипов1,

А. Г. Мустафин1, С. Л. Ларионов2, Э. Г. Теляшев2

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, З2.

2Институт нефтехимпереработки РБ Россия, Республика Башкортостан, 450065 г. Уфа, ул. Инициативная, 12.

E-mail; rita_him@mail.ru

В качестве модифицирующей высокомолекулярной добавки в составе дорожного битума предложен бутадиен-а-метилстирольный сополимер. Исследовано влияние добавки на основные показатели полимерно-битумного вяжущего. Предложено оптимальное соотношение ингредиентов в составе асфальтобетонного покрытия.

Ключевые слова: битум, полимер, модифицирующие добавки.

Введение

Применение модифицирующих добавок представляется перспективным направлением модернизации дорожных покрытий на основе битума [1]. Существенное улучшение их свойств и, прежде всего, прочности достигается за счет присутствия таких полимерных веществ, как стирол-бутадиен-стирольные термоэластопласты (ДСТ-30), бутилкаучук и тройные сополимеры [2-4]. Тем не менее при введении некоторых высокомолекулярных модификаторов возникают технологические проблемы, связанные, во-первых, с неравномерным распределением полимера в массе битума и, во-вторых, с недостаточным сцеплением щебенок с покрытием, в результате чего на участках с интенсивным движением разрушается поверхностный слой.

Анализ литературных источников позволил выбрать наиболее приемлемый класс высокомолекулярных соединений для получения полимернобитумного вяжущего (ПБВ). Например, в качестве модифицирующей добавки удобен доступный сополимер олефина и диена в концентрациях, обеспечивающих сохранение на технически оправданном уровне основных показателей полимернобитумных вяжущих. В связи со сказанным выше, настоящая работа посвящена исследованию возможности использования бутадиен-а-метилсти-рольного сополимера как модифицирующей добавки в составе дорожного битума (и далее - в составе асфальтобетонной смеси) для достижения высокого уровня его эксплуатационных характеристик.

Экспериментальная часть

В работе использовали окисленный битум (производство ОАО «Уфанефтехим») с представленными в табл. 1 эксплуатационными показателями; а-метилбутадиенстирольный каучук (ОАО «Синтез-Каучук», г. Стерлитамак); индустриальное масло-смесь И-20 и И-40 (в соотношении 1:1), отход производства полиэтиленполиамина (ОАО «Каустик», г. Стерлитамак).

Готовили 5-15 мас. % раствор полимера в бензине при 70 °С. Далее полученный раствор вводили в битум при перемешивании в течение 6 ч и повышали температуру до 160 °С.

Отход производства полиэтиленполиамина имел следующий состав, мас. %: полиэтиленполиа-мин - 20-35, смесь карбоновых кислот(олеиновая кислота и госсиполовая смола) - 10-20, амидоами-ны - 20-25, имидазолины - 30-35.

Температуру размягчения ПБВ определяли по методу КиШ (ГОСТ 11506-73).

Температуру хрупкости замеряли по Фраасу (ГОСТ 11507-78).

Глубину проникания иглы при 25 °С определяли по ГОСТ 11501-78.

Растяжимость при 25 °С устанавливали по ГОСТ 11505-75.

Сцепление с минеральным наполнителем определяли по ГОСТ 11508-74.

Стабильность битумов при продолжительном хранении при повышенных температурах (163 °С, 5 часов), оцениваемая по изменению их качественных показателей, проводили по ГОСТ 18180-72.

Результаты и их обсуждение

Для лучшего понимания работы полимера в составе ПБВ( и далее - в асфальтобетонной смеси) нами изучены основные физико-механические показатели свойств последнего. Прежде всего рассмотрено влияние содержания бутадиен-а-метил-стирольного сополимера на эксплуатационные показатели вяжущих. Как видно из рис. 1, с повышением концентрации модификатора в битумах увеличивается глубина проникновения иглы, определяющая его марку.

Поскольку основным показателем теплостойкости является отражающая переход из упругопластического состояния в вязкое температура размягчения, исследовано влияние на нее количества вводимого высокомолекулярного соединения. Показано, что увеличение содержания полимера способствует повышению температуры размягчения на ~13 °С (рис. 2).

* автор, ответственный за переписку

3

Э

и

X

и

Е

&

£

л

о

С

S

о

Н

Концентрация полимера, мас.%

Концентрация полимера, мас.%

Рис. 1. Зависимость глубины проникания иглы от концентрации полимера в полимерно-битумном вяжущем.

Рис. 2. Зависимость температуры размягчения от концентрации полимера в полимерно-битумном вяжущем.

Таблица 1

Физико-механические показатели свойств полученных полимерно-битумных вяжущих

Содержание компонентов в ПБВ, мас.%

Битум 100 95 90 85 95 93 90 85

Полимер 0 5 10 15 0 5 5 5

Отход ПЭПА 0 0 0 0 5 2 5 10

ГОСТ Р 52056-2003

85 92 112 114 122 106 111 130 91-130

45.1 54.4 58.8 49.8 49.8 64.8 54.1 50.7 50

-14 -32.9 -34.7 -30.7 -30.9 -37.8 -34.5 -30.4 -30

>100 >150 >150 >150 103 >150 >150 >150 >30

59.1 97.3 103.5 80.5 80.7 106.6 92.6 84.1 -

№3 №2 №1 №2 №2 №1 №1 №2 Выдерживает по образцу №2

Наименование показателей Пенетрация при 25 °С, 0.1 мм Температура размягчения, °С Температура хрупкости, °С Дуктильность при 25 °С, см Интервал пластичности, °С Сцепление с минеральным наполнителем

Наблюдаемое, по-видимому, объясняется образованием пространственной полимерной сетки в ПБВ. Затем имеет место некоторая стабилизация и спад. Первоначально бутадиен-а-метилстирольный сополимер, очевидно, действует как наполнитель, при этом увеличивается температура размягчения и вязкость. Далее по достижении критической концентрации структурообразования отмечается пик температуры размягчения вследствие насыщения смеси полимером. Последующее увеличение концентрации приводит к перенасыщению битума высокомолекулярным соединением и происходит спад температуры размягчения.

Как видно из данных табл. 1, добавление модификатора в исходный битум способствует улучшению его основных показателей. Прежде всего следует отметить значительное увеличение температурного рабочего интервала (интервала пластичности). Битумы с широким интервалом пластичности обладают более высокой деформационной способностью, что повышает стойкость к образованию трещин при низких температурах и сдвиговую прочность покрытия при повышенных. При введении в битум полимера достигается улучшение важнейшего показателя, характеризующего трещино-стойкость вяжущего и, следовательно, растрески-

вание дорожного покрытия - температуры хрупкости - нижней точки температурного интервала работоспособности вяжущего (табл. 1).

Повышение концентрации бутадиен-а-

метилстирольного сополимера приводит к снижению температуры хрупкости ПБВ и носит экспериментальный характер с минимумом в области 10 мас.% (рис. 3), что не противоречит результатам, опубликованным в [2]. Для всех опытных образцов ПБВ с различным содержанием модификатора отмечаются данные, удовлетворяющие требованиям ГОСТ Р 52056-2003.

Учитывая тот факт, что азотсодержащие вещества, в частности, полиэтиленполиамин (ПЭПА) в научной литературе описаны в качестве повышающих адгезионные свойства ПБВ добавок [5], нами с этой целью опробован отход производства ПЭПА. Для исследования адгезионных свойств был выбран метод «пассивного сцепления». Полученные результаты выявили, что прочность сцепления с минеральным материалом существенно улучшается и соответствует контрольному образцу №2 при дозировке отхода ПЭПА от 5 до 10 мас.% (табл. 1). При этом остальные показатели вяжущего вписываются в заложенные для них в ГОСТ количественные характеристики.

Кроме бутадиен-а-метилстирольного сополимера, в качестве пластификатора в битум для приготовления ПБВ вводили смесь индустриальных масел марок И-20 и И-40. Исходя из данных табл. 1., отобран состав ПБВ с лучшими по значению показателей физико-механическими свойствами: 5 мас. % полимера и 95 мас. % битума. В дальнейшем указанное соотношение использовали для приготовления ПБВ со всеми модифицирующими добавками. При фиксированном содержании полиме-

ра в вяжущем (5 мас. %) исследовано влияние на его характеристики последовательного увеличения концентрации смеси масел (табл. 2).

Анализ концентрационных зависимостей как в случае температуры размягчения (рис. 4), так и пе-нетрации (рис. 5) показывает, что оптимальна дозировка смеси индустриальных масел в количестве 10 мас. %. Указанное количество пластификатора, как оказалось, достаточно для хорошего диспергирования полимера в битуме при высокой температуре.

0 5 10 15

Рис. 3. Зависимость температуры хрупкости от концентрации полимера в полимерно-битумном вяжущем.

Таблица 2

Модификация битума БНД 90/130 бутадиен-а-метилстирольным каучуком и смесью масел И-40 и И-20

Показатели Компонентный состав

И-40 и И-20 5 мас.% И-40 и И-20 10 мас.% И-40 и И-20 20 мас.%

Глубина проникания иглы, 0.1 мм

при 25 °С 82 112 197

при 0 °С 38 31 89

Температура размягчения, °С 56.2 56.9 45.8

Дуктильность, см

При 25 °С >150 >150 >150

при 0 °С >50 >50 >50

о

л

сЗ

&

£

&

Концентрация пластификатора, мас.%

Концентрация пластификатора, мас.%

Рис. 4. Зависимость температуры размягчения от концентрации пластификатора в полимерно-битумном вяжущем.

Рис. 5. Зависимость глубины проникания иглы от концентрации пластификатора в полимерно-битумном вяжущем.

Таблица 3

Влияние состава полимерно-битумного вяжущего на устойчивость к старению

№ Содержание компонентов, мас.% Температура Температура

Битум СКС ПЭПА до прогрева, °С после прогрева, °С

1 100 0

2 95 0

3 93 5

4 90 5

5 85 5

Составленная на основе экспериментальных данных композиция (% мас. битум БНД 90/130 -85, полимер - 5, пластификатор - 10)позволяет получать дорожные полимерно-битумные вяжущие, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52056-2003 и превосходящие исходный битум по всем характеристикам. В целом, при правильном подборе состава полимерно-битумной композиции покрытия летом не деформируются, а зимой не возникают температурно-усадочные трещины.

Одной из причин преждевременного разрушения дорожных покрытий принято считать старение, проявляющееся при длительном периоде их эксплуатации. При этом имеется ввиду комплекс

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Значения показателей предела прочно

0 47.5 48.0

5 39.8 48.0

2 58.8 65.0

5 48.0 53.0

10 43.7 48.5

химических и физических превращений в структуре материала, приводящих к ухудшению механических свойств и снижению работоспособности покрытия. Нами изучены фмизико-механические характеристики модифицированных ПБВ, подвергнутых испытанию на старение. Как видно из данных табл.3, наряду с увеличением температуры размягчения снизился показатель дуктильности. Возможно, это связано с протекающими в условиях старения реакциями окислительного дегидрирования нафтеноароматических соединений битума с образованием полициклических ароматических молекул и дальнейшей их ассоциацией в ас-фальтены.

Таблица 4

при сжатии для полимерасфальтобетонов

№ Содержание компонентов в ПБВ, % масс. Предел прочности при сжатии, МПа

п/п Битум Полимер Индустриальное масло марок И-20 и И-40 Отход ПЭПА 0 “С 50 “С

ГОСТ 9128-97 - - - - не более 12 не менее 1.2

1 100 0

2 95 5

3 90 5

4 95 0

5 93 5

6 90 5

7 85 5

Для определения деформационной стойкости дорожного покрытия были приготовлены асфальтобетонные смеси одинакового гранулометрического состава на основе битума марки 90/130 с разнообразным содержанием модифицирующих добавок. Результаты испытаний полученных образцов асфальтобетона на прочность при сжатии приведены в табл. 4. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прочностные характеристик содержащего ПБВ асфальтобетона значительно

0 0 8.75 1.25

0 0 9.50 2.75

5 0 10.00 3.50

0 5 4.79 2.80

0 2 11.50 4.00

0 5 12.00 2.60

0 10 11.00 1.30

выше, чем для асфальтобетона на основе БНД марки 90/130.

Таким образом, в качестве модифицирующей добавки в составе дорожного битума предложен бу-тадиен-а-метилстирольный сополимер. Регулируя соотношение битума, модифицирующей добавки -бутадиен-а-метилстирольного сополимера и пластификатора, подобран состав полимерно-битумного вяжущего с улучшенными эксплуатационными характеристиками, позволяющий получать дорожные

полимерно-битумные вяжущие, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52056-2003. Дополнительное введение отхода производства полиэтиленполиамина в композицию полимерно-битумного вяжущего повышает и адгезионные свойства последнего.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гохман Л. М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, ас-

фальтобетон, полимерасфальтобетон. М.: ЭКОН. 2008. 118 с.

2. Воронцов С. В., Майданова Н. В., Сыроежко А. М., Иванов С. Н. // Журнал прикладной химии. 2012. Т.85. №2. С. 323-330.

3. Белоконь Н. Ю., Васькин А. В., Сюткин С. Н. // Нефтепереработка и нефтехимия. 2000. №1. С. 72-74.

4. Лихтерова Н. М., Мирошников Ю. П., Лобанкова Е. С., Кирилова О. И., Торховский В. Н. // Нефтепродукты: технологии, инновации, рынок. 2011. №8. С.24-28.

5. Гохман Л. М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС. Учебное пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ». 2004. 510 С.

Поступила в редакцию 29.06.2012 г. После доработки - 03.09.2012 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.