CC BY
45Ядыкина В.В., д-р техн. наук, проф., Гридчин А.М., д-р техн. наук, проф., Траутваин А.И., канд. техн. наук, доц., Вербкин В.И. аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ И ПЛАСТИФИКАТОРОВ НА СВОЙСТВА БИТУМА БНД 60/90 И АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ЕГО ОСНОВЕ
verbkin.val@yandex.ru
В данной статье приведены результаты исследований влияния различных полимеров и пластификаторов на свойства битума и асфальтобетона для устройства верхнего слоя покрытия. Испытания образцов органического вяжущего проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 2224590, ГОСТР 52056-2003, щебеночно-мастичного асфальтобетона - ГОСТ 31015-2002.
Ключевые слова: битум БНД 60/90, щебеночно-мастичный асфальтобетон, индустриальное масло И-20, стеариновая кислота Т-18, дивинилстерольный термоэластопласт ДСТ-30-01, эпоксидная смола ЭД-20, полимерно-битумное вяжущее.
В последние время ситуация на дорогах претерпела существенные изменения. Резко увеличился транспортный поток, возросли осевые и скоростные нагрузки на дорожное полотно. Дороги, спроектированные и построенные задолго до начала этих изменений, под действием новых эксплуатационных факторов стали разрушаться заметно быстрее. Ускорилось трещинообразова-ние и снизилась сдвигоустойчивость покрытий, появилась «волна» в зонах торможения и разгона, а также на подъемах и спусках. Вошло в обиход и новое понятие «колееобразование», применимое ранее для дорог без асфальтобетонных покрытий [1, 2].
Традиционный битум в составе асфальтобетонной смеси не справляется с возросшими нагрузками на асфальтобетонное покрытие, поэтому появилась необходимость повышать его качество различными модифицирующими добавками.
В западных странах, несмотря на высокую стоимость полимеров, уже давно считается экономически оправданным их применение в дорожном строительстве. Многочисленные рецептуры улучшения свойств битумов полимерами могут служить основой для вывода - качество битума с полимерной добавкой всегда выше [3].
Традиционно в качестве данного вида модификаторов используются каучук (как природный, так и все виды синтетических каучуков, резиновая крошка), полиолефины (полиэтилен, полипропилен, их сополимеры и стереоизомеры), полиароматические полимеры (полистиролы, поливинилацетаты,
поливинилхлориды). Так, за рубежом для модифицирования дорожных битумов используют аморфные полиолефины типа VESTOPLAST (Германия). Достаточно широко применяют те типы полимеров, которые не
являются дефицитными, и для которых еще недавно было уместно название - «отходы производства» [4]. Поэтому наиболее широкое распространение в качестве полимера получили дивинилстирол и различные побочные продукты полимерных производств, окисленные варианты полиенов.
При проведении исследования в качестве пластификаторов использовали индустриальное масло И-20, стеариновую кислоту Т-18; полимеров - термоэластопласт ДСТ-30-01 и эпоксидную смолу ЭД-20. В табл. 1 приведены составы исследуемых органических вяжущих, а их физико-механические характеристики в табл. 2.
Исходя из представленных данных установлено, что при использовании индустриального масла И-20 в составе исходного битума происходит увеличение пенетрации органического вяжущего, снижение показателей растяжимости и температуры размягчения. Введение стеариновой кислоты в битум, по сравнению с индустриальным маслом, способствует более значительному падению его вязкости на 77 и незначительному увеличению растяжимости.
Полимер ДСТ-30-01 в количестве 4 % в составе исходного битума повышает его вязкость, температуру размягчения и хрупкость на 31, 29 и 19 % соответственно, снижая растяжимость на 75 и 13 % при 0 и 25 оС соответственно. Одновременно с этим его наличие придает эластичность органическому вяжущему.
Эпоксидная смола в количестве 2 % от массы органического вяжущего привела к повышению показателей пенетрации, растяжимости, а также резкому падению температуры хрупкости и незначительному
снижению температуры размягчения на 25 и 6 % трещиностойкости асфальтобетонных покрытий, соответственно. Наличие в битуме данного и отрицательно на их сдвигоустойчивости. полимера может положительно отразиться на
Таблица 1
Составы исследуемых органических вяжущих_
№ композиционного вяжущего Состав компонентов
1 Битум БНД 60/90 = 97% Индустриального масла И-20 = 3%
2 Битум БНД 60/90 = 97 % Стеариновая кислота Т-18 = 3 %
3 Битум БНД 60/90 = 96 % ДСТ-30-01 = 4 %
4 Битум БНД 60/90 = 98 % Эпоксидная смола ЭД-20 = 2 %
5 Битум БНД 60/90 = 91 % ДСТ-30-01 = 4 % Масло индустриальное И-20 = 5 %
6 Битум БНД 60/90 = 80,8 % ДСТ-30-01 = 8 % Масло индустриальное И-20 = 6,2 % Эпоксидная смола ЭД-20 = 2 % Стеариновая кислота Т-18 = 3 %
Таблица 2
Физико-механические характеристики исследуемых органических вяжущих_
Наименование показателя Значение для состава
БНД 60/90 1 2 3 4 5 6
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при: 25оС 61 77 112 40 71 63 50
0оС 28 33 30 20 27 33 27
Температура размягчения по «КиШ», оС 48 46 45 62 45 56 54
Растяжимость, см, при: 25оС 65 100 70 16 96 91 25
0оС 3,8 9,6 5 3,3 4,2 10,8 2,8
Температура хрупкости, оС -16 -16 -16 -13 -20 -19 -28
Эластичность, %, при: 25оС 28 69 61
0оС - - - - - 61 54
Так как традиционное ПБВ содержит в своем составе как полимер, так и пластификатор, была приготовлена композиция, содержащая 4 % ДСТ и 5 % индустриального масла. Наличие этих компонентов в битуме существенно повлияло на его физико-механические характеристики, за исключением глубины проникания иглы. Такие показатели как температура размягчения, растяжимость при 0 оС увеличились на 17 % и в 2,5 раза соответственно, температура хрупкости снизилась на 19 %, а также значительно выросла эластичность вяжущего, значение которой составило 69 и 61 % при 25 и 0 °С соответственно.
Далее было приготовлено ПБВ, содержащие в своем составе все исследуемые модификаторы. Концентрация ДСТ была увеличена в 2 раза, что должно было повлиять на увеличение эластичности вяжущего, с одновременным
ростом вязкости. Исходя из этого в составе органического вяжущего была увеличена концентрация индустриального масла с 5 до 6,2 %. Дополнительно вводилась стеариновая кислота, которая способна снизить вязкость и температуру хрупкости битума и положительно отразится на качестве ПБВ.
Полученная композиция № 6, по сравнению с предшествующей, отличается незначительным снижением пенетрации а также резким падением растяжимости и температуры хрупкости, значительное снижение которых обусловлено комплексным влиянием
стеариновой кислоты и эпоксидной смолы. Эластичность вяжущего на основе различных полимеров и пластификаторов оказалась несколько ниже относительно традиционного ПБВ на основе индустриального масла и ДСТ.
Изменение данного показателя при 25 °С составило 12 %, при 0 °С - 11 %.
Таким образом, можно сделать выводы о том, что на температуру размягчения и эластичность композиционного вяжущего наибольшее влияние оказывает ДСТ в составе исходного битума, а на температуру хрупкости органического вяжущего положительно влияет наличие эпоксидной смолы в сочетании со стеариновой кислотой.
Исходя из того, что модифицирующие вещества существенно влияют на свойства битума, было решено провести исследования по определению влияния данных материалов на физико-механические характеристики асфальтобетона. Использование при приготовлении образцов асфальтобетонной смеси в качестве вяжущего композиций № 5 и 6 обосновано их высокими физико-механическими характеристиками. Для проведения исследований были приготовлены
смеси ЩМА-15, содержащие в своем составе разработанные органические вяжущие № 5 и 6 и контрольная смесь с применением чистого битума и стабилизирующей добавки У!аШр-66.
На первой стадии проектирования ЩМА необходимо определить устойчивость смеси к расслаиванию по показателю стекания вяжущего согластно ГОСТ 31015-2002 [5]. Для определения данного показателя было приготовлено 3 смеси, содержащие 6 % вяжущего:
- 1 смесь: вяжущее - битум БНД 60/90; стабилизирующая добавка Viatop-66 (0,43 %);
- 2 смесь: вяжущее - композиция № 5; стабилизирующая добавка отсутствует;
- 3 смесь: вяжущее - композиция № 6; стабилизирующая добавка отсутствует.
Результаты показания стекания органического вяжущего из смеси ЩМА исследуемых составов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Устойчивость смеси к расслаиванию по показателю стекания
Наименование показателя Требования ГОСТ 31015-202 БНД 60/90 Композиция № 5 Композиция № 6
Показатель стекания, % не более 0,20 0,15 0,22 0,13
Из данной таблицы видно, что по показателю стекания, асфальтобетонной смеси с применением в качестве органического вяжущего битума БНД 60/90 в комплексе со стабилизирующей добавкой Viatop-66, а также композиции № 6 удовлетворяют требованиям ГОСТ 31015-2003 [5]. Важно отметить, что показатель стекания смеси на основе композиции № 6 ниже, чем в случае использования традиционного состава
ЩМА. Применение композиции № 5 при приготовлении асфальтобетона привело к получению смеси, неудовлетворяющей требованиям стандарта [5] по данному показателю.
Результаты физико-механических характеристик ЩМАС на исходном битуме и модифицированных вяжущих представлены в табл. 4 и на рис. 1, 2.
Таблица 4
Физико-механические характеристики асфальтобетона ЩМА-15 на битуме марки БНД
Характеристики Требования по ГОСТ Применяемое вяжущее
БНД 60/90 Композиция № 5 Композиция № 6
Средняя плотность - 2,26 2,26 2,28
Пористость минерального остова, % по объему 15...19 15 15 14
Водонасыщение, % 1,0... 4,0 2,9 3,9 2,5
Набухание, % 0,60 0,16 0,15 0,14
Прочность при сжатии, МПа: - при +50оС, не менее; 0,65 1,17 1,60 1,70
- при + 20оС, не менее; 2,2 3,10 3,20 4,30
- водонасыщенного образца - 3,0 3,0 4,10
Сдвигоучтойчивость: - коэф. внутр. трен., не менее 0,93 0,88 0,90 0,95
- сцепление при сдвиге при +50оС, МПа, не менее 0,18 0,53 0,59 0,60
Трещиностойкость 2,5.6,0 3,0 3,3 4,3
Водостойкость
при длительном водонасыщении, 0,85 0,97 0,94 0,95
не менее
Комп № 5 □ Прочн. при сж. при +50 °С
1Прочн. при сж. при +20 °С
Комп № 6
□ Трещиностойкость
Рис. 1. Изменение прочностных характеристик ЩМАС с использованием модифицированных вяжущих
относительно контрольной смеси
0х
5«" <и Ч <и
со
о а
<и «
И
<и И <и
14 12 10 8 6 4 2 0
Комп № 5 □ коэф. внутр. трен.
Комп № 6 I сцепл. при сдв. при +50 °С
Рис. 2. Изменение сдвигоустойчивости ЩМАС с использованием модифицированных вяжущих относительно
контрольной смеси
Из представленных данных видно, что применение в качестве органического вяжущего композиции № 6 привело к существенному повышению физико-механических показателей относительно традиционной смеси с применением в качестве вяжущего битума БНД 60/90 и стабилизирующей добавки УМор-66. Так, использование композиции № 6 при приготовлении образцов ЩМА, способствовало снижению их водонасыщения на 14 %, увеличение пределов прочности при сжатии при 50 и 20 °С в пределах 39 %, водонасыщенных образцов на 36 %; трещиностойкости - 43 %; сдвигоустойчивоти, характеризующейся коэффициентом внутреннего трения и сцеплением при сдвиге при 50 °С -8 и 13 % соответственно.
Анализ ЩМА-15 на основе традиционного ПБВ показал, что его использование положительно отразилось лишь на деформативных характеристиках образцов. Так, прочность при 50оС увеличилась на 38 %, сцепление при сдвиге - 11 %, трещиностойкость на 10 %. При этом
водонасыщение увеличилось на 35 % до значения равного 3,9 %, соответствующего нижней границе предельно допустимого согласно ГОСТ 31015-2002 [5]. Рост этого показателя отрицательно отразился на водостойкости асфальтобетонных образцов, которая снизилась на 3 %. Возможно, это связано с тем, что показатель стекания битума при использовании органического вяжущего № 5 имеет неудовлетворительное значение.
Таким образом, из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:
- введение композиции № 6 привело к существенному увеличению предела прочности при сжатии и сдвигоустойчивости, что связано с высокой температурой размягчения данного состава, по сравнению с исходным битумом. Увеличение трещиностойкости связано с более низкой температурой хрупкости композиции, а существенное снижение водонасыщения обосновано наличием в органическом вяжущем стеариновой кислоты;
- введение в асфальтобетонную смесь в качестве органического вяжущего композиции № 5, т.е. состава, близкого к традиционному ПБВ, привело к значительному росту предела прочности при 50оС, а также к небольшому увеличению сдвигоустойчивости асфальтобетонных образцов. Однако, водостойкость данных асфальтобетонных образцов ниже, а водонасыщение существенно выше по сравнению с контрольной смесью ЩМА. Скорее всего, это связано с высоким показателем стекания органического вяжущего.
Исходя из того, что ПБВ используется для устройства верхних слоев асфальтобетонного покрытия, то было целесообразно провести исследования асфальтобетонных образцов на основе разработанных композиционных вяжущих (№ 5 и 6) на устойчивость к колееобразованию. Испытания проводили с использованием обору-
Число проходов колеса Рис. 3. Образование колеи на асфальтобетонных образцах с применением
композиций № 5 и 6
дования InfraTest, результаты которых представлены на рис. 3.
Из данного графика видно, что колея на асфальтобетонном образце, приготовленном на обычном битуме без применения стабилизирующей добавки, образуется очень стремительно: при 1000 проходов колеса она составила 6 мм, при 4000 - 14 мм.
Образцы, приготовленные с применением композиций № 5 и 6, демонстрируют более плавное образование колеи, так как при 20000 проходов колеса, глубина колеи составила 14,4 и 9 мм соответственно. Максимальной устойчивостью к колееобразованию обладает асфальтобетон на основе исходного битума БНД 60/90 с добавлением стабилизирующей добавки "УМор-66. Так при 20000 проходов колеса величина колеи не превысила 7,2 мм.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что введение в состав щебеночно-мастичного асфальтобетона комплексного вяжущего № 6 без стабилизирующей добавки приведет к получению композита, обладающего высокими физико-механическими характеристиками, в частности деформативными как при высоких так и низких температурах, сопоставленных с традиционным ЩМА на основе дорогостоящего импортного стабилизатора Viatop-66.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горшкова Н.Г., Шухов В.А. Колееобра-зование асфальтобетонного покрытия В Белгороде // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. №4. С. 43-46.
2. Поздняков М.К., Исследование сопротивляемости асфальтобетона колееобразованию // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 13-20.
3. Румянцев А.Н., Наненков А.А., Ломов А.А. Структурированный асфальтобетон - новое дорожное покрытие // Ярославский государ-
ственный технологический университет. 2013. № 2. С. 23-35.
4. Харес Ш.М., Кутьин Ю.А., Теляшев Э.Г. Нефтяные дорожные битумы. Нормативы, качество, технологии, перспективы // Электронный
научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. №6. С. 58-61.
5. ГОСТ 31015-2002. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия. Введ. 01.05.2003. М.: Госстрой России, 2003. 22 с.
Yadykina V.V., Gridchin A.M., Trautvain A.I., Verbkin V.I.
STUDY OF INFLUENCE DIFFERENT POLYMERS AND PLASTICIZERS
ON THE PROPERTIES OF BITUMEN GRADE 60/90 AND ASPHALT ON ITS BASIS
This article presents the results of studies of the effect of various polymers and plasticizers on the properties of bitumen and asphalt concrete for the top layer of the coating. Tests of samples of the organic binder are conducted in accordance with the requirements of the state general education standards №22245-90 and №52056-2003, stone mastic asphalt concrete - № 31015-2002.
Key words: bitumen grade 60/90, stone mastic asphalt, industrial oil I-20, stearic acid T-18, thermoplastic DST-30-01, epoxy resin ED-20, polymer-bitumen binder.
