CC BY
93
УДК: 691.16:541.6
STUDIES OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF BITUMEN-RUBBER COMPOSITE BINDERS
Lebedeva Kristina Urevna, student 4 course, Faculty of «Construction and municipal facilities», Irkutsk State Technical University. Kristina-lebedev@mail.ru
In article researches of physico-mechanical characteristics of the bitumen-rubber composite mastics are conducted. Influence various softener and hardener additives on temperature fragility and temperature of a softening of a composite is studied. As additives materials being production wastes, so having small cost are used. Structures of a bitumenrubber composite having very high operational characteristics are developed.
Key words: bitumen-rubber composite for road construction, temperature fragility, temperature of a softening, the waterproofing mastics.
ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИТУМНО-РЕЗИНОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ
Лебедева Кристина Юрьевна, студент 4-го курса, специальность «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», Институт архитектуры и строительства, Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет. Kristina-lebedev@mail.ru
В статье проведены исследования физико-механических характеристик битумно-резиновых композиционных вяжущих. Изучено влияние различных пластифицирующих и отверждающих добавок на .температуру хрупкости и температуру размягчения композита. В качестве добавок использованы материалы являющиеся отходами производства, а значит имеющих небольшую стоимость. Разработаны составы битумно-резинового композита имеющего очень высокие эксплуатационные характеристики.
Ключевые слова: Битумно-резиновый композит, гидроизоляционные материалы, температура хрупкости, температура размягчения, отходы производства.
В настоящее время распространённым способом улучшения физико-механических характеристик органических вяжущих является их модификация полимерами. Как показано рядом авторов [14] применение битумнополимерных и битумнорезиновых композиционных вяжущих значительно улучшает свойства битума и, что не менее важно, повышает долговечность дорожных и кровельных материалов. С другой стороны стоимость битумнополимерных материалов в разы превышает стоимость битума марки БНД, что ограничивает область применения этих материалов.
По нашему мнению, наиболее перспективным модификатором битума может выступать резиновая крошка из автомобильных покрышек. Так как, во-первых, резиновая крошка во много раз дешевле сырья из полимеров, во-вторых, одновременно с задачей улучшения качества органических вяжущих решается проблема утилизации автомобильных покрышек. Тем более, что в Иркутском регионе освоена технология получения битумнорезиновых вяжущих [4].
Помимо резиновой крошки композиционное вяжущее может содержать ароматические масла (улучшающие 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 хорошую морозо- и теплостойкость, хоро-
шую адгезию к большинству материалов, а материалы для заливки трещин и хорошую износостойкость. В целях понижения стоимости композиционного вяжущего мы ориентировались на добавки, которые являются отходами различных производств и к тому же достаточно доступны, т.е. образуются в больших количествах.
Основными измеряемыми параметрами являлись температура хрупкости по Фраасу, которая характеризует морозостойкость композита, и температура размягчения по «кольцу и шару», которая характеризует теплостойкость. Величина адгезии к каменным материалам измерялась по методу «А» по ГОСТ 11508-78 и все образцы композита выдерживали испытания. Таким образом, адгезия битумнорезинового композиционного вяжущего ко всем каменным материалам отличная, этот факт подчёркивался авторами [4].
Измерения температуры размягчения проводились на автоматическом аппарате КиШ-20М4 по ГОСТ 11506-73, в этом случае у исследователей нет никаких сомнений в правильности методики.
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 [5]. Резиновая крошка (далее «резина») получалась из отработанных автомобильных покрышек на предприятии ИП Митюгин г. Братск. Микрокремнезём с примесью углеродных наночастиц (далее «м.у.»), каменноугольный (далее «к.п.») и нефтяной (далее «н.п.») пек являются отходами производства Братского алюминиевого завода, минеральный порошок (далее «м.п.») производится Олхинским известковым заводом г.Шелехов. В качестве пластификатора использовались отработанные обезвоженные
масла. Все разновидности вяжущих описанных далее, изготовлены на промышленной двух реакторной установке оригинальной конструкции, информация на сайте '^^^Ьйитеп-гиЬЬег.сот. 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 [4], 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 наших исследованиях содержание резины почти всегда находилось в данном диапазоне. То что, в нашем случае можно говорить о растворении (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 нами принята следующая система обозначений в таблицах. В каждом столбце под названием ингредиента приводится его массовая доля в процентах, в данном образце композита, содержание битума равно 100% минус сумма всех ингредиентов в строке.
Под отвердителем мы имеем в виду компоненты, повышающие температуру размягчения, и в соответствующих ячейках помимо процентного содержания указывается вид отвердителя.
На первом этапе было проведено исследование физикомеханических характеристик композита в зависимости от содержания тяжёлой смолы пиролиза и минеральных добавок, см. таблицу № 1.
Таблица № 1
№ п/п резина смола отвер- дитель пластифи- катор тем-ра хрупкости, °С тем-ра 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
Таким образом, повышение содержания ароматического масла приводит улучшению растворения резины, что благотворно отражается на температуре размягчения.
Добавление мин. порошка повышает теплостойкость, не ухудшая морозостойкость композита. Ароматическое 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 это то, что ароматическое масло имеет достаточно сильный запах. Поэтому в дальнейших исследованиях мы постарались минимизировать его содержание.
Процесс девулканизации резины, который вносит основной вклад в изменение свойств мастики, зависит не только от содержа-
ния ароматического масла, но также от других параметров обработки: температура растворения, интенсивность механического воздействия и т.п.
В таблице № 2 представлены результаты, полученные при минимальном содержании ароматического масла и при дополнительных воздействиях на композит.
Таблица № 2
№ п/п резина смола отвер- дитель пластифи- катор тем-ра хрупкости, °С тем-ра размягчения, °С
1 21 10 9 м.п. 3 5 со 1 +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
Состав № 1 приготовлен на промышленной установке и имеет визуальные неоднородности размером 1-3 мм. Составы № 2-4 дополнительно обработаны на лабораторном высоко-скоростном дис-пергаторе, в течение 1-2 минут, и визуально однородны.
Кроме того, составы приведённые в таблице № 2 приготовлены при температуре на 10-15 °С выше, чем составы из таблицы №
1.
Повышение температуры приводит к частичной деструкции полимерных молекул резины и это приводит к дополнительной пластификации (понижению температуры хрупкости) композита. Для того чтобы повысить температуру размягчения необходимо добавлять отвердители. Интересно отметить, 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 имеющих уникальные характеристики которые представлены в таблице № 3.
Таблица № 3
№ Резина смола Отвер- дитель Пластифи- катор Тем-ра хрупкости, °С Тем-ра 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 отличается высокой теплостойкостью и может использоваться в качестве дешёвого гидроизоляционного материала, так как битума в его составе меньше половины. Состав № 2 имеет не высокие физико-механические характеристики, но при заливке трещин в асфальтобетонных покрытиях он показывает самые лучшие результаты из всех испытанных вариантов мастик на федеральной автодороге Тулун-Братск.
Большое количество резины приводит к повышенной износостойкости и эластичности. 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.
Интересно отметить, что при ремонте асфальтобетонных покрытий имеют маленькую долговечность и слишком жидкие мастики - они легко истираются и протекают вглубь трещин, и слишком
жёсткие (имеющие температуру размягчения 80°С и выше) - их невозможно залить внутрь трещины.
В заключении следует отметить, что битумнорезиновые композиционные вяжущие обладают очень широкой гаммой характеристик, отличной адгезией практически ко всем строительным материалам и большой долговечностью. Это позволяет изготовлять вяжущее под конкретные практические задачи. Стоимость таких вяжущих, заметено ниже стоимости полимербитумных вяжущих, так как большинство используемых ингредиентов являются отходами производства.
Работа выполнена в лаборатории «Инновационных строительных и дорожно-строительных материалов» при кафедре автомобильных дорог.
Литература:
1. Смирнов Н.В. Обзор проведённой работы по применению битумно-резиновых композиционных вяжущих // НПГ «Информация и технология». - М., 2004. - 34 с. [Электронный ресурс] Режим доступа: www.bitrack.ru.
2. Радзишевский П. Свойства асфальтобетона на битумнорезиновом вяжущем // Наука и техника в дорожной отрасли, 2007, № 3. - С. 38-41.
3. Гохман Л.М. Битумы, полимер-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. - М.: Экон, 2008. - 118 с.
4. 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.
5. Кукс И.В., Дошлов О.И., Лубинский М.И. и др. Современные тенденции применения тяжёлой смолы пиролиза в производстве анодной массы // Нефтепереработка и нефтехимия, 2010, № 6. -С. 33-36.
