CC BY
71
УДК 625.7.06: 691.16.
ГАЛДИНА ВЕРА ДМИТРИЕВНА, канд. техн. наук, доцент, galdin_ns@sibadi. org
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
644080, г. Омск, пр. Мира, 5
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ ПОДБОРА СОСТАВА ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО
Разработаны математические модели для подбора на ЭВМ составов полимернобитумных вяжущих на основе вязких дорожных битумов, полимера типа стирол-бутадиен-стирол (СБС) и пластификатора, позволяющие прогнозировать свойства вяжущих и значительно сократить процесс подбора их составов с требуемым комплексом физико-механических свойств.
Ключевые слова: битум, пластификатор, полимер, полимерно-битумное вяжущее, блоксополимер типа СБС.
GALDINA, VERA DMITRIYEVNA, Cand. of tech sc. assoc. prof., galdin_ns@sibadi/org
Siberian State Academy of Automobiles and Roads,
5 Mira Avenue, Omsk, 644080, Russia
MODELLING BY MEANS OF COMPUTER THE SELECTION OF COMPOSITION OF POLYMER -BITUMEN BINDING MATERIAL
Mathematical models for the selection of polymer-bitumen binding material composition on the basis of viscous road bitumen, polymer of the type SBS and the plasticizer allowing to predict properties of binding materials and considerably reduce the process of selection of their composition with necessary physical and mechanical properties have been worked out.
Keywords: bitumen, plasticizer, polymer, polymer-bitumen binding material, block polymer of SBS type.
Одним из направлений повышения долговечности дорожных асфальтобетонных покрытий является модификация битумов полимерными добавками. В мировой практике модификацию дорожных битумов проводят преимущественно блоксополимерами типа стирол-бутадиен-стирол (СБС) [1-6]. Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) на основе полимера типа СБС отличаются от битумов наличием пространственной эластичной структурной сетки из макромолекул полимера, которая придает ПБВ высокую прочность, эластичность, теплоустойчивость и трещиностойкость.
На основании многолетних исследований, проводимых во ФГУП Союз-дорНИИ, разработаны составы, технология приготовления ПБВ на основе полимера СБС и нормативно-технические документы [1-4]. Полимер вводится в битум в количестве 2,5-5 масс. %. Для получения ПБВ с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами целесообразно применение пластификатора, который добавляют в битум или вводят в битум полимер в виде раствора в пластификаторе.
© В. Д. Галдина, 2011
При подборе составов ПБВ для обеспечения равновесного состояния системы следует назначать минимальные содержания полимера и пластификатора [4] при обеспечении требуемых для конкретных климатических условий температур хрупкости, размягчения и показателей эластичности [1, 2]. Процесс экспериментального определения состава ПБВ достаточно длительный и трудоемкий. Необходимо систематически набирать данные по концентрационным зависимостям всех стандартных показателей свойств от содержания полимера, пластификатора и марки исходного битума.
Существенно уменьшить трудоемкость при подборе составов ПБВ с заданным комплексом физико-механических свойств и оперативно принимать решения по корректировке составов позволяют методы математического моделирования [7], что и явилось целью данной работы.
Для получения ПБВ были взяты: нефтяные дорожные битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130, выпускаемые ОАО «Газпромнефть ОНПЗ» (таблица) по ГОСТ 22245: полимер типа СБС - дивинилстирольный термоэластопласт марки ДСТ-30-01, производимый ОАО «Воронежсинтезкаучук» по ТУ 38.103267-99; пластификатор - индустриальное масло марки И-40А с ОАО «Газпромнефть ОНПЗ» по ГОСТ 20799 [8-10].
Свойства битумов
Показатель БНД 60/90 БНД 90/130
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, при температуре: 25 °С 75 107
0 °С 28 37
Температура размягчения, °С 47 45
Температура хрупкости, °С -18 -20
Растяжимость, см, при температуре: 25 °С 86 100
О О О 7 4
Изменение температуры размягчения по- 4 4,5
сле прогрева, °С
Температура вспышки, °С 256 250
Индекс пенетрации -1,0 -0,5
Сцепление: Выдерживает по контрольному образцу
с мрамором № 1 № 2
с песком № 3 № 3
Полимерно-битумные вяжущие получали в лабораторной установке при температуре 150-160 °С введением в битум раствора ДСТ-30-01 в индустриальном масле. Количество полимера в ПБВ изменялось от 0 до 5 масс. %, содержание пластификатора составляло 0, 5, 10, 15 и 20 масс. %. Зависимости эксплуатационных свойств ПБВ на основе битума марки БНД 60/90 от содержания полимера и пластификатора показаны на рис. 1.
а
Содержание полимера, % в
и
то
I
а
ё
£
-10
-20
-30
-40
0 1 2 3 4 5
Содержание полимера, %
г
б
Содержание полимера, %
Содержание полимера, %
Рис. 1. Зависимость свойств полимерно-битумных вяжущих на битуме марки БНД 60/90 от содержания полимера ДСТ-30-01 и пластификатора - индустриального масла марки И-40А (цифры на кривых)
Изучение свойств битумов и ПБВ показало, что введение полимерной модифицирующей добавки способствует улучшению всего комплекса физикомеханических свойств: увеличиваются температуры размягчения при одновременном понижении температур хрупкости, увеличиваются растяжимость и пенетрация при 0 °С, вяжущие приобретают эластические свойства.
Выполненные исследования позволили установить влияние компонентных составов ПБВ на их свойства, определить минимально необходимые дозировки ДСТ-30-01 и пластификатора в битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130 для обеспечения высоких эксплуатационных свойств ПБВ и соответствия физико-механических свойств ПБВ разных марок требованиям ГОСТ Р 52056.
В результате обработки экспериментальных данных получены математические модели, отражающие зависимость свойств ПБВ от содержания полимера ДСТ-30-01(от 0 до5 масс. %) и пластификатора (0, 5, 10, 15 и 20 масс. %) в битумах марок БНД 60/90 и БНД 90/130. Например, зависимости физикомеханических свойств ПБВ на битуме марки БНД 60/90 от содержания полимера ДСТ-30-01 при 10 %-м содержании пластификатора И-40А описываются следующими уравнениями регрессии при величине достоверности аппроксима-
ции В2 = 0,98-0,99:
П25 = 4,2958 П3 - 34,605 П2 + 52,487 П + 174,74; (1)
П0 = 1,6587 П3 - 14,987 П2 + 34,661 П + 62,564; (2)
Тр = 0,1023 П3 + 0,6169 П2 + 2,2922 П + 38,11; (3)
ТХр = -0,7249 П4 + 6,5317 П3 - 16,581 П2 + 5,9544 П - 21; (4)
Д25 = -0,5862 П4 + 4,0349 П3 - 4,6915 П2 - 10,729 П + 54; (5)
Д0 = -1,14837П3 + 8,8603 П2 - 7,9894 П + 14,858; (6)
Э25 = -4,6459 П2 + 40,546 П - 1,215; (7)
Э0 = -4,3148 П2 + 37,212 П + 1,1278, (8)
где П25 и П0 - глубина проникания иглы при температурах 25 и 0 °С соответственно, 0,1 мм; Тр - температура размягчения, °С; Тхр - температура хрупкости, °С; Д25 и Д0 - растяжимость при температуре 25 и 0 °С соответственно, см; Э25 и Э0 - эластичность при температуре 25 и 0 °С соответственно, %.
Для ПБВ на битуме марки БНД 90/130 математические модели физикомеханических свойств от количества введенного полимера при содержании пластификатора 5 масс. % описываются такими зависимостями при величине
достоверности аппроксимации В2 = 0,96 - 1,0:
П25 = - 1,3836 П2 - 54,3179 П + 126,85; (9)
П0 = - 0,9994 П2 + 4,7434 П + 51,104; (10)
Тр = -0,6444 П3 + 5,2111 П2 - 6,3444 П + 44,00; (11)
Тхр = -0,7883 П3 + 5,8444 П2 - 11,616 П - 23; (12)
Д25 = -2,7016 П3 + 25,478 П2 - 74,649 П + 88; (13)
Д0 = -0,5524П3 + 3,1333 П2 - 1,0571 П + 6,00; (14)
Э25 = 2,3968 П3 -24,944 П2 + 88,802 П + 2Е- 11,00; (15)
Э0 = -0,3165 П3 -3,6778 П2 + 35,402 П + 1 Е - 11,00. (16)
Алгоритм подбора состава полимерно-битумного вяжущего показан на рис. 2.
С
Начало
Ввод данных
I
Задание П -содержание полимера в ПБВ
I
Задание М -содержание пластификатора (индустриального масла) в ПБВ
I
1
Определение физико-механических свойств ПБВ:
П25, П0, Тр, Тхр, Д25, Д0, Э25, Э0
Техническое задание на подбор состава полимерно-битумного вяжущего (ПБВ):
- свойства битума: П25, П0, Тр,
^ Д25, Д0;
- свойства полимерно-битумного вяжущего с учетом климатических условий эксплуатации: П25,
Тр, Тхр, Э25, Э0.
Печать результатов
С
Конец
Рис. 2. Алгоритм подбора состава и определения физико-механических свойств полимерно-битумного вяжущего
Расчет состава ПБВ ведется с помощью программы VBA для персональных компьютеров в диалоговом режиме с ЭВМ, при котором пользователь и машина обмениваются данными. Пользователь вводит содержание по-
лимера, выбирает содержание пластификатора и дает команду «вычислить». После задания указанных параметров результаты вычислений свойств ПБВ появляются на дисплее. Пример подбора состава и вычисления свойств ПБВ на основе битума марки БНД 60/90 показан на рис. 3. Если показатели свойств ПБВ не соответствуют техническому заданию на подбор состава, пользователь изменяет содержание полимера и (или) пластификатора.
Рис. 3. Окно подбора состава полимерно-битумного вяжущего
Рабочие окна позволяют оперативно в автоматизированном режиме получать информацию о взаимосвязи состава и свойств ПБВ.
Заключение
Использование разработанных математических моделей открывает возможности подбора составов полимерно-битумных вяжущих на основе полимера типа стирол-бутадиен-стирол марки ДСТ-30-01 и пластификатора - индустриального масла марки И-40А с учетом марки исходного битума (БНД 60/90, БНД 90/130), удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р 52056 и предназначенных для использования в дорожном строительстве при производстве полимерасфальтобетонных смесей и устройстве поверхностных обработок.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополи-меров стирол-бутадиен-стирол. Технические условия. 2003. - 6 с.
2. ОДМ 218.2003-2007. Рекомендации но использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блоксополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. - М. : Росавтодор, 2007. - 120 с.
3. Полимерно-битумные вяжущие на основе СБС для дорожного строительства / Л.М. Гохман [и др.] // Автомобильные дороги: обзорная информация / Информавто-дор. - М., 2002. - Вып. 4. - 112 с.
4. Гохман, Л.М. Расчет состава полимерно-битумного вяжущего / Л.М. Гохман // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2008. - № 4. - С. 33-34.
5. Кинг, Г.Н. Свойства полимерно-битумных вяжущих и разрабатываемые в США методы испытания / Г.Н. Кинг, Б.С. Радовский // Материалы и конструкции. - 2004. - Октябрь. -С. 16-27.
6. Иваньски, М. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперсными и полимерными компонентами) / М. Иваньски, Н.Б. Урьев. - М. : Техполиграфцентр, 2007. -668 с.
7. Леоненков, А.В. Решение задач оптимизации в среде MS Excel / А.В. Леоненков. - СПб. : БХВ-Петербург, 2005. - 704 с.
8. Внедрение полимерно-битумных вяжущих на объектах Северавтодора / В.К. Рукавишников [и др.] // Повышение качества материалов дорожного и строительного назначения: сб. науч. тр. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2001. - С. 129-136.
9. Галдина, В.Д. Модифицированные битумы / В.Д. Галдина. - Омск : СибАДИ, 2009. -228 с.
10. Галдина, В.Д. Влияние добавок полимера тина СБС на свойства битума / В.Д. Галдина // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем («Полимер-2010»): тез. и докл. IV Всероссийской науч.-техн. конференции. - Бийск : Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 46-48.
