CC BY
145
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
УДК 625.855.3 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-2-98-102
НОВЫЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ НА ОСНОВЕ БНД 70/100
© 2019 г. Н.П. Котенко, Ю.С. Щерба
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия
NEW POLYMERIC BITUMINO BINDING BASED ON ORB 70/100
N.P. Kotenko, Yu.S. Shcherba
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Котенко Наталья Петровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Щерба Юлия Сергеевна - магистр, кафедра «Химические технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: yu.shcherba@yandex.ru
Kotenko Natalya Petrovna - Candidate of Technical Science, Assistant Professor, Department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Shcherba Yuliya Sergeevna - Master Student, Department «Chemical Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: yu.shcherba@yandex.ru
Исследована возможность получения новых полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на основе битума марки БНД 70/100 путем его смешения с вторичными полимерами. В качестве полимерных материалов использованы вторичные полиэтилентерефталат, полипропилен и сополимер этилена и винилацетата. Произведен сравнительный анализ результатов исследования стандартных показателей физико-механических свойств чистого и модифицированных битумов с концентрацией полимера, % по массе: 1, 3 и 5. С увеличением концентрации полимеров в битуме температура его размягчения повышается, а глубина проникания иглы уменьшается, что свидетельствует о возрастании вязкости и упрочнении структуры. Введение в битум этиленвинилацетата не снижает температуру его хрупкости, в отличие от полиэтилентерефталата и полипропилена, но при этом рабочий температурный интервал ПБВ на 8 - 13 градусов шире, чем у чистого битума.
Ключевые слова: битум; вторичный полимер; модификация; полимерно-битумное вяжущее; пенетрация; растяжимость; рабочий температурный интервал.
Investigated the possibility of obtaining a new polymer-bitumen binders PBBs based on ORB 70/100 grade bitumen by mixing it with secondary thermoplastics. As polymeric materials were used secondary polyethylene terephthalate, polypropylene and a copolymer of ethylene and vinyl acetate. A comparative analysis of the results of the study of standard indicators of the physical and mechanical properties ofpure and modified bitumen with a polymer concentration of 1, 3 and 5% by done weight was carried out. With an increase in the concentration ofpolymers in bitumen, its softening temperature increases, and the depth of needle penetration decreases, which indicates an increase in viscosity and hardening of the structure. The addition of ethylene vinyl acetate to bitumen does not reduce the temperature of its brittleness, unlike polyethylene terephthalate and polypropylene, but the working temperature range of PBB is 8 - 13 degrees wider than that of pure bitumen.
Keywords: bitumen; secondary polymer; modification; polymer-bitumen binder; penetration; tensile properties; extensibility; operating temperature range.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Введение
Хорошие автомобильные дороги - извечная проблема. Ежегодный рост числа грузоперевозок и увеличение интенсивности движения автотранспорта, создают специфические условия для эксплуатации дорожных покрытий, в особенности развязок, мостов и путепроводов. Это обуславливает необходимость предъявления более высоких требований к физико-механическим характеристикам асфальтобетонов для дорожных покрытий, а также совершенствования материалов для их приготовления. Битум - важная составляющая дорожных покрытий, но удовлетворить высокие требования в полной мере уже не может, поэтому для повышения надежности и долговечности дорожных покрытий рекомендуется применять полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) [1 - 4]. Применение различных модификаторов в производстве битума позволяет улучшить его качество и получить продукт с заданными параметрами, отвечающими климатическим и транспортным нагрузкам конкретного региона [5 - 12].
Целью нашей работы является подбор состава новых ПБВ на основе битума марки БНД 70/100 путем введения в него полимерных модификаторов вторичной переработки и изучение физико-механических свойств полученных вяжущих.
Объекты исследования
В практике приготовления ПБВ за основу обычно берутся дорожные битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90) [2, 7 - 12]. В представленной экспериментальной работе рассмотрена возможность приготовления ПБВ на основе битума марки БНД 70/100, ГОСТ на который вступил в силу в 2015 году (ГОСТ 331332014). Он является промежуточным по вязкости между более жидким БНД 90/130 и более густым БНД 60/90 [2], но отличается повышенными требованиями к его твердости, морозоустойчивости и сцепляющим свойствам. Он также применяется для дорожных работ в теплое время года, при среднесуточной температуре не ниже +5 °С и широко используется для ремонтных работ, а также для прокладки новых дорог.
В качестве полимерных модификаторов битума выбраны термопластичные материалы:
- ПЭТ-хлопья из вторичного полиэтилен-терефталата (ПЭТФ) по ТУ 2298-003-99545390;
- сополимер этилена и винилацетата (ЭВА) с содержанием винилацетата 18 - 22 % по массе - не покрывается документами националь-
о
£
о Ii
C-O-CHj-CHJ-O-
ной системы стандартизации и техническими регламентами;
- вторичный полипропилен (ПП) по ТУ 2298-014-05766624-93 [5-11].
ПЭТФ - синтетический линейный термопластичный полимер с высокой механической прочностью, принадлежащий к классу полиэфиров. Продукт поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля.
ЭВА - это термоэластопластич-ный сополимер этилена и винил-ацетата статистического строения, в котором звенья винилацетата произвольно распределяются в макромолекуле. Имеет хорошие амортизирующие свойства. Обладает эластичностью и повышенной адгезией к различным материалам.
0
1
COCH,
—сн—СН— J I сн,
ПП - является прочным и жестким, кристаллическим термопластичным полимером пропилена.
Методика и оценка эксперимента
Полимерно-битумные вяжущие изготавливают путем перемешивания вязких дорожных битумов с модификаторами [10 - 12].
В жаростойкой емкости расплавляют навеску битума, нагревая до 160 - 165 °С до испарения влаги. Далее в емкость помещают лабораторную мешалку с верхним приводом и включают её со скоростью 100 - 150 об/мин для равномерного распределения теплоты в объеме битума. Спустя 1 - 2 минуты порционно добавляют предварительно измельченный полимерный модификатор в количестве 1, 3 или 5 % по массе. После внесения всей навески модификатора интенсивность перемешивания увеличивают до 600 - 800 об/мин, выдерживая температуру в пределах 165 - 180 °С. Перемешивание проводится в течение 40 - 60 минут до полного растворения полимера и получения гомогенного вяжущего. Готовое ПБВ охлаждается до комнатной температуры. Испытания проводят на следующий день после приготовления [11].
Оценку физико-механических свойств полученных ПБВ проводили по следующим показателям (рис. 1 - 4):
- температура размягчения по методу «кольцо и шар» - ГОСТ 11506-76;
- температура хрупкости по Фраасу -ГОСТ 11507-78;
- глубина проникания иглы - ГОСТ 11501-78;
- растяжимость или дуктильность битума -ГОСТ 11505-78.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Температура размягчения
•ПП -■- ЭВА —А—ПЭТФ
Рис. 1. Изменение температуры размягчения БНД 70/100 при добавлении полимеров / Fig. 1. Change in softening temperature of ORB 70/100 with the addition of polymers
Температура размягчения - основной эксплуатационный показатель качества битумов, который характеризует теплостойкость и является верхней границей температурного интервала работоспособности вяжущих.
Согласно данным рис. 1, с увеличением концентрации полимера в битуме температура его размягчения повышается, что характеризует переход битума из упругопластичного состояния в более вязкое и образование сетчатой структуры полимера в битуме. Таким образом, данными исследованиями подтверждается, что процесс получения ПБВ сопровождается не физическим, а химическим растворением, при котором переход полимера в раствор сопровождается химической реакцией. Связи между макромолекулами и битумом становятся настолько прочными, что в дальнейшем исходное вещество (полимер) нельзя выделить из раствора в исходном твердом состоянии физическими методами [13].
Температура хрупкости Количество полимера в битуме, % по массе
0
о -5
о
of
ft
й -10
ft
1)
<и -15
н
-20
-25
ПП
ЭВА
ПЭТФ
Рис. 2. Изменение температуры хрупкости БНД 70/100 при введении полимеров / Fig. 2. The temperature change of the fragility of ORB 70/100 with the introduction of polymers
Процесс растворения полимера в битуме можно представить следующим образом: в масляной среде битума - мальтенах полимер начинает постепенно набухать (глобулы полимера постепенно раскручиваются), а затем распрямленные макромолекулы равномерно распределяются по всему объему битума. При этом вероятность взаимодействия функциональных групп полимера с битумом значительно возрастает. Образование новых химических связей и связей, обусловленных силами Ван-дер-Ваальса, подтверждается изменением вязкости системы: вяжущее становится насыщенным и густым. Таким образом, в процессе растворения происходит сшивание полимерных цепей с битумом химическими связями, что создает в битуме пространственную сетчатую структуру.
При некоторой концентрации полимера (концентрации насыщения сн) между модификатором и битумом устанавливается равновесие. При нем химический потенциал готового ПБВ становится равным химическому потенциалу того же полимера в исходном состоянии. Концентрация сн не зависит от давления, но в значительной степени определяется температурой, с увеличением которой растворимость возрастает. Следовательно, температура оказывает основное влияние на кинетику растворения, а с увеличением растворимости возрастает разность концентраций (движущая сила процесса) и растворение ускоряется. Однако температура приготовления ПБВ не должна превышать температуру, вызывающую термоокислительную деструкцию ПБВ.
Показатель температуры хрупкости является нижним температурным пределом интервала пластичности битума и ПБВ. Чем ниже температура хрупкости, тем лучше его морозостойкость и тем выше качество битума. Вторичные ПЭТФ и ПП за счет высокого содержания в своей структуре кристаллической фазы в составе ПБВ играют пластифицирующую роль, в отличие от ЭВА - аморфного полимера [7, 8]. Введение в битум ЭВА не повлияло на показатель температуры его хрупкости [9].
Глубина проникания иглы при 25 °С характеризует твердость, пластичность и вязкость вяжущего, его технологические свойства (марку). Показатель обуславливает способность вяжущего оказывать сопротивление прониканию тела стандартной формы (иглы).
Пенетрация понижается с увеличением содержания полимера (рис. 3). Полимеры адсорбируют масла битума и образуют отдельную
0
2
3
4
5
6
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
дисперсную фазу, что приводит к понижению соотношения масла/асфальтены, вследствие чего наблюдается возрастание вязкости и увеличение твердости вяжущего [14].
Пенетрация при 25 °С
я еч Я Я =з и я я о Ср Я =3 Я
я
ю ^
1-Ч
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1 2 3 4 5
Количество полимера в битуме, % по массе
ПП
ЭВА
ПЭТФ
Рис. 3. Изменение пенетрации при 25 °С БНД 70/100 при введении полимеров / Fig. 3. Change of penetration at 25 °С ORB 70/100 with the introduction of polymers
Дуктильность при 25 °С
а й Я
я
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
V. t-1
>
Т 1
0
5
6
12 3 4
Количество полимера в битуме, % по массе ПП ЭВА ПЭТФ Рис. 4. Изменение растяжимости БНД 70/100 при добавлении полимеров / Fig. 4. The change in the elasticity of ORB 70/100 with the addition of polymers
Показатель растяжимости косвенно характеризует адгезию битума и деформативную способность. Дорожные нефтяные битумы имеют высокую растяжимость - более 40 см. Повышение растяжимости битумов не всегда соответствует улучшению их свойств. Из рис. 4 видно, что у полученных ПБВ с ростом содержания полимеров растяжимость снижается, что можно объяснить уплотнением битумной среды.
Разность между температурами хрупкости и размягчения называют температурным рабочим интервалом, который учитывают при выборе битума для применения в определенных температурных условиях. Так путем добавления соответствующих полимеров диапазон пластичности увеличивается по обе стороны, но прежде всего в направлении высоких температур (табл. 1).
Таблица 1 / Table 1 Рабочий температурный интервал ПБВ / Working temperature range of the PBB
Концентрация полимера в ПБВ, % по массе ПП ЭВА ПЭТФ
0 66 66 66
1 67 66 69
3 74 69 71
5 79 76 74
Рабочий интервал увеличивается с повышением содержания полимера в битуме на 8 - 13 градусов.
Заключение
1. Проведенные исследования подтвердили возможность получения ПБВ на основе битума БНД 70/100 с улучшенными эксплуатационными физико-механическими характеристиками путем введения в него вторичных полимеров в небольшом количестве 3 - 5 % по массе.
2. Наиболее морозостойким (Тхр= - 23 °С) является ПБВ с 5 % по массе ПП.
3. С увеличением концентрации полимеров в ПБВ, значительно увеличивается теплостойкость вяжущего, понижается его пенетрация, что свидетельствует об упрочнении сетчатой структуры ПБВ - внутренним армированием.
4. При модификации битума термоэласто-пластом ЭВА происходит не только повышение температуры размягчения, но и придание полимерно-битумной композиции эластичности (см. рис. 3) при концентрации 3 - 5 % по массе. ПБВ с ЭВА обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, которые возникают под воздействием движущегося транспорта.
Рабочий температурный интервал разработанных ПБВ на 8 - 13 градусов шире, чем у чистого битума.
Литература
1. Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительства. М.: Транспорт, 1984. 230 с.
2. ГунР.Б. Нефтяные битумы. М.: Химия, 1973. 432 с
3. Поконова Ю.В. Нефтяные битумы. С.Пб.: Изд-во «Синтез», 2005. 154 с.
4. Хученройтер Ю., Вернер Т. Асфальт в дорожном строи-
тельстве. М.: АБВ-пресс, 2013 449 с.
5. Гохман Л.М. Битумы, Полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. М.: 2008. 81 с.
6. Князев Ю.В., Буданцев В.В., Фролов В.А., Меркулов С.А. Использование полимерных материалов для модификации дорожного вяжущего // Молодой ученый. 2015. № 12. С. 198 - 200.
0
6
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
7. Корнейчук Н.С., Лескин А.И., Рахимова Н.А. Полимерно-битумное вяжущее на основе вторичного полипропилена для производства асфальтобетонных смесей // ИВД. 2017. № 2 (45).
8. Котенко А.О., Котенко Н.П., Савостьянов А.П. Вторичное использование ПЭТ-бутылок в качестве добавок к асфальтобетонным смесям // Пластические массы. 2006. № 6. С. 51 - 52.
9. Пат. РФ 2604217. Модификатор дорожных битумов и полимерно-битумное вяжущее на его основе / Штепа С.В., Бахов Ф.Н., Зюкин С.В. 10.12.2016.
10. Пат. РФ 2262492 Асфальтобетонная смесь / Котенко Н.П., Брагинец В.А., Котенко А.О., Савостьянов А.П., Филатова М.Н., Юдин В.О. 20.10.2005. БИ: 17/2007.
11. Котенко Н.П., Щерба Ю.С., Евфорицкий А.С. Влияние полимерных и функциональных добавок на свойства битума и асфальтобетона // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2019. № 1. С. 94 - 99.
12. Котенко Н.П., Брагинец В.А., Котенко А.О. Влияние олигомерсодержащих отходов производства на качество дорожных битумов и асфальтобетонных смесей на их основе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. № 1. С. 49 - 51.
13. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: ООО ТИД «Альянс». 2005. 572с.
14. Изучения влияния полимерных добавок на свойства битума / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, В.Ю. Марков, Т.К. Усманов // Вестн. Казанского технологического ун-та. 2012. № 15. С. 199 - 201.
References
1. Rudenskaya I.M., Rudenskii A.V. Organicheskie vyazhushchie dlya dorozhnogo stroitel'stva [Organic binders for road construction], Moscow: Transport, 1984, 230 p.
2. Gun R.B. Neftyanye bitumy [Oil bitumens]. Moscow: Khimiya, 1973, 432 p.
3. Pokonova Yu.V. Neftyanye bitumy [Oil bitumens]. Sankt-Peterburg: Publ. "Sintez", 2005, 154 p.
4. Khuchenroiter Yu., Verner T. Asfal't v dorozhnom stroitel'stve [Asphalt in road construction]. Moscow: ABV-press, 2013, 449 p.
5. Gokhman L.M. Bitumy, Polimerno-bitumnye vyazhushchie, asfal'tobeton, polimerasfal'tobeton [Bitumens, Polymer-bitumen binders, asphalt concrete, polymer asphalt concrete]. Moscow, 2008, 81 p.
6. Knyazev Yu.V., Budantsev V.V., Frolov V.A., Merkulov S.A. Ispol'zovanie polimernykh materialov dlya modifikatsii dorozhnogo vyazhushchego [Using polymeric materials for modifying a road binder]. Molodoi uchenyi, 2015, no. 12, pp. 198 - 200. (In Russ.)
7. Korneichuk N.S., Leskin A.I., Rakhimova N.A. Polimerno-bitumnoe vyazhushchee na osnove vtorichnogo polipropilena dlya proizvodstva asfal'tobetonnykh smesei [Polymer-bitumen binder on the basis of recycled polypropylene for the production of asphalt-concrete mixtures]. IVD, 2017, no. 2 (45). (In Russ.)
8. Kotenko A.O., Kotenko N.P., Savost'yanov A.P. Vtorichnoe ispol'zovanie PET-butylok v kachestve dobavok k asfal'tobetonnym smesyam [Secondary Use ofPET Bottles as Additives to Asphalt Mixtures]. Plasticheskie massy, 2006, no. 6, pp. 51 - 52. (In Russ.)
9. Shtepa S.V. et al. Modifikator dorozhnykh bitumov i polimerno-bitumnoe vyazhushchee na ego osnove [Modifier of road bitumen and polymer-bitumen binder based on it]. Patent RF, no. 2604217, 2016.
10. Kotenko N.P. et al. Asfal'tobetonnaya smes' [Asphalt mix]. Patent RF, no. 2262492, 2017.
11. Kotenko N.P., Shcherba Yu.S., Evforitskii A.S. Vliyanie polimernykh i funktsional'nykh dobavok na svoistva bituma i asfal'tobetona [Effect of Polymer and Functional Additives on the Properties of Bitumen and Asphalt Concrete]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tech. nauki, 2019, no. 1, pp. 94 - 99. (In Russ.)
12. Kotenko N.P., Braginets V.A., Kotenko A.O. Vliyanie oligomersoderzhashchikh otkhodov proizvodstva na kachestvo dorozhnykh bitumov i asfal'tobetonnykh smesei na ikh osnove [Influence of oligomers-containing production waste on the quality of road bitumen and asphalt concrete mixtures based on them]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn.nauki, 2003, no. 1, pp. 49 - 51. (In Russ.)
13. Kasatkin A.G. Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii [Basic processes and apparatuses of chemical technology]. Moscow: OOO TID "Al'yans", 2005, 572 p.
14. Abdullin A.I., Emelyanycheva E.A., Markov V.Yu., Usmanov T.K. Studying the effect of polymer additives on the properties of bitumen [Studying the effect of polymer additives on the properties of bitumen]. Bulletin of Kazan Technological University, 2012, no. 15, pp. 199 - 201. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 16 апреля 2019 г. /April 16, 2019
