CC BY
0С.А. Иванов, ст. преподаватель, соискатель, e-mail: isa.ad@kuzstu.ru Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово
УДК 691.162
ОЦЕНКА АДГЕЗИОННОЙ СПОСОБНОСТИ БИТУМА, МОДИФИЦИРОВАННОГО РЕЗИНОВОЙ КРОШКОЙ
В статье описаны технологические параметры получения битума, модифицированного резиновой крошкой. Проведен анализ влияния адгезионной способности битума нефтяного дорожного вязкого и битума, модифицированного резиновой крошкой, при стадийной технологии ее введения. Приведены примеры адгезионной способности битума и битума, модифицированного резиновой крошкой при стадийной технологии ее введения, с различными горными породами, наиболее часто встречающиеся при строительстве в качестве местного материала в условиях Кемеровской области, на примере различных каменных карьеров. Обоснованы характеристики адгезионной способности битума, модифицированного резиновой крошкой при стадийности технологического процесса ее введения. Проанализированы факторы, влияющие на адгезионную способность полученного материала.
Ключевые слова: адгезия, резиновая крошка, модификация, битум, сцепление.
S.A. Ivanov, Teacher
ASSESSMENT OF THE ADHESIVENESS OF BITUMEN MODIFIED WITH THE RUBBER CRUMB
The article describes the technological parameters of bitumen modified with the rubber crumb. The impact analysis of the adhesion capability of viscous construction petroleum bitumen and bitumen modified with the rubber crumb at the staged technology of its introduction was carried out. Examples of the adhesion capability of bitumen and bitumen modified with rubber crumb at the stage technology of its introduction with different rocks, the most common in the construction as a local material in the conditions of the Kemerovo region, on the example of various stone quarries are given. The characteristics of the adhesion capability of bitumen modified with rubber crumb at the stages of the technological process of its introduction are substantiated. The factors affecting the adhesive capability of the obtained material are analyzed.
Key words: adhesion, rubber crumb, modification, bitumen, adherence.
Введение
Технологии модификации битумов резиновой крошкой в настоящее время находят все большее распространение, чему способствуют задачи повышения срока службы асфальтобетонных покрытий и поиска путей эффективной утилизации отработанных автомобильных и авиационных шин. Однако отсутствие теоретической модели, объясняющей влияние различных факторов на эффективность процесса модификации битумов резиновой крошкой, приводит к разрозненности результатов исследований и неоднозначности рекомендуемых технологических параметров, предлагаемых различными авторами.
В мировой практике рассматриваются две основные технологии модификации битумов резиновой крошкой: технология с относительно невысокой (160.. ,200°С) температурой технологического процесса без предъявления специальных требований к смесительному оборудованию [1-9] - метод Asphalt Rubber, и технология с повышенной (200.. ,260°С) температурой технологического процесса с использованием специальных смесителей - метод Terminal Blended [10-12]. Предлагаются также и комбинированные методы, когда температура процесса соответствует интервалу, характерному для метода Terminal Blended, при этом использование высокоскоростных смесителей не предусматривается [13-17].
Обоснование повышения адгезии битумного вяжущего
Применение различных методик модифицирования битумов резиновой крошкой, безусловно, дает положительный результат, который выражается в повышении температуры размягчения по методу «Кольцо и шар», понижение температуры хрупкости по Фраасу, повышению эластичности вяжущего и т.д. Поскольку битум как материал наиболее часто применяется в дорожном строительстве, одним из основных физико-механических параметров, способствующих повышению срока службы асфальтобетонных слоев автомобильных дорог, является адгезионная способность вяжущего, т.е. сцепление модифицированного битума с поверхностью используемых каменных материалов.
Грунтовые условия Кемеровской области сложены в основной своей массе осадочными горными породами основного типа, а, как известно, битум - это кислая среда, которая, в свою очередь, довольно неэффективно взаимодействует с вышеупомянутым.
Оценка качества сцепления битума и битума,
модифицированного резиновой крошкой, с поверхностью каменных материалов
В работах [18, 19, 20] описана технология получения на основе разделения процесса приготовления на стадии композиционных полимерно-битумных вяжущих на основе резиновой крошки, но не проанализирована адгезионная способность вяжущего. В связи с этим необходимо было оценить адгезионную способность полученного вяжущего с наиболее популярными горными каменными материалами, химический состав которых указан в таблицах 1, 2, а также на рисунках 1, 2 соответственно.
Таблица 1
Химический состав каменных материалов
Наименование материала Компоненты, %
SiO2 Fe2Oз FeO таз2 CaO MgO Na2O ЪС SOз P2O5 MnO 111111
Щебень Мозжу-хинского карьера 66,96 10,84 0,65 1,58 0,32 4,71 2,41 2,47 2,90 <0,25 0,07 0,12 5,62
Щебень Гурьев-ского карьера 26,11 2,89 0,59 0,25 0,10 37,11 0,88 0,83 0,64 0,47 0,08 0,09 29,57
Мрамор белый 0,15 - 0,03 - 0,002 55,51 0,13 0,002 0,002 0,004 0,03 0,01 43,33
Щебень Крапи-винского карьера 75,30 13,61 0,15 1,65 0,24 0,05 0,17 - - - - 0,05 -
Таблица 2
Качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью каменных материалов
№ п/п Наименование материала Оценка качества сцепления
БНД 90/130 РБВ
1 Мрамор белый Коэлгинского месторождения фр. 2-5 мм отличное (пять баллов) отличное (пять баллов)
2 Щебень фр. 5-20 мм Гурьевского карьера хорошее (четыре балла) отличное (пять баллов)
3 Щебень фр. 5-20 мм Крапивинского карьера плохое (два балла) хорошее (четыре балла)
4 Щебень из гравия фр. 5-10 мм Мозжухинского карьера плохое (два балла) удовлетворительное (три балла)
Примечание. РБВ - битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийной технологии ее введения.
Б
а
Рисунок 1 - а - сцепление битума БНД 60/90; б - битума, модифицированного резиновой крошкой, при стадийном технологическом процессе с щебнем фр. 5-20 мм Крапивинского карьера
а б
Рисунок 2 - Сцепление битума, модифицированного резиновой крошкой, при стадийном технологическом процессе с щебнем фр. 5-20 мм: а - Мозжухинского карьера; б - Гурьевского карьера
Известно, что адгезия зависит от полярности компонентов (асфальтенов и мальтенов). Поэтому можно говорить о том, что адгезия объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела пленки битума и каменного материала.
Представленные исследуемые каменные материалы обладают отличающимися друг от друга химическими свойствами, которые указаны в таблице 1. Но в то же время оцениваемый материал, а именно битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийном технологическом процессе, имеет в своем составе нерастворенные части резиновой крошки, которая находится в гелеобразном состоянии, поэтому существует несколько теорий образования адгезии в исследуемых материалах.
Поскольку исследуемый битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийной технологии ее введения, содержит в своем составе нерастворенную часть резиновой крошки, которая находится в гелеобразном состоянии, то целесообразно предположить, что данный материал взаимодействует с поверхностью минеральных компонентов посредством нескольких видов адгезии.
Первая теория принадлежит основателю механической теории адгезии Мак-Бену [21]. Согласно этой теории, адгезия возникает за счет затекания вяжущего в поры или трещины, образованные на поверхности минерального компонента, с последующим затвердеванием. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью каменного материала и прочностью пленки вяжущего. Однако стоит упомянуть тот факт, что при исследовании данного вяжущего в работе [22] были выявлены так называемые жгутики-мостики, которые возникают из-за нерастворенных частиц резиновой крошки, посредством чего они и сцепляются с поверхностью каменных материалов.
Вторая теория, предложенная Дебройном и Мак-Лареном [22], заключается в определении адгезии как результата взаимодействия между вяжущим и поверхностью каменного материала за счет межмолекулярных сил (адсорбционная теория).
Основным моментом в этой теории является то, что прочность адгезионного соединения достигается только в тех случаях, когда вяжущее и каменный материал обладают полярными функциональными группами. Как известно, битумное вяжущее имеет отрицательно заряженные частицы, в то время как каменный материал заряжен положительно. Межмолекулярное притяжение реализуется комплексом сил и зависит от химической природы взаимодействующих фаз.
Анализируя данные химического состава горных пород и данных качества сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов, указанных в таблице 1 и 2, можно сказать, что сцепление вяжущего с каменным материалом из Мозжухинского и Крапивинского карьеров является худшим по сравнению с другими образцами из-за значительного содержания оксида кремния. Как известно, SiO2 обладает отрицательно заряженными ионами, поэтому од-нополярная связь является причиной недостаточного взаимодействия двух разнородных тел. В свою очередь, исследуемый мрамор Коэлгинского месторождения и горная порода Гурьев-ского каменного карьера обладают наилучшими адгезионными свойствами по отношению к другим образцам в силу того, что в их количестве преобладает CaO. Оксид кальция имеет положительно заряженные ионы, которые, контактируя с поверхностью резинобитумного вяжущего, адсорбируясь на поверхности каменного материала, притягивают разнополярные ионы, вследствие чего возникает адгезионная способность рассматриваемых материалов.
Таким образом, можно сделать вывод, что адгезия не может существовать в каком-то одном виде, она обязательно находит свое состояние в межфазных системах взаимодействия нескольких материалов.
Заключение
Исходя из данных, представленных в таблице 2, можно сделать вывод, что битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийном технологическом процессе, однозначно дает положительный результат с любой горной породой различной основности. Модифицированный битум резиновой крошкой увеличивает адгезионную способность вяжущего на 1 балл в сравнении с битумом БНД 90/130.
При более детальном рассмотрении рисунков 1 и 2 можно отчетливо наблюдать, какую поверхность каменного материала покрывают исследуемые материалы, что свитетельствует об улучшении адгезионных свойств.
Рассматриваемому резинобитумному вяжущему присуще две теории адгезии: 1) механическая - возникающая за счет физического проникновения в трещины, поры горных пород и затвердевая при задержке на ее поверхности; 2) вторая теория заключается в адсорбционном взаимодействии межмолекулярных связей посредством полярностей функциональных групп.
Библиография
1. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. etal. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P. 97-103.
2. Mull M.A., Stuart K., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
3. Kim H., Lee S., Amirkhanian S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
4. Morrison G.R., Hesp S.A.M. A new look at rubber-modified asphalt binders // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 2584-2590.
5. Chuan X., Tianqing L., Yanjun Q. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture // Journal of Modern Transportation. - 2013. - Vol. 21. -P.273-280.
6. Shakir S., Jorge P., ManuelM. Asphalt Rubber Interlayer Benefits in Minimizing Reflective Cracking of Overlays over Rigid Pavements // 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements. -2012. - Vol. 4. - P. 1157-1167.
7. Tao M., Yongli Z., Xiaoming H. et al. Characteristics of desulfurized rubber asphalt and mixture // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Vol. 20. - P. 1347-1355.
8. Hicks R.G., Cheng D., Duffy T. Evaluation of Terminal Blend Rubberized Asphalt in Paving Applications // Clifornia Pavement Preservation Center. - 2010. - P. 115-117.
9. Zhu H., Liu C., Tom K. et al. Crumb rubber blends in noise absorption study // Materials and Structures. - 2008. - Vol. 41. - P. 383-390.
10. Juan G., Ana A., Felice G. Black curves and creep behaviour of crumb rubber modified binders containing warm mix asphalt additives // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2016. - Vol. 20. -P. 389-403.
11. Горшенина Г.И., Михайлов Н.В. Полимер-битумные изоляционные материалы. - М.: НЕДРА, 1967. - 235 с.
12. Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительства. - М.: Транспорт, 1984. - 226 с.
13. Патент РФ № 2006145263/04. 19.12.2006. Мастика резинобитумная // Патент России № 2323231 С1. кл. C08L19/00. Бюл. № 12. / Корнейчук Г.К., Дзюбанов С.П., Реутов В.А., Стибло Г.К.
14. Афиногенов О.П., Молодых Д.З. Оценка свойств модифицированных вяжущих и асфальтобетонов на их основе // Техника и технологии дорожного хозяйства. - 2015. - № 2. - С. 1-27.
15. Шилакадзе Т.А., Суренян Е.А. Резино-асфальтобетон в Грузии // Автомобильные дороги. -1965.- № 9.- С. 12-14.
16. Khristoforova A.A., Sokolova M.D., Filippov S.E. et al. Rubber-modified bitumen materials for open-pit enterprises // International Polymer Science and Technology. - 2015. - Vol. 42, Issue 9. - P. 27-29.
17. Khristoforova A.A., Sokolova M.D., Zarovnyaev B.N. et al. Prospects for modified bitumen in construction of semi-steep pit roads // Gornyi Zhurnal (Mining Journal). - 2016. - Issue 3. - Р. 47-49.
18. Иванов С.А., Шабаев С.Н. Развитие технологии получения и эффективного использования в Кузбассе композиционных полимерно-битумных вяжущих на основе резиновой крошки // Известия вузов, инвестиции, строительство, недвижимость. - 2014. - № 3 (8). - С. 63-72.
19. Иванов С.А., Шабаев С.Н. Исследование влияния стадийности технологического процесса получения композиционных резинобитумных вяжущих на их свойства // Вестник ТГАСУ. - 2016. -№ 3 (8). - С. 153-158.
20. Иванов С.А., Шабаев С.Н. Исследование влияния технологического режима получения композиционных резинобитумных вяжущих на их свойства // Приволжский научный журнал. - 2016. -№ 3. - С. 53-62.
21. Иванов С.А. Обоснование структурообразования резинобитумного вяжущего // Вестник ВСГУТУ. - 2017. - № 1 (68). - С. 11-18.
22. БогдановаЮ.Г., Авдеев В.В., Алентьев А.Ю. и др. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов. - М.: Изд-во МГУ, 2011. - 66 с.
Bibliography
1. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. - P. 97-103.
2. Mull M.A., Stuart K., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
3. Kim H., Lee S., Amirkhanian S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
4. Morrison G.R., Hesp S.A.M. A new look at rubber-modified asphalt binders // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 2584-2590.
5. ChuanX., TianqingL., Yanjun Q. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture // Journal of Modern Transportation. - 2013. - Vol. 21. -P.273-280.
6. Shakir S., Jorge P., ManuelM. Asphalt Rubber Interlayer Benefits in Minimizing Reflective Cracking of Overlays over Rigid Pavements // 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements. -2012. - Vol. 4. - P. 1157-1167.
7. Tao M., Yongli Z., Xiaoming H. et al. Characteristics of desulfurized rubber asphalt and mixture // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Vol. 20. - P. 1347-1355.
8. Hicks R.G., Cheng D., Duffy T. Evaluation of Terminal Blend Rubberized Asphalt in Paving Applications // Clifornia Pavement Preservation Center. - 2010. - P. 115-117.
9. Zhu H., Liu C., Tom K et al. Crumb rubber blends in noise absorption study // Materials and Structures. - 2008. - Vol. 41. - P. 383-390.
10. Juan G., Ana A., Felice G. Black curves and creep behaviour of crumb rubber modified binders containing warm mix asphalt additives // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2016. - Vol. 20. -P. 389-403.
11. Gorshenina G.I., Mikhaylov N.V. Polymer-bituminous insulating materials. - M.: Nedra, 1967. -
235 p.
12. Rudenskaya I.M., Rudensky A.V. Organic binder for road construction. - M.: Transport, 1984. -
226 p.
13. Patent ofthe Russian Federation N 2006145263/04. 12/19/2006. Rubber-bitumen mastic // Patent of Russia N 2323231 cl. C08L19/00. Bul. N 12. / Korneychuk G.K., Dzyubanov S.P., Reutov V.A., Stiblo G.K.
14. Afinogenov O.P., Molodykh D.Z. // Evaluation of properties of modified binders and asphalt concretes on their basis / Equipment and technologies of road industry. - 2015. - N 2. - P. 1-27.
15. Shilakadze T.A., Surenyan E.A. Rubber-asphalt concrete in Georgia // Highways. - 1965. - N 9. -P.12-14.
16. Khristoforova A.A., Sokolova M.D., Filippov S.E. et al. Rubber-modified bitumen materials for open-pit enterprises // International Polymer Science and Technology. - 2015. - Vol. 42, Issue 9. - P. 27-29.
17. Khristoforova A.A., Sokolova M.D., Zarovnyaev B.N. et al. Prospects for modified bitumen in construction of semi-steep pit roads // Gornyi Zhurnal (Mining Journal) - 2016. - Issue 3. - P. 47-49.
18. Ivanov S.A. The development of technology for production and effective use of composite polymerbitumen binders based on rubber crumb in Kuzbass / S.A. Ivanov, S.N. Shabayev.//News of higher education institutions, investments, construction, real estate. - 2014. - N 3 (8). - P 63-72.
19. Ivanov S.A. Shabayev S.N. Investigation of the influence of the stages of a technological process for obtaining composite rubber-bitumen binder on their properties // Bulletin of TSACU. - 2016. - N 3 (8). -P 153-158.
20. Ivanov S.A., Shabayev S.N. The study of the influence of the technological mode for producing composite rubber-bitumen binders on their properties //Volga scientific magazine. - 2016. - N 3. - P. 53-62.
21. Ivanov S.A. Justification of structure formation of rubber-bitumen binder // Bulletin of the ESSUTM. - 2017. - N 1 (68). - P. 11-18.
22. Bogdanova Yu.G., Avdeev V.V., Alentiev A.Yu. et al. Adhesion and its role in ensuring durability of polymeric composites. - M.: Moscow state University, 2011. - 66 p.
