CC BY
26
Maizel I.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department «Urban development and economy», tel.: (3952) 405-145, e-mail: chupinvr@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 541.64
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОЛИМЕРБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ, ПОЛУЧЕННЫХ ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Р.Г. Житов, К.Ю. Лебедева, Ю.В. Салтанова, В.В. Алексеенко
Изучены физико-механические характеристики полимербитумных вяжущих, полученных полимеризационным методом на основе битума нефтяного дорожного полистирола, полиметилметакрилата и полибутилметакрилата. Установлены корреляционные зависимости температуры хрупкости и температуры размягчения от вида и содержания полимера. Исследована зависимость показателя пенетрации от температуры. Показано, что переход вяжущего в пластичное состояние происходит при более низких температурах, чем температура, определяемая по методу "кольцо и шар".
Ключевые слова: полимербитумные вяжущие, полимеризационный подход, температура хрупкости и размягчения, пенетрация.
QUALITY ASSESSMENT OF POLYMERIC BITUMEN CEMENTING MATERIALS PRODUCED BY POLYMERIZATION METHOD
R.G. Zhitov, K.IU. Lebedeva, IU.V. Saltanova, V.V. Alekseenko
The article studies physical and mechanical features of polymeric bitumen cementing materials produced by polymerization method on basis of bitumen of oil road polystyrene, polymethylmethacrylate and polybutylmethacrylate. The article describes brittleness and softening temperatures according to correlation dependences on polymer type and content. The authors examine relation between penetration index and temperature; moreover the article demonstrates that transition of cementing materials into plastic ones happens at lower temperatures than a temperature determined by the «Ring and sphere» method.
Key words: polymeric bitumen cementing materials, polymerization approach, brittleness and softening temperature, penetration.
Введение
Магистральный путь улучшения качества органических вяжущих - это модифицирование нефтяного битума полимерами [1]. Используемые повсеместно в практике при производстве кровельных, гидроизоляционных и дорожно-строительных материалов вяжущие на основе окисленных нефтяных битумов не всегда обеспечивают нужные эксплуатационные характеристики и долговечность. Это обусловлено теми физико-химическими характеристиками, которые заложены в самой химической природе битумного материала. Существенно повысить качество органических вяжущих удается при использовании композиционных материалов на основе битума, например, полимербитумных вяжущих [2]. Совмещение свойств битума и полимерного вещества способствует резкому улучшению физико-механических характеристик вяжущего материала: повышается теплостойкость и морозостойкость вяжущего, улучшаются его адгезионные свойства. Наиболее распространенным подходом получения полимербитумных вяжущих является совмещение (растворение) уже готового полимера с битумом [2]. Однако подобный подход нельзя назвать
универсальным, поскольку существует весьма ограниченный ряд полимеров, совместимых с битумом. Альтернативой использования уже готовых полимеров является полимеризация соответствующих мономеров непосредственно в среде битума. Полимеризацион-ный подход направлен на совмещение битума с полимерами в момент их образования, поэтому можно ожидать получения устойчивых к фазовому разделению композиций на основе, даже несовместимых с битумом полимеров. Это должно существенно расширить как набор полимербитумных вяжущих (ПБВ), так и спектр их физико-механических и эксплуатационных характеристик.
В настоящей работе представлены результаты исследования полимербитумных вяжущих, полученных полимеризационным подходом [3] на основе полистирола (ПС), по-лиметилметакрилата (ММА), полибутилметакрилата (БМА) в среде битума нефтяного дорожного (БНД) с целью оценки их физико-механических и эксплуатационных характеристик. Выбор полимеров обусловлен их низкой стоимостью, а так же распространенностью.
Битум - это многокомпонентная система, которая до температур 50-60 оС существует в стеклообразном состоянии и только при температурах выше 70-90 оС переходит в вязкотекучее состояние, при 130-180 оС битум по своим гидродинамическим характеристикам не отличается от обычных органических жидкостей [4]. Наиболее важными показателями вяжущих согласно российским нормативным документам [5] являются значения температуры размягчения по методу "кольцо и шар" и температуры хрупкости. Диапазон температур между температурой хрупкости (которая обычно имеет значение от - 17 °С и ниже) и температурой размягчения (которая обычно имеет значение от +43 °С и выше) называется рабочим диапазоном вяжущего, так как в этом диапазоне оно находится в, так называемом, вязко-пластичном состоянии.
Вязко-пластичное состояние характеризуется тем, что вещество в этом состоянии не является твёрдым и хрупким и, в то же время, не течёт как жидкость при минимальных сдвиговых нагрузках. Это означает, что и материалы, на основе такого вяжущего, в рабочем диапазоне температур имеют необходимые потребительские свойства: они в меру пластичны (не трескаются) и не текут (имеют необходимую сдвигоустойчивость).
Методика проведения измерений и результаты
Полимербитумные вяжущие получали полимеризационным методом на основе полистирола (ПС), полиметилметакрилата (ММА), полибутилметакрилата (БМА) в среде битума нефтяного дорожного (БНД). Для этого соответствующий мономер вводился в битум марки БНД, где и проводилась дальнейшая полимеризация с образованием полимер-битумных вяжущих, остатки непрореагировавших мономеров удалялись из системы. Далее в таблицах и на графиках указывается содержание соответствующих мономеров в % по массе от содержания битума.
Исследования температуры хрупкости проводились согласно ГОСТ 11506-2003 «Битумы нефтяные. Метод определения температуры хрупкости по Фраасу». Измерение температуры хрупкости проводилось на приборе АТХ-20, хотя формально этот прибор не соответствует требованиям ГОСТа. Проблема заключается в том, что срабатывания пьезо-датчика могут не совпадать с визуальным определением наличия трещины. После правильной настройки уровня сигнала пьезодатчика эти несовпадения можно свести практически к нулю. В наших измерениях отмечался только один случай не совпадения, который был исключён из анализа. Поэтому можно сказать, что наши измерения соответствовали требованиям ГОСТ 11506-2003. Были получены следующие результаты для полимерби-тумных композиций.
Таблица 1
Температура хрупкости °С битума, модифицированного различными полимерами в зависимости от концентрации мономера в исходной смеси
Содержание % 1 2.5 5 10 15 20 30
Битум + ПС -20.7 -23.5 -23 -21.4 -14 - -
Битум + ММА -24 -25 -24 -21.5 -22 - -22.5
Битум + БМА -23 -23 -25 -23.5 - -19 -14.5
Исследования температуры размягчения проводились согласно ГОСТ 11506-2003 «Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару». Были получены следующие результаты.
Таблица 2
Температура размягчения °С битума, модифицированного различными полимерами в зависимости от концентрации мономера в исходной смеси
Содержание % 1 2.5 5 10 15 20 30
Битум + ПС 45.3 46.3 46.2 49 55.6 - -
Битум + ММА 46 41.6 38.4 39.7 45.8 - 51.8
Битум + БМА 45.5 43.3 46.2 41.9 - 44.5 46.7
Исходный битум марки БНД имел следующие показатели: температура хрупкости -22 °С, температура размягчения +53.9 °С.
Полимербитумные вяжущие на основе ПС не показали существенного влияние на размер интервала рабочих температур. При этом при концентрации мономера, не превышающей 10 % мы видем практически не изменяющейся температуру хрупкости и уменьшение температуры размягчения на 10 %. Это можно объяснить недостаточным количеством образовавшегося полимера и его низкой молекулярной массой, при этих условиях не образуется пространственная сетка полимера, способствующая расширению рабочего интервала температур. Полученый ПС выступает в качестве депресорной добавки. С увеличением концентрации мономера количество полученого полимера становится значительным, что приводит к значительному увеличению вязкости системы, а, как следствие, к увеличению температуры размягчения, при этом низкая молекулярная масса полимера не позволяет понизить температуру хрупкости, а наооборот критически увеличивает содержание стеклообразной фракции в битуме. Подобная зависимость наблюдается для образцов полимербитумного вяжущего на основе БМА. Для образца с содержанием БМА 10 % наблюдается понижение вязкости, что приводит к понижению температуры размягчения, при этом низкая молекулярная масса не позволяет понизить темпераутру хрупкости. Такая же зависимость наблюдается в образцах полимербитумных вяжущих с содержанием ММА 5 и 10 %. Но здесь низкая молекулярная масса больше влияет на температуру размягчения. А так же практически не меняет характеристики вяжущего при высоком содеражании мономера.
Исследования пенетрации проводились согласно ГОСТ 11501-78 «Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы». Были получены следующие результаты, которые удобно представить в виде графиков.
Рис. 1. Пенетрация чистого битума БНД 90/130 в зависимости от температуры
БНД+БМА
300
— 1%
2%
--- 5%
—«— 10%
• ЕЗ • 20%
— - 30%
10
20 30
Температура
40
50
Рис. 2. Пенетрация композита на основе полибутилметакрилата в зависимости
от температуры
Полученые пенетрацией данные хорошо корелируются с даными температуры размягчения, что дополнительно доказывает выше описаные закономерности происходящие в полимербитумных вяжущих.
Рис. 3. Пенетрация композита на основе полистирола в зависимости от температуры
БНД+ММА
Температура
Рис. 4. Пенетрация композита на основе полиметилметакрилата в зависимости от температуры
— - 1%
* 2%
5%
---- 10 % 15 %
Выводы
Все образцы полученных полимербитумных вяжущих проявляют общие закономерности с небольшими отличиями, результаты температуры хрупкости показывают наилучшие результаты при содержании полимерного материала в интервале 2,5-5 %. При этом эти лучшие результаты не превосходят результаты БНД, что может обуславливаться низким качеством полимерного вещества, получаемого в среде битума. Измерения температуры размягчения показывают, что в интервале содержания полимерного вещества 1-15 % результаты практически равны и не превышают результаты для БНД, что так же свидетельствует о низком качестве полимерного вещества, но также говорит о не полном протекании процесса полимеризации мономеров в полимер, что приводит к содержанию остаточного мономера, который выступает в качестве разбавителя для полученных ПБВ.
Следует отметить, что переход в вязкотекучее состояние, который мы связываем с наличием излома на кривых пенетрации, происходит на 10-20 градусов ниже, чем температура размягчения, фиксируемая по методу «кольцо и шар». В дальнейшем планируется изучить, как переход в вязкотекучее состояние влияет на свойства полимербитумных композитов.
Работа выполнена на оборудовании, закупленном по программе ПНР-3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Галдина В. Д. Модифицированные битумы. Омск : СибАДИ, 2009. 228 с.
2. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полиме-расфальтобетон. М. : ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2008. 117 с.
3. Житов Р.Г., Кижняев В.Н., Смирнов А.И. Радикальная полимеризация стирола и метилметакрилата в среде нефтяного битума // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 3. С. 25-29.
4. Печеный Б.Г. Битум и битумные композиции. М. : Химия, 1990. 256 с.
5. Гохман Л.М., Гурарий Е.Н. Все начинается с битума // Автомобильные дороги. 2005. № 5. С. 34-37.
Информация об авторах
Житов Роман Георгиевич, младший научный сотрудник, тел.: (3952) 521-102, e-mail: kizhnyaev@chem.isu.ru; Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1.
Лебедева Кристина Юрьевна, студентка кафедры «Автомобильные дороги», тел.: (3952) 40-51-39, e-mail: ad@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Салтанова Юлия Владимировна, студентка кафедры «Автомобильные дороги»; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Алексеенко Виктор Викторович, доцент кафедры «Автомобильные дороги», тел.: (3952) 40-51-39, e-mail: ad@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Zhitov R.G., Associate scientist, tel.: (3952) 521-102, e-mail: kizhnyaev@chem.isu.ru; Irkutsk State University, 1 K. Marksa st., Irkutsk, 664003.
Lebedeva K.IU., undergraduate, Automobile Thoroughfares Department, tel.: (3952) 4051-39, e-mail: ad@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Saltanova IU.V., undergraduate, Automobile Thoroughfares Department; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Alekseenko V.V., Associate Professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: (3952) 40-51-39, e-mail: ad@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 625.745.2
ВОДОПРОПУСКИ НА ДОРОГАХ СЕВЕРА И.А. Иванов, В.Б. Балабанов, А.А. Степаненко
В статье приводится анализ текущего состояния водопропусков на автомобильных дорогах Севера. Рассмотрены причины образования деформаций земляного полотна в местах устройства водопропускных труб. Представлено несколько способов решения проблемы устройства водопропусков на дорогах Севера.
Ключевые слова: автомобильные дороги, водопропуски на автомобильных дорогах, деформация земляного полотна автомобильных дорог, устройство водопропускных труб.
CULVERTS ON ROADS OF THE NORTH I.A. Ivanov, V.B. Balabanov, A.A. Stepanenko
The article analyses the current state of culverts on roads of the North and reasons of subgrade deformation at culverts placing sites. The author suggests several solutions to the problem of culverts placing on roads of the North.
Key words: roads, culverts on roads, subgrade deformation, culverts placing.
Дороги проходят через постоянные водотоки (реки, протоки), а также временные водотоки, образующиеся во время весенних паводков и летних половодий. В меженное время эти последствия часто фиксируются в виде небольших пойменных озер, пересекаемых насыпями автодорог (рис. 1).
Рис. 1. Насыпь автомобильной дороги пересекает протоку. Водопропуск отсутствует, идет активное,
двухстороннее размывание насыпи
