CC BY
0Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru Д.В. Шалбуев, д-р техн. наук, проф. e-mail: shalbuevd@mail.ru Е.О. Рудаков, ст. преподаватель, e-mail: egish2008@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 691.168
ПОВЫШЕНИЕ ДЕФОРМАТИВНО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ОСНОВЕ БИТУМА, МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛОИДНОЙ ДОБАВКОЙ
Представлены результаты исследований изменений деформативно-прочностных характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона с использованием битумного вяжущего, модифицированного коллоидной добавкой. Коллоидная добавка синтезируется методом экстракции в кислотном растворителе с образованием продукта растворения коллагена. Описан механизм влияния модификатора на изменение микроструктуры вяжущего и основные свойства битума. Введение коллоидной добавки в битумное вяжущее позволяет регулировать температуру размягчения (по методу «Кольцо и шар»), глубину проникновения иглы, кажущуюся вязкость. Щебеночно-мастичный асфальтобетон на основе битума, модифицированного коллоидной добавкой, имеет повышенные физико-механические характеристики. Установлена зависимость изменения свойств битумного вяжущего и ЩМА от количества модификатора.
Ключевые слова: асфальтобетон, щебеночно-мастичный асфальтобетон, добавки, структура, свойства.
L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof.
D.V. Shalbuev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
E.O. Rudakov, Senior Lecturer
IMPROVING THE DEFORMATION AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF CRUSHED STONE-MASTIC ASPHALT CONCRETE BASED ON BITUMEN MODIFIED WITH A COLLOIDAL ADDITIVE
The results of laboratory studies of changes in the deformation and strength characteristics of crushed stone-mastic asphalt concrete using a bituminous binder modified with a colloidal additive are presented; the mechanism of the modifier's influence on the change in the microstructure of the binder and the main properties of bitumen are described. By extraction method, a colloidal additive is synthesized in an acidic solvent -the product of collagen dissolution. The introduction of a colloidal additive into the bituminous binder allows you to adjust its properties such as the softening temperature (according to the Ring and Ball method), the depth of penetration of the needle, and the apparent viscosity. Crushed stone-mastic asphalt concrete based on bitumen modified with a colloidal additive has increased physical and mechanical characteristics. The dependence of the change in the properties of bituminous binder and lime on the amount of the modifier is established.
Key words: asphalt concrete, crushed stone-mastic asphalt concrete, additives, structure, properties.
Введение
Ежегодно в Республике Бурятия растет число строящихся и ремонтируемых автомобильных дорог. Динамика развития автотранспортного грузооборота и пассажирских перевозок требует высоких эксплуатационных показателей от дорожных сооружений и, в первую очередь, от покрытия [ 1].
Широкое распространение получает устройство дорожных покрытий из щебеночно-ма-стичного асфальтобетона (ЩМА), что обусловлено рядом его преимуществ перед традиционным асфальтобетоном. Высокая стабильность и долговечность покрытия из ЩМА за счет
устойчивости к разрушению под воздействием транспортных потоков и природных климатических условий; отличная сдвигоустойчивость, снижающая риск возникновения деформаций при больших нагрузках, и значительное снижение шума при движении автотранспорта - все это обеспечивает прекрасные эксплуатационные характеристики дорожного покрытия [2, 3].
Однако, несмотря на преимущества использования ЩМА, имеется препятствие его широкому внедрению в дорожное строительство страны: битум, выполняющий роль вяжущего в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона, не всегда обладает высокими показателями качества и стабильности.
Цель работы - разработка дорожного покрытия на основе ЩМА, удовлетворяющего следующим требованиям:
- устойчивость к колееобразованию (повышение сдвигоустойчивости);
- термоустойчивость (повышение прочности покрытия при высоких летних и низких зимних температурах);
- повышенная трещиностойкость;
- повышенная устойчивость к воздействию воды.
Материалы
Повышение качественных показателей битумного вяжущего в составе щебеночно-ма-стичных асфальтобетонов возможно за счет использования различных по составу и свойствам химических добавок, в том числе коллоидных добавок. За счет введения коллоидных, полимерных или наноструктурных добавок возможно изменение структуры битума, повышение его пластичности, температурной стабильности, улучшение адгезионных свойств, устойчивости к воздействию воды.
В качестве модифицирующей коллоидной добавки для битума использована коллаген-содержащая добавка различных составов - продукт растворения коллагена (ПРК), получаемый обработкой отходов кожевенного производства и некондиционного кожевенного сырья [4]. Для синтеза ПРК применяются растворы, в качестве которых используют кисломолочную композицию (КМК) [1]. Кисломолочная композиция имеет величину титруемой кислотности 250-300 оТ, концентрацию кислоты не менее 25-30 г/дм3 и активную реакцию среды не более 4. Различаются ПРК применяемой в их составе кислотой: уксусной, муравьиной, молочной [4]. В исследованиях использовали ПРК, имеющий следующие характеристики: плотность -1,033 г/дм3, pH - 5,4; концентрация белка - 8,0 г/дм3, массовая доля сухого остатка - 9, 58 %.
Вязкость битума определяли на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+ Pro (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ) с установленным шпинделем RV2 для измерения динамической вязкости образцов в диапазоне от 100 до 40 000 000 сПз, со скоростью вращения шпинделя 1 об./мин для 60 °С и 40 об./мин для 135 °С.
ИК-спектроскопический анализ образцов битума проведен в лаборатории молекулярной спектроскопии ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ. Параметры эксперимента: ИК-Фурье спектрометр Nicolet-380, приставка Smart ITR, окно: алмаз, скан: 32, разрешение: 4, диапазон длин волн 500-4000 см-1.
Результаты и обсуждение
Реологические свойства битумного вяжущего. Важным параметром, влияющим на способность битума сопротивляться пластическим деформациям, является его вязкость при температурных режимах во время приготовления щебеночно-мастичной смеси. Поэтому необходимо было определить вязкость битума с коллоидной добавкой.
С целью установления изменений вязкости битумного вяжущего после введения коллоидной добавки были подготовлены и исследованы образцы битума БНД 100/130 с введением ПРК в гелеобразном виде и в виде сухого остатка. Для сравнения произведен анализ применя-
емой добавки с пищевым желатином марки К-13 по ГОСТ 11293-89, поскольку желатин является гидролизованным коллагеном [5]. Кажущаяся вязкость дорожных битумов регламентируется при значениях температуры 60 и 135 °С.
Были подобраны следующие составы битумного вяжущего:
1. К (контрольный образец) - битум БНД 90-130.
2. Битум БНД 90/130 + 1% желатина по массе.
3. Битум БНД 90/130 + 3% ПРК (в виде геля).
4. Битум БНД 90/130 + 0,3 % ПРК (в виде сухого остатка).
Введение желатина в количестве 1 % от массы битума повышает кажущуюся вязкость на 29 % при 135 °С и на 84 % при 60 °С органического вяжущего (рис. 1). Введение добавки ПРК в виде геля в количестве 3 % от массы битума снижает кажущуюся вязкость на 24,5 % при 135 °С и на 8,9 % при 60 °С. Введение добавки ПРК в виде сухого остатка в количестве 0,3 % от массы битума снижает кажущуюся вязкость на 6,4 % при 135 °С и на 44,3 % при 60 °С.
Вязкость, сПз а
Вязкость, сПз б
Рисунок 1 - Результаты определения вязкости битума при температуре: а - 135 °С; б - 60 °С: 1 - битум БНД 90-130; 2 - битум БНД 90/130 + 1 % желатина по массе; 3 - битум БНД 90/130 + 3% добавка 3 (гель); 4 - битум БНД 90/130 + 0,3 % добавка 3 (сухой остаток)
Введение ПРК, в противоположность желатину, повышает пластичность битума, снижая вязкость в обоих регламентированных температурных режимах. Введение ПРК в виде сухого остатка в большей степени снижает вязкость битумного вяжущего, чем в виде геля, что технологически при производстве щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси может дать возможность использовать более низкие температурные режимы эксплуатации дорожного покрытия.
Введение коллоидной добавки показало не только изменение вязкости битума, но и изменение температуры размягчения [6]. С учетом изменения вышеуказанных свойств битума такой эффект, по литературным данным, может зависеть от изменения группового состава битума [7].
Для изучения изменений группового состава проведен ИК-спектроскопический анализ подготовленных образцов битума (рис. 2).
48482302235353232348230223482323234823022348
8953239153234823482302234823232348230223482323234823022348
см-1
Рисунок 2 - Сравнительный спектр всех образцов битума: синий цвет - образец 1, фиолетовый - образец 2, зеленый - образец 3, красный - образец К
Сравнение ИК-спектров образцов исходного и модифицированного битумов показало наличие характерных для битумов интенсивных полос в области 3000-2800 см-1 - валентные колебания СН- и СН2 -групп, в области 1460 см-1 - деформационные колебания СН2 и в области 1377 см-1 - деформационные колебания СН3, со снижением интенсивности для всех полос образцов с модификатором. Данные полосы всегда присутствуют в спектрах предельных углеводородов, парафинов и масел. В спектрах образцов 1 и 2 в отличие от контрольного образца наблюдаются слабые полосы поглощения в области 2300-2420 см-1, которые можно отнести к валентным колебаниям группы ОН в Р—О (Н) [7].
Высокочастотный пик в области 3020 см-1 у контрольного образца битума можно отнести к валентным колебаниям гидроксильных групп ОН-, не ассоциированных водородной связью. Введение коллагенсодержащей добавки приводит к ослаблению пика и уменьшению соответствующей ему интенсивности ИК-спектров. Это изменение связано с перестройкой водородных связей битума с введением модификаторов и усилению структурированности битума.
Предложенный ПРК, как и желатин, обладает способностью к набуханию в жидкой среде. Рассматривая битум как систему коллоидного характера, в которой мелкие частицы ас-фальтенов образуют дисперсную фазу, а смесь масел и смол является дисперсионной средой, предположили, что коллаген в дисперсионной среде битума способен набухать, таким образом, армируя битумное вяжущее, что объясняет такое изменение свойств битума, как рост температуры размягчения по кольцу и шару (КиШ), уменьшение глубины проникновения иглы, вязкости и т. д. [5-7].
Исследования показали, что образцы битума с добавкой ПРК и без нее различаются размерами «пчелоподобных» структур, демонстрируя равномерное их распределение в объеме вяжущего [5]. Введенные в битумную систему сухие добавки (желатин и сухой ПРК) лучше набухают в дисперсионной среде битума и, по всей видимости, создают в ней свою собственную структуру, которая тем самым при охлаждении препятствует повторной ассоциации смо-
листо-асфальтеновых веществ в структурные образования большого размера, поэтому фиксируемые структурные упорядоченные образования уменьшаются в размере. Указанные изменения микроструктуры битумного вяжущего способствуют улучшению его характеристик
Для определения изменения свойств ЩМА с использованием битума, модифицированного коллоидной добавкой, были разработаны составы ЩМА по ГОСТ 31015-2002 (табл.).
Для подготовки образцов модифицированного ЩМА были подобраны составы ЩМАС-20 с использованием битума БНД 100/130 (ГОСТ 22245-90) производства АО «Ангарская нефтехимическая компания» со стабилизирующей добавкой СД-3 ГБЦ производства ООО «Фирма ГБЦ», щебня и отсевов дробления карьера «Николаевский» (г. Улан-Удэ), минерального порошка производства ОАО «Горная компания "Татарский ключ"» с содержанием добавки ПРК в виде сухого остатка в количестве 0,3 % от массы битума.
Таблица
Свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона с коллоидной добавкой
Показатель Требования ГОСТ 31015-2002 для I дорожно-климатической зоны Контрольный состав Добавка ПРК 0,3 %
Средняя плотность, г /см3 не нормируется 2,35 2,36
Предел прочности при сжатии, 50 °С, МПа не менее 0,60 0,92 1,36
Предел прочности при сжатии, 20 °С, МПа не менее 2,00 2,50 3,20
Водонасыщение, % 1,00-3,50 3,20 3,10
Коэффициент внутреннего трения не менее 0,92 0,92 0,99
Сцепление при сдвиге, 50 °С, МПа не менее 0,16 0,20 0,32
Трещиностойкость - предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С, МПа 2,00-5,50 2,90 3,19
Водостойкость при длительном водонасыщении не менее 0,90 1,10 1,2
Анализ полученных результатов показал, что все серии образцов соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002. При этом использование коллоидной добавки ПРК, обусловливающее изменение состава и структуры вяжущего, приводит к изменению физико-механических свойств и деформативных щебеночно-мастичного асфальтобетона: образцы на основе модифицированного битума характеризуются повышенными по сравнению с исходным ЩМА прочностными характеристиками при различных температурах.
При использовании модифицированного битума значительно улучшаются деформатив-ные свойства ЩМА: коэффициент внутреннего трения увеличивается на 8,5 %, сцепление при сдвиге при 50 °С - на 60 %, трещиностойкость - на 10 %. Считаем, что это связано с введением коллоидной добавки и уменьшением количества битума в объемном состоянии, более полным переводом его в структурированное состояние, поэтому щебеночно-мастичный асфальтобетон будет длительное время сохранять устойчивость к пластическим деформациям в большом диапазоне температур, меньше подвергаться трещинообразованию, выдержит большее количество знакопеременных колебаний температуры воздуха.
Введение коллоидной добавки улучшает коэффициент теплостойкости ЩМА. При введении ПРК в количестве 0,3 % коэффициент теплостойкости увеличился в 1,14-1,20 раза, что уменьшит риск возникновения пластических деформаций, возникающих в летний период эксплуатации дорожного покрытия.
Выводы
Результаты исследований влияния коллоидных добавок на битумное вяжущее и деформационно-прочностные характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 позволяют сделать следующие выводы:
- введенные в битумную систему сухие добавки (желатин и сухой ПРК) лучше набухают в дисперсионной среде битума и, по всей видимости, создают в ней собственную структуру, которая препятствует повторной ассоциации смолисто-асфальтеновых веществ в структурные образования большого размера, поэтому фиксируемые структурные упорядоченные образования уменьшаются в размере. Указанные изменения микроструктуры битумного вяжущего способствуют улучшению его характеристик;
- для щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 применение коллоидных добавок привело к существенному росту деформативно-прочностных показателей;
- использование коллоидной добавки в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона является эффективным направлением в решении задач ресурсосбережения, так как позволяет не только продлить сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий, но и решить задачу использования вторичных ресурсов.
Библиография
1. Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Чепур П.В. Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути ее решения // Современные наукоемкие технологии. - 2016. - № 3. -С.307-310.
2. Голубева Е.А., ЧистяковЮ.П. Опыт применения ЩМА // Мир дорог. - 2017. - № 98. - С. 49-52.
3. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. - Нижний Новгород: Изд-во ННГАСУ. - 2009. - 65 с.
4. Патент № 2486258 РФ, МПК C14C1/08. Способ получения продуктов растворения коллагена / Шалбуев Дмитрий Валерьевич (RU), Жарникова Елена Владимировна (RU); Патентообладатели Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» (RU), Общество с ограниченной ответственностью «Малое инновационное предприятие "ЭКОМ"» (RU). - Заявка: 2012100584/13, 10.01.2012; дата публикации заявки: 27.06.2013.
5. Рудаков Е.О., Урханова Л.А., Шадринов Н.В. и др. Структурно-морфологический анализ битумного вяжущего, модифицированного коллоидной добавкой // Строительные материалы. - 2019. -№ 11. - DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-00-00
6. РудаковЕ.О., УрхановаЛ.А., ШалбуевД.В. Асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетоны с применением коллоидных добавок // Вестник ВСГУТУ. - 2015. - № 6 (57). - С. 38-42.
7. Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shalbuyev D.V. Efficient stonemastic asphalt with use of the colloid additives // Journal of Fundamental and Applied Science. - 2016. - DOI: http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i2s.578
Bibliography
1. Yastremsky D.A., Abaidulina T.N., Chepur P.V. The problem of increasing the durability of asphalt concrete pavement and ways to solve it // Sovremennye naukoemkie technologii. - 2016. - N 3. - P. 307-310. (In Russian).
2. Golubeva E.A. Chistyakov Yu.P. Experience using crushed stone mastic asphalt concrete // Mir Dorog. - 2017. - N 98. - P. 49-52. (In Russian).
3. Kostin V.I. Shchebenochno-mastichnyy asfal'tobeton dlya dorozhnykh pokrytiy [Crushed stone mastic asphalt concrete for road surfaces]. - N. Novgorod: NNGASU. - 2009. - 65 p.
4. Patent N 2486258 Russian Federation, MPK C14C1/08. Way of receiving products of dissolution of collagen / Shalbuyev Dmitry Valeryevich (RU), Zharnikova Elena Vladimirovna (RU); Patent holders Federal public budgetary educational institution of higher education "East Siberia state university of technologies and management" (RU), Limited liability company "Small innovative enterprise "Ekom"" (RU); Demand:
2012100584/13, 10.01.2012; date of the publication of the demand: 27.06.2013.
5. Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shadrinov N.V. et al. Structural and morphological analysis of bituminous binder modified with colloidal additive. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. - 2019. -N 11. (In Russian). - DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-00-00
6. Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shalbuev D.V. Asphalt concrete and crushed stone-mastic asphalt concrete with the use of colloidal additives // Vestnik VSGUTU [Bulletin of ESSUTM]. - 2015. - N 6 (57). -P.38-42.
7. RudakovE.O., UrkhanovaL.A., ShalbuyevD.V. Efficient stone-mastic asphalt with use ofthe colloid additives // Journal of Fundamental and Applied Science. - 2016. - DOI: http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i2s.578
