ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО КОНЦЕНТРАТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 652.852

doi: 10.55287/22275398 2022 2 5

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО КОНЦЕНТРАТА

В. А. Денисов

A. Е. Акимов

B. В. Ядыкина А. М. Гридчин

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, Белгород, Российская Федерация

Аннотация

Главная проблема при применении полимерасфальтобетонов в дорожном строительстве — производство и использование полимерно-битумного вяжущего. Классическая технология достаточно ресурсоемка, требует специального производственного оборудования и не обеспечивает необходимого качества получаемого вяжущего, отвечающего современным эксплуатационным требованиям. Применение специализированного модификатора ПБК-1 позволяет исключить сложные и энергоемкие технологические процессы и значительно повысить характеристики получаемого вяжущего. Данная работа посвящена исследованию особенностей эксплуатационных свойств и надежности асфальтобетонов с применением модификатора ПБК-1.

Ключевые слова

полимерно-битумный концентрат, ПБК-1, полимерасфаль-тобетон, усталостная долговечность, эксплуатационная надежность, колееобразование

Дата поступления в редакцию

25.07.22

Дата принятия к печати

05.08.22

Рост интенсивности и скорости движения автотранспорта требуют повышенной стойкости асфальтобетона к усталостным напряжениям и сопротивляемости к возникновению пластических деформаций. Вышеозначенные проблемы могут быть решены путем применения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) [1-3]. Однако, существует ряд проблем, ограничивающих их использование при производстве асфальтобетонных смесей: высокая цена ПБВ заводского производства, проблемы с логистикой, сложность выпуска ПБВ силами дорожно-строительных организаций, склонность к старению ПБВ, недостаточная эксплуатационная надежность [4].

В БГТУ им. В.Г. Шухова совместно с компанией «Селена» разработан модификатор ПБК-1 (полимерно-битумный концентрат) для битумных вяжущих, позволяющий получить полимер-мо-дифицированный битум без применения сложной многостадийной технологии производства и, соответственно, лишенный недостатков традиционного ПБВ. Полученное битумное вяжущее

г

м О

-I

м

Э СО

а

с! х * *

СО ч ■ га со г

1« ' 5

Й ° О г

И' 3 I

. н

ш га

< Г

т

О и

<и

X X

ш и

с! Э ^ 2

с и . о

соответствует техническим требованиям ГОСТ Р 52056, предъявляемым к ПБВ на основе полимера типа стирол-бутадиен-стирол. Проведенные исследования показали эффективность модификации данной добавкой: модифицированное вяжущее характеризуется высокой температурой размягчения в сочетании с низкой температурой хрупкости, после модификации ПБК-1 битумное вяжущее приобретает высокую эластичность, стойкость к старению по сравнению с ПБВ, произведенном по традиционной технологии [6]. Указанные особенности модифицированного битума должны положительно отразиться на свойствах асфальтобетона.

Целью данной работы являлось исследование эксплуатационных свойств асфальтобетонной смеси, показывающие эффективность применения модификатора ПБК-1. Для проведения исследований был выбран асфальтобетон SMA-16, подобранный в соответствии с требованиями ГОСТ 58401.2.

Модифицированное битумное вяжущее было получено путем введения в битум БНД 70/100 модификатора ПБК-1 в количестве 8% по массе. Распределение добавки в объеме битума производилось лопастной мешалкой при температуре 155 °С в течение 30 мин. Затем, для стабилизации структуры вяжущего оно выдерживалось еще 15 мин.

В качестве образца сравнения было выбрано вяжущее ПБВ 60 заводского производства, полностью удовлетворяющее требованиям ГОСТ Р 52056.

Асфальтобетон 8МЛ-16 был подобран по требованиям ГОСТ 58401.2 и включал в свой состав: гранитный щебень фракций 4-8 и 8-16, отсев дробления гранита фракции 0-4, известняковый минеральный порошок, стабилизирующую добавку «Нанобит».

Перед проведением экспериментов по определению долговечности и эксплуатационной надежности, подобранный асфальтобетон был испытан на соответствие физико-механических характеристик требованиям ГОСТ. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний асфальтобетона SMA-16

Показатели Требования ГОСТ Р 58401.2 Фактические данные

Содержание воздушных пустот, % 4±0,3 4,1

Содержание пустот в минеральном заполнителе, % Не менее 17 18,5

Стекание вяжущего, % Не более 0,3 0,20

Водостойкость TSR Не менее 0,80 0,93

Результаты испытаний асфальтобетонной смеси SMA-16 показали соответствие характеристик полученного материала требованиям технических условий, в том числе по показателю содержания воздушных пустот и стеканию вяжущего, что свидетельствует о правильном подборе состава.

При этом необходимо отметить, что образцы на исследуемом вяжущем достигают требуемого коэффициента водостойкости без введения адгезионной добавки.

Эффективность работы асфальтобетона в конструкции дорожной одежды определяется сопротивляемостью кратковременному и долговременному нагружению и модулем упругости материала [6]. Динамический модуль упругости определялся под нагрузкой, прикладываемой с частотой 10 Гц при различных температурах в соответствии с ГОСТ 58401.12. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2

Динамические модули упругости асфальтобетона

Наименование материала Динамический модуль упругости, МПа при температуре, °С

10 20 30 40 50

8МЛ-16 на БНД 70/100 8608 5257 2631 1148 739

8МЛ-16 на ПБВ 60 9350 5819 3409 1718 1038

8МЛ-16 на БНД 70/100+ПБК-1 9286 5530 3250 1569 949

Модули упругости асфальтобетона на исследуемом вяжущем, полученные при различных температурах, выше, чем на исходном битуме, и приближаются к таковым значениям, полученным на ПБВ заводского приготовления.

Анализ полученных результатов показывает, что модуль упругости асфальтобетона на модифицированном вяжущем выше на 7.9, 23.5 и 36.7% при температурах 10, 30 и 40 °С соответственно. При этом асфальтобетон на ПБВ 60 превосходит по модулям упругости материал на исходном битуме на 8.6, 29.6 и 49.6% при тех же температурах. Таким образом, асфальтобетон на модифицированном вяжущем по деформативным характеристикам приближается к полимерасфальтобетону.

Помимо динамического модуля упругости, интерес представляет статический модуль, определяемый по аналогичной схеме при времени воздействии нагрузки в течении 10 с. Результаты измерения статического модуля упругости приведены в таблице 3.

Таблица 3

Статические модули упругости асфальтобетона

Наименование материала Статический модуль упругости, МПа при температуре, °С

10 20 30 40

8МЛ-16 на БНД 70/100 4486 1787 780 384

8МЛ-16 на ПБВ 60 5062 2454 1117 702

8МЛ-16 на БНД 70/100+ПБК 5704 2254 1085 683

03

г

м О

-I

м

Э СО

а

с! х * *

СО ч ■ га со г

1« ' 5

Й ° О г

И' 3 I

. н

ш га

< Г

О л

£ £ X X ш и

с! Э ^ 2

с и . о ей с

Полученные данные показывают, что статический модуль упругости при модификации битума добавкой ПБК-1 повышается на 27.1, 39.1, и 77.8% при температурах 10, 30 и 40 °С соответственно. При применении в качестве вяжущего ПБВ 60 статические модули упругости увеличились на 12.8, 37.3, 43.2 и 82.8% при аналогичных условиях испытания.

Необходимо отметить существенный рост модуля упругости при температуре свыше 30 °С, что свидетельствует о большей стабильности прочностных показателей на вяжущем, модифицированным добавкой ПБК-1.

Один из главных показателей асфальтобетона — усталостная долговечность, характеризует стойкость асфальтобетонных покрытий к накоплению усталостных напряжений, и, соответственно, образованию трещин. Испытания проводились по условиям ГОСТ Р 59280 на образцах-шайбах толщиной 40 мм. При этом, нагрузка прикладывалась по схеме «растяжение при расколе». Результаты испытаний приведены на рисунке 1.

Количество циклов

Рис. 1. Разрушение образца SMA-16 на ПБВ 60 и БНД 70/100+ПБК под действием многократного нагружения

Полученные результаты свидетельствуют о том, что снижение жесткости до 50% от первоначальной исследуемого образца асфальтобетона, изготовленного на модифицированном ПБК-1 вяжущем, происходит в 1,7 раза дольше, а для его полного разрушения требуется в 2,4 раза больше циклов нагружения, чем для разрушения контрольного образца на ПБВ 60.

Кроме того, необходимо обратить внимание на динамику нарастания усталостных напряжений. Из рисунка видно, что 50% потери жесткости асфальтобетона на ПБК-1 приходится на 70% общего числа приложений нагрузки, а на контрольном образце жесткость падает лавинообразно, отработав к тому времени 90% всех приложений. Установлено, что количество циклов, при котором покрытие из асфальтобетона на ПБК-1 разрушится окончательно после достижения 50% изначальной жесткости, незначительно превосходит общий ресурс асфальтобетона на вяжущем ПБВ 60 (от нулевого цикла до полого разрушения), а именно 5420 и 5349 соответственно.

Серьезной проблемой эксплуатации автомобильных дорог с большими осевыми нагрузками является колееобразование. Проведены испытания подобранных составов ЩМА на битуме, модифицированном ПБК, и на традиционном заводском ПБВ на устойчивость к образованию колеи, которые позволяют прогнозировать срок службы асфальтобетонного покрытия. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4

Показатели стойкости к накоплению пластических деформаций

Наименование образца Интенсивность образования колеи, мм/1000 циклов Глубина колеи, мм Пропорциональная глубина колеи, %

SMA-16 на ПБВ 60 0.07 2.5 6.3

SMA-16 на БНД 70/100 0.04 2.2 5.4

Установлено, что устойчивость к накоплению остаточных деформаций ЩМА на модификаторе ПБК-1 превышает аналогичные значения асфальтобетона на ПБВ 60 в части интенсивности ее образования практически в два раза, а это означает, что критическая глубина колеи будет достигнута значительно позже. Ожидаемый срок отказа покрытия с применением модификатора по критерию пластических деформаций по результатам эксперимента на 75% больше, чем покрытия без модификации вяжущего.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Работа выполнена в рамках Программы «Приоритет 2030» на базе БГТУ им. В. Г. Шухова. Работа выполнена с использованием оборудования ЦВТ на базе БГТУ им. В. Г. Шухова.

03

г

м О

-I

м

Э СО

а

Выводы

Применение модификатора ПБК-1 позволяет получить композит, соответствующий по эксплуатационным свойствам полимерасфальтобетону на ПБВ заводского производства. Несмотря на то, что динамический и статический модули упругости асфальтобетона с модификатором ПБК-1 ниже, чем асфальтобетона с ПБВ, они значительно превосходят данные показатели, полученные на асфальтобетоне с исходным битумом БНД 70/100. Эффективность модификации вяжущего также показывают значения динамических и статических модулей упругости при температурах свыше 30 С, что свидетельствует о меньшей потере несущей способности слоя покрытия на модифицированном битуме.

Меньшая жесткость битума с добавкой ПБК-1 привела к значительному увеличению способности органоминерального композита к релаксации внутренних напряжений, в результате чего ресурс асфальтобетона по усталостному трещинообразованию значительно возрос. При этом, стойкость к пластическим деформациям также увеличилась.

с! х

* £

СО ч

■ га

со х

1« ' 5

Й °

О х

И

3 I

. н

ш га

< Г

О л

£ £

X X

ш и

с! Э

^ 2

с и

. о

ей с

Библиографический список

1. Евдокимова Н. Г. Разработка научно-технологических основ производства современных битумных материалов как нефтяных дисперсных систем: дис. ... д-ра техн. наук. М.: РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2015. 417 с

2. Вольфсон С. И., Хакимуллин Ю. Н., Закирова Л. Ю., Хусаинов А. Д., Вольфсон И. С., Макаров Д. Б., Хозин В. Г. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств. Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №17. С. 29 - 33.

3. Гохман, Л. М. Направление дальнейших исследований ПБВ и полимерасфальтобетона / Л. М. Гохман // Ассоциация исследователей асфальтобетона: Ежегодная научная сессия, Москва, 29 января 2019 года.—Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Техполиграфцентр», 2019. — С. 39 - 46

4. Рыбачук Н. А. Проблемы производства полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве // Вестник ИрГТУ — 2015. — № 5. — С. 98 - 105

5. The advantages of using polymer-bituminous concentrate for the production of polymer- bituminous binders Denisov V P., Akimov A. E, Yadykina V V / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Buildintech bit 2020. Innovations and technologies in construction. 2020. С. 012050.

6. Onishchenko, A., Stolyarova, L., Bieliatynskyi, A.: Evaluation of the durability of asphalt concrete on polymer modified bitumen. E3S Web of Conferences 157, 06005 (2020).

INCREASING THE OPERATIONAL RELIABILITY OF ASPHALT CONCRETE THROUGH THE USE OF POLYMER-BITUMEN CONCENTRATE

V. P. Denisov A. E. Akimov V. V. Yadykina A. M. Gridchin

Belgorod State Technological University. Named after V.G. Shukhov, Belgorod, Russian Federation

Abstract

The main problem of the use of polymer asphalt concrete in road construction is the production and use of polymer-bitumen binder. The classical technology is quite resource-intensive, requires special production equipment and does not provide the required quality of the resulting binder that meets modern operational requirements. The use of

The Keywords

polymer-bitumen concentrate, PBK-1, polymer asphalt concrete, fatigue life, operational reliability, wheel tracking.

a specialized modifier PBK-1 makes it possible to exclude complex and energy-intensive technological processes and significantly improve the characteristics of the binder being taught. This work is devoted to the study of the features of the operational properties and reliability of asphalt concrete using the PBK-1 modifier.

Date of receipt in edition

25.07.22

Date of acceptance for printing

05.08.22

Ссылка для цитирования:

В. П. Денисов, А. Е. Акимов, В. В. Ядыкина, А. М. Гридчин. Повышение эксплуатационной надежности асфальтобетона за счет применения полимерно-битумного концентрата. — Системные технологии. — 2022. — № 43. — С. 5 - 11.

Z м О -I м Э 00

<

I :

iis * *

со q ■ re со x

Й 0 О x

H

s i

. н

ш re

< IT

tog

О rn

£ i

X X

ш <U

d 3

с ¡S

. о

GO E