CC BY
91
УДК 625.7.06
В. С. Осипчик, Н. В. Костромина, Ю. В. Олихова, В. Н. Ивашкина, В. М. Аристов, С. А. Сербин
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
РЕЗИНОНАПОЛНЕННЫХ БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
Ключевые слова: дорожный битум, резинонаполненные вяжущие, полимерный модификатор, резиновая крошка.
Рассмотрены вопросы повышения качества дорожных вяжущих путем модификации нефтяных дорожных битумов с использованием комплексного полимерного модификатора. Изучено влияние добавок модификатора на стандартизованные физико-механические показатели полимерно-битумных вяжущих. Представленные результаты подтверждают возможность повышения качества модифицированного дорожного вяжущего и перспективу задачи утилизации отработанных шин. Испытания армированных модифицированных материалов показали высокую стабильность характеристик.
Key words: road bitumen, rubber-filled binders, polymer modifier, rubber crumb.
The problems of improving the quality of road binders by modifying the oil road bitumen using an integrated polymer modifier. The effect of modifying additives on standardized physical and mechanical properties of polymer-bitumen binders. These results confirm the possibility of improving the quality of the modified binder and road-term objectives disposal of waste tires.
Введение
Основное назначение нефтяного дорожного битума - связывание минерального состава смеси в единое целое с целью обеспечения технологических и эксплуатационных характеристик дорожных покрытий в условиях воздействии автотранспорта и климатических факторов. Одной из главных причин преждевременного разрушения дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий является низкое качество применяемых дорожных битумов. Опыт эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий свидетельствует о том, что для увеличения срока службы дорожных покрытий необходимо создание прочных асфальтобетонных смесей, свойства которых зависят от качества связующего битума [1].
Структурообразующим компонентом
асфальтобетонной смеси является битумное вяжущее, которое в значительной мере определяет эксплуатационные свойства конечного продукта -асфальтобетона [2, 3]. Долговечность дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий напрямую связана с качеством используемых материалов и, в первую очередь, битума, как основного компонента вяжущего. Причина малой долговечности дорожных покрытий - плохая адгезия битума к минеральным материалам (особенно кислых пород), низкая термоокислительная стабильность, высокое содержание парафиновых углеводородов, относительно малый диапазон эластичности, склонность битумов к хрупкости при пониженных температурах и под воздействием возросшей интенсивности транспортного потока [1, 2].
В связи с вышеизложенным была сформулирована основная цель работы -разработать вяжущее для дорожных покрытий, обеспечивающее надёжную эксплуатацию в асфальтовых смесях.
Использование в составе битумных вяжущих для дорожного строительства резиновой крошки,
получаемой переработкой изношенных
автомобильных шин, камер и других отходов резинотехнических изделий, в которых содержится большое количество антиоксидантов, придающих высокую стойкость материала к нагреву и термоокислительной деструкции, является развивающимся направлением модифицирования свойств битумов [1-4]. Целесообразность подобного направления применения резиновой крошки определяется желанием не только обеспечить возможность утилизации достаточно больших объемов отходов переработки автопокрышек, но и вторично использовать специфические свойства (эластичность) резины.
Экспериментальная часть
В работе использовали битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90. Для модификации битумных вяжущих с целью увеличения температуры размягчения, снижения температуры хрупкости, улучшения адгезии, морозо- и износостойкости, придания вяжущим эластичности, а, следовательно, способности к большим эластичным деформациям, в их состав вводят полимерные модификаторы различной природы [3-8]. Полимерные модификаторы битума предполагают создание в нем надмолекулярных структур в виде физической или химической сетки [9-12]. В качестве активных добавок в работе были использованы кремнийорганические блок-сополимеры - полисилоксан-полиоксиалкиленовые блок-сополимеры, молекулы которых включают гидрофобные полиорганосилоксановые и гидрофильные полиоксиалкиленовые блоки, а также глицидилсодержащие полиэфиры. Для наполнения битумного вяжущего использовали резиновую крошку дисперсности до 0,5 мм.
Для улучшения теплостойкости и равномерного распределения резиновой крошки в битумном вяжущем использовали модифицированную алюмосиликатную глину - органобентонит.
Оптимизацию составов проводилась с использованием следующих параметров:
- температура размягчения по кольцу шару (КиШ) - характеризует способность вяжущего сохранять свои свойства при повышенных температурах (ГОСТ Р 52056-2003);
- глубина проникновения иглы (пенетрация) при 25 0С и 0 0С - параметр, характеризующая пластичность материала (ГОСТ Р 52056-2003);
- изменение пластичности материала после выдержки при 160 0С в течение 5 ч - характеризует устойчивость материала к термоокислительной деструкции;
- остаточная деформация - параметр, характеризующей способность материала к релаксации;
- адгезия к минеральному наполнителю -характеризует сцепление битумного вяжущего с минеральным наполнителем (ГОСТ 11508);
- однородность (гомогенность) вяжущего (ГОСТ Р 52056-2003).
Результаты и их обсуждение
В процессе приготовления резино-битумного вяжущего набухание, диспергирование и растворение резины проводили в битуме при температуре 140 0С. При контакте с легкими масляными фракциями битума происходило набухание резины, сопровождающееся увеличением её массы, и вымывание из резины растворимых в среде ингредиентов с уменьшением ее массы Одновременно с процессом набухания при производстве резинобитумного вяжущего идет процесс термодеструкции резинового порошка в среде битума. Использование в качестве модификаторов битума БНД 60/90 резиновой крошки, глицидилсодержащего полиэфира, кремнийорганических блоксополимеров и органобентонита, позволило получить гомогенные, без расслаивания, резинонаполненные битумные вяжущие.
Показатель однородности битумного вяжущего с увеличением содержания в нём резиновой крошки снижался, что объясняется наличием твердых включений резины. Наличие твердых включений вызывает некоторые сложности при работе с такими вяжущими, однако проблема равномерного распределения резиновой крошки была вполне решаема при использовании кремнийорганического блок-сополимера, повышающего гомогенность системы.
При использовании глицидилсодержащего полиэфира в качестве модификатора наблюдалось повышение устойчивости резинонаполненного вяжущего к термоокислительной деструкции, что проявлялось в незначительном изменении пенетрации после термостатирования образцов при 160°С в течение 5 ч. Резинонаполненные битумные вяжущие после термостатирования образцов при 160°С в течение 5 ч снижали свою пластичность при 25°С на 10%, при 0 °С - на 12%. При использовании глицидилсодержащего полиэфира в качестве модификатора резинонаполненных битуменых
вяжущих в количестве от 1% до 3% после термостатирования образцов при 160°С в течение 5 ч наблюдалось снижение пластичность при 25 °С на 2 %, при 0 °С - на 8% . Аналогичным образом влиял на термокислительную деструкцию органобентонит: после термостатирования образцов при 160°С в течение 5 ч они снижали свою пластичность при 25°С на 3 %, при 0°С - на 7 %.
Влияние компонентов, входящих в состав резинобитумного вяжущего, на пенетрацию и деформационную устойчивость при повышении температуры представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние компонентов, входящих в состав резинобитумного вяжущего, на его свойства
Состав Пенетрация 25 °С / КиШ °С
0 °С, мм
битум 60 / 20 47
80 % битум + 20% резиновая крошка 75 / 32 76
79% битум + 20%
резиновая крошка + 0,5% органобентонит 63 / 31 72
79,5% битум + 20%
резиновая крошка + 0,5 % кремнийорганический блок-сополимер 65 /31 72
79% битум + 20%
резиновая крошка + 1% глицидилсодержащий полиэфир 64 /32 65
78 % битум + 20%
резиновая крошка + 1%
глицидилсодержащий полиэфир + 0,5% органобентонит + 0,5 % 63 /30 72
кремнийорганический блок-сополимер
Комплексный модификатор на основе резиновой крошки, глицидилсодержащего полиэфира, органобентонита и кремнийорганического блок-сополимера эластифицирует битумное вяжущее при пониженной температуре и повышает его деформационную устойчивость (КиШ).
Для оценки растяжимости при комнатной температуре образцов битума, модифицируемого компонентами, входящими в состав резинобитумного вяжущего, использовали методику, разработанную в Тамбовском государственном техническом университете [13].
На рис. 1 представлены результаты испытаний.
Как видно из рис. 1, образцы битума, модифицированного резиновой крошкой, глицидилсодержащим полиэфиром и
органобентонитом обладали повышенной эластичностью (их удлинение было наибольшим), однако спустя 7-13 суток произошел разрыв пленок.
Кремнийорганический блок-сополимер также позволил повысить эластичность вяжущего.
время, сутки
Рис. 1 - Зависимость удлинения от времени выдержки под нагрузкой образцов резинобитумных вяжущих: 1 - 20 % резиновая крошка; 2 - 20% резиновая крошка + 0,5% кремнийорганический блок-сополимер; 3 - 20% резиновая крошка + 1% глицидилсодержащий полиэфир + 0,5% органобентонит + 0,5 % кремнийорганический блок-сополимер
На рис. 2 представлено влияние глицидилсодержащего полиэфира, а также комплексного модификаторов на его основе на остаточную деформацию при растяжении образцов на основе резинонаполненных битумных вяжущих.
50 70 90 110 130 150 время, с
Рис. 2 - Влияние компонентов комплексного модификатора на изменение остаточной деформации при растяжении от времени для образцов резинонаполненных битумных вяжущих: 1 - 20% резиновая крошка; 2 - 20% резиновая крошка + 0,5 % органобентонит; 3 -20% резиновая крошка + 0,5% кремнийорганический блок-сополимер; 4 - 20 % резиновая крошка + 1% глицидилсодержащий полиэфир; 5 - 20% резиновая крошка +1% глицидилсодержащий полиэфир + 0,5% органобентонит + 0,5% кремнийорганический блок-сополимер
Из представленных данных видно, что в резинонаполненных битумных вяжущих развиваются высокие остаточные деформации при растяжении (43-45 %), вероятно, в результате слабого межмолекулярного взаимодействия в системе.
Введение комплексного модификатора приводит к заметному снижению остаточных деформаций (на 75 % по сравнению с немодифицированным резинонаполненным битумным вяжущим). При
этом, процессы релаксации наиболее интенсивно протекают при использовании комплексного модификатора, который способен к образованию сетки химических связей. Органобентонит благодаря своей высокой удельной поверхности также является структурообразователем и оказывает влияния на снижение остаточных деформаций при растяжении образцов. Наилучшие результаты достигнуты при использовании резинобитумного вяжущего, содержащего комплексный модификатор. При его использовании наблюдалась долговременная стойкость к растяжению под нагрузкой.
Комплексный модификатор позволил повысить термостабильность битумного вяжущего, однако при использовании активных добавок, входящих в его состав, важна их правильная дозировка, поскольку, во-первых, имеется опасность ухудшения технологических свойств
полимерасфальтобетонных смесей; во-вторых, возможно повышение жесткости при отрицательных температурах, а применение специальных замедлителей отверждения усложняет и удорожает систему.
Адгезию разработанных вяжущих к поверхности минеральных материалов оценивали в соответствии с ГОСТ 11508 (метод А) по показателю сцепления вяжущих с мрамором, относящимся к материалам основных пород и песком, представляющим собой материал кислых пород.
Было установлено, что составы обладают высокими адгезионными характеристиками и удовлетворяют требованию - «выдерживает по контрольному образцу № 1», означающему, что после кипячения в воде в течение 30 минут сохранилось полное покрытие минеральных материалов разработанными составами.
Заключение
Таким образом, на основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
1. На основании результатов исследований глицидилсодержащий полиэфир можно классифицировать как полимерную структурирующую и адгезионную добавку к битуму. При использовании глицидилсодержащего полиэфира значительно улучшились адгезионные свойства резинобитумного вяжущего к минеральному наполнителю и интервал пластичности резинонаполненных битумных вящущих.
2. Кремнийорганический блок-сополимер является активной адгезионной добавкой и эффективным компатибилизатором, позволяющим повысить показатель однородности резинонаполненных битумных вяжущих.
3. На основании результатов исследований органобентонит можно классифицировать как полимерную структурирующую добавку к битуму, которая может быть использована для создания материалов на основе резинонаполненных битумных вяжущих с повышенной деформационной
устойчивостью, эксплуатируемых при повышенных температурах.
4. Использование комплексного модификатора приводит к получению резинонаполненного битумного вяжущего, которое при деформации внутренней структуры начинает работать как материал с некоторым внутренним армированием. Комплексный модификатор является
структурирующей добавкой, распределяясь в дисперсной среде или создавая собственную структурную сетку в битуме [14]. Полимерный каркас обеспечивает, с одной стороны, прочность, отсутствие текучести при повышении температуры и с другой - деформацонные свойства при понижении температуры, расширяя диапазон работоспособности битумных материалов.
Литература
1. Лихтерова Н. М., Дуров О. В., Накипова И. Г., Васильев Г. Г., Гаврилов Н. Г. Повышение термостабильности дорожных битумов // Химия и технология топлив и масел. 2008. №3. С. 7-16.
2. Лукьянова М. А., Вахьянов Е. М. Обоснование рационального состава битумных вяжущих модифицированных резиновой крошкой // Вестник кузбасского государственного технического университета. № 4 (110). 2015. С. 143-146.
3. Люсова Л. Р., Евтушенко В. А., Дорохова Т. Н., Небратенко Д. Ю. Модификация битума бутадиен-стирольными ТЭП и их смесями // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. 2012. № 1. С. 11-14.
4. Иваньски М., Урьев Н. Б. Асфальтобетон как композиционный материал. М.: Техполиграфцентр, 2007. 668 с.
5. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А., Прокопий А.М., Дияров И.Н. Использование полисилоксановых добавок в качестве адгезивов нефтяных дорожных битумов //
Вестник Казанского технологического университета. 2010. №10. С. 634-635.
6. Муллахметов Н.Р., Кемалов А.Ф., Кемалов Р.А., Костромин Р.Н. Модификация дорожных битумов каучуком // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №7. С. 467-468.
7. Абдуллин А.И. , Емельянычева Е.А., Прокопий А.М. Изучение влияния полимерной добавки на свойства битумно-полимерного вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 9. С. 205-207.
8. Прокопий А.М., Абдуллин А.И. , Емельянычева Е.А. Улучшенное битумно-полимерное вяжущее // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 12. С. 182-184.
9. Хученройтер Ю., Вернер Т. Асфальт в дорожном строительстве. М.: АБВ-пресс, 2013. 450 с.
10. Колышева Е. О., Евдокимова Н. Г., Гайнуллина Г. М. Получение полимерно-битумных вяжущих / Наука. Технология. Производство - 2014: материалы Международной научно-технической конференции. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2014. С. 8-10.
11. Гохман Л. М. О влиянии качества органических вяжущих материалов на развитие сети автомобильных дорог в России / сб. Трудов научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования битумной лаборатории РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2013. С. 13-20.
12. Гохман Л. М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блоксополимеров типа СБС: уч. пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2004. 510 с.
13. Гурова Е. В., Долженкова М. В., Ярцев В. П. Испытания битумных материалов: лабораторные работы. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-т, 2005. 16 с.
14. Розенталь Д. А., Дронов С. В., Иванов А. А. Особенности приготовления полимербитумных композиций // Строительные материалы. 2004. № 9. С. 13-14.
© В. С. Осипчик, д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, У081р@шис tr.ru; Н. В. Костромина, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; Ю. В. Олихова, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; В. Н. Ивашкина, инж. той же кафедры, [email protected]; В. М. Аристов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]; С. А. Сербин, асп. той же кафедры, [email protected].
© V. S. Osipchik, Dr. Sci. (Tech.), professor, professor of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected]; N. V. Kostromina, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected]; Yu. V. Olikhova, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected]; V. N. Ivashkina, Engineer of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected]; V. M. Aristov, Dr. Sci. (Physic.-mathemat.), professor, Chief of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected]; S. A. Serbin, Post-graduate of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, [email protected].
