CC BY
94
УДК 678.073:665.775
С. И. Вольфсон, Ю. Н. Хакимуллин, Л. Ю. Закирова, А. Д. Хусаинов, И. С. Вольфсон, Д. Б. Макаров, В. Г. Хозин
РАЗРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ДОРОЖНОГО БИТУМА
СООБЩЕНИЕ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОСТАВОВ
БИТУМ-ПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ
Ключевые слова: смесевые термоэластопласты, битум-полимерное вяжущее, эксплуатационные характеристики.
Рассмотрено влияние состава и концентрации смесевых ТЭП на эксплуатационные характеристики битум-полимерного вяжущего. Показано значительное улучшение основных характеристик БПВ, существенно превосходящих значения ГОСТ 22245-90.
Keywords: bitumen, bitumen-polymer binder, operating properties.
The influence of the composition and concentration of mixed TEP on operational properties of the bitumen-polymer binder. Shown significant improvement in the basic characteristics of the bitumen-polymer binder, significantly exceeding the value of GOST 22245-90.
Введение
Разработка термоэластопластов (ТЭП) с высокой совместимостью с низковязкими битумами является актуальной задачей и в этом аспекте весьма привлекательны не синтетические, а смесевые ТЭП, представляющие собой полимерные смеси полученные механическим путем [1]. Эти высокодисперсные смеси с неограниченными возможностями варьирования состава одним и тем же способом смешения термопластов с эластомерами обладают, очевидно, гораздо большим потенциалом модифицирования битумов, чем синтетические ТЭП.
Экспериментальная часть
В качестве битума был взят дорожный битум марки БНД 60/90 (ГОСТ 22245-90).
Для модификации битума использовали три типа смесевого ТЭП различного по составу (ТЭП-1, ТЭП-2, ТЭП-3). В состав ТЭП-3 входит 1,5 % адгезионной добавки.
Получение битум-полимерных вяжущих (БПВ) осуществляли на роторно-пульсационном аппарате (РПА) по периодической схеме (рис.1). Перед запуском РПА в бак-смеситель самотеком подается исходный битум. По заполнении расчетного количества битума осуществляется пуск двигателя РПА, при этом начинается циркуляция битума в контуре: РПА, трубопроводы, бак-смеситель. Далее в систему РПА осуществляется равномерная подача расчетного количества полимера (2 % или 4 % от массы битума) в бак-смеситель, для получения БПВ. При дальнейшей работе РПА путем многократного воздействия на систему «битум-полимер» рабочих органов РПА осуществляется скоростное диспергирование полимера и интенсивное его перемешивание с битумом. Время обработки смеси в РПА и уровни рабочих температур варьировались от опыта к опыту, до получения однородной массы. Для создания оптимальных гидродинамических условий протекания диффузионных процессов растворения полимерной добавки в битуме, а также выравнивания концентраций полимера по объему продукта, в емкости предусмотрена схема рециркуляции БПВ,
осуществляемая с помощью шестеренчатого насоса.
Все емкости, входящие в состав технологической схемы и РПА, имеют встроенные электрические нагреватели и теплоизоляцию, позволяющие создавать и поддерживать необходимый температурный режим.
1 - бак смеситель; 2 - электродвигатель; 3 - лопастные мешалки; 4 - трубопроводы; 5 - задвижки В1, В2, ВЗ; 6 -роторно-пульсационный аппарат; 7 - электрические обогреватели
Рис. 1 - Роторно-пульсационный аппарат
Битум-полимерное вяжущее испытывали на следующие показатели:
Дуктильность (Д) (растяжимость) (ГОСТ 1150588);
Температура размягчения (Тр) (ГОСТ 11506-88); Эластичность (Э) определяется по формуле:
(Д25 +к)-1 Э = -1-х 100%,
Д25+к
где Д25 - дуктильность при температуре 25°С, I - сумма длин двух частей образца, см; к - константа прибора, см.
Температура хрупкости (Тхр) определяется на приборе Фрааса АХ-90 по ГОСТ 11507-88.
Сцепление битума с мрамором и песком - изучалось по ГОСТ 11508-74, метод А - «пассивное сцепление» (определение способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности песка или мрамора при воздействии воды).
Температура вспышки устанавливалась по ГОСТ 4333-87 - определение температуры вспышки и воспламенения в открытом тигле.
Обсуждение результатов
Введение в битум БНД 60/90 смесевых термо-эластопластов различных составов, приводит к существенному повышению температуры размягчения (рис. 2). Наиболее сильно ТР повышается для дорожного битума при модификации его ТЭП-3 с 50 °С до 71 °С при концентрации модификатора 4 % (кривая 3). Интенсивность роста Тр битум-полимерных вяжущих (БПВ), модифицированных ТЭП-2 и ТЭП-1, несколько ниже, чем с ТЭП-3 при той же концентрации (4 %) с 50 °С до 67 °С (кривая 2) и 50°С до 65 °С (кривая 1) соответственно. Для смесевых ТЭП-2 и ТЭП-3 интенсивность роста Тр БПВ несколько выше, чем с ТЭП-1 при концентрации модификатора более 2 %.
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 2 - Зависимость температуры размягчения битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Кривые изменения пенетрации (П25, П0) (рис. 3, 4) имеют неодинаковый характер в зависимости от температуры. При 0 °С пенетрация немного возрастает с увеличением процентного содержания полимера (кривые 1, 2, 3). Это объясняется, вероятно, снижением температурной чувствительности БПВ,
т. е. при пониженной температуре битум-полимерное вяжущее приобретает некоторую де-формативность и соответственно повышенную работоспособность в дорожных покрытиях в зимнее время.
При 25°С пенетрация, как правило при модификации битума полимером, снижается с увеличением процентного содержания модификатора. При концентрации в 4 % с 77,8 х 0,1мм до 47,5 х 0,1мм с ТЭП-1 (кривая 1); до 50,0 х 0,1мм с ТЭП-2 (кривая 2); до 57,5 х 0,1мм с ТЭП-3 (кривая 3). Таким образом, введение термоэластопластов в дорожный битум независимо от типа и природы ТЭПов приводит при 25 °С к значительному снижению пенетрации, что, с учетом улучшения низкотемпературных и эластических свойств, является фактором положительным для низковязких битумов.
подифинатор,
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 3 - Зависимость пенетрации при 0°С битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Из представленных данных по Тр и пенетрации четко прослеживается влияние состава термоэла-стопластов на свойства получаемых композиций.
Подобные закономерности проявляются по показателю дуктильности, которая с повышением концентрации ТЭПов в битуме снижается, как при 0°С, так и при 25°С (рис. 5, 6).
Однако снижение показателя дуктильности при 0°С не существенно, особенно у состава с ТЭП-3 (кривая 3) - с 3,6 см до 3,5 см при 4 % концентрации. Дуктильность БПВ с ТЭП-1 и ТЭП-2 (кривые 1, 2) снижается в большей степени.
При 25°С снижение показателя дуктильности БПВ более существенно во всех случаях. С увеличением процентного содержания ТЭП-1 с 77,6 см до 9,2 см при концентрации 4 % (кривая 1); до 10,6 см при концентрации 4 % ТЭП-2 (кривая 2); до 13,4 см при концентрации 4 % ТЭП-3 (кривая 3).
Полученные данные по показателям дуктильности полностью кореллируют с показателями пенетрации и еще раз подтверждают вывод о снижении температурной чувствительности БПВ в области 0°С.
Пг;, ОД мм
45
модификатор, %
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 4 - Зависимость пенетрации при 25°С битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Дуктнльн
остъ, см
3.7
2.9 -
2,8 -|-1-1-1-1
0 12 5 4
иошнфнкатор, Уо
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная
ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 5 - Зависимость дуктильности при 0°С битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Эластичность же во всех случаях увеличивается (рис. 7), но с ТЭП-3 более значительно от 30,8 % до 50,3 % (кривая 3), чем с ТЭП-1 (кривая 1) и ТЭП-2 (кривая 2) - до 42,6 % и 46,7 % соответственно.
Введение ТЭПов в битумы приводит к значительному улучшению низкотемпературных свойств (рис. 8). Добавка ТЭП-3 снижает температуру хрупкости в системах в большей степени с минус 17°С до минус 26°С, превосходя битумные системы с ТЭП-1 и ТЭП-2, в которых Тхр снижается соответственно до минус 21,6°С и до минус 24,5°С.
Величина адгезии БПВ с ТЭП-3 существенно превышает значения битум-полимерных композиций с использованием ТЭП-1 и ТЭП-2, что связано с наличием в составе ТЭП-3 полифункциональной адгезионной присадки, которая обладает хорошей адгезией к различным поверхностям каменных материалов (мрамор, песок) (табл. 1).
Дуктшьн
0 12 3 4
модификатор. %
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 6 - Зависимость дуктильности при 25°С битумной композиции от концентрации и типа модификатора
зластнчность, %
модификатор, %
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 7 - Зависимость эластичности при 25°С битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Тхр, С
-26--
-28--
12 3 4
модификатор, %
Кривая 1 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-1; кривая 2 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-2; кривая 3 - битумная композиция, модифицированная ТЭП-3 (1,5 % ПАП)
Рис. 8 - Зависимость температуры хрупкости битумной композиции от концентрации и типа модификатора
Общая картина эксплуатационно-технических показателей исследуемых составов БПВ представлена в итоговой таблице 1. На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что введение 4 % ТЭП-3 и 4 % ТЭП-2 в битум в наибольшей степе-
Таблица 1 - Физико-механические свойства составов
ни улучшает физико-механические свойства битум-полимерных вяжущих, по сравнению с ТЭП-1 той же концентрации.
битум-полимерных вяжущих
№ п/п Состав Пенетрация, 0,1 мм Тем-ра размяг., °С Тем-ра хрупк., °С Тем-ра вспышки, °С Растяжимость, Эластичность при 25 °С, % Изменение Тр после прогрева, °С Адгезия
при 0 °С при 25 °С при 0°С при 25 °С мрамор песок
1 БНД 60/90 20,3 77,8 50 - 17 238 3,6 77,6 30,8 5 образец №2 образец №3
2 БНД 60/90 + 2% ТЭП-1 22,5 53,4 57 - 19 241 3,1 11,1 37,5 4 образец №1 образец №2
3 БНД 60/90 + 4% ТЭП-1 23,0 47,5 65 -22 242 3,0 9,2 42,6 2 образец №1 образец №2
4 БНД 60/90 + 2% ТЭП-2 23,1 57,4 58,5 -21 241 3,3 15,0 41,2 4 образец №1 образец №2
5 БНД 60/90 + 4% ТЭП-2 23,6 50,0 67 -24 242 3,1 10,6 46,7 2 образец №1 образец №2
6 БНД 60/90 + 2% ТЭП-3 (1,5% АП) 23,4 65,0 61 -22 239 3,55 17,0 45,0 3 образец №1 образец №1
7 БНД 60/90 + 4% ТЭП-3 (1,5% АП) 23,8 57,5 71 -26 239 3,5 13,4 50,3 2 образец №1 образец №1
8 ГОСТ 22245-90 >20 61-90 >47 <-15 >230 >3,5 >55 - <5 - -
Таким образом, все модифицирующие добавки, как показали экспериментальные исследования, положительно влияют на все технические характеристики битума (температура хрупкости и размягчения, пенетрация при 0°С и 25°С, эластичность, адгезия). При этом введение добавок ТЭП-2 и ТЭП-3 значительно улучшают перечисленные выше показатели битум-полимерного вяжущего и существенно превосходят значения ГОСТ 22245-90.
Данные составы могут быть весьма эффектив-
© С. И. Вольфсон - д-р тех. наук., проф., зав. кафедрой химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, svolfson@kstu.ru; Ю. Н. Хакимуллин - д-р тех. наук., проф. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ; Л. Ю. Закирова - канд. техн. наук., доцент кафедры ХТПЭ КНИТУ, - д.т.н., проф. кафедры ХТПЭ КГТУ; А. Д. Хусаинов -канд. техн. наук., доцент кафедры ХТПЭ КНИТУ; И. С. Вольфсон - науч. сотр. каф. ХТПЭ КНИТУ; Д. Б. Макаров - канд. техн. наук., доцент кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций КГАСУ; В. Г. Хозин - д-р техн. наук, проф.. зав. каф. технологии строительных материалов, изделий и конструкций КГАСУ.
© S. I. Volfson - doctor of technical sciences, professor, head of the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU, svolfson@kstu.ru; Yu. N. Khakimullin - doctor of technical sciences, professor of the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU; L. Yu. Zakirova - candidate of technical sciences, associate professor of the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU; A. D. Husainov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU; I. S. Volvson - senior researcher at the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU ; D. В. Makarov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of technology of building materials, products and structures, KSUAE; V. G. Khozin - doctor of technical sciences, professor, head of the Department of technology of building materials, products and structures, KSUAE.
ными для получения асфальтобетона с наилучшими эксплуатационно-техническими характеристиками в дорожной отрасли Республики Татарстан.
Литература
1 Минхаирова А.И. Модификация дорожных битумов смесевыми термоэластопластами/ А.И.Минхаирова, Л.Ю.Закирова, И.С.Вольфсон, Д.А.Аюпов, А.В.Мурафа, В.Г.Хозин, Ю.Н.Хакимуллин// Вестник Казан. технол. ун-та.- 2012.- Т.15. - №17.- С.120-122.
