CC BY
123
УДК 625.85 625.86
Р. Ф. Ахметшин, Г. Р. Ахметшина, Л. Ю. Закирова РАЗРАБОТКА СОСТАВА ПОЛИМЕР-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Ключевые слова: полимер-битумное вяжущее, модификация битума, стабилизирующие добавки.
Качество битумов дорожного назначения нередко не соответствует ужесточенным требованиям дорожной отрасли, в частности для покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). С нашей точки зрения наиболее перспективным направлением является использование структурирующей добавки комплексного действия с полимерным модификатором и стабилизирующим компонентом в составе. В данной работе в качестве компонентов активной основы для стабилизирующей добавки были предложены следующие компоненты: ароматические термопластичные смолы (ТПС) и поликонденсированные олигомерные вулканизаты (ПОВ). Показано улучшение свойств вяжущего по показателю пенетрации, растяжимости и адгезии к мрамору
Keywords: polymer-modified bitumen, bitumen modification, the stabilizing additives.
The quality of road asphalt produced in Russia often does not meet modern requirements of the road sector, in particular for coatings of rubble-mastic asphalt (RMA). Thus, the most urgent, in our view, would be to use the complex structuring additives, which on the one hand would contain a polymer modifier, on the other - the active stabilizing and reinforcing component. Improvement of properties knitting on an indicator of a penetration, tensile properties and adhesion to marble is shown.
Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) был изобретен во второй половине 60-х годов, как один из действенных методов борьбы дорожных служб Германии с колеобразованием и, как следствие, разрушением дорожного полотна. По итогам опытно-промышленных испытаний в 1984 году был принят национальный стандарт Германии по стандартизации и применению ЩМА.
ЩМА от обычного асфальтобетона существенно отличается повышенным содержанием битума, что мешает влаге проникнуть внутрь слоя и, как следствие, увеличивает стойкость асфальтобетона к старению, трещино-, водо- и морозостойкость и, в итоге, значительно повышает долговечность покрытия [1].
Характеристики и особенности смеси щебеночно-мастичного асфальтобетона даны в таблице 1 [2].
Однако повышенное содержание битумного вяжущего в смеси нужно стабилизировать, то есть предотвратить его отслоение и стекание с поверхности зерен щебня при высоких технологических температурах приготовления, хранения, транспортирования и укладки.
Для решения проблемы стабилизации битумного вяжущего в щебеночно-мастичной смеси была поставлена задача разработать недорогую стабилизирующую добавку, обладающую высокой термостойкостью и низкой влажностью. Более высокая рентабельность разработанной добавки будет обеспечиваться ее функциональной универсальностью. В отличие от традиционных стабилизирующих добавок, разрабатывающийся стабилизатор содержит в себе активный армирующий и стабилизирующий компонент, а также полимерный модификатор, что исключает стадию предварительной модификации битумов.
Ожидаемый эффект будет достигаться за счет того, что имеющиеся в добавке волокна,
подвергнутые набуханию и деструкции в процессе приготовления гранул, создают с полимерно-битумными вяжущими (ПБВ) новую упрочненно-сетчатую структуру. Наиболее крупные волокна при объединении полимер-битумных вяжущих с минеральными материалами дисперсно армируют систему, способствуя образованию высокопрочного, устойчиво-стабильного асфальтобетона.
Таблица 1 - Свойства и характеристики щебеночно-мастичного асфальта
Характеристики Свойства
Высокое содержание щебня Высокая температурная устойчивость
Наполнитель с прерывистым гранулометрическим составом Прочное сцепление с органическим вяжущим, хорошие параметры распределения нагрузки
Толстый слой связывающего асфальтовяжуще-го вещества Хорошая износоустойчивость и устойчивость к старению
Высокое содержание растворной части асфальтобетона Высокая жесткость, сопротивляемость растрескиванию, хорошее и длительное сцепление минеральных компонентов (даже под воздействием воды)
Стабилизирующие добавки Обеспечение толстого слоя связывающего вещества, предотвращение расслаивания материала, а также достижение стабильности и однородности смеси
Первоначально в качестве стабилизаторов ЩМА применялись свободные целлюлозные волокна. Но после перехода производства ЩМА на массовое производство, стали чаще проявляться различные
дефекты смеси. Такие как сегрегация смеси и образование битумных пятен разнообразной величины (не изредка и в обширной площади) на вновь положенном дорожном полотне непосредственно в процессе уплотнения. После расширенных исследований было обнаружено, что, независимо от прекрасного стабилизационного эффекта, свободные волокна имеют следующие серьезные недостатки:
а) незадействованные волокна усложняют распределение в смесителе;
б) есть вероятность образования комков, что затрудняет процесс дозировки и дальнейшее его распределение в смесителе;
в) высокая гигроскопичность. Целлюлозные волокна подобно вате впитывают влагу с окружающего пространства, что приводит к невозможности их дальнейшего использования;
г) значительная вероятность обгорания. Свободные волокна поступают в смеситель на перегретый инертный материал (190-200 °С), таким образом происходит в первую очередь обгорание интермолекулярных ОН-мостиков, при помощи которых молекула целлюлозы объединяется с молекулами вяжущего и каменного материала [3].
В семействе стабилизаторов эволюционным развитием стали гранулированные добавки. Различают три вида гранулированных добавок:
- гранулы, в составе которых имеется чистая целлюлоза;
- гранулы с добавкой парафинов (воск, стеарин) для снижения гигроскопичности;
- гранулы, где в любом целлюлозном волокне имеется битумное покрытие. Данные гранулы исключают повышенную влажность целлюлозных волокон, тем самым обеспечивая простую и надежную систему дозировки, равномерное распределение в смесителе без повышения времени сухого смешивания в следствии чего - стабильная смесь. Также наличие битумного покрытия исключает обгорание имеющихся волокон при подаче на горячий инертный материал [3, 4].
В данной исследовательской работе в качестве компонентов активной основы для стабилизирующей добавки к ЩМА были предложены следующие компоненты:
а) Ароматические термопластичные смолы (ТПС), используемые в качестве добавок к адгезивам и плавким композициям, придающих клейкость, синтезируют полимеризацией смеси углеводородных фракций нефтепереработки с температурой кипения 130-300 °С. Выбор данного компонента обусловлен тем, что ТПС имеет довольно невысокую температуру размягчения 80-950С, в среднем для различных видов ТПС параметр растворимости Хильдебранта имеет значение 16,0 -19,5 (МДж/м3)0,5, что ближе к ароматической части мальтенов (18,0 (МДж/м3)0,5), которых в выбранных нами источниках сырья порядка 20-40 %, из этого следует высокая совместимость этих компонентов. Также ТПС характеризуется наличием непредельных двойных связей, которые определяют его высокую реакционную способность. Некоторые
физико-химические свойства ТПС приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Некоторые физико-химические показатели ТПС
Наименование показателей Нормируемое значение
Плотность, кг/м3 1170
Температура размягчения, 0С 95
Анилиновая точка, 0С 40
Бромное число, г Вг2/100г 40
Показатель преломления п 20 1,63
б) Поликонденсированные олигомерные
вулканизаты (ПОВ) представляют собой реакционноспособные олигомеры, образующие после отверждения герметики с уникальным комплексом свойств. Высокая термодинамическая гибкость и наличие в основной цепи химически связанной серы (до 80 %) сообщают высокую устойчивость к действию топлива,
газопроницаемость, водостойкость и благодаря насыщенности основной цепи, высокую стойкость к ультрафиолету, озону, радиации. Физико-химические показатели ПОВ приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Физико-химические показатели ПОВ
Наименование показателя Действительное значение
Внешний вид Вязкая однородная жидкость темного цвета с зеленоватым или коричневатым оттенком без посторонних включений
Массовая доля примесей, нерастворимых в толуоле, % 0,33
Вязкость при 25 °С, Па*с 10,0
Массовая доля SH-групп, % 3,56
Применение высокоокисленных битумов для производства вяжущих не приемлемо, т.к. они обладают дисперсной фазой, изменять свойства которой добавками полимеров трудно и часто невозможно. В наших исследованиях для приготовления вяжущих использовали битум марки БНД 60/90 «ТАИФ-НК».
Приготовленные образцы битум-полимерных композиций были подвергнуты анализу с целью определения физико-химических свойств, которые представлены в таблице 4. Исследование свойств битум-полимерных композиций производились по свойствам пенетрации, растяжимости и температуры размягчения согласно ГОСТ 520562003.
Таблица 4 - Состав и свойства ПБВ
Номер образца Состав ПБВ, % мас. Физико-химические показатели модифицированных битумов
Битум БНД 60/90 ТПС ПОВ Растяжимость при 25°С, см Глубина проникания иглы при 25°С, 0,1 мм Температура размягчения, °С Сцепление с мрамором, контр. образец №
1 96,16 1,92 1,92 82 50 48,5 2
2 94,34 1,89 3,77 65 55 45,8 2
3 92,59 1,85 5,56 31 59 48,1 1
4 90,91 1,82 7,27 71 83 48,5 3
5 94,34 3,77 1,89 56 70 49,6 3
6 92,6 3,7 3,7 90 76 49,3 3
7 90,91 3,64 5,45 63 67 50,7 1
8 89,29 3,57 7,14 71 70 49,8 2
9 87,72 3,51 8,77 66 68 50,0 3
10 86,21 3,45 10,34 62 78 49,2 2
11 92,59 5,56 1,85 71 62 48,9 2
12 90,91 5,45 3,64 66 56 49,8 3
13 89,28 5,36 5,36 62 69 47,0 3
14 87,72 5,26 7,02 86 71 48,7 3
15 86,21 5,17 8,62 22 70 50,8 2
16 84,75 5,08 10,17 44 74 48,5 3
Битум БНД 60/90 67 62 47,0 3
Требования ГОСТ 52056-2003 ПБВ 60 не менее 25 61-90 не ниже 54 2
С увеличением содержания ТПС в битуме происходит увеличение температуры размягчения и понижение пенетрации при 25°С по сравнению с чистым битумом. Это объясняется тем, что ТПС пронизывает дисперсионную среду (ароматические мальтены) битума, как бы армируя его, делая битум более термопластичным. С увеличением концентрации ТПС увеличивается его способность к структурообразованию в дисперсионной среде.
Для улучшения пластичности и эластичности композиции, в частности, при работе в зимний период, к составу ПБВ добавляют пластификаторы, в свою очередь, в зависимости от введенного количества, они в определенной степени понижают температуру размягчения, а также повышаются морозо- и биостойкость ПБВ. Более эффективными пластификаторами считаются пластификаторы, которые наравне с приданием композиции упругопластических свойств вызывают
минимальное снижение структурно-механических свойств. В качестве пластификатора был использован ПОВ. Пластификаторы способны ослаблять энергию межмолекулярных
взаимодействий. Механизм действия
пластификатора состоит в повышении подвижности некоторых молекул или сегментов макромолекул полимеров ПБВ, которые находятся в устойчивом состоянии статического, полусвернутого клубка, благодаря ослаблению их молекулярных взаимодействий, или в повышении подвижности ассоциатов (пачек) макромолекул благодаря
ослаблению межфазовых взаимодействий или снижения уровня кристалличности.
Изменение растяжимости при 25°С выявляет четкую зависимость от содержания пластификатора в смеси. Первое понижение растяжимости обусловлено, видимо, снижением доли пластической деформации в общей деформации (данное понижение связано с повышением вязкости системы), эластическая же деформация еще мала, с повышением содержания модификатора ее доля будет нарастать, вероятно, быстрее, чем падает пластическая, вследствие этого в определенной области концентраций будет замечен рост растяжимости.
Такой показатель как пенетрация для большинства товарных битумов соответствует определенной области вязкостей, при его уменьшении и (например, при окислении) вязкость увеличивается. В битумах, содержащих ПОВ, с увеличением содержания сульфидных полимеров глубина проникания при 25 °С изменяется не монотонно, а по кривой: сперва резкое уменьшение, затем рост, однако до показателя обычно меньше исходного и стабилизация. Связано это, по-видимому, с высокой проницаемостью для иглы самого ПОВ: в растворенном состоянии ПОВ почти полностью проницаем. Резкий спад глубины проникания связан, видимо, с ростом вязкости (как и у чистых битумов), далее, по мере того как объемная доля ПОВ вырастает, проницаемость системы повышается. С дальнейшим ростом
количества полимера, скорее всего, важную роль будет играть соотношение растворителя (масляной фазы битума) и полимера.
Можно также констатировать, что полученные полимер модифицированные битумы обладают низкой теплостойкостью, что характеризуется низким показателем температуры размягчения. Данный факт говорит о недостаточной степени структурированности ПБВ. Как известно, системы, в составе которых имеются серосодержащие соединения, имеют тенденцию к изменению своей микроструктуры с течением времени. Поэтому можно рассчитывать на увеличение температуры размягчения с течением времени. Таким образом, можно говорить о применимости подобных систем, содержащих около 3-5 % масс. ТПС и 5-9 % масс. ПОВ. Однако, ПБВ на основе полимерных компаундов характеризуются низкой температурой размягчения. Последующие исследования будут направлены на достижении данного показателя, а также будут предприняты попытки более глубокого
анализа природы воздействия этих полимеров на
структуру ПБВ, и, как следствие, его свойства.
Литература
1 Вольфсон, С.И. Разработка полимерных добавок для модификации дорожного битума. Использование модифицированного дорожного битума в асфальтобетонах и щебеночно-мастичных асфальтобетонах / С.И.Вольфсон, Ю.Н.Хакимуллин, Л.Ю. Закирова, А.Д.Хусаинов, И.С.Вольфсон, Д.Б.Макаров, В.Г.Хозин// Вестник технолог. ун-та.-2016.- Т.19. - №17.- С. 37-40.
2 Хутченрейтер Ю. Опыт применения щебёночно-мастичного асфальта. [Электронный ресурс]. URL: http://www.hutschenreuther.de/russisch1 .htm (дата обращения 16.09.2010).
3 Илиололов, А. П. Эффективный модификатор-стабилизатор / Илиололов А. П. // Автомобильные дороги - 2006. - №1. - С. 15 - 19.
4 Старостин, А. Б. Новые стабилизирующие добавки для асфальтобетона / А. Б. Старостин // Строительный эксперт. - 2004. - №1. - С. 18 - 21.
© Р. Ф. Ахметшин - магистрант кафедры химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, Afmetshin_RF@taifnk.ru, Г. Р. Ахметшина - магистрант кафедры химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, Л. Ю. Закирова - к.т.н., доцент каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, zakirova.knitu@mail.ru.
© R. F. Ahmetshin - master of the Department Chemistry and Technology Processing of Elastomers KNRTU, G. R. Ahmetshina -master 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, zakirova.knitu@mail.ru.
