CC BY
5
Разработка составов полимербитумного вяжущего для приготовления асфальтополимербетона
Г.В. Василовская, С.В. Дружинкин, Е.В. Пересыпкин, М.Л. Берсенева Сибирский Федеральный университет, Красноярск
Аннотация: Приводятся результаты исследований полимербитумного вяжущего (ПБВ) для получения асфальтополимербетона. Для приготовления ПБВ использовался термоэластопласт ДСТ-30 Воронежского завода синтетического каучука. Для снижения стоимости, ускорения процесса приготовления и улучшения свойств ПБВ была разработана технология введения ДСТ в битум. Было предложено вначале ДСТ растворять в индустриальном масле ИМ-20. Оптимальное соотношение между ДСТ и маслом определялось с использованием метода полного факторного эксперимента. В качестве выходных параметров были выбраны основные свойства. Был получен оптимальный состав ПБВ. Он был приготовлен в лабораторных условиях, определены его свойства, которые сравнивались с требованиями. Разработанный состав ПБВ был рекомендован дорожным организациям Красноярского края для производственного внедрения.
Ключевые слова: полимербитумное вяжущее, асфальтополимербетон, термоэластопласт, составы, свойства, эксперимент, индустриальное масло, уравнения регрессии.
Для повышения долговечности автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием необходимо применять качественные битумы. Однако свойства битума не обеспечивают длительные сроки эксплуатации дорожных покрытий [1]. В настоящее время для повышения качества и долговечности асфальтобетона применяют различные полимерные материалы для модификации битума [2-4].
В работе определялся оптимальный состав полимернобитумного вяжущего (ПБВ) для асфальтополимербетона (АПБ). Исследованиями, проведенными в нашей стране, установлено, что лучшими модификаторами битума являются термоэластопласты марки ДСТ, представляющие собой блоксополимеры бутадиена и стирола [5-7]. Термоэластопласты образуют в битуме эластичную трехмерную сетку. Принцип образования сетки в ДСТ состоит в том, что блоки полистирола обладают высокой когезией и образуют прочные узлы, а блоки полидивинила слабо взаимодействуют между собой, характеризуясь высокой эластичностью. При нагревании до
100-150°C ДСТ превращается в линейный полимер за счет физических сил взаимодействия. При охлаждении структура ДСТ полностью восстанавливается [8-10].
Изучались термоэластопласты отечественного производства - это Воронежского завода синтетического каучука марки ДСТ-30, китайского производства (SBS modifier) и корейского производства (Kumho KTR).
Испытания показали, что все добавки плохо вводятся в битум, необходимо долго и тщательно перемешивать смесь и даже при длительном нагревании полностью однородную смесь не удается получить. Лучшие свойства показала отечественная добавка ДСТ-30. При вводе 4% ДСТ-30 температура размягчения составила 56 0С, а температура хрупкости - минус 28 0С. Термоэластопласты китайского и корейского производств показали свойства намного хуже.
Для снижения стоимости, ускорения процесса приготовления и улучшения свойств ПБВ была разработана технология введения ДСТ в битум. Было предложено вначале ДСТ растворять в пластификаторе. Введение пластификатора позволит обеспечить требуемый температурный режим не выше 160°С, а также существенно повысить эффективность вводимого полимера, т.е. получить ПБВ с требуемым комплексом свойств. В работе применялось индустриальное масло марки И-20А. Свойства масла: содержание масел - около 95%, в т.ч.: около 70% парафинонафтеновых углеводородов, около 25% ароматических углеводородов. Температура вспышки масла составляет 227 °С.
Для приготовления ПБВ использовался термоэластопласт марки ДСТ-30 Воронежского завода СК. Для ввода в битум ДСТ предварительно растворяли в индустриальном масле. Для предварительной оценки совместимости ДСТ и масла готовились концентрированные растворы полимера в масле при соотношении полимера к маслу 10:90, 20:80 и 30:70.
Растворы полимера в масле готовились при температуре 110-130°С в течение 2-3 часов при постоянном перемешивании до получения однородной массы. Исследованиями установлено, что более 30% ДСТ в масло не вводится. Затем полученные растворы полимера вводились в битум в количестве 5, 10 и 15%.
Составы ПБВ испытывались на основные физико-механические показатели. Свойства исследованных составов ПБВ в сравнении со свойствами применяемого битума марки БНД 90/130 нефтеперерабатывающего завода г. Ачинска приводятся в табл. №1.
Установлено, что растворы полимера, содержащие 90% масла, являются пластификаторами битума и снижают его теплостойкость, а растворы, содержащие 80 и 70% масла, структурируют битум, увеличивая температуру его размягчения. Все добавки полимеров увеличивают эластичность и растяжимость при температуры 0°С, а растяжимость при температуре 25°С увеличивается только у составов, содержащих 90 и 80% масла. Это объясняется, вероятно, тем, что составы с 70% масла являются очень концентрированными, плохо распределяются в битуме, поэтому растяжимость битумов они не увеличивают. В связи с этим, составы с 30% ДСТ и 70% масла из дальнейших исследований были исключены.
Оптимальное соотношение между ДСТ и маслом определялось с использованием метода полного факторного эксперимента типа 22. В качестве выходных параметров были выбраны основные свойства. Варьируемыми факторами являлись:
X1- количество добавки ДСТ в масле, %;
X2- количество раствора полимера в вяжущем, %.
Таблица №1
Свойства полимербитумных вяжущих
Наименова ние показателе й Состав вяжущего, в %
10% П +90% ИМ 20% П + 80% ИМ 30% П+70% ИМ БНД 90/ 130
5 10 15 5 10 15 5 10 15
1.Температу ра размягчения , °С 43 40 36,5 48 50 62 49 52 64 46,5
2.Пенетция, °П, при 25, ° С 130 225 345 120 115 10 102 98 80 91
З.Пенетра ция, °П, при 0° С 60 130 140 48 45 40 26 25 24 28
4.Растяж имость, см, при 25° С 51 58,6 63 52,2 59,4 64,4 18 26 36 41,2
5.Растяж имость, см, при 0 0С 12 24,2 27 10,2 17 23,5 8 12 16 4
б.Элстич ность,%, при25°С 82 91 95 85 91 96 86 92 97 50
7.Эласти чность,%, при 0° С 72 74 76 75 78 80 77 0 82 48
8.Температу ра хрупкости, ° С -25 -29 -30 -24,5 -25 -37,5 -16,5
В составах содержание битума принималось равным 100%. В матрице планирования содержание ДСТ в масле изменялось от 10 до 20%, а количество раствора ДСТ в вяжущем от 5 до 10%. Целью исследований являлось определение оптимального состава ПБВ. Основными параметрами от Y1 до У8 были выбраны свойства в соответствии с табл. №1. Свойства полимербитумного вяжущего приводятся в табл. №2.
Таблица №2
Физико-механические свойства ПБВ
Наименование показателей Составы ПБВ, % мас.
Х1=20 Х1=10 Х1=20 Х1=10
Х2=10 Х2=10 Х2=5 Х2=5
1.Температура размягчения, 0С 49 40 48 44
2. Пенетрация при 25 0С, 0П 115 230 120 130
3. Пенетрация при 0 0С, 0П 45 130 48 60
4. Растяжимость при 25 0С, см 58 57 48 50,5
5. Растяжимость при 0 0С, см 17 24,2 10,2 12
6. Температура хрупкости по Фраасу, 0С - 25,5 - 29 - 24,5 - 25,5
7. Эластичность при 25 0С, % 91 90 85 82
8. Эластичность при 0 0С, % 78 74 75 72
и
Полученные уравнения регрессии приводятся ниже:
У1= 45, 5 + 3,5X1 - 0,5X2 - 1,5X1X2; У2= 15, 25- 27,5X1 + 27,5X2 - 22,5X1X2; У3= 73, 25 - 21,75X1 + 19,25X2 - 15,75X1X2; У4=51, 5-2,5X1 + 6,5X2 + 2, 5 XlX2;
У5= 15,85 - 2,25X1 + 4,75X2 - 1,35X1X2; Уб= -26,12 + 1,12X1 - 1,12 X! + 0,62X1X2
У7=105 - 2, 5 Xl + 7, 3 X2 + 4, 82 XlX2; У8 = 72 - 1,5Х1 + 5 Х2 - 2, 5 Х1Х2 Затем были построены графики и найден оптимальный состав ПБВ: Х1 = 19 % ДСТ + 81% масла; Х2 = 9% раствора ДСТ в масле в ПБВ. Разработанный состав ПБВ предполагается использовать для приготовления АПБ в г. Красноярске и Красноярском крае. Рекомендуемая ГОСТ 52056 марка ПБВ для таких климатических условий должна быть ПБВ90. В табл. №3 приводятся данные по основным свойствам разработанного состава ПБВ в сравнении с требованиями для ПБВ 90.
Таблица №3
Свойства разработанного состава ПБВ в сравнении с требованиями
Свойства Разработанное ПБВ Требования
Температура размягчения, 0С 51 51
Растяжимость, см: при 25 0С 51,5 30
при 0 0С 20,3 15
Температура хрупкости, 0С - 28 -25
Эластичность, %: при 25 0С 88 85
при 0 0С 79 75
Испытания показали, что по температуре хрупкости и эластичности полученный состав не только отвечает требованиям, но и превосходит их. Это говорит о повышенной трещиностойкости вяжущего при
отрицательных температурах, что позволяет рекомендовать разработанный состав для получения асфальтополимербетона в г. Красноярске и Красноярском крае.
Выводы
1. Для получения полимербитумного вяжущего изучены термоэластопласты Воронежского завода СК, китайского и корейского производств. Установлено, что лучшие показатели имеет отечественный термоэластопласт марки ДСТ-30.
2. Установлено, что при введении в битум термоэластопласта необходимо долго и тщательно перемешивать смесь. При этом, получить однородную состав очень тяжело.
3. Предложена технология введения добавки в битум. Необходимо вначале растворять термоэластопласт в индустриальном масле, а затем в виде раствора вводить в битум. В результате сокращается время приготовления и улучшаются свойства ПБВ.
4. Определены предельные концентрации добавки ДСТ в масле, которые составляют от 10 до 30%.
5. Выявлено влияние добавки ДСТ на свойства отечественного битума Ачинского НПЗ марки БНД 90/130. Исследованиями установлено, что введение добавки приводит к увеличению растяжимости, эластичности и снижению температуры хрупкости битума, что говорит о повышенной деформативной способности полимербитумного вяжущего.
6. С использованием метода планирования эксперимента был определен оптимальный состав ПБВ, который составляет: соотношение ДСТ и масла -19 % ДСТ + 81% масла; количество раствора полимера в вяжущем - 9%.
7. Полученный состав был приготовлен в лабораторных условиях и испытан на физико-механические показатели. Установлено, что по
основным свойствам разработанное ПБВ не только отвечает требованиям, но и превосходит их.
8. Разработанный состав полимербитумного вяжущего был рекомендован дорожным организациям г. Красноярска и Красноярского края для производственного внедрения.
Литература
1. Руденский И.М., Руденский А.В. Физические свойства битумов и способы повышения долговечности дорожных покрытий // Автомобильные дороги. 2012. №1. С. 82 - 87.
2. Христофорова А.А., Филиппов С.Э., Гоголев И.Н. Разработка жестких покрытий карьерных дорог с применением активированной резиновой крошки // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/599/.
3. Regulation of the Rheological of Polymer-Bitumen Binders by Ultrasonic Intensification of Mixing Process / R. Avdeychev, O. Pimenova, P. Tyukilina, A. Pimenov //International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol.12. № 22. рр. 11926 - 11932.
4. Becker Yvonne, Mendez Maryro P., Rodriguez Yajaira Polimer modified asphalt // Vision tecnologica. Vol. 9. № 1. рр. 39 - 50.
5. Аюпов Д.А. Модификация нефтяных битумов деструктатами сетчатых эластомеров: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Казань, 2011. 188 с.
6. Горбатовский, А.А. Регулирование показателей качества полимерно-битумных композиций на основе дивинилстирольного термоэластопласта: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.07. Санкт-Петербург, 2012. 159 с.
7. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства //Автомобильные дороги: Обзорная информация. Информавтодор. 2002. Вып. 4. С. 112.
8.Золотарев В.А. О трех структурных типах битумов, модифицированных блоксополимерами типа СБС // Вестник БГТУСМ. 2005. №9. С. 353- 354.
9. Попадек С.В. Еще раз о проблеме качества при модифицировании битумов полимерами типа SBS // Наука и техника в дорожной отрасли. 2000. №5. С. 9-10.
10. Хозеев, Е.О., Коновалов Н.П. Мастики на основе полимерно-битумного вяжущего с применением отходов и минеральных наполнителей // Инженерный вестник Дона, 2018, №3 URL:
ivdon.ru/magazine/archive/№3y2018/5094.
References
1. Rudenskij I.M., Rudenskaja A.V. Avtomobil'nye dorogi. 2012. №1. pp. 82 - 87.
2. Khristoforova A.A., Filippov S.E., Gogolev I.N. Inzhhenernyj vestnik Dona, 2011. №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/599/.
3. Avdeychev R., Pimenova O., Tyukilina P., Pimenov A. International Journal of Applied Engineering Research. 2017. Vol.12. № 22. pp. 11926 -11932.
4. Becker Y., Maryro P., Mendez Y. Vision tecnologica. Vol. 9. № 1. pp. 39 - 50.
5. Ajupov, D.A., 2011. Modifikacija neftjanyh bitumov destruktatami setchatyh jelastomerov [Modification of petroleum bitumen with elastomers], PhD thesis, KGASU, Kazan', 188 p.
6. Gorbatovskij, A.A., 2012. Regulirovanie pokazatelej kachestva polimerno-bitumnyh kompozicij na osnove divinilstirol'nogo termojelastoplasta
[Quality control of polymer-modified bitumen composition on the basic of thermoelastolayer], PhD thesis, SPbGTI, Saint-Petersburg, 112 p.
7. Gokhman, L.M., E.M. Gurary, A.R. Davidova and K.I. Davidova, 2002. Avtomobil'nyye dorogi: Obzornaya informatsiya (issue 4), Informavtodor, p. 112.
8. Zolotarev V.A., Vestnik BGTUSM. 2005. №9. pp. 353-354.
9. Popadek, S.V. Nauka i tekhnika v dorozhnoy otrasli. 2000. №5. рр. 9-10.
10. Hozeev E.O., Konovalov N.P. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018. №3. URL : ivdon.ru/magazine/archive/№3y2018/509.
