Регулирование свойств асфальтобетона модифицирующими добавками, вводимыми в смесь Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 625.855

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ АСФАЛЬТОБЕТОНА МОДИФИЦИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ, ВВОДИМЫМИ

В СМЕСЬ

В.А. Веренько, профессор, д.т.н., В.В. Занкович, ст. научн. сотр., к.т.н., П.П. Яцевич, инженер, Центр научных исследований и испытаний дорожно-строительных и гидроизоляционных материалов, БНТУ, г. Минск, Беларусь

Аннотация. Рассмотрены вопросы улучшения свойств асфальтобетонов путем введения модифицирующих добавок, как в битум, так и непосредственно в асфальтобетонную смесь. Эти мероприятия позволяют увеличить надежность асфальтобетонов и, как следствие, срок службы дорожного покрытия. Большое внимание уделено сравнительным испытаниям наиболее часто применяемых в Республике Беларусь модификаторов.

Ключевые слова: добавки, надежность, «Duroflex®», модификаторы, полимеры, методика.

Введение

Одно из перспективных направлений повышения качества и срока службы асфальтобетонных покрытий - разработка технологии производства асфальтобетонных смесей, модифицированных полимерными материалами. При этом существует две технологии усовершенствования свойств асфальто-бето-нов:

- изменение свойств битумов путем добавления модификаторов;

- непосредственным введением в смеситель специальных добавок.

Рис. 1. Схематическое разделение добавок

Состояние вопроса

В настоящее время, подавляющее большинство полимеров предназначено для модификации битума. Наиболее популярные из них можно разделить на четыре группы [1].

1. Каучуки (тиоколовый, этиленпропилен-тиоколовый, бутилкаучук, хлоропреновый, натуральный каучук, изопреновый, дивини-ловый, нитрольный и др.). Отличительной их особенностью является то, что они плохо или почти не растворяются в битуме и, как правило, требуют введения через масляные или смоляные растворы. Рекомендуемое их количество не превышает 8% от массы вяжущего. Их применение приводит к улучшению сразу нескольких характеристик битума без ущерба остальным свойствам (только при использовании тиоколового каучука происходит незначительное снижение адгезионных свойств вяжущего).

2. Пластические массы (ПЭВД, атактиче-ский, хлорированный, хлоросульфированный полиэтилен, полипропилен, полистирол, ак-рилаты, полихлорвинил). Рекомендуемое количество полимерной добавки к битуму в

среднем составляет от 5 до 20 % (от массы вяжущего). Модификаторы этой группы (кроме ПЭВД) особенно чувствительны к температурному режиму. Большинство из них не рекомендуется перемешивать с битумом при температуре свыше 150 °С. Кроме того, еще одной отличительной особенностью полимеров данной группы является то, что они, как правило, направлены на повышение температурной устойчивости вяжущего, при этом практически не влияют на морозоустойчивость и адгезионные свойства бетона.

3. Сополимеры стирола и дивинила (резино-подобные пластмассы). В основном широко представлены ДСТ-30 и ДСТ-30Р. Хорошо растворимы в битуме с высоким содержа-ни-ем мальтеновой части. Повышают теплоустойчивость и эластичность.

4. Олигомеры. Наиболее распространенными являются жидкий каучук (СКД-1А) и олиго-бутодиен. Они положительно влияют как на температурную устойчивость вяжущего, так и на морозостойкость асфальтобетона. Кроме того, улучшают адгезионную способность модифицированного битума. Единственным недостатком можно считать то, что они применяются только в вулканизованном виде. Вулканизатором может служить MgO.

Кроме вышеперечисленных модификаторов можно отметить группу добавок, применяемых не только для модификации битума путем перемешивания их с вяжущим, но и подаваемых непосредственно в смеситель. Наиболее применяемые - это <^игоАех®», «За-зобит», «Ликомон», Виопа1 № 104 и др.

Цель исследования

Цель работы заключается в установлении влияния вводимой в смесь добавки «Юигойех®» на свойства асфальтобетона.

Результаты исследования

При добавлении полимерной добавки непосредственно в смеситель незначительно увеличивается ее количество. Например, рекомендуемое количество ВШюпа1 NS 104 при модификации битума составляет 1,8 - 2,3 % в пересчете на твердый полимер, а при введении непосредственно в смеситель - 2,3 - 2,8 % [2]. Это обусловлено тем, что при добавле-

нии к минеральной части модифицированного битума полимер равномерно распределяется по всей смеси при требуемой толщине пленки вяжущего. Для достижения того же эффекта непосредственно в смесь требуется вводить большее количество полимера. Тем не менее, следует учитывать, что увеличение расхода модифицирующей добавки в значительной мере окупается простотой применения (не требуется дорогостоящее оборудование для модификации битума) и снижением энергоемкости приготовления смеси. В связи с выше сказанным, наибольший интерес из-за своей универсальности могут представлять именно такие добавки.

С точки зрения соотношения цена-качество, нами было уделено особое внимание добавке «Юигойех®». Данная добавка представляет собой смесь термопластичных и термореактивных полимеров, а так же целлюлозных волокон. Что делает ее эффективной и многофункциональной.

Возможность применения <^игоАех®» в качестве модификатора при добавлении в битум исследовалась на основе сравнения с дивинилстирольным термоэластопластом (ДСТ). Для проведения сравнительной оценки вяжущих были приготовлены экспериментальные составы:

1) на основании добавки <^игоАех®»;

2) на основании дивинилстирольного термо-эластопласта (ДСТ).

Добавка «Юигойех®» принималась в количестве 5, 10 и 15% от массы битума БНД 60/90. Добавка ДСТ принималась в количестве 2, 3,5 и 5% от массы битума БНД 60/90. Экспериментальные составы вяжущих подвергались испытаниям с использованием измерителя вязко-упругих свойств «ИВУС-1». В результате исследований определяли следующие показатели:

- модуль упругости при температуре -10 °С;

- динамический модуль упругости при температуре -10 °С;

- вязкость по модели Кельвина-Фойгта при температуре -10 °С;

- вязкость по модели Максвелла при температуре -10 °С.

Результаты испытаний представлены в табл. 1. Дополнительные характеристики вя-

жущих с модифицирующими добавками представлены в табл. 2.

Таблица 1 Результат определения реологических характеристик вяжущих

Наименование состава Модуль упругости, МПа Динамический модуль, МПа Вязкость по модели Кельвина-Фойгта, Па-с Вязкость по модели Максвелла, Па- с

«ЮшоАех®» 5% от битума БНД 60/90 109 2900 5,4Е+07 2,89Е+09

«ЮшоАех®» 10% от битума БНД 60/90 106 2170 3,9Е+07 2,26Е+09

«ЮигоАех®» 15% от битума БНД 60/90 104 1995 4,9Е+07 1,66Е+09

ДСТ 2% от битума БНД 60/90 105 2140 5,4Е+07 1,77Е+09

ДСТ 3,5% от битума БНД 60/90 106 2275 5,6Е+07 1,94Е+09

ДСТ 5% от битума БНД 60/90 108 2615 5,3Е+07 2,34Е+09

Битум БНД60/90 106 2220 4,7Е+07 2,14Е+09

Таблица 2 Характеристики вяжущих с модифицирующими добавками

Процент добавки от битума БН-Д60/90 Характеристики вяжущего

глубина проникания иглы при температуре 25 °С, °П температура размягчения по кольцу и шару, °С

Duroflex®» 5% 45 53

Duroflex®» 10% 34 80

Duroflex®» 15% 23 93

ДСТ 2% 54 49

ДСТ 3,5% 48 58

ДСТ 5% 39 65

Битум БНД 60/90 70 47

В дальнейшем модифицированный и «чистый» битум были использованы для приготовления щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМСц-10 следующего сос-та-ва. Количество битума принималось разным в зависимости от вида добавки.

Рекомендуемый состав:

1. Контрольный

Щебень фракции 5-10 мм - 72 %; Песок из отсевов дробления - 14 %; Минеральный порошок - 14%; Битум БНД 90/130 -7,2 % (сверх 100%); Целлюлозное волокно - 0,25 % (сверх 100%).

2. С использованием добавки <^игойех» Щебень фракции 5-10 мм - 72 %; Песок из отсевов дробления - 14 %; Минеральный порошок - 14%;

Битум БНД90/130 -6,5 % (сверх 100 %); Добавка «Юигойех» - 1,0 (сверх 100 %).

3. С использованием добавки ДСТ Щебень фракции 5-10 мм - 72 %; Песок из отсевов дробления - 14 %; Минеральный порошок - 14 %;

Битум БНД 90/130 - 7,0 % (сверх 100 %); Добавка ДСТ - 5 % (от массы битума). Для оценки свойств, предложенных асфальтобетонов, обратимся к методике, в основу которой положена теория надежности, позволяющая оценить частные уровни надежности по каждому критерию, и тем самым, спрогнозировать долговечность и срок службы материала [3]. Сущность методики сос-тоит в следующем.

По каждому из критериев (сдвигоустойчи-вость, температурная и усталостная трещи-ностойкость, коррозионная стойкость) вычисляли коэффициенты запаса рф

К = —, (1)

г р тр ' V /

где рф - фактические свойства материала, ответственные за появление тех или иных деформаций; Р{ тр - требуемые свойства, при которых эти деформации отсутствуют в течение первого года службы.

Для оценки коэффициента запаса из условия устойчивости к появлению пластических деформаций определяли угол внутреннего трения и удельное сцепление. В результате коэффициент запаса из условия обеспечения сдвигоустойчивости (К^ определяли следующим образом:

К =

С

(о р - к Чо с Чtgф)

-Чи

(2)

где С - удельное сцепление; и - параметр, учитывающий соотношение фактического и длительного модулей релаксации; Ор - растягивающие напряжения на контакте колеса с покрытием; к - коэффициент, учитывающий несовпадение угла взаимодействия растягивающих и сжимающих напряжений; ос -сжимающие напряжения на контакте колеса с покрытием; tgф - тангенс угла внутреннего трения.

А _

1 + 1,92 Ч1ё ^ А

и К2 ш

где А - прочность на растяжение при температуре -15 °С и скорости нагружения 3 мм/мин; А - прочность на растяжение при температуре -15 °С и скорости нагружения 10 мм/мин.

При получении формулы (4) был исполь-зо-ван тезис, что материалы с одинаковой релаксационной способностью имеют и близкую температурную трещиностойкость.

Коэффициент запаса из условия усталостной долговечности вычисляли по формуле

К3 =

А

К

тр

(5)

Для проведения сравнительных оценок принимали следующие значения характеристик: для участков перегонов - Ор = 0,5 МПа, ос = 1,0 МПа, к = 0,43 и и = 0,8; для участков торможения - ор = 0,65 МПа, ос = 1,0 МПа, к = 0,43 и и = 0,8. Здесь следует особо подчеркнуть, что при использовании формулы (2) учитываются не только реологические свойства материала (параметр и), но и особенности гранулометрии и свойств вяжущего (угол внутреннего трения и удельное сцепление).

Значения тангенса угла внутреннего трения и удельное сцепление определялись по методике, представленной в СТБ 1115-2004.

Коэффициент запаса из условия температурной трещиностойкости находили из условия

К _ 0,5 ЧКс

А

(3)

где А - максимальная прочность материала, реализуемая в широком диапазоне температур и скоростей нагружения; А - прочность на растяжение при температуре 0 °С.

Значение А определяли по формуле

где Ктр - требуемое значение максимальной

прочности материала покрытия (для магистральных дорог и улиц составляет 5,5 МПа).

Коэффициент запаса по коррозионной стойкости определяли по условию:

К4 =

¡^мрз Лф

К мрз тр

(6)

где Кфмрз - фактический коэффициент моро-

мрз

зостойкости в агрессивной среде; Ктр - тре-

буемый коэффициент морозостойкости в агрессивной среде (для условий Республики Беларусь составляет 0,8).

Значения прочности на растяжение при температуре 0 и -15 °С определялись по методике СТБ 1115-2004.

Величину фактического коэффициента морозостойкости в агрессивной среде рассчитывали по следующей формуле:

К мрз _ А

ф дмрз

(7)

где Амрз - прочность на растяжение при температуре 0 °С после проведения 50 циклов попеременного замораживания-оттаивания в

с

10%-ом растворе №С1 по методике из СТБ

1115-2004. В результате определения частных уровней

был рассчитан общий уровень надежности.

По полученным коэффициентам запаса находим частные уровни надежности (Рь Р2, Рз, Р4) по кривым, представленным на рис. 2.

Таблица 3 Характеристики сдвигоустойчивости и трещиностойкости для экспериментальных

составов

Номер состава Характеристики приготовленных смесей

внутреннее сцепление, МПа тангенс угла внутреннего трения предел прочности при растяжении при 0 оС, МПа предельная структурная прочность, МПа показатель стекания величина коэффициента запаса* величина уровня надежности

К: К2 Р1 Р2

1 0,22 0,90 2,23 5,96 0,06 1,56 1,34 0,81 0,92

2 0,30 0,94 2,31 6,42 0,08 2,51 1,39 0,97 0,94

3 0,27 0,91 2,52 6,83 0,14 1,98 1,36 0,94 0,93

* где К1 - коэффициент запаса по сдвигоустойчивости, К2 - коэффициент запаса по температурной трещиностойкости, Р\ - уровень надежности по сдвигоустойчивости, Р2 - уровень надежности по температурной трещиностойкости.

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1

Коэффициент запаса (К/)

Рис. 2. Зависимость уровня надежности (Р) от величины коэффициента запаса (К)

(Робщ), который представляет собой вероятность безотказной работы материала покрытия (без появления сдвиговых деформаций, температурных и усталостных трещин, коррозионных разрушений) в течение всего расчетного срока службы.

<^июАех®» в большей степени, по сравнению с ДСТ, повышаются характеристики сдвигоустойчивости (угол внутреннего трения и внутреннее сцепление). При этом, как и у дивенилстирольного термоэластопласта, не отмечается снижения показателей температурной трещиностойкости, что, например, наблюдается при простом снижении вязкости битума или его количества. Но битум, модифицированный ДСТ, имеет более высокий показатель эластичности.

величины коэффициентов запаса для исследуемых смесей

2,5

коэффициента

1,5

0,5

коэффициент

номер смеси

Робщ " 4Р1 Ч Р2 Ч Р3 Ч Р4

3

Характеристики сдвигоустойчивости и трещиностойкости для экспериментальных составов представлены в табл. 3.

Из проведенного эксперимента видно, что модификация битума привела к изменению его свойств и, как следствие, изменению свойств асфальтобетона. При применении

величины уровней надежности для исследуемых смесей

величина значения уровня надежности

1

0,950,9 0 , 85 0, 8 0,75 0,7

уровень надежности

Рис. 3. Величины значений коэффициентов запаса и уровней надежности по критериям сдвигоустойчивости и температурной трещиностойкости

Возможность подачи «ЮигоАех®» непосредственно в смеситель исследовалась при сравнении свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов по вышеизложенной методике

номер смеси

Таблица 4 Свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов

№ смеси Коэффициенты запаса Ro, МПа Rc, МПа Rсдв, МПа R5o, МПа

К1 К1* К2 К3 К4

1 3,49 1,56 1,15 1,23 1,12 2,95 7,26 3,28 1,52

2 1,97 0,90 1,25 1,21 1,09 2,65 6,64 2,34 1,08

№ смеси Уровни надежности ф, о С, МПа

Л Л. Р2 Р3 Р 4 Р 1 общ Р * общ*

1 0,95 0,81 0,94 0,93 0,95 0,94 0,91 41,42 0,53

2 0,94 0,36 0,87 0,89 0,92 0,90 0,71 41,06 0,31

: для участков разгона-торможения и остановок общественного транспорта.

величины коэффициентов запаса для исследуемых смесей

3,51 3-

величина 2,5 значения 2 коэффициента 1,5 запаса 1

0,5 0

К2 К3

К3 К4

коэффициенты запаса

величины уровней надежности для исследуемых смесей

1

0,8-

величина значения 0,6 уровня 0,4 надежности

0,2 0

уровни надежности

Рис. 4. Величины значений коэффициентов запаса и уровней надежности

(с учетом уровней надежности). Для исследований были приняты две асфальтобетонные смеси следующего состава:

Смесь №1 (приготовлен на АБЗ ОАО «Ма-кродор»): Щебень фракции 10 - 14 мм - 40

%;

Щебень фракции 5 - 10 мм - 35 %; Отсев дробления - 14 %;

Минеральный порошок - 11%; Битум БНД60/90-5,9-6,1% (сверх 100 % м/ч); Модифицирующая добавка «ЮигоАех®» -0,75 - 0,85 % (сверх 100 % м/ч).

Смесь №2 (приготовлен в лабораторных

условиях): Щебень фракции 10 - 14 мм - 40

%;

Щебень фракции 5 - 10 мм - 35 %; Отсев дробления - 14 %; Минеральный порошок - 11 %; Битум БНД60/90-5,7-5,9% (сверх 100 % м/ч); Целлюл. волокно - 0,25 % (сверх 100 % м/ч). Результаты определения характеристик свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонов представлены в табл. 4.

Заключение

Данное исследование показало эффективность применения данной добавки при введении ее непосредственно в смеситель. Кроме того, отмечается отсутствие необходимости в применении целлюлозного волокна при приготовлении щебеночно-мастичных асфальтобетонов. Применение модифицирующих добавок увеличивает стоимость асфальтобетона по сравнению с традиционными смесями, но при этом обеспечивается получение экономического эффекта за счет продления срока службы в среднем (с учетом всего комплекса возможных деформаций) на 3 - 5 лет, по от-

ношению к появлению сдвиговых деформаций - в 2 раза.

Литература

1. Веренько В.А. Новые материалы в дорож-

ном строительстве: Учебное пособие. -Мн.: УП «Технопринт», 2004. - 170 с.

2. Типовой технологический регламент на

применение латексов ВШюпа1 № 104 и ВШюпа1 NS 198 для модификации битумов, битумных эмульсий и асфальтобе-

тонов ТР 218-03450778-374:2006. 3. Веренько В.А. Надежность дорожных одежд: Учебное пособие. - Мн.: БГПА, 2002. - 120 с.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.