CC BY
117
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ ПРИГОТУВАННЯ БІТУМУ, МОДИФІКОВАНОГО ПОЛІМЕРНИМ ЛАТЕКСОМ БУТОНАЛ ^ 104, НА ВЛАСТИВОСТІ ДОРОЖНЬОГО БІТУМУ
В.В. Мозговий, професор, д.т.н., О.М. Бесараб, доцент, к.т.н., О.В. Прудкий, наук. співроб., НТУ, В.В. Смолянець, к.т.н., директор, Одеська філія «Одесадіпродор»
Анотація. Наведені результати дослідження бітуму модифікованого полімерним латексом Бутонал ^ 104, в залежності від температури, часу та кількості модифікатора з урахуванням рекомендацій фірми-виробника BASF (США). Проведені дослідження показали можливість отримання бітумополімеру на основі полімерного латексу Бутонал ^ 104, що відповідає вимогам чинних нормативно-технічних документів України. На основі проведених досліджень були встановлені раціональні параметри технології приготування бітумополімерного в ’яжучого, що дозволило з’ясувати умови використання полімерного латексу Бутонал ^104 у вітчизняних виробничих умовах.
Ключові слова: дорожній бітум, полімерний латекс Бутонал Ш 104, параметри технології приготування бітумополімеру (БПВ), властивості в ’яжучого.
Вступ
У дорожньому будівництві модифікація бітуму полімерами є одним із найбільш ефективних заходів підвищення довговічності дорожньо-буді-вельних матеріалів, що виробляються на основі органічних в’яжучих [1-6].
Одними з найбільш ефективних і популярних є полімери на основі стирол-бутадієну [3-4]. Із різновидів полімерів такого типу досить вигідно відрізняються за своїми показниками полімерні латекси серії Бутонал № 104 (виробництва фірми BASF, США) [7].
Враховуючи, що вітчизняні дорожні бітуми відрізняються від тих, що використовуються в США, постало питання вивчення впливу таких модифікаторів на властивості дорожніх бітумів, що застосовуються в Україні. Одним із перших в Україні почав застосовуватись катіонний латекс Бутонал № 198. На основі попередніх
досліджень, проведених науковими колективами ДерждорНДІ і ХНАДУ було визначено вплив полімерного латексу Бутонал № 198 на
властивості дорожнього бітуму [3, 8]. Результати лабораторних випробувань підтвердили підвищення фізико-механічних показників в’яжучого в залежності від кількості полімеру. Ці дослідження дозволили застосувати полімер Бутонал № 198 при будівництві автомобільних доріг: Київ-Одеса (км 217 - км 236, км 247 - км
252, км 292 - км 303); Харків-Сімфе-рополь (км 536 - км 538); Київ-Чоп (км 331 - км 335) та інших об’єктів.
Мета і постановка задачі
Останнім часом в Україні з’явився ще один вид полімерного латексу Бутонал № 104, що
орієнтований на підвищення ефективності модифікації дорожніх бітумів. Однак зрозуміло, що для досягнення максимального ефекту від застосування полімеру і вивчення його впливу на фізико-механічні властивості бітуму необхідно встановити раціональні параметри технології приготування з урахування виробничих умов. В даній роботі досліджується вплив параметрів приготування бітуму, модифікованого полімерним латексом Бутонал № 104, на
властивості дорожнього бітуму. У зв’язку з цим були проведені експериментальні дослідження для встановлення:
- раціональних витрат полімеру для модифікації бітуму;
- впливу температури та часу приготування БПВ на основні його характеристики;
- впливу температури та часу приготування на однорідність БПВ.
Для виконання роботи були розроблені методики приготування зразків. Досліди виконувались на зразках бітуму з використанням полімерного
латексу Бутонал № 104 наданого
представниками фірми BASF - ТОВ «Міжнародна хімічна продукція». Дослідження виконувались в науково-дослідній лабораторії «Технологія матеріалів і конструкцій транспортного будівництва» ім. проф. Г.К. Сюньї при кафедрі дорожньо-буді-вельних матеріалів і хімії Національного транспортного університету (НДЛ ТМКТБ ДБМіХ НТУ).
Методика приготування БПВ до випробувань
Для визначення впливу полімерного латексу Бутонал №104 на фізико-механічні
характеристики БПВ в даних дослідженнях використовували бітум нафтовий дорожній марки БНД 90/130, як один із найбільш розповсюджених в Україні. В даний бітум додавали полімерний латекс з метою визначення раціональної його кількості та визначення інших технологічних параметрів для отримання БПВ, що відповідають
вітчизняним
вимогам.
Вихідний дорожній бітум марки БНД 90/130 характеризувався наступними вихідними показниками (табл. 1).
Були приготовлені БПВ з 2 %, 4 % та 6 % Бутоналу №104. Температура приготування змінювалась від 160 оС до 200 оС). Час приготування БПВ коливався від 1 години до 8 годин. Такий широкий діапазон параметрів модифікації передбачено також для визначення граничнодопустимих їх значень у виробничих умовах.
Для модифікації бітумного в’яжучого була розроблена установка О-1 (рис.1), що дозволяє здійснювати процес при заданих технологічних режимах.
Таблиця 1 Показники дорожнього бітуму
Найменування показників Одиниця виміру Вимоги ДСТУ 4044 до бітуму марки БНД 90/130 Величина показника
Г либина проникання голки при 25 оС 0,1 мм від 91 до 130 97
Температура розм’якшення по КіК °С від 47 до 53 49,0
Розтяжність (дуктильність) при температурі 25 оС см не менше 55 82,6
Зміна властивостей після прогрівання: залишкова пенетрація % не менше 60 95
зміна температури розм’якшення °С не більше 6 2
Температура крихкості °С не вище -10 -22
Температура спалаху °С не нижче 240 240
Зчеплення % - 90
Рис.1. Схема реактора для приготування БПВ: 1 - електродвигун; 2 - змішувач; 3 - в’яжуче; 4 -термостійка рідина (технічний гліцерин або індустріальне масло); 5 - тен; 6 - штатив лабораторний; 7 - електроконтактний термометр Послідовність операцій приготування БПВ полягала у наступному:
- розігрів бітуму до робочої температури; введення в бітум при постійному перемішуванні необхідної кількості полімерного латексу Бутонал №104;
- доведення в’яжучого до робочої температури приготування з постійним перемішуванням;
- витримування БПВ в реакторі при робочій температурі з постійним перемішуванням на протязі визначеного часу модифікації, необхідного для набору потрібних фізико-механічних властивостей.
Результати лабораторних досліджень
Випробування вихідного бітуму та бітуму, модифікованого полімером, виконували у відповідності з діючими нормативними
100
С
40 -|--------------------
01 2345678
Час, 1, год
—ф— 6 % полімеру ■ 4 % полімеру —*—2 % полімеру
документами [9, 10]. Результати випробувань вихідного та модифікованого бітуму наведені на рис. 2-14.
Результати визначення пенетрації бітуму модифікованого різною кількістю полімеру Бутонал №104, приготовленого за різних температур показали (рис. 2, 3), що значна зміна в’язкості відбувається в перші три години модифікації бітуму. Так, при 2 % концентрації полімеру при температурі приготування БПВ 180оС через 3 години модифікації значення пенетрації (П25) зменшилося на 25 %, при 4 % полімеру - на 34 %, а при 6 % - на 44 %, тоді як через 8 годин модифікації це зменшення відповідно було на 31 %, 40 % та 47 % (рис. 2). Тобто значення пенетрації практично стає стабільним після 3 годин модифікації бітуму.
Аналогічна зміна пенетрації БПВ відбувається і при температурі випробування 0 °С (рис. 3).
Рис. 2. Залежність пенетрації (при 25 оС) БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру
ЗО -І------------
01 2345678
Час, ї, год
+—6 % полімеру —л—А % полімеру —*—2 % полімеру
Рис. 3. Залежність пенетрації (при 0 оС) БПВ від На основі цього можна зробити висновок, що для встановлення значення показника в’язкості БПВ достатньо трьох годин модифікації в’яжучого, після чого можна встановити його марку. Аналізуючи результати зміни в’язкості БПВ при зміні температури приготування від 160 °С до 200 °С видно, що при її збільшенні в’язкість дещо збільшується (рис. 4).
Так, при температурі приготування 160 °С з 2 % полімеру зменшення в’язкості (П25) відбулося на 16 %, з 4 % полімеру - на 18 %, з 6 % полімеру -на 20 %. При температурі 180 0С з 2 % полімеру зменшення в’язкості відбулося на 25 %, з 4 % полімеру на - 34 %, з 6 % полімеру на - 37%, а при температурі 200 °С - відповідно на 28 %,
38 % та 48 %. На основі цього можна припустити, що при приготуванні БПВ за температури 160 °С процес модифікації відбувся не повністю, що співпадає з рекомендаціями фірми BASF (рекомендований діапазон 170-180 °С).
Величина зниження пенетрації БПВ, приготовленого при температурі 180 °С та 200 °С практично збігається, однак можна також припустити, що в таких умовах поряд із процесом модифікації в’яжучого відбуваються інтенсивні процеси його старіння. Варто також відмітити, що зі збільшення температури приготування, а особливо зі збільшенням кількості полімеру (до 6%) можливий перехід полімербітумного в’яжучого у більш в’язку марку. Цю властивість отриманого БПВ необхідно враховувати при приготуванні, укладанні та ущільненні полімерасфальтобетонної суміші.
Результати визначення температури розм’якшення БПВ в залежності від температури та часу приготування показали його характер зміни БПВ (рис. 5, 6) аналогічно зміні пенетрації.
часу приготування при різній кількості полімеру При 2 % полімеру, вже після першої години приготування полімербітумного в’яжучого (рис. 5), значення теплостійкості збільшилося на 5 °С і залишилося практично незмінним при подальшому його витримуванні у реакторі (рис. 1).
При 4 % полімеру також основне збільшення теплостійкості відбулося на протязі першої години приготування БПВ і становило - 10 °С. Після 8 годин приготування БПВ це збільшення становило 14 °С.
При 6 % полімеру такі показники становили 15 0С та 21 °С. Варто відмітити, що БПВ готували при рекомендованій фірмою БАСФ температурі 180 °С. При збільшенні та зменшенні температури приготування БПВ від 200 °С до 160 °С (рис. 6) значення температури розм’якшення відповідно збільшилося на 1 °С та зменшилося на 3-5 °С. Це підтверджує попередню думку про те, що температура приготування БПВ 160 0С
недостатня для швидкого об’єднання полімеру для отримання гомогенної суміші, а повільне збільшення теплостійкості при температурі приготування 200 °С говорить про те, що процеси старіння практично не розвиваються.
Для перевірки факту можливого старіння БПВ при дії надто високих температур досліджували зміну еластичності в’яжучого для даного діапазону зміни температур та часі приготування. Отримані наступні результати.
Поява еластичності навіть при невеликій кількості полімеру та часу модифікації (при 2%, після 1 години приготування (рис. 7)) підтверджує можливість суттєвого підвищення еластичних властивостей БПВ.
40 -І----------------------------------------------------------------------------------
140 160 180 200
Темперяіура, Т, °С
■+—6 % полімеру —■— 4 % полімеру —*—2 % полімеру
Рис. 4. Залежність пенетрації (при 25 оС) БПВ від температури приготування при різній кількості полімеру
70
45 -І------------
01 2345678
Час, ї, год
+—6 % полімеру —«—4 % полімеру —*—2 % полімеру
Рис. 5. Залежність температури розм’якшення БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру
70
£ 45 А----------------------------------------------------------------------------------
" 140 160 180 200
Темпераіура, Т, ,:С
+—6 % полімеру —«—4 % полімеру —*—2 % полімеру
Рис. 6. Залежність температури розм’якшення БПВ від температури приготування при різній кількості полімеру
160 165 170 175 180 185 190 195 200
Температура приготування, С
■+— 6 % полімеру —■— 4 % полімеру * 2 % полімеру
Рис. 7. Залежність еластичності БПВ від температури приготування при різній кількості полімеру
75
60 -І-----------------------------------------------------------------------------
1 2 3 4 5 6 7 8
Час приготування, годин
—*— 6 % полімеру —■— 4 % полімеру —±— 2 % полімеру
Рис. 8. Залежність еластичності БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру
їх І І Ої ^ - -\ І- 1 : 1
5Е ЬЬ ь о_ _ о ^ ^ - / / і — :
а к а
1- 03 о_ І І ™ АЕ. - *
і
І- с Час, 1, од
—♦—6 % полімеру, до прогрібання —*—6 % полімеру, після прогрібання —А—4 % полімеру, до прогрібання — х —4 % полімеру, після прогрівання —■—2 полімеру, до прогрібання —♦—2 % полімеру, після прогрібання
Рис. 9. Залежність зміни температури розм’якшення БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру
При 2 % полімеру після першої години
приготування показник еластичності становив 62 %, після 3 годин - 69 %, який залишався
незмінним і при максимальному часі
приготування БПВ - 8 год. Аналогічне
збільшення показника еластичності відбувалося при модифікації 4 % полімеру відповідно на 66 % та 72 % та при 6% полімеру - на
67 % та 73 %. Таким чином, збільшення кількості полімеру навіть до 6 % практично не впливає на зростання показника еластичності, який є
достатньо високим і при меншій кількості полімеру.
Особливо необхідно відмітити, що значення еластичності при високих температурах приготування БПВ практично залишалося незмінним (рис. 8) у порівнянні із низькими температурами приготування. Ці результати підтверджують попередні твердження стосовно стійкості новоутвореного в’яжучого до старіння.
Важливими показниками БПВ, що характеризують його технологічність, зручність роботи у виробничих умовах, а також визначають за якість отриманого в’яжучого, є зміна основних властивостей БПВ після прогрівання та показник розшарування при зберіганні. Тому в даній роботі були проведені дослідження, результати яких засвідчили незначну зміну таких властивостей при температурах модифікації.
Так, зміна показника теплостійкості БПВ після прогрівання в залежності від кількості полімеру та часу його модифікації є незначною. Після першої години модифікації при температурі приготування 1800С цей показник був вищим у порівнянні із вихідним БПВ на 2-4 °С, що
пояснюється можливою наявністю
непромодифікованого в’яжучого, тоді як після 3 годин модифікації цей показник не перевищував 3 °С (рис. 9), тобто відповідав діючим вимогам. При зниженні температури приготування БПВ до 160 °С цей показник залишався сталим, а з підвищенням температури до 200 °С - становив максимум 5 °С (рис. 10), що також відповідає вимогам [8].
Залежність показника розшарування при зберіганні (за показником пенетрації) БПВ від кількості полімеру, часу та температури приготування показав незначну його зміну, як при модифікації при низьких, так і при високих температурах (5-7 град. пенетрації) (рис. 11, 12).
Хоч цей показник і не нормується, однак отримані значення вказують про достатню однорідність отриманого в’яжучого після модифікації.
Залежність розшарування при зберіганні (за температурою розм’якшення (КіК)) БПВ в залежності від кількості полімеру та часу його приготування показала незначну зміну цього показника, що теж підкреслило однорідність, а отже і технологічність отриманого БПВ. Однак необхідно відмітити, що зі збільшенням кількості полімеру значення розшарування дещо збільшується, хоча і залишається в межах допустимого. При 2% полімеру різниця за показником КіК в залежності від часу приготування коливалася від 1 до 4 0С, тоді як при 6% полімеру ця різниця становила 3-50С (рис. 13, 14 ). Такі результати спостерігаються на всьому діапазоні зміни температури приготування БПВ.
75
■+— 6 % полімеру, до прогрівання —6 % полімеру, після прогрівання —*— 4 % полімеру, до проірівання х—4 % полімеру, після прогрівання —2 % полімеру, до прогрівання ♦ 2 % полімеру, після проірівання
Рис. 10. Залежність зміни температури розм’якшення БПВ від температури приготування при різній кількості полімеру
Рис. 11. Залежність розшарування при зберіганні (за показником пенетрації) БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру____________________________________________________________
Рис. 12. Залежність розшарування при зберіганні (за показником пенетрації БПВ) від температури приготування при різній кількості полімеру
оп
о 2 70 -
гтГ г г з СП - /а і і і
■— 1 г
гг Е О о £ — 1 1
' Н У ■
ос -'и ї О. 1 р-■п а. щ А П - г
1 с : і Час,1 , год Е
—Ф—6 % полімеру, верх —■—6 % полімеру, низ —А—4 % полімеру, верх — х—4 % полімеру, низ —■—2 % полімеру, верх —*—2 % полімеру, низ
Рис. 13. Залежність розшарування при зберіганні (за показником температури розм’якшення) БПВ від часу приготування при різній кількості полімеру
45
140 160 180 200
Температура, Т, °С
■+—6 % полімеру, верх —■—6 % полімеру, низ —А—4 % полімеру, верх
х—4 % полімеру, низ_________—■— 2 % полімеру, верх________—*— 2 % полімеру, низ
Рис. 14. Залежність розшарування при зберіганні (за показником температури розм якшення) БПВ від температури приготування при різній кількості полімеру
Висновки мационный сборник. - 2004. - Вып. 6. - М. -
С. 1-28.
Проведені дослідження бітуму, модифікованого полімерним латексом Бутанал № 104, дозволили зробити такі висновки.
1. БПВ на основі полімерного латексу Бутонал № 104 за усіма стандартними показниками відповідають вимогам, які пред’являють до бітумів, модифікованих полімерами.
2. Зміна фізико-механічних властивостей БПВ в широких межах (на 50-100%) в залежності від кількості полімеру і технологічних параметрів приготування свідчить про можливість активного регулювання його властивостями в конкретних виробничих умовах.
3. Стійкість і стабільність властивостей БПВ при дії високих технологічних температур говорить про можливість достатньо тривалого його зберігання у виробничих умовах із забезпеченням початкових властивостей.
4. Незначний час приготування даного БПВ (в середньому 2-3 години) дозволяє заощадити значні енергоресурси і вигідно вирізняє його серед БПВ, виготовлених з іншими модифікаторами.
5. Раціональна кількість полімерного латексу
Бутонал № 104 для модифікації бітумів даної марки становить 2-3 %, час приготування
коливається в межах 2-3 год., а оптимальна температура приготування близько 170-180 °С.
Література
1. Кинг Г.Н., Радовский Б.С. Свойства полимерно-битумных вяжущих и разрабатываемые в США методы их испытания // Новости в дорожном деле. Научно-технический инфор-
2. Кинг Г.Н., Радовский Б.С. Материалы и техно-
логии компании Koch Materials для строительства и ремонта дорожных покрытий // Новости в дорожном деле. Научно-технический информационный сборник. - М. -2004. - Вып. 6. - С. 28-62.
3. Золотарев В.А. Свойства битумов, модифицированных полимерами типа СБС // Автошляховик України. - 2003. - № 3. - С. 29-31.
4. Золотарьов В.О., Галкін С.Г., Кищинський С.В.
Про стабільність при збереженні бітумів, модифікованих полімерами // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва. - 2004-1(43). Том 1. - С. 16-23.
5. Пактер М.К., Самойлова Е.Є., Братчун В.І.,
Беспалов В.Л., Гуляк Д.В. Дослідження початкових стадій одержання
бітумополімерного в’яжучого і
асфальтобетону методом диференційної скануючої калориметрії // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні метеріали для будівництва. - 2004-1(43). Том 1. - С.42-47.
6. Гнатенко Г.Ф., Фесенко В.І., Галкін А.В.,
Жданюк В.К., Залотарьов В.О. Досвід приготування полімербітумного в’яжучого у безкомпресорній установці // Автошляховик України. - 2001. - № 1. - С.39-42.
7. Макаричев О.О., Мозговий В.В., Бесараб О.М.,
Онищенко А.М. Оцінка впливу модифікатора бітуму Бутанал NS 198 на підвищення довговічності
асфальтобетонного покриття // Дороги та мости. Збірник наукових праць. - 2005. - №
5. - С. 275-288.
8. Гончаренко Ф.П. Результати наукових досліджень ДерждорНДІ та аналіз практичного досвіду забезпечення якості
асфальтобетону та асфальтобетонних покриттів // Вестник ХНАДУ. - Харків: ХНАДУ. - 2002. -
С.101-104.
9. ДСТУ 4044-2001 Бітуми нафтові дорожні в’язкі. Технічні умови.
10. ТУ У В.2.7-24.1-03450778-198-2002. Бітуми, модифіковані полімерами. Технічні умови.
Рецензент: В.О. Золотарьов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 3 серпня 2006 р.
