CC BY
77
pУДК 625.7.06
B. С. Осипчик, Н. В. Костромина, Ю. В. Олихова,
C. А. Сербин, В. Н. Ивашкина, В. М. Аристов
РЕЗИНОНАПОЛНЕННЫЙ ДОРОЖНЫЙ БИТУМНЫЙ МАТЕРИАЛ
С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Ключевые слова: дорожный битум, резинонаполненные вяжущие, полимерный модификатор, резиновая крошка, органобен-
тонит, межфазное взаимодействие
Рассмотрен способ создания резинонаполненного дорожного битумного материала с использованием полимерных модификаторов и органобентонита. Показана возможность совмещения продуктов переработки изношенных автомобильных шин и битумного вяжущего в результате управления межфазными и поверхностными характеристиками за счет использования поверхностно-активных добавок, обладающих свойствами высокоэффективных смачивателей.
Key words: road bitumen, rubber-filled binders, polymer modifier, rubber crumb, organobentonit, interfacial interaction
A method of creating, rubber-filled road bituminous material using polymeric modifiers and organobentonit. The possibility of combining products ofprocessing used tires and the asphalt binder as a result of the control interphase and surface characteristics through the use of surface-active additives, with properties of high-performance wetting.
Введение
Нефтяные битумы - это основа вяжущих материалов для дорожного строительства. При существующей сегодня транспортной нагрузке на основных автомагистралях необходимая
долговечность покрытий, уже не может быть обеспечена за счет применения обычных дорожных битумов.
Долговечность дорожных покрытий напрямую связана с качеством используемых материалов и, в первую очередь, битума, как основного компонента вяжущего. Дорожные битумы должны сочетать эластичность и деформационную устойчивость при повышенных температурах. Окисленные битумы лишены свойства, которое обеспечивает долговечность дорог - эластичности, способности материала восстанавливать свою структуру после снятия приложенного напряжения.
Одним из классических способов улучшения свойств материалов является их модификация. К основные эксплуатационным недостатком полимер-битумных вяжущих по ГОСТ Р 52056-2003 следует отнести, по нашему мнению, использование в качестве основы окисленных битумов (ГОСТ 2224590) и в качестве полимеров, как зафиксировано в стандарте, только термоэластопластов - стирол-бутадиен-стирольных каучуков. В связи с вышеизложенном, цель исследования - разработка вяжущего для дорожных покрытий, обеспечивающего надёжную эксплуатацию в асфальтовых смесях и по уровню основных эксплуатационных характеристик приближающегося к значениям нормативных показателей ГОСТ Р 52056-2003.
Экспериментальная часть
В качестве основы в работе использовали битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90 российского производства, в качестве модификаторов - резиновую крошку дисперсности от 0,2 до 2,5 мм, глицидилсодержащие полиэфиры -продукты конденсации эпихлоргидрина с
диэтиленгликолем, содержащие не менее 26 % эпоксидных групп. В качестве поверхностно-активных добавок в работе были использованы кремнийорганические блок-сополимеры -полисилоксан-полиоксиалкиленовые блок-
сополимеры, молекулы которых включают гидрофобные полиорганосилоксановые и
гидрофильные полиоксиалкиленовые блоки, а также органобентонит, полученный обработкой натриевой формы монтмориллонита хлористым
октадециламмонием. Средний размер частиц органобентонита - 6 мкм, а расстояние между слоями внутри тактоидов - 3,1нм.
Получение резинонаполненных битумных вяжущих осуществлялось по технологии смешения битума и резины при нагревании в присутствии модификаторов.
Свойства резинонаполненных битумных вяжущих - температуру размягчения по кольцу и шару (КиШ), пенетрацию, изменение пластичности материала после выдержки материала при 160 0С в течение 5 ч, гомогенность вяжущего - определяли по ГОСТ Р 52056-2003. К резинонаполненным вяжущим была адаптирована методика испытаний полимерных компомпозиционных материалов -определение способности к релаксации (остаточная деформация).
Испытания проводили на разрывной машине ТШАТ^Т 2150 с точностью измерения 0,1 Н и 0,1 мм при скорости нагружения 50 мм/мин. Для исследования межфазного взаимодействия на границе раздела фаз определяли краевой угол смачивания для систем битумное вяжущее -резиновая подложка (характеризует межфазное взаимодействие в резинонаполненных связующих) и битумное вяжущее - мраморная подложка (межфазное взаимодействие в асфальтовых смесях).
Результаты и их обсуждение
Модифицирование битума полимерными добавками приводит к получению вяжущего, которое при деформации внутренней структуры
начинает работать как материал с некоторым внутренним армированием. В основном полимерные модификаторы являются структурирующими добавками, распределяясь в дисперсной среде или создавая собственную структурную сетку в битуме [1-5]. Полимерный каркас обеспечивает, с одной стороны, прочность, отсутствие текучести при повышении температуры и с другой -деформативные свойства при понижении температуры, расширяя диапазон
работоспособности битумных материалов. При использовании реактопластов важна их правильная дозировка, поскольку имеется возможность повышения жесткости при отрицательных температурах. На основании проведённых исследований оптимальным оказалось
использование глицидилсодержащих полиэфиров до 1 % и резиновой крошки до 20 % в сотаве битумных вящущих [6].
Одной из проблем использования резиновой крошки является трудность растворения вулканизованной резины в битуме [7]. Для решения этой проблемы предлагается введение резиновой крошки в битум на стадии их смешения и разложения и девулканизации резины в битуме. Проведены сравнительные исследования резинонапонных битумных вяжущих с резиновой крошкой различной дисперсности. В таблице 1 представлены результаты испытаний образцов, полученных с использованием резиновой крошки различного фракционного состава на основе битума 60/90 при следующем соотношении компонентов: битум - 80 масс. %, резиновая крошка - 20 масс. %.
Таблица 1 - Влияние дисперсности резиновой крошки на свойства резинонаполненных битумных вяжущих
Состав Пенетрация, 25 °С / 0 °С; 0,1 КиШ, °С
мм
битум + резиновая крошка (0,2-0,8 мм) 66 / 30 72
битум + резиновая крошка (0,5 мм) 65 / 29 66
битум + резиновая крошка (1,0 -2,5 мм) 40 / 20 70
Как видно из таблицы 1, использование резиновой крошки крупной фракции приводит к ухудшению всего комплекса свойств вяжущего. По-видимому, в этом случае при взаимодействии резиновой крошки крупной фракции и битума какие-либо превращения отсутствуют из-за недостатка времени. При этом не достигается однородное распределение, что отрицательно сказывается на свойствах резинонаполненного вяжущего и возникает проблема седиментации частиц резины в готовом битуме. При введении в битум резиновой крошки дисперсностью до 0,5 мм происходят процессы набухания и деструкции частиц. В результате оседание резины снижается, а транспортировка и работа с битумом становятся проще.
Установлено, что для получения однородной гомогенной системы битум + резиновая крошка необходимо перемешивание системы в течение 1 ч при 140 0С. Для снижения продолжительности смешения целесообразно использование органобентонита и кремнийорганического блок-сополимера. Органо-бентонит вводили в систему перемешиванием на высокоскоростной мешалке в виде 50 мас. % суперконцентрата в битуме, не изменяя технологию приготовления резинонаполненных вяжущих. Влияние органобентонита на свойства битумных вяжущих представлено на рис. 1.
100
« 60
к
я
й
л 40 н и К и К
20
1
0 0,5 1 1,5
содержание оргнобентонита, масс. % 1 - 25 0С; 2 - 0 0С Рис. 1 - График зависимости пенетрации от содержания органобентонита в резинонаполненном битумном вяжущем
Анализируя данные, представленные на рис. 1, можно установить, что введение органобентонита в резинобитумное вяжущие в количестве до 1 масс. % позволяет повысить пенетрацию при 25 0С и 0 0С на 20 % и 25 % соответственно. Можно предположить, что при использовании небольшого количества ор-ганобентонита происходит «разжижение» конечного продукта, что проявляется в снижении вязкости ре-зинобитумного вяжущего при температуре его приготовления (140 0С). Механизм пластифицирования матрицы, по-видимому, носит межструктурный характер и заключается в образовании на поверхности раздела мономолекулярных слоев из частиц органо-бентонита, облегчающих подвижность надмолекулярных структур вяжущего.
К межфазным явлениям на границе раздела фаз относится смачивание. Смачивание резиновой крошки битумным вяжущем предотвращает возникновение различных дефектов в межфазных слоях, а это, в свою очередь, уменьшает возможность появления локальных концентраций напряжений в системе и считается главным условием равномерного распределения, набухания и растворения несшитой части резиновой крошки в битумном вяжущем. Поэтому изучение смачивания является важным моментом при создании резинонаполненных вяжущих.
Равномерное распределение резиновой крошки в битуме затруднено из-за низкой смачиваемости резинового наполнителя. Для получения гомогенных рези-нонаполненных вяжущих использовали следующие модификаторы: глицидилсодержащие полиэфиры, кремнийорганические блок-сополимеры и органобен-тонит. Оценку смачиваемости поверхности резиновой
2
и мраморной подложек модифицированным битумным вяжущем оценивали по краевому углу смачивания. Полученные данные по краевому углу смачивания резиновой подложки вяжущем при 100 0С и температуре размягчения модифицированных орга-нобентонитом систем представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства резинонаполненных модифицированных битумных вяжущих
Содержание орга-нобентонита, Краевой угол смачивания битумным вяжущим резиновой КиШ, 0С
масс. % подложки при 100 0С, градусы
0 85 65
0,5 52 72
1,0 35 79
1,5 38 80
Краевой угол смачивания свидетельствует об очень низкой смачиваемости резиновой крошки битумным вяжущим и слабом сродстве битумного вяжущего к поверхности резинового наполнителя. Показана эффективность введения органобентонита в битумное вяжущее для повышение смачиваемости резиновой подложки: являясь адсорбционными пластификатором при малых дозировках органобентонит «разжижает» - пластифицирует структуры битумного вяжущего, понижая их структурную вязкость. С увеличением температуры и времени растворения возрастает степень девулканизации резиновой крошки. Соответственно уменьшается размер частиц резиновой крошки, смесь становится более однородной. Введение органобентонита способствует снижению вязкости резинонаполненного вяжущего и повышению степени гомогенизации вяжущего.
Для систем, модифицированных органобентони-том, наблюдалось повышение температуры размягчения на 14 0С (1 масс. % органобентонита), что позволяет увеличить температурный интервал эксплуатации резинобитумных вяжущих. Полученные данные по краевому углу смачивания резиновой и мраморной подложек битумным вяжущим при 1000С представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Краевой угол смачивания резиновой и мраморной подложек модифицированным битумным вяжущим
Краевой угол смачи-
Состав вания, градусы
резина мрамор
битум 92 80
битум + 1 масс. % гли- 40 30
цидилсодержащий полиэфир
битум + 1 масс. % органобентонит 38 35
битум + 0,5 масс. % 32 20
кремнийорганический блок-сополимер
Показана эффективность введения органобенто-нита, глицидилсодержащего полиэфира и кремний-органического блок-сополимера в битумное вяжу-
щее для повышения смачивания резиновой и минеральной подложек: являясь адсорбционными пластификаторами при малых дозировках они «разжижают» - пластифицируют структуры битумного вяжущего, понижая их структурную вязкость.
Механизм пластифицирования матрицы, по-видимому, носит межструктурный характер и заключается в образовании на поверхности раздела мономолекулярных слоев, облегчающих подвижность надмолекулярных структур вяжущего. Орга-нобентонит значительно повышает долговечность различных потребительских составов и их седимен-тационную устойчивость, предотвращая оседание пигментов и наполнителей, а также резко повышает термостойкость и термостабильность различных систем. Он может работать в агрессивных средах, в том числе в средах с любой минерализацией.
На рис. 2 представлено влияние модификаторов на остаточные деформации при растяжении, развивающиеся в резинонаполненных вяжущих.
50
ё 10
0 12 3
содержание модификатора, масс. %
1- органобентонит; 2 - глицидилсодержащий полиэфир
Рис. 2 - Влияние модификаторов на остаточную деформацию при растяжении резинона-полненных битумных вяжущих
Как видно из представленных данных, глицидил-содержащий полиэфир позволяет значительно снизить остаточную деформацию в нагруженных образцах. Свойства резинонаполненных модифицированных битумных вяжущих представлены в табл. 4.
Таблица 4 - Свойства битумных вяжущих на основе битума нефтяного дорожного марки БНД 60/90
Наименование Исходный резинонаплненный
показателя битум битум + комплексный модификатор*
Пенетрация при 25 оС, 0,1 мм; 60 20 63
при 0 оС, 0,1 мм 30
КиШ, оС 47 72
Изменение тем-
пературы раз-
мягчения после 5 4
прогрева Т = 163
°С в течение 5 ч,
оС
*глицидилсодержащий полиэфир + кремнийорганический блок-сополимер + органобентонит
Резинононаполненные модифицированные битумные вяжущие обладают повышенной теплостойкостью, расширенным температурным интервалом эксплуатации и соответствуют требованиям, предъявляемым к полимерно-битумным дорожным вяжущим (по ГОСТ 52056-2003). Составы получали по технологии максимально приближенной к технологии получения асфальтобетонов.
Заключение
Установлено, что комплексный модификатор (глицидилсодержащий полиэфир + кремнийоргани-ческий блок-сополимер + органобентонит) является эффективным регулятором межфазного взаимодействия в резинонапоненных битумных вяжущих и позволяет повысить температурный интервал эксплуатации битумных связующих.
Литература
1. Розенталь Д. А., Дронов С. В., Иванов А. А. Особенности приготовления полимербитумных композиций // Строительные материалы. 2004. № 9. С. 13-14.
2. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А., Прокопий А.М., Дияров И.Н. Использование полисилоксановых добавок
в качестве адгезивов нефтяных дорожных битумов // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №10. С. 634-635. 3. Муллахметов Н.Р., Кемалов А.Ф., Кемалов Р.А., Кост-ромин Р.Н. Модификация дорожных битумов каучуком // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №7. С. 467-468. 4 Абдуллин А.И. , Емельянычева Е.А., Прокопий А.М. Изучение влияния полимерной добавки на свойства би-тумно-полимерного вяжущего // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 9. С. 205-207.
5. Прокопий А.М., Абдуллин А.И. , Емельянычева Е.А. Улучшенное битумно-полимерное вяжущее // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 12. С. 182-184.
6. Осипчик В.С., Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Ивашкина В.Н., Аристов В.М., Сербин С.А. Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 8. С. 50-53.
7. Лукьянова М. А., Вахьянов Е. М. Обоснование рационального состава битумных вяжущих модифицированных резиновой крошкой // Вестник кузбасского государственного технического университета.. №4 (110). 2015. С. 143-146.
© В. С. Осипчик, д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, vosip@muctr.ru; Н. В. Костромина, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, kostroma2008loko@rambler.ru; Ю. В. Олихова, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, olikhova@gmail.com; С. А. Сербин, аспирант той же кафедры, tolikoserg@gmail.com; В. Н. Ивашкина, инженер той же кафедры, kostroma2008loko@rambler.ru; В. М. Аристов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, aristov@muctr.ru.
© V. S. Osipchik, Dr. Sci. (Tech.), professor, professor of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, vosip@muctr.ru; N. V. Kostromina, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the same Departmen, kostroma2008loko@rambler.ru; Yu. V. Olikhova, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the same Departmen, olikho-va@gmail.com; S. A. Serbin, Post-graduate of the same Departmen, tolikoserg@gmail.com; V. N. Ivashkina, Engineer of the same Departmen,, kostroma2008loko@rambler.ru; V. M. Aristov, Dr. Sci. (Physic.-mathemat.), professor, Chief of the Chair of plastics processing technology, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, aristov@muctr.ru.
