CC BY
6
УДК 691.16
Обухов Александр Геннадьевич
аспирант
Email: Alexandr.Obukhov@lukoil.com
Высоцкая Марина Алексеевна
кандидат технических наук, доцент
Email: roruri@rambler.ru
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова
Адрес организации: Россия 308012, Белгородская область, г. Белгород, ул. Костюкова,46
Щебеночно-мастичный асфальтобетон на битумном вяжущем из неокисленного компаундированного сырья
Аннотация
Постановка задачи. Цель исследования - оценка влияния на физико-механические и эксплуатационные показатели щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) модифицированного битумного вяжущего, полученного компаундированием неокисленного нефтяного сырья.
Для достижения поставленной цели были намечены и решены следующие задачи:
- разработать эффективные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона;
- выполнить сравнительный анализ физико-механических характеристик дорожных композитов, приготовленных с использованием полимерно-битумных вяжущих традиционного состава (ПБВ-60) и на неокисленном компаундированном сырье (ПБВн-60);
- оценить вклад модифицированного битумного вяжущего в структурообразование ЩМА на его основе, интенсивность образования колеи, усталостную долговечность и температуру трещинообразования.
Результаты. Цель исследования реализовывалась посредством решения ряда задач: разработать эффективные составы ЩМА; выполнить сравнительный анализ физико-механических характеристик дорожных композитов, приготовленных с использованием полимерно-битумных вяжущих традиционного состава и на неокисленном компаундированном сырье; оценить вклад модифицированного битумного вяжущего в структурообразование композита.
Показано, что ЩМА с применением модифицированного полимером неокисленного битумного вяжущего, характеризуется увеличением показателей прочности на сжатие при 20 и 50°С относительно базовых составов, приготовленных на ПБВ, на 5% и 12% соответственно; трещиностойкость понижается на 15%, что свидетельствует о снижении жесткости композита в условиях низких температур; показатели длительной водостойкости исследуемого состава на 11 % больше, чем для контрольной серии ЩМА.
Установлено, что ЩМА, выполненный на основе разработанного битумного вяжущего, отличается повышенной долговечностью, количество циклов нагружения до 50% уменьшения начального модуля жесткости при температуре 20 °С составило 652 тыс. циклов, и устойчивостью к необратимому пластическому деформированию, при многократном приложении колесной нагрузки при температуре испытания 60 °С глубина колеи составила менее 1 мм.
Выводы. Значимость затронутой тематики для отрасли обусловлена возможностью расширения сырьевой базы для получения эффективных битумных вяжущих модифицированных полимером, посредством вовлечения неокисленного нефтяного сырья. Выполненные исследования демонстрируют, что, используя приемы модифицирования неокисленного компаундированного битумного сырья, возможно получить эффективные ЩМА, отличающиеся высокими прочностными и эксплуатационными показателями.
Ключевые слова: модифицированное битумное вяжущее, полимерно-битумное вяжущее, неокисленное нефтяное сырье, щебеночно-мастичный асфальтобетон, усталостная долговечность, устойчивость к колееобразованию, низкотемпературное разрушение.
Для цитирования: Обухов А. А., Высоцкая М. А. Щебеночно-мастичный асфальтобетон на битумном вяжущем из неокисленного компаундированного сырья // Известия КГАСУ. 2021. 4 (58). С. 59-70. DOI: 10.52409/20731523_2021_4_59.
1. Введение
В соответствии с вызовами современности, обеспечение качества битума и увеличение объемов его производства - первостепенная отраслевая задача, требующая комплексного подхода к материалам, технологиям и стандартам, начиная с этапа получения битумного вяжущего и заканчивая его использованием в дорожном хозяйстве.
Отправной точкой оценки потребителем качества автомобильных дорог является состояние покрытия проезжей части, как правило, выполненной из асфальтобетона. С учетом современных трендов, верхние слои дорожной одежды выполняются с использованием щебеночно-мастичных асфальтобетонов (ЩМА) в отношении которых также справедлива прямая зависимость между качеством битумных вяжущих и эксплуатационными характеристиками композитов, приготовленных на их основе [1-2].
Дуальность стоящей перед отраслями задачи решается с позиции нефтеперерабатывающей отрасли посредством диверсификация сырьевого пула, выпуска мономарок битумного вяжущего на нефтеперерабатывающих заводах и/или внедрением различных технологических приемов по производству битума [3-5]. В свою очередь, деятельность дорожно-строительной отрасли нацелена на регулирование качества поступающего на объекты битума путем использования различных модифицирующих компонентов в виде полимеров [6,7], волокон, жидких, вязких и твердых добавок поверхностно-активных веществ и отходов промышленности [8,9], а также непосредственно самих дорожных композитов [10-12]. Цель подобных итераций -проектирование асфальтобетонов заданных характеристик с высоким прогнозируемым сроком работоспособности в слоях дорожных конструкций.
Таким образом, производители и потребители битумных вяжущих стоят перед необходимостью комплексного решения и выработкой компромиссного подхода по сохранению или расширению сырьевой базы битумного производства, качеством товарного продукта и его ценой.
Производство нефтепереработчиками и использование дорожниками компаундированных неокисленных битумных вяжущих — это своеобразный компромисс на пути реализации поставленных перед отраслями вызовов.
Необходимо отметить, что опыт получения ПБВ с использованием неокисленных сырьевых составляющих и устройства экспериментальных участков с асфальтобетонным покрытием на его основе существует [13-18]. Анализ публикаций демонстрирует, что использование в технологии приготовления дорожных битумов полностью неокисленного нефтяного сырья может являться эффективным технологическим приемом, позволяющим получать вяжущие с уникальными характеристиками.
Затронутые в работе проблемы по разработке и использованию неокисленных битумных вяжущих в составе ЩМА и оценка влияния подобных вяжущих на эксплуатационные характеристики композита — это недалекое будущее отраслей, определяющее потенциальные тренды их развития.
Таким образом, целью исследования явилась оценка влияния на физико-механические и эксплуатационные показатели щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) модифицированного битумного вяжущего, полученного компаундированием неокисленного нефтяного сырья
Для достижения поставленной цели были намечены и решены следующие задачи:
- разработать эффективные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона;
- выполнить сравнительный анализ физико-механических характеристик дорожных композитов, приготовленных с использованием полимерно-битумных вяжущих традиционного состава (ПБВ-60) и на неокисленном компаундированном сырье (ПБВн-60);
- оценить вклад модифицированного битумного вяжущего в структурообразование ЩМА на его основе, интенсивность образования колеи, усталостную долговечность и температуру трещинообразования.
2. Материалы и методы
В представленной работе рассматривалась компаундированная битумная сырьевая база, полученная методом последовательного смешения компонентов нефтепереработки, модифицированная полимером.
Сравнительному анализу по оценке влияния на показатели свойств ЩМА подвергались экспериментальный образец (ПБВн-60) и классический ПБВ-60, приготовленный по стандартной методике на основе окисленного битума. Показатели свойств, используемых в работе вяжущих представлены в таблице 1.
Полимерно-битумные вяжущие испытывались по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ Р 52056-2003. Дополнительно оценивалась устойчивость к расслаиванию образцов ПБВ и склонность к старению по методике RTFOT.
Также в работе для приготовления щебеночно-мастичных смесей использовался инертный минеральный материал: щебень, отсев дробления из габбро-диабаз карьер ЗАО «Габро» и известняковый минеральный порошок. Используемые в работе материалы оценивались по методикам, изложенным в ГОСТ на каждый из видов сырья. В качестве стабилизирующей добавки применялся VIATOP 66.
Таблица 1
Используемые в работе полимерно-битумные вяжущие марки 60
Наименование показателей Требования ГОСТ Р 52056-2003 Вид вяжущего
ПБВн ПБВ
1 2 3 4
Основные показатели
Однородность однородно одн. одн.
Глубина проникания иглы 0,1 мм при 25 °С 0°С не менее 60 80 76
32 33 32
Температура, °С: размягчения КиШ хрупкости по Фраасу >58 83 70
< -20 -26 -23
Растяжимость при 25 °С, см > 25 79 65
Эластичность при 25 °С, % > 80 96 92
Растяжимость при 0 °С, см > 11 28 19
Эластичность при 0 °С, % > 70 75 72
Изменение температуры размягчения после прогрева, °С < 5 1 4
Продолжение табл.
1 2 3 4
Температура вспышки, °С < 230 275 262
Сцепление с песком обр. №2 №2 №2
Дополнительные показатели
Устойчивость к расслаиванию при температуре (180±5) °С в течении (72±1) ч
Разница между верхней и нижней частью образца в: - глубине проникания иглы при 25°С, 0,1 мм - температуре размягчения, °С не норм. 1 4
не норм. 1 5
Старения по методу RTFOT
Максимальное усилие при растяжении, Н при 25 °С 0 °С не норм. 6,8 4,4
не норм. 75 95
При выполнении исследовательской части работы, связанной с оценкой влияния модифицированного вяжущего на физико-механические и эксплуатационные показатели ЩМА-20 на первом этапе, был подобран гранулометрический состав минеральной части.
Необходимыми данными для подбора состава ЩМА служили рассевы минеральных материалов. Подбор состава асфальтобетонной смеси выполнялся с использованием программного продукта Granlab. Зерновые составы используемых минеральных материалов и ЩМА-20 представлены в таблице 2.
Таблица 2
Зерновой состав минеральной части ЩМА-20
Наименование минеральных материалов Содержание, % Зерновой состав (остатки, % по массе, на ситах с отверстием, мм)
20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071
щебень фр. 15-20 мм 42 36,50 5,52 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
щебень фр. 10-15 мм 25 25,00 22,88 4,70 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
щебень фр. 5-10 мм 10 10,00 10,00 9,80 0,81 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
отсевов дробления фр. 0-5 мм 10 10,00 10,00 9,98 9,29 6,32 4,75 3,29 1,98 0,92 0,00
мин. порошок 13 13,00 13,00 13,00 13,00 13,00 13,00 12,99 12,93 12,26 10,32
ИТОГО 100 94,50 61,40 37,48 23,19 19,32 17,75 16,28 14,91 13,18 10,32
Содержание вяжущего (ПБВн и ПБВ) и стабилизирующей добавки было подобранно в соответствии с ГОСТ 31015-2002, по устойчивости смеси к расслаиванию по показателю стекания вяжущего и составило: битумное вяжущее - 4,8%, добавка - 0,4%.
Современные направления в области проектирования асфальтобетонов базируются на повышении точности прогнозирования их долговечности в дорожных покрытиях в зависимости от конкретных условий эксплуатации. Разработан ряд методик оценки эксплуатационных свойств композитов, учитывающих реальные условия работы покрытия. В работе использованы методики оценки устойчивости к колееобразованию, температурным напряжениям при охлаждении образцов, усталостной долговечности.
Оценка устойчивости к колееобразованию выполнялась на оборудовании InfraTest Prutechnik (Германия) посредством прокатки приготовленных плит из ЩМА размером 320х260x00 мм при температуре испытания 60°С и после 20000 проходов колеса.
Усталостная долговечность оценивалась при помощи универсальной серво-пневматической системы с модулем для оценки усталостной долговечности. Испытание проводилось при температуре 20°С и частоте приложения нагрузки 10 Гц. В процессе тестирования фиксировались начальный модуль жесткости образцов и число циклов приложения нагрузки до 50% снижения начального модуля жесткости.
Испытание на температурные напряжения при охлаждении образца (TSRST) выполнялись на установке TRAVIS. Для этого образец композита в виде балки 160х40х40 мм, помещался в разрушающее устройство, установленное в климатическую камеру установки. В процессе тестирования происходило планомерное охлаждение образцов с фиксацией низкотемпературного напряжения и температуры разрушения образца.
3. Результаты
Апробация ПБВн выполнялась на составе смеси ЩМА-20. Для сравнения также испытывалась смесь, приготовленная на ПБВ-60 из битума окисленного. Результаты испытания двух серий щебеночно-мастичного асфальтобетона представлены в таблице 3.
Таблица 3
Показатели свойств ЩМА-20
Наименования показателя Требования ГОСТ Фактические значения
ПБВ-60 ПБВн-60
1 2 3 4
Пористость минеральной части, % от 15 до 19 15,4 15,3
Остаточная пористость, % от 2,0 до 4,5 2,3 2,2
Стекание битумного вяжущего, % не более 0,20 0,14 0,12
Водонасыщение, % от 1,5 до 4,0 2,10 1,80
Предел прочности при сжатии, МПа: - при 20 °С - при 50 °С не менее 2,5 0,70 3,80 1,25 4,00 1,40
Продолжение табл. 3
1 2 3 4
Сдвигоустойчивость: - коэффициент внутреннего трения - сцепление при сдвиге при 50 °С, МПа не менее 0,94 0,20 0,95 0,45 0,97 0,46
Трещиностойкость при 0 °С, МПа: 3,0 - 6,5 5,4 4,7
Водостойкость при длительном водонасыщении не менее 0,75 0,80 0,89
Как видно, для образцов ЩМА с применением ПБВн-60 характерны более высокие показатели прочности на сжатие при 20, 50 °С и водостойкости. Стоит отметить показатель трещиностойкости при 0 °С, который меньше, чем для контрольного состава и позволяет прогнозировать меньшую чувствительность к низким температурам.
Особенность структурообразования щебеночно-мастичных асфальтобетонов, обусловленная жестким скелетным каркасом из щебня, позволяет формировать конструктивный слой покрытия устойчивым к пластическим сдвиговым деформациям. В тоже время, сформированное каркасное межзерновое пространство, заполненное повышенным содержанием мастичной части, состоящей из битумного вяжущего, минерального порошка и стабилизирующей добавки, делает ЩМА более долговечным. Совокупность структурных особенностей позволяет говорить о ЩМА, как материале для покрытий автомобильных дорог с высокими эксплуатационными характеристиками.
Оценка влияния вида используемого битумного вяжущего (экспериментального состава ПБВн-60 и классического ПБВ-60) на эксплуатационные показатели ЩМА выполнялась на основе теста на колееобразование и усталостную долговечность, таблица 4.
Таблица 4
Эксплуатационные показатели свойств ЩМА-20
Наименован ие вяжущего Показатель
колееобразование многократное нагружение (усталостная долговечность)
угол наклона кривой колееобразования WTS, мм/1000 циклов глубина колеи RD, мм начальный модуль жесткости, МПа количество циклов до 50% снижения модуля жесткости, 103 циклов
ПБВн-60 0,02 0,98 1560 652
ПБВ-60 0,12 2,10 1385 425
В процессе определения склонности дорожного композита к колееобразованию фиксировались угол наклона кривой колееобразования и глубина колеи от прохода прокатывающего колеса.
Оценка усталостной долговечности проводилась по начальному модулю жесткости композита при 20 °С и количеству циклов приложения нагрузки к образцу до снижения его модуля жесткости до 50%.
Обозначенные испытания характеризуют работу при повышенных летних температурах (60 °С) и нормальных (20 °С) условиях работы композита в покрытии автомобильных дорог. Однако, важным параметром работы материала в конструктиве, является его поведение при низких зимних температурах, которым соответствуют низкотемпературное растрескивание слоя ввиду разницы температурного коэффициента сжатия у каменного материала и битумного вяжущего.
В процессе испытания образцов-балочек на установке TRAVIS, при планомерном охлаждении образцов ЩМА, выполненных на битумном вяжущем из неокисленного компаундированного сырья (ПБВн-60) и стандартном ПБВ-60, фиксировалась температура разрушения образцов и характер разрушения. Данные представлены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты низкотемпературного испытания на установке TRAVIS
Показатели
Наименование вяжущего
ПБВн-60
ПБВ-60
Температура трещинообразования, °С
-25,8
-26,4
Характер разрушения образца ЩМА-20
4. Обсуждение
Анализ полученных данных демонстрирует, что ЩМА-20 с применением ПБВн-60, в основе приготовления которого лежит последовательное компаундирование продуктов нефтепереработки, характеризуется более высокими показателями прочности на сжатие при 20°С и 50°С относительно композита на базовом ПБВ и составляет 5% и 12%, соответственно. Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при температуре 0°С серии ЩМА, выполненной на контрольном составе ПБВ-60, превышает почти на 15% аналогичный показатель композита, полученного на ПБВн-60, что свидетельствует о повышении жесткости образца в условиях низких температур.
Дорожные асфальтобетоны работают в условиях агрессивного воздействия воды, что определяет важность показателя водостойкости, зависящего от адгезионных характеристик битумного вяжущего. Как видно, применение модифицированного компаундированного неокисленного битумного вяжущего для ЩМА позволяет получить показатели водостойкости на 11 % больше, чем для стандартной серии.
Оценивая физико-механические показатели образцов ЩМА, стоит отметить, что экспериментальная серия по своим характеристикам превосходит контрольный состав, что, очевидно, обусловлено регулированием группового химического состава разработанного ПБВн. Подобный подход к модификации битумной сырьевой базы полимерным модификатором позволяет в полном объёме раскрыть потенциал полимера, создавая своего рода армирование структуры вяжущего, проявляющегося в расширении его температурного интервала работоспособности и увеличении максимального усилия при растяжении, а также устойчивости к расслаиванию. Подобный набор характеристик, отражаясь на прочностных показателях композита, должен повлечь за собой и прирост показателей, отвечающих за его долговечность и эксплуатационную надежность.
В общем виде, наиболее часто рассматривается три варианта деформации асфальтобетонного покрытия автомобильной дороги, определяемые характером прикладываемой нагрузки. В случае, если несущая способность грунта земляного полотна и дорожной одежды соответствует техническим требованиям к объекту, а коэффициент уплотнения конструктивных слоев соответствует проектным нормам, нежесткая дорожная одежда под действием колеса автомобиля не разрушается стремительно. Конструктивный слой асфальтобетонного покрытия испытывает упругие деформации с релаксацией напряжений после снятия колесной нагрузки. Возрастание нагрузки, особенно сопряженной с сезонными изменениями несущей способности основания транспортного объекта (осенне-весенняя распутица) увеличивает интенсивность накопления пластических деформаций. При достижении суммарной нагрузки от подвижного состава,
неблагоприятных погодных и технологических факторов величины, превышающей предельную прочность асфальтобетона в конструктиве дорожной одежды, наступает отказ эксплуатационной надежности покрытия. Этому периоду соответствует образование трещин, выбоин, пластических деформаций и так далее до разрушения дорожной одежды.
Анализ усталостной долговечности, характеризующей способность материала к релаксации напряжений при заданных температурах, показал, что начальный модуль жесткости экспериментальной серии ЩМА (на ПБВн), превысил аналогичный показатель контрольного состава ЩМА на ПБВ60 на 12%, что говорит о большей жесткости композита при 20 °С. Однако, для снижения модуль жесткости до 50% анализируемому составу потребовалось 652 тыс. циклов, что на 35% или 227 тыс. циклов больше, чем у контрольного состава ЩМА-20.
Так же ЩМА-20, выполненный на основе вяжущего марки ПБВн-60, отличается повышенной сдвигоустойчивостью композита. Данные по сопротивлению необратимому пластическому деформированию при многократном приложении колесной нагрузки показали, что глубина колеи на образце-плите при температуре испытания 60°С и 20000 циклов прохода колеса составила менее 1 мм, а интенсивность развития пластической деформации характеризуется пологим трендом линии.
По устоявшемуся мнению, [19], неокисленные битумные вяжущие, в силу своих особенностей группового состава, склонны к проявлению хрупких свойств, а композиты на их основе, в свою очередь, к деструктивным процессам при низких температурах. Смоделированные условия работы ЩМА в покрытии при низких температурах посредством метода TRAVIS показали, что разница в температуре трещинообразования образцов выполненных на неокисленном компаундированном вяжущем и классическом ПБВ-60 составляет 0,6 °С. Данная величина находится в диапазоне погрешности эксперимента и наглядно демонстрирует, что неокисленные компаундированные битумные вяжущие модифицированные полимером не уступают вяжущим, полученным по классической технологии с использованием окисленного сырья.
Представляет определенный интерес характер разрушения образцов при определении температуры трещинообразования. Как видно из таблицы 5, разрушение идет не по контактной зоне, представляющей комплексную системы «битумное вяжущее -минеральный порошок - стабилизирующая добавка», а по каменному материалу.
Принято считать, что при всех своих достоинствах, неокисленные компаундированные битумные вяжущие отличаются набором хрупких свойств, особенно при низких температурах [7,11], что в свою очередь отражается на трещиностойкости дорожных композитов, выполненных на их основе [13,20-25]. Полученные данные демонстрируют, что фактическая температура трещинообразования композитов, выполненных на основе ПБВ из окисленного и неокисленного нефтяного сырья отличается незначительно (менее 1 °С) в пределах погрешности эксперимента.
5. Заключение
Разработанные составы щебеночно-мастичного асфальтобетона на основе модифицированного неокисленного компаундированного сырья характеризуются высокими прочностными показателями. Установлено, что ЩМА с применением экспериментального вяжущего, характеризуется показателями прочности на сжатие при 20 и 50°С выше на 5% и 12% соответственно, чем для базовых составов, приготовленных на классическом ПБВ. При этом, трещиностойкость образцов понижается на 15%, а показатели длительной водостойкости исследуемого состава увеличиваются на 11 %, что свидетельствует о снижении жесткости композита в условиях низких температур и упрочнении адгезионных связей на границе раздела «минеральный материал - вяжущее» относительно контрольной серии ЩМА. Незначительная разница в показателях температуры трещинообразования в структуре ЩМА демонстрирует, что использование в основе разработки состава компаундированного неокисленного битумного вяжущего научно-обоснованного подхода к его групповому составу, позволяет нивелировать низкотемпературные характеристики композитов.
Выполненными исследованиями показано, что ЩМА на основе разработанного битумного вяжущего отличается повышенной долговечностью: количество циклов
нагружения до 50% уменьшения начального модуля жесткости при температуре 20 °С составило 652 тыс. циклов, что почти на 35% больше у образцов контрольной серии, при этом устойчивость к необратимому пластическому деформированию, при многократном приложении колесной нагрузки при температуре испытания 60 °С (глубина колеи) составила менее 1 мм.
Анализ вклада модифицированного битумного вяжущего в структурообразование ЩМА на его основе, интенсивность образования колеи, усталостная долговечность и температура трещинообразования позволяют утверждать, что ЩМА приготовленные на полимерно-битумных вяжущих с использованием приемов компаундирования неокисленного нефтяного сырья (ПБВн-60) не уступают по показателям композитам, выполненным на традиционном ПБВ-60.
Более того, эффективность разработки обусловлена возможностью использования некондиционного сырья нефтепереработки и исключением процессов окисления вяжущего.
Список библиографических ссылок
1. Углова Е. В., Ширяев Н. И., Ни Гуансун, Поздняков Н. О. Сравнительный анализ эксплуатационных свойств щебеночно-мастичных и дренирующих асфальтобетонных смесей для слоев износа // Вестник БГТУ имени В. Г. Шухова. 2019. №1. С. 9-15. DOI: 10.12737/article_5c5061fd688293.78594078
2. Рязяпов М. Ш., Вдовин Е. А. Применение щебеночно-мастичного асфальтобетона на полимерно-битумных вяжущих в покрытии автомобильных дорог // Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XXXV междунар. студ. науч.-практ. конф. 2015. № 9(34).
3. Макаренко В. С., Корнилов Д. А. Особенности диверсификации крупных нефтегазодобывающих компаний по мере выработки запасов углеводородов // Иннов: электронный научный журнал. 2018. №3 (36). 14 с.
4. Белова Н. А., Исраилова З. С., Страхова Н. А. Проблемы и перспективы производства нефтяных битумов // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2016. №2. С. 139-150.
5. Горбунова Т. Н., Усов Б. А. Современные технологии производства дорожных битумов // Системные технологии. 2017. №22. С. 67-72.
6. Galeev R., Nizamov R., Abdrakhmanova L., Khozin V. Resource-saving polymer compositions for construction purposes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 890. № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/890/1/012111.
7. Galeev R., Abdrakhmanova L. A., Nizamov R. Nanomodified Organic-Inorganic Polymeric Binders for Polymer Building Materials // Solid State Phenom. 2018. Vol. 276. P. 223-228. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.276.223.
8. Усов Б. А., Горбунова Т. Н. Свойства и модификация битумных вяжущих // Системные технологии. 2017. № 22. С. 72-87.
9. Вольфсон С. И., Хакимуллин Ю. Н., Закирова Л. Ю., Хусаинов А. Д., Вольфсон И. С., Макаров Д. Б., Хозин В. Г. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств // Вестник Казанского технологического университета. 2016. №17. С. 29-33.
10.Прокопец В. С., Иванова Т. Л. Модификация дорожного асфальтобетона резиновыми порошками механоактивационного способа получения. Омск, 2012. 125 с.
11. Левкович Т. И., Беляков А. И., Билько А. Е., Тищенко А. С. О модификации битумов и асфальтобетонных смесей для повышения сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог // Приволжский научный вестник. 2016. №1 (53). С. 48-53.
12.Нифталиев С. И., Перегудов Ю. С., Хорин Н. Ю., Нечесова Ю. М. Модифицирование асфальтобетона минерально-полимерной добавкой на основе бутадиен-стирольного каучука и химически осажденного карбоната кальция // Вестник ВГУИТ. 2016. №4 (70). С. 215-221. DOI: 10.20914/2310-1202-2016-4-215-221
13.Хуснутдинов И. Ш. Копылов А. Ю., Гончарова И. Н., Гаврилов В. И., Ахметзянов А. М., Романов Г. В., Петрова Л. М., Грязнов П. И. Изучение свойств асфальтобетонов неокисленных остаточных битумов, полученных деасфальтизацией природного битума // Химия и химическая технология. 2009. Т. 52. Вып. 4. С. 88-91.
14. Галиуллин Э. А., Хайрутдинов В. Ф., Фахрутдинов Р. З., Кириченко С. М., Фарахов М. И. Экспериментальное исследование получения неокисленных битумов из высоковязких нефтей методом термопарового воздействия // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №6. С. 252-253.
15. Киселев В. П., Шевченко В.А., Василовская Г.В. Устойчивость к старению нефтяного дорожного битума, модифицированного малокарбоксилированными полибутадиенами // Известия вузов. Строительство. 2015. № 3. С. 78-84.
16.Vysotskaya M.A. Shekhovtsova S.Yu., Obukhov J.Y., Esipova G. Stability of modified binders on basis ofoxidized and residual bitumens to thermodestructions A // The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2017. 6(58). P. 140-147. D01:10.26518/2071-7296-2017-6(58)-140-147
17.Ширкунов А. С., Рябов В. Г., Кудинов А. В., Нечаев А. Н., Дегтянников А. С. Получение нефтяных дорожных битумов с повышенной стойкостью против старения // Известия вузов. Нефть и газ. 2010. № 5.С. 89- 94.
18.Ширкунов А. С., Рябов В. Г., Чудаков И. К. Получение полимербитумных вяжущих с использованием модификатора Elvaloy 4170 ret на основе строительного битума марки БН 70/30 и неокисленных высококипящих нефтепродуктов // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2010. №11. С. 106-113.
19. Галиуллин Э. А., Фахрутдинов Р. З. Исследование влияния группового состава на показатели качества неокисленных и окисленных битумов, полученных из Ашальчинской сверхвязкой нефти // Вестник Казанского технологического университета. 2017. №20. С. 31-36.
20.Vysotskaya M., Kuznetsov D., Shiryaev A., Litovchenko D. Assessing the Effect of Polymer's Type and Concentration on the Properties of the Polymer-Bitumen Binders (PBB) on Road Construction // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies "EMMFT 2019". 2019. Vol. 2(983). P.947-959. DOI: 10.1007/978-3-030-19868-8_94
21.Almusawi A., Sengoz B., Topal A. Investigation of Mixing and Compaction Temperatures of Modified Hot Asphalt and Warm Mix Asphalt // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2020. Vol. 65(1). P. 72- 83. D0I:10.3311/PPci.15118
22. Sengul, C.E., Oruc S., Iskender E., Aksoy, A. Evaluation of SBS modified stone mastic asphalt pavement performance // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 41. P. 777-783. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.12.065
23. Imaninasab R. Effect of granular polymers on rutting performance of SMA with respect to modification process //Construction and Building Materials. 2017. Vol. 130. P. 64-72. DOI: 10.1016/j .conbuildmat.2016.11.025
24. Pouranian M. R., Imaninasab R., Shishehbor M. The effect of temperature and stress level on the rutting performance of modified stone matrix asphalt //Road Materials and Pavement Design. 2020. Vol. 21. №. 5. P. 1386-1398. DOI: 10.1080/14680629.2018.1546221
25. Babagoli R., Mohammadi R. Laboratory evaluation of the effect of styrene-butadiene-styrene-montmorillonite nanocomposite on rheological behavior of bitumen and performance of stone matrix asphalt mixtures //Canadian Journal of Civil Engineering. 2017. Vol. 44. №. 9. P. 736-742. DOI: 10.1139/cjce-2017-0041
Obukhov Alexandr Gennadievich
post-graduate student
Email: Alexandr.Obukhov@lukoil .com.
Vysotskaya Marina Alekseevna
candidate of technical sciences, associate professor
Email: roruri@rambler.ru
Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov
Organization address: Russia 308012, Belgorod region, Belgorod, Kostyukova st., 46
Crushed stone-mastic asphalt concrete based on bitumen binder from unoxidized
compounded raw materials
Abstract
Problem statement. The purpose of the study is to assess the effect of modified bituminous binder obtained by compounding unoxidized petroleum feedstock on the physical, mechanical and operational parameters of crushed stone-mastic asphalt concrete (SMA).
Results. To achieve this goal, the following tasks were outlined and solved: to develop effective compositions of SMA; to carry out a comparative analysis of the physical and mechanical characteristics of road composites prepared using polymer-bitumen binders (PBB) of traditional composition and unoxidized compounded raw materials; to evaluate the contribution of the modified bituminous binder to the structure formation of the composite.
It was shown that SMA with the use of a polymer-modified unoxidized bitumen binder is characterized by an increase in compressive strength at 20 and 50 ° C relative to the base compositions prepared using PBB, by 5% and 12%, respectively; fracture toughness decreases by 15%, which indicates a decrease in the stiffness of the composite at low temperatures; the indicators of long-term water resistance of the composition under study are 11% higher than for the control series of SMA.
It was found that SMA made on the basis of the developed bitumen binder is characterized by increased durability, the number of loading cycles up to 50% decrease in the initial stiffness modulus at a temperature of 20 ° C was 652 thousand cycles, and resistance to irreversible plastic deformation, with repeated application of wheel load at the test temperature of 60 ° C, the track depth was less than 1 mm.
Conclusions. The significance of this topic for the industry is due to the possibility of expanding the raw material base to obtain effective bitumen binders modified with a polymer by involving unoxidized petroleum feedstock. The performed studies demonstrate that using the methods of modifying unoxidized compounded bitumen raw materials; it is possible to obtain effective SMA, characterized by high strength and performance characteristics.
Keywords: modified bitumen binder, polymer-bitumen binder, unoxidized petroleum feedstock, crushed stone-mastic asphalt concrete, fatigue life, resistance to rutting, low temperature destruction.
For citation: Obukhov A. A., Vysotskaya M. A. Crushed stone-mastic asphalt concrete based on bitumen binder from unoxidized compounded raw materials // Izvestija KGASU. 2021. 4 (58). P. 59-70. DOI: 10.52409/20731523 2021 4 58.
References
1. Uglova E.V., Shiryaev N.I., Ni Guangsun, Pozdnyakov N.O. Comparative analysis of the performance properties of crushed stone-mastic and draining asphalt concrete mixtures for wear layers // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 1. P. 9-15. DOI: 10.12737/article_5c5061fd688293.78594078
2. Ryazyapov M.Sh. Vdovin E.A. The use of crushed stone-mastic asphalt concrete on polymer-bitumen binders in the road surface // Scientific community of students of the XXI century. NATURAL SCIENCES: Collection of the articles of XXXV int. stud. scientific-practical conf. 2015. No. 9 (34).
3. Makarenko V.S., Kornilov D.A. Features of diversification of large oil and gas producing companies as hydrocarbon reserves are developed // Innov: electronic scientific journal. 2018. No. 3 (36). 14 p.
4. Belova N.A., Israilova Z.S., Strakhova N.A. Problems and prospects of oil bitumen production // Bulletin of DSTU. Technical science. 2016. No. 2. P. 139-150.
5. Gorbunova T.N., Usov B.A. Modern technologies for the production of road bitumen // System technologies. 2017. No. 22. P. 67-72.
6. Galeev R., Nizamov R., Abdrakhmanova L., Khozin V. Resource-saving polymer compositions for construction purposes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 890. № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/890/1/012111.
7. Galeev R., Abdrakhmanova L. A., Nizamov R. Nanomodified Organic-Inorganic Polymeric
Binders for Polymer Building Materials // Solid State Phenom. 2018. Vol. 276. P. 223228. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.276.223.
8. Usov B.A., Gorbunova T.N. Properties and modification of bituminous binders // System technologies. 2017. No. 22. P. 72-87.
9. Wolfson S.I., Khakimullin Yu.N., Zakirova L.Yu., Khusainov A.D., Wolfson I.S., Makarov
D.B., Khozin V.G. Modification of bitumen as a way to improve their performance // Bulletin of Kazan Technological University. 2016. No. 17. P. 29-33.
10. Prokopets V.S., Ivanova T.L. Modification of road asphalt concrete with rubber powders of mechanoactivation method of production. Omsk, 2012.125 p.
11. Levkovich T.I., Belyakov A.I., Bilko A.E., Tishchenko A.S. Modification of bitumen and asphalt concrete mixtures to increase the shear stability of asphalt concrete pavements of highways // Privolzhsky scientific bulletin. 2016. No. 1 (53). P. 48-53.
12. Niftaliev S.I., Peregudov Yu.S., Khorin N.Yu., Nechesova Yu.M. Modification of asphalt concrete with a mineral-polymer additive based on styrene-butadiene rubber and chemically precipitated calcium carbonate // Vestnik VSUIT. 2016. No. 4 (70). P. 215-221. DOI: 10.20914/2310-1202-2016-4-215-221
13. Khusnutdinov I.Sh., Kopylov A.Yu., Lutfullin M.F., Goncharova I.N., Gavrilov V.I., Petrova L.M., Khanova A.G. Comparative analysis of non-oxidized bitumen obtained by different methods // Chemistry and chemical technology. 2009. T. 52. Issue. 12 P. 80-84.
14. Galiullin E.A., Khairutdinov V.F., Fakhrutdinov R.Z., Kirichenko S.M., Farakhov M.I. Experimental study of obtaining unoxidized bitumen from high-viscosity oils by the method of thermocouple exposure // Bulletin of Kazan Technological University. 2014. No. 6. P. 252-253.
15. Kiselev V.P., Shevchenko V.A., Vasilovskaya G.V. Aging resistance of oil road bitumen modified with low carboxylated polybutadienes // Izvestiya vuzov. Construction. 2015. No. 3. P. 78-84.
16. Vysotskaya M.A. Shekhovtsova S.Yu., Obukhov J.Y., Esipova G. Stability of modified binders on basis ofoxidized and residual bitumens to thermodestructions A // The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2017. 6(58). Pp. 140-147. DOI: 10.26518/2071-7296-2017-6(58)-140-147.
17. Shirkunov A.S., Ryabov V.G., Kudinov A.V., Nechaev A.N., Degtyannikov A.S. Obtaining oil road bitumen with increased resistance to aging // Izvestiya vuzov. Oil and gas. 2010. No. 5. P. 89- 94.
18. Shirkunov A.S., Ryabov V.G., Chudakov I.K. Obtaining polymer-bitumen binders using the Elvaloy 4170 ret modifier based on BN 70/30 construction bitumen and unoxidized high-boiling petroleum products // Bulletin of PNRPU. Chemical technology and biotechnology. 2010. No. 11. P. 106-113.
19. Galiullin E.A., Fakhrutdinov R.Z. Investigation of the influence of the group composition on the quality indicators of unoxidized and oxidized bitumen obtained from Ashalchinskaya superviscous oil // Bulletin of Kazan Technological University. 2017. No. 20. P. 31-36.
21. Vysotskaya M., Kuznetsov D., Shiryaev A., Litovchenko D. Assessing the Effect of Polymer's Type and Concentration on the Properties of the Polymer-Bitumen Binders (PBB) on Road Construction // International Scientific Conference Energy Management of
Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies "EMMFT 2019". 2019. Vol. 2(983). P.947-959. DOI: 10.1007/978-3-030-19868-8_94
22. Almusawi A., Sengoz B., Topal A. Investigation of Mixing and Compaction Temperatures of Modified Hot Asphalt and Warm Mix Asphalt // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2020. Vol. 65(1). P. 72- 83. DOI:10.3311/PPci.15118
23. Sengul, C.E., Oruc S., Iskender E., Aksoy, A. Evaluation of SBS modified stone mastic asphalt pavement performance // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 41. P. 777-783. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.12.065
24. Imaninasab R. Effect of granular polymers on rutting performance of SMA with respect to modification process //Construction and Building Materials. 2017. Vol. 130. P. 64-72. DOI: 10.1016/j .conbuildmat.2016.11.025
25. Pouranian M. R., Imaninasab R., Shishehbor M. The effect of temperature and stress level on the rutting performance of modified stone matrix asphalt //Road Materials and Pavement Design. 2020. Vol. 21. №. 5. P. 1386-1398. DOI: 10.1080/14680629.2018.1546221
26. Babagoli R., Mohammadi R. Laboratory evaluation of the effect of styrene-butadiene-styrene-montmorillonite nanocomposite on rheological behavior of bitumen and performance of stone matrix asphalt mixtures //Canadian Journal of Civil Engineering. 2017. Vol. 44. №. 9. P. 736-742. DOI: 10.1139/cjce-2017-0041
УДК 691.3
Мухаметрахимов Рустем Ханифович
кандидат технических наук, доцент
Email: muhametrahimov@mail.ru
Галаутдинов Альберт Радикович
кандидат технических наук, старший преподаватель
Email: galautdinov89@mail.ru
Потапова Людмила Ильинична
кандидат химических наук, доцент
Email: ludmilapo@mail.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1 Гарафиев Айнур Маратович
руководитель группы отдела экспертиз и испытаний Email: garafiev93@mail.ru
ООО ПИИ «Центр экспертиз и испытаний в строительстве»
Адрес организации: 420097, Россия, г. Казань, ул. Шмидта, д. 35
Исследование структурообразования модифицированного шунгитсодержащего цементного камня методом ИК-спектроскопии
Аннотация
Постановка задачи. Одним из направлений стратегии научно-технологического развития Российской Федерации является разработка новых эффективных строительных материалов с комплексом высоких эксплуатационных и специальных свойств. Особые свойства шунгитовых пород обуславливают актуальность их применения в композициях на основе минеральных вяжущих для придания им специальных свойств. Не снижая значимости имеющихся исследований в данной области следует отметить проблему, заключающуюся в недостаточной изученности особенностей процессов структурообразования цементного камня, модифицированного молотым шунгитом в сочетании с минеральными и химическими добавками, что сдерживает широкое применение шунгита в технологии бетонов. Цель исследований заключается в изучении особенностей фазового состава цементного камня модифицированного тонкомолотым шунгитом, метакаолином и пластифицирующей добавкой методом ИК-спектроскопии, который может являться матрицей шунгитсодержащих бетонов со специальными свойствами. Задачами исследований являются определение актуальности применения
