CC BY
37УДК 691.168
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-26-29
Е.О. РУДАКОВ1, инженер (egish2008@mail.ru), Л.А. УРХАНОВА1, д-р техн. наук (urkhanova@mail.ru); Н.В ШАДРИНОВ2, канд. техн. наук (nshadrinov@gmail.com), А.А. БОРИСОВА2, канд. техн. наук
1 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления (670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 В, стр. 1)
2 Институт проблем нефти и газа СО РАН (677000, г. Якутск, ул. Автодорожная, 20)
Структурно-морфологический анализ битумного вяжущего, модифицированного коллоидной добавкой
Представлен структурно-морфологический анализ битумного вяжущего, модифицированного коллоидной добавкой с помощью метода атомно-силовой микроскопии. Методом экстракции в кислотном растворителе синтезируется коллоидная добавка -продукт растворения коллагена. Введение коллоидной добавки в битумное вяжущее позволяет регулировать такие его свойства, как температура размягчения (по методу кольцо и шар), глубина проникновения иглы, кажущаяся вязкость. Щебеночно-мастичный асфальтобетон на основе битума, модифицированного коллоидной добавкой, имеет повышенные физико-механические характеристики. Для исследования изменений микроструктурной организации битумов, модифицированных коллоидной добавкой, получены изображения рельефа и фазового контраста поверхности образцов битумного вяжущего с добавлением коллагенсодержащей добавки. Выявлено влияние коллоидной добавки на изменение микроструктуры битумного вяжущего, от которого зависит изменение основных свойств битума.
Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, коллоидные добавки, битум, атомно-силовая микроскопия, автомобильные дороги.
Работа выполнена в рамках гранта «Молодые ученые ВСГУТУ-2018» ФГБОУ ВО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления.
Для цитирования: Рудаков Е.О., Урханова Л.А., Шадринов Н.В., Борисова А.А. Структурно-морфологический анализ битумного вяжущего, модифицированного коллоидной добавкой // Строительные материалы. 2019. № 11. С. 26-29. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-26-29
E.O. RUDAKOV1, Engineer (egish2008@mail.ru), L.A. URKHANOVA1, Doctor of Sciences (Engineering) (urkhanova@mail.ru);
N.V. SHADRINOV2, Candidate of Sciences (Engineering) (nshadrinov@gmail.com), A.A. BORISOVA2, Candidate of Sciences (Engineering)
1 East Siberia state university of technology and management (40v, Kluchevskaya Street, Ulan-Ude, 670013, Russian Federation)
2 Institute of Problems of Oil and Gas of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (20, Avtodorozhnaya Street, Yakutsk, 677000, Russian Federation)
Structural and Morphological Analysis of Bituminous Binder Modified with Colloidal Additive
A structural and morphological analysis of a bituminous binder modified with a colloidal additive using the atomic force microscopy method is presented. A colloidal additive - a product of collagen dissolution-is synthesized by extraction in an acid solvent. The introduction of the colloidal additive in the bitumen binder makes it possible to adjust its properties such as the softening temperature (by the method of Ring and ball), the depth of penetration of the needle, the apparent viscosity. Stone-mastic asphalt concrete based on bitumen modified with colloidal additive has increased physical and mechanical characteristics. To study the changes in the microstructural organization of bitumens modified with colloidal additive, images of the relief and phase contrast of the surface of samples of bitumen binder with the addition of collagen-containing additive were obtained. The influence of colloidal additive on the change of the microstructure of the bitumen binder, on which the change of the basic properties of bitumen depends, is revealed.
Keywords: stone-mastic asphalt concrete, colloidal additives, bitumen, atomic force microscopy, auto-roads.
The work was carried out in the framework of the Grant "Young scientists of ESSUTM-2018", East Siberian State University of Technology and Management.
For citation: Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shadrinov N.V., Borisova A.A. Structural and morphological analysis of bituminous binder modified with colloidal additive. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 11, pp. 26-29. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-776-11-26-29
Долговечность и качество дорожного покрытия — основная задача любой дорожной организации Республики Бурятия. Совокупность множества факторов определяет эксплуатационные показатели и межремонтные сроки автомобильных дорог: это и численность транспортного потока, ежегодно увеличивающаяся вкупе с ростом нагрузки на ось; и климатические условия, задающие жесткие режимы работы покрытия; и, наконец, качество применяемых дорожно-строительных материалов, которое, к сожалению, далеко не всегда соответствует принятым нормам. Таким образом, зачастую про-
исходит преждевременное разрушение дорожного покрытия [1].
В последние годы в дорожном строительстве Республики Бурятия получает широкое распространение устройство дорожных одежд из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). Развитие применения ЩМА в качестве дорожных одежд обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционным асфальтобетоном [2—5]. Процесс приготовления и укладки ЩМА функционален, экономичен и не требует каких-либо специальных дополнительных технических устройств. В то же время он
26
ноябрь 2019
ы ®
Рис. 1. АСМ изображение поверхности битума образца № 1: а - рельеф; б - тот же рельеф в 3D; в - фазовый контраст; г - сечение «пчелоподобной» структуры
обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики дорожного покрытия, сохраняя при этом стабильность и долговечность за счет увеличенной кар-касности структуры. Однако, несмотря на существенные преимущества использования ЩМА, имеется недостаток, препятствующий его широкому внедрению в дорожное строительство. Битум, выполняющий роль вяжущего в составе щебеночно-ма-стичного асфальтобетона, не всегда обладает высокими показателями качества и стабильности. С учетом специфики производства битумных вяжущих отечественных производителей и дорожно-климати-ческих условий Республики Бурятия выявлена потребность в разработке типа покрытия, удовлетворяющего следующим требованиям:
— устойчивость к колееобразованию (повышение сдвигоустойчивости);
— термоустойчивость (повышение прочности покрытия при высокой летней и низкой зимней температуре);
— повышенная трещиностойкость;
— повышенная устойчивость к воздействию воды.
Различные по составу и свойствам добавки для
щебеночно-мастичных асфальтобетонов позволяют выполнять задачи по направленному или комплексному регулированию его свойств. Введение коллоидных добавок, таких как резиновая крошка, показывает возможность повышения структурированности битумного вяжущего в составе ЩМА, изменяя его механические свойства [6]. Однако применение такого типа добавок сопровождается неизменным ростом стоимости устройства покрытий с ее примене-
Рис. 2. АСМ изображение поверхности битума образца № 2: а - рельеф; б - тот же рельеф в 3D; в - фазовый контраст; г - сечение «пчелоподобной» структуры
Рис. 3. АСМ изображение поверхности битума образца № 3: а - рельеф; б - тот же рельеф в 3D; в - фазовый контраст; г - сечение «пчелоподобной» структуры
нием, а физико-механические показатели дорожной одежды не всегда отвечают заявленным требованиям. Таким образом, расширение спектра коллоидных добавок для модификации битумного вяжущего является актуальной задачей.
Материалы и методы исследований
В качестве модифицирующей коллоидной добавки для битума использована коллагенсодержащая добавка различных составов — продукт растворения коллагена (ПРК), получаемый обработкой отходов кожевенного производства и некондиционного ко-
Исследованные составы битумного вяжущего
Маркировка образца Материал
1 Битум БНД 90/130 + 1 мас. % желатина
2 Битум БНД 90/130 + 3% ПРК (в виде геля)
3 Битум БНД 90/130 + 0,3% ПРК (в виде сухого остатка)
К Контрольный образец битум БНД 90/130
Рис. 4. АСМ изображение поверхности битума контрольного образца: а - рельеф; б - тот же рельеф в 3D
а
о научно-технический и производственный журнал
jVj ® ноябрь 2019 27~
жевенного сырья [7]. Для синтеза ПРК применяются растворы, в качестве которых используют кисломолочную композицию (КМК) [7]. Кисломолочная композиция имеет величину титруемой кислотности 250—300оТ, концентрацию кислоты не менее 25—30 г/дм3 и активную реакцию среды не более 4. Различаются КМК применяемой в их составе кислотой — уксусной, муравьиной, молочной.
Известна роль применения коллагенсодержащих добавок в составе небитумного вяжущего для производства прорезиненных асфальтовых гранул [8]. В качестве связующего вещества для получения стабильных гранул коллаген и его производные демонстрируют высокие результаты. Способность коллагена набухать в дисперсной среде, приобретая свойства упругости и прочности, позволяет предположить возможность структурирования битумного вяжущего. При этом возможность модификации щебеноч-но-мастичных асфальтобетонов коллагенсодержа-щими добавками не была изучена.
Введение коллоидных добавок в битумное вяжущее продемонстрировало возможность регулировать основные и реологические свойства [9], а для щебе-ночно-мастичного асфальтобетона показало рост сцепления при внутреннем сдвиге и увеличение предела прочности при сжатии под воздействием экстремальной температуры на фоне снижения показателя трещиностойкости (предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0оС) [10].
Проведенный ИК-спектроскопический анализ образцов битумного вяжущего, модифицированного коллагенсодержащей добавкой, не показал изменений химического состава [11, 12]. Сделан вывод, что влияние модифицирующей добавки на свойства битума происходит, вероятнее всего, за счет образования некоей микроструктуры, придающей дополнительную каркасность вяжущему.
Коллаген, как и желатин, обладает способностью к набуханию в жидкой среде. Рассматривая битум как систему коллоидного характера, в которой мелкие частицы асфальтенов образуют дисперсную фазу, а смесь масел и смол является дисперсионной средой, было построено предположение, что коллаген в дисперсионной среде битума способен набухать, таким образом армируя битумное вяжущее, что объяснит такое изменение свойств битума, как рост температуры размягчения по кольцу и шару (КиШ), уменьшение глубины проникновения иглы, вязкости и т. д.
Исследование микроструктурной организации образцов модифицированных битумов проведено на универсальном сканирующем зондовом микроскопе №^гаРйта (ЭТ - MDT, Россия) в ФГБУН «Институт проблем нефти и газа СО РАН» (г. Якутск, Россия) методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Сканирование проведено в полуконтактном режиме методом отображения фазового контраста с применением стандартных кантилеверов производства NT-MDT-NSG 30.
Для сравнения произведен анализ применяемой добавки с пищевым желатином марки К-13 по ГОСТ 11293-89, поскольку желатин является гидро-лизованным коллагеном. Для исследования подготовлены три состава с модификатором и контрольный состав без добавок (см. таблицу).
Результаты исследования представлены на снимках, демонстрирующих рельеф поверхности исследуемых образцов и изображение фазового контраста (рис. 1-4).
Битум представляет собой сложную смесь углеводородов. Фазовые изображения показывают, что эта смесь не является абсолютно гомогенной. На изображениях фазового контраста можно наблюдать разницу в плотности структур относительно друг друга. Чем легче молекулярный вес системы, тем светлее она на изображении.
Асфальтены представляют собой высокомолекулярные компоненты битума, имеющие слоисто-блочное строение, склонные к образованию ассоци-атов. Полученные изображения демонстрируют так называемые «пчелоподобные» структуры [11]. Чем больше размер и количество «пчелоподобных» структур, тем больше количество ассоциатов вокруг ас-фальтеновой фракции и выше вязкость системы. Светлые «трещины» на изображениях фазового контраста в образце № 3 не входят в основную структуру системы. Они не дают отклика на 3D-изображении фазового контраста, поэтому выдвинуто предположение, что это другие структуры, вероятнее всего, легкие фракции битума, масла (поэтому кажущаяся вязкость у образца № 3 наименьшая). В других образцах, вероятнее всего, масла и легкие фракции битума входят в асфальтеновые ассоциаты с образованием упорядоченной структуры.
«Пчелоподобные» структуры образца 1 имеют длину от 2 до 7 микрометров; образца 2 - от 3 до 22,14 мкм; образца 3 — от 1,5 до 8 мкм; контрольный образец имеет размеры структур 4—6 мкм. Сравнивая данные изображения, можно отметить, что с введением ПРК в виде геля происходит значительное изменение микроструктуры битума. На изображении явственно видно, что «пчелоподобные» структуры, образованные смолисто-асфальтеновыми веществами, у образца 2 в сравнении со всеми остальными увеличились в размере до 22,14 мкм. ЗD-изобра-жение также демонстрирует их рост. Образцы 1 и 3 проявляют в сравнении со вторым образцом слабый топографический профиль, при этом распределение «пчелоподобных» структур размерами 2-4 мкм более равномерно на всей исследуемой поверхности.
Заключение
Образцы 1 и 2 отличаются большими размерами «пчелоподобных» структур, демонстрируют равномерное их распределение в объеме вяжущего. Введенные в битумную систему сухие добавки (желатин и сухой ПРК) лучше набухают в дисперсионной среде битума и, по всей видимости, создают в ней
28
ноябрь 2019
Ы ®
свою собственную структуру, которая тем самым при охлаждении препятствует повторной ассоциации смолисто-асфальтеновых веществ в структурные образования большого размера, поэтому фиксируемые
Список литературы
1. Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Чепур П.В. Проблема повышения долговечности асфальтобетонного покрытия и пути ее решения //
Современные наукоемкие технологии. 2016. № 3—2. С. 307-310.
2. Голубева Е.А., Чистяков Ю.П. Опыт применения ЩМА // Мир дорог. 2017. № 98. С. 49-52.
3. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий. Н. Новгород: ННГАСУ, 2009. 65 с.
4. Горелышева Л.А. Опыт применения ЩМА для устройства верхнего слоя дорожных покрытий // Дороги и мосты. 2009. № 1 (21). С. 221-229.
5. Борисенко Ю.Г., Борисенко О.А., Казарян С.О., Ионов М.Ч. Влияние высокодисперсных отсевов дробления керамзита на структуру и свойства ЩМА // Строительные материалы. 2015. № 5. С. 82-85.
6. Селицкая Н.В., Лашин М.В., Красников И.А. Применение битумно-резиновых вяжущих материалов при строительстве автомобильных и железных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2018. № 8. С. 13-18.
7. Патент № 2486258 РФ, МПК C14C1/08. Способ получения продуктов растворения коллагена / Шалбуев Д.В., Жарникова Е.В. Заявл. 10.01.2012. Опубл. 27.06.2013.
8. Патент № 2531816 РФ, МПК C08L95/00, C09D195/00. Прорезиненные асфальтовые гранулы / Бейли Уилльям Р. Заявка: 2011111729/05, 27.08.2009. Опубл. 10.10.2012.
9. Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shalbuyev D.V. Efficient stonemastic asphalt with use of the colloid additives // Journal of Fundamental and Applied Science. 2016. doi: http://dx.doi.org/10.4314/jfas. v8i2s.578
10. Рудаков Е.О., Урханова Л.А., Шалбуев Д.В. Асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетонные с применением коллоидных добавок // Научно-технический журнал «Вестник ВСГУТУ». 2015. № 6 (57). С. 38-42.
11. Lesueur D. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification // Advances in Colloid and Interface Science. 2009. Vol. 145. Iss. 1-2, pp. 42-82. https://doi.org/10.1016/jxis.2008.08.011
12. Емельянычева Е.А., Абдуллин А.И. Исследование нефтяных модифицированных битумов методом атомной силовой микроскопии // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 12. С. 172-174.
структурные упорядоченные образования уменьшаются в размере. Указанные изменения микроструктуры битумного вяжущего способствуют улучшению его характеристик.
References
1. Yastremskiy D.A., Abaidulina T.N., Chepur P.V. The problem of increasing the durability of asphalt concrete pavement and ways to solve it. Sovremennye naukoemkie technologii. 2016. No. 3-2, pp. 307-310. (In Russian).
2. Golubeva E.A. Chistyakov Yu.P. Experience using crushed stone mastic asphalt concrete. Mir Dorog. 2017. No. 98, pp. 49-52. (In Russian).
3. Kostin V.I. Shchebenochno-mastichnyy asfal'tobeton dlya dorozhnykh pokrytiy [Crushed stone mastic asphalt concrete for road surfaces]. N. Novgorod: NNGASU. 2009. 65 p.
4. Gorelysheva L.A. The experience of using a panel for the device of the upper layer of road surfaces. Dorogi i mosty. 2009. No. 1 (21), pp. 221-229. (In Russian).
5. Borisenko Yu.G., Borisenko O.A., Kazaryan S.O., Ionov M.Ch. Influence of fine-disperse screenings of expanded clay crushing on structure and properties of stone mastic asphalt concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 5, pp. 82-85.
6. Selitskaya N.V., Lashin M.V. The use of bitumen-rubber knitting materials in the construction of roads and railways. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo technologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2018. No. 8, pp. 13-18. (In Russian).
7. Patent RF 2486258. Sposobpolucheniaproduktov rast-voreniya kollagena [The method of obtaining products of dissolution of collagen]. Shalbuev D.V., Jarni-kova E.V. Declared 10.01.2012. Published 27.06.2013. (In Russian).
8. Patent RF 2531816. Prorezinenye asphaltovye granuly [Rubberized Asphalt Granules]. Baillie William R. Declared 27.08.2009. Published 10.10.2012 (In Russian).
9. Rudakov E.O., Urkhanova L.A., Shalbuyev D.V. Efficient stonemastic asphalt with use of the colloid additives. Journal of Fundamental and Applied Science. 2016. doi: http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i2s.578
10. Rudakov E.O., Urhanova L.A., Shalbuev D.V. Asphalt concrete and crushed-stone and mastic asphalt concrete with application of colloidal additives. Vestnik Vostochno-Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta technologiy i upravleniya. 2015. No. 6 (57), pp. 38-42. (In Russian).
11. Lesueur D. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification. Advances in Colloid and Interface Science. 2009. Vol. 145. Iss. 1-2, pp. 4282. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.08.011
12. Emelyanycheva E.A., Abdullin A.I. The study of modified oil bitumen by atomic force microscopy Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2012. Vol. 15. No. 12, pp. 172-174.
ноябрь 2019
29
