Влияние адгезионных добавок на интенсивность деградационных процессов дорожных битумов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 625.8

Д.А. КУЗНЕЦОВ, М.А. ВЫСОЦКАЯ, кандидаты техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова); Д.Е. БАРАБАШ, д-р техн. наук, Военный авиационный инженерный университет (Воронеж)

Влияние адгезионных добавок на интенсивность деградационных процессов дорожных битумов

Ежегодные затраты на ремонт асфальтобетонных дорог в России составляют около 4 млрд р. Поэтому любое снижение затрат, возможность сэкономить не в ущерб качеству является актуальным.

В настоящее время большинство исследователей, строителей и проектировщиков не подвергают сомнению тот факт, что использование различных модификаторов битума позволяет существенно повысить долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог.

Введение в битумно-минеральный компаунд соответствующего российским условиям модификатора придает битумному вяжущему (БВ) и всему модифицированному асфальтобетону повышенную сопротивляемость усталостным нагрузкам, возникающим при циклических перепадах температуры; повышенные адгезивные свойства; морозостойкость; низкотемпературную гибкость и эластичность; стойкость к течению при повышенной температуре.

Использование модификаторов, кроме того, позволяет решить проблему обеспечения прочного и долговечного сцепления каменных материалов с битумным вяжущим.

Одним из способов повышения адгезионных свойств битумного вяжущего является применение адгезионных добавок, преимущественно поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Повышение адгезии позволяет сократить финансовые расходы на устройство основания под асфальтобетон и гарантирует отсутствие его отслоения в процессе эксплуатации вследствие температурных деформаций.

В процессе приготовления, хранения в накопительном бункере и транспортирования асфальтобетонной смеси битум при высокой температуре находится в виде тонких пленок на поверхности минерального материала. Указанное обстоятельство создает благоприятные условия для интенсивного протекания термоокисли-

тельных процессов, приводящих к резкому ухудшению эксплуатационных характеристик асфальтобетона.

Возникает вопрос необходимости установления влияния адгезионных добавок как компонента асфальтобетонной смеси на динамику деградационных процессов.

Ограниченность и противоречивость информации по влиянию различных адгезионных добавок на интенсивность старения вяжущего в битумно-минеральных смесях не позволяет выявить общие закономерности их использования.

Известно, например, что азотсодержащие катионоак-тивные ПАВ способны замедлять старение битума. Однако систематические исследования по влиянию этих ПАВ на окисление битума при его модифицировании, приготовлении и эксплуатации в покрытии не проводили.

Авторами выполнены исследования, позволяющие рассмотреть предлагаемые на российском рынке добавки ПАВ не только с точки зрения адгезионных характеристик, но и по степени их влияния на интенсивность деградационных процессов битумных вяжущих.

По данным мониторинга ГУ «Управления автомобильных дорог общего пользования и транспорта Белгородской области», наиболее широко применяют следующие адгезионные добавки: Адгезол, ДАД-1, Амдор-9, Амдор-10, Афтисотдор, Wetfix-BE, Техпрогресс-1, Дорос-АП, БП-3м, Секабаз.

Для оценки эффективности их применения в составе вяжущего и влияния на интенсивность протекания де-градационных процессов в битуме провели ряд экспериментов. В качестве характеристик, в полной мере отражающих изменение состояния битумного вяжущего, были выбраны условная вязкость и пенетрация.

В качестве базовых использовали битумы марки БНД 60/90 Московского и Рязанского нефтеперерабатывающих заводов, характеристики которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатель Значение показателя

По ГОСТ 22245-90 с изм. 1 для марки БНД 60/90 Для битума Московского НПЗ Для битума Рязанского НПЗ

Глубина проникания иглы, 0,1 м при: 25оС 0оС 61-90 не менее 20 71 23 67 24

Температура размягчения по кольцу и шару, оС не ниже 47 50 49

Растяжимость, см, при: 25оС 0оС не менее 55 не менее 3,5 82 гарантировано более 55 4

Температура хрупкости, оС не выше -15 -17 -17

Температура вспышки, оС не ниже 230 гарантировано 306

Изменение температуры размягчения после прогрева, оС не более 5 гарантировано 4

Индекс пенетрации -1 - +1 -0,4 -0,89

научно-технический и производственный журнал

а 80

75

70

65

со 60

о 55

со 50

45

40

/

8 7

а? 6 |

5 I

4 |

3 I

Ф 2 ¡6 ш

I 1 ^ 0

б 40

с 38

^ 36

| 34

Ц 32

| 30

I 28 | 26 4 24 22 20

5

Рис. 1. Изменение пенетрации битума Рязанского НПЗ при 25 (а) и 0°С (б) с добавками при старении в тонком слое: испытаний; изменение пенетрации

а 80

1= 75

1 70

| 65

СО

I 60

о

= 55

СО

Л 50

^ 45 40

[ПТ1111111

1— со^шс^сл с^^оо--—

25

20 '

15

10

5

б 30

с 28 26 | 24 | 22 | 20 | 18 со 16 - 4 -2 0

35

30 а? 25 Ц"

СО 20 | Ф

15 |

10 Ц

5 ё 0

- до испытаний; Ц - после

30

-25 а?

20 I ф

15 ¡5

I 10 |

СО

5 ё

0

5

Рис. 2. Изменение пенетрации битума Московского НПЗ при 25 (а) и 0°С (б) с добавками при старении в тонком слое: Щ- до испытаний; Ц- после испытаний; изменение пенетрации

0

Химические превращения в битумах сводятся к образованию высокомолекулярных, более конденсированных молекул. Доминирующей причиной старения битумов, как и других высокомолекулярных веществ, является окисление [1]. Склонность битумов к химическим превращениям зависит от их состава и прежде всего от наличия легкоокисляющихся групп и связей в молекулах.

Основным критерием согласно ГОСТ 18180—72, позволяющим судить об интенсивности испарения легких фракций из вяжущего и протекающих в нем окислительных реакций, является потеря массы после прогрева в тонком слое, а также изменение температуры размягчения после прогрева. Изменение массы битума после прогрева — результат процесса испарения летучих компонентов вызывает уменьшение массы, а окисление кислородом воздуха — увеличение.

В соответствии с рекомендациями ОДМ 218.4.002—2006 устойчивость битумов к старению оценивали путем прогрева в течение 5 ч слоя толщиной 4 мм при температуре 163оС. После прогрева определяли изменение реологических показателей битума — глубины проникания иглы и условной вязкости.

На основании рекомендаций производителя и результатов собственных экспериментов были установлены соответствующие концентрации адгезионных добавок: катионоактивные ПАВ — 0,5—1,5% от массы битума; анионоактивные ПАВ — 3—5%; амфолитные ПАВ - 0,5-2% [2].

Результаты экспериментов, проведенных при температуре 25 и 0оС, представлены на рис. 1, 2.

Результаты экспериментов показали, что более интенсивно деградационные процессы протекали в вяжущих, приготовленных на основе битума Московского НПЗ с добавками Техпрогресс-1 и ДАД-1. Отмечено, что при модификации битума добавкой ДАД-1 наблюдается разжижение исходного битума на 10оП.

При прогреве в течение 5 ч битума Московского НПЗ с указанными добавками у контрольных образцов произошло изменение вязкости, связанное с переходом в марку БНД 40/60.

Таким образом, судя по изменению пенетрации при 25оС, битум Московского НПЗ стареет более интенсивно, чем битум Рязанского НПЗ, как без добавок, так и с адгезионными добавками.

В процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий наблюдается постепенное снижение величины пенетрации вяжущего, причем в пленочном состоянии при высокой температуре процессы старения протекают более интенсивно, чем в объемном. Исследованиями [3, 4] была установлена связь между показателями пенетрации битумного вяжущего при температуре испытания 25оС и долговечностью дорожного покрытия. Если показатель пенетрации битума опускается ниже 20, то весьма вероятно образование значительных трещин на покрытии; при нахождении этого показателя в интервале 20-30 возможно лишь незначительное растрескивание. Высокая устойчивость к растрескиванию асфальтобетонных покрытий обеспечивается при использовании битума с пенетрацией после старения значительно выше 30.

Для органических вяжущих материалов, используемых в дорожном строительстве, кроме изменения условной вязкости и индекса пенетрации вяжущего под действием рассматриваемых добавок важен показатель пенетрации при 0оС, который характеризует их склонность к охрупчиванию при низкой температуре.

Результаты изучения пенетрации вяжущего при 0оС после старения характеризуют битум Рязанского НПЗ (рис. 1, б) как более пластичный в сравнении с вяжущим Московского НПЗ (рис. 2, б).

В соответствии с требованиями ГОСТ 22245-90 глубина проникания иглы в битум при температуре 0оС должна составлять не менее 20оП. Битум Рязанского

Г^ научно-технический и производственный журнал

М ® октябрь 2012 25

Таблица 2

Адгезионная добавка Остаточная пенетрация битумов с адгезионными добавками, %

Рязанского НПЗ Московского НПЗ

Без добавок 96/72 81/80

ДАД-1 96/70 80/73

Адгезол-2 94/76 83/73

Амдор-9 97/77 82/76

Амдор-10 95/74 80/73

Дорос-АП 97/71 84/76

Техпрогресс-1 99/78 85/84

Секабаз 97/79 85/81

Wetfix-BE 97/83 84/84

Афтисотдор 96/76 82/81

Полирам Л200 96/72 81/80

КАДЭМ-ВТ-ВТ 96/79 -

БП-3М 93/73 -

Перед чертой значения остаточной пенетрации при 25оС, за чертой - при 0оС.

НПЗ до прогрева (32оП) и после прогрева (23оП) соответствовал требованиям ГОСТа.

Введение добавок способствовало снижению вязкости при 25оС, что в свою очередь отразилось на пенетра-ции контрольных и состаренных образцов при 0оС. Максимальное изменение показателя в процессе старения составило 29,7% при использовании Дорос-АП и ДАД-1. Изменение пенетрации при введении остальных добавок было ниже, чем у контрольных образцов. Минимальное изменение параметра было зафиксировано при использовании добавки Wetfix-BE. Близкие показатели наблюдали при исследовании битума Московского НПЗ, модифицированного добавками Wetfix-BE и Техпрогресс-1. Установлено, что в процессе прогрева этого битума с добавками Адгезол-2, Амдор-9 и Амдор-10 показатели пенетрации при 0оС опустились ниже 20оП. Введение добавок незначительно повлияло на изменение процента остаточной пенетрации при 25оС.

Наибольшее снижение показателя при температуре испытания 0оС было зафиксировано для битума Рязанского НПЗ, содержащего БП-3М, ДАД-1 и Дорос-АП, и битума Московского НПЗ с добавками ДАД-1, Амдор-10 и Адгезол-2.

Очевидно, что на склонность вяжущего к старению оказывает влияние не столько вид ПАВ, сколько совокупность битум—добавка. Причем битум Рязанского НПЗ проявляет большую устойчивость к старению, чем битум Московского НПЗ.

Вязкость битумов является их важнейшей реологической характеристикой, при этом битумы, имеющие практически одинаковую пенетрацию, могут существенно различаться по вязкости.

Отличительной особенностью дорожных покрытий из асфальтобетонных смесей является прогрессирующее повышение вязкости, вплоть до охрупчивания и последующего разрушения. Для получения долговечного покрытия важно, чтобы вязкость битума в меньшей степени изменялась во времени и эксплуатационном интервале температуры.

Для оценки вязкости битумов, содержащих модифицирующие добавки, проводили исследования согласно ОДМ 218.2.004-2006. Исследования выполняли при 135оС, поскольку при высокой температуре, значительно выше температуры размягчения вяжущего его свойства приближаются к характеристикам ньютоновской жидкости и различия вязких свойств становятся менее заметными.

Динамика изменения условной вязкости битумов, модифицированных различными адгезионными добавками, после прогрева в тонком слое в течение 5 ч представлена на рис. 3.

В результате исследований установлено, что условная вязкость битумов без добавок как Московского, так и Рязанского НПЗ в результате старения по ГОСТ 18180-79 изменилась на 7,4 и 8,4% соответственно. Максимальное изменение условной вязкости при старении зафиксировано у битума Московского НПЗ с добавками Дорос-АП (16%), ДАД-1 и Амдор-10 (13%), минимальное - с добавкой Секабаз (4,4%). Добавки Афтисотдор и Техпрогресс-1 не повлияли на интенсивность изменения условной вязкости.

Для битума Рязанского НПЗ наибольшие изменения зафиксированы с добавкой Полирам Л200 (8,9%), наименьшие — с добавками Wetfix-BE (1%), Секабаз (2%). В соответствии с теорией [4] изменение пенетрации при 25оС и вязкости при 60оС, имеет гиперболическую временную функцию и определяется термином «эксплуатационное старение». Количественно значение степени эксплуатационного старения можно выразить в единицах пенетрации (процент остаточной пенетрации), а также вязкости (индекс старения).

Процент остаточной = пенетрации

пенетрация состаренного битума пенетрация первичного битума

хЮО

20 * 18 | 16 1 14 2 0 8 6 4 2

Рис. 3. Изменение условной вязкости битумов после прогрева в тонком слое: Д - битум Московского НПЗ; Ц - битум Рязанского НПЗ

0

научно-технический и производственный журнал

Рис. 4. Индекс старения битумов с добавками ПАВ при испытании в тонком слое: Ц - битум Московского НПЗ; Ц - битум Рязанского НПЗ

Индекс _ вязкость состаренного битума старения вязкость первичного битума

По мнению авторов целесообразно оценивать интенсивность процессов старения вяжущих для дорожно-строительных работ по проценту остаточной пенетрации, поскольку именно этот показатель в полной мере характеризует изменение эксплуатационных характеристик покрытия во времени.

Расчетные данные процента остаточной пенетрации для сочетаний различных битумов и добавок представлены в табл. 2.

Очевидно, что независимо от производителя битума и температуры испытания наиболее устойчивыми к температурным воздействиям оказались вяжущие, модифицированные добавками Техпрогресс-1, Секабаз, Wetfix-BE. Показатель остаточной пенетрации этих вяжущих по сравнению с исходными контрольными образцами несколько увеличился, что может характеризовать их как устойчивые к процессам старения.

В силу того что в настоящее время вязкость определяется различными методами и получаемые результаты значительно разнятся между собой, представляет интерес использование индекса старения. Результаты определения индекса старения для различных битумов представлены на рис. 4.

Полученные результаты позволяют условно разделить ПАВ на две группы.

Добавки, вошедшие в первую группу, способствуют торможению процессов старения, поскольку вязкость битумов увеличивается незначительно. Напротив, добавки, входящие во вторую группу, вызывают значительное увеличение индекса старения, сопровождающееся прогрессирующим повышением вязкости.

К числу ПАВ, замедляющих процессы старения битумов Московского и Рязанского НПЗ, относятся Секабаз, Афтисотдор, Техпрогресс-1, Wetfix-BE, Амдор-9. Эти добавки проявили себя достаточно эффективно независимо от производителя битума.

Добавки Дорос-АП, ДАД-1, Амдор-10 при введении в битум Московского НПЗ в процессе старения способствовали более интенсивному увеличению вязкости, однако подобного эффекта не было зафиксировано при введении их в битум Рязанского НПЗ [5]. Таким же действием в соответствии с полученными результатами обладает Полирам Л200, введение которого обеспечивает низкое значение индекса старения для битума Московского НПЗ и высокое — для битума Рязанского НПЗ.

В процессе исследований установлены добавки с различными механизмами влияния на условную вязкость битума в процессе старения.

Показатель условной вязкости при 135оС, а также индекс старения являются достаточно информативны-

ми характеристиками в отношении влияния адгезионных добавок на старение вяжущего, так как интервал изменения показателя условной вязкости между чисто битумом и битумом с добавкой, максимально увеличивающей интенсивность старения, составляет 16%. Индекс старения при этом изменяется на 8—9%.

Таким образом, в каждом конкретном случае необходим глубокий анализ взаимодействия битума и модифицирующих добавок, поскольку их введение может оказать негативное влияние на долговечность асфальтобетонного покрытия.

Ключевые слова: адгезионные добавки, битум, дегра-дационные процессы.

Список литературы

1. КолбановскаяА.С.Дорожные битумы. М.: Транспорт, 1973. 264 с.

2. Браун Е.Р. и др. Горячие асфальтобетонные смеси, материалы, подбор составов смесей и строительство автомобильных дорог в Северной Америке: НАПА, 2009. 411 с.

3. Finn F.N. Asphalt Overlay Design Procedures / F.N. Finn, C.L. Monismith: Transportation Research Board, NCHRP Synthesis 92, 1982. September.

4. Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1980. 191 с.

5. Ядыкина В.В. Эффективность применения адгезионной добавки ДАД-1 // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 2-4.

6. Соломенцев А.Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. 2008. № 1. С. 14-15.

ПЕЧИ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗВЕСТИ

А.В. Монастырев, Р.Ф. Галиахметов Печи для производства извести

Воронеж: Издательство «Истоки», 2011. 392 с.

В справочнике приведены конструкции и основные технические характеристики отечественных и зарубежных шахтных и вращающихся печей, печей кипящего слоя и взвешенного состояния, их загрузочных и разгрузочных устройств, топок и горелок для сжигания твердого, пылевидного, жидкого и газообразного топлива, тягодутьевых машин, устройств для очистки печных отходящих газов. Рассмотрены вопросы измерения основных параметров процесса обжига сырья в печах, безопасности сжигания в них газообразного топлива, контрольно-измерительные приборы и автоматика.

Приведены основные технические требования потребителей к свойствам извести, карбонатному сырью и технологическому топливу. Даны физико-химические основы постепенного и скоростного процессов обжига карбонатных пород на известь. Кратко изложены основы методики расчета шахтных, вращающихся печей и печей кипящего слоя. Приведены основные показатели эксплуатации печей в различных отраслях промышленности.

Справочник предназначен для инженерно-технических работников предприятий и цехов по производству извести черной и цветной металлургии, содового производства, производства сахара, производства строительных материалов и других отраслей промышленности. Будет полезен специалистам проектных, наладочных, научно-исследовательских организаций, занимающихся вопросами производства извести, а также работникам учебных заведений, изучающих производство извести.

По вопросам приобретения книги обращаться по тел./ факсу: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: [email protected]

rj научно-технический и производственный журнал