CC BY
57
УДК 625.7.06
Маркова М.А., Машкова А.А., Олихова Ю.В., Осипчик В.С.
ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАТОРОВ НА СВОЙСТВА ДОРОЖНЫХ БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
Маркова Мария Александровна, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Машкова Анастасия Алексеевна, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Олихова Юлия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс; e-mail: [email protected]
Осипчик Владимир Семенович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
В работе проведено исследование влияния размера частиц и содержания резинового наполнителя на свойства битумно-резиновых вяжущих для дорожного строительства. Показана возможность регулирования деформационно-прочностных свойств и теплостойкости вяжущих при введении в их состав глицидилсодержащей алифатической смолы.
Ключевые слова: асфальтобетоны, полимерно-битумные вяжущие, битумно-резиновые вяжущие, резиновая крошка, глицидилсодержащая смола, температура размягчения, пенетрация, прочность при разрыве.
INFLUENCE OF MODIFIERS ON THE PROPERTIES OF BITUMEN BINDERS FOR ROAD CONSTRUCTION
Markova M.A., Mashkova A.A., Olikhova Yu.V., Osipchik V.S. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
At the present paper the influence of the particle size and the content of rubber filler on the properties of bituminous rubber binders for road construction is discussed. The possibility to regulate the stress-strength properties and the heat resistance of the binders with glycidyl-containing aliphatic resin is shown.
Keywords: asphalt, polymer-bituminous binders, bitumen-rubber binders, rubber crumb, glycidyl-containing resin, softening point, penetration, tensile strength
Развитие транспортной системы Российской Федерации невозможно без строительства новых и реконструкции имеющихся автомагистралей. Решение этой задачи входит в перечень государственных целевых программ [1] и, безусловно, потребует производства значительного объема материалов для дорожного строительства, в том числе асфальтобетонных смесей с улучшенными свойствами, способных обеспечить длительную эксплуатацию дорожных покрытий в жестких и разнообразных климатических условиях нашей страны.
На протяжении последних десятилетий в состав дорожных битумных вяжущих, являющихся, наряду с каменным наполнителем, обязательной составляющей асфальтобетонных смесей, вводятся различные добавки - олигомерные или полимерные компоненты, пластификаторы, поверхностно-активные вещества, отходы различной природы [2]. Необходимость модификации нефтяного дорожного битума (БНД) объясняется его высокой хрупкостью при пониженных температурах, а также недостаточно высокими прочностными
характеристиками. Возросшая интенсивность дорожного движения и повысившиеся требования к качеству дорожного полотна привели к тому, что асфальтобетоны на основе не модифицированного битума уже не в состоянии удовлетворять современным требованиям. В связи с этим были приняты новые нормативные документы по
производству модифицированных битумных дорожных вяжущих. Их применение на практике приводит к повышению прочностных характеристик асфальтобетонов, их тепло- и морозостойкости, что, в свою очередь, позволяет увеличить межремонтный срок службы дорожного покрытия, а, следовательно, снизить стоимость его эксплуатации.
В настоящее время существует две основных тенденции модификации битумных вяжущих [3, 4]:
- введение в их состав стирол-бутадиен-стирольных блоксополимеров (СБС) или их аналогов, позволяющее добиться повышения деформационно-прочностных свойств асфальтобетонов;
- модификация вяжущих резиновой крошкой (РК) или резиновым порошком (РП).
Последний способ заслуживает особого внимания в связи с тем, что РК и РП, используемые для модификации битумных вяжущих, как правило, являются продуктами вторичной переработки автопокрышек. Это дает возможность не только улучшить свойства вяжущего, но и попутно решить важную экологическую задачу повторного использования значительного количества
отработанных автомобильных шин, являющихся отходами IV класса опасности и подлежащих обязательной утилизации [5]. Важным достоинством битумно-резиновых вяжущих является упрощенная, по сравнению с полимерно-битумными вяжущими (ПБВ), технология приготовления. Для растворения
СБС в битуме требуется его длительное (от 8 до 24 ч) растворение в пластификаторе, в качестве которого обычно используют индустриальное масло или гудрон, негативно сказывающиеся на свойства вяжущего.
В данной работе в качестве основного компонента битумного вяжущего выбрали битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90, выпускаемый по ГОСТ 22245-90. Основные свойства БНД представлены в таблице 1. Для сравнения в этой же таблице приведены свойства битумно-резинового композиционного вяжущего Битрэк [6].
Таблица 1. Свойства битумных материалов
Наименование Марки
показателей БНД 60/90 Битрэк 60/90
Глубина проникания иглы, дмм, при 25°С, не менее при 0°С, не менее 60 20 60-90 15
Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже 47 53
Индекс пенетрации от -1 до + 1 -
Для улучшения свойств битумного вяжущего в его состав вводили РП - отсев резиновой крошки с размером частиц 0,5 мм. Малый размер частиц РП способствует его быстрому набуханию и равномерному распределению в битуме.
Регулирование свойств битумно-резиновых вяжущих осуществляли введением алифатической смолы, содержащей простую эфирную связь (АС). Массовая доля глицидиловых групп в АС - 26-30 %, вязкость - 80-120 мПас. Выбор модификатора обусловлен возможностью образования сетчатых структур в присутствии функциональных групп, имеющихся в составе окисленных битумов, и частиц резины, подвергающихся частичной деструкции в процессе высокотемпературного смешения с битумом.
Образцы получали по "мокрому" способу, то есть путем последовательного введения всех модификаторов в битум, нагретый до температуры 140-160°С в условиях интенсивного перемешивания. Смешение компонентов проводили при помощи высокоскоростной мешалки в течение 1 ч.
Критериями оценки влияния предлагаемых модификаторов на свойства вяжущих служили показатели, представленные в таблице 1. Глубину проникания иглы определяли на пенетрометре М-984 ПК по ГОСТ 11501-78, температуру размягчения определяли по методу кольца и шара по ГОСТ 11506-73.Индекс пенетрации, характеризующий пластические свойства вяжущих определяли по ГОСТ 22245-90. Влияние модификаторов на деформационно-прочностные свойства изучали путем построения динамометрических кривых.
Испытания образцов проводили на разрывной машине TIRATEST 2150 при скорости нагружения 50 мм/мин. Расчеты прочности и удлинения при разрыве осуществляли по ГОСТ Р 54553-2011.
Содержание РК в битумно-резиновых вяжущих составляет, как правило, 10-20 масс. %. Ранее были проведены исследования с вяжущим, содержащим с своем составе 10 масс. % РК с размером частиц 0,63 мм. В данной работе было установлено, что при замене РК на РП, имеющий меньший размер частиц, свойства вяжущего изменяются (табл. 2).
Таблица 2. Свойства битумно-резиновых вяжущих 80
масс. % БНД + 10% отходов резины
Наименование показателей вид и размер частиц наполнителя, мм
РК, 0,63 РП, 0,5
Глубина проникания иглы, дмм, при 25 °С при 0 °С 66 30 45 26
Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже 74 72
Прочность при максимальной нагрузке, кПа 80 120
Относительное удлинение при разрыве, % 60 56
Как видно из таблицы, уменьшение размера частиц резины приводит к снижению удлинения и пенетрации при повышении прочности образцов. Частицы РП имеют меньшие размеры и более развитую поверхность. Можно предположить, что термоокислительная деструкция РП протекает более интенсивно, чем РК. В результате образуются продукты деструкции, способные вступать во взаимодействие с функциональными группами битума, что приводит к упрочнению вяжущего.
Повышение прочностных характеристик асфальтобетонов - одна из основных задач, решение которой позволит увеличить срок службы дорожных покрытий. Прочность асфальтобетонов, в свою очередь, обеспечивается физико-механическими и адгезионными свойствами вяжущего. Для регулирования свойств битумно-резинового вяжущего в его состав вводили АС. Было исследовано совместное влияние АС и содержания РП на свойства вяжущих. На рисунке 1 представлены динамометрические кривые исследуемых составов.
Рис. 1. Динамометрические кривые битумно-резиновых вяжущих
Рассмотрение представленных зависимостей позволило сделать вывод о том, что при введении АС в состав вяжущего, содержащего 5 масс. % РП, возрастает максимальная нагрузка при растяжении образцов при одновременном снижении деформируемости. Уменьшение содержания РП в составе вяжущего приводит к повышению прочности при растяжении и удлинения при разрыве. Изменение соотношения компонентов оказывает влияние на весь комплекс свойств битумно-резинового вяжущего (табл. 3).
Таблица 3. Влияние содержания РП на свойства
Наименование показателей Содержание РП, масс. %
5 10 20
Глубина проникания иглы, дмм, при 25°С, не менее при 0°С, не менее 33 15 26 17 35 15
Температура размягчения по кольцу и шару,°С, не ниже 76 77 84
Индекс пенетрации -1,0 -1,2 0
Прочность при растяжении, кПа 48 85 66
Прочность при разрыве, кПа 13 28 5
Относительное удлинение при максимальной нагрузке, % 23 21 28
Относительное удлинение при разрыве, % 130 51 56
Из данных таблиц 2 и 3 видно, что введение в состав битумного вяжущего АС при всех концентрациях РП значительно снижает пенетрацию при одновременном повышении теплостойкости вяжущих. Вероятно, подобное изменение свойств объясняется взаимодействием между
глицидиловыми группами АС и функциональными группами, имеющимися в частично деструктированном РП и битуме. В дальнейшем, для повышения пенетрации в состав вяжущего планируется вводить пластификатор. Максимальное удлинение при разрыве наблюдается при испытании образцов вяжущего с 5 масс. % РП, наибольшая прочность при растяжении и разрыве - у вяжущего, содержащего 10 масс. % РП. Однако, его индекс пенентрации не соответствует норме. Теплостойкость всех исследуемых составов существенно превышает теплостойкость битума БНД 60/90 и вяжущего Битрэк 60/90.
На основании представленных результатов исследований следует сделать вывод о том, что модификация битумно-резиновых вяжущих реакционноспособными соединениями является перспективным способом получения
высокопрочных и теплостойких материалов для дорожного строительства. Для повышения пенетрации вяжущих до требуемых значений необходимо вводить в состав вяжущего эластифицирующие добавки и/или снижать концентрацию АС.
Список литературы
1. Государственная программа Российской Федерации "Развитие транспортной системы". Утверждена постановлением правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 319. -162 с.
2. ГохманЛ.М. Битумы,полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон. Учебно-методическое пособие.- М.: "ЭКОН-ИНФОРМ", 2008. - 117 с.
3. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства: обзорная информация. -М.: СОЮЗДОРНИИ, 2002. Вып. 4. 48 с.
4. Руденский, А.В., Никонова О.Н. Резинобитумные вяжущие. Различные варианты технологии приготовления // Дороги и мосты: Сб. науч. трудов. - М.: РОСДОРНИИ, 2008. Вып. 19/1. -С. 215-223.
5. Федеральный закон "Об отходах производства и потребления" от 24.06.1998 № 89-ФЗ.
6. Официальный сайт компании «БИТРЭК» [Электронный ресурс] / URL: http://www.битрэк. рф (дата обращения 12.05.17).
