CC BY
8
Влияние поверхностно-активных веществ на низкотемпературные свойства дорожного битума
Н.С. Миронов, С.А.Чернов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: Рассматривается влияние поверхностно-активных веществ, в частности, адгезионных и восстанавливающих добавок, на низкотемпературные и реологические свойства дорожного битума. Произведены испытания низкотемпературных свойств дорожного битума с и без применения соответствующих добавок с последующим сравнением результатов. Также с целью оценки влияния вышеуказанных поверхностно-активных веществ на способность дорожного битума сохранять свои свойства, с течением времени был проведён сравнительный анализ образцов битума, подвергнутых процессу старения. В целом, результаты этого исследования свидетельствуют о том, что применение поверхностно-активных веществ может привести к повышению долговечности дорожных битумов, даже при низких температурах.
Ключевые слова: битум, поверхностно-активное вещество, добавка, низкотемпературное свойство, долговечность, автомобильная дорога, асфальтобетон, реология, процесс старения, испытание.
Качество и долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог зависит от многих факторов, в том числе, и от качества применяемых исходных дорожно-строительных материалов. Одним из важных компонентов асфальтобетонной смеси является битум.
К сожалению, качество битума в большинстве случаев не позволяет обеспечить требуемые эксплуатационные показатели асфальтобетона с учётом климатических условий его применения [1]. Одним из основных недостатков остаточных битумов являются их низкотемпературные свойства. Их несоответствие климатическим условиям эксплуатации могут привести к появлению низкотемпературных трещин и снижению упругости слоёв дорожного покрытия [2].
Одним из способов улучшения низкотемпературных свойств дорожных битумов является добавление поверхностно-активных веществ, которые широко применяются при решении различных задач: адгезионные и восстанавливающие добавки, латексы, и т.д.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2023/8258
Основной целью применения поверхностно-активных веществ при приготовлении асфальтобетонных смесей является их влияние на реологические свойств битума. Изменяя реологию дорожных битумов, поверхностно-активные вещества могут улучшить его низкотемпературные свойства и поддерживать требуемую вязкость при низких температурах, и тем самым обеспечить продление строительного сезона без потери качества.
Положительное воздействие поверхностно-активных веществ на битум обусловлено их способностью проникать в битумную матрицу и образовывать сеть межмолекулярных взаимодействий, которая улучшает его свойства [3].
С целью оценки влияния различных добавок на низкотемпературные свойства битума были выполнены экспериментальные исследования, результаты которого представлены в статье ниже.
Для анализа были выбраны следующие добавки:
- адгезионная добавка АМДОР-10;
- адгезионная добавка ДАД-1 марки А;
- восстанавливающая добавка АМДОР-ВД марки Б;
- восстанавливающая добавка Ревобит.
Технические характеристики применяемых адгезионных добавок [4, 5] представлены в таблице 1.
Таблица № 1
Технические характеристики АМДОР-10 и ДАД-1 марки А
Наименование добавки АМД0Р-10 ДАД-1 марки А
1 2 3
Вязкая жидкость Вязко-текучая
от светло- жидкость от
Внешний вид, цвет коричневого до светло-жёлтого
темно- до темно-
коричневого коричневого
цвета цвета
Массовая доля воды, %, не более 2 0,5
Продолжение таблицы 1
1 2 3
Сцепление вяжущего с минеральной частью смеси по ГОСТ Р 58406.2, баллов, не менее 4 4
Дозировка от массы вяжущего, % 0,15-0,5 0,4-0,8
Технические характеристики применяемых восстанавливающих
добавок [6, 7] представлены в таблице 2.
Таблица № 2
Технические характеристики АМДОР-ВД марки Б и Ревобит
Наименование добавки АМДОР-ВД марки Б Ревобит
Вязкая
жидкость от
светло- Жидкость от
Внешний вид, цвет коричневого до жёлтого до
темно- коричневого
коричневого цвета
цвета
Сцепление вяжущего с минеральной частью смеси по ГОСТ Р 58406.2, баллов, 4 4
не менее
"5 Плотность при 20 °С, г/см от 0,930 до 0,990 0,920-0,950
от 4 до 6 % от
определяется массы битума
Дозировка, % от массы вяжущего в количеством в грануляте
грануляте старого асфальтобетона используемого ФАБ старого асфальтобетона
Выбор данных добавок основан на таких критериях, как их
доступность, экономическая эффективность и совместимость с вяжущим.
Для проведения испытаний была выбрана марка дорожного битума БНД 70/100 (согласно ГОСТ 33133-2014). Данная марка была выбрана в силу её широкого применения в дорожном строительстве на территории Российской Федерации. Благодаря тому, что марка БНД 70/100 может
применяться в нескольких дорожно-климатических зонах, результаты испытаний могут быть использованы для принятия обоснованных решений об эффективности влияния поверхностно-активных веществ и их большему применению в дорожном строительстве.
Для определения влияния поверхностно-активных веществ на свойства битума пробы с и без добавок были подвергнуты следующим испытаниям:
- определение глубины проникания иглы (пенетрация при 0°С) - ГОСТ 33136-2014;
- определение температуры хрупкости по Фраасу - ГОСТ 33143-2014;
- определение комплексного модуля сдвига и фазового угла на приборе ОБЯ - ГОСТ 58400.10-2019;
- определение температуры растрескивания при помощи устройства АВСБ - ГОСТ 58400.11 -2019.
Определение пенетрации дорожного битума при 0°С является стандартным методом испытаний, который используется для оценки вязкости вяжущего при низких температурах. Измерение температуры хрупкости позволяет определить отрицательную температуру, при которой образец битума трескается или разрушается.
Одними из относительно новых методов испытаний вяжущих являются испытания на приборах ОБЯ и АВСБ. Устройство DSR измеряет механические свойства вяжущего при контролируемом напряжении сдвига и температурных условиях, предоставляя ценную информацию о его вязкоупругом поведении и низкотемпературных характеристиках [8]. В свою очередь, методика испытаний с применением прибора АВСЭ позволяет определить потенциал низкотемпературного растрескивания битумного вяжущего [9].
Для каждого испытания было подготовлено несколько проб битума с применением оптимального количества поверхностно-активных веществ.
Кроме этого, были проведены испытания применяемого битума марки БНД 70/100.
Стоит также отметить, что сравнение результатов проводилось по типу добавок, так как сопоставление результатов адгезионных и восстанавливающих добавок было бы не совсем точным и корректным. Причиной этому служит то, что эффект воздействия восстанавливающей добавки проверяется на заранее состаренном битуме, чтобы оценить, насколько его свойства вернулись к первоначальным показателям.
Адгезионные же добавки, как правило, вводятся в полностью новый битум, поэтому сопоставлять полученные результаты низкотемпературных свойств с применением различных добавок будет некорректным в силу различия исходных данных.
Как правило, старение битума осуществляется по совокупности двух методов: КТБОТ + РАУ [10] (таблица 3). Первый моделирует изменения, происходящие с битумом во время производства, транспортировки и укладки асфальтобетонной смеси, а второй моделирует изменения, происходящие с ним в составе асфальтобетона в процессе эксплуатации.
Таблица № 3
Сравнение методов состаривания битума
Наименование показателя БНД 70/100 (до состари-вания) БНД 70/100 после 2хЯТБОТ БНД 70/100 после ЯТБОТ + РАУ
Глубина проникания иглы при 25°С, 0,1мм 67 38 36
Динамическая вязкость при 60°С, Пас 470 4120 2700
Растяжимость при 25°С, см 155 22,50 12
Температура размягчения, °С 52,31 63,12 67,74
Результаты испытаний дорожного битума марки БНД 70/100, часть образцов которого была изготовлена с добавлением адгезионных добавок,
другая часть - с восстанавливающими добавками, представлены в таблицах 4 и 5.
Таблица № 4
Результаты испытаний с различными адгезионными добавками
Требова ния БНД 70/100 без добавок БНД 70/100 БНД 70/100 +
Наименование показателя ГОСТ + 0,35% 0,60%
331332014 АМДОР-10 ДАД-1 марки А
Глубина проникания иглы, при 0°С, 0,1 мм, не менее 21 23 25 24
Температура хрупкости после старения, °С, не выше -15 -18 -20 -19
Угол фазового сдвига, ° (DSR) при -10°С - 21,2 23,4 22,6
Температура растрескивания образцов, ^ (ABCD) - -19,5 -23,4 -21,6
Габлица № 5
Результаты испытаний с различными восстанавливающими добавками
Наименование показателя Требова ния ГОСТ 331332014 БНД 70/100 после 2хRTFO БНД 70/100 после 2хRTFOT + 5% БНД 70/100 после 2хRTFOT
T без добавок АМДОР-ВД марки Б + 5% Ревобит
Глубина проникания иглы, при 0°С, 0,1 мм, не менее 21 14 23 22
Температура хрупкости после старения, °С, не выше -15 -10 -19 -18
Угол фазового сдвига, ° (DSR) при -10°С - 21,2 29,8 27,5
Температура растрескивания образцов, ^ (ABCD) - -11,5 -23,1 -21,3
и
После проведения испытаний на низкотемпературные свойства образцы битумов были подвергнуты старению по методу 2хRTFOT для оценки влияния поверхностно-активных веществ на реологические свойства битумов. Результаты этого сравнительного анализа позволили получить информацию о том, как различные поверхностно-активные вещества влияют на старение и состояние дорожного битума.
Сравнительный анализ результатов позволил установить, что восстанавливающие и адгезионные поверхностно-активные вещества позволили замедлить процесс старения дорожного битума, т.е. их применение положительно сказалось на его реологических свойствах.
Сдерживание процесса старения определялось на основании индекса старения битума:
где: Ис - индекс старения;
Вс - вязкость состаренного битума после 2хRTFOT (таблица 6);
Вп - вязкость первичного битума (таблица 6).
Таблица № 6
Сравнительные результаты определения вязкости битума до и после старения
по методу 2хRTFOT
Наименование показателя БНД 70/100 без добавок БНД 70/100 + 5% АМДОР-ВД марки Б БНД 70/100 + 5% Ревобит БНД 70/100 + 0,35% АМДОР -10 БНД 70/100 + 0,60% ДАД-1 марки А
1 2 3 4 5 6
Глубина проникания иглы, при 0°С, 0,1 мм, не менее 23 23 22 25 24
М Инженерный вестник Дона, №3 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2023/8258
Продолжение ^ таблицы 6
1 2 3 4 5 6
После 2хRTFOT
Глубина проникания иглы, при 0°С, 0,1, не менее 14 19,50 17 17,50 16
Индекс старения 0,61 0,85 0,77 0,70 0,67
Индекс старения дорожного битума (рисунок 1) - это показатель того, как свойства битума изменяются с течением времени, особенно под влиянием факторов окружающей среды, таких, как температура, влажность и воздействие ультрафиолета.
Индекс старения вяжущего БНД 70/100
ill I
■ БНД 70/100 "БНД 70/100 +0,35% АМДОР-ВД марки Б
■ БНД 70/100 + Ревобит БНД70/100 +5%АМДОР-Ю
■ БНД 70/100 + 0,60% ДАД-1 марш А
Рис. 1. - Индекс старения вяжущего БНД70/100.
Основываясь на индексе старения, можно сделать вывод, что добавление восстанавливающих ПАВ к дорожному битуму оказывает положительное влияние на долговечность и эксплуатационные характеристики вяжущего за счёт замедления процессов старения.
В частности, установлено, что использование рассматриваемых адгезионных ПАВ улучшает низкотемпературные свойства вяжущего, замедляя процесс старения и повышая его адгезию к каменному материалу, используемому в дорожном строительстве. Улучшенное сцепление помогает
0,9 0,8 0,7 0;б 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О
сохранять структурную целостность дороги с течением времени, даже в суровых погодных условиях, и может продлить срок службы дороги.
Применение рассматриваемых поверхностно-активных веществ смягчает негативное воздействие процесса старения на физико-механические характеристики дорожного битума в условиях низких температур. Введение в битум данных веществ повышает показатели его низкотемпературных свойств, что позволяет сделать вывод о том, что стойкость битумов к образованию низкотемпературных трещин повышается. Это очень положительный результат, поскольку помогает поддерживать структурную целостность слоёв асфальтобетона даже в суровых погодных условиях и продлить срок их службы.
Однако важно соблюдать осторожность при добавлении поверхностно-активных веществ в дорожный битум. Это связано с тем, что различные ПАВ имеют свой собственный уникальный химический состав и могут оказывать различное воздействие на разные марки дорожных битумов. Качество взаимодействия модифицированного битума с каменным материалом в асфальтобетонных смесях также является критическим фактором, поскольку он может оказать значительное влияние на физико-механические характеристики асфальтобетона.
Другими словами, выбор поверхностно-активного вещества и способ его добавления в битум должны быть тщательно продуманы, чтобы гарантировать достижение желаемого результата. Это требует всестороннего понимания химического состава поверхностно-активного вещества, свойств битума и взаимодействия между модифицированным битумом и каменным материалом.
Литература
1. Халиулина Лилия Эльверовна Долговечность асфальтобетонных покрытий // Научный журнал. 2018. №6 (29). URL: cyberleninka.ru/article/n/ dolgovechnost-asfaltobetonnyh-pokrytiy (дата обращения: 15.01.2023).
2. Телтаев Б.Б., Измаилова Г.Г., Амирбаев Е.Д. Низкотемпературные характеристики битумополимерных вяжущих при циклических замораживаниях и оттаиваниях // Вестник ХНАДУ. 2017. №79. URL: cyberleninka.ru/article/n/nizkotemperatumye-harakteristiki-bitumopolimernyh-vyazhuschih-pri-tsiklicheskih-zamorazhivaniyah-i-ottaivaniyah (дата обращения: 15.01.2023).
3. Годжаев Э.М., Мамедов Э.А., Мусаев Т.П., Алиева А.Ш. Влияние полимеров и поверхностно-активных веществ на свойства вязких дорожных битумов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2017. №9-1. URL: cyberleninka.ru/ article/n/vliyanie-poHmerov-i-poverhnostno-aktivnyh-veschestv-na-svoystva-vyazkih-dorozhnyh-bitumov (дата обращения: 17.01.2023).
4. Добавка адгезионная дорожная «АМД0Р-10» URL: amdor.ru/ produkciya/adgezionnye-dobavki/dobavka-adgezionnaya-dorozhnaya-amdor-10/ (дата обращения: 19.01.2023).
5. Адгезионные добавки амфотерного типа «ДАД-1» URL: npfselena.ru/ additions/adhesive-additivies/amphoteric_type_dad-1/ (дата обращения: 19.01.2023).
6. Восстанавливающие добавки «АМДОР-ВД» URL: amdor.ru/produkciya/ vosstanavlivayuwie-dobavki-amdor-vd/vosstanavlivayuwie-dobavki-amdor-vd/ (дата обращения: 19.01.2023).
7. Для восстановления свойств асфальтогранулята (RAP) «Ревобит» URL: npfselena.ru/additions/to-restore-aged-bitumen/ (дата обращения: 20.01.2023).
8. Хамад Р.А. Технические требования и методы испытания битумных вяжущих по программе SHRP // Вестник ХНАДУ. 2017. №79. URL: cyberleninka.ru/article/n/tehnicheskie-trebovaniya-i-metody-ispytaniya-bitumnyh-vyazhuschih-po-programme-shrp (дата обращения: 17.01.2023).
9. Небратенко Д.Ю. ABCD - метод оценки низкотемпературного поведения дорожных вяжущих // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2022. №1 (39). URL: cyberleninka.ru/article/n/abcd-metod-otsenki-nizkotemperaturnogo-povedeniya-dorozhnyh-vyazhuschih (дата обращения: 17.01.2023).
10. Рыбачук Никита Андреевич Старение битумного вяжущего // Вестник ИрГТУ. 2015. №2 (97). URL: cyberleninka.ru/article/n/starenie-bitumnogo-vyazhuschego (дата обращения: 17.01.2023).
References
1. Haliulina Lilija Jel'verovna Nauchnyj zhurnal. 2018. №6 (29). URL: cyberleninka.ru/article/n/dolgovechnost-asfaltobetonnyh-pokrytiy (date accessed: 15.01.2023).
2. Teltaev B.B., Izmailova G.G., Amirbaev E.D. Vestnik HNADU. 2017. №79. URL: cyberleninka.ru/article/n/nizkotemperaturnye-harakteristiki-bitumopolimernyh-vyazhuschih-pri-tsiklicheskih-zamorazhivaniyah-i-ottaivaniyah (date accessed: 15.01.2023).
3. Godzhaev Je.M., Mamedov Je.A., Musaev T.P., Alieva A.Sh. Aktual'nye problemy gumanitarnyh i estestvennyh nauk. 2017. №9-1. URL: cyberleninka.ru/ article/n/vliyanie-polimerov-i-poverhnostno-aktivnyh-veschestv-na-svoystva-vyazkih-dorozhnyh-bitumov (date accessed: 17.01.2023).
4. Dobavka adgezionnaja dorozhnaja «AMD0R-10» [Road adhesive additive «AMD0R-10»] URL: amdor.ru/produkciya/adgezionnye-dobavki/dobavka-adgezionnaya-dorozhnaya-amdor-10/ (date accessed: 19.01.2023).
М Инженерный вестник Дона, №3 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2023/8258
5. Adgezionnye dobavki amfoternogo tipa «DAD-1» [Adhesive additives of the amphoteric type «DAD-1»] URL: npfselena.ru/additions/adhesive-additivies/ amphoteric_type_dad-1/ (date accessed: 19.01.2023).
6. Vosstanavlivajushhie dobavki «AMDOR-VD» [Restoring additivies «AMDOR-VD»] URL: amdor.ru/produkciya/vosstanavlivayuwie-dobavki-amdor-vd/vosstanavlivayuwie-dobavki-amdor-vd/ (date accessed: 19.01.2023).
7. Dlja vosstanovlenija svojstv asfal'togranuljata (RAP) «Revobit» [To restore the properties of asphalt granulate (RAP) «Revobit»] URL: npfselena.ru/ additions/to-restore-aged-bitumen/ (date accessed: 20.01.2023).
8. Hamad R.A. Vestnik HNADU. 2017. №79. URL: cyberleninka.ru/article/n/ tehnicheskie-trebovaniya-i-metody-ispytaniya-bitumnyh-vyazhuschih-po-programme-shrp (date accessed: 17.01.2023).
9. Nebratenko D.Ju Inzhenerno-stroitel'nyj vestnik Prikaspija. 2022. №1 (39). URL: cyberleninka.ru/article/n/abcd-metod-otsenki-nizkotemperaturnogo-povedeniya-dorozhnyh-vyazhuschih (date accessed: 17.01.2023).
10. Rybachuk Nikita Andreevich Vestnik IrGTU. 2015. №2 (97). URL: cyberleninka.ru/article/n/starenie-bitumnogo-vyazhuschego (date accessed: 17.01.2023).
