CC BY
23УДК 691.263/.166 + 665.775
Aleksey S. Ivkin1, Valentin V. Vasil'ev2, Elena V. Salamatova3, Vladislav P. Naumov4, Oleg A. Dubovikov5
THE INFLUENCE OF GRANITE MATERIAL PROCESSING BY MEANS OF ADHESION ADDITIVES ON BITUMEN ADHERENCE
St. Petersburg Mining University, 2, 21st Line, St. Peters-burg,199106, Russia. e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
The assessment of bttumen adhesion to grantte plates treated wtth aqueous solutions of adhesives was carried out. It was found that the surface treatment can improve the adhesion of bitumen with mineral materials. The tendencies of influence of temperature, duration of treatment and concentration of adhesives on adhesion are obtained. Received derivatograms some adhesives with the aim of substantiation of the results of evaluation of adhesion
Keywords: bitumen, adhesion, granite, surface treatment, polyethylene polyamine, «AMDOR», oleic acid, slaked lime.
Введение
Сцепление между битумом и каменным материалом является важным показателем, так как определяет прочность и долговечность асфальтового дорожного покрытия [1].
Термин сцепление введен в ГОСТ 11508-74 для оценки качества дорожных битумов. Сущность этого метода заключается в определении способности битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности каменного материала при воздействии кипящей воды. Чем больше битума остается на поверхности каменного материала после кипячения, тем выше сцепление и соответственно прочнее взаимодействие между битумом и каменным материалом [2, 3]. Помимо ГОСТ 11508-74 в России и за рубежом применяются другие методы оценки сцепления, которые основаны на воздействии воды на образцы битумомине-ральных материалов. Также существуют методы, осно-
А.С. Ивкин1, В.В. Васильев2, Е.В. Саламатова3, В.П. Наумов4, О.А. Дубовиков5
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ ГРАНИТНОГО МАТЕРИАЛА АДГЕЗИОННЫМИ ПРИСАДКАМИ НА ЕГО СЦЕПЛЕНИЕ С БИТУМОМ
Санкт-Петербургский горный университет,
ул. 21 линия, д. 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия
e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Проведена оценка сцепления битума БНД-50/70 с гранитными пластинами, обработанными водны/ми растворами адгезивов. Установлено, что поверхностная обработка позволяет улучшить сцепление битума с минеральны/ми материалами. Получены/ тенденции влияния температурь, продолжительности обработки и концентрации адгезивов на сцепление. Получены деривато-граммы некоторых адгезивов с целью обоснования полученных результатов оценки сцепления.
Ключевые слова: битум, сцепление, адгезия, гранит, поверхностная обработка, полиэтиленполиамин, «АМДОР», олеиновая кислота, гашеная известь.
ванные на разных механических воздействиях на образцы битумоминеральных материалов [4, 5].
Битум после оценки сцепления по методу ГОСТ 11508-74 может практически полностью отсутствовать на поверхности каменного материала, или, наоборот, полностью его покрывать. В наибольшей степени на сцепление оказывает влияние химический состав, шероховатость поверхности и пористость минерального материала, а в меньшей - качество битума [3, 4, 6-12,]. Основным способом обеспечения высокого сцепления при низком качестве материалов является введение в массу битума адгезионных добавок [3, 12].
В настоящее время в качестве адгезионных добавок к битумам наибольшее распространение получили алкилимидазолины и их производные, бисимида-золины и смеси этих веществ. К таким веществам относятся, например, добавки: «Сондор», «АМДОР» и
1. Ивкин Алексей Сергеевич, аспирант, каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Aleksey S. Ivkin, Postgraduate Student, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing
2. Васильев Валентин Всеволодович, д-р техн. наук, профессор, каф. химических технологий и переработки энергоносителей e-mail: vasvalvs@mail.ru
Valentin V. Vasil'ev, Dr Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing
3. Саламатова Елена Валентиновна, канд. техн. наук, доцент, каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: salelena@rambler.ru
Elena V. Salamatova, Ph.D (Eng.), Associate Professor, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing
4. Наумов Владислав Павлович, магистрант, каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: naumov.vp1995@yandex.ru
Vladislav P. Naumov, master student, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing, e-mail: naumov.vp1995@yandex.ru
5. Олег Александрович Дубовиков, д-р техн. наук, ст. науч. сотр., профессор каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: dubovikov_oa@mail.ru
Oleg A. Dubovikov, Dr Sci. (Eng.), Senior Researcher, Proftssor, Department of Chemical Technology and Processing of Utilities Дата поступления 27 ноября 2018 года
«Cecabase RT 945». В работе [13] эти добавки показали наилучшее сцепление с гранитным минеральным материалом при содержании в битуме ~ 1 % мас.
Известно, что адгезионные добавки типа АСД (смесь калиевых мыл или их кубовых остатков, воды и неомыляемых соединений) можно вводить как в массу битума, так и наносить на поверхность минерального материала [14]. Однако в литературе нет данных о том, какой из этих способов является более эффективным.
Целью настоящей работы является изучение влияние условий поверхностной обработки гранитного материала адгезионными присадками на его сцепление с битумом.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования были битум БНД-50/70, минеральный материал - гранит и различные адгезивы. Оценку сцепления между гранитными пластинами, обработанными водными растворами адгезивов, и битумом производили по усовершенствованной методике, которая подробно описана в [15]. Методика включает в себя следующие основные операции: изготовление пластин из минерального материала, очистку поверхности пластин, нанесение водных растворов адгезивов, сушку, нанесение битума, термостатирование пластин с битумом, кипячение пластин с битумом в воде, определение коэффициента сцепления.
Экспериментальная часть
Водные растворы полиэтиленполиамина (ПЭПА), Са(ОН)2, олеиновой кислоты, а также растворы, содержащие смеси этих компонентов в разном соотношении (таблица 1) были приготовлены с концентрацией 0,5 % мас. На поверхность гранитных пластин (35x25 мм) наносили по 1 мл указанных растворов, т.е. теоретически на 1 см2 поверхности пластин приходилось примерно по 0,0006 г адгезива (в пересчете на основное вещество), термостатировали пластины с растворами при 150 °С в течение 45 мин и действовали далее в соответствии с методикой [15].
Таблица 1. Сцепление гранитных пластин*, обработанных вод-
ными растворами адгезивов, с битумом
№ опыта Адгезив Сцепление % Расход ад-гезива в расчете на 1 см2 поверхности пластины, г Температура Термоста-тирования,°С Время термо-ста-тиро-вания, мин
1 Без обработки 43 - - -
2 ПЭПА 74 0,0006 150 45
3 Олеиновая к-та 54 0,0006 150 45
4 Са(ОН)м 60 0,0006 150 45
5 Олеиновая к-та: Са(ОН)м = 4:1 50 0,0006 150 45
6 Олеиновая к-та : ПЭПА=4:3 80 0,0006 150 45
7 Олеиновая к-та : Са(ОН)м: ПЭПА = 4:1:3 73 0,0006 150 45
8 Олеиновая к-та: ПЭПА=4:3 93 0,0006 200 60
Примечание *Минеральный материал - гранит (образец № 3)
По данным опытов (таблица 1) коэффициент сцепления у пластин без обработки составил 43 %
(опыт 1). Сцепление у пластин, обработанных растворами, содержащими ПЭПА, составило ~ 80 % (опыт 2). Растворы, содержащие Са(ОН)2 и олеиновую кислоту, обеспечили сцепление ~ 60 % (опыт 5).
Для каждого раствора адгезива оценку сцепления проводили на трех гранитных пластинах, так как сцепление рассчитывается как среднее арифметическое трех параллельных измерений.
Необходимо отметить, что в ходе термостатиро-вания этих пластин при 150 °С после нанесения битума наблюдалось отслаивание битума с некоторых участков. Отслаивания не наблюдалось только для пластин, обработанных Са(ОН)2 и пластин без обработки (опыты 1 и 4). Было сделано предположение, что это происходит из-за действия влаги, которая не полностью удалилась с поверхности каменного материала в ходе сушки. Возможно, что эта влага удерживалась за счет действия адгезивов.
Для проверки этого предположения был проведен аналогичный эксперимент на пластинах, обработанных раствором, содержащим смесь ПЭПА и олеиновой кислоты (опыт 8). Отличие заключалось в том, что сушка пластин с растворами проводилась при температуре 200 °С в течение 60 мин. В этом случае отслаивания битума в ходе термостатирования практически не наблюдалось, а сцепление возросло до 93 %.
Далее были проведены эксперименты с целью установления закономерности влияния температуры, продолжительности термостатирования и расхода адге-зивов на сцепление гранита с битумом (рисунки 1-3, таблицы 2-4).
Для этого были приготовлены растворы ПЭПА в воде, ПЭПА в толуоле и «АМДОР» в воде концентрацией 0,005 % мас. Такие концентрации растворов были выбраны в соответствии с расходом коммерческих адгезионных добавок в расчете на 1 см2 поверхности каменного материала при производстве асфальтобетонных смесей. Например, рекомендуемый расход для добавки «АМДОР» составляет от 0,15 до 0,5 % от массы битума. То есть при нанесении битума, содержащего 0,3 % мас. добавки «АМДОР», в количестве 0,025 г (согласно ГОСТ 11508-74) на поверхность гранитной пластины 35x25 мм на 1 см2 поверхности этой пластины будет приходиться ~ 0,00001 г добавки. Примерно такое же количество адгезивов по расчетам должно оставаться на поверхности пластин при поверхностной обработке после сушки.
Коэффициент сцепления гранитных пластин с битумом, содержащим 0,3 % мас. добавки «АМДОР», составляет ~ 93 %.
Раствор ПЭПА в толуоле был использован для проверки предположения о том, что органический растворитель будет вытеснять влагу с поверхности минерального материала и тем самым увеличивать площадь контакта с адгезионной добавкой, улучшая сцепление.
Таблица 2. Сцепление БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов, при разном времени __термостатирования, %
Адгезив Время, мин*
5 15 30 60
ПЭПА в толуоле 54 48 48 37
ПЭПА в воде 60 64 43 39
«АМДОР» в воде 41 61 70 74
Примечание: Термостатирование проводилось при 200 °С, расход адгезива составлял 0,000006 г/смм
80 70 60 50 40 30 20 10
Сцепление, % --- i
• • -____
• --------------
10
60
20 30 40 50 Время термостатирования, мин
• ПЭПА в толуоле • ПЭПА в воде • АМДОР в воде
Рисунок 1. Влияние времени термостатирования на сцепление БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов
Таблица 3. Сцепление БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов, при разном расходе адгезивов, %
Расход адгезива, г/см2*
Адгезив 0,000001 0,000003 0,000006 0,00001
ПЭПА в толуоле 46 50 54 44
ПЭПА в воде 52 45 60 53
«АМДОР» в воде 25 36 49 63
Примечание:* Термостатирование проводилось в течение 5 мин при 200 ° С
70 60 50 40 30 20 10
Сцепление . %
J 1 _« »
•_ i >
• • ^ < >
0,000002 0,000004 0,000006 0,000008 0,00001
Расход адгезива, г/см2 • ПЭПА в толуоле • ПЭПА в воде • АМДОР в воде
Рисунок 2. Зависимость сцепления БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов, от расхода адгезивов
Таблица 4. Сцепление БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов, при разной температуре термо-
Адгезив Температура, °С*
140 160 180 200
ПЭПА в толуоле 66 60 60 48
ПЭПА в воде 67 55 48 43
«АМДОР» в воде 19 41 52 70
Примечание: Термостатирование проводилось в течение 30 мин, расход адгезива составлял 0,000006 г/см2
145 155 165 175 185 195 Температура термостатирования, °С
• ПЭПА в толуоле • ПЭПА в воде • АМДОР в воде Рисунок 3. Влияние температуры термостатирования на сцепление БНД-50/70 с гранитом, обработанным водными растворами адгезивов
По данным таблиц 2-4 и рисунков 1-3 видно, что для растворов ПЭПА в воде и ПЭПА в толуоле наблюдаются одинаковые тенденции. То есть использование органического растворителя не позволяет добиться улучшения сцепления.
Для растворов ПЭПА и «АМДОР» получены разнонаправленные тенденции. Для «АМДОР» увеличение концентрации адгезива, времени и температуры термостатирования положительно сказывается на сцеплении. Для ПЭПА увеличение температуры и продолжительности термостатирования отрицательно сказывается на сцеплении. Увеличение концентрации адгезива в исследуемом интервале практически не влияет на сцепление.
Для получения сведений о химических и физических процессах, которые могут происходить при нагревании ПЭПА и «АМДОР» была проведена термогравиметрия этих веществ на воздухе (рисунки 4, 5).
Temperatura ГС)
Рисунок 4. Дериватограмма ПЭПА
~¡¡r
Tempera! иге (*С)
Рисунок 5. Дериватограмма «АМДОР»
По рисункам 4 и 5 видно, что при достижении температуры ~ 200 °С и ПЭПА, и «АМДОР» теряют по массе ~ 60 % в основном за счет испарения летучих компонентов. Однако для ПЭПА уменьшение массы сопровождается термическим разложением и окислением, которое начинается при 150 °С и заканчивается примерно при 220 °С. Об этом свидетельствует первый экзотермический максимум (рисунок 4). Второй экзотермический максимум (при 419 оС) свидетельствует о самовозгорании летучих компонентов, а третий максимум можно отнести к процессу полного сгорания пробы и образованию зольного остатка.
Термическое разложение «АМДОР», наблюдается при температуре выше 200 °С. На дериватограмме присадки «АМДОР» отсутствуют явные экзотермические максимумы. Важно отметить, что резкие изменения интенсивности теплового потока при 150 и 450 °С для ПЭПА и «АМДОР» связаны с тем, что со 150 до 450 °С нагрев образцов осуществлялся со скоростью 2 град/мин, а за границами этого интервала со скоростью 10 град/мин. То есть, процесс термического разложения на воздухе присадки «АМДОР» состоит из двух стадий: сначала наблюдается испарение летучих компонентов, а затем происходит постепенное закоксовывание остатка.
Выводы
1. Показано, что обработка поверхности гранитного материала водными растворами адгезионных добавок позволяет существенно улучшить сцепление гранита с битумом.
2. При увеличении продолжительности термо-статирования образцов с нанесенными водными растворами адгезивов с 5 до 60 мин (термостатирование при 200 °С, расход адгезива 0,000006 г/см2) сцепление возрастает с 41 до 74 % для «АМДОР» и понижается с 60 до 39 % для ПЭПА.
3. При увеличении температуры термостатиро-вания образцов с нанесенными водными растворами ад-гезивов со 140 до 200 °С (термостатирование в течение 30 мин, расход адгезива 0,000006 г/см2) сцепление возрастает с 19 до 70 % для «АМДОР» и понижается с 67 до 43 % для ПЭПА.
4. При увеличении расхода адгезивов в расчете на 1 см2 минерального материала поверхности с 0,000001 г/см2 до 0,00001 г/см2 (термостатирование в течение 5 мин при 200 °С) сцепление возрастает с 25 до 63 % для «АМДОР» и остается на уровне 52 % для ПЭПА.
5. Методом дериватографии в атмосфере воздуха установлено, что как ПЭПА, так и «АМДОР» подвергаются термическому разложению. Начиная со 150 °С до 200 °С происходит постепенное испарение, окисление и термическое разложение присадок (потеря массы до 60 %).
ПЭПА начиная с 200 °С интенсивно окисляется, затем полностью сгорает до образования зольного остатка.
«АМДОР» при температуре выше 200 °С постепенно термически разлагается, превращаясь в коксовый остаток.
Ввиду термической нестабильности описанных адгезионных присадок желательно в процессе производства асфальтобетонных смесей не нагревать асфальт выше 180 °С.
Литература
1. Грушко И.М., Королёв И. В. Дорожно-строительные материалы. М.: Транспорт, 1991. 357 с.
2. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: Наука и Технологии: М.: Мир, 1991. 484 с.
3. Худякова Т С., Розенталь Д. А., Машкова И. А. Адгезионные свойства нефтяных битумов и способы их корректировки / Обзорная информация. Серия: Переработка нефти. Вып. № 3. М.:, ЦНИИТЭнефтехим, 1991 с. 19 с.
4. Zhang J,, Apeagyei A. K, Airey G. D, Gren-fellJ. R. A. Influence of aggregate mineralogical composition on water resistance of aggregate-bitumen adhesion // Int. J. Adhes. and Adhes. 2015. Т. 62. С. 45-54.
5. Соломенцев А. Б., Бухтияров С. В. Сравнительная оценка методов определения сцепления дорожного битума с адгезионными добавками с поверхностью минерального материала // Строительные материалы и технологии. 2014. № 1 (51). С. 85-91.
6. Cui S, Blackman B. R. K, Kinloch A. J, Taylor A. C. Durability of asphalt mixtures: Effect of aggregate type and adhesion promoters // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2014. № 54. С. 100-111.
7. Gao Y, Zhang Y, Gu F, Xu T, Wang H. Impact of minerals and water on bitumen-mineral adhesion and debonding behaviours using molecular dynamics simulations // Construction and Building Materials. 2018. Т. 171. С. 214222.
8. Xie J., Wu S, Pang L, Lin J., Zhu Z. Influence of surface treated fly ash with coupling agent on asphalt mixture moisture damage // Construction and Building Materials. 2012. № 30. С. 340-346.
9. Horgnies M, Darque-Ceretti E, Feza i H, Felder E. Influence of the interfacial composition on the adhesion between aggregates and bitumen: Investigations by EDX, XPS and peel tests // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2015. № 62. С. 238-247.
10. Fischer H. R, Dillingh E. C, Hermse C.G.M. On the interfacial interaction between bituminous binders and mineral surfaces as present in asphalt mixtures // Applied Surface Science. 2013. № 265. С. 495-499.
11. Airey G. D, Collop A. C, Zoorob S. E, E-iiottR. C. The influence of aggregate, filler and bitumen on asphalt mixture moisture damage // Construction and Building Materials. 2008. № 22. С. 2015-2024.
12. Ковалев Я. Н. Межфазные контакты в биту-моминеральных системах и их усиление // Наука и техника. 2014. №. 5.
13. Соломенцев А. Б. Адгезионные добавки для дорожных битумов и асфальтобетонов и оценка их эффективности // Дороги. 2013. Т. 69. С. 80-83.
14. Методические рекомендации по применению адгезионных добавок типа АСД для повышения водо- и морозостойкости дорожных асфальтобетонных покрытий. М.: Союздорнии, 1991. 12 с.
15. Васильев В. В., Ивкин А. С., Саламатова Е В., Майданова Н. В. ^вершенствование методов определения сцепления битума с минеральными материалами // Известия СПбГТИ (ТУ). 2018. № 42. С. 58-61.
References
1. Grushko I.M, KoroijovIV. Dorozhno-stroitel'nye materialy. M.: Transport, 1991. 357 c.
2. Kinlok Je. Adgezija i adgezivy: Nauka i Tehnologii: M.: Mir, 1991. 484 s.
3. Hudjakova T.S., Rozental' D.A., Mashkova I.A. Adgezionnye svojstva neftjanyh bitumov i sposoby ih korrek-tirovki / Obzornaja informacija. Serija: Pererabotka nefti. Vyp. № 3. M.:, CNIITJeneftehim, 1991 s. 19 s.
4. Zhang J,, Apeagyei A.K., Airey G.D., Grenfell J.R. A. Influence of aggregate mineralogical composition on water resistance of aggregate-bitumen adhesion // Int. J. Adhes. and Adhes. 2015. T. 62. S. 45-54.
5. Solomencev A.B, Buhtijarov S.V. Sravnitel'naja ocenka metodov opredelenija sceplenija dorozhnogo bituma s adgezionnymi dobavkami s poverhnost'ju mineral'nogo materiala // Stroitel'nye materialy i tehnologii. 2014. № 1 (51). S. 85-91.
6. CuiS, Blackman B.R.K, Kinloch A.J., Taylor A.C. Durability of asphalt mixtures: Effect of aggregate type and adhesion promoters // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2014. № 54. S. 100-111.
7. Gao Y, Zhang Y, Gu F, Xu T, Wang H. Impact of minerals and water on bitumen-mineral adhesion and debonding behaviours using molecular dynamics simulations // Construction and Building Materials. 2018. T. 171. S. 214222.
8. Xie J, Wu S, Pang L, Lin J., Zhu Z Influence of surface treated fly ash with coupling agent on asphalt mixture moisture damage // Construction and Building Materials. 2012. № 30. S. 340-346.
9. Horgnies M, Darque-Ceretti E, Fezai H, Felder E Influence of the interfacial composition on the adhesion between aggregates and bitumen: Investigations by EDX,
XPS and peel tests // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2015. № 62. S. 238-247.
10. Fischer H. R, Dillingh E C, Hermse C.G.M. On the interfacial interaction between bituminous binders and mineral surfaces as present in asphalt mixtures // Applied Surface Science. 2013. № 265. S. 495-499.
11. Airey G.D, Collop A.C, Zoorob S.E, Elliott R.C. The influence of aggregate, filler and bitumen on asphalt mixture moisture damage // Construction and Building Materials. 2008. № 22. S. 2015-2024.
12. Kovalev Ja.N. Mezhfaznye kontakty v bi-tumomineral'nyh sistemah i ih usilenie // Nauka i tehnika. 2014. №. 5.
13. Solomencev A.B. Adgezionnye dobavki dlja dorozhnyh bitumov i asfal'tobetonov i ocenka ih jeffektivnosti // Dorogi. 2013. T. 69. S. 80-83.
14. Metodicheskie rekomendacii po primeneniju adgezionnyh dobavok tipa ASD dlja povyshenija vodo- i mo-rozostojkosti dorozhnyh asfal'tobetonnyh pokrytij. M.: Sojuzdornii, 1991. 12 s.
15. Vasil'ev V.V, Ivkin A.S, Salamatova EV, Maj-danova N. V. Covershenstvovanie metodov opredelenija sceplenija bituma s mineral'nymi materialami // Izvestia SPbGTI (TU). 2018. № 42. S. 58-61.
