Белгород, Белгородская область, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
В данной работе произведена оценка влияния различных пластификаторов на показатели свойств битума, определено необходимое их количество для разжижения вяжущего. Проведен анализ качественных характеристик образцов полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), приготовленных с использованием различных пластификаторов и полимеров. Установлено влияние пластификатора на склонность к старению и расслаиванию ПБВ.
полимерно-битумные вяжущие, пластификатор, старение, расслоение
Введение. Времена, когда дорожная отрасль была отстающим звеном в экономической цепочке страны остались, к счастью, позади. Сегодня – это динамично и интенсивно прогрессирующий производственный сегмент РФ, который с каждым годом набирает обороты и темпы развития. Увеличивается протяженность дорог с твердым покрытием, появляются новые технологии и материалы, ужесточаются требования к качеству и долговечности автомобильных дорог.
В свете этого, все чаще в проектную документацию на строительство и реконструкцию автомобильных дорог включаются полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), для устройства покрытий из полимерасфальтобетонных смесей. Это связано с тем, что использование этого вяжущего позволяет уменьшить возникновение пластических деформаций и тем самым продлить срок службы покрытия [1–2]. Актуальность и востребованность данного вида вяжущего на дорожно-строительном рынке РФ активизировали многочисленные исследования в этом направлении [1–6].
Безусловно, что наиболее целесообразно и эффективно для приготовления ПБВ применять битумы с пенетрацией 130–200 и 200–300 мм-1, в этом случае не требуется пластификация, но это, к сожалению, не всегда возможно. И связано это не только с несовершенством битумов, производимых российскими нефтеперерабатывающими заводами (НПЗ). Есть золотое правило торговли, в соответствии с которым, «клиент – всегда прав!». А вот выполнить пожелания заказчика, варьируя исключительно соотношением битум/полимер, бывает невозможно. И, в этом случае, для достижения качественных показателей модифицированного вяжущего необходимым условием становится использование пластификатора.
При этом, любой дополнительный компонент в составе ПБВ это не только удорожание продукции, но и нарушение «хрупкого» равновесия в системе «битум-полимер», поэтому к выбору пластификатора надо подходить здравомысляще и аккуратно.
Основная часть. В работе, для постановки эксперимента был использован битум БНДУ 60 ОАО «Лукойл-Нижегороднефтеоргсинтез», показатели свойств, которого представлены в табл. 1, и полимеры: Кратон D 1101 и отечественный аналог SBS L 30-
Таблица 1
Физико-механические показатели битума БНДУ 60/90
|
Наименование показателей |
СТО АВТОДОР 2.1-2011 |
Фактические результаты |
Методы испытаний |
|
|
Глубина проникания иглы 0,1 мм, при 25 ºС при 0 ºС |
>51–70 >13 |
64 23 |
ГОСТ 11501
|
|
|
Растяжимость, см, при 25 ºС при 0 ºС |
>70 Не нормируется Определение обязательно |
100 2,4 |
ГОСТ 11505 ГОСТ 11505
|
|
|
Температура размягчения ºС , |
> 51 |
54 |
ГОСТ 11506 |
|
|
Температура хрупкости, ºС |
> -15 |
-15 |
ГОСТ 11507 |
Очевидно, что получить эффективное ПБВ 60 из битума с пенетрацией 64 мм-1 не возможно. Будет наблюдаться недостаток легких фракций для набухания и растворения полимера в вяжущем. В связи с этим встал актуальный вопрос о необходимости использования пластификатора. В качестве пластификаторов рассматривались: мазут М-100, масло индустриальное И-40, Азол 1101 и Унипласт.
В общем виде, эффективность растворения полимера в битуме зависит от:
- молекулярной массы полимера;
- размера частиц полимера;
- вязкости исходного битума и его группового состава;
- температурного режима приготовления ПБВ;
- продолжительности перемешивания вяжущего.
В работе было принято, что молекулярная масса, температурный режим приготовления и продолжительность перемешивания ПБВ величины неизменные. Варьирование происходило за счет вязкости пластифицированного битума и полимера. Подбор составов ПБВ и исследование их свойств, производили по стандартной методике.
Для оценки влияния различных пластификаторов на показатели свойств битума и определения необходимого их количества для разжижения вяжущего пластификатор вводился в количестве от 0 до 5 %, дальнейшее увеличение было не целесообразно с экономической точки зрения. Затем определялась вязкость битума, температура размягчения и потеря массы после прогрева. Полученные данные представлены в табл. 2, 3.
Таблица 2
Динамика изменения условной вязкости битума от вида и содержания пластификатора
|
Вид пластификатора |
Содержание пластификатора в битуме, % |
|||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Мазут М-100 (1) |
64 |
75 |
81 |
85 |
91 |
97 |
|
Масло И-40 (2) |
68 |
77 |
80 |
80 |
96 |
|
|
Азол 1101 (3) |
66 |
77 |
82 |
86 |
96 |
|
|
Унипласт (4) |
77 |
87 |
95 |
100 |
95 |
|
Таблица 3
Динамика изменения массы битума с пластификатором после прогрева
|
Вид пластификатора |
Содержание пластификатора в битуме, % |
|||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Мазут М-100 (1) |
0,4 |
0,4 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,6 |
|
Масло И-40 (2) |
0,6 |
0,8 |
0,8 |
1,2 |
1,6 |
|
|
Азол 1101 (3) |
0,4 |
0,4 |
0,7 |
0,9 |
0,9 |
|
|
Унипласт (4) |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
|
Исследуемые пластификаторы не оказали значительного влияния на температуру размягчения разжиженного битума, однако «лидером» в серии пластификаторов стало масло индустриальное. Для битума, пластифицированного маслом индустриальным характерна максимальная потеря массы после прогрева.
Пластификатор не должен быть летучим. Наличие значительного количества летучих компонентов, в составе вяжущего определяет высокую скорость их испарения при прогреве, что является показателем склонности вяжущего к старению и способствует значительному изменению температуры размягчения.
Минимальные показатели были получены при использовании мазута М-100 и пластификатора №4. Этот же пластификатор показал наилучший пластифицирующий эффект битума при содержании 3–4 %.
Основная цель первого этапа эксперимента, путем разжижения битума выйти на его пенетрацию при температуре 25 оС в интервале 85–
В процессе интерпретации полученных результатов, за оптимальное содержание пластификатора в битуме принято: Мазут М-100 – 3,5 %; Масло И-40 – 4,5%; Азол – 3,5%; Унипласт 4 – 2,5%.
Установленные концентрации пластификатора были использованы для дальнейшего подбора состава ПБВ-60. Оптимальные составы ПБВ, соответствующие соотношению «цена-качество», и показатели их свойств представлены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели свойств подобранных составов ПБВ 60
|
Показатели свойств |
Требования ГОСТ |
SBS L 30-01A |
Кратон D 1101 |
||||
|
соотношение пластификатор / полимер |
|||||||
|
Мазут 3,5/3,2 |
Азол 3,5/3,2 |
Унипласт 3,0/3,2 |
Азол 3,5/3,2 |
Масло И-40 4,5/3,2 |
Унипласт 3,0/3,2 |
||
|
Глубина проникания иглы при 0 ºС |
не менее 60 32 |
63 32 |
65 33 |
70 35 |
64 32 |
64 34 |
63 32 |
|
Растяжимость, см. при 25 ºС при 0 ºС |
25 11 |
32 12 |
38 15 |
55 13 |
28 14 |
26 13 |
40 12 |
|
Температура размягчения, ºС |
не ниже 54 |
65 |
63 |
65 |
68 |
64 |
69 |
|
Температура хрупкости по Фраасу, ºС |
не выше -20 |
-22 |
-21 |
-23 |
-21 |
-24 |
-21 |
|
Однородность |
однородно |
однородно |
однородно |
однородно |
однородно |
однородно |
однородно |
|
Эластичность, % при 25 ºС при 0 ºС |
80 70 |
84 71 |
82 73 |
86 74 |
80 72 |
82 73 |
81 72 |
Как видно из табл. 4, при использовании полимера SBS L 30-
Не зависимо от вида полимера, получить вяжущие, отвечающие совокупности полезных свойств, удалось при использовании в качестве пластификатора «Азол» и «Унипласт», что связано с отсутствием в их составе минеральных масел и наличием органической кислоты, позволяющей им эффективно, в совокупности с битумом, растворять полимер.
Известно [3], что растворение с предварительным набуханием характерно только для веществ с достаточно большой молекулярной массой, при значительной разнице в скоростях диффузии смешиваемых веществ. Набухание отличается от обычного смешивания тем, что этот процесс односторонний. Молекулы растворителя проникают в свободное пространство между звеньями изогнутых цепей макромолекул полимера, раздвигая сначала отдельные участки, а затем макромолекулы. В то время, как полимер поглощает растворитель, макромолекулы СБС не успевают переместиться в жидкую фазу. После того, как цепи макромолекул достаточно отодвинуты друг от друга и ослаблено взаимодействие между ними, начинается диффузия макромолекул в фазе растворителя. Интенсивность и качество протекающих процессов определяют на выходе товарные свойства ПБВ.
Переход на новые требования к качеству используемых в дорожной отрасли материалов, обуславливает необходимость соответствия их не только отечественным стандартам [9], но и европейским требованиям [10]. В частности, для ПБВ, становятся неотъемлемыми показатели расслоения и старения, табл. 5, особенно если речь идет о системе, в которой дополнительно присутствует пластификатор.
При изучении стабильности свойств, приготовленных и исследуемых ПБВ, после нахождения в тубе, максимальное расслаивание наблюдается у образцов, приготовленных с использованием масла индустриального и полимера Кратон D 1101. Дефективность состава прослеживается не только при изучении расслаиваемости в тубе, но и при изучении устойчивости к старению, которая определялась по методу TFOT, старение в тонкой пленке.
Наименьшей склонностью к проявлению дефектов характеризуются образцы, приготовленные на Унипласте и Азоле. В этом случае, расслоение и разница в показателях минимальны, не зависимо от полимера. Наивысшую склонность к деструктивным процессам (расслоению, старению) показали образцы, приготовленные с использованием масла индустриального, что в полной мере согласуется с данными табл. 2, 3, и является неопровержимым доказательством опасности его использования при приготовлении ПБВ с точки зрения потери качества продукции.
|
Таблица 5 Склонность к деструкции подобранных составов ПБВ 60 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Выводы. Как видно, наличие пластифицирующих компонентов в вяжущем, в ряде случаев, является необходимым условием на пути получения качественного ПБВ. Однако, стоит отметить, что именно пластификатор вносит основной вклад в процессы деструкции, проявляющиеся в виде расслоения и старения, оценку которой производили по изменению массы вяжущего и температуры размягчения после прогрева. Поэтому, одним из основополагающих требований к пластификаторам должно выступать свойство – максимально долго сохранять ими показатели, в идеальном исполнении до окончания срока использования композиции.
Таким образом, можно заключить, что при разработке составов ПБВ необходимо тщательно подходить к выбору совокупности системы «битум-полимер – пластификатор» так как существует вероятность их несовместимости, либо использовать специальные приемы, направленные на уменьшение их конкурирующей между собой способности.
1. Quintero L.S., L. E. Sanabria, Analysis of Colombian Bitumen Modified With a Nanocomposite // Journal of Testing and Evaluation (JTE). 2012. Volume 40. Issue 7. PP. 93-97.
2. Marina Vysotskaya, Kuznetsov Dmitriy, Rusina Svetlana, Evgenia Chevtaeva Experience and Prospects of Nanomodification Using in Production of Composites Based on Organic Binders // 5th International Conference NANOCON 2013 - Brno, Chech Repablik, EU. October 16 th -18 th 2013.
3. Полякова В.И., Полякова С.В. Особенности получения и применения полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве // Дороги и мосты. 2013. № 3. С. 277-298
4. Лукаш Е.А., Кузнецов Д.А., Бабанин М.В. Эффективные асфальтобетонные смеси с использованием модифицированных наполнителей. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 57-60.
5. Высоцкая М.А., Фёдоров М.Ю. Разработка наномодифицированного наполнителя для асфальтобетонных смесей. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 61-65.
6. Высоцкая М.А., Русина С.Ю. О перспективах использования нанотрубок при приготовлении полимер-битумного вяжущего // Дороги и мосты. 2014. №2. С.171-187.
7. Хозин В. Г., Низамов Р.К. Полимерные нанокомпозиты строительного назначения // Строительные материалы. 2009. №8. С. 32-35.
8. Аюпов, Д.А., Мурафа А.В. Модифицированные битумные вяжущие строительного назначения // Строительные материалы. 2009. №8. С. 50-51.
9. ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров. Введ. 01.01.2004. М.: Изд-во стандартов, 2003. 23 с.
10. EN 133399 Определение стабильности модифицированных битумов. Введ. 01.01.2015. М.: Изд-во стандартов, 2013. 12 с.
