Влияние вида пластификатора на свойства битума и полимерно-битумных вяжущих
В данной работе произведена оценка влияния различных пластификаторов на показатели свойств битума, определено необходимое 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.
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 30-01 A. Из представленной таблицы видно, что битум полностью соответствует требованиям нормативного стандарта.
Таблица 1 – Физико-химические показатели битума БНДУ60/90
| Показатель | СТО АВТОДОР 2.1-20011 | Фактические результаты | Методы испытаний |
| Глубина проникания иглы 0,1мм | |||
| при 25°C | >51-70 | 64 | ГОСТ 11501 |
| при 0°С | >13 | 23 | |
| Растяжимость, см | |||
| при 25°C | >70 | 100 | ГОСТ 11505 |
| при 0°С | не нормируется, определение обязательно | 2,4 | |
| Температура размягчения, °С | >51 | 54 | ГОСТ 11506 |
| Температура хрупкости, °С | >-15 | -15 | ГОСТ 11507 |
- 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 вели- чины 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
| Пластификатор | Содержание пластификатора в битуме, % | |||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Мазут М-100 | 64 | 75 | 81 | 85 | 91 | 97 |
| Масло И-40 | 68 | 77 | 80 | 80 | 96 | |
| Азол 1101 | 66 | 77 | 82 | 86 | 96 | |
| Унипласт | 77 | 87 | 95 | 100 | 95 | |
Таблица 3 – динамика изменения массы битума с пластификатором после прогрева
| Пластификатор | Содержание пластификатора в битуме, % | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Мазут М-100 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,6 |
| Масло И-40 | 0,6 | 0,8 | 0,8 | 1,2 | 1,6 | |
| Азол 1101 | 0,4 | 0,4 | 0,7 | 0,9 | 0,9 | |
| Унипласт | 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 °С в интервале 85–90 мм-1, при которой становится возможным набухание, растворение и гомогени-зация полимера. 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 |
Мазут 3,5/3,2 |
Масло И-40 4,5/3,2 |
Унипласт 3,0/3,2 |
||
| Глубина проникания иглы 0,1мм | не менее | ||||||
| при 25°C | 60 | 63 | 65 | 70 | 64 | 64 | 63 |
| при 0°С | 32 | 32 | 33 | 35 | 32 | 34 | 32 |
| Растяжимость, см | |||||||
| при 25°C | 25 | 32 | 38 | 55 | 28 | 26 | 40 |
| при 0°С | 11 | 12 | 15 | 13 | 14 | 13 | 12 |
| Температура размягчения, °С | не ниже 54 | 65 | 63 | 65 | 68 | 64 | 69 |
| Температура хрупкости по Фраасу, °С | не выше -20 | -22 | -21 | -23 | -21 | -24 | -21 |
| Однородность | однородно | однородно | однородно | однородно | однородно | однородно | однородно |
| Эластичность, % | |||||||
| при 25°C | 80 | 84 | 82 | 86 | 80 | 82 | 81 |
| при 0°С | 70 | 71 | 73 | 74 | 72 | 73 | 72 |
Как видно из табл. 4, при использовании полимера SBS L 30-01 A наиболее эффективные составы получены при работе с пластификатором No1. Если рассматривать серию экспериментов с полимером Кратон D 1101, то необходимо отметить, что при использовании индустриального масла был получен наиболее эффективный состав ПБВ 60 с позиции стандартных показателей качества. Очевидно, это связано с его значительным содержанием. Использование мазута в качестве пластификатора не позволило получить кондиционное вяжущее.
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 (рас- слоению, 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
| Наименование показателя | Требования ГОСТ, EN |
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 |
|||
| Расслаиваемость | Т хр, ºС | – | ||||||
| − верх туба | -22 | -21 | -21 | -21 | -26 | -23 | ||
| −низ туба | -23 | -21 | -22 | -22 | -18 | -22 | ||
| Т хр, ºС | 5 | |||||||
| − верх туба | 65 | 64 | 65 | 67 | 58 | 68 | ||
| − низ туба | 63 | 62 | 63 | 69 | 66 | 67 | ||
| Устойчивость к расслаиванию: – ∆температуры хрупкости, ºС |
– | 1 | 0 | 1 | 1 | 8 | 1 | |
| – ∆ температуры размягчения, | 5 | 2 | 2 | 2 | 2 | 8 | 1 | |
| ∆ температуры размягчения после прогрева, ºС |
5 | 3 | 3 | 2 | 2 | 12 | 6 | |
| Устойчивость к старению метод TFOT | изменение массы, % | – | 0,6 | 0,8 | 0,9 | 0,9 | 1,5 | 0,8 |
| температуры размягчения, ºС |
– | 2 | 3 | 3 | 5 | 11 | 3 | |
Выводы. Как видно, наличие пластифицирующих компонентов в вяжущем, в ряде случаев, является необходимым условием на пути по- лучения качественного ПБВ. Однако, стоит от- метить, 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.
*Работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ No1950, а также проекта стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.
Киндеев Олег Николаевич, аспирант кафедры строительства автомобильных дорог и аэродромов. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова.
Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Высоцкая Марина Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительства автомобильных дорог и аэродромов.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова.
Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
E-mail: roruri@rambler.ru
Шеховцова Светлана Юрьевна, аспирант кафедры строительства автомобильных дорог и аэродромов. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
E-mail: Rusina.svetlan@yandex.ru
Библиографический список
- 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.
- Marina Vysotskaya, Kuznetsov Dmitriy, Rusina Svetlana, Evgenia Chevtaeva Experience and Prospects of Nanomodification Using in Production of Composites Based on Organic Binders // 5 th International Conference NANOCON 2013 – Brno, Chech Repablik, EU. October 16 th -18 th 2013.
- Полякова В.И., Полякова С.В. Особенности получения и применения полимерно- битумных вяжущих в дорожном строительстве // Дороги и мосты. 2013. № 3. С. 277–298
- Лукаш Е.А., Кузнецов Д.А., Бабанин М.В. Эффективные асфальтобетонные смеси с использованием модифицированных наполнителей. Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухо- ва. 2013. № 6. С. 57–60.
- 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.
- Высоцкая М.А., Русина С.Ю. О перспективах использования нанотрубок при приготовлении полимер-битумного вяжущего // Дороги и мосты. 2014. №2. С.171–187.
- Хозин В. Г., Низамов Р.К. Полимерные нанокомпозиты строительного назначения // Строительные материалы. 2009. №8. С. 32–35.
- Аюпов, Д.А., Мурафа А.В. Модифицированные битумные вяжущие строительного назначения // Строительные материалы. 2009. №8. С. 50–51.
- ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров. Введ. 01.01.2004. М.: Изд-во стандартов, 2003. 23 с.
- EN 133399 Определение стабильности модифицированных битумов. Введ. 01.01.2015. М.: Изд-во стандартов, 2013. 12 с
В столице Республики Мордовия Ассоциация «АСДОР» провела выездной семинар «Российские инновационные технологии и материалы для дорожного строительства» во второй раз.
В Санкт – Петербурге 8–9 февраля 2024 года прошла V Международная конференция «Асфальтобетон 2024», посвященная актуальным технологиям и тенденциям в дорожно-строительной отрасли.
В Иркутске завершила свою работу 6 международная практическая семинар-конференция Сибирские дороги 2024.