Влияние полимерных добавок на свойства битума и асфальтобетона

РАЗДЕЛ II

СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 625.85

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БИТУМА И АСФАЛЬТОБЕТОНА

В.Д. Галдина, канд. техн. наук, доц.

Аннотация. Исследованы свойства полимерно-битумных вяжущих на основе битума одной марки и типа структуры с различными модифицирующими добавками и асфальтобетонов с использованием таких вяжущих. Установлено, что асфальтобетон на полимерно-битумном вяжущем с комплексной добавкой обладает высокими показателями тепло-, трещино- и водостойкости.

Ключевые слова: полимерно-битумное вяжущее, асфальтобетон, эластичность,

трещиностойкость, деформативность.

Введение

Применение полимерно-битумных вяжущих ПБВ относится к одной из наиболее активно внедряющихся технологий строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог. В России для модификации битумов применяют блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС, «Каудест-Д», растворы синтетических каучуков типа СКС [1 - 5].

Целью введения полимеров в битумы является повышение их деформативности при низкой температуре, теплоустойчивости и эластичности. Улучшение эксплуатационных свойств битумов может быть достигнуто в том случае, если полимер растворяется или набухает в дисперсионной среде битума, образуя пространственную структурную сетку. Полимерно-битумные вяжущие представляют собой композиционные материалы, структура и свойства которых зависят от вида и концентрации полимера, марки и структурного типа битума, технологии смешения компонентов. Варьируя видом и концентрацией полимера, можно получать ПБВ с заданным комплексом физико-механических свойств [1, 3, 6 - 8].

Постановка и решение задачи

В данной работе приведены результаты исследования свойств ПБВ на основе битума одной марки и типа структуры с различными модифицирующими добавками и асфальтобетонов с использованием таких вяжущих.

Для модификации битума марки БНД 90/130 применялись дивинилстирольный тер-

моэластопласт марки ДСТ 30-01, атактический полипропилен АПП, каучук деструктурирован-ный дорожный «Каудест-Д» и комплексная добавка, состоящая из «Каудест-Д» и АПП.

Полимерно-битумные вяжущие получали в лабораторном реакторе с мешалкой пропеллерного типа. Технологические режимы приготовления ПБВ соответствовали рекомендациям, изложенным в работах [1, 4, 5, 7]. Полимернобитумное вяжущее на основе ДСТ 30-01 получали по 2-х стадийной технологии с предварительным растворением полимера в индустриальном масле. Состав ПБВ был следующим, % по массе: битум БНД 90/130 - 87; полимер ДСТ 30-01 - 3; индустриальное масло марки И 40А -10. Содержание добавки «Каудест-Д» в ПБВ составляло 3%, АПП - 5% по массе. Полимерно-битумное вяжущее с комплексной добавкой включало 3% «Каудест-Д» и 3% АПП.

Модифицирующие добавки существенно улучшают физико-механические свойства битума (таблица 1).

Добавка ДСТ 30-01 одновременно повышает температуру размягчения Тр, понижает температуру хрупкости Тхр, увеличивая интервал работоспособности ИР, повышает пластичность битума при низких температурах По. Полимерно-битумное вяжущее отличается от битума высокой пластичностью и эластичностью, что обуславливает более широкий диапазон температур, в которых ПБВ сохраняет работоспособность.

Таблица 1 - Свойства битума марки БНД 90/130 и полимерно-битумных вяжущих на основе различных модифицирующих добавок__________________________________________________

Значение показателя для вяжущего с добавкой

Показатель БНД 90/130 ДСТ 30-01 «Каудест-Д» АПП «Каудест-Д» и АПП

Глубина проникания иглы, 0,1 мм: а) при 25 С 102 120 120 93 108

б) при 0 ОС 28 75 65 41 46

Растяжимость, см: а) при 25 ОС 79 38 100 32 60

б) при 0 ОС 6 14 30 13 17

Температура размягчения, ОС 45 57 42 54 50

Температура хрупкости, ОС -18 -31 -35 -26 -30

Изменение температуры размягчения после прогрева, ОС 5 2 6 2 3

Индекс пенетрации -0,8 +3,1 -1,2 +1,5 +0,9

Эластичность, %: а) при 25 ОС 96 81 68 80

б) при 0 ОС - 79 75 32 63

Интервал работоспособности, ОС 63 88 77 80 80

Коэффициент структуры Кстр _ (Тр - Тхр)/Д25 0,79 2,31 0,77 2,5 1,33

Сцепление: Выдерживает по контрольному образцу

- с мрамором № 1 № 2 № 2 № 1 № 1

- с песком № 3 № 3 № 3 № 1 № 2

- с гранитом № 3 № 3 №3 №2 №2

Добавка «Каудест-Д» оказывает значительный пластифицирующий эффект на битум. Повышается пенетрация при 25 и 0 ОС, несколько снижается Тр, значительно понижается Тхр и индекс пенетрации ИП, увеличивается растяжимость и эластичность. Полимерно-битумное вяжущее по сравнению с битумом имеет более высокие деформативные свойства при низких температурах, более широкий ИР за счет понижения Тхр.

При добавлении в битум 5% термопласта АПП понижается П25, увеличиваются показатели теплоустойчивости, пластичности при низких температурах, трещиностойкости и эластичности. Отличительной особенностью ПБВ на основе АПП являются его высокие адгезионные свойства, повышенная устойчивость к термоокислительному старению, но показатели эластичности и трещиностойкость такого вяжущего ниже, чем у ПБВ на основе ДСТ 30-01 и «Каудест-Д».

Полимерные добавки ДСТ 30-01 и АПП придают битуму эластические свойства, улучшают показатели деформативных свойств, структурируют битум, понижая его температурную чувствительность. О снижении

температурной чувствительности ПБВ свидетельствует значительное возрастание индекса пенетрации.

С целью повышения теплоустойчивости и улучшения адгезионных свойств ПБВ с добавкой «Каудест-Д», а также повышения трещи-ностойкости и эластичности ПБВ с добавкой АПП, определены свойства битума, модифицированного комплексной добавкой, включающей «Каудест-Д» и АПП. При добавлении АПП понижаются П25 и По, Д25 и До, повышаются Тр, Тхр и ИП. Сочетание двух полимерных добавок в вяжущем усиливает процессы структу-рообразования и улучшает его физикомеханические свойства: теплоустойчивость,

трещиностойкость, устойчивость к старению, адгезию к каменным материалам (см. таблицу 1).

Для изучения влияния свойств битума и ПБВ на физико-механические свойства асфальтобетонов были приготовлены асфальтобетонные смеси типа Б состава, % по массе: щебень гранитный фракции 5 - 15 мм - 45; песок природный - 45%, минеральный порошок активированный - 10; органическое вяжущее - 5,5 (сверх 100% минеральной части).

Результаты испытания показывают (таблица 2), что асфальтобетоны на ПБВ с добавками ДСТ 30-01, АПП и комплексной обладают в сравнении с асфальтобетоном на битуме более высокими показателями прочности при 20 и 50 ОС, пониженной температурной чувствительностью (коэффициенты теплоустойчивости). Применение модифицирующих добавок заметно снижает прочности на сжатие и

вышает сцепление при сдвиге. При близких значениях средней плотности и остаточной пористости водонасыщение асфальтобетона на битуме выше, чем асфальтобетонов на ПБВ. Следовательно, поровая структура ас-фальто-бетонов на ПБВ имеет большее количество закрытых пор, что способствует более высокой морозостойкости асфальтобетонов (рисунок 1).

на растяжение, определенные при 0 С, по-Таблица 2 - Физико-механические свойства асфальтобетонов

Показатель Значение показателя для асфальтобетона на вяжущем Требования ГОСТ 9128 к асфальтобетону типа Б марки I для II, III дорожноклиматических зон

БНД 90/130 полимерно-битумное вяжущее с добавкой

ДСТ 30-01 «Каудест-Д» АПП «Каудест-Д» и Апп

Предел прочности при сжатии, МПа при температуре: а) 50 ОС 1,3 1,6 1,2 1,8 1,6 Не менее 1,2

б) 20 ОС 3,1 3,2 2,8 4,7 4,1 Не менее 2,5

в) 0 ОС 10,8 8,2 6,3 9,4 7,2 Не более 11,0

Предел прочности на растяжение при расколе, МПа, при) 0 ОС 5,72 4,27 4,25 5,08 4,48 ,0 6, 1 ,5 3,

Сцепление при сдвиге при 50 ОС, МПа 0,39 0,57 0,43 0,53 0,55 Не менее 0,37

Коэффициент водостойкости 0,89 0,96 0,88 1,0 1,0 Не менее 0,90

Коэффициент длительной водостойкости 0,76 0,81 0,79 0,93 0,91 Не менее 0,85

Коэффициент тепло-устойчивостисти: Кт = R20/R50 2,38 2,0 2,33 2,62 2,56 Не норм.

Кт = Ro/R5o 8,31 5,5 5,25 5,77 4,50 То же

Остаточная пористость, % 2,97 2,69 2,86 2,55 2,81 2, 5 1 5, 0

Водонасыщение, % 2,76 1,79 1,97 1,76 1,85 5 1 4, 0

Средняя плотность, т/м3 2,35 2,36 2,36 2,37 2,36 Не норм.

Асфальтобетоны на ПБВ с добавками АПП и комплексной имеют высокие коэффициенты водостойкости, что объясняется хорошими адгезионными свойствами ПБВ с этими добавками. Водостойкость асфальтобетонов на битуме и ПБВ с добавками ДСТ 30-01 и «Ка-удест-Д» ниже, особенно при длительном во-донасыщении. Наиболее значительный эффект улучшения физико-механических свойств наблюдается для асфальтобетонов на ПБВ с добавкой ДСТ и комплексной добавкой.

Зависимость прочности при сжатии Rсж и модуля упругости Е асфальтобетонов на би-

туме и полимерно-битумных вяжущих с ДСТ и комплексной добавкой от температуры показана на рисунке 2. При положительных температурах показатели Rсж и Е асфальтобетонов на ПБВ значительно выше, чем на битуме, что косвенно указывает на их повышенную деформационную способность при высоких эксплуатационных температурах. Пониженные значения Rсж и Е при отрицательных температурах, характеризующие более высокую де-формативную способность асфальтобетонов на полимерно-битумных вяжущих, являются показателями и большей трещиностойкости таких материалов.

Рис. 1 Зависимость коэффициента морозостойкости от количества циклов замораживания -оттаивания асфальтобетона типа Б на битуме марки БНД 60/90

Рис. 2 Зависимость прочности и модуля упругости от температуры асфальтобетона типа Б на битуме марки БНД 60/90 (----) и полимер-

но-битумном вяжущем с комплексной добавкой

Заключение

Полимерно-битумные вяжущие значительно превосходят по свойствам исходный битум по показателям теплоустойчивости, низкотемпературной трещиностойкости, эластичности, пластичности и деформативности при низких температурах.

Полимерно-битумное вяжущее на основе комплексной добавки характеризуется достаточно высокими показателями теплоустойчивости, трещиностойкости, эластичности, сцепления с каменными материалами и устойчивости к старению.

Сравнительная оценка влияния полимернобитумных вяжущих на свойства асфальтобетонов выявила значительное улучшение их физико-механических свойств по сравнению с асфальтобетоном на битуме марки БНД 90/130.

Асфальтобетон на комплексном полимерно-битумном вяжущем, включающим «Ка-удест-Д» и АПП, отличается весьма высокими показателями тепло-, трещино- и водостойкости, что, безусловно, определяет его высокое качество, лучшее, чем у асфальтобетонов на битуме и полимерно-битумных вяжущих с добавками ДСТ 30-01, АПП и «Каудест-Д».

Библиографический список

1. Полимерно-битумные вяжущие на основе СБС для дорожного строительства/ Гохман Л.М., Гурарий Е.М., Давыдова А.Р., Давыдова К.И. - М., 2002. - 112 с. (Автомобильные дороги: Обзорная информация / Информавтодор. - Вып. 4).

2. Калгин Ю.И. Экономическая целесообразность применения модифицированных битумов при устройстве верхних слоев асфальтобетонных покрытий / Ю.И.Калгин // Дороги России ХХ1 века. -2002. - № 3. - С. 69 - 71.

3. Худякова Т.С. Особенности структуры и свойств битумов, модифицированных полимерами /

Т.С.Худякова, А.Ф.Масюк, В.Н.Калинин //. Дорожная техника и технологии- 2003. - № 4. - С. 174 - 181.

4. Бабак О.Г. Применение модифицированных вяжущих в дорожном строительстве / О.Г. Бабак, Г.Б.Старков // Дорожная техника и технологии.

- 2001. - № 5. - С. 72 - 75.

5. Рукавишников В.К.. Внедрение полимернобитумных вяжущих на объектах Северавтодора / В.К.Рукавишников, С.В.Чистяков, Ф.И. Фахрутдинов и др. // Повышение качества материалов дорожного и строительного назначения: Сб. науч. трудов. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - С.129 - 136.

6. Кисина А.М. Полимербитумные кровельные и гидроизоляционные материалы /

A.М. Кисина, В.П. Куценко. - М.: Стройиздат, 1983. - 134 с.

7. Галдина В.Д. Улучшение свойств дорожных битумов добавками полимерных модификаторов / В.Д.Галдина, Н.А.Гриневич, Ю.В.Соколов // Тез. докл. II Международной науч.-технич. конференции: Автомобильные дороги Сибири. - Омск: СибАДИ, 1998. - С. 129 - 131.

8. Надыкто Г.И. Повышение качества шероховатой поверхностной обработки / Г.И. Надыкто,

B.С. Прокопец, В.Д. Галдина, Л.С.Петрова // Повышение эффективности дорожных и строительных материалов для условий Сибири: Сб. науч. трудов.

- Омск: Изд-во СибАДИ. - 2000. - С. 93 - 99.

Influence of polymeric additives on properties of bitumen and aspalt concrete

V.D. Galdina

Properties polumer-bitumen knitting on the basis of bitumen of one mark and type of structure with various modifying additives and asphalt concrete with use such knitting are investigated. It is established, that asphalt concrete with the complex polymeric additive possesses high parameters the crack-,warmth-, water of resistances.

Галдина Вера Дмитриевна - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований

- органические вяжущие материалы и бетоны на

их основе. Имеет 107 опубликованных работ. е-mail: galdin_ns@sibadi.org

Статья поступила 03.04.2009 г.

УДК 69.034.96

О ПОДТОПЛЕНИИ ДРЕНИРУЮЩИХ СЛОЕВ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ С ПОСТОЯННЫМ УРОВНЕМ

В.И. Сологаев, д-р техн. наук, доц., Н.В. Золотарев, аспирант

Аннотация. Предложена инженерная методика расчета подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем.

Ключевые слова: подтопление, дренирование, дорожные конструкции, методика фильтрационного расчёта.

Введение

Проблема подтопления автомобильных дорог до сих пор не решена в нашей стране. Вода попадает в дренирующие слои, устроенные из песка и щебня. Происходит их подтопление, а подстилающие грунты оснований чаще всего при этом служат относительными водоупорами. Неблагоприятными последствиями подтопления являются: потеря несущей способности и устойчивости грунтов оснований, оползни и оплывы земляного полотна, увеличение морозного пучения дорожных одежд и др. [1]. В настоящей статье представлена методика расчета подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем.

Рис. 1 Схема подтопления дренирующих слоев дорожных конструкций: 1 - покрытие; 2 - дренирующие слои дорожных конструкций;

3 - кривая подпора (язык подтопления); 4 - начальный слой воды;

5 - относительный водоупор

Методика авторов

Подтопление дорог часто наблюдается через проницаемые обочины. Оставленные на обочинах колеи от прохода автомобилей заполняются атмосферной влагой. Далее происходит инфильтрация воды в дренирующие слои дорожных конструкций, что приводит к их подтоплению с рядом неблагоприятных последствий.

Рассмотрим процесс образования языка подтопления при плоскопараллельной фильтрации воды в дренирующих слоях дорожных конструкций на горизонтальном водоупоре (рисунок 1).