Стабильность битумополимеров при технологическом хранении

УДК 665.855.3

СТАБИЛЬНОСТЬ БИТУМОПОЛИМЕРОВ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ХРАНЕНИИ

А.В. Галкин, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. Представлены данные исследования стабильности при технологическом хранении битумополимерных вяжущих на основе наиболее широко используемых в дорожном строительстве полимеров. Предложены усовершенствования методики испытания стабильности битумополимеров и, согласно полученным экспериментальным данным, предложен критерий оценки стабильности.

Ключевые слова: битумополимер, пенетрация, температура размягчения, эластичность, стабильность.

Введение

Одним из показателей качества битумополимеров, включённых в стандарты стран ЕС и США, является оценка стабильности битумополимера при высокой технологической температуре. При длительном хранении битумополимерного вяжущего в герметично закрытой ёмкости при высокой температуре может наблюдаться процесс расслаивания, обусловленный целым рядом факторов. Способность части битума растворять полимер (или ограниченно растворять, вызывая его набухание) создаёт условия для образования в битумополимере системы, состоящей из двух фаз: одна фаза содержит полимер и мальтеновые фракции выступают в ней в роли растворителя; другая фаза представляет собой обеднённый мальтеновыми фракциями исходный битум. Эти фазы различны по плотности, и фаза, богатая полимером, как правило, обладая меньшей плотностью, концентрируется в верхней части ёмкости.

Цель и постановка задачи

Задачей данной работы был выбор и усовершенствование методики испытания на стабильность и исследование стабильности ряда битумополи-меров.

Испытание на стабильность включает в себя оценку разницы в показателях верхней и нижней трети образца (соотношение диаметра и высоты находится в пределах 1:4 - 1:5), прогретого в герметичной ёмкости при температуре 180 °С в течение определённого времени (ргБМ 13 399 -2003). В описываемом здесь исследовании, на основе анализа данных [2], время выдерживания было сокращено до 24 часов, против 75 часов в (ргБМ 13 399 - 2003).

Ещё одним изменением общепринятой методики стала замена непрерывного прогрева в 24 часа тремя циклами по 8 часов. Подобное условие заложено в ТУ У В.2.7-24.1-03450778-198-2002 и связано с требованиями противопожарной безопасности на производстве и несовершенством необходимого оборудования.

Экспериментальные исследования

Для сравнительной оценки методик прерывистого и непрерывного выдерживания был проведен эксперимент, в котором четыре типа битумопо-лимеров, обладающих наибольшей склонностью к расслоению, прогревались в двух различных режимах. Результаты эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты сравнительной оценки влияния режимов прогрева на свойства битумополимеров

Вяжущее, концентрация и тип полимера Режим прогрева Верх Низ

П25, 1/10 мм ТР, °С Э25, % П25, 1/10 мм Тр, °С Э25, %

БК + 5% ДСТ-30 01 8+8+8 126 100 100 38 62 53

24 122 101 100 37 61 51

БК + 5% СБС 1101 8+8+8 130 94 100 44 58 58

24 136 91 100 49 58 60

БК + 3% СБС 1186 8+8+8 109 108 100 62 51 52

24 100 95 100 66 52 48

БК + 5% СБС 1186 8+8+8 105 113 100 40 71 43

24 103 116 100 43 57 46

В соответствии с анализом, выполненным в [4] наиболее чувствительной к стабильности является пенетрация битумополимеров. Данные, полученные в последующем эксперименте, показали, что именно пенетрации присуща большая сходимость значений, и, следовательно, этот показатель может служить достаточно надёжным критерием сравнительной оценки режимов испытания. Изменение показателей пенетрации битумополиме-ров, прошедших прогрев согласно разным режимам, представлено на рис.1.

В табл. 2 приведены результаты испытания на стабильность битумополимеров, полученных на основе одного и того же битума БНД 130/200, с показателями: пенетрация при 25 °С (П25) = 134, 1/10 мм: температурой размягчения (Тр)= 41,3 °С; дуктильностью при 25 °С, превышающей 100 см.

Показатели расслоения, приведенные в таблице, вычислялись как разность показателя верха и низа образца, в процентном отношении к среднему значению показателей верха и низа.

БК+5% ДСТ-30 БК+5% СБС 01 1101

БК+3% СБС 1186

БК+5% СБС 1186

Рис. 1. Данные пенетрации битумополимеров, прогретых в непрерывном и прерывистом режимах: П - верхняя треть образца, режим выдерживания прерывистый; § - верхняя треть образца, режим выдерживания непрерывный; | - нижняя треть образца, режим выдерживания прерывистый; ^ - нижняя треть образца, режим выдерживания непрерывный

Различия значений усреднённой пенетрации би-тумополимеров, прошедших прогрев по разным схемам, наблюдаются: для верхнего слоя битумополимеров - 2,25, 1/10 мм; для нижнего слоя битумополимеров - 2,75, 1/10 мм. Эти отклонения находятся в пределах разбросов, допускаемых при технических измерениях значения пенетрации [58].

Основываясь на этих данных, можно заключить, что непрерывный прогрев в течение 24 часов можно заменить прогревом, состоящим из трёх циклов по 8 часов каждый, хотя это снижает оперативность получения результатов.

Одной из целей исследования по данной теме является сравнительная оценка стабильности вяжущих, полученных прямым введением в битум полимеров, широко используемых в дорожном строительстве.

Необходимо отметить, что представленные показатели по-разному регистрируют расслоение системы. Значения пенетрации с увеличением расслоения растут для верхней части образца и снижаются для нижней. Это объясняется тем, что структура битума в нижней трети образца подобна высоковязкому битуму с меньшим значением пенетрации, чем у исходного битума. В верхней части образца полимерная «сетка», насыщенная мальтеновой фракцией, мало сопротивляется прониканию иглы пенетрометра. В этом случае решающее значение оказывает вязкость мальте-новой фракции, которая меньше вязкости самого битума - пенетрация возрастает (рис. 2).

В случае оценки стабильности битумополимера по температуре размягчения сложность заключается в том, что повышенное содержание полимера в верхней части образца характеризуется закономерно высоким значением температуры размягчения, большее сопротивление падению шарика оказывает «сетка» полимера, несмотря на то, что среда, в которой растворён полимер, обладает незначительной вязкостью. Вместе с этим возрастает и температура размягчения нижней части образца за счёт пониженного содержания мальтеновых фракций. Это приводит к тому, что при концентрации полимера выше определённого значения, возрастание температуры размягчения низа образца оказывается интенсивнее, чем рост температуры размягчения верха (рис. 3). Кроме этого, для концентрации полимера 5% показатель расслоения по температуре размягчения для полимеров разного типа отличается незначительно, в то время как данные эластичности и пенетрации показывают различное расслоение для этих полимеров.

Очевидно, что в этом случае разница температур размягчения верха и низа образца не может являться показателем, характеризующим стабильность.

Степень расслоения для значений пенетрации и температуры размягчения представлена на рис. 2 и 3.

Несмотря на то, что эластичность является показателем, наиболее явно свидетельствующим о

Таблица 2 Результаты испытания на стабильность битумов, модифицированных разными полимерами

Вид полимера в вяжущем Содержание полимера, % Показатели

Пенетрация при 25 °С, 1/10 мм Расслоение, % Температура размягчения, °С Расслоение, % Эластичность при 25 °С, % Расслоение, %

до прогрева верх низ до прогрева верх низ до прогрева верх низ

ДСТ-30-01 1,5 90 83 81 2 47 49 49 0 44 55 57 4

3,0 81 108 55 65 61 91 51 56 92 100 48 70

5,0 60 126 38 107 76 100 62 47 97 99 52 62

ДСТ-30Р-01 3,0 102 130 67 64 67 80 46 54 92 100 42 82

СБС 1101 1,5 115 94 91 3 46 47 46 2 46 68 54 23

3,0 90 83 79 5 54 51 50 2 87 72 68 6

5,0 74 130 45 97 69 94 58 47 96 99 57 54

СБС 1186 1,5 94 98 83 17 47 83 47 55 69 99 47 71

3,0 75 108 62 54 66 107 51 71 92 99 52 62

5,0 59 103 41 86 84 113 71 46 98 98 43 78

Элвалой АМ 2,0 95 90 83 8 50 56 57 2 67 68 72 6

Бутонал N8 198 4,0 86 75 61 21 51 55 50 10 68 77 47 48

120

110

100

зг 90

£ 80 а

¡170

х 60

ф с

с» 50 ^

1 40 £ 30 20 10 0

65

1,5 3 5

Концентрация полимера, %

Рис. 2. Оценка стабильности битумополимера по разнице значений пенетрации верхней и нижней части образца:  - СБС 1101;  - СБС 1186;  - ДСТ-30-01

71

50

— — 47 40 47

2 0 2

1,5

Концентрация полимера, %

Рис. 3. Оценка стабильности битумополимера по разнице значений температур размягчения верхней и нижней части образца:  - СБС 1101;  - СБС 1186;  - ДСТ-30-01

наличии полимера, возникают затруднения при оценке расслоения битумополимеров с содержанием полимера свыше 3%. Концентрация полимера в верхней части образца оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить эластичность 99-100% при содержании полимера в 3% (рис. 4). При увеличении содержания полимера до 5% эластичность верхней части остаётся близкой к 100%, в то время как эластичность нижней части образца начинает расти, что свидетельствует о повышении содержания в ней полимера.

90

О" 80

сч

78

71

70

-2»

-64

1,5

Концентрация полимера, %

Рис

4. Оценка стабильности битумополимера по разнице значений эластичности при 25 °С верхней и нижней части образца: Ш - СБС 1101;  - СБС 1186;  - ДСТ-30-01

Тем не менее, при концентрации полимера 5% эластичность показывает различное расслоение для разных видов полимеров (что не наблюдается для расслоения по температуре размягчения) и может служить для сравнительной оценки стабильности битумополимеров в пределах одной концентрации.

107

97

86

54

17

5

02

6

т 00

5

50

40

30

20

а 10

0

5

Таким образом, из трёх показателей: эластичнос- более приемлемыми для оценки стабильности ти, температуры размягчения и пенетрации, наи-

80

70

к 60 s

I

О) О

5 50

го

Q.

£ 40

-65

64"

3% ДСТ-30-01

3% ДСТ-30Р-01

3% СБС 1101 3% СБС 1186

Вид и содержание полимера в вяжущем

2% Элвалой АМ 4% Бутонал NS 198

Рис. 5. Сравнительная характеристика стабильности битумополимеров на основе полимеров разного типа: Ш- показатель расслоения по пенетрации при 25 °С; СИ - показатель расслоения по температуре размягчения; В - показатель расслоения по эластичности при 25 °С

битумополимеров в исследованном диапазоне концентраций полимера, являются пенетрация и эластичность.

Полученные данные позволяют утверждать, что для полимеров, не образующих химические связи с битумом, существует определённая концентрация полимера в битуме, выше которой битумопо-лимер теряет стабильность. Такой процесс характерен для растворов полимеров в низкомолекулярных растворителях [6]. Эта концентрация, возможно, зависит от двух факторов: молекулярной структуры полимера, определяющей его способность растворяться в мальтеновой фракции битума, и концентрации в битуме маль-теновых фракций (выступающих в роли растворителя), о чём косвенно может свидетельствовать вязкость битума. Сравнительный анализ стабильности разных битумополимеров проведен для концентрации полимера в вяжущем, равной 3%. Исключение составляют Элвалой АМ - 2% и Бутонал N8 198 - 4% (рис. 5).

Наибольшей стабильностью при выбранной концентрации обладают СБС 1101 и Элвалой АМ. Ни один из показателей расслоения в этих двух случаях не превышает 10%.

Заключение

Основываясь на полученных результатах, можно использовать критерий стабильности как процентное отношение разности пенетрации при 25 °С верха и низа образца, прошедшего расслоение, к среднему значению этих значений пенет-раций. Можно предположить существование пре-

дельнои концентрации полимера в вяжущем, выше котороИ битумополимер при определённых условиях теряет стабильность. Кроме того, экспериментально подтверждена возможность замены условиИ испытания на стабильность: непрерывный прогрев длительностью 24 часа может быть заменён эквивалентным прогревом, состоящим из трёх циклов по 8 часов каждый.

Литература

1. prEN 13 399. Bitumes et liants bitumineux. De-

termination de la stabilite au stockage des bitumes modifies. - CEN/TC 336. - 2003. -7 p.

2. Гохман Л.М., Гурарий Е.М., Давыдова А.Р.,

Давыдова К.И. Полимерно-битумные вяжущие на основе СБС для дорожного строительства: 4-е изд. - М.: Информавтодор, 2002. - 112 с.

3. Бггуми, модифшоваш полiмерами. ТУ У В.2.7-

24.1-03450778-198-2002. - К.: 2003 - Введён с 2003.01.16. - 22 с.

4. Золотарев В.А., Галкин А.В., Кищинский С.В.

О стабильности при хранении битумов, модифицированных полимерами // Вюник Дон-басько! ДАБА. Композицшш матерiали. -2004. - №1 (43). - Т. 1. - С. 16-22.

5. ГОСТ 11501-78. Битумы нефтяные. Метод оп-

ределения глубины проникания иглы. Взамен ГОСТ 11501. - Введен с 01.01.1980. -4 c.

6. Тагер А. А. Физикохимия полимеров. Изд. 3-е,

перераб. - М.: Химия, 1978. - 544 с.

90

54

30

20

10

0

Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 4 февраля 2005 г.