Дорожный битумный композиционный материал с улучшенными характеристиками

А. И. Юсупов, А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева

ДОРОЖНЫЙ БИТУМНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Ключевые слова: битумное вяжущее, асфальтобетон, прочность, водонасыщение.

В статье представлены экспериментальные данные по оценке влияния полимерной добавки и этерифицирован-ного кремнезема на физико-химические и эксплуатационные свойства асфальтобетона. Выявлено, что совместное введение в битумы низкоокисленного атактического полипропилена и этерифицированного кремнезема способствует повышению прочностных свойств асфальтобетона и снижению его водонасыщения.

Key words: bitumen binder, asphalt concrete, durability, water saturation.

The article presents experimental data of polymer additive and esterified silica influence estimation to physicochemical and performance properties of asphalt concrete. It is revealed that joint introduction of oxidized atactic polypropylene and esterified silica to bitumen binder helps to increase the durability of asphalt concrete and to decrease it’s water saturation.

Введение

В дорожном строительстве, широко применяются дорожные битумные композиционные материалы - асфальтовые материалы — природные или искусственные смеси, состоящие из минеральных материалов различной крупности, связанных в одно целое органическими вяжущими - битумами. Среди асфальтовых материалов широко распространен в дорожном строительстве асфальтовый бетон - искусственный монолитный материал, полученный в результате уплотнения рационально подобранного состава каменного остова (щебня или гравия и песка) и скрепляющего его вяжущего вещества (битума).

В качестве минерального составляющего в асфальтовом бетоне в зависимости от его вида используются: щебень разной крупности, клинец, каменная мелочь, высевки, гравий, песок и минеральный порошок [1].

Асфальтовый бетон обладает значительной прочностью, водонепроницаемостью, водоустойчивостью, способностью к упругим и пластическим деформациям. Асфальтовый бетон обеспечивает удобство и быстроту ремонта дорожных покрытий, а также хорошее сцепление с автомобильными шинами [2].

Асфальтовый бетон относится к группе строительных материалов с коагуляционной структурой, отличающейся ярко выраженными пластическими свойствами [3].

Структура асфальтового бетона представляет каменный остов, состоящий из щебня или гравия, в промежутках между которыми находятся зерна песка. Каменный остов и песок соединены между собой асфальтовяжущим веществом.

Формирование и монолитность структуры асфальтового бетона достигается в процессе перемешивания составляющих и их уплотнения. В результате перемешивания происходит обволакивание поверхности зерен, каменного остова тонкой пленкой вяжущего вещества [4].

При уплотнении составляющие частицы сближаются, склеиваются и смесь превращается в единый материал, обладающий определенными физико-механическими свойствами. Взаимная связь и сцепление минеральных частиц, составляющих асфальтовый бетон, происходит благодаря внутреннему трению между ними и вследствие склеивания их битумом в местах взаимного соединения [2].

Таким образом, неотъемлемым компонентом в асфальтобетоне является битум.

Из теории поверхности явлений известно, что тонкие слои жидких или вязко-жидких материалов, нанесенных в виде клеющей смазки на поверхности соединяемых твердых тел, образуют прочную связь между ними. Поэтому прочность «склеивания» минеральной части асфальтового бетона с битумом будет иметь место при оптимальной тонкости битумной пленки. Эта тонкость битумной пленки и создается введением в состав асфальтобетонной смеси минерального порошка [2]. Введение минерального порошка также увеличивает плотность и водоустойчивость асфальтобетона.

Назначение битума состоит, в первую очередь, в соединении (склеивании) минеральных составляющих асфальтового бетона [5]. Кроме того, битум обволакивает минеральные частицы тонкой битумной пленкой, и, заполняя пустоты между ними, препятствует проникновению влаги в асфальтовый бетон, придавая минеральным частицам гидрофобные свойства.

Исходя из той важной роли, которую играет битум в асфальтобетоне, вполне логично, что к вопросу улучшения качества асфальтобетона часто подходят с позиции совершенствования битумного вяжущего.

Экспериментальная часть

Целью исследований является установление закономерностей влияния модифицирующих добавок для битумного вяжущего на свойства асфальтобетона.

Были приготовлены битумные вяжущие на основе вязкого дорожного битума марки БНД 60/90. Основные характеристики битума приведены в таблице 1. Битумные вяжущие модифицировались аморфным термопластичным полимером - низко-окисленным атактическим полипропиленом (ОАПП-н) и этерифицированными кремнеземами марок Силином БС-300Я2, Силином БС-300Я3.

Таблица 1 - Основные характеристики битума

Наименование показателя Значения

БНД 60/90

Температура, 0С

- размягчения по КиШ 46

- хрупкости по Фраасу -14

Глубина проникания иглы при 250С, х0,1мм 72,5

Растяжимость при 250С, см 56

Адгезия по ГОСТ 11508-74, баллы 3

Модифицированные битумные вяжущие получали следующим образом. Битум нагревали в емкости с мешалкой до 1300С, добавляли рассчитанное количество мелко измельченного термопластичного полимера, перемешивали в течение 5 минут, порционно вводили этерифицированный кремнезем и перемешивали при данной температуре в течение 30 минут. Лабораторный контроль качества битумных вяжущих проводился в соответствии с ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие».

Следует отметить, что в результате проведенных ранее исследований было выявлено, что введение исследованных добавок приводит к улучшению качества дорожного битумного вяжущего и повышению его адгезии к минеральному материалу [6, 7].

Конечной целью улучшения качества битумного вяжущего является повышение эксплуатационных показателей асфальтобетона. Были приготовлены образцы асфальтобетона на основе битумных вяжущих, одновременно содержащих полимер ОАПП-н и этерифицированные кремнеземы.

Для приготовления асфальтобетонных образцов выбрана асфальтобетонная смесь горячая, щебеночная, мелкозернистая, плотная типа А марки I по ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальтобетонные, аэродромные и асфальтобетон».

Оценка качества асфальтобетона проводилась по следующим показателям: предел прочности на сжатие при 200С, 500С и при 200С после водонасы-щения, водонасыщаемость.

Рецептура асфальтобетонных смесей, масс.%: щебень, фракция 5-20мм - 55; песок, фракция 0-5мм

- 37; минеральный порошок - 8; битумное вяжущее

- 6. Средняя плотность образцов - 2,13 г/см3; остаточная пористость асфальтобетона в среднем -4 об %.

На рисунке 1 представлена зависимость предела прочности на сжатие при 200С образцов асфальтобетона от содержания ОАПП-н и этерифици-рованных кремнеземов в битумном вяжущем.

Исходя из представленных графиков, видно, что асфальтобетонные образцы на основе битумного вяжущего, содержащего одновременно полимерную добавки ОАПП-н и этерифицированный кремнезем, имеют более высокие прочностные показатели, чем асфальтобетонный образец на основе битумного вяжущего, содержащего только битум БНД 60/90.

Усилия локальных нагрузок вначале воспринимаются агрегатами асфальтенов, но при превышении определенных нагрузок усилие начинает передаваться на относительно легко подвижные молекулы мальтеновой фракции, и агрегаты асфальтенов начинают двигаться в массе мальтенов, что приведет к деформации образцов асфальтобетона. Молекулы полимеров и введенных этерифицированных кремнеземов дисперсно упрочняют битумную систему, тем самым способствуют распределению усилий локальных нагрузок на больший объем материала. Это приводит как к возрастанию ударной вязкости битума, так и вызывает увеличение показателей прочности материала на его основе.

Рис. 1 - Зависимость предела прочности на сжатие при 200С образцов асфальтобетона от содержания ОАПП-н и этерифицированных кремнеземов в битумном вяжущем

На рисунке 2 представлена зависимость показателя водонасыщения образцов асфальтобетона от содержания ОАПП-н и этерифицированных кремнеземов в битумном вяжущем.

Рис. 2 - Зависимость водонасыщения образцов асфальтобетона от содержания ОАПП-н и этери-фицированных кремнеземов в битумном вяжущем

Совместное добавление в битумное вяжущее полимерной добавки ОАПП-н и этерифицирован-ных кремнеземов положительно отражается на адгезии вяжущего к минеральному материалу, поэтому, можно утверждать, что повышение прочностных показателей образцов асфальтобетона есть следствие повышения адгезии битумного вяжущего к минеральной части асфальтобетона.

Увеличением адгезии также можно объяснить снижение водонасыщения асфальтобетонных образцов на основе битумного вяжущего, содержащего одновременно полимерную добавки ОАПП-н и эте-рифицированный кремнезем. Минеральные наполнители являются высокополярными соединениями и они хорошо адсорбируют на своей поверхности молекулы воды, которая является одной из наиболее агрессивных сред для адгезионных контактов. Межфазная область твердое вещество - вода - битум практически не препятствует движению частиц минерального наполнителя при механических деформациях. Хороший адгезионный контакт между частицами минерального наполнителя и битумным вяжущим исключает внедрение воды в пограничную область раздела фаз.

Выводы

Асфальтобетонные смеси на основе битумного вяжущего, содержащего одновременно ОАПП-н и этерифицированные кремнеземы, по сравнению с асфальтобетонными смесями на основе битумного вяжущего, содержащего только битум БНД 60/90, демонстрируют улучшение свойств, а именно, битумное вяжущее, содержащее одновременно ОАПП-н и этерифицированный кремнезем, по сравнению с битумным вяжущим, содержащим только битум

БНД 60/90, позволяет повысить прочность асфальтобетона при 200С в среднем на 20%, прочность при 500С - на 25%, понизить водонасыщение асфальтобетона почти в 2 раза.

Поскольку прочность и водонасыщение являются основными показателями, определяющими долговечность асфальтобетонного покрытия, полученные результаты позволяют говорить об увеличении межремонтного срока эксплуатации асфальтобетонных дорожных покрытий на основе исследованных битумных вяжущих.

Литература

1. Superpave Mix Design. Asphalt Institute Superpave Series № 2 (SP-2), 1996 Printing. - 1996.

2. Сюньи Г.К. Дорожный асфальтовый бетон. - Киев, 1962.

3. Гезенцвей Л.Б. Дорожный асфальтовый бетон. - М.: Минкомхоз, 1960.

4. ВаренькоВ.А. Дорожные композитные материалы. Структура и механические свойства. - Минск: Наука и техника, 1993.

5. Рыбьев И.А. Опыт построения структурной теории прочности и деформационной устойчивости асфальто-бетона:Сб. науч.тр. / МАДИ. - М, 1958. - Вып. 23

6. Абдуллин А.И. Полимер модифицированное битумное вяжущее с кремнийорганической добавкой / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, И.Н. Дияров, А.М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №7. - С. 209-211.

7. Абдуллин А.И. Изучение влияния полимерной добавки на свойства битумно-полимерного вяжущего / А.И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, А. М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№9. - С. 205-207.

© А. И. Юсупов - инж. ФКУ «Волго-Вятскуправтодор», асп. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, vvfad@inbox.ru; А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры, lena-ae@mail.ru.