Применение катионных полимерно- битумных эмульсий на основе нефтяных модифицированных битумов в дорожном строительстве

УДК 691.16:541.6

ПРИМЕНЕНИЕ КАТИОННЫХ ПОЛИМЕРНО- БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ НЕФТЯНЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИТУМОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1 9

В.Б.Балабанов1, Д.А.Милицын2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматриваются проблемы долговечности дорожных покрытий, связанные с применением битумных вяжущих, физико-механические свойства которых не отвечают требованиям климатических факторов. Кроме того, проанализированы пути решения указанных проблем, а также приведены результаты исследований полимерно-битумных вяжущих и катионных эмульсий на основе модифицированного битума. Ил. 5. Табл. 4. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: битумное вяжущее; дорожное покрытие; полимерно -битумное вяжущее; полимерно-битумная эмульсия; органоминеральная смесь.

THE USE OF CATION POLYMER-BITUMINOUS EMULSIONS ON THE BASIS OF OIL MODIFIED BITUMEN IN ROAD CONSTRUCTION V.B. Balabanov, D.A. Militsyn

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article deals with the problems of durability of road surfaces associated with the use of bituminous binders, whose physico-mechanical properties do not meet the requirements of climatic factors. Moreover, it analyzes the ways to solve these problems, as well as provides the study results of polymer-bituminous binders and cation emulsions on the basis of modified bitumen. 5 figures. 4 tables. 10 sources.

Key words: bituminous binder; pavement; polymer-bituminous binder; polymer-bituminous emulsion; organic and mineral mixture.

В развитых странах основным видом дорожных покрытий является асфальтобетон, так как именно он применяется при устройстве верхних слоев дорожных одежд на 90-95% автомобильных дорог. Но, несмотря на многообразие технологических и эксплуатационных преимуществ таких покрытий, они имеют ряд существенных недостатков (трещины, микротрещины, шелушение, выкрашивание и др.)[1]. При ремонте асфальтобетонов применяются следующие технологии: устраивается дополнительный слой асфальтобетонного покрытия (усиление) или поверхностный защитный слой. Наиболее эффективным методом улучшения транспортно-эксплуатационных показателей является метод устройства защитных слоев и слоев износа, так как при этом не требуется больших затрат энергоресурсов, применения дорогостоящей техники и большого количества дорожно-строительных материалов.

Также необходимо отметить, что при устройстве тонких слоев из горячих асфальтобетонных смесей происходит их быстрое остывание, в связи с этим ухудшается процесс уплотнения и, как следствие, понижается сцепление с основанием. Для выполнения таких видов ремонта в мировой практике применяются тонкослойные поверхностные обработки с применением эмульсионно-минеральных смесей на основе кати-

онных битумных эмульсий [3].

Битумные эмульсии в дорожном строительстве применяются давно, но все еще недостаточно. Причины низкого использования нового материала на рынке дорожно-строительного комплекса связаны со свойствами эмульсий. Это их неустойчивость (стремление к распаду), трудность идентификации, сложности при подборе состава и испытаниях [8].

Известно, что дорожные материалы, приготовленные с применением битумных эмульсий, более неприхотливы к погодным условиям и обладают хорошей удобоукладываемостью. В других областях промышленности (пищевой, производстве лаков, красок, косметической и т.д.) имеются наиболее четкие представления об образовании эмульсий и их свойствах.^]. Поэтому за рубежом, в том числе и во Франции, для получения качественных дорожных эмульсий используют знания физикохимии, биологии и других наук [2].

Методам повышения работоспособности дорожных покрытий, в том числе такого качественного показателя, как шероховатости, посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей В. Ф. Бабкова, Н. В. Горелышева, В. И. Резван-цева, М. И. Кучмы, Л. В. Гезенцвея, Н. Ф. Хорошилова, И. А. Плотниковой, И. Н. Петухова, А. С. Макаренко, Э.

1Балабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог. Balabanov Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department Automobile Roads.

2Милицын Дмитрий Александрович, инженер-строитель, начальник центральной строительной лаборатории, аспирант, тел.: 89021719920.

Militsyn Dmitry, Civil Engineer, Head of the Central Construction Laboratory, Postgraduate, tel.: 89021719920.

М. Рачёвой, Д. Ф. Мура, Д. Р. Лемба, Л. А. Горелыше-вой и др. Как уже отмечалось, в настоящее время применяются различные способы повышения эксплуатационных показателей покрытия (шероховатость, ровность). Наиболее эффективным является способ нанесения тонких защитных слоев износа, например, поверхностная обработка. Особенности работы шероховатых слоев износа к настоящему времени достаточно изучены [4,5,6].

В мировой практике при устройстве тонкослойных поверхностных обработок наиболее широкое применение получили органоминеральные смеси типа: Сларри Сил (Slurry Scal), ms (microsurfacing), литые эмульсионно-минеральные смеси (ЛЭМС) с применением катионных битумных эмульсий. Отличительной особенностью от классической поверхностной обработки является как применение используемых материалов, так и технология производства работ. Как известно, при классической поверхностной обработке в качестве вяжущего применяется битум марок БНД. Кроме поверхностных обработок, на основе битумных эмульсий выпускаются органоминеральные смеси, применяемые для устройства оснований в I дорожно-климатической зоне и как основание и покрытие для остальных дорожно-климатических зон РФ. Проведенные промышленные испытания органоминеральных смесей на объектах Иркутской области показали следующие результаты (табл. 1).

В составе смеси применялись следующие материалы: щебень фр. 5-25 «Ангасолка» 50%; песок от-грохотка «Мамоны» 50%; эмульсия МУП АБЗ г. Иркутск 8 - 12%.

Гранулометрический состав смеси приведен в табл. 2.

Тем не менее, необходимо отметить, что регламентируемая ГОСТом температура хрупкости выпускаемых битумов много выше средней температуры «наиболее холодных суток района эксплуатации» (более 96% территории России) [7,8]. Для понижения температуры хрупкости, как в России, так и за рубежом, в битум вводят различные полимеры и пластификаторы, получая полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) или модифицированные битумы. Это существенно позволяет снизить образование морозобой-

ных трещин, а следовательно, продлить срок службы асфальтобетона.

Таблица 1

Физико-механические показатели ОМС

Наименование показателя Требования ГОСТ 30491 - 97 Фактически

Средняя плотность Не нормируется 2,25

Предел прочности на сжатие, МПа

При 20°С не менее 1,4 1,42

При 50 °С не менее 0,5 0,54

Водостойкость Не менее 0,6 0,65

Длительная водостойкость Не менее 0,5 0,45

Водонасыщение, %, не более 10 9,5

Набухание, %, не более 2 0,09

В Канаде, с целью продления срока эксплуатации дорожного покрытия, ведутся работы по устранению трещинообразования с применением различных ПБВ. Для этого различными производителями изготавливаются и поставляются битумные мастики, в состав которых, кроме полимеров, входят и другие компоненты. Структура и оценка состава предлагаемых материалов была произведена с помощью флуоресцентной микроскопии [9]. Кроме этого, для изучения и проектирования битумных вяжущих применяются методы ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) и ЯМР (ядерно-магнитный резонанс). За рубежом развитие проектирования и получения битумных эмульсий ведется с помощью лазерных дифрактометров, электронных микроскопов с программным обеспечением и т.д. [3]. На основании собственных исследований представлены лабораторные результаты изучения полимерно-битумного вяжущего в графическом виде (рис. 1-5) Составы ПБВ изготавливались из смеси битума марки БНД 90/130, масла индустриального И40-А и полимера, выпускаемого ОАО "ВОРНЕЖ-СИНТЕЗКАУЧУК" ДСТ-30-01 (в виде порошка), с целью получения из ПБВ полимерно-битумных эмульсий.

Таблица 2

Гранулометрический состав минеральной части ОМС

Размеры отверстий сит, мм

40 20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,07 дно

Частные остатки, г 0,00 31,21 10,86 46,00 63,74 21,28 7,96 19,47 70,02 33,89 14,47 28,03

Частные остатки, % 0,0 9,0 3,1 13,3 18,4 6,1 2,3 5,6 20,2 9,8 4,2 8,1

Полные остатки, % 0,0 9,0 12,1 25,4 43,8 49,9 52,2 57,8 78,0 87,7 91,9 100,0

Полные проходы, % 100,0 91,0 87,9 74,6 56,2 50,1 47,8 42,2 22,0 12,3 8,1 0,0

Требования ГОСТ 3049197 Щебня не более 70 Не менее 12 Не нормируется

Наименование составов

Рис. 1. Температура хрупкости исходного битума и полученных составов с добавлением полимера СБС в количестве 3,5%

Рис. 2. Температура хрупкости исходного битума и полученных составов с добавлением полимера СБС в

количестве 2,5%

Наименование составов

Рис. 3. Температура размягчения исходного битума и полученных смесей с добавлением полимера СБС в

количестве 3,5%

Наименование составов

Рис. 4. Температура размягчения исходного битума и полученных смесей с добавлением полимера СБС в

количестве 2,5%

80 60

в 40

1 20 г

0 -20 -40 -60 -80

н

я Ц

=

4 Я £ а

О

н

X

5

62 58

46

и

-20

-57 -У2

I температура размягчения

I температура хрупкоста

БНД 90/130 ПБВ, полимера ПБВ, полимера 3,5% 2,5%

Наименование вяжущих

Рис. 5. Максимальные интервалы пластичности исходного битума и полученных составов

Кроме того, эластичность таких битумов выше установленных требований ГОСТ Р 52056, следовательно, битумное вяжущее после выделения его из битумной эмульсии должно обладать подобными свойствами, что и исходное ПБВ.

В результате проведения лабораторных экспериментов с составами № 3,8,9,11 были получены битумные эмульсии с применением французского эмульгатора (йтогат БЦ с использованием СаС12 в качестве стабилизатора. В качестве диспергатора применялась лабораторная коллоидная мельница. Испытания полимерно-битумного вяжущего на хрупкость после выпаривания из него эмульгирующего состава приведены в табл. 3.

На основе полимерно-битумных эмульсий в лабораторных условиях получены органоминеральные смеси. В табл.4 приведены их физико-механические свойства.

Необходимо отметить, что экономическая эффективность применения битумных эмульсий в мировой практике позволяет экономить денежные средства от 20 до 40%. Применение полимерных битумных эмульсий в зоне Сибири и Дальнего Востока позволит

использовать органоминеральные смеси не только в основаниях автомобильных дорог, но и в покрытиях, учитывая повышенные характеристики по температуре хрупкости, температуре размягчения, эластичности.

Таблица 3

Температура хрупкости ПБВ после выпаривания _эмульгатора_

Номер состава t хр исходного ПБВ t хр ПБВ после выпаривания эмульгатора Изменения в % Требования ГОСТ Р 51282003

3 -34°С -31°С 8,8 не более 10%

8 -32°С -29°С 9,4 не более 10%

9 -38°С -36°С 5,3 не более 10%

11 -47°С -43°С 8,6 не более 10%

Таблица 4

Физико-механические свойства органоминеральных смесей_

Физико-механические показатели Требования ГОСТ 30491-97 (основание) Требования ГОСТ 30491-97 (покрытие) Эмульсия на основе БНД90/130 Эмульсия на основе ПБВ

Средняя плотность Не нормируется 2,25 2,31

Предел прочности на сжатие, МПа

При 20°С не менее 1,4 1,6 1,42 1,51

При 50 °С не менее 0,5 0,8 0,54 0,81

Водостойкость Не менее 0,6 0,75 0,65 0,77

Длительная водостойкость Не менее 0,5 0,65 0,45 0,67

Водонасыщение, %, не более 10 от 2,0 до 6,0 9,5 5,72

Набухание, %, не более 2 2 0,09 0,32

Таким образом, полимерно-битумные эмульсии на основе ПБВ в сочетании с новыми технологическими приемами при устройстве поверхностных обработок, а возможно и при устройстве покрытий, как холодные смеси, позволят увеличить срок эксплуатации асфальтобетонных покрытий, как минимум, на полтора, два года.

Библиографический список

Кроме того, применяя новые ресурсосберегающие, менее энергоемкие, более экологически чистые технологии, можно добиться уменьшения недоремон-та сети автомобильных дорог с наименьшими экономическими затратами.

1. Алферов В.И. Повышение эксплуатационных свойств слоев износа и качества ремонтных работ на основе катион активных битумных эмульсий: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж: ВГАСУ, 2001.

2. Быкова Н. Дороги прослужат дольше // Автомобильные дороги. 2006. №5. С. 33 -37.

3. Горелышева Л. А. Битумные эмульсии в дорожном строительстве. Обзорная информация. Информационный центр по автомобильным дорогам. М.: 2003. Вып.7.

4. Немчинов М. В. Устройство шероховатых слоев износа // Наука и техника в дорожной отрасли. 2001. №5. С.84.

5. Никишина И. Г. Опыт устройства поверхностной обработки дорог на объектах ДООФ // Техника и технология дорожного хозяйства. 1998. №3. С.39 - 41.

6. Панькин С. В.,Геймор В.Ф., Шевченко В.И. Опыт работы

федеральной дирекции автомобильной дороги Воронеж -Ростов-на-Дону по применению эффективных материалов и прогрессивных технологий // Автомобильные дороги. Информационный сборник. 1998. №3.С.9-13.

7. СНиП 23.01.99 Строительная климатология.

8. Третий международный конгресс по эмульсиям. Лион, 2002. Сентябрь.

9. Bibette J., Leal - Calderon F., Schmitt V., Poulin P., Emulsion Science, Basic Principles. An Overview. - S. Springer Tracts in modem physics. 2002. Vol. 181. 140 p.

10. Masson, J. F., Collins, P., Margeson, J.C., Polomark Analysis of bituminous crack sealants by physicochemical methods and its relationship to field performance. // G.M A version of this paper is published in Transportation Research Record, 2002, pp. 1-25 NRCC-45015.

УДК 691.16:541.6

КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ В УКАТЫВАЕМОМ БЕТОНЕ

1 9

В.Б.Балабанов1, В.Л.Николаенко2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведён краткий анализ проблемы долговечности существующих асфальтобетонных покрытий в РФ. Кроме того, рассматривается зарубежный опыт строительства перспективных покрытий из укатываемого бетона с использованием отходов промышленного производства. Рассмотрены пути решения указанных проблем для Восточно-Сибирского региона и Республики Бурятия, приведены результаты экспериментальных исследований укатываемого бетона с применением золы-уноса и асфальтобетонного гранулята. Установлено, что совместное применение золы-уноса и асфальтобетонного гранулята не снижает прочностных характеристик укатываемого дорожного бетона и удешевляет его стоимость. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: асфальтобетонный гранулят; бетон; зола -уноса; класс бетона; покрытие; укатываемый бетон; утилизация.

1Балабанов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог Института архитектуры и строительства, тел.: 89025161302

Balabanov Vadim, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Automobile Roads of the Institute of Architecture and Building, tel.: 89025161302.

2Николаенко Валерий Леонидович, аспирант, e-mail: nikolaenko.07@mail.ru Nikolaenko Valery, Postgraduate, e-mail: nikolaenko.07@mail.ru