Влияние температуры на адгезионную способность битума к минеральным материалам

УДК 665.7.038.2

И. И. Мухаматдинов, А. Ф. Кемалов, П. С. Фахретдинов

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА АДГЕЗИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ БИТУМА К МИНЕРАЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Ключевые слова: адгезионная присадка, модифицированный битум, термостабильность.

На основе концепции неклассических катионных поверхностно-активных веществ разработана новая адгезионная присадка, которая положительно влияет на термическую стабильность. Проведена сравнительная оценка влияния адгезионных присадок на термическую стабильность битумов с отечественными и зарубежными присадками.

Keywords: adhesive additives, modified bitumen, thermal stability.

Based on the concept of non-classical cationic surfactants developed a new adhesive additive which favorably affects the thermal stability. A comparative assessment of the impact of adhesive additives on the thermal stability of bitumen with domestic and foreign additives.

Используемые в дорожном строительстве нефтяные битумы характеризуются разнообразием состава и сложностью химической структуры, которые зависят как от природы нефтяного сырья, так и от технологии его переработки. Не редко применяемые в России битумы в силу подверженности процессам окисления при их производстве не позволяют обеспечить необходимое качество по показателю сцепления с каменными материалами. Кроме того, асфальтобетонные покрытия работают в условиях агрессивного атмосферного воздействия воды (дождь, талый снег), длительность и интенсивность которого зависит от климатических условий региона.

Адгезия битума - это прочность его прилипания к скелетообразующим материалам органоминерального композита. Показателем величины адгезии является способность битума удерживаться на поверхности каменного материала под воздействием агрессивной среды, имитируемой кипячением в воде в течение определенного периода времени [1]. Важно учесть, что действующими техническими стандартами к дорожным битумам не предъявляются необходимые требования к оценке качества адгезии битума с каменными материалами.

Адгезия битумов с поверхностью минеральных материалов основной породы, а также с влажными минеральными материалами независимо от их природы является неудовлетворительным.

Одним из вариантов повышения эксплуатационных свойств асфальтобетона является модификация битума, направленная на существенное улучшение адгезии вяжущего к поверхности минерального материала. Такое улучшение адгезионных свойств вяжущего возможно за счет использования адгезионных присадок,

способствующих усилению адсорбционных и хемосорбционных процессов на границе раздела фаз «битум - минеральный материал».

В качестве таких присадок наиболее часто выступают поверхностно-активные вещества [2-4].

Для формулировки требований к структуре соединений, потенциально повышающих адгезию битумов к минеральной подложке, в данной работе использовали ранее разработанную концепцию неклассических катионных поверхностно-активных

веществ (ПАВ) [5,6] и на ее основе провели конструирование соответствующих неклассических азотсодержащих соединений. В результате создана адгезионная присадка «Адгезолин» и разработана технология ее производства [7,8].

В ходе исследования использовали следующие материалы:

• щебень Первоуральского месторождения (диорит) и Биянковского щебеночного завода (карбонат) фракции 20-40 мм;

• битум марки БНД 60/90 ОАО «ТАИФ-НК»;

• присадки: «Адгезолин», «БП-КСП», <^еШх» [9-11].

Присадки вводились в битум в оптимальных дозировках, рекомендуемых организациями-разработчиками, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Дозировки адгезионных присадок в битуме

Наименование добавки «БП-КСП» «Wetfix» «Адгезолин»

Дозировка присадки,% масс. 0,8 0,5 0,8

Определение адгезии битумного вяжущего с минеральным материалом проводилось по ГОСТ 11508-76 методом А - «пассивное» сцепление, сущность которого заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности минерального материала при воздействии воды [12]. Визуальным осмотром поверхности щебня по степени сохранности пленки битума оценивали его сцепление с поверхностью минерального материала. Для оценки качества сцепления битумного вяжущего использовали пятибалльную систему [13]. Битум считается выдержавшим испытание на «пассивное» сцепление, если после испытания сцепляемость с минеральным материалом соответствует контрольному образцу № 1 или 5 баллам, т. е. наблюдается полное покрытие битумом каменного материала.

Wetfix

Ннийеновниие присадки Рис. 1 - Термическая стабильность битумов, модифицированных присадками при температуре 163 0С (А-диорит, Б-карбонат) И - 5 часов; ш - 10 часовш - 15 часов; |—1 - 20 часов; И - 25 часов

Известно, что смешение компонентов асфальтобетонной смеси производится путем перемешивания битума с каменным материалом при высоких температурах (160-170 0С). При этом обычно происходит взаимодействие битума с кислородом воздуха, приводящее к охрупчиванию и, как следствие, к интенсивному старению битума [14]. Кроме того, известно, что недостатком некоторых типов ПАВ является их низкая термостабильность [15]. Поэтому было целесообразно изучить склонность битума к старению, а также влияние адгезионных добавок на температурную деградацию модифицированного вяжущего.

В связи с этим, исследование влияния температуры на адгезионную способность окисленного битума, модифицированного присадками, проводили при температурах 163, 180 и 200 0С и продолжительности нагревания до 25 часов. Пробы отбирали через каждые 5 часов и проверяли адгезию модифицированных битумов к минеральной подложке по методике [12].

Как видно из данных, представленных на рисунке 1, термостатированные образцы битума, модифицированного присадкой «Адгезолин», при температуре 163 0С в течение 20 часов проявляют адгезию к каменному материалу Первоуральского месторождения (диорит), оцениваемую 5 баллами (соответствует контрольному образцу №1). В то время как присадки «БП-КСП» и «Wetfix» после 15 часов термостатирования проявляют адгезию не выше 4 баллов.

При использовании карбонатных пород при этой же температуре адгезия битума, модифицированного присадкой «Адгезолин» к карбонатам достигает 5 баллов при 10-часовом термостатировании.

Найдено, что при повышении температуры до 180 0С с теми же видами минеральных материалов (диорит и карбонат) адгезия битума, модифицированного предлагаемой присадкой «Адгезолин», после 5-часового термостатирования

снижается до 4 баллов, в то время как у образца битума, модифицированного присадкой «БП-КСП», после 10-часового термостатирования адгезия снизилась с 4 до 3 баллов к минеральному материалу типа диорит, в то время как к карбонатам такое явление уже наблюдалось после 5-часового термостатирования.

Для сравнения необходимо отметить, что при температуре 180 иС адгезия битума, модифицированного присадкой <^еЙ1х», к диориту при 15-часовом термостатировании сохраняется на уровне 5 баллов, а дальнейшее увеличение времени нагрева приводит к уменьшению адгезии до 4 баллов. При этом адгезия битума, модифицированного присадкой <^еЙ1х», к карбонатам достигает 4 баллов при 15-часовом термостатировании при температуре 180 0С, дальнейшее продолжение нагревания приводит к снижению адгезии до 3 баллов (рис.2).

\Л/еНчх На именование приладки

Рис. 2 - Термическая стабильность битумов,

модифицированных присадками при температуре 180 0С (А-диорит, Б-карбонат) И - 5 часов; ш - 10 часов;Ш - 15 часов; У - 20 часов; ^ - 25 часов

Повышение температуры нагрева до 200 0С и выдерживании в течение 5 часов приводит к тому, что адгезия битума, модифицированного присадкой «Адгезолин», к диориту снижается до 4 баллов.

При использовании карбонатных пород даже 25-часовое нагревание при 200 0Собеспечивает адгезию в 4 балла. Следует отметить, что для битума с присадкой «БП-КСП» даже 5-часовое нагревание при 200 0С приводит к снижению адгезии с 4 до 3 баллов к диориту, а к карбонату обеспечивается адгезия в 3 балла в течение 25-часового термостатирования.

Для сравнения приводим данные по адгезии битума, модифицированного присадкой <^е1йх», при этой температуре с теми же видами каменных материалов. Оказалось, что адгезия к диориту и карбонату при 15-часовом нагревании при 200 0С составляет 4 балла, а дальнейшее увеличение времени нагревания снижает адгезию до 3 баллов.

обладающая стабильностью при высоких температурах (до 200-220 0С).

\Л/еНчх Юваниеприсадки Рис. 3 - Термическая стабильность битумов, модифицированных присадками при температуре 200 0С (А-диорит, Б-карбонат) И - 5 часов; ш - 10 часов; ш - 15 часов; У - 20 часов; ^ - 25 часов

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что разработанная авторами адгезионная присадка «Адгезолин» обладает более высокой термостабильностью, нежели <^еЙ1х» и «БП-КСП».

Следует также отметить, что присадка «Адгезолин» улучшает не только свойства битумов, но и асфальтобетона, т.е. ее можно отнести в разряд модификаторов комплексного действия.

Преимуществом присадки «Адгезолин» является то, что она не имеет резкого запаха, чем положительно отличается от присадки «БП-КСП».

Таким образом, нами разработана адгезионная присадка «Адгезолин», обеспечивающая очень высокую адгезию битума к минеральным материалам, улучшающая свойства битума и асфальтобетона и

Литература

1. А.И. Траутваин, В.В. Ядыкина, Д.В. Землякова, Дороги и мосты, 31, 1, 225-240

2. Е.П. Кулик, ВестникХНАДУ, 30, 3,9-12

3. П.А. Кудряшов, В.Г. Гермашев, В.В. Ядыкина, К.А.Полежаев. - URL: http://nanosintez.kz/sites/default/files/Vliyanie%20na%20ter mostabilnost%20bituma.pdf

4. А.Ф. Кемалов. Автореф. дисс. д-ра техн. наук, Казанск. гос. техн. ун-т, Казань, 2005. 42 с.

5. П.С. Фахретдинов. Дисс. канд. хим. наук. Казанск. гос. техн. ун-т, Казань, 1997. 290 с.

6. П.С. Фахретдинов XVIIIМенделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, Россия, сентябрь 23-28, 2007), Москва, 2007. с. 483.

7. И.И. Мухаматдинов, П.С. Фахретдинов, А.Ф. Кемалов, Нефтепереработка и нефтехимия, 12, с. 33-36

8. И.И. Мухаматдинов, А.Ф. Кемалов, П.С. Фахретдинов, Наука и техника в дорожной отрасли, 4, с. 30-31

9. ТУ 0257-007-02066730-2013 Модификатор дорожных битумов комплексного действия «Адгезолин»

10. ТУ 0257-001-26813195-2002 Присадка адгезионная для дорожных битумов «БП-КСП». Технические условия.

11. Паспорт безопасности Wetfix ВЕ. - URL: http://emulbittech.ru/wetfix be

12. ГОСТ 11508 - 76. Битумы нефтяные. Метод определения сцепления битума с мрамором и песком.

13. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства

14. Колбановская А. С. Дорожные битумы/ А. С. Колбановская, В.В. Михайлов. - М.: Транспорт, 1973. -264 с.

15. Т.С. Худякова, Д.А. Розенталь, И.А. Машкова, Е. В. Коршунова, Химия и технология топлива и масел, 12, с. 28-29 (1990).

© И. И. Мухаматдинов - аспирант кафедры высоковязких нефтей и природных битумов (ВВН и ПБ) Казанского (Приволжского) федерального университета, e-mail: mc-gross@mail.ru; А. Ф. Кемалов - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ВВН и ПБ Казанского (Приволжского) федерального университета, e-mail: alim.kemalov@mail.ru; П. С. Фахретдинов - к.х.н., доцент кафедры ВВН и ПБ Казанского (Приволжского) федерального университета, e-mail: cn761f@gmail.com

© I. I. Mukhamatdinov - graduate student of department of high oil and natural bitumen Kazan (Volga Region) Federal University, email: mc-gross@mail.ru; A. F. Kemalov - Professor, Head of Department of high oil and natural bitumen Kazan (Volga Region) Federal University, e-mail: alim.kemalov@mail.ru; P. S Fakhretdinov - Ph.D., Associate Professor, Department of high oil and natural bitumen Kazan (Volga Region) Federal University, e-mail: cn761f@gmail.com.