На правах рукописи
ХАФИЗОВ ЭДУАРД РАДИКОВИЧ
АСФАЛЬТОБЕТОН НА БИТУМ-ПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань - 2003 Диссертация выполнена на кафедре автомобильных дорог Казанской государственной архитектурно-строительной академии.
Научный руководитель:
- доктор технических наук, профессор Заслуженный строитель и деятель науки РТ А.И. Брехман
Научный консультант: - доктор технических наук, профессор Заслуженный деятель науки РФ и РТ В.Г. Хозин
Официальные оппоненты:
- член-корр. РААСН, доктор технических наук, профессор Заслуженный деятель науки РФ Р.З. Рахимов - кандидат технических наук, профессор Н.В. Быстрое
Ведущая организация: - Проектное ремонтно-строительное объединение «Татавтодор»
Защита состоится 10 декабря 2003 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета К 212.077.01 в корпусе В ауд. 209 Казанской государственной архитектурно-строительной академии по адресу:
420043, г. Казань, ул. Зеленая, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанской государственной архитектурно-строительной академии.
Автореферат разослан б ноября 2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент /f A.M. Сулейманов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из ключевых направлений повышения качества и эффективности работ по строительству и ремонту дорожных асфальтобетонных покрытий является повышение качества дорожных битумов.
Однако качество дорожных покрытий до сих пор является актуальным для России. Обычно асфальтобетонные покрытия на основе битума не способны обеспечить в условиях современного грузонапряженного и интенсивного движения требуемых физико-механических свойств покрытий и их долговечность. Низкая эластичность, недостаточные показатели трещиностойкости и температурного интервала работоспособности ограничивают применение изделий из них в жаркий летний период и зимой, особенно в районах с резко континентальным климатом. Это основные недостатки, по которым битум не выдерживает предъявленных к нему требований. Одним из основных способов повышения сроков службы асфальтобетонных покрытий в силу физической природы и структурных особенностей асфальтобетона является изменение структуры и свойств органических вяжущих материалов, используемых для его приготовления.
Наиболее перспективным направлением является модификация битумов полимерами. В настоящее время наибольший интерес вызывает применение полимеров класса термоэластопластов (ТЭП), например, блоксополимеров бутадиена и стирола типа СБС, так как они сочетают в себе необходимые преимущества по сравнению с полимерами других классов. ТЭП придают органическому вяжущему не только повышенную эластичность, но и расширяют температурный интервал работоспособности. Снижают остаточную деформацию, что дает возможность использования в дорожном строительстве битумов с высокой пенетрацией. Однако синтетические ТЭП, как модификаторы битумов, не лишены недостатков — битум-полимерные вяжущие (БПВ) на их основе не устойчивы к окислительному воздействию кислорода воздуха, а, следовательно, дорожные покрытия на их основе не обладают высокой долговечностью. В связи с этим разработка новых составов БПВ полифункционального действия для асфальтобетонов, используемых в верхних слоях дорожного покрытия, представляется актуальной задачей.
Цель работы. Разработка высококачественного асфальтобетона с применением нефтяных дорожных битумов модифицированных смесевым термоэластопластом.
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:
- исследовать влияние добавки смесевого ТЭП на основные свойства дорожного битума и определить их оптимальные соотношения;
- исследовать изменения структурно-динамических свойств битума при его модифицировании смесевым ТЭП;
- разработать технологию приготовления БПВ;
- исследовать физико-механические свойства асфальтобетона с применением модифицированного битума;
- дать экономическую оценку эффективности асфальтобетона на модифицированном вяжущем.
Научная новизна работы:
- установлено, что введение в состав битума смесевого ТЭП существенно улучшает его эксплуатационно-технические показатели: повышает теплостойкость, эластичность и морозостойкость;
- методом оптической микроскопии выявлен характер распределения смесевого ТЭП в битуме при 25°С. Установлено, что с ростом концентрации смесевого ТЭП от 1,5 до 3% глобулярные частицы набухшего полимера превращаются в непрерывную сетчатую структуру, пронизывающую битумную матрицу. Методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) выявлено, что смесевой ТЭП существенно затормаживает молекулярную подвижность битума, обеспечивая рост теплостойкости;
- установлено, что введение добавки катионактивных ПАВ в БПВ с применением смесевого ТЭП приводит к повышению показателя сцепления вяжущего с минеральными материалами кислых и основных пород.
- установлено, что добавки смесевого ТЭП улучшают показатели физико-механических свойств асфальтобетона, превосходя аналогичные показатели свойств асфальтобетона с применением исходного битума и БПВ с дивинил-стирольным термоэластопластом (ДСТ).
Практическая ценность состоит:
- в разработке БПВ для асфальтобетона и технологии их получения с применением смесевого ТЭП для верхних слоев дорожных покрытий;
- в практическом апробировании асфальтобетона с применением модифицированного битума.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях КазГАСА, Казань (2000-2003 г.г.); на II Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева (2001 г.); на IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Республики Татарстан, г. Казань (2001 г.); на III Молодежной научно-практической конференции студентов и аспирантов, г. Казань (2001 г.);
на ХХХП Всероссийской научно-технической конференции, г. Пенза, ПГАСА (2003 г.); на III Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева (2003 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованных источников из 145 наименований и приложений.
Работа содержит Г77 страш^.^щщерисного текста, 0- В первой главе приведен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященный битум-полимерным материалам, нашедшим наибольшее развитие в строительстве дорожных покрытий.
Большой вклад в разработку теории и способов модификации битумов добавками полимеров внесли А.И. Лысихина, Г.И. Горшенина, Н.В. Горелышев, Л.М. Гохман, С.Н. Попченко, A.M. Кисина, В.А. Золотарев, В.А. Захаров, В.П. Лаврухин, Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Стабников, Г.А. Бонченко, А.П.
Платонов, Д.А. Розенталь, В.Г. Хозин, Томпсон, Хойберг, Эссер и др.
Показано, что основная цель модификации битумов - расширение температурного интервала работоспособности битума, придание ему эластических свойств и стабильности во времени.
На основании литературного обзора сформулированы основные пути повышения качества асфальтобетона с применением модифицированных битумов. Решение этих задач сводится к разработке новых составов полифункционального действия и совершенствованию технологии строительства дорожных одежд с применением полимерных добавок.
Среди существующих классов полимеров, наиболее эффективными модификаторами битумов являются синтетические ТЭП, а именно дивинилстирольные (ДСТ) и стирол-бутадиен-стирольные (СБС).
В основу работы положена рабочая гипотеза, которая состоит в том, что получение долговечных дорожных органических вяжущих с высокими эксплуатационными характеристиками достигается вследствие введения в битум смесевого ТЭП, способствующего образованию сопряженного эластичного асфальтено-полимерного каркаса в дисперсионной среде битума и придающего дорожному вяжущему повышенную деформативность в широком интервале эксплуатационных температур.
Во второй главе приведены теоретические представления о процессах, протекающих в системе «битум-термоэластопласт» и влияние битумполимерных вяжущих (БПВ) на процессы структурообразования в асфальтобетоне.
Показано, что необходимым условием для создания долговечных БПВ является хорошая совместимость полимеров с битумами, т. е. растворимость.
Соблюдение этого условия позволяет существенно улучшить структуру и свойства БПВ, регулируя их направленно. Безусловно, большую роль в этом играет групповой состав дисперсионной среды битума и структура битума.
В настоящее время оптимальной считается структура БПВ, в которой полимер при определенном содержании в системе образует пространственные сетки. Для образования пространственной сопряженной структуры полимера в битуме большое значение имеет то, как распределяются макромолекулы, и как они взаимодействуют с коагуляционным каркасом из асфальтенов.
Наличие сопряженного пространственного асфапьтено-полимерного каркаса в дисперсионной среде БПВ обусловливает его меньшую температурную чувствительность, т. е. будет способствовать повышенной деформативной и динамической устойчивости асфальтобетона в области отрицательных температур и, одновременно, большую прочность при высоких положительных температурах.
Большую роль играет толщина «жидкой» фазы между твердыми частицами. Для того чтобы битум мог выполнять свою роль в асфальтобетоне он должен быть равномерно распределен в минеральном материале, и возможно более полно покрывать минеральные частицы.
В третьей главе приведены характеристики материалов и основные методы исследований.
В работе использованы нефтяные дорожные битумы марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 производства ОАО «Санбит» р. Татарстан.
Для модификации битумов применен смесевой ТЭП, представляющий собой тонкодисперсную механическую смесь на основе полиэтилена высокого давления (ПЭВД), этилен-пропиленового каучука тройного (СКЭПТ), изопренового каучука (СКИ-3). Технология получения разработана на кафедре «Технологии производства эластомеров» КазГТУ под руководством проф.
СИ. Вольфсона (смешение в резиносмесителе при температуре 150-180 С).
Для улучшения сцепления БПВ с минеральными материалами применяли адгезионные присадки БП-3 и БП-КСП.
Исследования проводились с применением асфальтобетонных смесей согласно ГОСТ 9128-97.
В качестве минеральных заполнителей при приготовлении асфальтобетонных смесей (АБС) использовались гранитный щебень марки по дробимости 1000, гранитные высевки Новосмоленского месторождения, песок речной с модулем крупности 1,25 Камского месторождения, известняковый минеральный порошок.
Для исследования структуры и свойств ПБВ использовались методы оптической микроскопии, ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), стандартные методы испытаний битума по ГОСТ 22245-90.
Сцепление органических вяжущих с минеральными материалами оценивалось как визуально по ГОСТ 11508-74, так и количественно так называемым методом адгезионной способности битума.
Микроструктуру БПВ изучали и фотографировали на микроскопе МИМв соответствии с ГОСТ 22023-76.
Измерения времен поперечной релаксации Тг проводились методами спада свободной индукции (ССИ) на лабораторных спектрометрах ядерного магнитного резонанса. При измерениях использовалось цифровое накопление сигнала.
Для исследования физико-механических характеристик асфальтобетона использовались стандартные методы испытаний по ГОСТ 12801-98. При этом для сравнения испытывались асфальтобетонные смеси, приготовленные на БПВ с применением ДСТ.
Исследования вязкости асфальтобетона проводились методом сжатия цилиндрических образцов при различных температурах под воздействием нагрузки 3 мм/мин. Расчет вязкости осуществлялся по формуле A.M. Богуславского.
В четвертой главе дано обоснование выбора компонентов модификатора. Определены оптимальные режимы совмещения смесевого ТЭП с битумом. Изучена степень влияния содержания модификатора на свойства БПВ.
Методами оптической микроскопии и ЯМР исследованы структура БПВ с различным содержанием смесевого ТЭП.
Основными предпосылками выбора полимерных компонентов для получения эффективных модификаторов битума, явились следующие: ПЭВД оказывает значительное влияние на теплостойкость БПВ, придает стойкость к УФ-облучению и озону, в тоже время, снижает пенетрацию и морозостойкость; СКЭПТ придает БПВ эластичность, обладает хорошей морозостойкостью; СКИ-3 повышает адгезию БПВ к минеральному заполнителю, обладает хорошей эластичностью. К тому же компоненты смесевого ТЭП относятся к малополярным полимерам, что предполагает их хорошую совместимость с дорожными битумами.
Проанализировав достоинства и недостатки компонентов входящих в состав ТЭП, был принят состав со следующим содержанием термопласта и эластомеров: ПЭВД - 50%, СКЭПТ - 25%, СКИ-3 - 25%.
Первоначально отработаны оптимальные режимы совмещения смесевого ТЭП с битумом. Существует множество различных технических схем производства БПВ в зарубежной и отечественной практике. Для ускорения процесса растворения и гомогенизации полимера в битуме в традиционную схему получения БПВ в качестве основного рабочего аппарата включался диспергатор - роторно-пульсационный аппарат (РПА). Технология получения БПВ (режимы приготовления: температура, время набухания и диспергирования) отрабатывались на лабораторной установке.
Установлено, что наиболее оптимальными условиями введения ТЭП в битум являются:
- температура совмещения - 160-170°С;
- время набухания ТЭП в битуме - 30-45 мин.;
- время диспергирования до полного растворения ТЭП в битуме - 20мин.
Модифицирующий эффект проявляется при оценке свойств полученных БПВ стандартными методами испытаний битумов. Для сравнения, наряду со смесевым ТЭП, использовался широко применяемый в промышленности ДСТ-30.
Следует отметить, что кривые изменения пенетрации (П 25, По), растяжимости (Д 25, Д о ), температуры размягчения (Т р ), индекса пенетрации (ИП) для битумов марок БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 имеют одинаковый характер, а различие заключается, как правило, лишь в абсолютных значениях показателей свойств.
Введение смесевого ТЭП в битум приводит к существенному повышению ТР последнего (Рис. 1). Следует также отметить линейный характер зависимости Tp°C=f ( С т э п ) : чем больше концентрация ТЭП, тем выше температура размягчения вяжущего. Повышение ТР для модифицированных составов можно связать с растворимостью используемого смесевого ТЭП в мальтеновой фракции битумов.
Отмечено, что процесс образования пространственной структуры в БПВ связан с весьма резким снижением растяжимости вяжущего при 25°С, что свидетельствует о повышении структурированности вяжущего (Рис. 2). В данном случае разрыв имеет эластичный характер, вяжущее тянется полосой в среднем 3-5 мм, образуя так называемую «шейку» (по терминологии, принятой для полимеров). Именно такой характер разрыва показателен для эластомеров.
Важно отметить, что увеличение концентрации модификаторов приводит к резкому росту условной вязкости (Рис.3). За условную вязкость, выраженную в минутах, принималось время истечения 50 мл битума через калиброс вочное отверстие вискозиметра при температуре 90 С. Причем составы с ТЭП обладают гораздо меньшей вязкостью, по сравнению с составами с ДСТ: в частности, при 4% содержании модификаторов условная вязкость у состава с ДСТ в 3 раза превышает вязкость состава с ТЭП.
Содержание добавок, % от мас.
Эффект модификации битума смесевым ТЭП подтверждается данными других физико-механических показателей (температуры хрупкости (Т Х р ), пенетрации, эластичности (Э), индекса пенетрации (ИП), старения) (табл. 1).
Результаты исследований в этой части работы показали, что битумные композиции, модифицированные смесевым ТЭП, несколько уступают по эластичности и дуктильности композициям, модифицированным ДСТ, ввиду большей исходной эластичности ДСТ, по сравнению с ТЭП.
Следует отметить, что битум, модифицированный полимерами, начинает приобретать их свойства и, как отмечается рядом исследователей, стандартные методы испытаний битума не позволяют в полной мере оценить это.
На полученных с помощью микроскопии фотографиях структуры модифицированных составов с различным содержанием смесевого ТЭП показано, что введение 3% модификатора приводит к образованию пространственной структурной сетки ТЭП в битуме. Дальнейшее увеличение концентрации ТЭП ведет лишь к сгущению уже сформировавшейся при 3% содержании ТЭП модифицированной структуры.
Образцы исходного битума и модифицированного битума (2-6% ТЭП), были исследованы импульсным методом ЯМР, как методом наиболее чувствительным к изменению молекулярной подвижности. Измерения проводились в диапазоне температур от 30 до 120°С.
Отмечено, что наблюдаемые спады амплитуд ССИ (спада свободной индукции) носят неэкспоненциальный характер. С ростом температуры до 120°С влияние малых добавок ТЭП становится все более заметным, различие между ССИ для разных образцов все более сильным, далеко выходящим за пределы погрешности измерений.
Показатели физико-механических свойств полимерно-битумных Введение небольших добавок смесевого ТЭП в битум приводит к существенным изменениям наклона ССИ и величины спин-спиновой релаксации, а также к изменению населенностей быстро и медленно релаксирующих компонент. Тангенс угла наклона быстро и медленно релаксирующих компонент ССИ отличаются примерно в 5 раз. Качественно можно сделать вывод, что медленно релаксирующая компонента определяется подвижностью низкомолекулярных компонентов системы, а быстро релаксирующая - подвижностью высокомолекулярных компонентов.
На основе анализа ССИ были оценены значения времен спин-спиновой релаксации и населенности двух компонентов спада (рис. 4, 5).
Установлено, что увеличение доли смесевого ТЭП приводит к укорочению времени релаксации медленно релаксирующей компоненты Т2А- Особенно заметно такое влияние при высоких температурах, когда подвижТ 2A мкс ность и время спин-спиновой релаксации должны возрастать. Смесевой ТЭП затормаживает развитие молекулярной подвижности низкомолекулярных компонентов. В области температур 50-60°С наблюдается излом температурных зависимостей. Местоположение этого излома, характеризующего размораживание молекулярной подвижности, оказывается существенно выше аналогичного излома для исходного битума при 44°С. Это означает, что введение смесевого ТЭП приводит к повышению температуры размягчения материала (размораживания трансляционных мод движения).
На рис. 5 приведена зависимость, характеризующая релаксацию высокомолекулярных компонент в системе. Из рисунка следует, что смесевой ТЭП оказывает влияние и на высокомолекулярные компоненты в битуме, но лишь при концентрации равной 6%.
Т 2B, мкс Из рис. 6 следует, что доля малоподвижной компоненты превышает 10по числу атомов водорода), что много выше удельного веса атомов водорода, приходящихся на молекулы, входящие в состав смесевого ТЭП. Это означает, что между частицами смесевого ТЭП, протоны которых дают вклад в быстро релаксирующую часть спада, и молекулами низкомолекулярных компонентов в составе битума имеется сильное межмолекулярное взаимодействие.
Таким образом, данные ЯМР позволили прямым образом подтвердить мнение о том, что смесевой ТЭП существенно затормаживает молекулярную подвижность битума, обеспечивая рост теплостойкости.
Для улучшения адгезии БПВ к минеральным материалам в состав вводились поверхностно-активные вещества БП-3 и БП-КСП, способствующие образованию прочной связи модифицированного вяжущего с поверхностью минеральных материалов.
Для установления взаимосвязи содержания смесевого ТЭП и ПАВ в битуме использовался контурно-графический анализ по схеме В. Клеймана. По результатам реализации двухфакторного эксперимента получены формы поверхности откликов без составления математического описания.
Отмечено, что ПАВ БП-3 и БП-КСП повышают поверхностную активность вяжущего. Весьма характерно при этом, что наиболее сильно это сказывается на песке, где при увеличении содержания смесевого ТЭП до 6%, показатель сцепления повышается до 86% (смесь 4), а при увеличении содержания БП-3 до 2% показатель сцепления повышается до 80% (смесь 2) (рис. 7).
Рис. 7 Влияние содержания добавок смесевого ТЭП и БП-3 на качество Установлено, что введение ПАВ БП-3 и БП-КСП оказывает незначительное влияние на физико-механические свойства БПВ: в частности ТР снижается на 0,5-1°С, дуктильность и пенетрация практически не изменяются, повышается стойкость БПВ к старению (табл. 2).
Таким образом, анализ проведенных испытаний показал, что введение ПАВ, способствует повышению показателя сцепления БПВ с минеральными материалами кислых и основных пород и стойкости к старению, при этом показатели физико-механических свойств модифицированных составов практически не изменяются.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований асфальтобетонов на модифицированном вяжущем.
Первоначально выполнен анализ влияния добавок смесевого ТЭП на физико-механические показатели асфальтобетонов типов Б и Д.
Установлено, что асфальтобетон с добавкой ТЭП обладает лучшей деформативной способностью при низких температурах, что подтверждается снижением показателя предела прочности асфальтобетона при сжатии при 0°С, который характеризует жесткость многокомпонентного материала. Важно отметить, что величина прочности на сжатие для асфальтобетонов с применением БПВ при положительной температуре выше, чем при применении обычных битумов (Рис. 8).
Водостойкость асфальтобетонов при введении добавок смесевого ТЭП остается высокой в режиме водонасыщения под вакуумом. Более того, с увеличением содержания добавок смесевого ТЭП (до 4%), объемное водонасыщение для мелкозернистого асфальтобетона типа Б снижается с 1,91 до 1,54%, а коэффициент водостойкости возрастает с 0,92 до 0,97, что свидетельствует о большем объеме замкнутых пор в асфальтобетоне с применением БПВ. Эффект улучшения свойств асфальтобетона подтверждается данными других физико-механических характеристик (табл. 3).
Характер изменения свойств при испытании на морозостойкость асфальтобетонных образцов, приготовленных как на модифицированном, так и на исходном битуме, одинаков. Однако интенсивность их изменения при одних и тех же циклах замораживания-оттаивания заметно снижается на 25если образцы приготовлены на модифицированном битуме (4% ТЭП) и на 35-40%, если образцы приготовлены на исходном битуме.
Установлено, что применение модифицированного битума снижает вязкость асфальтобетонов при отрицательной температуре (-20 °С), но повышает при положительной (50°С) по сравнению с асфальтобетоном на исходном битуме. (Рис. 9). Это обусловлено, по-видимому, эффектом пластификации биТаблица Физико-механические характеристики асфальтобетонных смесей типа Б.
1 М/з плотная а/б смесь 2 М/з плотная а/б смесь на ПБВ (БНД 90/130 + 2%ТЭП) 3 М/з плотная а/б смесь на ПБВ (БНД 90/130 + 4%ТЭП) 4 М/з плотная а/б смесь на ПБВ (БНД 90/130 + 2%ДСТ) 5 М/з плотная а/б смесь на ПБВ (БНД 90/130 + 4%ДСТ)