Применение новых модифицирующих добавок в материалах дорожно-строительного назначения

Христофорова Александра Афанасьевна

науч. сотр. лаборатории материаловедения Института проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской Академии наук, г. Якутск

E-mail: a_khristoforova@mail.ru

Филиппов Семен Эдуардович

ассистент кафедры автомобильные дороги и мосты Автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова, г. Якутск

E-mail: filippov_semen@mail.ru

Соколова Марина Дмитриевна

канд. техн. наук, доцент, вед. науч. сотр. лаборатории материаловедения, Института проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской Академии наук, г. Якутск

E-mail: 

Use of new bitumen modifying additives in the Road construction materials

Alexandra Khristoforova

Materials Science Laboratory Researcher, Oil and Gas Problems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk.

Semen Filippov

Faculty of Road Construction Assistant, North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov, Yakutsk.

Marina Sokolova

Materials Science Laboratory Leader researcher, Candidate of Science, assistant professor of Oil and Gas Problems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Yakutsk.

АННОТАЦИЯ

В представляемой работе в качестве модификаторов дорожных битумов предложено применение резиновой крошки, активированной механохимическим способом совместно с природным цеолитом. Представлены результаты исследований термических свойств модифицированных битумов и физико-механических свойств асфальтобетонов на их основе подтверждающие эффективность модификации.

ABSTRACT

In this project as modifiers of road bitumens application of the rubber crumb activated in the mekhano-chemical way together with natural zeolite is offered. The results of thermal properties of the modified bitumens researches and physicomechanical properties of asphalt concrete on their basis are presented updatings confirming efficiency.

Ключевые слова: модификатор асфальтобетона; резиновая крошка; компотибилизатор; механоактивация; термические свойства битума; физико-механические свойства асфальтобетона

Keywords: asphalt modifiers; rubber crumb; compotibilizer; mechanical activation; thermal properties of bitumen; asphalt physical and mechanical properties.

Битумы дорожно-строительного назначения, производимые в России, в большинстве своем не соответствуют современным требованиям к вяжущим и герметизирующим материалам. Одним из важнейших направлений повышения долговечности и качества таких материалов стало введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом для практики направлении [2, с. 4]. Наиболее привлекательным модификатором, с точки зрения сырьевой обеспеченности, является резиновая крошка (РК), полученная из отработанных шин (рост объемов российского рынка шин в 2010 год составил 35,2668 млн. штук, что на 27 % больше, чем в 2009 г [1, с. 10]). В представляемой работе в качестве модификатора битума выбрана резиновая крошка, механоактивированная совместно с природным цеолитом. Как показано работах [3, с. 16—20], применение цеолита в качестве компотибилизатора в композиционных материалах на основе резины, способствует образованию развитого переходного слоя между компонентами. При их введении в матрицу происходит увеличение модуля упругости, прочности, повышение термической стабильности и устойчивости к горению, улучшение электростатических свойств. При этом, обладая нанопористой структурой, цеолиты могут удерживать на поверхности органические молекулы битума, являясь, таким образом центрами структурообразования резинобитумных композитов. Для повышения активности смеси «РК — цеолит» был выбран прием механоактивационный обработки модификаторов, показавший свою эффективность для резиновой крошки [4, с. 436—438].

Свойства модифицированных битумов требуют углубленных исследований, что объясняется в первую очередь, сложностью состава, структуры и особенностью материала. На основе некоторых испытаний битума можно получить ответ на ряд производственных вопросов, которые не могут полностью описать поведение модифицированного вяжущего в асфальтобетоне. Поведение битума в покрытиях в определенной степени моделируется испытанием на температуру хрупкости и температуру размягчения, разница которых условно выражает деформативную способность, когда вяжущее находится в вязко-пластичном состоянии [5, с. 349]. Поэтому при проведении стандартных испытаний модифицированного связующего особое внимание уделяли определению температуры размягчения и температуры хрупкости битумов.

Как видно из таблицы 1, температура размягчения исходного битума не отвечает требованиям ГОСТ 11506-73 (не ниже 43⁰С). Модификация неактивированной резиновой крошкой позволяет повысить температуру размягчения на 4⁰, применение технологии механоактивации повышает показатель на 6⁰.

Таблица 1.

Температура размягчения битума и битума, модифицированного резиновой крошкой.

Исследование температуры хрупкости битума (табл. 2) показало, что все значения соответствуют ГОСТ 11507-78. Температура хрупкости битума, модифицированного механоактивированной РК ниже требований ГОСТ на 2⁰С.

Таблица 2.

Температура хрупкости битума и битума, модифицированного резиновой крошкой

Основываясь на исследованиях термических свойств органических вяжущих, можно сделать заключение, что применение механоактивированной резиновой крошки для модификации битумов позволяет расширить интервал пластичности на 7⁰. Тем не менее, для того чтобы сделать заключение о модифицирующем влиянии активированной РК на вяжущие материалы, следует провести исследования свойств асфальтобетонных образцов.

Были проведены испытания основных физико-механических свойств модифицированных смесей (табл. 3), изготовленных по технологической схеме, представленной на рис. 1. Смеси готовились в соответствии с требованиями государственного стандарта по технологическому регламенту. Дополнительными технологическими операциями являются предварительная механоактивация резиновой крошки совместно с природным цеолитом на планетарной мельнице АГО-2 (при соотношении «масса крошки»:«масса шаров» 1:15 в течение 2 минут) и введение модифицирующей добавки в битум при механическом смешении.

Таблица 3

Основные физико-механические свойства асфальтобетона

Где, p_m, — средняя плотность уплотненного материала, p_m^M — средняя плотность минеральной части, V^M — пористость минеральной части, V⁰ — остаточная пористость, W — водонасыщение, R_сж — предел прочности при сжатии, R_p — предел прочности на растяжение при расколе.

При приготовлении наблюдалась хорошая обволакиваемость минеральных компонентов асфальтобетонной смеси модифицированным битумом. Высокую совместимость между резинобитумом и каменными материалами можно связать с тем, что цеолит, входящий в состав вяжущего, выступает частично в качестве активатора поверхности минеральных материалов.

Проведенные исследования показали, что пористость образцов, содержащих модифицированную резиновую крошку, снижается до 17 %. Такая же динамика улучшения показателя наблюдается для плотности уплотненного материала и водонасыщения. Наименьшим водонасыщением обладают образцы, содержащие модифицированную резиновую крошку (ниже чем показатель типового асфальтобетона на 46 %). Прочностные характеристики изменяются не значительно.

Таким образом показано, что модификация битума активированной резиновой крошкой позволяет улучшить свойства асфальтобетона на его основе. Особенно важно для регионов с большим годовым и суточным разбросом температур и частым переходом через точку замерзания воды (0⁰С), что значительно снижается водонасыщение и расширяется интервал пластичности вяжущего материала.

Список литературы:

1.Маркетинговые исследования рынка резиновой крошки в России в разрезе федеральных округов. Аналитический обзор. СПб.: ООО «Профессиональные комплексные решения», 2011. 93 с.

2.Смирнов Н.В., Смирнов Б.М., Булгаков А.П. Использование резиновой крошки в наполнении битума для асфальтового покрытия автодорог. Аналитический обзор. СПб.: ООО «Новые технологии-инжиниринг», 2004. 17 c.

3.Соколова М.Д., Давыдова М.Л.. Шадринов Н.В. Технологические приемы, обеспечивающие повышенную структурную активность цеолита в полимерэластомерных композициях // Каучук и резина. — 2010. — № 6. — С. 16—20

4.Христофорова А.А., Соколова М.Д. Механоактивационный способ обработки измельченных вулканизатов // Химия в интересах устойчивого развития (2009), № 4, С. 435—438.

5.Шестоперов С.В. Дорожно-строительные материалы. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1969. —672 с.