Учебное пособие 1925
.pdfна основе полимеров типа СБС (ДСТ, «Кратон» и др.). Другие модификаторы битумов имели, в основном, опытное применение.
Однако, несмотря на значительный объем опытного строительства дорожных покрытий с применением модифицированных битумов, а также проведенные по этому направлению научные исследования, многие вопросы до настоящего времени изучены недостаточно. Применение модификаторов из числа полимеров класса термоэластопластов и эластомеров позволяет повысить физикомеханические свойства вяжущего и битумоминеральных смесей, но требует значительных затрат на модификацию. Так, по данным ЗАО «Техпрогресс», стоимость модификации одной тонны битума приводит к 100 % удорожанию по исходному битумному вяжущему. К тому же многие вопросы эффективности применения модификаторов из числа полимеров класса термоэластопластов и эластомеров для повышения устойчивости к колееобразованию многощебенистых асфальтобетонных смесей решены недостаточно. В значительном количестве случаев, например при модификации битумов термоэластопластами, требуется дополнительное применение поверхностно-активных веществ для улучшения адгезионных свойств получаемого битумно-полимерного вяжущего. Таким образом, разработка новых эффективных добавок и исследования в области уточнения технического и экономического эффекта применения известных модификаторов, несомненно, актуальны для дорожной отрасли.
Значительное снижение сроков службы дорожных покрытий в последние годы в процессе эксплуатации подтверждают необходимость дальнейшего изучения асфальтобетона и обоснования требований к применяемым для его приготовления материалам. Анализу долговечности дорожных покрытий на основе новых компонентов и их деформационного поведения под действием эксплуатационных нагрузок.
2.3. Физико-механические и деформационно-прочностные характеристики горячего модифицированного асфальтобетона
Прочностные свойства слоев асфальтобетонных покрытий практически полностью определяются деформационно-прочностными и реологическими характеристиками асфальтобетона [8, 9, 10, 20, 27, 90, 91, 92]. Асфальтобетон как термопластичный материал обладает сложным комплексом физикомеханических и реологических свойств, в значительной степени зависящих от температуры, состава минеральной части смеси и свойств применяемого вяжущего. Как уже было отмечено ранее, наилучшим комплексом деформационнопрочностных свойств обладают каркасные асфальтобетоны, полученные с применением модифицированных или улучшенных вяжущих.
71
С целью изучения влияния модифицирующих добавок синтетических каучуков различных типов, а также бутадиен-стирольных термоэластопластов были приготовлены плотные горячие асфальтобетонные смеси типа «А» (каркасной структуры) и типа «Б» (полукаркасной структуры) на основе модифицированного битума. Составы плотного асфальтобетона типов «А» и «Б» были подобраны в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2009.
В качестве модифицирующих добавок были использованы синтетические каучуки типов СКД, СКС-30 АРКПН, СКС-30 АРКМ-15, СКС-30 АРКМ-27, а также термоэластопласт ДСТ 30-01, свойства которых приведены в первой главе. В качестве исходного битума при приготовлении модифицированных вяжущих был использован нефтяной битум БНД 60/90. Содержание каучука в би- тумно-каучуковом вяжущем составляло 2,0; 2,5; 3,0 %, а при исследовании влияния ДСТ 30-01 было приготовлено полимерно-битумное вяжущее, полученное путем введения 3,5 % полимерной добавки и 7 % пластификатора – индустриального масла, по массе в исходный битум БНД 60/90. Полученное вяжущее на основе ДСТ 30-01 отвечало требованиям ГОСТ 52056-2003 для марки ПБВ 60.
Контрольные смеси одинакового гранулометрического состава были приготовлены на БНД 60/90. Результаты определения показателей физикомеханических свойств асфальтобетона на БКВ, ПБВ и БНД типа «А» и «Б» приведены в табл. 2.1, 2.2, а также рис. 2.2- 2.7.
Рис. 2.2. Зависимость предела прочности при сжатии при 0 0С модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип «А») от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
72
Таблица 2.1
Физико-механические свойства асфальтобетона каркасной структуры (типа «А») на модифицированном и традиционном битуме
|
|
|
|
Предел прочности при сжатии, |
|
Предел |
Предел проч- |
|||
|
Наименование и содержа- |
Средняя |
Водонасыще- |
|
при t 0C, МПа |
|
|
прочности |
ности при |
|
|
плотно- |
|
|
|
|
Коэффициент |
при сдвиге, |
сдвиге, при 50 |
||
|
ние модификатора в вяжу- |
ние, % по мас- |
|
|
|
|
||||
|
сть, |
|
|
|
|
водостойкости |
при 50 0C |
0C (метод Ни- |
||
|
щем |
г/см3 |
се |
0 |
|
20 |
50 |
|
(метод Мар- |
кольского), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шала), МПа |
МПа |
|
СКД 3 % |
2,43 |
1,36 |
7,65 |
|
3,37 |
1,35 |
1,00 |
5,89 |
2,95 |
|
СКД 2,5 % |
2,43 |
1,17 |
11,64 |
|
4,90 |
1,51 |
0,98 |
5,98 |
2,46 |
|
СКД 2 % |
2,42 |
1,68 |
9,46 |
|
4,00 |
0,93 |
0,98 |
4,90 |
2,15 |
|
СКС-30 АРКПН 3 % |
2,43 |
1,39 |
10,55 |
|
3,90 |
1,17 |
1,00 |
6,82 |
2,97 |
|
СКС-30 АРКПН 2,5 % |
2,43 |
1,47 |
9,72 |
|
4,75 |
1,20 |
0,90 |
5,40 |
2,59 |
73 |
СКС-30 АРКПН 2 % |
2,43 |
1,35 |
12,77 |
|
4,08 |
1,05 |
1,00 |
5,06 |
2,28 |
СКС-30 АРКМ-27 3 % |
2,43 |
1,33 |
11,64 |
|
5,12 |
1,22 |
1,00 |
5,85 |
2,91 |
|
|
|
|||||||||
|
СКС-30 АРКМ-27 2,5 % |
2,43 |
1,72 |
12,34 |
|
4,87 |
1,75 |
1,00 |
5,39 |
2,72 |
|
СКС-30 АРКМ-27 2 % |
2,43 |
1,26 |
11,56 |
|
5,12 |
1,41 |
0,98 |
5,17 |
2,17 |
|
СКС-30 АРКМ-15 3 % |
2,43 |
1,27 |
10,37 |
|
3,95 |
1,38 |
1,00 |
5,89 |
3,02 |
|
СКС-30 АРКМ-15 2,5 % |
2,42 |
1,57 |
14,71 |
|
5,72 |
1,30 |
0,75 |
5,52 |
2,90 |
|
СКС-30 АРКМ-15 2 % |
2,43 |
1,82 |
11,72 |
|
4,53 |
1,18 |
1,00 |
5,21 |
2,58 |
|
БНД 60/90 (без модификатора) |
2,43 |
1,69 |
11,59 |
|
3,83 |
0,98 |
0,98 |
5,00 |
1,94 |
|
ПБВ 60 (ДСТ 30-01) |
2,43 |
1,48 |
9,60 |
|
5,03 |
1,83 |
0,91 |
6,67 |
2,51 |
73
Таблица 2.2
Физико-механические свойства асфальтобетона полукаркасной структуры (типа «Б») на модифицированном и традиционном битуме
|
|
|
|
Предел прочности при сжатии, |
|
Предел |
Предел проч- |
||||||
|
|
|
|
|
при t 0C, МПа |
|
|
прочности |
|||||
|
Наименование и содержа- |
Средняя |
Водонасыще- |
|
|
|
|
|
Коэффициент |
при сдвиге, |
ности при |
||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ние модификатора в вяжу- |
плотно- |
ние, % по мас- |
|
|
|
|
|
при 50 |
0 |
C |
сдвиге, при |
|
|
сть, |
|
|
|
|
|
водостойкости |
|
50 0C (метод |
||||
|
щем |
г/см3 |
се |
0 |
|
20 |
|
50 |
|
(метод |
Никольского), |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Маршала), |
МПа |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
БНД 60/90 (без модификатора) |
2,42 |
1,39 |
6,40 |
|
3,5 |
|
1,07 |
1,00 |
4,68 |
|
|
2,43 |
74 |
ПБВ 60 (ДСТ 30-01) |
2,42 |
1,32 |
7,38 |
|
4,68 |
|
1,73 |
0,89 |
6,15 |
|
|
2,70 |
СКД 2,5 % |
2,41 |
1,78 |
11,69 |
|
6,28 |
|
1,47 |
0,91 |
5,66 |
|
|
2,66 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
СКС-30 АРКПН 2,5 % |
2,41 |
2,25 |
14,75 |
|
6,78 |
|
1,23 |
1,00 |
5,01 |
|
|
2,21 |
|
СКС-30 АРКМ-27 2,5 % |
2,41 |
1,43 |
10,38 |
|
4,9 |
|
1,35 |
1,00 |
5,15 |
|
|
2,62 |
|
СКС-30 АРКМ-15 2,5 % |
2,42 |
1,70 |
13,46 |
|
5,77 |
|
1,34 |
0,99 |
6,26 |
|
|
3,05 |
74
Рис. 2.3. Зависимость предела прочности при сжатии при 200С модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип «А») от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
Рис. 2.4. Зависимость предела прочности при сжатии при 500С модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип «А») от вида синтетического каучука и
его содержания в вяжущем
75
Рис. 2.5. Зависимость коэффициента температурной чувствительности модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип «А»)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
Рис. 2.6. Зависимость предела прочности при сдвиге (по методу Никольского) модифицированного асфальтобетона каркасной структуры (тип «А»)
от вида синтетического каучука и его содержания в вяжущем
76
|
1,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водостойкости |
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СКД |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СКС-30 АРКПН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
коэффициент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СКС-30 АРКМ-27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СКС-30 АРКМ-15 |
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2,1 |
2,2 |
2,3 |
2,4 |
2,5 |
2,6 |
2,7 |
2,8 |
2,9 |
3 |
|
|
содержание каучука в вяжущем, % по массе |
|
||||||||
Рис. 2.7. Зависимость коэффициента водостойкости модифицированного асфальтобетона |
|||||||||||
каркасной структуры (тип «А») от вида синтетического каучука и его содержания |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
в вяжущем |
|
|
|
Как следует из приведенных результатов, применение модификаторов незначительно влияет на физические показатели асфальтобетона (среднюю плотность, водонасыщение), но очень значительно на механические и деформатив- но-прочностные показатели материала как каркасной, так и полукаркасной структуры. Рассматривая прочность асфальтобетона в области повышенных температур (при 50 0С), отмечают значительное улучшение показателя в 1,05 - 1,5 раза. Наиболее эффективно для повышения указанного показателя применение каучуков типов СКС-30 АРКМ-15 и СКД при содержании модификатора в количестве 2,5-3 % по массе. Применение указанных модификаторов практически в 1,5 раза повысило предел прочности при сдвиге каркасного асфальтобетона (определенного по методу Никольского) в сравнении с контрольным составом (см. рис. 2.5). Применение в качестве модификатора термоэластопласта ДСТ 30-01 не менее эффективно (в сравнении с каучуками) позволяет увеличить показатель прочности при 50 0С и предел прочности при сдвиге.
Анализ влияния модифицирующих добавок на прочность асфальтобетона каркасной структуры при 0 0С также показал положительный эффект в сравнении с традиционным составом на вязком битуме, но в меньшей степени, чем в
77
области высоких температур. Это, вероятно, можно объяснить особенностью структуры каркасного асфальтобетона, в котором в силу преимущественного содержания крупных частиц меньше удельная поверхность наполнителя, и поэтому структурированные битумные пленки отличаются большей толщиной в сравнении с песчаными асфальтобетонами. Исходя из этого при температуре 0 0С традиционный вязкий битум позволяет на пределе обеспечить соответствие требуемого по ГОСТ 9128 - 2009 показателя предела прочности при сжатии. Применение в качестве модификаторов добавок синтетических каучуков позволяет несколько снизить предел прочности при сжатии при 0 0С и тем самым повысить трещиностойкость покрытий.
Рассматривая влияние модифицирующих добавок на физико-механические показатели асфальтобетона полукаркасной структуры (типа «Б»), приведенные в табл. 2.3, можно отметить, что наиболее значительно предел прочности при 50 0С позволяет повысить применение ДСТ 30-01 или каучука СКД. Применение указанных добавок позволяет повысить прочность при 50 оС в 1,4 - 1,7 раза, а предел прочности при сдвиге - на 10-15 % в сравнении с контрольным составом традиционного асфальтобетона типа «Б».
2.4. Применение полимерных адгезионных добавок для повышения физико-механических и деформационно-прочностных
характеристик горячего каркасного асфальтобетона
Некоторые применяемые в практике ПАВы являются отходами химического производства, и поэтому их составы и свойства нестабильны, что может отрицательно сказаться на показателе сцепления. Это требует разработки адгезионной добавки постоянного состава, что позволит получать стабильно высокий показатель сцепления вяжущего с минеральным материалом. Сложившаяся к настоящему времени научно-теоретическая база по применению полимеров в промышленности строительных материалов показывает, что синтез новых материалов на основе полимеров позволяет получить наиболее значительный эффект. К числу таких материалов относятся полимерные адгезионные добавки, которые объединяют в себе достоинства полимерных модификаторов и адгезионных присадок.
Исследованиями, проведенными в 2002-2003 гг. Калгиным Ю.И., Кондратьевым А.Н., Юдиным В.П., была разработана полимерная адгезионная добавка «Мобит», предназначенная для улучшения сцепления с каменными материалами кислых пород вязких битумов и битумно-полимерных вяжущих [76].
В указанной работе в качестве основы для полимерного поверхностноактивного вещества использованы полимеры, полученные анионной растворной полимеризацией в присутствии литийорганических соединений, типа бутадиена, стирола, изопрена, пиперена [51,76]. Этот метод позволяет получать полимеры с узким молекулярно-массовым распределением
(Мw / Мn = 1,1-1,3) и концевым звеном - СН2 – Li.
78
79
Таблица 2.3
Физико-механические свойства асфальтобетона полукаркасной структуры (типа «Б») на модифицированном и традиционном битуме
|
|
|
Предел прочности при сжатии, |
|
Предел |
Предел проч- |
||||||
|
|
|
|
при t 0C, МПа |
|
|
||||||
|
Средняя |
|
|
|
|
|
|
|
прочности |
ности при |
||
Наименование и содержа- |
Водонасыще- |
|
|
|
|
|
Коэффициент |
при сдвиге, |
||||
ние модификатора в вяжу- |
плотно- |
ние, % по мас- |
|
|
|
|
|
при 50 |
0 |
C |
сдвиге, при 50 |
|
сть, |
|
|
|
|
|
водостойкости |
|
0C (метод Ни- |
||||
щем |
г/см3 |
се |
0 |
|
20 |
|
50 |
|
(метод |
кольского), |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Маршала), |
МПа |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,00 |
|
|
|
|
БНД 60/90 (без модификатора) |
2,42 |
1,39 |
6,40 |
|
3,5 |
|
1,07 |
4,68 |
|
|
2,43 |
|
ДСТ 30-01 |
2,42 |
1,32 |
7,38 |
|
4,68 |
|
1,73 |
0,89 |
6,15 |
|
|
2,70 |
СКД 2,5 % |
2,41 |
1,78 |
11,69 |
|
6,28 |
|
1,47 |
0,91 |
5,66 |
|
|
2,66 |
СКС-30 АРКПН 2,5 % |
2,41 |
2,25 |
14,75 |
|
6,78 |
|
1,23 |
1,00 |
5,01 |
|
|
2,21 |
СКС-30 АРКМ-27 2,5 % |
2,41 |
1,43 |
10,38 |
|
4,9 |
|
1,35 |
1,00 |
5,15 |
|
|
2,62 |
СКС-30 АРКМ-15 2,5 % |
2,42 |
1,70 |
13,46 |
|
5,77 |
|
1,34 |
0,99 |
6,26 |
|
|
3,05 |
79
В качестве примера рассмотрим химизм процесса ранее полученного состава полимерного ПАВ.
Микроструктура цепей полимера из бутадиена описывается следующей формулой
(2.25)
Остатки бутадиеновых звеньев находятся в цис – 1,4-; транс – 1,4-, и 1,2 положениях. Средне-вязкостная молекулярная масса полибутадиена может находиться в пределах от 1000 до 10000 и оптимальная её величина выбирается исходя из технологических параметров. В качестве функциональной группы может быть продукт реакции кислорода, мочевины, ортофосфорной кислоты, метилпирролидона или диметилформамида с активным концом молекулы.
Полимер из стирола имеет формулу
(2.26)
Полистирол отличается от полибутадиена температурой стеклования, которая равняется (+ 95…+105) °С в зависимости от молекулярной массы. У полибутадиена температура стеклования (-90…-95) °С и зависит от содержания в нем 1,2 - звеньев.
Строение полиизопреновой цепи можно выразить формулой
(2.27)
Полиизопреновая цепь содержит мономерные остатки в виде 3,4 – звеньев, цис – 1,4 звеньев; транс – 1,4 звеньев. Температура стеклования такого полимера находится на уровне -65 °С.
Примером получения функциональной группы из полимера с концевой ОН
– группой может быть реакция с ортофосфорной кислотой:
(2.28)
По другому варианту при взаимодействии активного полимера с мочевиной образуется азотсодержащая концевая группа
80