ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С УЛУЧШЕННЫМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ) | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С УЛУЧШЕННЫМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ
В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)

Научная статья

Цупикова Л.С.^1, *, Лазарева Т.Л.², Кормилицына Л.В.³, Каменчуков А.В.⁴

^{1, 2, 3, 4} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (llsts[at] mail.ru)

Аннотация

В статье рассмотрен подбор состава полимерно-битумного вяжущего для приготовления полимерасфальтобетона эксплуатирующегося в климатических условиях Республики Саха (Якутия). Установлены зависимости влияния рецептурных и технологических факторов на низкотемпературные свойства ПБВ, в том числе на температуру хрупкости. Разработаны принципы управления процессами структурообразования вяжущего, позволяющие корректировать его состав в случае несоответствия требованиям ГОСТ. Рассмотрено влияние марки полимерно-битумного вяжущего на трещиностойкость полимерасфальтобетона, Состав полимерно-битумного вяжущего, технология его приготовления, и полимерасфальтобетонная смесь были апробированы при реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена».

Ключевые слова: полимерно-битумное вяжущее, блоксополимер СБС, полимерасфальтобетон, адгезионная добавка.

PRODUCTION OF POLYMER-MODIFIED ASPHALT CEMENTS WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE PROPERTIES FOR THE RECONSTRUCTION OF A HIGHWAY IN THE REPUBLIC OF SAKHA (YAKUTIA)

Research article

Tsupikova L.S.^1, *, Lazareva T.L.², Kormilitsyna L.V.³, Kamenchukov A.V.⁴,

^{1, 2, 3, 4} Pacific National University, Khabarovsk, Russia

* Corresponding Author (llsts[at] mail.ru)

Abstract

The article examines the selection of the composition of polymer-modified asphalt cement for the preparation of polymer-asphalt concrete used in the climatic conditions of the Republic of Sakha (Yakutia). The study establishes the dependences of the influence of prescription and technological factors on the low-temperature properties of PMA, including the brittleness temperature. The authors also present the principles of controlling the processes of structure formation of PMA that allow to adjust its composition in case of non-compliance with the requirements of GOST. They also study the influence of the brand of polymer-modified asphalt cement on the crack resistance of polymer-asphalt concrete, the composition of polymer-modified asphalt cement, the technology of its preparation, and the polymer-asphalt mixture were tested during the reconstruction of the M-56 “Lena” highway section.

Keywords:  polymer modified asphalt cement, SBS block copolymer, polymer-asphalt concrete, adhesive additive.

Введение

В условиях резко континентального климата Якутии предъявляются повышенные требования к дорожно-строительным материалам. При реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена» встал вопрос о применении более современных и долговечных материалов. Вместо традиционного асфальтобетона было решено использовать полимерасфальтобетон. Вместо битума в полимерасфальтобетоне используются полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), отличающиеся высокой эластичностью, в том числе при низких температурах, низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения. Все это актуально для климатических условий Восточной Сибири. Перед испытательным центром строительных материалов Тихоокеанского государственного университета, на кафедре автомобильных дорог, была поставлена задача разработать состав вяжущего, с учетом имеющихся материалов и климатических условий района строительства, технологический регламент для приготовления ПБВ, а также оценить качество полимерасфальтобетона на полученном вяжущем.

Методы исследования и результаты

Основная задача при подборе состава модифицированного битума состояла в том, чтобы улучшить низкотемпературные свойства вяжущего, главным образом температуру хрупкости, а также повысить его дуктильность и пенетрацию при температуре 0°С и расширить интервал пластичности вяжущего. Для климатических условий Якутии оптимальным с точки зрения вязкости является полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ130. В качестве основы для приготовления вяжущего был взят битум БНД 130/200, который поставляется предприятием ООО «Битум», г. Красноярск. Для модификации вяжущего использовался блоксополимер марки СБС Р 30-00А производства АО «Воронежсинтезкаучук». Полимер этой марки хорошо совмещается с битумом, сочетая в себе высокую прочность при растяжении, присущую термопластам и, вместе с тем, высокую эластичность и очень низкую температуру стеклования характерные для эластомеров. В качестве пластификатора использовалось индустриальное масло марки И-40А. В ходе испытаний различных образцов вяжущего была установлена зависимость температуры хрупкости от количества пластификатора и процентного содержания блоксополимера, таблица 1.

 

Таблица 1 – Зависимость температуры хрупкости от содержания пластификатора и расхода полимера

Содержание СБС Р30-00А	Содержание пластификатора, %
	0	5	10	15	20
0	-20	-25	-32	-39	-41
2,5	-21	-25	-30	-38	-40
3,0	-22	-25	-31	-38	-40
3,5	-22	-26	-32	-39	-42

 

Из результатов испытаний видно, что на снижение температуры хрупкости влияет количество пластификатора, в то время как корреляции с содержанием полимера нет. Аналогичные результаты были получены при использовании пластификатора ПН-6 Омского НПЗ.

Рис. 1 – Зависимость температуры хрупкости от содержания пластификатора

 

Уравнение теоретической линии регрессии, найденное с помощью MS Excel, имеет вид:

у = – 1,09х – 20,8

(1)

где х – содержание пластификатора, %

у – температура хрупкости, °С

Коэффициент детерминации R² равен 0,9769, то есть регрессионную модель можно использовать для прогноза температуры хрупкости вяжущего и выбора оптимального количества пластификатора.

Добавка блоксополимера СБС Р 30-00А позволяет повысить температуру размягчения вяжущего и расширить интервал пластичности. На рисунке 2 показаны результаты испытаний вяжущего с содержанием пластификатора 12 %.

Рис. 2 – Зависимость интервала пластичности ПБВ от содержания блоксополимера СБС Р 30-00А

 

Из низкотемпературных свойств вяжущего важна также эластичность при 0°С, которая влияет на трещиностойкость полимерасфальтобетона при отрицательных температурах, результаты испытаний приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Влияние содержания СБС Р30-00А и пластификатора на эластичность вяжущего

Содержание СБС Р30-00А, %	Эластичность при 0°С, %
	0	5	10	15	20
0	–	–	–	–	–
2	30	42	44	45	47
2,5	55	60	62	61	63
3	78	78	78	79	79
3,5	78	78	78	77	79
4	80	78	79	80	80

 

Требуемая эластичность (не менее 75% в соответствии с ГОСТ 9128) достигается при содержании полимера более 3%. При таком количестве полимера, содержание пластификатора практически не влияет на эластичность полимерно-битумного вяжущего.

Изучены и другие физико-механические свойства различных составов ПБВ. Установлено, что растяжимость при 0°С повышается с увеличением содержания пластификатора и СБС Р30-00А.

Так как наличие пластификатора, представляющего собой масляные фракции нефти, приводит к снижению адгезии вяжущего, предложено использовать адгезионную добавку RedisetWMX. Введение RedisetWMX в состав вяжущего повышает смачиваемость минеральных частиц полимерасфальтобетонной смеси и ее удобоукладываемость и позволяет снизить температуру уплотнения смеси на 30°С. Это дает возможность увеличить продолжительность строительного сезона при реконструкции автомобильной дороги в условиях якутского климата. Оценка адгезии к мрамору, определенная в соответствии с ГОСТ 12801, составила четыре балла для немодифицированного битума и пять баллов для ПБВ.

В качестве оптимального состава ПБВ130 был предложен следующий:

• вязкий дорожный битум БНД 130/200 – 83,5%
• блоксополимер СБС Р30-00А – 3,5%
• индустриальное масло И-40А – 12%
• адгезионная добавка RedisetWMX – 1%.

Состав и свойства исходного битума и полученного на его основе полимерно-битумного вяжущего представлены в таблице 3. Особо следует отметить значительное снижение температуры хрупкости вяжущего: с – 20 ºС, до – 39 ºС. Другие низкотемпературные свойства ПБВ также улучшились. По всем параметрам ПБВ соответствует требованиям ГОСТ и существенно превосходит по свойствам исходный битум.

 

Таблица 3 – Результаты испытаний полимерно-битумного вяжущего

Наименование показателя	Значения показателей		Требования ГОСТ Р 52056-2003 для ПБВ 130
	БНД 130/200	ПБВ 130
1.Глубина проникания иглы, 0,1 мм, – при 25 0С – при 0 0С	140 36	138 58	Не менее 130 Не менее 50
2. Температура размягчения по кольцу и шару, 0С	43	67	Не менее 49
3. Растяжимость, см – при 25 0С – при 0 0С	112 8,9	55 42	Не менее 30 Не менее 20
4. Температура хрупкости, 0С	– 20	– 39	Не выше – 30
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, 0С	3,0	4,0	Не более 7
6. Эластичность, % – при 25 0С – при 0 0С	отсутствует отсутствует	90 80	Не менее 85 Не менее 75
7. Температура вспышки, 0С	220	231	Не ниже 220
8. Однородность	–	однородно	однородно

 

Полимерно-битумное вяжущее приготовленное на зарубежном аналоге полимерной добавки – термоэластопласте СБС LG-501 («Chemical partner», Ю. Корея) показало практически такие же результаты, поэтому решено было сделать выбор в пользу более доступного отечественного блоксополимера.

Для получения полимерно-битумного вяжущего, соответствующего требованиям ГОСТ, требуется комплексный подход, так как отдельные компоненты вяжущего по-разному влияют на его технические свойства. Поскольку дорожно-строительная организация, для которой проводились исследования, сама планировала готовить полимерно-битумное вяжущее на установке для модификации битума УВБ-2, оснащенной коллоидной мельницей, кроме подбора оптимального состава вяжущего, был также разработан технологический регламент по приготовлению ПБВ и подобраны и испытаны составы полимерасфальтобетона на полученном вяжущем. Горячий мелкозернистый полимерасфальтобетон типа А II марки соответствует требованиям ГОСТ 9128-2013 по всем показателям, включая трещиностойкость. Составы полимерасфальтобетонов на менее вязких ПБВ не соответствуют требованиям ГОСТ, несмотря на более низкую температуру хрупкости, из-за недостаточной когезии вяжущего, таблица 4.

 

Таблица 4 – Влияние марки ПБВ и его температуры хрупкости на трещиностойкость полимерасфальтобетона

	ПБВ 130	ПБВ 200	ПБВ 300
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, 25 0С	138	215	320
Температура хрупкости, 0С	– 39	– 42	– 46
Трещиностойкость полимерасфальтобетона, МПа	2,57	1,75	0,85
Требования ГОСТ 9128-2013 по показателю трещиностойкости, МПа	не менее 2,0 и не более 6,0

 

Состав полимерно-битумного вяжущего, технология его приготовления и асфальтобетонная смесь на этом вяжущем были успешно внедрены в производство ОАО Дальстроймеханизация при реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена» на участке от Невера до Якутска с 825 по 849 километр. 

Выводы

Выявлены факторы, влияющие на низкотемпературные свойства ПБВ, и предложены рекомендации, позволяющие корректировать его состав в случае несоответствия требованиям ГОСТ:

если температура хрупкости выше требуемой – необходимо увеличить содержание пластификатора, ориентировочное содержание пластификатора можно определить, используя найденную в ходе исследования зависимость;

если растяжимость при 0°С меньше требуемой, следует увеличить количество пластификатора или блоксополимера;

если эластичность меньше требуемого значения, необходимо увеличить количество блоксополимера.

Увеличенный интервал пластичности, на первый взгляд позволяющий сместить его в сторону более низких температур, используя вместо ПБВ 130 менее вязкие ПБВ 200 или ПБВ 300 с более низкими температурами хрупкости, не позволяет получить требуемую трещиностойкость полимерасфальтобетона из-за недостаточной когезии вяжущего. Поэтому ПБВ 130 является оптимальным для приготовления полимерасфальтобетона.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.