Увеличение объемов щебеночно-мастичного асфальтобетона, применяемого в верхних слоях покрытий автомобильных дорог, требует разработки эффективных стабилизирующих добавок, обеспечивающих однородность асфальтобетонной смеси в период кратковременного хранения и транспортировки, а также улучшение свойств асфальтобетона. К числу таких добавок можно отнести комплексную стабилизирующую добавку следующего состава: 90 % целлюлозные волокна из макулатуры, 5 % резиновый порошок, 5 % вязкий нефтяной битум марки БНД 90/130. В данной статье приведены результаты исследования битума с добавкой «Viatop 66» и комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавкой (КСД). С помощью метода ИК-Фурье спектроскопии получены графические данные, в результате анализа которых установлено, что взаимодействие стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона с битумом приводит к появлению дополнительных полос поглощения, характерных для ароматических соединений (СН, бензольного кольца), серосодержащих функциональных групп S=O st, R-SO-R, R-SO-OH, R-SO2-R, C=S st, а также для групп С-О-Н. Рентгеноспектральный анализ подтвердил наличие дополнительных серосодержащих спектров в составе стабилизирующих добавок. Установлено, что в зависимости от химического состава стабилизирующих добавок, физико-механические характеристики битумного вяжущего и полученного асфальтобетона изменяются.
Increasing the volume of crushed stone-mastic asphalt concrete used in the upper layers of road surfaces requires the development of effective stabilizing additives that ensure the uniformity of the asphalt mixture during short-term storage and transportation, as well as improving the properties of asphalt concrete. This additives include a complex stabilizing additive of the following composition: 90 % cellulose fibers from waste paper, 5 % rubber powder, 5 % viscous petroleum bitumen of the BND 90/130 brand. This article presents the results of a study of bitumen with the addition of "Viatop 66" and a complex cellulose-containing stabilizing additive (CSD). Using Fourier-transform spectroscopy, graphical data are obtained. as a result of their analysis, it is found that the interaction of stabilizing additives for crushed-mastic asphalt concrete with bitumen leads to the appearance of additional absorption bands characteristic of aromatic compounds (CH, benzene ring), sulfur-containing functional groups S=O st, R-SO-R, R-SO-OH, R-SO2-R, C=S st, as well as for C-O-H groups. X-ray spectral analysis confirmed the presence of additional sulfur-containing spectra in the composition of stabilizing additives. It is found that depending on the chemical composition of the stabilizing additives, the physical and mechanical characteristics of the bituminous binder and the resulting asphalt concrete change.
Введение. В настоящее время одним из самых распространённых материалов при устройстве верхних слоев покрытий автомобильных дорог является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Свою популярность он получил за счёт высоких прочностных характеристик, которые позволяют сделать такой материал наиболее долговечным. Примечательно то, что в отличие от традиционных асфальтобетонов в составе ЩМА присутствуют стабилизирующие добавки, основная задача которых предотвратить расслоение смеси в период кратковременного хранения и укладки асфальтобетона. Авторами в данной работе было изучено влияние стабилизирующих добавок на битум БНД 90/130 с помощь ИК-Фурье спектроскопии и рентгеноспектрального анализа. Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, в том числе парафиновых (CnH2n+2), нафтеновых (CnH2n), ароматических (CnH2n-6) рядов, а также их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения металлов. Введение стабилизирующих добавок различной природы и химического состава позволит модифицировать битум, улучшая его реологические характеристики [1-10].Методика. Для проведения качественного и количественного фазового анализа был применён метод ИК-Фурье спектроскопии на приборе «Nicolet iS10». Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных колебаний молекул. Достоинства ИК-Фурье спектрометра: высокое отношение сигнал - шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая регистрация спектра, высокая разрешающая способность до 0,001 см-1. Результатом исследования является зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния [11]. Исследование проводилось на образцах: №1 Битум БНД 90/130; № 2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»; № 3 Битум БНД 90/130 + КСД. ИК спектры соединений регистрировали в диапазоне 4000-400 см-1 (рис. 1). Обработку результатов исследования проводили с помощью программного комплекса «OMNIC». Подготовка образцов исследования проводилась следующим образом: из заранее подготовленных образцов № 1, № 2, № 3 была отобрана средняя проба битума. Данные пробы тщательно перемешивались с порошком KBr в соотношении 1:100, после чего помещались в ИК-Фурье спектрофотометр «Nicolet iS10», с помощью которого была произведена запись ИК спектров всех образцов. Основная часть. Результаты ИК-Фурье спектроскопии образцов № 1, № 2, № 3 приведены на рис. 1. Рис. 1. ИК спектры образцов: № 1 Битум БНД 90/130; № 2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»; № 3 Битум БНД 90/130 + КСД При расшифровке полученных ИК-спектров на рис. 1, установлено, что в области 4000 – 400 см-1, за исключением пиков, входящих в интервалы от 1700 до 1500 см-1, от 1000 до 500 см-1, присутствуют характерные для битумов интенсивные полосы в области 2852 и 2921 см-1 (валентные колебания СН в группах СН2, свидетельствующие о значительном количестве предельных углеводородов, битумов, парафинов, масел [13-15]. Анализ приведенных спектров указывает на повышенное содержание в модифицированном битуме высокомолекулярных асфальтенов с некоторым увеличением структурирующих смол.Поэтому для идентификации ИК спектров битума БНД 90/130, битума БНД 90/130 + «Viatop 66» и битума БНД 90/130 + КСД была выбрана область «отпечатков пальцев» 1800-400 см-1, так как основные отличительные особенности расположения пиков поглощения, их относительная интенсивность находятся в данном интервале. Для удобства идентификации полос поглощения эта область была разбита на два интервала от 1800 до 1200 см-1 (рис. 2а) и от 1200 до 600 см-1 (рис. 2б). Отличительные признаки ИК-спектров образцов битума БНД 90/130, битума БНД 90/130 + «Viatop 66» и битума БНД 90/130 + КСД в области «отпечатков пальцев» приведены в табл. 1.Анализ полученных данных (рис. 2а) позволил установить, что в области поглощения от 1750 до 1640 см-1 имеются отличия по распределению пиков поглощения и их относительной интенсивности во всех образцах. В данной области у образца № 1 имеются полосы поглощения 1697,12 см-1 и 1603,64 см-1, 1304,66 см-1. У образца № 2 отмечаются полосы поглощения 1695,67 см-1 и 1668,05 см-1, 1312,87 см-1 с некоторым смещением от образца № 1, а также дополнительные полосы поглощения 1538,76 см-1 и 1504,45 см-1 характерные для «Viatop 66». У образца № 3 имеются полосы поглощения 1697,03 см-1, 1600,25 см-1, 1310,59 см-1 с некоторым смещением от образца № 1, а также дополнительные полосы поглощения, характерные для КСД 1702,54 см-1, 1673,73 см-1, 1659,72 см-1, 1650,24 см-1, 1558,64 см-1, 1537,52 см-1, 1503,3 см-1, 1261,31 см-1. а бРис. 2. ИК спектры: №1 Битум БНД 90/130; №2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»; №3 Битум БНД 90/130 + КСД. а) области поглощения спектров 1800 – 1200 см-1, б) области поглощения спектров 1200 – 600 см-1 Таблица 1Отличительные признаки ИК-спектров полос поглощения образцов № 1-3 № п/пПолосы поглощенияСтруктурные фрагментыВолновые числа, см-11 Для кетоновα, β непредельные C=C-CO1695–1660арилалкилкетоны Ar-CO-Alk1700–1680диарилкетоны Ar-CO-Aк1170–1660β-Дикетоны Енольная форма -СО-С=С-ОН1640–15352Для карбоновых кислотКислоты с Н-связями1680–1650Карбоксилатанионы1650–15503Для сложных эфиров-COH=CHCOOR 1655–16354Для альдегидовα, β, - непредельные C=C-CHO1705–1685Сопряженные полиеновые С=С-С=С1680–1660Ароматические1715–16955Для ароматических соединенийМонозамещенные770–730, 710–6901,2-замещенные770–7351,4- и 1,2,3,4- замещенные860–8001,2,3 замещенные800–770, 720–6856Для серосодержащихфункциональных группS=O st1225–980R-SO-R1060–1015R-SO-OH~1100R-SO2-R1170–1110C=S st1100–1020, 1070–10007Для других колебаний, связанных с группойС-О-НR-O-H750–650 В области 1200-600 см-1 присутствуют полосы поглощения, характерные для ароматических соединений, внеплоскостные деформационные колебания С-Н в области 1000-650 см-1:В области 1200-400 см-1 для образца № 1 имеются следующие характерные полосы поглощения: 1032,81 см-1, 964,54 см-1, 870,12 см-1, 814,56 см-1, 744,35 см-1, 722,06 см-1. У образца № 2 имеются полосы поглощения, характерные для битумов в области 1032,81 см-1, 964,54 см-1, 870,12 см-1, 813,29 см-1, 745,56 см-1, 721,88 см-1, а также дополнительные полосы поглощения, характерные для «Viatop 66» - 1076,30 см-1. У образца № 3 имеются полосы поглощения, характерные для битумов в области 1033,66 см-1, 969,66 см-1, 867,25 см-1, 812,82 см-1, 745,31 см-1, 721,48 см-1, а также имеются дополнительные полосы поглощения: 1165,13 см-1, 1180,80 см-1, 1072,51 см-1, 1057,70 см-1, 920,14 см-1, 875,49 см-1, 783,69 см-1, 678,88 см-1, 660,49 см-1, 647,77 см-1. Для удобства сравнения полос поглощения результаты представлены в табл. 2. Таблица 2Характерные и дополнительные полосы поглощения в образцах № 1-3 № п/пОбласть поглощения, см-1ОбразцыХарактерные полосыпоглощения, см-1Дополнительные полосыпоглощения, см-111800–1200Битум БНД 90/1301697,12; 1603,64; 1304,66–Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»1695,67; 1668,05; 1312,871538,76; 1504,45Битум БНД 90/130 + КСД1697,03; 1600,25; 1310,591702,54; 1673,73; 1659,72; 1650,24; 1558,64; 1537,52; 1503,3; 1261,3121200–600Битум БНД 90/1301032,81; 964,54; 870,12; 814,56; 744,35; 722,06 -Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»1032,81; 964,54; 870,12; 813,29; 745,56; 721,881076,30Битум БНД 90/130 + КСД1033,66; 969,66; 867,25; 812,82; 745,31; 721,481165,13; 1180,80; 1072,51; 1057,70; 920,14; 875,49; 783,69; 678,88; 660,49; 647,77 абРис. 3. Рентгеноспектральный анализ. а – волокно СД «Viatop 66», б – волокно КСД Таким образом, в образцах № 2 и № 3 дополнительно, в отличие от образца № 1, появились полосы поглощения характерные для ароматических соединений С=Н группа, серосодержащих функциональных групп S=O st, R-SO-R, R-SO-OH, R-SO2-R, C=S st а также для групп С-О-Н. Также установлено, что в битуме с КСД происходит большое образование сероорганических соединений (табл. 2). Таким образом, можно предположить, что данное увеличение вызвано наличием в составе КСД резинового порошка, который при взаимодействии с битумом образует химические связи, представленные в табл. 1.Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования волокон стабилизирующих добавок «Viatoр 66» и КСД методом рентгеноспектрального анализа. Результаты исследования приведены на рис. 3. Полученные данные, в результате исследования химического состава «Viatop 66» и КСД методом рентгеноспектрального анализа, согласуются с результатами, полученными методом инфракрасной спектроскопии на наличие серосодержащих соединений. Острота пиков на рис. 3а и рис. 3б характеризует наличие химических элементов в составе добавок. Таким образом, установлено, что в КСД по сравнению с «Viatop 66» значительно преобладает сера (S). Для определения влияния и зависимостей стабилизирующих добавок «Viatop 66» и КСД на структурно-механические свойства битума до и после кратковременного старения применялись стандартные методы исследования, описанные в ГОСТ 22245-90, 11505-75, 11506-73, 11501-78, 33140-2014. Результаты исследований приведены в табл. 3. Таблица 3Структурно-механические свойства битума с добавками до и после кратковременного старенияВид добавки в битуме Глубина проникания иглы, ммРастяжимость, смТемпература размягчения, оСТемпература хрупкости, оС СтарениеСтарениеСтарениеСтарениедо после до после до после до после Битум БНД 90/130121118989245,142,1–25,0–22,7Битум БНД 90/130 + 0,4 % КСД 96 9374 7146,5 44,8 –27,4 –30,3 Битум БНД 90/130 + 0,4 % Viatop 66 91 867167 49,047,6 –26,5 –25,7 Установлено, что после кратковременного старения в битуме с КСД расширяется интервал пластичности с 73,3 до 75,1. Полученные данные коррелируются с результатами пенетрации и растяжимости битума, где на 7,5 % выше глубина проникания иглы и на 5,6 % растяжимость, в сравнении с битумом, содержащем добавку «Viatop 66». Рациональное сочетание компонентов добавки приводит к образованию сероорганических соединений, набуханию волокон, повышению эластичности системы и устойчивости к старению, обеспечивая повышение прочности асфальтобетона и снижение чувствительности к температурным воздействиям, предотвращая образование микротрещин. Таким образом, можно утверждать, что сочетание целлюлозного волокна и резинового порошка модифицирует битум, увеличивая его реологические свойства. Изучение физико-механических характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона с добавками «Viatop 66» и КСД выполнялось стандартными методами по ГОСТ 12801-98 и 31015-2002 путём испытания образцов-цилиндров в возрасте 1 суток. Результаты исследований приведены в табл. 4. Таблица 4Физико-механических свойства ЩМА с добавками «Viatop 66» и КСД Наименование показателяЕд. изм.Требования ГОСТ 31015-2002Свойства ЩМА с добавкойViatop 66КСДПредел прочности при сжатии при температуре, 0 °СМПа-8,427,64Предел прочности при сжатии при температуре, 20 °СМПане менее 2,22,52,9Предел прочности при сжатии при температуре, 50 °СМПане менее 0,651,51,7Предел прочности на растяжение при расколе, 0 °СМПане менее 2,5 не более 6,03,23,3Водонасыщение%от 1,0 до 4,01,81,6Стекание органического вяжущего%не более 0,20,140,12Коэффициент внутреннего трения не менее 0,930,940,95Сцепление при сдвиге не менее 0,180,280,31 Установлено, что введение КСД в ЩМА приводит к увеличению физико-механических свойств асфальтобетона по сравнению с «Viatop 66»: на 13 % повышается прочность при 20 °С; на 10 % прочность при 50 °С; на 10 % увеличивается сцепление при сдвиге; на 25 % снижается стекание вяжущего. Увеличение прочностных характеристик ЩМА обусловлено наличием резинового порошка в дисперсной среде асфальтобетона, который образует дополнительные эластичные центры, адсорбирующие и удерживающие битум в межзерновом пространстве ЩМА.Выводы. При введении КСД в битум образуется полосы поглощения различной интенсивности (1165,13 см-1; 1180,80 см-1; 1072,51 см-1; 1057,70 см-1; 920,14 см-1; 875,49 см-1; 783,69 см-1; 678,88 см-1; 660,49 см-1; 647,77 см-1), характерные для данной добавки. Наличие такого количества полос обусловлено присутствием в составе КСД резинового порошка, который при взаимодействии с битумом образует ароматические и сероорганические соединения за счёт частичного растворения частиц резинового порошка в битуме. Рентгеноспектральный микроанализ подтверждает данные ИК-Фурье спектроскопии на предмет наличия сероорганических соединений в битуме с добавкой КСД.Введение стабилизирующих добавок в битум приводит к образованию дополнительных химических связей, что улучшает качество битума и щебеночно-мастичного асфальтобетона.Установлено, что при введении КСД в битум происходят изменения структурно-механических свойств битума: вязкость повышается на 21,2 %, температура размягчения повышается на 6 %, температуры хрупкости снижении на 10 %, расширяется интервал пластичности вяжущего на 13,7 %.