аспирант с 01.01.2017 по 01.01.2021
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 22.06.01 Технологии материалов
ББК 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
ТБК 5322 Автомобильные дороги
BISAC ARC003000 Buildings / Residential
В настоящее время из-за интенсивного движения автотранспорта прочностные характеристики асфальтобетона снижаются, возникают шелушения на поверхности дорожного покрытия. Для устройства верхних слоев покрытия на дорогах с высокой интенсивностью движения транспорта специально разработан щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Улучшения физико-механических характеристик асфальтобетона и повышения устойчивости к климатическим воздействиям можно добиться, используя полимерасфальтобетон на модифицированном вяжущем. В статье рассмотрены основные аспекты повышения качества щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) за счет использования вяжущего, модифицированного севиленом (СЭВА). Исследовано влияние битума, содержащего сэвилен с 22 и 29 % винилацетатных групп (ВА), на свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона. Анализ результатов показал, что применение модифицированных вяжущих положительно сказывается на всем комплексе физико-механических показателей полимерасфальтобетона. Установлено повышение прочности образцов при 20 и 50 °С, снижение этого показателя при 0 °С. Улучшаются также показатели водо- и теплоустойчивости, сдвигоустойчивость и трещиностойкости, что должно позитивно отразиться на долговечности дорожного покрытия. Установлены рациональные концентрации добавок полимера и количества винилацетатных групп в его составе. Оценено сцепление вяжущего с минеральной частью асфальтобетонной смеси. Рассмотрен показатель чувствительности к перепадам температур асфальтобетонных образцов в связи с тем, что асфальтобетон является материалом, реагирующим на температурные колебания внешней среды. Анализ результатов проведенных испытаний показал, что применение модифицированных вяжущих положительно сказывается на всем комплексе физико-механических показателей полимерасфальтобетона.
щебеночно-мастичный асфальтобетон, севилен, битум, модифицированный битум, физико- механические характеристики
Введение. Основной причиной разрушения асфальтобетонного покрытия на современных автодорогах является увеличение транспортных нагрузок на покрытие. В результате повышения осевой нагрузки на дорожном полотне наблюдаются явления колейности, волн и сетки трещин, превращающиеся в выбоины [1]. Из-за постоянного климатического воздействия (замораживания зимой и оттаивания летом) снижаются прочностные характеристики асфальтобетона, возникают шелушения на поверхности дорожного покрытия. Для устройства верхних слоев покрытия на дорогах с высокой интенсивностью движения транспорта специально разработан щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Данный материал представляет самостоятельную разновидность асфальтобетона, обеспечивающую, в отличие от других типов смесей, одновременно водонепроницаемость, сдвигоустойчивость и шероховатость устраиваемого верхнего слоя покрытии, а также высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, высокое сопротивление постоянной деформации, наивысшую долговечность, низкий уровень шума.
Асфальтобетон как термопластичный материал обладает сложным комплексом физико-механических и реологических свойств, в наиболее значительной степени зависящих от свойств применяемого вяжущего[2,3] .
Улучшения физико-механических характеристик асфальтобетона и повышения устойчивости к климатическим воздействиям можно добиться, используя полимерасфальтобетон на модифицированном вяжущем [1-3].
Из работ российских и зарубежных авторов [4-14] широко известно положительное влияние сэвилена на свойства битума и асфальтобетона. Однако до настоящего времени не установлено оптимальное содержание ни сэвилена, ни количества винилацетатных групп в нем. Известно [15], что соединения этилена с винилацетатом обеспечивают более низкую вязкость модифицированных битумов при технологических температурах укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей по сравнению с добавкой СБС. Это позволяет уменьшить возможную термическую сегрегацию асфальтобетона и улучшить качество уплотнения дорожного покрытия. Данное явление достигается за счет наличия в этиленвинилацетате полярных молекул, активно взаимодействующих с компонентами битума (асфальтенами, парафиновыми и ароматическими соединениями) и минеральными материалами в асфальтобетоне.
Материалы и методы. С целью изучения влияния сэвилена на свойства асфальтобетонных смесей были приготовлены щебеночно-мастичные асфальтобетонные смеси на основе модифицированных севиленом битумов. В качестве исходного битума при приготовлении модифицированных вяжущих был использован БНД 70/100 Московского НПЗ.
В исследованиях использованы составы ПБВ с сэвиленом, содержащим 22 и 29% винилацетата, т.к. состав с 22% оказал наилучшее влияние на свойства вяжущего [16], а состав с 29% незначительно уступает ему по показателям. Содержание сэвилена в вяжущем составляло 3,5,7 и 10%.
Были проведены испытания щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей на показатель водонасыщения, прочностные характеристики и коэффициент водостойкости по ГОСТ 12801-98. Водонасыщение асфальтобетонных образцов было определено с помощью вакуумной установки в течение заданного времени. Прочностные показатели асфальтобетонных смесей, сдвигоустойчивость и трещиностойкость определялись путем термостатирования их в течение 1 ч в воде при заданной температуре, а затем испытания на прессе ДТС-06-50/100.
Основная часть. В работе было изучено изменение физико-механических свойств щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей при введении сэвилена в битум. Анализ результатов проведенных испытаний показал, что применение модифицированных вяжущих положительно сказывается на всем комплексе физико-механических показателей полимерасфальтобетона (рис.1).
Асфальтобетоны на полимерно-битумном вяжущем с добавкой обладают в сравнении с асфальтобетоном на немодифицированном битуме более высокими показателями прочности при сжатии при 20 и 50ºС и более низкими прочностями при 0ºС.
Причем лучшие показатели достигнуты у образцов с 22% винилацетата. Так прочность при 20°С у образцов ЩМА с 22% винилацетата в сэвилене достигает максимума у составов с 5 и 7% добавки, увеличившись на 11,1 и 8,9%. Прочность при 50°С максимально возросла у составов с 5 и 7% сэвилена - на 42,8 и 35,7% соответственно. Прочности образцов с 29% винилацетата оказались незначительно ниже прочностных характеристик образцов с 22% винилацетата. Прочность при 0°С у данных составов снизилась на 11,8 и 13,7 соответственно. Максимального снижения на 16,7% данный показатель достиг при 10% сэвилена с 29 % винилацетата. Улучшение прочностных характеристик свидетельствует о положительном влиянии модификатора, способного придавать вяжущему в асфальтобетоне устойчивость в области низких и высоких температур.
Из рисунка 1, видно, что водонасыщение образцов асфальтобетона на модифицированном битуме значительно снижается при увеличении концентрации севилена, следовательно, этот композит содержит большее количество закрытых пор, что в дальнейшем будет способствовать более высокой морозостойкости дорожного покрытия. Причем, водонасыщение образцов при использовании севилена, содержащего 22% винилацетата, снижается более интенсивно. При концентрациях 3,5 и 7% уменьшение показателя составляет 14,6, 18,7 и 20,2%.
Коэффициент водостойкости ЩМА при модификации вяжущего значительно повышается по сравнению с асфальтобетоном на исходном битуме, что свидетельствует о высокой устойчивости пленок вяжущего на поверхности минерального материала в составе асфальтобетона к отслаиванию при воздействии агрессивной среды и препятствует проникновению воды в поры материала. Установлено, что у образцов с 29% винилацетата коэффициент водостойкости ниже, чем у образцов с 22% винилацетата. Данное явление свидетельствует о более сильном сцеплении вяжущего, содержащего сэвилен с 22 % винилацетата, с минеральной частью. При введении 3% сэвилена показатель возрастает на 11,4 и 6,3% при 22 и 29% винилацетата, при 5% - 13,9 и 8,9% , при 7% - на 16,5 и 12,6% соответственно. Увеличение водостойкости в условиях Центрально-черноземного региона имеет большое значение, так как в осенне-зимний и весенний периоды наблюдаются многократные колебания положительных и отрицательных температур при интенсивном выпадении осадков. Увеличение коэффициента водостойкости и предела прочности при сжатии полимерасфальтобетонных смесей может указывать на то, что покрытие или ремонтируемый участок из этого материала может обладать большей долговечностью.
Известно, что определяющее влияние на водостойкость асфальтобетона оказывает сцепление вяжущего с поверхностью каменных материалов. В работах [17,18] установлено, что использование сэвилена улучшает адгезионные свойства битума. Помимо этого, авторы [19] отмечают, что с увеличением содержания винилацетата в севилене, он приобретает хорошую адгезию ко многим материалам, легко совмещается с различными полимерами, каучуками, твердыми парафинами, пластификаторами; уменьшается также разрушающее напряжение при растяжении, увеличивается относительное удлинение при разрыве.
Известно, что большую роль в образовании адгезионных связей на различных поверхностях раздела оказывают межмолекулярные кислотно-основные взаимодействия [20-22]. В том числе известна роль этих взаимодействий в строительном материаловедении при образовании адгезионных связей между вяжущими и заполнителями (наполнителями) [23].
В работе [20] установлено, что поверхность СЭВА имеет преимущественно основной характер, поскольку в состав полимера входит карбонильная группа, обладающая основными свойствами вследствие большей электроотрицательности атома кислорода по сравнению с углеродом. Это должно положительно отразиться на взаимодействии органического вяжущего, модифицированного севиленом, с заполнителями из кислых пород в отличие от традиционного ПБВ на СБС.
Сцепление вяжущего с минеральной частью оценивали визуально по величине поверхности гранитного щебня, сохранившей пленку вяжущего после кипячения в воде в течение 30 минут (рис. 2). Для эксперимента использовался битум без добавки, ПБВ-60 промышленного производства и битум, модифицированной 5 и 7% севилена с количеством винилацетатных групп 14, 22 и 29%.
Можно отметить, что на зернах щебня с немодифицированным битумом и промышленным полимерно-битумным вяжущим пленка битума отслоилась, нарушена сплошность покрытия материала вяжущим, тогда как севилен оказал положительное влияние на сцепление. Учитывая, что смесь считается выдержавшей испытание, если после кипячения не менее 3/4 поверхности остается покрытой пленкой вяжущего, можно констатировать, что образцы битума и полимерно-битумного вяжущего не выдержали испытание. Образцы с сэвиленом показали значительное увеличение сцепления, что является основной причиной повышения таких характеристик ШМА, как прочность при 20 и 50ºС, водостойкость. Визуально образцы щебня, обработанного вяжущим с содержанием различных концентраций сэвилена и винилацетата в его составе, мало отличаются. Но на физико-механические характеристики асфальтобетона влияет не только сцепление битума с минеральными материалами, но и свойства вяжущего.
Так, прочность ЩМА при 20 и 50ºС на битуме, модифицированным севиленом, содержащим 22% ВА, выше, чем содержащим 29%, в то время как большее положительное влияние на прочность при 0ºС оказал полимер с 29% винилацетатных групп. Это можно объяснить изменением строения макромолекул СЭВА при увеличении количества винилацетатных групп в его составе и связанным с этим снижением вязкости и повышением эластичности вяжущего [19].
Асфальтобетон является материалом, реагирующим на температурные колебания внешней среды. Это связано с тем, что битум, входящий в его состав подвержен температурным изменениям и окислению, что обусловлено природой асфальтенов, мальтенов и углеводородов, входящих в его состав [24]. В связи с этим актуальным является рассмотрение показателя чувствительности к перепадам температур. Коэффициент теплостойкости определялся как отношение прочности асфальтобетона на сжатие при 50ºС к этому же показателю при 20ºС. Следует отметить, что лучшие результаты получены при 22%-ном содержании винилацетатных групп. Данный показатель увеличился на 29,0% для полимерасфальтобетона с 5% сэвилена. Чувствительность к перепадам температур определялась как отношение прочности на сжатие при 50ºС к данному показателю при 0ºС. Для составов, содержащих 22% СЭВА исследуемый показатель увеличился почти вдвое, что позволяет прогнозировать повышенную тепло- и трещиностойкость таких полимерасфальтобетонов.
Сдвигоустойчивость и трещиностойкость во многом определяют долговечность асфальтобетонного покрытия. Пропорционально повышению сдвигоустойчивости происходит увеличение коэффициента теплостойкости и чувствительности к перепадам температур.
У полимермодифицированных образцов асфальтобетона значительно повышается сдвигоустойчивость и трещиностойкость (табл. 1).
Таблица 1
Влияние модификаторов на сдвигоустойчивость и трещиностойкость
|
Наименование показателей |
Требования по ГОСТ 9128-2013 к III/IV ДКЗ |
Содержание сэвилена, % |
||||||||
|
0 |
22 |
29 |
||||||||
|
Содержание винилацетата, % |
||||||||||
|
0 |
3 |
5 |
7 |
10 |
3 |
5 |
7 |
10 |
||
|
Сдвигоустойчивость: -коэффициент внутреннего трения - сцепление при сдвиге при 50 оС МПа |
Не менее 0,81/0,83 Не менее 0,30/0,31 |
0,90
0,38 |
0,94
0,46 |
0,95
0,50 |
0,96
0,44 |
0,97
0,43 |
0,92
0,40 |
0,94
0,43 |
0,94
0,42 |
0,95
0,41 |
|
Трещиностойкость –предел прочности на растяжение при расколе при 0оС, МПа |
2,8-6,0/ 3,2-6,5 |
3,0 |
3,4 |
3,6 |
3,6 |
3,7 |
3,3 |
3,4 |
3,4 |
3,3 |
При введении 5% добавки с 22% винилацетата в битум показатель сцепления асфальтобетона при сдвиге повысился на 31,6%, а трещиностойкость – на 5,6%. При 3 и 5% добавки наблюдается рост показателя сдвигоустойчивости, а затем происходит его плавное снижение. Коэффициент внутреннего трения у образцов с 29% винилацетата немного ниже, чем у образцов с 22% добавки. Модифицированный битум, имея большую температуру размягчения, способствует повышению стойкости вяжущего в составе асфальтобетона к перепаду температур. Повышение трещиностойкости и снижение предела прочности при сжатии при 0ºС свидетельствует об устойчивости асфальтобетонного покрытия перепадам температур, а также уменьшению вероятности образования трещин на дорожном покрытии.
Выводы
- Установлено значительное повышение прочности образцов ЩМА при 20 и 50ºС, а также водо- и теплостойкости, что связано с увеличением адсорбционной способности модифицированного битума по отношению к минеральным материалам из кислых пород. Это обусловлено наличием в составе полимера карбонильной группы, обладающей основными свойствами. Показано, что наибольшее положительное влияние на указанные характеристики оказывает севилен, содержащий 22% винилацетата.
- Введение добавки снижает прочность ЩМА при 0 ºС, особенно при содержании 29% винилацетата в составе полимера. Это объясняется снижением вязкости и повышением эластичности вяжущего при увеличении количества винилацетатных групп в его составе, что связано с изменением строения макромолекул СЭВА.
- Показано, что у образцов асфальтобетона на полимермодифицированных битумах значительно повышается сдвигоустойчивость и трещиностойкость, что должно положительно отразиться на долговечности ЩМА.
1. Калгин Ю.И. Экономическая целесообразность применения модифицированных битумов при устройстве верхних слоев асфальтобетонных покрытий // Дороги России ХХI века. 2002. № 3. С. 69-71.
2. Калгин Ю.И. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов. Воронеж: Изд-во Воронежского гос. ун-та. 2006. 272 с.
3. Строкин А. С. Повышение сдвигоустойчивости дорожных покрытий путем применения асфальтобетона каркасной структуры на основе модифицированных битумов // Строительство и архитектура. 2008. №2. С.134-139.
4. Бусел А.В. Добавки этилен-винил-ацетата для модифицирования дорожных битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. 1999. №2. С. 12-14.
5. Sengoz B, Topal A, Isikyakar G. Morphology and image analysis ofpolymer modified bitumens // Construction and Bilding Materials. 2009. № 23(5). 1986-1992.
6. Yuliestyan A., Cuadri A.A., Garcia-Morales M., Partal P. Influence of polymer melting point and Melt Flow Index on the performance of ethylene-vinyl-acetate modified bitumen for reduced-temperature application // Materials and Design. 2016. № 96. Pp. 180-188.
7. Ming Liang, Shisong Ren, Weiyu Fan, Xue Xin, Jingtao Shi, Hui Luo. Rheological property and stability of polymer modified asphalt: effect of various vinyl-acetate structures in EVA copolymers // Construction and Bilding Materials. 2017. № 137. Pp. 367-380.
8. Ya Liu, Jing Zhang, Ru Chen, Jun Cai, Zhonghua Xi, hongfeng Xie. Ethylene vinyl acetate copolymer modified epoxy asphalt binders: phase separation evolution and mechanical properties// Construction and Bilding Materials. 2017. № 137. Pp. 55-65.
9. Bhupendra Singh, Praveen Kumar. Effect of polymer modification on the ageing properties of asphalt binders: chemical and morphological investigation // Construction and Bilding Materials. 2019. № 205. Pp. 633-641.
10. Gordon D. Airey. Rheological evaluation of ethylene vinyl acetate polymer modified bitumens// Construction and Bilding Materials. 2002. № 16. Pp. 473-487.
11. Вurak Sendoz, Giray Isikyakar. Evaluation of the properties and microstructure of SBS and EVA polymer modified bitumen // Construction and Bilding Materials. 2008. № 22. Pp. 1897-1905.
12. Петров С.М. Модификаторы полифункционального действия для получения окисленных дорожных битумов с улучшенными свойствами: автореф. дис. канд. техн. наук. Казань. 2009. 20 с.
13. Галимов Л.Р., Кочнев А.М., Архиреев В.П., Галибеев С.С. Изучение модификации поливинилхлорида винилацетатными полимерами // Вестник Казанского технологического университета. 2009. №1. С. 36-40.
14. Опанасенко О.Н. Регулирование межфазных взаимодействий в нефтяных дисперсиях поверхностно-активными веществами и полимерами: автореф. дис. д-р хим. наук. Минск. 2017. 48 с.
15. Галдина В.Д. Модифицированные битумы: учеб. пособие. Омск: СибАДИ, 2009. 228 с.
16. Yadykina V.V., Navolokina S.N., Gridchin A.M. The dependence of the modified bitumen properties on the amount of vinyl acetate in the sevilen composition // Materials Science Forum. 2019. Pp. 175-180.
17. Вольфсон С.И., Хакимуллин Ю.Н., Закирова Л.Ю., Хусаинов А.Д., Вольфсон И.С., Макаров Д.Б., Ходин В.Г. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств // Вестник Казанского технологического университета. 2016. Том 19. №17. С. 29-33.
18. Петров С.М., Кемалов Р.А. Возможности использования низкоокисленных битумов в производстве изоляционных лаковых материалов // В сборнике 11-й Международной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений». Казань. 2005. 91 с.
19. Темникова. Н.Е., Русанова С.Н., Стоянов О.В., Чалых А.Е., Герасимов В.К., Хасбиуллин Р.Р. Термохимические исследования этиленовых сополимеров // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. №5. С. 109-113.
20. Старостина И.А., Стоянов О.В. Кислотно-основные взаимодействия и адгезия в металл-полимерных системах: монография. КГТУ. Казань. 2010. 195 с.
21. Старостина И.А., Стоянов О.В., Гарипов Р.М., Загидуллин А.И., Кустовский В.Я., Кольцов Н.И., Кузьмин М.В., Трофимов Д.М., Петров В.Г. Связь приведенного параметра кислотности с адгезионными свойствами эпоксидных покрытий // Лакокрасочные материалы и их применение. 2007. №5. С. 32-37.
22. Хузаханов Р.М., Старостина И.А., Стоянов О.В., Русанова С.Н. Характер взаимодействия на границе раздела «сополимер этилена с винилацетатом-металл» // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Том 16. № 11. С. 191-194.
23. Ядыкина В.В. Повышение качества асфальто- и цементобетона из техногенного сырья с учетом состояния его поверхности: дис. доктора техн. наук. Белгород, 2004. 455 с.
24. Шеина Т.В., Самохина А.А. Взаимосвязь фракционного состава, надмолекулярной структуры и эксплуатационных показателей дорожных битумов. Ч. II // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 3 (20). С. 108-114.
