CC BY
40
УДК 691.16
Н. В. Костромина*, С.А. Сербии, Викт. А. Сабинин, Вяч. А. Сабинин Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125190, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ РЕЗИНОНАПОЛНЕННЫХ БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
В исследовании приводится способ решения проблемы утилизации шин путем их использования в процессе модификации дорожного вяжущего. Рассмотрены вопросы повышения качества битумных вяжущих путем их модификации с использованием комплексного полимерного модификатора. Представленные результаты подтверждают возможность сохранения стабильности свойств модифицированного резинонаполненного битумного вяжущего в процессе его эксплуатации и перспективу задачи утилизации отработанных шин.
Ключевые слова: битум, резинонаполненные вяжущие, комплексный модификатор, резиновая крошка.
Нефтяные битумы благодаря ряду ценных свойств нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства. Кроме того, большие масштабы производства и низкая стоимость делают их незаменимыми при сооружении автомобильных дорог. Именно поведение битума, как самого «слабого звена» системы, определяет состояние уложенного асфальто-бетонного покрытия. Выделяют этап старения битумных вяжущих под действием окружающей среды, т.е. «долговременное старение», когда начинают появляться усталостные трещины. К числу основных факторов, вызывающих старение, относят взаимодействие компонентов битума с кислородом воздуха и водой, температурные колебания, каталитическое действие поверхностей минеральных материалов и металлорганических соединений битума, воздействие инфракрасного и ультрафиолетового излучения, механические нагрузки.
Химические процессы, протекающие при старении битумов, являются основой изменения его свойств. Необратимые изменения состава и свойств битумов вызываются испарением летучих компонентов в тонком поверхностном слое, которое обусловлено температурой и вязкостью битума, полимеризацией, связанной с воздействием катализаторов (металлов и минеральных материалов) и температуры, оксиполимеризацией компонентов под действием светового излучения,
поликонденсацией соединений с отщеплением водорода и образованием воды.
Перспективным направлением регулирования свойств битумного вяжущего является введение в него комплексного модификатора на основе резиновой крошки [1, 2]. Основной модифицирующий эффект от применения модификатора на основе резиновой крошки заключается в расширении температурного интервала эксплуатации битумных вяжущих.
При деструкции резины может происходит разрушение сульфидных мостиков с образованием макрорадикалов, способных образовывать сетку химических связей: =0—8—8—0= ^ 2 =0-8*. За счёт частиц резины, связанных в структурную сетку между собой и с компонентами модифицированного битумного вяжущего, у резинонаполненных битумных вяжущих наблюдается более высокая температуру размягчения, что, в свою очередь, снижает колееобразование в асфальтобетонах. Модификация битумного вяжущего резиновой крошкой и комплексным модификатором приводит к существенному увеличению его эластичности, а это особенно важно при эксплуатации
асфальтобетонных покрытий в условиях отрицательных температур. При этом пенетрация модифицированного резинонаполненного битумного вяжущего при 0 °С повышается на 50 % (таблица 1).
Таблица 1. Свойства битумных вяжущих на основе битума нефтяного дорожного марки БНД 60/90
Наименование показателя, единица измерения исходный битум резинонаплненный битум + комплексный модификатор
Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм при 0 °С, 0,1 мм 60 20 63 30
Температура размягчения по кольцу и шару (КИШ), 0С 47 72
Изменение температуры размягчения после прогрева Т = 163 °С в течение 5 ч, 0С 5 4
Из приведенных результатов видно, что резинононаполненные модифицированные
битумные вяжущие обладают повышенной теплостойкостью и соответствуют требованиям, предъявляемым к полимерно-битумным дорожным вяжущим (по ГОСТ 52056-2003). Составы получали по технологии, максимально приближенной к технологии получения асфальтобетонов.
Следует отметить, что резиновый порошок довольно плохо смачивается битумным вяжущим, и без использования комплексного модификатора не удалось получить гомогенный состав (однородность битумных вяжущих определяли по ГОСТ 520562003). Эффективное совмещение резиновой крошки и битумного вяжущего достигается за счёт введения реакционноспособных модификаторов:
полисилоксан-полиоксиалкиленовых блок-
сополимеров и глицидилсодержащих полиэфиров.
Недостаток резиновой крошки - её низкая поверхностная активность, что проявляется в несмачиваемости поверхности резины битумным вяжущим и склонности частиц резины к агломерации. Высокие адгезионные свойства обеспечиваются введением в состав вяжущего кремнийорганических блок-сополимеров, которые оказывают влияние на равномерное распределение резиновой крошки в битумном вяжущем. Являясь адсорбционными пластификаторами при малых дозировках они «разжижают» - пластифицируют структуры битумного вяжущего, понижая их структурную вязкость. Механизм
пластифицирования матрицы, по-видимому, носит межструктурный характер и заключается в образовании на поверхности раздела мономолекулярных слоев, облегчающих
подвижность надмолекулярных структур вяжущего.
Резиновый порошок придает жёсткость связующему веществу и повышает упругость (уровень обратимой деформации) в тех диапазонах температур, в которых происходит эксплуатация дорожного покрытия, что позволяет снизить чувствительность дорожного покрытия к температуре и повысить устойчивость к остаточной деформации (образование колеи) и усталостную прочность. Основной причиной использования резиноасфальта в горячих асфальтовых смесях является возможность значительного улучшения их инженерных характеристик по сравнению с обычным асфальтом для дорожного покрытия.
В существующих нормативах на дорожные битумы есть показатель, косвенно характеризующий его способность сохранять свои свойства длительное время в условиях эксплуатации - изменение температуры размягчения после прогрева при Т = 163 °С (таблица 1). При термостарении битумных вяжущих наблюдаются следующие процессы: происходит улетучивание легких фракций, результатом которого является концентрация тяжёлых компонентов, охрупчивание, и термоокисление по радикальному механизму. В результате этих факторов температура размягчения
битумных вяжущих, как модифицированных, так и не модифицированных увеличивается на 4-5 °С, что соответствует нормативным характеристикам. Однако мы считаем, что выводы о стабильности битумных вяжущих при эксплуатации основываются на ускоренной методике, которая моделирует влияющие на долговечность материала внешние факторы. В связи с этим, в работе наряду с нормативными методиками применяли метод длительного старения, который, по-нашему мнению, более приближен к реальным условиям эксплуатации материалов на основе битумных вяжущих. Изменение массы образцов оценивали после воздействия УФ облучения при 80 °С в течение 180 ч (рис. 1).
-битум
—■-битум+резиновая крошка
-*-бнтум+
комплексный модификатор
50 100 150 время. >1
Рис. 1. Изменение массы образцов битумного вяжущего от времени воздействии УФ облучения при Т= 80 0С
Анализ полученных данных показал, что снижение массы образцов в результате выделения летучих продуктов деструкции при УФ облучении незначительно и не превышает 3,5 %.
При термостарении битумных вяжущих при воздействии УФ облучения происходит улетучивание лёгких фракций, приводящее к снижению массы образцов - термодисцилляция. В то же время, процессы термоокисления сопровождаются увеличением массы. В связи с этим результат изменения массы образцов в процессе старения сложно оценить, и для оценки старения битумных вяжущих в качестве критерия устойчивости было выбрано изменение относительного удлинения при разрыве.
Характер кривых изменения относительного удлинения при разрыве, представленный на рис. 2, одинаковый, снижающийся для
немодифицированного и модифицированного резиновой крошкой битумного вяжущего в результате действия термодисцилляции и термоокисления.
температуре высокие значения удлинения образцов битума сохраняются, несмотря на улетучивание лёгких фракций. Введение комплексного модификатора приводит к меньшей интенсивности старения битумного вяжущего, то есть замедляется скорость снижения относительного удлинения при разрыве. Модифицирующая добавка «работает» в системе как структурообразователь и приводит к снижению деформационных характеристик.
Таким образом, использование
реакционноспособных компонентов позволяет не только использовать все преимущества резиновой крошки, активируя её поверхность для равномерного распределения в битумном вяжущем, но и повысить термостабильность резинонаполненного битумного вяжущего с одновременным сохранением его эластичности, в том числе и при отрицательных температурах.
Костромина Наталья Васильевна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сербии Сергей Александрович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сабинин Виктор Александрович, магистрант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сабинин Вячеслав Александрович, магистрант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Осипчик B.C., Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Ивашкина В.Н., Аристов В.М., Сербии С.А. Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих // Вестник Казанского технологического университета. - 2016. - Т.19. - №8. - С. 50-54.
2. Лихтерова Н. М., Дуров О. В., Накипова И. Г., Васильев Г. Г., Гаврилов Н. Г. Повышение термостабильности дорожных битумов // Химия и технология топлив и масел. - 2008. - №3. - С. 7-16.
Kostromina Natalya Vasilievna*, Serbin Sergey Alexandrovich, Sabinin Viktor Alexandrovich, Sabinin Vyacheslav Alexandrovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
THE STUDY OF PROCESSES OF DESTRUCTION OF THE RUBBER-FILLED ASPHALT BINDERS
Abstract
The study provides the way to solve the problem of waste tires through the process of modifying a road binder. Considered to improve the quality of asphalt binders by modifying them with the use of a complex of polymeric modifier. The presented results confirm the possibility of preserving the stability properties of the modified bitumen binder residentalien in the process of its operation and future challenges of recycling waste tires.
Key words: bitumen, rubber-filled binders, complex modifier, rubber crumb.
200
I 180
1 -Д o'-
5S 140
Et
Л
-вВТУм
- битум+резиновая крошка
-SIITYM+
комплексный модификатор
Рис. 2. Изменение относительного удлинения при разрыве от времени воздействии УФ облучения при Т= 80 0С
Незначительное изменение относительного удлинения при разрыве немодифицированного битума объясняется высоким начальным значением этого показателя. По-видимому, при положительной
