ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С ДОБАВКАМИ СБС ДЛЯ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Технологическое старение асфальтобетонных смесей с добавками СБС для покрытий автомобильных дорог

Веюков Евгений Валерианович

к.т.н., доцент кафедры «Строительных технологий и автомобильных дорог» Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Салихов Мухаммет Габдулхаевич

д.т.н., профессор кафедры «Строительных технологий и автомобильных дорог» Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Дмитриев Артем Геннадьевич

студент Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

Сафонов Максим Сергеевич

студент Поволжского государственного технологического университета, [email protected]

При нагревании асфальтобетонных смесей при высоких температурах в условиях доступа воздуха наблюдается их ускоренное старение, т.е. снижение значений и качественных показателей, уплотненных из них образцов. Из-за различной структуры битумных пленок на поверхностях минеральных компонентов различного состава и размеров процессы старения, возможно, происходят по-разному. В связи с этим возникла необходимость в дифференцированном изучении процесса старения на поверхностях крупного мелкого заполнителей и измельчённой части битумоминеральной (асфальтобетонной) смеси. Эксперименты в лабораторных условиях проводятся по разработанной на кафедре строительных технологий и автомобильных Поволжского государственного технологического университета^ патенту РФ № 2654954). Анализ процессов старения образцов из битумоминеральных смесей при этом осуществляется при помощи безразмерного коэффициента старения по показателю предела прочности при сжатии при +50 °С. Характер и динамика старения образцов во времени оцениваются при помощи специальных показателей-коэффициента старения и интенсивности старения. В результате выполненных экспериментальных исследованийизучена динамика изменения интенсивности старения смесей на различных битумах при длительном прогревании смесей до 7 ч. Установлено, что замена битума БНД 90/130 на PG, введение добавки СБС (стирол-бутадиен-стирол) позволило снизить интенсивность старения асфальтобетонов. Коэффициент старения базового состава (без добавки на битуме БНД 90/130) составил - 1.28, состава с на битуме PG - 1.66, с добавкой СБС -1.74. Получены корреляционные зависимости между значениями коэффициента старения асфальтового бетона и смесей с различными добавками в программной среде CurveExpert 1.4. Полученные зависимости позволяют выполнить анализ влияния примененных добавок на процессы старения асфальтобетона во времени и составить их рейтинг по степени влияния на динамику этого процесса.

Ключевые слова: старение асфальтобетонов, битумы дорожные, температурное старение, долговечность конструкций, антистарители, бутадиен-стирольные термоэластопласты.

Введение. Целью данного исследования является установление в лабораторных условиях динамики процесса старения асфальтобетонных смесей типа Б на различных битумах и с применением добавки СБС.

Известно, что в процессе старения значительно снижаются значения физико-механических свойств битумоминеральных материалов, в результате чего эксплуатационные показатели их могут достигнуть предельно допустимых величин. На необходимость учета процессов старения на долговечность битумоминеральных материалов указывалось многими отечественными и зарубежными авторами [1-6]. В результате выявлено влияние на процессы старения нефтебитумов различных факторов на стадиях его производства, хранения и применения [6-13]. При этом были выдвинуты предложения по учету процессов старения на всех вышеупомянутых стадиях.

Несмотря на имеющийся опыт изучения процессов старения битумов и битумоминеральных смесей, к настоящему времени имеется мало сведений о старении битумов на поверхностях их отдельных минеральных компонентов.

Материалы и методики исследований. В качестве базового (без добавок) принята щебенистая асфальтобетонная смесь типа Б по ГОСТ 9128-2013 следующего состава, % по масс.: щебень гранитный М 1200 фр. 5-20 мм- 42,0; дробленый песок (отсевы дробления прочных пород) - 50,0; известняковый минеральный порошок -8,0; битум - 6,0 (сверх 100,0 %). В качестве добавки применяли СБС (стирол-бутадиен-стирол).

Соотношение компонентов соответствуют оптимальным и были назначены на основании предварительного изучения их средней плотности и прочности при сжатии при +20 °С и +50 °С градусов, в том числе после искусственного старения при +150 °С.

Поскольку к настоящему времени стандартной методики не существует, то изучение старения битумоминеральных смесей осуществлено по предложенной авторами новой методики (по патенту РФ № 2654954) [14]. Сущность методики сводится к следующему:

1. Отбор образцов исследуемых минеральных материалов, просушка и их нагревание до рабочих температур (150-170 °С);

2. Подготовка образца нефтяного битума путем обезвоживания и нагрева до рабочей температуры: для вязкого битума - 140-150 °С;

3. Перемешивание компонентов между собой в заданных соотношениях;

4. Размещение приготовленных образцов смесей на подносах ровными слоями и выдерживание в электрической печи (печи RTFOT) при высокой температуре + 150 °С и в условиях свободного доступа воздуха в течение расчетного времени (0, 1, 3, 5, 7 и т.д. часов).

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м м

сч сч

0 сч

и?

01

о ш Ш X

<

т о х

X

После истечения намеченного промежутка времени смеси вынимают из печи, формуют из них стандартные цилиндрические образцы, по стандартной методике ГОСТ 12801-98 испытывают и устанавливают значения их физико-механических свойств.

Результаты и обсуждения

В результате экспериментов прочностных показателей рассчитаны значения коэффициентов старения и интенсивности старения (табл. 1-2) и построены графики зависимости их значений от времени выдерживания при температуре 150° С (рис. 1-2.).

Таблица 1

Результаты экспериментов по установлению значений прочности при сжатии при +20С, модуля упругости, коэф-

Время Предел Модуль Коэффициент Интенсивность

прогре- прочно- упруго- старения Кст по старения /ст по

вания, ч сти при сти Е, показателю: показателю:

сжатии МПа Д+20"С Е Д+20"С Е

□ +20 "С псж '

МПа

0 3,63 2597 1,00 1,00 0,02 -0,17

1 3,70 2154 1,02 0,83

0,10 -0,06

3 4,08 2000 1,12 0,77

0,20 0,04

5 4,79 2107 1,32 0,81

0,07 -0,40

7 5,03 1058 1,39 0,41

1.60

3« 1.40

1 Ч>

о.

£ 1.00

ъ 0,Ш

I 0,60

-э- 0.40

0,20

0.00

1. п 1,3

1 12

х> 1, :< > --— 12

0. 53 О 77 0, !1

О,;

который приводит к некоторому увеличению механической прочности всей системы. В дальнейшем этот процесс переходит в зону ослабления из-за охрупчивания битумных плёнок и снижение их клеящей способности.

Однако по показателю модуля упругости, как можно заметить, картина обратная. Ухудшение показателя происходит уже в первый час прогревания смеси и отмечается резкое снижение при 5-7 часах прогревания.

Таблица 2

Результаты экспериментов по установлению значений прочности при сжатии при +50 °С, коэффициента старения для различных составов_

Время Предел прочности при сжатии Коэффициент старения

прогре- R¿K50°C, МПа Кст

вания, На би- На би- На битуме На би- На На би-

ч туме туме РО БНД 90/130 туме би- туме

БНД + СБС БНД туме БНД

90/130 90/130 РО 90/130 +

СБС

0 1,63 1,45 1,22 1,00 1,00 1,00

1 1,46 1,43 1,11 0,89 0,99 0,91

3 1,86 1,94 1,26 1,14 1,34 1,03

5 1,99 2,41 1,43 1,22 1,67 1,17

7 2,08 2,40 2,12 1,28 1,66 1,74

-На битуме БНД 90/130

Бремя прогревания с:

—•— На битуме РО

-На битуме БНД 90/130 + СБС

0 1 2 3 4 5 6 7

Бремя прогревания смеси, ч

—'— По пределу прочноси! ■ Модуль улругоота

Рисунок 1.-Гоафики зависимостей значений коэффициентов старения для базового состава при температуре +20 °С

Анализируя табл. 1 и график на рис. 1 можно заметить, что базовый состав в интервале 1-5 часов выдерживания при температуре 150 °С по показателю пределу прочности на сжатие при 20 °С стареет в сторону повышения их механической прочности с интенсивностью 0,10...0,20 ч-1, а затем после 5 часов выдерживания с интенсивностью 0,07 ч-1. Процесс старения начался (^р=5 ч.), но еще не прекратился, поскольку значения коэффициентов старения даже при выдерживании в течение 7 часов имеют значения больше 1. Значения предела прочности на сжатие у образцов из смесей, выдержанных при температуре150 °С в первые 5 часов, увеличились в 1,3 раза. Это объясняется тем, что за счет повышения в битумных плёнках асфальтено-смолистой составляющей при прогревании в начальный период происходит некоторый рост адгезионной прочности битумной плёнки на поверхностях минеральных частиц,

Рисунок 2. - Графики зависимостей значений коэффициентов старения для различных составов по показателю прочности на сжатие при температуре +50 °С

В результате анализа табл. 2 и графика на рис. 2 можно сделать следующие выводы:

1) Замена битума и введение добавки СБС в исследуемые смеси позволяет значительно повысить стойкость смесей к температурному старению - значения коэффициентов старения при времени выдерживания 7 часов составили 1,66 и 1,74 соответственно. Этот же показатель для базового состава имеет значение - 1,28;

2) Как видно, графики изменения коэффициента старения для измененных составов идут по восходящей линии;

3) По абсолютному значению коэффициента старения смесей по мере убывания располагаются в следующей последовательности: смеси с добавкой СБС на битуме БНД 90/130, смеси на битуме PG и смеси на битуме БНД 90/130 без добавок.

На основании полученных данных, с целью выяснения роли каждой добавки в старении асфальтобетона, в программной среде СигуеЕхре!! получены корреляционные зависимости значений коэффициента старения по показателю прочности при сжатии при +50°С:

1) у смеси базового состава:

п+50"С

К„сж =а1 •ехр 2*с12 ,

2) у смеси на битуме PG:

р + 50°С л^Чж _ _

a2+b2^(tnp)C2' 3) у смеси с добавкой СБС:

d + 50°C 1

к

ст . { \С4 ■

a4 +b4 •(tnpj

Достоверность зависимостей (1-3) в интервале температур tnp = 0.. .7 часов: точность подбора (ранг приближения) находится в пределах 0,985.. .0,994, сумма ошибок - S=0,300.. .0,306.

Как видно из полученных данных, изменение значений коэффициента старения по показателю предела прочности при сжатии при +50°C при прогревании во времени для базового состава происходит в сторону уменьшения по экспоненциальной зависимости. Для смеси с добавкой СБС и смеси на битуме PG происходит в сторону повышения по Харисовой модели зависимости.

Выводы

В результате экспериментального изучения процессов старения песчаных асфальтобетонов с различными добавками установлено:

1. Замена битума и введение добавки СБС в исследуемые смеси позволяет значительно повысить стойкость смесей к температурному старению;

2. Базовый состав в интервале 1-5 часов выдерживания при температуре 150 °С по показателю пределу прочности на сжатие при 20 °C стареет в сторону повышения их механической прочности. Однако по показателю модуля упругости ухудшение происходит в первый же час прогревания смеси и отмечается резкое снижение при 5-7 часах прогревания.

3. По абсолютному значению коэффициента старения смесей по мере убывания располагаются в следующей последовательности: смеси с добавкой СБС на битуме БНД 90/130, смеси на битуме PG и смеси на битуме БНД 90/130 без добавки.

4. Получены математические модели, описывающие процессы старения асфальтобетонов в зависимости от продолжительности прогревания при высоких температурах, типа применяемого битума и содержания в них добавок.

Литература

1. Бахрах Г.С., Печеный Б.Г., Борисенко О.А. // Сб. Учет процесса «старения» при проектировании составов битумоминеральных смесей. Автомобильные дороги, 1973. - № 9. - С.8-9.

2. Илиополов С.К., Мардирисова Б.В., Углова Е.В. Развитие процесса старения битума в асфальтобетонных покрытиях автомобильных дорог // Известия ВУЗов. Серия «Строительство», 1994. - № 3. - С. 48-52.

3. Стукалов А.А. Старение асфальтобетонных смесей, асфальтобетонов и способы повышения термоокислительной стойкости: дис. ... канд. техн. наук. - Макеевка (Донецкая обл.): Дон. НАСА, 2015. - 179 с.

4. Гуляк Д.В. Технологическое и эксплуатационное старение дегтебетонных смесей и дегтебетонов и способы замедления: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Макеевка (Донецкая обл.): Дон. НАСА, 2010. - 20 с.

5. Чан НятТан. Регулирование термоокислительной стабильности дорожных битумов и битумных материалов: дис. ... канд. техн. наук. - М: 2010. - 121 с.

6. Siddiqui Mohammad Mahid. Use of X-ray diffraction in assessing the aging pattern of asphalt fractions // Fuel. 2002. v. 81, № 1. p.p. 51-58.

7. Zhao Zhaohui. A study on aging kinetics of asphalt based on softening point // Petroleum science and technology. 2003. v.21, №9-10. p.p.1575-1582.

8. Скрипкин А.Д., Старков Г.Б., Колесник Д.А. Оценка старения битума в тонких пленках с применением анализатора тонкой хроматографии «latroscan Mk-5». - М.: ЗАО «НОМБУС», 15.11.2007.

9. Аносукэ М. Способы предотвращения охрупчива-ния и разрушения асфальтобетонных покрытий. Патент Японии № 51-41766; кл. Е 01 07/18, 1971.

10. Саенко С.С. Методы минимизации старения битума в рабочем котле при приготовлении горячих асфальтобетонных смесей: автореферат дисс...к.т.н. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2008.

11. Сальникова А.И. Биологическая и климатическая стойкость модифицированных битумных вяжущих и композитов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Пенза: ПГУАС, 2017. - 23 с.

12. Иваньски М., Леонович И.И. Влияние процесса старения на физико-механические показатели асфальтобетона / Вестник БНГТУ, 2002. - № 5. - С. 17-22.

13. Салихов М.Г. Изучение температурного старения битумо-порошковых смесей / М.Г. Салихов, Е.В. Веюков, Л.И. Малянова, А.З. Гайфуллина // Научный журнал «Вестник МарГТУ». Серия «Материалы. Конструкции. Технологии». - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2019. - № 4 12). - С. 25-33.

14. Салихов М.Г., Веюков Е.В., Сабиров Л.Р., Маля-нова Л.И. Способ определения скорости и интенсивности старения асфальтобетонов. Патент на изобретение № 2654954 от 13.02.2017. СПК. G01N 17/00 (2017/08); G01N33/42 (2017/08). - Опубл. 23.05.2018. Бюл. № 15.

15. Королев И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1986. - 149 с.

Technological aging of bitumen mineral materials for road coverings Veyukov E.V., Salikhov M.G., Dmitriev A.G., GaraninaYu.I.

Volga State University of Technology

JEL classification: L61, L74, R53_

When heating bitumen-mineral mixtures at high temperatures in conditions of air access, their accelerated aging is observed, i.e. a decrease in the values and quality indicators of the samples compacted from them. Due to the different structure of bitumen films on the surfaces of mineral components of different composition and sizes, aging processes may occur in different ways. In this regard, there was a need for a differentiated study of the aging process on the surfaces of large fine aggregates and the crushed part of the bitumen-mineral (asphalt-concrete) mixture. Experiments in laboratory conditions are carried out according to the developed at the Department of Construction Technologies and Automotive of the Volga State Technological University (under RF Patent No. 2654954). The analysis of the aging processes of samples from bitumen-mineral mixtures is carried out using a dimensionless aging coefficient in terms of compressive strength at +50 °C. The nature and dynamics of aging of samples over time are evaluated using special indicators - the aging coefficient and the intensity of aging. As a result of the experimental study, optimal ratios of bitumen with mineral components were established, taking into account their susceptibility to aging over time. The dynamics of changes in the intensity of bitumen aging over time in the bitumen-mineral mixture as a whole and separately on the surfaces of mineral components separately has been studied. The results of this study can be taken into account when revising the normative values of the service life of highways with structural layers of bitumen-mineral materials. Keywords: aging of asphalt concrete, road bitumen, temperature aging,

durability of structures, laboratory testing methods. References

1. Bakhrakh G.S., Pechenyi B.G., Borisenko O.A. // Sb. Accounting for the process of "aging" in the design of compositions of bitumen-mineral mixtures. Highways, 1973. - No. 9. - pp.8-9.

X X

о го А с.

X

го m

о

2 О

м м

2. Iliopolov S.K., Mardirisova B.V., Uglova E.V. The development of the

bitumen aging process in asphalt concrete road coverings // IzvestiyaVuzov. Series "Construction", 1994. - No. 3. - pp. 48-52.

3. Stukalov A.A. Aging of asphalt concrete mixtures, asphalt concrete and

ways to increase thermal oxidation resistance: dis. ... Candidate of Technical Sciences. - Makeyevka (Donetsk region.: Don, 2015. - 179 p.

4. Gulyak D.V. Technological and operational aging of tar-concrete mixtures

and tar-concrete and methods of deceleration: Abstract. dis. ... Candidate of Technical Sciences. - Makeyevka (Donetsk region.: Don, 2010. - 20 p.

5. Chan Nyat Tan. Regulation of thermal-oxidative stability of road bitumen

and bitumen materials: dis. ... Candidate of Technical Sciences. -Moscow, 2010. - 121 p.

6. Siddiqui Mohammad Mahid. Use of X-ray diffraction in assessing the aging

pattern of asphalt fractions // Fuel. 2002. v. 81, № 1. p.p. 51-58.

7. Zhao Zhaohui. A study on aging kinetics of asphalt based on softening

point // Petroleum science and technology. 2003. v. 21, No. 9-10. p.p. 1575-1582.

8. Skripkin A.D., Starkov G.B., Kolesnik D.A. Assessment of bitumen aging in

thin films using the Iatroscan Mk-5 fine chromatography analyzer. -Moscow: CJSC "NOMBUS", 15.11.2007.

9. Anosuke M. Methods for preventing embrittlement and destruction of

asphalt concrete pavements. Japanese Patent No. 51-41766; cl. E 01 07/18, 1971.

10. Saenko S.S. Methods of minimizing bitumen aging in a working boiler when preparing hot asphalt concrete mixtures: abstract of dissertation... PhD Rostov-on-Don, 2008.

11. Salnikova A.I. Biological and climatic resistance of modified bitumen binders and composites: Abstract of dissertation ... Candidate of Technical Sciences. - Penza, 2017. - 23 p.

12. Ivansky M., Leonovich I.I. The influence of the aging process on the physical and mechanical parameters of asphalt concrete. - 2002. - No. 5. - pp. 17-22.

13. Salikhov M.G. The study of temperature aging of bitumen-powder mixtures / M.G. Salikhov, E.V. Veyukov, L.I. Malianova, A.Z. Gayfullina // Scientific journal "VestnikMarGTU". The series "Materials. Constructions. Technologies". - Yoshkar-Ola, 2019. - № 4 12.. - Pp. 2533.

14. Salikhov M.G., Veyukov E.V., Sabirov L.R., Malianova L.I. Method for determining the rate and intensity of aging of asphalt concrete. Patent for invention No. 2654954 dated 13.02.2017. SEC. G01N 17/00 (2017/08.; G01N33/42 (2017/08.. - Publ. 23.05.2018. Byul. No. 15.

15. Korolev I.V. Ways to save bitumen in road construction. - Moscow Transport, 1986. - 149 p.

cs cs o cs

to

O m m

X

<

m o x

X