Оценка адгезионной способности битума модифицированного резиновой крошкой

Технологии модификации битумов резиновой крошкой в настоящее время находят все большее распространение, чему способствуют задачи повышения срока службы асфальтобетонных покрытий и поиска путей эффективной утилизации отработанных автомобильных и авиационных шин. Однако отсутствие теоретической модели, объясняющей влияние различных факторов на эффективность процесса модификации битумов резиновой крошкой, приводит к разрозненности результатов исследований и неоднозначности рекомендуемых технологических параметров, предлагаемых различными авторами.

В мировой практике рассматриваются две основные технологии модификации битумов резиновой крошкой: технология с относительно невысокой (160…200ºС) температурой технологического процесса без предъявления специальных требований к смесительному оборудованию [1-9] – метод Asphalt Rubber, и технология с повышенной (200…260ºС) температурой технологического процесса с использованием специальных смесителей – метод Terminal Blended [10-12]. Предлагаются также и комбинированные методы, когда температура процесса соответствует интервалу, характерному для метода Terminal Blended, при этом использование высокоскоростных смесителей не предусматривается [13-17].

Обоснование повышения адгезии битумного вяжущего

Применение различных методик модифицирования битумов резиновой крошкой, безусловно, дает положительный результат, который выражается в повышении температуры размягчения по методу «Кольцо и шар», понижение температуры хрупкости по Фраасу, повышению эластичности вяжущего и т.д. Поскольку битум как материал наиболее часто применяется в дорожном строительстве, одним из основных физико-механических параметров, способствующих повышению срока службы асфальтобетонных слоев автомобильных дорог, является адгезионная способность вяжущего, т.е. сцепление модифицированного битума с поверхностью используемых каменных материалов.

Грунтовые условия Кемеровской области сложены в основной своей массе осадочными горными породами основного типа, а, как известно, битум - это кислая среда, которая, в свою очередь, довольно неэффективно взаимодействует с вышеупомянутым.

Оценка качества сцепления битума и битума, модифицированного резиновой крошкой, с поверхностью каменных материалов

В работах [18, 19, 20] описана технология получения на основе разделения процесса приготовления на стадии композиционных полимерно-битумных вяжущих на основе резиновой крошки, но не проанализирована адгезионная способность вяжущего. В связи с этим необходимо было оценить адгезионную способность полученного вяжущего с наиболее популярными горными каменными материалами, химический состав которых указан в таблицах 1, 2, а также на рисунках 1, 2 соответственно.

Таблица 1

Химический состав каменных материалов

Наименование материала	Компоненты, %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	FeO	TiO 2	CaO	MgO	Na 2 O	K 2 O	SO 3	P 2 O 5	MnO	ППП
Щебень Мозжу-хинского карьера	66,96	10,84	0,65	1,58	0,32	4,71	2,41	2,47	2,90	<0,25	0,07	0,12	5,62
Щебень Гурьевского карьера	26,11	2,89	0,59	0,25	0,10	37,11	0,88	0,83	0,64	0,47	0,08	0,09	29,57
Мрамор белый	0,15	-	0,03	-	0,002	55,51	0,13	0,002	0,002	0,004	0,03	0,01	43,33
Щебень Крапи-винского карьера	75,30	13,61	0,15	1,65	0,24	0,05	0,17	-	-	-	-	0,05	-

Таблица 2

Качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью каменных материалов

№ п/п	Наименование материала	Оценка качества сцепления
		БНД 90/130	РБВ
1	Мрамор белый Коэлгинского месторождения фр. 2-5 мм	отличное (пять баллов)	отличное (пять баллов)
2	Щебень фр. 5-20 мм Гурьевского карьера	хорошее (четыре балла)	отличное (пять баллов)
3	Щебень фр. 5-20 мм Крапивинского карьера	плохое (два балла)	хорошее (четыре балла)
4	Щебень из гравия фр. 5-10 мм Мозжухинского карьера	плохое (два балла)	удовлетворительное (три балла)

Примечание. РБВ – битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийной технологии ее введения.

а

Б

Рисунок 1 – а - сцепление битума БНД 60/90; б - битума, модифицированного резиновой крошкой, при стадийном технологическом процессе с щебнем фр. 5-20 мм Крапивинского карьера

а                           б

Рисунок 2 – Сцепление битума, модифицированного резиновой крошкой, при стадийном технологическом процессе с щебнем фр. 5-20 мм:

а - Мозжухинского карьера; б - Гурьевского карьера

Известно, что адгезия зависит от полярности компонентов (асфальтенов и мальтенов). Поэтому можно говорить о том, что адгезия объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела пленки битума и каменного материала.

Представленные исследуемые каменные материалы обладают отличающимися друг от друга химическими свойствами, которые указаны в таблице 1. Но в то же время оцениваемый материал, а именно битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийном технологическом процессе, имеет в своем составе нерастворенные части резиновой крошки, которая находится в гелеобразном состоянии, поэтому существует несколько теорий образования адгезии в исследуемых материалах.

Поскольку исследуемый битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийной технологии ее введения, содержит в своем составе нерастворенную часть резиновой крошки, которая находится в гелеобразном состоянии, то целесообразно предположить, что данный материал взаимодействует с поверхностью минеральных компонентов посредством нескольких видов адгезии.

Первая теория принадлежит основателю механической теории адгезии Мак-Бену [21]. Согласно этой теории, адгезия возникает за счет затекания вяжущего в поры или трещины, образованные на поверхности минерального компонента, с последующим затвердеванием. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью каменного материала и прочностью пленки вяжущего. Однако стоит упомянуть тот факт, что при исследовании данного вяжущего в работе [22] были выявлены так называемые жгутики-мостики, которые возникают из-за нерастворенных частиц резиновой крошки, посредством чего они и сцепляются с поверхностью каменных материалов.

Вторая теория, предложенная Дебройном и Мак-Лареном [22], заключается в определении адгезии как результата взаимодействия между вяжущим и поверхностью каменного материала за счет межмолекулярных сил (адсорбционная теория).

Основным моментом в этой теории является то, что прочность адгезионного соединения достигается только в тех случаях, когда вяжущее и каменный материал обладают полярными функциональными группами. Как известно, битумное вяжущее имеет отрицательно заряженные частицы, в то время как каменный материал заряжен положительно. Межмолекулярное притяжение реализуется комплексом сил и зависит от химической природы взаимодействующих фаз.

Анализируя данные химического состава горных пород и данных качества сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов, указанных в таблице 1 и 2, можно сказать, что сцепление вяжущего с каменным материалом из Мозжухинского и Крапивинского карьеров является худшим по сравнению с другими образцами из-за значительного содержания оксида кремния. Как известно, SiO2 обладает отрицательно заряженными ионами, поэтому однополярная связь является причиной недостаточного взаимодействия двух разнородных тел. В свою очередь, исследуемый мрамор Коэлгинского месторождения и горная порода Гурьевского каменного карьера обладают наилучшими адгезионными свойствами по отношению к другим образцам в силу того, что в их количестве преобладает CaO. Оксид кальция имеет положительно заряженные ионы, которые, контактируя с поверхностью резинобитумного вяжущего, адсорбируясь на поверхности каменного материала, притягивают разнополярные ионы, вследствие чего возникает адгезионная способность рассматриваемых материалов.

Таким образом, можно сделать вывод, что адгезия не может существовать в каком-то одном виде, она обязательно находит свое состояние в межфазных системах взаимодействия нескольких материалов.

Заключение

Исходя из данных, представленных в таблице 2, можно сделать вывод, что битум, модифицированный резиновой крошкой при стадийном технологическом процессе, однозначно дает положительный результат с любой горной породой различной основности. Модифицированный битум резиновой крошкой увеличивает адгезионную способность вяжущего на 1 балл в сравнении с битумом БНД 90/130.

При более детальном рассмотрении рисунков 1 и 2 можно отчетливо наблюдать, какую поверхность каменного материала покрывают исследуемые материалы, что свитетельствует об улучшении адгезионных свойств.

Рассматриваемому резинобитумному вяжущему присуще две теории адгезии: 1) механическая – возникающая за счет физического проникновения в трещины, поры горных пород и затвердевая при задержке на ее поверхности; 2) вторая теория заключается в адсорбционном взаимодействии межмолекулярных связей посредством полярностей функциональных групп.