Повышение деформативно-прочностных характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона на основе битума, модифицированного коллоидной добавкой

Ежегодно в Республике Бурятия растет число строящихся и ремонтируемых автомобильных дорог. Динамика развития автотранспортного грузооборота и пассажирских перевозок требует высоких эксплуатационных показателей от дорожных сооружений и, в первую очередь, от покрытия [1].

Широкое распространение получает устройство дорожных покрытий из щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), что обусловлено рядом его преимуществ перед традиционным асфальтобетоном. Высокая стабильность и долговечность покрытия из ЩМА за счет устойчивости к разрушению под воздействием транспортных потоков и природных климатических условий; отличная сдвигоустойчивость, снижающая риск возникновения деформаций при больших нагрузках, и значительное снижение шума при движении автотранспорта - все это обеспечивает прекрасные эксплуатационные характеристики дорожного покрытия [2, 3].

Однако, несмотря на преимущества использования ЩМА, имеется препятствие его широкому внедрению в дорожное строительство страны: битум, выполняющий роль вяжущего в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона, не всегда обладает высокими показателями качества и стабильности.

Цель работы - разработка дорожного покрытия на основе ЩМА, удовлетворяющего следующим требованиям:

• -    устойчивость к колееобразованию (повышение сдвигоустойчивости);

• -    термоустойчивость (повышение прочности покрытия при высоких летних и низких зимних температурах);

• -    повышенная трещиностойкость;

• -    повышенная устойчивость к воздействию воды.

Материалы

Повышение качественных показателей битумного вяжущего в составе щебеночно-мастичных асфальтобетонов возможно за счет использования различных по составу и свойствам химических добавок, в том числе коллоидных добавок. За счет введения коллоидных, полимерных или наноструктурных добавок возможно изменение структуры битума, повышение его пластичности, температурной стабильности, улучшение адгезионных свойств, устойчивости к воздействию воды.

В качестве модифицирующей коллоидной добавки для битума использована коллагенсодержащая добавка различных составов – продукт растворения коллагена (ПРК) , получаемый обработкой отходов кожевенного производства и некондиционного кожевенного сырья [4]. Для синтеза ПРК применяются растворы, в качестве которых используют кисломолочную композицию (КМК) [1]. Кисломолочная композиция имеет величину титруемой кислотности 250–300 ^оТ, концентрацию кислоты не менее 25–30 г/дм³ и активную реакцию среды не более 4. Различаются ПРК применяемой в их составе кислотой: уксусной, муравьиной, молочной [4]. В исследованиях использовали ПРК, имеющий следующие характеристики: плотность – 1,033 г/дм³, pH – 5,4; концентрация белка – 8,0 г/дм³, массовая доля сухого остатка – 9, 58 %.

Вязкость битума определяли на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+ Pro (ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ) с установленным шпинделем RV2 для измерения динамической вязкости образцов в диапазоне от 100 до 40 000 000 сПз, со скоростью вращения шпинделя 1 об./мин для 60 ° С и 40 об./мин для 135 ° С.

ИК-спектроскопический анализ образцов битума проведен в лаборатории молекулярной спектроскопии ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ. Параметры эксперимента: ИК-Фурье спектрометр Nicolet-380, приставка Smart ITR, окно: алмаз, скан: 32, разрешение: 4, диапазон длин волн 500-4000 cм-1.

Результаты и обсуждение

Реологические свойства битумного вяжущего . Важным параметром, влияющим на способность битума сопротивляться пластическим деформациям, является его вязкость при температурных режимах во время приготовления щебеночно-мастичной смеси. Поэтому необходимо было определить вязкость битума с коллоидной добавкой.

С целью установления изменений вязкости битумного вяжущего после введения коллоидной добавки были подготовлены и исследованы образцы битума БНД 100/130 с введением ПРК в гелеобразном виде и в виде сухого остатка. Для сравнения произведен анализ применя- емой добавки с пищевым желатином марки К-13 по ГОСТ 11293-89, поскольку желатин является гидролизованным коллагеном [5]. Кажущаяся вязкость дорожных битумов регламентируется при значениях температуры 60 и 135 °С.

Были подобраны следующие составы битумного вяжущего:

• 1.    К (контрольный образец) - битум БНД 90-130.

• 2.    Битум БНД 90/130 + 1% желатина по массе.

• 3.    Битум БНД 90/130 + 3% ПРК (в виде геля).

• 4.    Битум БНД 90/130 + 0,3 % ПРК (в виде сухого остатка).

Введение желатина в количестве 1 % от массы битума повышает кажущуюся вязкость на 29 % при 135 ° С и на 84 % при 60 ° С органического вяжущего (рис. 1). Введение добавки ПРК в виде геля в количестве 3 % от массы битума снижает кажущуюся вязкость на 24,5 % при 135 ° С и на 8,9 % при 60 ° С. Введение добавки ПРК в виде сухого остатка в количестве 0,3 % от массы битума снижает кажущуюся вязкость на 6,4 % при 135 ° С и на 44,3 % при 60 ° С.

Рисунок 1 - Результаты определения вязкости битума при температуре: а - 135 ° С; б - 60 ° С:

1 - битум БНД 90-130; 2 - битум БНД 90/130 + 1 % желатина по массе; 3 - битум БНД 90/130 + 3% добавка 3 (гель); 4 - битум БНД 90/130 + 0,3 % добавка 3 (сухой остаток)

б

Введение ПРК, в противоположность желатину, повышает пластичность битума, снижая вязкость в обоих регламентированных температурных режимах. Введение ПРК в виде сухого остатка в большей степени снижает вязкость битумного вяжущего, чем в виде геля, что технологически при производстве щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси может дать возможность использовать более низкие температурные режимы эксплуатации дорожного покрытия.

Введение коллоидной добавки показало не только изменение вязкости битума, но и изменение температуры размягчения [6]. С учетом изменения вышеуказанных свойств битума такой эффект, по литературным данным, может зависеть от изменения группового состава битума [7].

Для изучения изменений группового состава проведен ИК-спектроскопический анализ подготовленных образцов битума (рис. 2).

см-1

Рисунок 2 - Сравнительный спектр всех образцов битума: синий цвет - образец 1, фиолетовый - образец 2, зеленый - образец 3, красный - образец К

Сравнение ИК-спектров образцов исходного и модифицированного битумов показало наличие характерных для битумов интенсивных полос в области 3000-2800 см^-1 - валентные колебания СН- и СН 2 -групп, в области 1460 см^-1 - деформационные колебания СН 2 и в области 1377 см^-1 - деформационные колебания СН з , со снижением интенсивности для всех полос образцов с модификатором. Данные полосы всегда присутствуют в спектрах предельных углеводородов, парафинов и масел. В спектрах образцов 1 и 2 в отличие от контрольного образца наблюдаются слабые полосы поглощения в области 2300 - 2420 см^-1, которые можно отнести к валентным колебаниям группы ОН в Р—О (Н) [7].

Высокочастотный пик в области 3020 см-1 у контрольного образца битума можно отнести к валентным колебаниям гидроксильных групп ОН-, не ассоциированных водородной связью. Введение коллагенсодержащей добавки приводит к ослаблению пика и уменьшению соответствующей ему интенсивности ИК-спектров. Это изменение связано с перестройкой водородных связей битума с введением модификаторов и усилению структурированности битума.

Предложенный ПРК, как и желатин, обладает способностью к набуханию в жидкой среде. Рассматривая битум как систему коллоидного характера, в которой мелкие частицы асфальтенов образуют дисперсную фазу, а смесь масел и смол является дисперсионной средой, предположили, что коллаген в дисперсионной среде битума способен набухать, таким образом, армируя битумное вяжущее, что объясняет такое изменение свойств битума, как рост температуры размягчения по кольцу и шару (КиШ), уменьшение глубины проникновения иглы, вязкости и т. д. [5-7].

Исследования показали, что образцы битума с добавкой ПРК и без нее различаются размерами «пчелоподобных» структур, демонстрируя равномерное их распределение в объеме вяжущего [5]. Введенные в битумную систему сухие добавки (желатин и сухой ПРК) лучше набухают в дисперсионной среде битума и, по всей видимости, создают в ней свою собственную структуру, которая тем самым при охлаждении препятствует повторной ассоциации смо- листо-асфальтеновых веществ в структурные образования большого размера, поэтому фиксируемые структурные упорядоченные образования уменьшаются в размере. Указанные изменения микроструктуры битумного вяжущего способствуют улучшению его характеристик

Для определения изменения свойств ЩМА с использованием битума, модифицированного коллоидной добавкой, были разработаны составы ЩМА по ГОСТ 31015-2002 (табл.).

Для подготовки образцов модифицированного ЩМА были подобраны составы ЩМАС-20 с использованием битума БНД 100/130 (ГОСТ 22245-90) производства АО «Ангарская нефтехимическая компания» со стабилизирующей добавкой СД-3 ГБЦ производства ООО «Фирма ГБЦ», щебня и отсевов дробления карьера «Николаевский» (г. Улан-Удэ), минерального порошка производства ОАО «Горная компания “Татарский ключ”» с содержанием добавки ПРК в виде сухого остатка в количестве 0,3 % от массы битума.

Таблица

Свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона с коллоидной добавкой

Показатель	Требования ГОСТ 31015-2002 для I дорожно-климатической зоны	Контрольный состав	Добавка ПРК 0,3 %
Средняя плотность, г /см3	не нормируется	2,35	2,36
Предел прочности при сжатии, 50 ° С, МПа	не менее 0,60	0,92	1,36
Предел прочности при сжатии, 20 ° С, МПа	не менее 2,00	2,50	3,20
Водонасыщение, %	1,00–3,50	3,20	3,10
Коэффициент внутреннего трения	не менее 0,92	0,92	0,99
Сцепление  при  сдвиге, 50 ° С, МПа	не менее 0,16	0,20	0,32
Трещиностойкость – предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С, МПа	2,00–5,50	2,90	3,19
Водостойкость при длительном водонасыщении	не менее 0,90	1,10	1,2

Анализ полученных результатов показал, что все серии образцов соответствуют требованиям ГОСТ 31015-2002. При этом использование коллоидной добавки ПРК, обусловливающее изменение состава и структуры вяжущего, приводит к изменению физико-механических свойств и деформативных щебеночно-мастичного асфальтобетона: образцы на основе модифицированного битума характеризуются повышенными по сравнению с исходным ЩМА прочностными характеристиками при различных температурах.

При использовании модифицированного битума значительно улучшаются деформатив-ные свойства ЩМА: коэффициент внутреннего трения увеличивается на 8,5 %, сцепление при сдвиге при 50 ° С - на 60 %, трещиностойкость - на 10 %. Считаем, что это связано с введением коллоидной добавки и уменьшением количества битума в объемном состоянии, более полным переводом его в структурированное состояние, поэтому щебеночно-мастичный асфальтобетон будет длительное время сохранять устойчивость к пластическим деформациям в большом диапазоне температур, меньше подвергаться трещинообразованию, выдержит большее количество знакопеременных колебаний температуры воздуха.

Введение коллоидной добавки улучшает коэффициент теплостойкости ЩМА. При введении ПРК в количестве 0,3 % коэффициент теплостойкости увеличился в 1,14–1,20 раза, что уменьшит риск возникновения пластических деформаций, возникающих в летний период эксплуатации дорожного покрытия.

Выводы

Результаты исследований влияния коллоидных добавок на битумное вяжущее и деформационно-прочностные характеристики щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 позволяют сделать следующие выводы:

• -    введенные в битумную систему сухие добавки (желатин и сухой ПРК) лучше набухают в дисперсионной среде битума и, по всей видимости, создают в ней собственную структуру, которая препятствует повторной ассоциации смолисто-асфальтеновых веществ в структурные образования большого размера, поэтому фиксируемые структурные упорядоченные образования уменьшаются в размере. Указанные изменения микроструктуры битумного вяжущего способствуют улучшению его характеристик;

• -    для щебеночно-мастичного асфальтобетона по ГОСТ 31015-2002 применение коллоидных добавок привело к существенному росту деформативно-прочностных показателей;

• -    использование коллоидной добавки в составе щебеночно-мастичного асфальтобетона является эффективным направлением в решении задач ресурсосбережения, так как позволяет не только продлить сроки службы дорожных асфальтобетонных покрытий, но и решить задачу использования вторичных ресурсов.