Tyumen', Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
BBK 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
TBK 50 Технические науки в целом
BISAC ARC009000 Methods & Materials
Increasing the volume of crushed stone-mastic asphalt concrete used in the upper layers of road surfaces requires the development of effective stabilizing additives that ensure the uniformity of the asphalt mixture during short-term storage and transportation, as well as improving the properties of asphalt concrete. This additives include a complex stabilizing additive of the following composition: 90 % cellulose fibers from waste paper, 5 % rubber powder, 5 % viscous petroleum bitumen of the BND 90/130 brand. This article presents the results of a study of bitumen with the addition of "Viatop 66" and a complex cellulose-containing stabilizing additive (CSD). Using Fourier-transform spectroscopy, graphical data are obtained. as a result of their analysis, it is found that the interaction of stabilizing additives for crushed-mastic asphalt concrete with bitumen leads to the appearance of additional absorption bands characteristic of aromatic compounds (CH, benzene ring), sulfur-containing functional groups S=O st, R-SO-R, R-SO-OH, R-SO2-R, C=S st, as well as for C-O-H groups. X-ray spectral analysis confirmed the presence of additional sulfur-containing spectra in the composition of stabilizing additives. It is found that depending on the chemical composition of the stabilizing additives, the physical and mechanical characteristics of the bituminous binder and the resulting asphalt concrete change.
asphalt concrete, crushed stone-mastic asphalt concrete, stabilizing additive, infrared spectroscopy, bitumen
Введение. В настоящее время одним из самых распространённых материалов при устройстве верхних слоев покрытий автомобильных дорог является щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА). Свою популярность он получил за счёт высоких прочностных характеристик, которые позволяют сделать такой материал наиболее долговечным. Примечательно то, что в отличие от традиционных асфальтобетонов в составе ЩМА присутствуют стабилизирующие добавки, основная задача которых предотвратить расслоение смеси в период кратковременного хранения и укладки асфальтобетона. Авторами в данной работе было изучено влияние стабилизирующих добавок на битум БНД 90/130 с помощь ИК-Фурье спектроскопии и рентгеноспектрального анализа. Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, в том числе парафиновых (CnH2n+2), нафтеновых (CnH2n), ароматических (CnH2n-6) рядов, а также их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения металлов. Введение стабилизирующих добавок различной природы и химического состава позволит модифицировать битум, улучшая его реологические характеристики [1-10].
Методика. Для проведения качественного и количественного фазового анализа был применён метод ИК-Фурье спектроскопии на приборе «Nicolet iS10». Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных колебаний молекул. Достоинства ИК-Фурье спектрометра: высокое отношение сигнал - шум, возможность работы в широком диапазоне длин волн без смены диспергирующего элемента, быстрая регистрация спектра, высокая разрешающая способность до 0,001 см-1.
Результатом исследования является зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния [11]. Исследование проводилось на образцах: №1 Битум БНД 90/130; № 2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»; № 3 Битум БНД 90/130 + КСД. ИК спектры соединений регистрировали в диапазоне 4000-400 см-1 (рис. 1). Обработку результатов исследования проводили с помощью программного комплекса «OMNIC».
Подготовка образцов исследования проводилась следующим образом: из заранее подготовленных образцов № 1, № 2, № 3 была отобрана средняя проба битума. Данные пробы тщательно перемешивались с порошком KBr в соотношении 1:100, после чего помещались в ИК-Фурье спектрофотометр «Nicolet iS10», с помощью которого была произведена запись ИК спектров всех образцов.
Основная часть. Результаты ИК-Фурье спектроскопии образцов № 1, № 2, № 3 приведены на рис. 1.
Рис. 1. ИК спектры образцов: № 1 Битум БНД 90/130; № 2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»;
№ 3 Битум БНД 90/130 + КСД
При расшифровке полученных ИК-спектров на рис. 1, установлено, что в области 4000 – 400 см-1, за исключением пиков, входящих в интервалы от 1700 до 1500 см-1, от 1000 до 500 см-1, присутствуют характерные для битумов интенсивные полосы в области 2852 и 2921 см-1 (валентные колебания СН в группах СН2, свидетельствующие о значительном количестве предельных углеводородов, битумов, парафинов, масел [13-15]. Анализ приведенных спектров указывает на повышенное содержание в модифицированном битуме высокомолекулярных асфальтенов с некоторым увеличением структурирующих смол.
Поэтому для идентификации ИК спектров битума БНД 90/130, битума БНД 90/130 + «Viatop 66» и битума БНД 90/130 + КСД была выбрана область «отпечатков пальцев» 1800-400 см-1, так как основные отличительные особенности расположения пиков поглощения, их относительная интенсивность находятся в данном интервале. Для удобства идентификации полос поглощения эта область была разбита на два интервала от 1800 до 1200 см-1 (рис. 2а) и от 1200 до 600 см-1 (рис. 2б).
Отличительные признаки ИК-спектров образцов битума БНД 90/130, битума БНД 90/130 + «Viatop 66» и битума БНД 90/130 + КСД в области «отпечатков пальцев» приведены в табл. 1.
Анализ полученных данных (рис. 2а) позволил установить, что в области поглощения от 1750 до 1640 см-1 имеются отличия по распределению пиков поглощения и их относительной интенсивности во всех образцах. В данной области у образца № 1 имеются полосы поглощения 1697,12 см-1 и 1603,64 см-1, 1304,66 см-1. У образца № 2 отмечаются полосы поглощения 1695,67 см-1 и 1668,05 см-1, 1312,87 см-1 с некоторым смещением от образца № 1, а также дополнительные полосы поглощения 1538,76 см-1 и 1504,45 см-1 характерные для «Viatop 66». У образца № 3 имеются полосы поглощения 1697,03 см-1, 1600,25 см-1, 1310,59 см-1 с некоторым смещением от образца № 1, а также дополнительные полосы поглощения, характерные для КСД 1702,54 см-1, 1673,73 см-1, 1659,72 см-1, 1650,24 см-1, 1558,64 см-1, 1537,52 см-1, 1503,3 см-1, 1261,31 см-1.
|
а |
|
б |
Рис. 2. ИК спектры: №1 Битум БНД 90/130; №2 Битум БНД 90/130 + «Viatop 66»; №3 Битум БНД 90/130 + КСД. а) области поглощения спектров 1800 – 1200 см-1, б) области поглощения спектров 1200 – 600 см-1
Таблица 1
Отличительные признаки ИК-спектров полос поглощения образцов № 1-3
|
№ п/п |
Полосы поглощения |
Структурные фрагменты |
Волновые числа, см-1 |
|
1
|
Для кетонов |
α, β непредельные C=C-CO |
1695–1660 |
|
арилалкилкетоны Ar-CO-Alk |
1700–1680 |
||
|
диарилкетоны Ar-CO-Aк |
1170–1660 |
||
|
β-Дикетоны Енольная форма -СО-С=С-ОН |
1640–1535 |
||
|
2 |
Для карбоновых кислот |
Кислоты с Н-связями |
1680–1650 |
|
Карбоксилатанионы |
1650–1550 |
||
|
3 |
Для сложных эфиров |
-COH=CHCOOR |
1655–1635 |
|
4 |
Для альдегидов |
α, β, - непредельные C=C-CHO |
1705–1685 |
|
Сопряженные полиеновые С=С-С=С |
1680–1660 |
||
|
Ароматические |
1715–1695 |
||
|
5 |
Для ароматических соединений |
Монозамещенные |
770–730, 710–690 |
|
1,2-замещенные |
770–735 |
||
|
1,4- и 1,2,3,4- замещенные |
860–800 |
||
|
1,2,3 замещенные |
800–770, 720–685 |
||
|
6 |
Для серосодержащих |
S=O st |
1225–980 |
|
R-SO-R |
1060–1015 |
||
|
R-SO-OH |
~1100 |
||
|
R-SO2-R |
1170–1110 |
||
|
C=S st |
1100–1020, 1070–1000 |
||
|
7 |
Для других колебаний, связанных с группой |
R-O-H |
750–650 |
В области 1200-600 см-1 присутствуют полосы поглощения, характерные для ароматических соединений, внеплоскостные деформационные колебания С-Н в области 1000-650 см-1:
В области 1200-400 см-1 для образца № 1 имеются следующие характерные полосы поглощения: 1032,81 см-1, 964,54 см-1, 870,12 см-1, 814,56 см-1, 744,35 см-1, 722,06 см-1. У образца № 2 имеются полосы поглощения, характерные для битумов в области 1032,81 см-1, 964,54 см-1, 870,12 см-1, 813,29 см-1, 745,56 см-1, 721,88 см-1, а также дополнительные полосы поглощения, характерные для «Viatop 66» - 1076,30 см-1. У образца № 3 имеются полосы поглощения, характерные для битумов в области 1033,66 см-1, 969,66 см-1, 867,25 см-1, 812,82 см-1, 745,31 см-1, 721,48 см-1, а также имеются дополнительные полосы поглощения: 1165,13 см-1, 1180,80 см-1, 1072,51 см-1, 1057,70 см-1, 920,14 см-1, 875,49 см-1, 783,69 см-1, 678,88 см-1, 660,49 см-1, 647,77 см-1. Для удобства сравнения полос поглощения результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Характерные и дополнительные полосы поглощения в образцах № 1-3
|
№ п/п |
Область поглощения, см-1 |
Образцы |
Характерные полосы поглощения, см-1 |
Дополнительные полосы |
|
1 |
1800–1200 |
Битум БНД 90/130 |
1697,12; 1603,64; 1304,66 |
– |
|
Битум БНД 90/130 + «Viatop 66» |
1695,67; 1668,05; 1312,87 |
1538,76; 1504,45 |
||
|
Битум БНД 90/130 + КСД |
1697,03; 1600,25; 1310,59 |
1702,54; 1673,73; 1659,72; 1650,24; 1558,64; 1537,52; 1503,3; 1261,31 |
||
|
2 |
1200–600 |
Битум БНД 90/130 |
1032,81; 964,54; 870,12; 814,56; 744,35; 722,06 |
- |
|
Битум БНД 90/130 + «Viatop 66» |
1032,81; 964,54; 870,12; 813,29; 745,56; 721,88 |
1076,30 |
||
|
Битум БНД 90/130 + КСД |
1033,66; 969,66; 867,25; 812,82; 745,31; 721,48 |
1165,13; 1180,80; 1072,51; 1057,70; 920,14; 875,49; 783,69; 678,88; 660,49; 647,77 |
|
|
|
|
а |
б |
|
Рис. 3. Рентгеноспектральный анализ. а – волокно СД «Viatop 66», б – волокно КСД |
|
Таким образом, в образцах № 2 и № 3 дополнительно, в отличие от образца № 1, появились полосы поглощения характерные для ароматических соединений С=Н группа, серосодержащих функциональных групп S=O st, R-SO-R, R-SO-OH, R-SO2-R, C=S st а также для групп С-О-Н. Также установлено, что в битуме с КСД происходит большое образование сероорганических соединений (табл. 2). Таким образом, можно предположить, что данное увеличение вызвано наличием в составе КСД резинового порошка, который при взаимодействии с битумом образует химические связи, представленные в табл. 1.
Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования волокон стабилизирующих добавок «Viatoр 66» и КСД методом рентгеноспектрального анализа. Результаты исследования приведены на рис. 3. Полученные данные, в результате исследования химического состава «Viatop 66» и КСД методом рентгеноспектрального анализа, согласуются с результатами, полученными методом инфракрасной спектроскопии на наличие серосодержащих соединений. Острота пиков на рис. 3а и рис. 3б характеризует наличие химических элементов в составе добавок. Таким образом, установлено, что в КСД по сравнению с «Viatop 66» значительно преобладает сера (S).
Для определения влияния и зависимостей стабилизирующих добавок «Viatop 66» и КСД на структурно-механические свойства битума до и после кратковременного старения применялись стандартные методы исследования, описанные в ГОСТ 22245-90, 11505-75, 11506-73, 11501-78, 33140-2014. Результаты исследований приведены в табл. 3.
Таблица 3
Структурно-механические свойства битума с добавками до и после кратковременного старения
|
Вид добавки в битуме |
Глубина проникания иглы, мм |
Растяжимость, см |
Температура размягчения, оС |
Температура хрупкости, оС |
||||
|
Старение |
Старение |
Старение |
Старение |
|||||
|
до |
после |
до |
после |
до |
после |
до |
после |
|
|
Битум БНД 90/130 |
121 |
118 |
98 |
92 |
45,1 |
42,1 |
–25,0 |
–22,7 |
|
Битум БНД 90/130 |
96 |
93 |
74 |
71 |
46,5 |
44,8 |
–27,4 |
–30,3 |
|
Битум БНД 90/130 |
91 |
86 |
71 |
67 |
49,0 |
47,6 |
–26,5 |
–25,7 |
Установлено, что после кратковременного старения в битуме с КСД расширяется интервал пластичности с 73,3 до 75,1. Полученные данные коррелируются с результатами пенетрации и растяжимости битума, где на 7,5 % выше глубина проникания иглы и на 5,6 % растяжимость, в сравнении с битумом, содержащем добавку «Viatop 66». Рациональное сочетание компонентов добавки приводит к образованию сероорганических соединений, набуханию волокон, повышению эластичности системы и устойчивости к старению, обеспечивая повышение прочности асфальтобетона и снижение чувствительности к температурным воздействиям, предотвращая образование микротрещин. Таким образом, можно утверждать, что сочетание целлюлозного волокна и резинового порошка модифицирует битум, увеличивая его реологические свойства.
Изучение физико-механических характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона с добавками «Viatop 66» и КСД выполнялось стандартными методами по ГОСТ 12801-98 и 31015-2002 путём испытания образцов-цилиндров в возрасте 1 суток. Результаты исследований приведены в табл. 4.
Таблица 4
Физико-механических свойства ЩМА с добавками «Viatop 66» и КСД
|
Наименование показателя |
Ед. изм. |
Требования ГОСТ 31015-2002 |
Свойства ЩМА с добавкой |
|
|
Viatop 66 |
КСД |
|||
|
Предел прочности при сжатии при температуре, 0 °С |
МПа |
- |
8,42 |
7,64 |
|
Предел прочности при сжатии при температуре, 20 °С |
МПа |
не менее 2,2 |
2,5 |
2,9 |
|
Предел прочности при сжатии при температуре, 50 °С |
МПа |
не менее 0,65 |
1,5 |
1,7 |
|
Предел прочности на растяжение при расколе, 0 °С |
МПа |
не менее 2,5 не более 6,0 |
3,2 |
3,3 |
|
Водонасыщение |
% |
от 1,0 до 4,0 |
1,8 |
1,6 |
|
Стекание органического вяжущего |
% |
не более 0,2 |
0,14 |
0,12 |
|
Коэффициент внутреннего трения |
|
не менее 0,93 |
0,94 |
0,95 |
|
Сцепление при сдвиге |
|
не менее 0,18 |
0,28 |
0,31 |
Установлено, что введение КСД в ЩМА приводит к увеличению физико-механических свойств асфальтобетона по сравнению с «Viatop 66»: на 13 % повышается прочность при 20 °С; на 10 % прочность при 50 °С; на 10 % увеличивается сцепление при сдвиге; на 25 % снижается стекание вяжущего. Увеличение прочностных характеристик ЩМА обусловлено наличием резинового порошка в дисперсной среде асфальтобетона, который образует дополнительные эластичные центры, адсорбирующие и удерживающие битум в межзерновом пространстве ЩМА.
Выводы. При введении КСД в битум образуется полосы поглощения различной интенсивности (1165,13 см-1; 1180,80 см-1; 1072,51 см-1; 1057,70 см-1; 920,14 см-1; 875,49 см-1; 783,69 см-1; 678,88 см-1; 660,49 см-1; 647,77 см-1), характерные для данной добавки. Наличие такого количества полос обусловлено присутствием в составе КСД резинового порошка, который при взаимодействии с битумом образует ароматические и сероорганические соединения за счёт частичного растворения частиц резинового порошка в битуме.
Рентгеноспектральный микроанализ подтверждает данные ИК-Фурье спектроскопии на предмет наличия сероорганических соединений в битуме с добавкой КСД.
Введение стабилизирующих добавок в битум приводит к образованию дополнительных химических связей, что улучшает качество битума и щебеночно-мастичного асфальтобетона.
Установлено, что при введении КСД в битум происходят изменения структурно-механических свойств битума: вязкость повышается на 21,2 %, температура размягчения повышается на 6 %, температуры хрупкости снижении на 10 %, расширяется интервал пластичности вяжущего на 13,7 %.
1. Kostin V.I. Highways and aerodromes and listeners of system of additional professional education [Shchebenochno-mastichnyj asfal'tobeton dlya dorozhnyh pokrytij]. N. Novgorod: NNGASU. 2009, 65 p. (rus)
2. Kiryukhin G.N., Smirnov E.A. Coatings from crushed stone and mastic asphalt concrete [Pokrytiya iz shchebenochno-mastichnogo asfal'tobetona]. Elite Publishing house. 2009, 176 p. (rus)
3. Mukhametkhanov A.M., Nugmanov O.K., Gavrilov V.I. A method of obtaining a stabilizing additive for crushed stone and mastic asphalt mix [Sposob polucheniya stabiliziruyushchej dobavki dlya shchebenochno-mastichnoj asfal'tobetonnoj smesi]. Bulletin of Kazan Technological University. 2010. No. 6. Pp. 204-210. (rus)
4. Yastremsky D.A., Abaydullina T.N., Pakhomov I.A. Studying the influence of the type and type of stabilizing additives in alkaline mixtures of mixtures [Izuchenie vliyaniya vida i tipa stabiliziruyushchih dobavok v SHCHMA smesyah]. Collection of materials of the XV scientific-practical conference of young scientists, postgraduates, applicants and undergraduates TumGASU. 2015. Pp. 213-218. (rus)
5. Yastremsky D.A., Chepur P.V., Abaidullina T.N. Numerical modeling of the stress-strain state of the pavement made of alkali metal oxide using the stabilizing additive Armidon [Chislennoe modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya dorozhnogo pokrytiya iz SHCHMA s primeneniem stabiliziruyushchej dobavki «Armidon»]. Fundamental research. 2016. No. 7-2. Pp. 277-281. (rus)
6. Superpave Mix Design. Asphalt Institute Superpave Series. No. 2 (SP-2), Printing. 1996. 117 p.
7. Herren K.H., Erhard H., Hoggenmuller F., Kast O. Splittmastixasphalt. LEITFADEN. Deutscher Asphaltverband (DAV). 27 p.
8. Emery J., Woodman C., Burlie R. Stone Mastic Asphalt Technology for Urban Pavements. XIII IRF World Meeting, Toronto, Ontario, Canada. 1997.
9. NAPA (National Asphalt Pavement Association) Designing and Constructing SMA Mixtures - State of the Practice. QIP 122. 1999.
10. Louay N. Mahammad., Zheng Z. Tan., Baoshan Huang. Fundamental Properties of SMA and CMHB Mixes. Proceedings BCRA'98, Norway. 1998.
11. Vasiliev A.V., Grinenko E.V., Schukin A.O., Fedulina T.G. Infrared Spectroscopy of Organic and Natural Compounds [Infrakrasnaya spektroskopiya organicheskih i prirodnyh soedinenij]. SPb.: SPbGLTA. 2007. 54 p. (rus)
12. Anisimova N.A. Identification of organic compounds: a training manual [Identifikaciya organicheskih soedinenij]. Gorno-Altaysk: RIO GAGU. 2009. 95 p. (rus)
13. Abdrafikova I.M., Kayukova G.P., Vandyukova I.I. Investigation of the composition of asphaltenes and products of their fractionation by IR Fourier spectroscopy [Issledovanie sostava asfal'tenov i produktov ih frakcionirovaniya metodom IK Fur'e spektroskopii]. Bulletin of the Kazan technological Institute. 2011. No. 49. Pp. 179-183. (rus)
14. Gladkikh V.A. Seroasfaltobeton modified with a complex additive based on sulfur and neutralizers of toxic gas emissions [Seroasfal'tobeton, modificirovannyj kompleksnoj dobavkoj na osnove sery i nejtralizatorov emissii toksichnyh gazov]. dis ... kand. doctor of technical Sciences. Moscow. 2016. 220 p. (rus)
15. Ayupova D.A. Potapova L.I. Muraf A.V., Fakhrutdinova V.Kh., Khakimullin Yu.N., Host G. Study species interactions of bitumen with polymers [Issledovanie osobennostej vzaimodejstviya bitumov s polimerami]. Proceedings of the University. Kazan. 2011. No. 1 (15). Pp. 140-145. (rus)
