Тюмень, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC ARC009000 Methods & Materials
Увеличение объемов щебеночно-мастичного асфальтобетона, применяемого в верхних слоях покрытий автомобильных дорог, требует разработки эффективных стабилизирующих добавок, обеспечивающих однородность асфальтобетонной смеси в период кратковременного хранения и транспортировки, а также улучшение свойств асфальтобетона. К числу таких добавок можно отнести комплексную стабилизирующую добавку следующего состава: 90 % целлюлозные волокна из макулатуры, 5 % резиновый порошок, 5 % вязкий нефтяной битум марки БНД 90/130. В данной статье приведены результаты исследования битума с добавкой «Viatop 66» и комплексной целлюлозосодержащей стабилизирующей добавкой (КСД). С помощью метода ИК-Фурье спектроскопии получены графические данные, в результате анализа которых установлено, что взаимодействие стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона с битумом приводит к появлению дополнительных полос поглощения, характерных для ароматических соединений (СН, бензольного кольца), 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. Рентгеноспектральный анализ подтвердил наличие дополнительных серосодержащих спектров в составе стабилизирующих добавок. Установлено, что в зависимости от химического состава стабилизирующих добавок, физико-механические характеристики битумного вяжущего и полученного асфальтобетона изменяются.
асфальтобетон, щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующая добавка, инфракрасная спектроскопия, битум
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. Костин В.И. Щебеночно-мастичный асфальтобетон для дорожных покрытий // Нижний Новгород: НГАСУ. 2009. 67 с.
2. Кирюхин Г.Н., Смирнов Е.А. Покрытия из щебеночно-мастичного асфальтобетона. М.: ООО «Издательство "Элит"». 2009. 176 с.
3. Мухаметханов А.М., Нугманов О.К., Гаврилов В.И. Способ получения стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 6. С. 204-210.
4. Ястремский Д.А., Абайдуллина Т.Н., Пахомов И.А. Изучение влияния вида и типа стабилизирующих добавок в ЩМА смесях // Сборник материалов XV научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов, соискателей и магистрантов ТюмГАСУ. - Т.I. Тюмень: РИО ТюмГАСУ. 2015 г. С. 213-218.
5. Ястремский Д.А., Чепур П.В., Абайдуллина Т.Н. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния дорожного покрытия из ЩМА с применением стабилизирующей добавки «Армидон» // Фундаментальные исследования. 2016. № 7-2. С. 277-281.
6. Superpave Mixes. Asphalt concrete Institute of Superpav series No. 2 (SP-2), printing house. 1996. 117 p.
7. Herren K.H., Erhard H., Hoggenmuller F., Kast O. Splittmastixasphalt // LEITFADEN. Deutscher Asphaltverband (DAV). 27 р.
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. Васильев А.В., Гриненко Е.В., Щукин А.О., Федулина Т.Г. Инфракрасная спектроскопия органических и природных соединений: Учебное пособие. СПб.: СПбГЛТА. 2007. 54 с.
12. Анисимова Н.А. Идентификация органических соединений: учебное пособие // ГорноАлтайск: РИО ГАГУ. 2009. 95 с.
13. Абдрафикова И.М., Каюкова Г.П., Вандюкова И.И. Исследование состава асфальтенов и продуктов их фракционирования методом ИК Фурье спектроскопии // Вестник Казанского технологического института. 2011. №49. С. 179-183.
14. Гладких, В.А. Сероасфальтобетон, модифицированный комплексной добавкой на основе серы и нейтрализаторов эмиссии токсичных газов: дис… канд. техн, наук. М., 2016. 220 с.
15. Аюпов Д.А., Потапова Л.И., Мурафа A.B., Фахрутдинова В.Х., Хакимуллин Ю.Н., Хозин В.Г. Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами // Известия КазГАСУ. Казань. 2011. № 1 (15). С. 140-145.
