EVALUATION OF POLYMER STABILIZING ADDITIVES FOR STONE MASTIC BITUMEN-CONCRETE MIXES ON BITUMEN CONTENT IN ASPHALT BINDER
Соломенцев А.Б.1, Ревякин С.Л.2, Баранов И.А.3, Бобков А.С.4,Савкин Г.А.5
1Доцент к.т.н., Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, город Орел, Россия
2Аспирант, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, город Орел, Россия
3Старший преподаватель к.т.н., Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, город Орел, Россия
4Студент, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, город Орел, Россия
5Студент, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева, город Орел, Россия
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ДОБАВОК ДЛЯ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ПО БИТУМОЕМКОСТИ В АСФАЛЬТОВЯЖУЩЕМ
Аннотация
Произведена оценка эффективности полимерных стабилизирующих добавок Viatop 66, КМА КОЛТЕК, УНИРЕМ-002, РТЭП для щебеночно-мастичного асфальтобетона по битумоемкости в асфальтовяжущем с использованием коэффициента битумоудерживающей способности. Оценена эффективность стабилизирующих добавок по стандартному методу путем определения показателя стекания щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМАС-15. Установлена сходимость результатов оценки эффективности предложенным и стандартным методами: наиболее эффективной является добавка Viatop 66, эффективной КМА КОЛТЕК, добавки РТЭП и УНИРЕМ-002 стабилизирующими добавками не являются. Рассмотрены механизмы структурообразования в асфальтовяжущем и ЩМАС с добавками.
Ключевые слова: щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь, стабилизирующая добавка, битумоудерживающая способность добавки, показатель стекания, коэффициент битумоудерживающей способности.
Solomentsev A.B.1, Revyakin S.L.2, Baranov I.A.3, Bobkov A.S.4, Savkin G.A.5
1Associate Professor, PhD in Engineering, Orel state University, Orel, Russia
2Postgraduate student, Orel state University, Orel, Russia
3Senior lecturer PhD in Engineering, Orel state University, Orel, Russia
4Student, Orel State University, Orel, Russia
5Student, Orel State University, Orel, Russia
EVALUATION OF POLYMER STABILIZING ADDITIVES FOR STONE MASTIC BITUMEN-CONCRETE MIXES ON BITUMEN CONTENT IN ASPHALT BINDER
Abstract
The performance of polymer stabilizer additives Viatop 66, CMA Koltek, UNIREM-002, RTEP is estimated for stone mastic asphalt on bitumen content in asphalt binder using bitumen holding capacity index. The effectiveness of stabilizing additives is estimated according to standard method by defining the runoff coefficient of stone mastic asphalt mix – SCHMAS-15. The reproducibility of the evaluation results and the effectiveness of the proposed standard methods are defined in the study: the most effective additive is Viatop 66, KMA Koltek is quite effective too, RTEP and UNIREM 002 additives are not effective. The mechanisms of structure formation in asphalt binder and SCHMAS with additives are described in the paper.
Keywords: Stone mastic bitumen concrete mix, stabilizing additive, bitumen content capacity of additive, runoff coefficient, bitumen holding capacity.
Особенностью щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) является большое содержание щебня (от 60 до 80 %), что существенно увеличивает объем пустот между зернами щебеночного каркаса. Этот объем пустот заполняется песком из отсевов дробления и минеральным порошком, а полученная пористость минеральной части является нормируемой величиной. Песок из отсевов дробления, минеральный порошок и вяжущее образуют мастичную часть щебеночно-мастичного асфальтобетона, требования к остаточной пористости которого также нормируется. При увеличении соотношения крупная фракция щебня/мелкая фракция щебня увеличиваются показатели сдвигоустойчивости ЩМА, но увеличивается также пористость (пустотность) минеральной части, которую нужно заполнить вяжущим, чтобы не увеличивать жесткость мастичной части ЩМА. В этом случае на первый план выступает битумоудерживающая способность стабилизирующей добавки, которая должна удерживать битум в межзерновом пространстве и не повлиять отрицательно на свойства вяжущего и ЩМА. Вид и свойства этих добавок имеют большое значение для обеспечения требуемого содержания вяжущего и повышения качества смеси.
Для изучения микроструктуры асфальтобетона традиционно используется модельная система «битум + минеральный порошок», т.е. асфальтовяжущее вещество. В асфальтовяжущем оптимальной структуры средняя плотность образцов асфальтовяжущего максимальна, прочность достигает, как правило, максимально возможных значений.При введении в асфальтовяжущее различных стабилизирующих добавок изменяется битумоемкость, т.е. битумоудерживающая способность асфальтовяжущего. По изменению битумоемкости по сравнению с асфальтовяжущем без добавок можно оценить эффективность стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей. Для оценки эффективности введен коэффициент битумоудерживающей способности КБС, который равен отношению оптимальному количеству битума (битумоемкости) с минеральным порошком и добавкой БОПММП+ДОБ к оптимальному количеству битума (битумоемкости) битума с минеральным порошком БОПТМП. Чем больше коэффициент битумоудерживающей способности, тем выше битумоудерживающая способность стабилизирующей добавки [1, С. 53].
В данной статье оценивается эффективность четырех полимерных стабилизирующих добавок Viatop 66, РТЭП, Унирем-002 и КМА КОЛТЕК традиционным способом, т.е. путем определения стекания в щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМАC-15 по ГОСТ 31015-2002 при различном расходе добавок в смеси, а также по коэффициенту битумоудерживающей способности при соотношении минеральный порошок/добавка 97/3 и 90/10. Соотношение 97/3 в щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси (ЩМАС) соответствует расходу минерального порошка 12% в составе минеральной части смеси и расходе стабилизирующей добавки – 0,4% от массы минеральной части смеси. А соотношение 90/10 в ЩМАС может быть при расходе минерального порошка 12% и увеличенном расходе стабилизирующей добавки – 1,2% от массы минеральной части смеси.
Стабилизирующая добавка Viatop 66 по ТУ 5718-001-18268513-01 представляет собой гранулированную смесь из примерно 67% технической целлюлозы и 33% битума. Целлюлоза-полисахарид [C6H7O2(OH)3]n, один из самых распространенных природных полимеров, главная составляющая клеточных стенок высших растений. Техническая целлюлоза – волокнистый полуфабрикат, получаемый в промышленности полной очисткой волокон растительных тканей от нецеллюлозных компонентов [2, С. 75].
Добавка РТЭП по ТУ 5718-001-79259416-2006 представляет собой многокомпонентную композицию на основе полиолефинового полимерного носителя, содержащую дорожный битум.
Гранулированная добавка УНИРЕМ-002 по СТО 61595504-002-2010 содержит активный резиновый порошок с размером частиц не более 0,8 мм, гелеобразующий адгезионный агент для предотвращения отслоения битумной пленки от минеральных материалов асфальтобетона, ускоритель набухания резины в битуме, сшивающий агент [3, С. 79].
Комплексный модификатор асфальтобетона КМА КОЛТЕК по СТО 17423242-009-2010 представляют собой композицию из девулканизированного (регенерированного) неполярного каучука в виде резиновой крошки, полимеров, химических агентов, гелеобразующего, сшивающего и адгезионного компонента [4, С. 56].
Для приготовления асфальтовяжущего и щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси ЩМАС-15 использовались следующие материалы: дорожный вязкий нефтяной битум БНД 60/90 Московского НПЗ, доломитовый минеральный порошок Витебского ОАО «Доломит» Республики Беларусь, гранитный щебень фр. 5-10 мм, 10-15 мм, гранитный отсев 0-5 мм. Состав ЩМАС-15 следующий: щебень фр. 5-10 мм – 43%, фр. 10-15 мм – 31%,отсев 0-5 мм – 13%, минеральный порошок – 13%, битум – 6% от массы минеральной части. Расход вышеназванных стабилизирующих добавок изменялся от 0,2 до 1,2% от массы минеральных материалов в ЩМАС-15, а в асфальтовяжущем соотношение минеральный порошок/добавка составляло 97/3 и 90/10.
Значения показателя стекания вяжущего В в ЩМАС-15 с различными полимерными добавками приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Значения показателя стекания вяжущего В в ЩМАС -15 с различными полимерными добавками
| № п/п | Расход добавки, % от массы минеральной части | Показатель стекания вяжущего в ЩМАС-15 с полимерной добавкой | |||
| Viatop 66 | РТЭП | УНИРЕМ-002 | КМА КОЛТЕК | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1 | 0 | 2,3 | 2,3 | 2,3 | 2,3 |
| 2 | 0,2 | 0,7 | 2,3 | 2,78 | 0,78 |
| 3 | 0,3 | 0,12 | 2,33 | 3,18 | 0,17 |
| 4 | 0,4 | 0,06 | 2,34 | 2,94 | 0,10 |
| № п/п | Расход добавки, % от массы минеральной части | Показатель стекания вяжущего в ЩМАС-15 с полимерной добавкой | |||
| Viatop 66 | РТЭП | УНИРЕМ-002 | КМА КОЛТЕК | ||
| 5 | 0,6 | 0,02 | 2,36 | 2,35 | 0,05 |
| 6 | 1,2 | 0,01 | 2,24 | 1,70 | 0,04 |
Показатели физико-механических свойств асфальтовяжущего с различными полимерными добавками при расходе битума 12%, т.е. при оптимальном его расходе в асфальтовяжущем без добавок, приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Показатели физико-механических свойств асфальтовяжущего с различными полимерными добавками при расходе битума 12%
| Название полимерной добавки | Соотношение минеральный порошок /полимерная добавка | Средняя плотность ρ, г/см2 | Водонасыщение W, % | Прочность при сжатии, МПа, при температуре, °C | Коэффициент водостойкости Кв | ||
| 20° | 20вод° | 50° | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Viatop 66 | 100/0 | 2,31 | 0,29 | 9,10 | 8,83 | 3,79 | 0,97 |
| 96/4 | 2,21 | 1,06 | 7,51 | 6,76 | 3,25 | 0,90 | |
| 94/6 | 2,14 | 3,05 | 8,46 | 6,96 | 3,95 | 0,84 | |
| 92/8 | 2,11 | 4,50 | 7,28 | 6,15 | 2.97 | 0,82 | |
| 90/10 | 2,01 | 9,45 | 6,15 | 3,37 | 2,29 | 0,55 | |
| КМА КОЛТЕК | 96/4 | 2,17 | 0,73 | 3,20 | 2,85 | 1,18 | 0,89 |
| 94/6 | 2,16 | 0,24 | 3,22 | 2,96 | 1,53 | 0,92 | |
| 92/8 | 2,08 | 2,00 | 2,45 | 2,21 | 0,87 | 0,90 | |
| 90/10 | 2,06 | 1,66 | 1,94 | 1,90 | 0,84 | 0,98 | |
| УНИРЕМ-002 | 96/4 | 2,19 | 0,52 | 5,21 | 5,26 | 2,85 | 1,01 |
| 94/6 | 2,10 | 2,64 | 3,69 | 3,65 | 1,95 | 0,99 | |
| 92/8 | 2,04 | 2,86 | 3,5 | 3,15 | 1,59 | 0,90 | |
| 90/10 | 2,06 | 1,52 | 2,58 | 2,45 | 1,03 | 0,95 | |
| РТЕП | 96/4 | 2,21 | 0,13 | 8,80 | 8,62 | 5,13 | 0,98 |
| 94/6 | 2,17 | 0,14 | 8,74 | 8,91 | 4,26 | 1,02 | |
| 92/8 | 2,11 | 0,22 | 8,27 | 7,94 | 4,14 | 0,96 | |
| 90/10 | 2,07 | 0,43 | 7,84 | 8,00 | 4,47 | 1,02 | |
С увеличением расхода добавок средняя плотность образцов асфальтовяжущего снижается, водонасыщение существенно увеличивается в асфальтовяжущем с добавкой Viatop 66, что свидетельствует о больших битумоудерживающих возможностях этой добавки. Водонасыщение в асфальтовяжущем с добавками РТЭП, УНИРЕМ-002 и КМА КОЛТЕК незначительно изменяется, что свидетельствует о незначительных битумоудерживающих возможностях этих добавок. Прочность при сжатии при 20°C и 50°C с увеличением расхода добавок снижается. Значение показателей прочности самые высокие в асфальтовяжущем с добавкой РТЭП, самые низкие с добавками КМА КОЛТЕК и УНИРЕМ-002, а в асфальтовяжущем с добавкой Viatop 66 значения показателей прочности ближе к значениям с добавкой РТЭП.
Показатели физико-механических свойств асфальтовяжущего с полимерными добавками при соотношении минеральный порошок/добавка 90/10 приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Показатели физико-механических свойств асфальтовяжущего с различными полимерными добавками с их расходом 10%
| № п/п | Название добавки | Расход от массы мин. пор.+ добавка | Средняя плотность ρ, г/см2 | Водона сыщение W, % | Прочность при сжатии, МПа, при температуре, °C | Коэффициент водостойкости Кв | ||
| 20° | 20вод° | 50° | ||||||
| 1 | Viatop 66 | 10 | 1,95 | 16,33 | 5,92 | 3,68 | 1,58 | 0,62 |
| 2 | 12 | 2,01 | 9,45 | 6,15 | 3,37 | 2,28 | 0,55 | |
| 3 | 16 | 2,06 | 2,51 | 3,98 | 4,72 | 1,01 | 1,19 | |
| 4 | 18 | 2,05 | 1,53 | 3,39 | 3,51 | 0,84 | 1,04 | |
| 5 | КМА КОЛТЕК | 10 | 1,98 | 3,60 | 3,13 | 3,22 | 1,64 | 1,03 |
| 6 | 12 | 2,06 | 1,66 | 3,88 | 3,79 | 1,67 | 0,98 | |
| 7 | 13 | 1,98 | 1,60 | 3,45 | 3,38 | 1,61 | 0,98 | |
| 8 | 14 | 1,90 | 1,50 | 2,99 | 2,44 | 1,55 | 0,98 | |
| 9 | 15 | 1,90 | 1,20 | 3,14 | 3,91 | 1,97 | 1,25 | |
| 10 | 17 | 1,93 | 1,00 | 3,29 | 3,74 | 1,23 | 1,14 | |
| 11 | 19 | 1,95 | 0,80 | 3,30 | 3,80 | 1,30 | 1,15 | |
| 12 | РТЭП | 10 | 2,02 | 2,91 | 7,67 | 8,18 | 4,45 | 1,07 |
| 13 | 12 | 2,07 | 0,43 | 7,84 | 8,03 | 4,47 | 1,02 | |
| 14 | 13 | 2,04 | 0,35 | 5,87 | 6,46 | 4,57 | 1,10 | |
| 15 | 14 | 2,03 | 0,22 | 4,97 | 5,69 | 4,68 | 1,16 | |
| 16 | 16 | 2,02 | 0,15 | 4,74 | 5,24 | 4,89 | 1,10 | |
| 17 | 18 | 1,99 | 0,08 | 4,25 | 4,81 | 4,18 | 1,12 | |
| 18 | УНИРЕМ-002 | 10 | 2,02 | 1,31 | 3,91 | 3,06 | 1,52 | 0,78 |
| 19 | 12 | 2,06 | 1,52 | 2,58 | 2,47 | 1,03 | 0,95 | |
| 20 | 13 | 2,00 | 1,36 | 2,46 | 2,41 | 1,07 | 0,98 | |
| 21 | 14 | 1,96 | 1,22 | 2,41 | 2,70 | 1,16 | 1,12 | |
| 22 | 16 | 1,98 | 1,07 | 2,05 | 2,72 | 0,90 | 1,33 | |
| 23 | 18 | 1,97 | 0,45 | 2,00 | 2,35 | 0,74 | 1,18 | |
Расход битума в асфальтовяжущем изменялсяот 10 до 19% от массы минерального порошка с добавкой. На основании полученных зависимостей можно сделать вывод, что оптимальное количество битума (битумоемкость) в асфальтовяжущем с добавкой Viatop 66 составляет 17%, с КМА КОЛТЕК – 12,5%, с УНИРЕМ-002 – 12,4%, с РТЭП – 12,0%.
Оценка битумоудерживающей способности полимерных добавок в асфальтовяжущем приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Оценка битумоудерживающей способности полимерных добавок в асфальтовяжущем
| № в порядке убывания эффективности добавок | Название полимерной добавки | Соотношение минеральный порошок/полимерная добавка | Оптимальное количество битума в асфальтовяжущем, % от массы минерального порошка+добавка | Коэффициент битумоудерживающей способности КБС |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | Viatop 66 | 97/3 90/10 | 14,0 17,0 | 1,17 1,42 |
| 2 | КМА КОЛТЕК | 94/3 90/10 | 12,4 12,5 | 1,03 1,04 |
| 3 | УНИРЕМ-002 | 94/3 90/10 | 12,0 12,4 | 1,00 1,03 |
| 4 | РТЭП | 94/3 90/10 | 12,0 12,0 | 1,00 1,00 |
На основании полученных данных можно сделать вывод, что наиболее эффективной является добавка Viatop 66 с коэффициентом битумоудерживающей способности 1,14 при соотношении минеральный порошок/добавка 97/3 и 1,42 при соотношении 90/10. Незначительно эффективной является добавка КМА КОЛТЕК с коэффициентом 1,03 и 1,04, а добавки УНИРЕМ-002 и РТЭП не обладают битумоудерживающей способностью, что коррелируется с данными по определению показателя стекания ЩМАС-15, приведенными в таблице 1. С учетом того, что показатель стекания в соответствии с ГОСТ 31015-2002 должен быть не более 0,2, наиболее эффективной добавкой можно считать Viatop 66, менее эффективной КМА КОЛТЕК начиная с расхода добавок 0,3%. Добавки РТЭП и УНИРЕМ-002 не позволяют достичь требуемого показателя стекания 0,2 при всех расходах добавок, т.е. не являются стабилизирующими добавками.
Основываясь на вышеприведенных экспериментальных данных возможно объяснить изменения физико-механических свойств асфальтовяжущего с рассмотренными полимерными добавками и их битумоудерживающей способности рассмотрев процессы структурообразования в асфальтовяжущем. С увеличением расхода целлюлозной добавки Viatop 66 в асфальтовяжущем и асфальтобетоне значительно увеличивается удельная поверхность набухших агрегатов микрофибрилл, являющихся элементами структуры целлюлозных волокон, и, соответственно, площадь структурированных граничных слоев битума на межфазной поверхности битум-целлюлоза. Таким образом, добавка Viatop 66 вызывает образование вторичной битумо-целлюлозной микроструктуры, характеризующейся наличием связанного, структурированного битума в граничных слоях на межфазной поверхности, которая не разрушается в асфальтовяжущем и асфальтобетонной смеси при сжимающих уплотняющих воздействиях. Это подтверждается существенным увеличением значения водонасыщения образцов асфальтовяжущего с увеличением расхода добавки (таблица 2), прочность при этом снижается из-за увеличивающего дефицита битума в системе по сравнению с оптимальной структурой. Такой механизм структурообразования и проявления битумоудерживающей способности позволяет удерживать большой объем битума в фиксированном состоянии в межзерновом пространстве асфальтовяжущего и щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси. Кроме этого, возможно увеличить объем межзернового пространства в ЩМАС, увеличить количество щебня в смеси и соотношение между фракциями, увеличив одновременно расход битума и целлюлозной стабилизирующей добавки.
В асфальтовяжущем и ЩМАС с добавкой КМА КОЛТЕК и УНИРЕМ-002 процессы структурообразования связаны с наличием в добавке компонентов, которые инициируют образование совместных новых структур за счет протекания химических реакций полимеризации и физико-химических процессов гелеобразования в битумной системе при высоких температурах в процессе получения асфальтовяжущего или ЩМАС. Резиновая крошка при формировании структуры битума, асфальтовяжущего и ЩМАС играет роль дисперсного органического заполнителя в асфальтовяжущем и ЩМАС. С увеличением расхода добавки в асфальтовяжущем водонасыщение образцов увеличивается не так существенно как в случае с целлюлозной добавкой Viatop 66, что свидетельствует о том, что невыжимаемого при уплотнении слоя битума в системе остается значительно меньше, чем в асфальтовяжущем с целлюлозной добавкой.
В асфальтовяжущем и ЩМАС с добавкой РТЭП ввиду инертности и неактивности полиолефинового носителя структуры, которые бы способствовали образованию невыжимаемых в межзерновое пространство слоев битумного вяжущего, отсутствуют. Поэтому с увеличением расхода добавки водонасыщение образцов асфальтовяжущего незначительно снижается, а прочность при 50 оС при всех расходах добавки выше, чем у асфальтовяжущего без добавок и с другими добавками, что свидетельствует о повышенной теплостойкости асфальтовяжущего и ЩМАС с добавкой РТЭП.
Список литературы / References
- Соломенцев, А. Б. Оценка битумоудерживающей способности стабилизирующих добавок для щебеночно-мастичного асфальтобетона в асфальтовяжущем [Текст] / А. Б. Соломенцев, И. А. Баранов // Строительство и реконструкция. – 2010. – №4. – С. 53-58.
- Соломенцев, А. Б. Структура дорожного битума и его взаимодействие со стабилизирующими волокнистыми добавками для щебеночно-мастичного асфальтобетона [текст] / А. Б. Соломенцев, И. А. Баранов // Строительство и реконструкция. – 2013. – №4. – С. 75-83.
- Соломенцев, А. Б. Взаимодействие дорожного битума со стабилизирующими полимерными добавками для щебеночно-мастичного асфальтобетона [Текст] / А.Б. Соломенцев, И. А. Баранов / Юбилейная Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации», 9-10 октября 2014 г.: [сборник докладов, часть 5], – Белгород, БГТУ им. В. Г. Шухова, 2014 г. – С. 79-83.
- Кошкаров В. Е. Для улучшения показателей [Текст] / В. Е. Кошкаров, Т. С. Худякова // Дорожная держава, 2016. – №69. – С. 56-61.
Список литературы на английском языке / References in English
- Solomentsev, A. B. Ozenka bitumouderjvayshei sposobnosti stabiliziruyshih dobavok dla shebenozno-mastichnogo asfaltobetona v asfaltovuyzyshem [Evaluation bicommutative the ability of stabilizing additives for stone mastic asphalt and asphalt binders] [Text] / A. B. Solomentsev, I. A. Baranov // Construction and reconstruction. – 2010. – №4. – P. 53-58. [in Russian]
- Solomentsev, A. B. Struktura doroznogo bituma i ego vzaimodeictvie so stabiliziruyshimi voloknistimi dobavkami dla shebenozno-mastichnogo asfaltobetona [Structure of the bitumen and its interaction with stabilizing fiber additives for stone mastic asphalt concrete] [Text] / A. B. Solomentsev, I. A. Baranov // Construction and reconstruction. – 2013. – №4. – P. 75-83. [in Russian]
- Solomentsev, A. B. Vzaimodeistvie doroznogo bituma so stabiliziruyshimi polimernimi dobavkami dla shebenozno-mastichnogo asfaltobetona [Interaction of bitumen with a stabilizing polymer additives for stone mastic asphalt concrete] [Text] / A. B. Solomentsev, I. A. Baranov / anniversary international scientific-practical conference "high technologies and innovations", 9-10 October 2014: [a collection of papers, part 5], Belgorod, BGTU im. V. G. Shukhov, 2014 – P. 79-83. [in Russian]
- Koshkarov V. E. Dla ulushenia pokazatelei [To improve performance] [Text] / E. V. Koshkarov, T. S. Khudyakova // Traffic power, 2016. – №69. – P. 56-61. [in Russian]