PRODUCTION OF POLYMER-MODIFIED ASPHALT CEMENTS WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE PROPERTIES FOR THE RECONSTRUCTION OF A HIGHWAY IN THE REPUBLIC OF SAKHA (YAKUTIA)

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С УЛУЧШЕННЫМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)

Научная статья

Цупикова Л.С.^1, *, Лазарева Т.Л.², Кормилицына Л.В.³, Каменчуков А.В.⁴

^{1, 2, 3, 4} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (llsts[at] mail.ru)

Аннотация

В статье рассмотрен подбор состава полимерно-битумного вяжущего для приготовления полимерасфальтобетона эксплуатирующегося в климатических условиях Республики Саха (Якутия). Установлены зависимости влияния рецептурных и технологических факторов на низкотемпературные свойства ПБВ, в том числе на температуру хрупкости. Разработаны принципы управления процессами структурообразования вяжущего, позволяющие корректировать его состав в случае несоответствия требованиям ГОСТ. Рассмотрено влияние марки полимерно-битумного вяжущего на трещиностойкость полимерасфальтобетона, Состав полимерно-битумного вяжущего, технология его приготовления, и полимерасфальтобетонная смесь были апробированы при реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена».

Ключевые слова: полимерно-битумное вяжущее, блоксополимер СБС, полимерасфальтобетон, адгезионная добавка.

PRODUCTION OF POLYMER-MODIFIED ASPHALT CEMENTS WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE PROPERTIES FOR THE RECONSTRUCTION OF A HIGHWAY IN THE REPUBLIC OF SAKHA (YAKUTIA)

Research article

Tsupikova L.S.^1, *, Lazareva T.L.², Kormilitsyna L.V.³, Kamenchukov A.V.⁴,

^{1, 2, 3, 4} Pacific National University, Khabarovsk, Russia

* Corresponding Author (llsts[at] mail.ru)

Abstract

The article examines the selection of the composition of polymer-modified asphalt cement for the preparation of polymer-asphalt concrete used in the climatic conditions of the Republic of Sakha (Yakutia). The study establishes the dependences of the influence of prescription and technological factors on the low-temperature properties of PMA, including the brittleness temperature. The authors also present the principles of controlling the processes of structure formation of PMA that allow to adjust its composition in case of non-compliance with the requirements of GOST. They also study the influence of the brand of polymer-modified asphalt cement on the crack resistance of polymer-asphalt concrete, the composition of polymer-modified asphalt cement, the technology of its preparation, and the polymer-asphalt mixture were tested during the reconstruction of the M-56 "Lena" highway section.

Keywords:  polymer modified asphalt cement, SBS block copolymer, polymer-asphalt concrete, adhesive additive.

Введение

В условиях резко континентального климата Якутии предъявляются повышенные требования к дорожно-строительным материалам. При реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена» встал вопрос о применении более современных и долговечных материалов. Вместо традиционного асфальтобетона было решено использовать полимерасфальтобетон. Вместо битума в полимерасфальтобетоне используются полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), отличающиеся высокой эластичностью, в том числе при низких температурах, низкой температурой хрупкости и высокой температурой размягчения. Все это актуально для климатических условий Восточной Сибири. Перед испытательным центром строительных материалов Тихоокеанского государственного университета, на кафедре автомобильных дорог, была поставлена задача разработать состав вяжущего, с учетом имеющихся материалов и климатических условий района строительства, технологический регламент для приготовления ПБВ, а также оценить качество полимерасфальтобетона на полученном вяжущем.

Методы исследования и результаты

Основная задача при подборе состава модифицированного битума состояла в том, чтобы улучшить низкотемпературные свойства вяжущего, главным образом температуру хрупкости, а также повысить его дуктильность и пенетрацию при температуре 0°С и расширить интервал пластичности вяжущего. Для климатических условий Якутии оптимальным с точки зрения вязкости является полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ130. В качестве основы для приготовления вяжущего был взят битум БНД 130/200, который поставляется предприятием ООО «Битум», г. Красноярск. Для модификации вяжущего использовался блоксополимер марки СБС Р 30-00А производства АО «Воронежсинтезкаучук». Полимер этой марки хорошо совмещается с битумом, сочетая в себе высокую прочность при растяжении, присущую термопластам и, вместе с тем, высокую эластичность и очень низкую температуру стеклования характерные для эластомеров. В качестве пластификатора использовалось индустриальное масло марки И-40А. В ходе испытаний различных образцов вяжущего была установлена зависимость температуры хрупкости от количества пластификатора и процентного содержания блоксополимера, таблица 1.

 

Таблица 1 – Зависимость температуры хрупкости от содержания пластификатора и расхода полимера

Содержание СБС Р30-00А	Содержание пластификатора, %
	0	5	10	15	20
0	-20	-25	-32	-39	-41
2,5	-21	-25	-30	-38	-40
3,0	-22	-25	-31	-38	-40
3,5	-22	-26	-32	-39	-42

 

Из результатов испытаний видно, что на снижение температуры хрупкости влияет количество пластификатора, в то время как корреляции с содержанием полимера нет. Аналогичные результаты были получены при использовании пластификатора ПН-6 Омского НПЗ.

Рис. 1 – Зависимость температуры хрупкости от содержания пластификатора

  Уравнение теоретической линии регрессии, найденное с помощью MS Excel, имеет вид:

у = – 1,09х – 20,8

(1)

где х – содержание пластификатора, %

у – температура хрупкости, °С

Коэффициент детерминации R² равен 0,9769, то есть регрессионную модель можно использовать для прогноза температуры хрупкости вяжущего и выбора оптимального количества пластификатора.

Добавка блоксополимера СБС Р 30-00А позволяет повысить температуру размягчения вяжущего и расширить интервал пластичности. На рисунке 2 показаны результаты испытаний вяжущего с содержанием пластификатора 12 %.

Рис. 2 – Зависимость интервала пластичности ПБВ от содержания блоксополимера СБС Р 30-00А

 

Из низкотемпературных свойств вяжущего важна также эластичность при 0°С, которая влияет на трещиностойкость полимерасфальтобетона при отрицательных температурах, результаты испытаний приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Влияние содержания СБС Р30-00А и пластификатора на эластичность вяжущего

Содержание СБС Р30-00А, %	Эластичность при 0°С, %
	0	5	10	15	20
0	-	-	-	-	-
2	30	42	44	45	47
2,5	55	60	62	61	63
3	78	78	78	79	79
3,5	78	78	78	77	79
4	80	78	79	80	80

 

Требуемая эластичность (не менее 75% в соответствии с ГОСТ 9128) достигается при содержании полимера более 3%. При таком количестве полимера, содержание пластификатора практически не влияет на эластичность полимерно-битумного вяжущего.

Изучены и другие физико-механические свойства различных составов ПБВ. Установлено, что растяжимость при 0°С повышается с увеличением содержания пластификатора и СБС Р30-00А.

Так как наличие пластификатора, представляющего собой масляные фракции нефти, приводит к снижению адгезии вяжущего, предложено использовать адгезионную добавку RedisetWMX. Введение RedisetWMX в состав вяжущего повышает смачиваемость минеральных частиц полимерасфальтобетонной смеси и ее удобоукладываемость и позволяет снизить температуру уплотнения смеси на 30°С. Это дает возможность увеличить продолжительность строительного сезона при реконструкции автомобильной дороги в условиях якутского климата. Оценка адгезии к мрамору, определенная в соответствии с ГОСТ 12801, составила четыре балла для немодифицированного битума и пять баллов для ПБВ.

В качестве оптимального состава ПБВ130 был предложен следующий:

• вязкий дорожный битум БНД 130/200 – 83,5%
• блоксополимер СБС Р30-00А – 3,5%
• индустриальное масло И-40А – 12%
• адгезионная добавка RedisetWMX – 1%.

Состав и свойства исходного битума и полученного на его основе полимерно-битумного вяжущего представлены в таблице 3. Особо следует отметить значительное снижение температуры хрупкости вяжущего: с – 20 ºС, до – 39 ºС. Другие низкотемпературные свойства ПБВ также улучшились. По всем параметрам ПБВ соответствует требованиям ГОСТ и существенно превосходит по свойствам исходный битум.

 

Таблица 3 – Результаты испытаний полимерно-битумного вяжущего

Наименование показателя	Значения показателей		Требования ГОСТ Р 52056-2003 для ПБВ 130
	БНД 130/200	ПБВ 130
1.Глубина проникания иглы, 0,1 мм, – при 25 0С – при 0 0С	140 36	138 58	Не менее 130 Не менее 50
2. Температура размягчения по кольцу и шару, 0С	43	67	Не менее 49
3. Растяжимость, см - при 25 0С - при 0 0С	112 8,9	55 42	Не менее 30 Не менее 20
4. Температура хрупкости, 0С	– 20	– 39	Не выше – 30
5. Изменение температуры размягчения после прогрева, 0С	3,0	4,0	Не более 7
6. Эластичность, % - при 25 0С - при 0 0С	отсутствует отсутствует	90 80	Не менее 85 Не менее 75
7. Температура вспышки, 0С	220	231	Не ниже 220
8. Однородность	–	однородно	однородно

 

Полимерно-битумное вяжущее приготовленное на зарубежном аналоге полимерной добавки – термоэластопласте СБС LG-501 («Chemical partner», Ю. Корея) показало практически такие же результаты, поэтому решено было сделать выбор в пользу более доступного отечественного блоксополимера.

Для получения полимерно-битумного вяжущего, соответствующего требованиям ГОСТ, требуется комплексный подход, так как отдельные компоненты вяжущего по-разному влияют на его технические свойства. Поскольку дорожно-строительная организация, для которой проводились исследования, сама планировала готовить полимерно-битумное вяжущее на установке для модификации битума УВБ-2, оснащенной коллоидной мельницей, кроме подбора оптимального состава вяжущего, был также разработан технологический регламент по приготовлению ПБВ и подобраны и испытаны составы полимерасфальтобетона на полученном вяжущем. Горячий мелкозернистый полимерасфальтобетон типа А II марки соответствует требованиям ГОСТ 9128-2013 по всем показателям, включая трещиностойкость. Составы полимерасфальтобетонов на менее вязких ПБВ не соответствуют требованиям ГОСТ, несмотря на более низкую температуру хрупкости, из-за недостаточной когезии вяжущего, таблица 4.

 

Таблица 4 – Влияние марки ПБВ и его температуры хрупкости на трещиностойкость полимерасфальтобетона

	ПБВ 130	ПБВ 200	ПБВ 300
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, 25 0С	138	215	320
Температура хрупкости, 0С	– 39	– 42	– 46
Трещиностойкость полимерасфальтобетона, МПа	2,57	1,75	0,85
Требования ГОСТ 9128-2013 по показателю трещиностойкости, МПа	не менее 2,0 и не более 6,0

 

Состав полимерно-битумного вяжущего, технология его приготовления и асфальтобетонная смесь на этом вяжущем были успешно внедрены в производство ОАО Дальстроймеханизация при реконструкции участка автомобильной дороги М-56 «Лена» на участке от Невера до Якутска с 825 по 849 километр. 

Выводы

Выявлены факторы, влияющие на низкотемпературные свойства ПБВ, и предложены рекомендации, позволяющие корректировать его состав в случае несоответствия требованиям ГОСТ:

если температура хрупкости выше требуемой – необходимо увеличить содержание пластификатора, ориентировочное содержание пластификатора можно определить, используя найденную в ходе исследования зависимость;

если растяжимость при 0°С меньше требуемой, следует увеличить количество пластификатора или блоксополимера;

если эластичность меньше требуемого значения, необходимо увеличить количество блоксополимера.

Увеличенный интервал пластичности, на первый взгляд позволяющий сместить его в сторону более низких температур, используя вместо ПБВ 130 менее вязкие ПБВ 200 или ПБВ 300 с более низкими температурами хрупкости, не позволяет получить требуемую трещиностойкость полимерасфальтобетона из-за недостаточной когезии вяжущего. Поэтому ПБВ 130 является оптимальным для приготовления полимерасфальтобетона.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон / Л.М. Гохман. Учебно-методическое пособие. – М.: ЗАО «Экон-Информ», 2008. – 117 с.
2. Методические рекомендациипо применению полимерно-битумного вяжущего (на основе ДСТ) при строительстве дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий. М.: Союздорнии, 1988 –25 с.
3. ОДМ 218.2.003-2007. Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блоксополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.– М.: Москва, 2007 – 120 с.
4. Цупикова Л. С. Особенности подбора состава полименно-битумного вяжущего в условиях дорожных лабораторий / Л. С. Цупикова, Н. И. Ярмолинская // Дальний Восток: Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов / под ред. А. Е. Казаринова – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2002 –№2, С 136 – 140.
5. Ярмолинская, Н.И. Модификация дорожных битумов полимерами для высококачественных дорожных покрытий северных регионов Дальнего Востока / Н.И. Ярмолинская, Т.Л. Лазарева //Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов.– Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2016.– № 16. С. 135-140.
6. Порадек, С. В. Изучение процесса растворения полимерных материалов в нефтепродуктах при модифицировании битума / С. В. Порадек, // Автомоб. дороги: информ. сб. / Информавтодор. – 1996. – Вып. 5. –С 34 – 42.
7. Колбановская, А. С. Дорожные битумы / А. С. Колбановская, В. В. Михайлов. – М. : Транспорт, 1973. – 264 с.
8. Гохман, Л.М. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства: обзорная информация /Л.М. Гохман, Е.М. Гурарий, А.Р. Давыдова и др. Вып.4. - М. : Информавтодор,  - 112с.
9. Гохман, Л. М. Влияние эластичности вяжущих на усталостную прочность полимерасфальтобетона/ Л.М. Гохман // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2012. - № 4. - С. 21-24.
10. Высоцкая, М. А. Влияние морфологии на качественные показатели полимерно-битумного вяжущего/ М. А. Высоцкая, С. Ю. Шеховцова // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. - 2015. - № 11. - С. 18-24.
11. Галдина, В. Д. Моделирование составов и свойств полимерно-битумных вяжущих методом планирования эксперимента/ В. Д. Галдина, М. С. Черногородова // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2015. - Вып. 5 (45). - С. 62-66.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gokhman L. M. Bitumy, polimerno-bitumnye vjazhushhie, asfal'tobeton, polimerasfal'tobeton [Bitumen, polymer-bitumen binders, asphalt concrete, polymerasfaltobeton] / L. M. Gokhman. Educational and methodological manual. - M.: ZAO "Ekon-Inform", 2008 – - 117 p. [in Russian]
2. Metodicheskie rekomendacii po primeneniju polimerno-bitumnogo vjazhushhego (na osnove DST) pri stroitel'stve dorozhnyh, mostovyh i ajerodromnyh asfal'tobetonnyh pokrytij [Methodological recommendations for the use of polymer-bitumen binder (based on DST) in the construction of road, bridge and airfield asphalt concrete coatings]. Moscow: Soyuzdornii, 1988 -25 p. [in Russian]
3. ODM 218.2.003-2007. Rekomendacii po ispol'zovaniju polimerno-bitumnyh vjazhushhih materialov na osnove bloksopolimerov tipa SBS pri stroitel'stve i rekonstrukcii avtomobil'nyh dorog [Recommendations for the use of polymer-bitumen binders based on block copolymers of the SBS type in the construction and reconstruction of highways]. - Moscow: Moscow, 2007-120 p. [in Russian]
4. Tsupikova L. S. Osobennosti podbora sostava polimenno-bitumnogo vjazhushhego v uslovijah dorozhnyh laboratorij [Features of the selection of the composition of polymer-bitumen binder in the conditions of road laboratories] / L. S. Tsupikova, N. I. Yarmolinskaya // Dal'nij Vostok: Avtomobil'nye dorogi i bezopasnost' dvizhenija: mezhdunarodnyj sbornik nauchnyh trudov [Far East: Automobile roads and traffic safety: international collection of scientific papers] / edited by A. E. Kazarinov-Khabarovsk: Publishing House of the Pacific State University, 2002-No. 2, pp. 136-140. [in Russian]
5. Yarmolinskaya, N. I. Modifikacija dorozhnyh bitumov polimerami dlja vysokokachestvennyh dorozhnyh pokrytij severnyh regionov Dal'nego Vostoka [Modification of road bitumen with polymers for high-quality road surfaces in the northern regions of the Far East] / N. I. Yarmolinskaya, T. L. Lazareva // Dal'nij Vostok. Avtomobil'nye dorogi i bezopasnost' dvizhenija: mezhdunarodnyj sbornik nauchnyh trudov [The Far East. Highways and traffic safety: an international collection of scientific papers].- Khabarovsk: Publishing House of the Pacific State University, 2016. - No. 16. pp. 135-140. [in Russian]
6. Radadek, S. V. Izuchenie processa rastvorenija polimernyh materialov v nefteproduktah pri modificirovanii bituma [Study of the process of dissolution of polymer materials in petroleum products when modifying bitumen] / S. V. Radadek, // Avtomob. dorogi: inform. sb. / Informavtodor [Avtomob. roads: inform. sb. / Informavtodor]. – - 1996. - Issue 5. – P. 34-42. [in Russian]
7. Kolbanovskaya, A. S. Dorozhnye bitumy [Road bitumen] / A. S. Kolbanovskaya, V. V. Mikhailov – - M.: Transport, 1973 – - 264 p. [in Russian]
8. Gokhman, L. M. Polimerno-bitumnye vjazhushhie materialy na osnove SBS dlja dorozhnogo stroitel'stva : obzornaja informacija [Polymer-bitumen binders based on SBS for road construction: overview] / L. M. Gokhman, E. M. Gurari, A. R. Davydova, etc. Vol.4. - M.: Informavtodor, 2002. – 112 p. [in Russian]
9. Gokhman, L. M. Vlijanie jelastichnosti vjazhushhih na ustalostnuju prochnost' polimerasfal'tobetona [The influence of the elasticity of binders on the fatigue strength of polymer-asphalt concrete] / L. M. Gokhman // Nauka i tehnika v dorozhnoj otrasli [Science and Technology in the road industry]. - 2012. - No. 4. - pp. 21-24. [in Russian]
10. Vysotskaya, M. A. Vlijanie morfologii na kachestvennye pokazateli polimerno-bitumnogo vjazhushhego [Influence of morphology on the quality indicators of polymer-bitumen binder] / M. A. Vysotskaya, S. Yu. Shekhovtsova // Mir nefteproduktov. Vestnik neftjanyh kompanij [The world of petroleum products. Bulletin of Oil Companies]. - 2015. - No. 11. - pp. 18-24. [in Russian]
11. Galdina, V. D. Modelirovanie sostavov i svojstv polimerno-bitumnyh vjazhushhih metodom planirovanija jeksperimenta [Modeling of compositions and properties of polymer-bitumen binders by the method of experiment planning] / V. D. Galdina, M. S. Chernogorodova // Vestnik Sibirskoj gosudarstvennoj avtomobil'no-dorozhnoj akademii [Bulletin of the Siberian State Automobile and Road Academy]. - 2015. - Issue 5 (45). - pp. 62-66. [in Russian]