Особливості впливу полімерів і поверхнево-активних добавок на адгезійні властивості бітумів - Автореферат

Розробка шляхів підвищення зчеплюванності бітумів, модифікованих полімерами, і водостійкості асфальтополімербетонів на основі встановлення фізико-хімічних особливостей взаємодії бітумів, що вміщують ПАР і полімер, з твердою підложкою. Наукова новизна отриманих результатів: - теоретично й експериментально доведено, що рівень позитивного впливу ПАР на зчеплюванність БМП з твердою підложкою у водному середовищі тим більший, чим нижче в ньому вміст полімеру, чим гірше масла пластифікують полімер, чим нижче консистенція бітуму при тому ж вмісті полімеру; показано, що введення полімеру у бітуми сповільнює зниження їх зчеплюванності з твердою підложкою після прогріву; зменшення зчеплюванності в результаті старіння БМП з ПАР менше, ніж вихідного бітуму або бітуму з ПАР; установлено, що комплексне використання полімеру і ПАР в бітумі приводить до складання індивідуальних приростів коефіцієнта водостійкості асфальтобетону, а ефективність дії полімеру у відношенні водостійкості асфальтополімербетонів більше, ніж у разі зчеплюванності самого БМП зі скляною підложкою. У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень: особливостей технології суміщення ПАР і полімерів з бітумом; залежності вязкості бітумополімерних вяжучих з добавками ПАР в області технологічних температур; впливу ПАР на змочувальну здатність бітумів, модифікованих полімером; прояву адгезійної активності ПАР в бітумах і БМП різної консистенції; впливу виду полімеру і ПАР на зчеплюванність бітумів різної вязкості з мінеральною підложкою; впливу вмісту ПАР і різних видів полімерів на зчеплюванність вяжучих з твердою підложкою; оцінки агрегативної стійкості бітумів, що містять полімери і ПАР, і термічної стабільності їх адгезійної активності; структурних особливостей БМП з ПАР.При великому вмісті полімеру (фаза-бітум, середовище-полімер) утворені в результаті набрякання у вуглеводнях бітуму смолоподібні полімерні комплекси підвищують вязкість БМП і знижують здібність молекул ПАР дифундувати до границі розділу фаз, яка виявляється максимально заповненою полімерними комплексами. Рівень внеску ПАР і полімеру в адгезію БМП визначається пластифікуючою здатністю бітумного середовища (співвідношенням у бітумі масел, смол і асфальтенів), а також властивостями полімерів і наявністю в них блоків, здатних розчинятися в ароматичних або парафінових вуглеводнях бітуму. Зниження ефективності ПАР при збільшенні в БМП вмісту полімеру експериментально доведено випробуваннями на зчеплюванність бітуму БНД 130/200: зчеплюванність бітуму після введення в нього 0,4 % ПАР зростає на 57 %; добавка 3 % полімеру збільшує зчеплюванність на 11 %; спільна дія ПАР і 3 % полімеру підвищує зчеплюванність на 74 % (при вкладі ПАР - 63 %); добавка 6 % полімеру і 0,4 % ПАР підвищують зчеплюванність на 81 % (при вкладі ПАР - 25 %); 9 % полімеру забезпечують 100 % зчеплюванність без вкладу ПАР. Введення ПАР в бітум понизило Т15 на 23 - 25ОС, модифікація бітуму полімером збільшила Т15 на 37 - 42ОС, в введення ПАР знизило Т15 бітумополімеру на основі БНД 130/200 на 60ОС, а бітумополімерів на основі бітуму БНД 40/60 на 23 ОС. Зниження зчеплюванності бітуму з ПАР при старінні в значній мірі обумовлено втратою адгезійної активності самого бітуму або ПАР.

1. На підставі аналізу існуючих теоретичних уявлень про адгезійні механізми на границі розділу фаз бітумів, полімерів і ПАР з твердими підложками сформульовані уявлення про процеси взаємодії комплексно модифікованих полімером (КМБ), типу SBS, і катіонактивними добавками бітумів з мінеральною підложкою. Характер цих процесів обумовлений співвідношенням в КМБ його складових і їхньою якістю.

2. При малому вмісті полімерів (фаза-полімер, середовище-бітум) адгезійні процеси подібні тим, що властиві чистим бітумам. Адгезія максимально набряклих полімерних комплексів носить острівковий характер і відносно мало позначається на адгезії бітумополімерного вяжучого. Суттєву роль у підвищенні адгезії грає переведення масел у смолистий стан. При великому вмісті полімеру (фаза-бітум, середовище-полімер) утворені в результаті набрякання у вуглеводнях бітуму смолоподібні полімерні комплекси підвищують вязкість БМП і знижують здібність молекул ПАР дифундувати до границі розділу фаз, яка виявляється максимально заповненою полімерними комплексами. У цьому випадку адгезія полімербітумного вяжучого визначається полімерним середовищем. У перехідній зоні проявляються обидва механізми адгезійної взаємодії. Рівень внеску ПАР і полімеру в адгезію БМП визначається пластифікуючою здатністю бітумного середовища (співвідношенням у бітумі масел, смол і асфальтенів), а також властивостями полімерів і наявністю в них блоків, здатних розчинятися в ароматичних або парафінових вуглеводнях бітуму.

3. Зниження ефективності ПАР при збільшенні в БМП вмісту полімеру експериментально доведено випробуваннями на зчеплюванність бітуму БНД 130/200: зчеплюванність бітуму після введення в нього 0,4 % ПАР зростає на 57 %; добавка 3 % полімеру збільшує зчеплюванність на 11 %; спільна дія ПАР і 3 % полімеру підвищує зчеплюванність на 74 % (при вкладі ПАР - 63 %); добавка 6 % полімеру і 0,4 % ПАР підвищують зчеплюванність на 81 % (при вкладі ПАР - 25 %); 9 % полімеру забезпечують 100 % зчеплюванність без вкладу ПАР. Спільне введення полімеру і ПАР дозволяє одержати той самий рівень зчеплюванності при меншому, ніж для чистого бітуму, вмісті ПАР.

4. Використання крайового кута змочування, що дорівнює 15 О, в якості критерія ефективного перемішування асфальтополімербетонних сумішей на відміну від критичної вязкості, дозволило визначити мінімально припустимі температури (Т15) цього процесу й вплив на них добавок полімерів і ПАР. Введення ПАР в бітум понизило Т15 на 23 - 25ОС, модифікація бітуму полімером збільшила Т15 на 37 - 42ОС, в введення ПАР знизило Т15 бітумополімеру на основі БНД 130/200 на 60ОС, а бітумополімерів на основі бітуму БНД 40/60 на 23 ОС. Ефективність дії ПАР тим вище, чим нижче консистенція вихідного бітуму. Використання такого механізму дії ПАР на бітумополімери дозволяє знизити енергоємність бітумополімерних технологій до рівня, близького до того, що відповідає приготуванню звичайних асфальтобетонних сумішей.

5. Зниження зчеплюванності бітуму з ПАР при старінні в значній мірі обумовлено втратою адгезійної активності самого бітуму або ПАР. Введення полімеру в бітум сповільнює процеси зниження зчеплюванності в процесі технологічного старіння. Падіння зчеплюванності БМП із ПАР у результаті старіння завжди менше, ніж старіння бітуму з ПАР, завдяки інгібіруючий ролі полімеру.

6. Вивчені в роботі полімери мають різну активність у відношенні зчеплюванності БМП з підложкою. При використанні в якості критерія активності приросту зчеплюванності на 1 % витрати полімеру вони утворюють такий ряд: ELVALOY-AM - 26,4 (при вмісті 2,5 %), BUTONAL NS 198 - 12,8 (при вмісті 6 %), KRATON D-1101 - 10 (при витраті 6 %), KRATON 1192 - 8,7 (при витраті 6 %) і EVA - 7,3 (при витраті 10 %).

7. Отримані в результаті досліджень технологічні рішення перевірені у виробничих умовах шляхом випуску дослідної партії асфальтополімербетонної суміші на основі комплексно модифікованого вяжучого й влаштування з неї асфальтобетонного покриття на складній ділянці однієї з магістралей міста Харкова. Стан покриття після 2 років експлуатації оцінюється як відмінний. Вартість 1 т суміші на комплексно модифікованому вяжучому з урахуванням зниження енерговитрат на перемішування і зменшення витрати ПАР склала 553,46 грн., що на 35,25 грн. перевищило вартість звичайної асфальтобетонної суміші. Це перевищення повністю компенсується збільшенням стійкості асфальтополімербетонного покриття з ПАР проти руйнуючої дії води.

8. Результати дослідження покладені в основу рекомендацій Р В.2.7-218-02071168-506:2006 «Рекомендації щодо ефективного використання поверхнево-активних речовин у бітумополімерах та асфальтополімербетонах». Рекомендації прийняті на Технічній раді «Служби автомобільних доріг України», протокол № 5 від 24 травня 2006 р. Вони також використовуються в навчальному процесі за фахом «Автомобільні дороги та аеродроми».

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в таких роботах

1. Золотарев В.А. Водоустойчивость битумополимерных вяжущих и асфальтополимербетонов на их основе / В.А. Золотарев, С.В. Кудрявцева, Е.Н. Агеева. // Вестник ХНАДУ. Сборник научных трудов. - Изд-во ХНАДУ, 2006. - Выпуск 34-35. - С. 152 - 156.

Особистий внесок автора - дослідження впливу полімерних модифікаторів на властивості бітуму й на фізико-механічні властивості асфальтополімербетонів на їх основі.

2. Кудрявцева С.В. Особенности технологии введения ПАВ в битумополимерное вяжущее / С.В. Кудрявцева // Вестник ХНАДУ. Сборник научных трудов. - Изд-во ХНАДУ, 2006. - Выпуск 34-35. - С. 157 - 159.

3. Золотарьов В.А. Адгезійна стійкість у водному середовищі бітумів, модифікованих полімерами і поверхнево-активними речовинами / В.А. Золотарьов, С.В. Кудрявцева, С.В. Єфремов, О.М. Агеєва // Автошляховик України. - 2007. -№ 2. - С. 34 - 37.

Особистий внесок автора - визначення особливостей адгезійної стійкості бітумів, модифікованих полімером, і бітумів, модифікованих полімером і ПАР, у водному середовищі.

4. Золотарев В.А. Совместное влияние полимеров и поверхностно-активных веществ на сцепление битумов и водостойкость асфальтобетонов / В.А. Золотарев, С.В. Кудрявцева, С.В. Ефремов, Е.Н. Агеева // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2007. - № 3. - С. 33 - 35.

Особистий внесок автора - дослідження впливу роздільного і спільного введення в бітум різної кількості полімеру і поверхнево-активної речовини на його зчеплення з твердою підложкою.

5. Золотарев В.А. Влияние полимеров на поверхностные свойства битумов / В.А. Золотарев, С.В. Ефремов, С.В. Кудрявцева // Вісник ДОННАБА., 2007. - № 1 (63). - С.3 - 8.

Особистий внесок автора - дослідження впливу модифікації бітуму полімером і ПАР на температурні залежності поверхневого натягу і крайового кута змочування.

6. Кудрявцева С.В. Влияние вида полимера и поверхностно-активных веществ на сцепление битума с минеральной подложкой / С.В. Кудрявцева // Вестник ХНАДУ. Сборник научных трудов. - Изд-во ХНАДУ, 2008. - Выпуск 40. - С. 36 - 39.

7. Кудрявцева Вальдес С.В. Вплив технологічних температур на зчеплення бітумів, модифікованих полімерами та ПАР, з мінеральною поверхнею / С.В. Кудрявцева Вальдес // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Київ, НТУ. -2008. - Випуск 75. - С. 200 - 203.

8. Золотарев В.А. Влияние совместного введения полимеров и адгезионных добавок на свойства битумов / В.А. Золотарев, С.В. Кудрявцева, С.В. Ефремов // Вестник ХНАДУ. Сборник научных трудов. - Изд-во ХНАДУ, 2008. - Выпуск 40. - С. 68 - 75.

Особистий внесок автора - дослідження впливу спільної модифікації полімером і ПАР на властивості бітуму.

9. Zolotarev V. A. Influence of joint introduction of polimers and adhesive agents on bitumens properties / V. A. Zolotarev, S. V. Kudryavtseva, S. V. Yefremov // Eurasphalt and Eurobitume. 4th Congress-E&E 2008. Destination Copenhagen. - 21-23 May 2008. - P. 373 - 378.

Особистий внесок автора - дослідження впливу модифікаторів на властивості бітумного вяжучого.

Список робіт, які додатково відображають результати досліджень: 10. Золотарев В.А. Опыт применения показателя сцепления для оценки водоустойчивости битумной пленки / В.А. Золотарев, Ю.П. Ткачук, Е.Н. Агеева, С.В. Кудрявцева // Автошляховик України. - 2004. - № 2. - С. 30 - 33.

Особистий внесок автора - дослідження залежності зчеплення бітуму з поверхнею скла від вязкості бітуму, країни виробника бітуму, добавки полімеру й різновиду скла.

11. Золотарьов В.О. Використання ЕОМ для визначення показника зчеплення бітуму з поверхнею скла / В.О. Золотарьов, С.В. Єфремов, О.М. Агеєва, Я.І. Пиріг, С.В. Кудрявцева, К.В. Пермяков // Автошляховик України. - 2005. - № 3. - С. 30 - 33.

Особистий внесок автора - визначення зчеплення бітуму зі склом традиційним засобом і за допомогою компютера.

12. Золотарьов В.О. Взаємозвязок зчеплення та стандартних характеристик бітуму / В.О. Золотарьов, О.М. Агеєва, Я.І. Пиріг, С.В. Кудрявцева, С.В. Кіщинський, Л.Ф. Кириченко // Вестник ХНАДУ. Сборник научных трудов. - 2005. - Выпуск 29. - С. 248 - 251.

Особистий внесок автора - дослідження зчеплення й стандартних властивостей показників бітумів різних НПЗ.