УДК 625.7.06

Разработка рецептуры полимерно-битумного вяжущего

Научный руководитель Вагапов Булат Рустемович – доцент кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Бабаев Рафат Алигисмат оглы – магистрант кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Фаттахов Данил Альбертович – студент кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: Рассмотрены основные направления модификации дорожных битумов, механизм влияния сбс полимера и пластификатора пн-6ш, как модификатора на свойства нефтяных битумов. Проведены лабораторные анализы на основании ГОСТ 58400.1–2019. Приведены результаты на основе битума марки БНД 100/130 и БНД 70/100.

Ключевые слова: битум, модификация, пластификатор, дороги, полимер.

Некачественные дорожные битумы – один из главных факторов преждевременного разрушения дорожных покрытий. Битумы не обеспечивают необходимой адгезии к минеральным частицам основного наполнителя, из-за чего дорожное покрытие становится хрупким при наступлении холодов, особенно в регионах с суровым климатом, таких как Сибирский федеральный округ. В результате возникают трещины, которые из-за низкой прочности асфальтобетона быстро превращаются в выбоины.

Для решения проблемы преждевременного разрушения дорожных покрытий необходимо применять высококачественные битумы, модифицированные полимерами или другими добавками. Также требуется строгое соблюдение стандартов строительства и использование современных технологий укладки дорожного покрытия.

Реализуемый в настоящее время масштабный национальный проект «Безопасные и качественные дороги» призван кардинально повысить эксплуатационные характеристики отечественных автомагистралей. Одним из ключевых направлений проекта является совершенствование качества и надежности дорожных покрытий, ужесточение требований к дорожным материалам.

В рамках проекта предусмотрено существенное повышение требований к качеству и долговечности асфальтобетонных покрытий. Вводятся новые нормативные сроки службы дорожных одежд и ужесточаются требования к их транспортно-эксплуатационному состоянию. Эти меры направлены на обеспечение длительного и безотказного функционирования автодорог. В проекте предусматривается переход на объемно-функциональные методы проектирования асфальтобетонных смесей. Это инновационный подход, позволяющий создавать более прочные, долговечные и устойчивые к различным нагрузкам дорожные покрытия. Объемно-функциональное проектирование учитывает не только традиционные параметры, такие как зерновой состав и плотность смеси, но и ее объемно-прочностные характеристики. В результате создаются смеси с оптимальным сочетанием прочности, долговечности и эластичности.

Внедрение новых требований и переход на объемно-функциональные методы проектирования приводят к необходимости расширенного применения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) в дорожном строительстве. ПБВ представляют собой модифицированный битум, улучшающий эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий.

Покрытия из полимерно-битумного вяжущего обладают целым рядом преимуществ по сравнению с покрытиями из не модифицированных битумных композиций. Они имеют меньшую температурную зависимость прочностных и деформационных характеристик, что обеспечивает стабильность покрытия в различных климатических условиях. Кроме того, ПБВ позволяет создавать покрытия, сочетающие в себе высокую стойкость к накоплению пластических деформаций (колейности) со значительной устойчивостью к усталостному разрушению (образованию трещин). Это достигается за счет высокой эластичности и способности к релаксации внутренних напряжений в полимерном битуме.

Использование полимерно-битумных вяжущих в дорожном строительстве открывает широкие возможности для создания прочных, долговечных и безопасных автодорог. Это позволит существенно повысить качество и эксплуатационные характеристики российских дорог, обеспечив комфорт и безопасность передвижения для всех участников дорожного движения. В результате получаются ПБВ с улучшенными характеристиками, обеспечивающими повышение качества и долговечности асфальтобетонных покрытий. Инвестиции в качественные дорожные битумы и комплексную систему контроля качества дорожного покрытия – это не только гарантия безопасного и комфортного передвижения, но и значительная экономия средств в долгосрочной перспективе.

Экспериментальная часть.

Объектом исследований был выбран БНД 70/100 и ПАО "Славнефть-ЯНОС", свойства и групповой состав которых приведены в таблице 1 и 1.1 соответственно

Таблица 1. Групповой состав БНД 70/100

Масла	51,27
Смолы	24,68
Асфальтены	24,05

 

Перед началом исследований были проведены лабораторные анализы физико-химических показателей исходного битума по ГОСТ 33133-2014. Характеристики исходного битума и требования ГОСТ приведены в табл. 2

Таблица 2. Характеристика исходного битума

Показатель качества	Входной анализ	ГОСТ
Глубина проникновения иглы при +25 ◦С	74	ГОСТ 33136
Растяжимость при 25◦С, см	76	ГОСТ 33138
Температура хрупкости по Фраасу ◦С	-20	ГОСТ 33143
Температура КИШ	56	ГОСТ 33142
Глубина проникновения иглы при 0 ◦С	30	ГОСТ 33136
Растяжимость при 0◦С, см	8,13	ГОСТ 33138

На следующем этапе подбиралась рецептура вяжущего на основе битума, СБС-полимера и пластификатора ПН-6Ш.

Известно, что СБС-модификатор, изготовленный из стирол-бутадиен-стирола, добавляемый в состав битума, является искусственным каучуком, который обеспечивает битуму гибкость даже при низких температурах. Этот модификатор значительно улучшает свойства битума, уменьшая его хрупкость, повышая эластичность и увеличивая относительное удлинение до сотни раз. Одновременно остаточное удлинение уменьшается, улучшаются усталостные свойства, что в итоге продлевает срок службы материала.

В результате обработки битума модификатором-пластификатором повышается его упругость при низких температурах, улучшается сцепление с минеральными компонентами и увеличивается устойчивость к большим деформациям. Добавление модификаторов также предотвращает окисление битума и снижает образование микротрещин. Благодаря использованию модифицированного битума срок эксплуатации дорог с асфальтобетонным покрытием увеличивается вдвое.

На первом этапе заготавливается модификатор-пластификатор - смесь сбс-полимера и пластификатора пн-6ш. Экспериментальным методом было определено соотношение компонентов в смеси 15% полимера/85% пластификатора. Далее, приготовленный модификатор вводится в битум интервально в течении 2,5-3 часов при 180^◦С. Всего В таблице 2 приведены свойства полученных вяжущих с использованием следующих концентраций модификатора: 5 %, 10%, 15%. 

Полученные результаты приведены в таблице 2.

Показатели качества	5%	10 %	15%
Глубина проникновения иглы при +25 ◦С	79	87	96
Растяжимость при 25◦С, см	83	97	Более 100
Температура хрупкости по Фраасу ◦С	-22	-25	-29
Температура КИШ	53	58	60
Глубина проникновения иглы при 0 ◦С	36	41	44
Растяжимость при 0◦С, см	13	25	39

На графике 1 приведена изменение характеристик при разных концентрациях.

График 1. Изменение характеристик при разных концентрациях

По проведенным анализам и полученным результатам, видим улучшение абсолютно всех основных показателей качества, предъявляемых к битумным материалам.

B результате пpoведенного исследования былo выявлено, чтo введение в битум различного poдa добавок влияет на основные свойства битума. Модификация исходного битума полимерными добавками обеспечивает улучшение их эксплуатационных свойств. 

При добавлении 5% модификатора в ПБВ повышается глубина проникновения иглы при 25 ^◦С на 5 единиц. Растяжимость при 25◦С увеличивается на 7 единиц. В то же время наблюдается снижение температуры размягчения. И улучшение температуры хрупкости.

При добавлении 10% модификатора повышается глубина проникновения иглы при 25 ^◦С на 13 единиц. Растяжимость при 25◦С увеличивается существенно и составляет 11 единиц. Наблюдается увеличение диапазона температуры хрупкости и размягчения, по сравнению с предыдущей концентрацией.

При добавлении 15% модификатора наблюдается улучшение всех показателей качества. Глубина проникновения иглы при 25 ^◦С на 22 единиц. . Растяжимость при 25◦С достигает отметки более 100 см. Температура хрупкости снижается на 9◦С, что является отличным результатом. Температура размягчения улучшается некардинально по сравнению с другими показателями, изначально составлял 56◦С после всех концентраций максимальная температура составила 60◦С.

Улучшение показателей объясняется тем, что СБС полимер снижает температуру растрескивания битума, делая его более гибким и менее хрупким. Так как при низких температурах битум может становиться хрупким и растрескиваться под воздействием нагрузки. СБС-полимер предотвращает хрупкость битума, повышая его пластичность и снижая его чувствительность к перепадам температуры. СБС полимер улучшает эластичность битума, предотвращая растрескивание даже при низких температурах. СБС полимер увеличивает растяжимость битума, что позволяет ему выдерживать более высокие деформации без разрыва. Увеличенная растяжимость приводит к повышению сопротивления битума растрескиванию.

Так же добавление пн-6ш пластификатора помогает увеличить текучесть битума, что позволяет снизить температуру мягкости и повысить его термостойкость при высоких температурах.

Заключение

Подводя итог необходимо отметить, что применение полимерных добавок позволяет уменьшить образование дефектов на покрытии и продлить срок межремонтного периода дорожных покрытий. Расширение температурного интервала, повышение стабильности к деформациям и долговечности. В целом, добавление СБС-полимера к битуму позволяет значительно улучшить его характеристики и адаптировать его для различных условий эксплуатации, делая битум более надежным, долговечным и устойчивым к воздействию окружающей среды и механическим нагрузкам.

Пластификатор ПН-6Ш улучшает термостойкость битума за счет увеличения его текучести и оптимизации молекулярной структуры, что делает материал более долговечным при воздействии высоких температур.

По проведенным анализам и полученным результатам, видим улучшение абсолютно всех основных показателей качества, предъявляемых к битумным материалам.

Список литературы

1. ГОСТ 33133–2014 Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования
2. Галиуллин Э.А. Разработка технологии производства дорожных битумов из сверхвязкой нефти: дис. … канд.техн.наук: 00.13. – Казан. нац. исслед. техн. университет, Казань, 2020 – 134 с.
3. Ковалев Я.Н. Капсулирование битума химически совместимой полимерной добавкой, свойства модифицированного вяжущего и асфальтобетона на его основе / Я.Н. Ковалев, В.Н. Романюк // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2007. – №1. – С. 29–31.
4. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: учеб. пособие для вузов / С.А. Ахметов. – Уфа: Гилем, 2002. – 672 с.
5. Юнусова Г.Б. Анализ цикла обращения отходов автомобильных шин / Г.Б. Юнусова// Вестник ИГУ —2013 — 53 с.
6. Гун Р.Б. Нефтяные битумы: учеб. пособие для рабочего образования / Р.Б. Гун. – М.: Химия, 1989. – 152 с.
7. Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блоксополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. Утверждены распоряжением Росавтодораот 01.02.2007 № ОБ-29-р.- М : Федеральное дорожное агентство (росавтодор), 2007. – 75 с. Вильде О. Битум: путь в «премиум» / О. Вильде // Сибирская нефть. – 2020. - №6 (173). – С. 44-47.
8. Беляев П.С., Забавников М.В., Маликов О.Г., Волков Д.С. Исследования влияния резиновой крошки на физико-механические показатели нефтяного битума /Вестник ТГТУ// 2005 – 930 с.
9. Абдуллин И.А., Композиционные материалы с полимерной матрицей. Учебное пособие / И.А. Абдуллин и др. – Казань: Изд-во КГТУ. – 2006. – 144 с.
10. Веселов, В. И. Переработка использованных шин. Международный опыт // Твердые бытовые отходы. — 2012. — № 12. — С. 58–63.
11. https://www.omtconsult.ru/storage/app/media/Рынок_битумных_материалов_России_за_9_месяцев_2023_г.