Шестаков н.И., Могнонов д.М., Аюрова о.Ж., Ильина о.В.

(БИП СО РАН г. Улан-Удэ)

Приведены результаты исследований по модификации дорожного битума базальтовым волокном. Показано, что при содержании базальтового волокна 0,1–1 мас. % существенно повышаются деформационно-прочностные показатели асфальтобетона.

Results of the study of modification of road asphalt with basalt fiber are presented. It is shown, that 0.1-1.0 mass-% of basalt fiber significantly improves the deformation-strength properties of asphalt concrete. 

Долговечность асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог напрямую связано с качеством используемых материалов и в первую очередь битумов. Битум в наибольшей степени подвержен изменениям под воздействием транспортных нагрузок и погодных условий. Хотя содержание битума составляет 5-7% от массы асфальтобетона, именно его поведение, как самого «слабого звена» системы, определяет состояние асфальтобетонного покрытия.

Изменить поведение битума путем модификации становится чрезвычайно важной задачей, что определяет значительное число публикаций посвященных этому вопросу. Так согласно ресурсы научной базы данных (БД) ®Scopus, как наиболее полного источника информации, с привлечением такого критерия как «ключевое слово» в разделах названия статей, резюме, списке авторов, типе публикации, общий объем научных работ, классифицируемых по ключевому слову «дорожный битум», за период с 2000 по 2011 гг. составляет 487. Распределение количества ссылок по годам свидетельствует о различной степени интереса к данному объекту за последние 10 лет (рисунок 1).

Рисунок 1 – Распределение количества статей с ключевым словом «дорожный битум» по годам

Характер распределения статей по ключевым словам (таблица 1) помогает установить наиболее популярные экспериментальные задачи.

Таблица 1 – Общее количество статей по ключевым словам

Дорожный битум	487
Асфальт	10
Дорожные покрытия	190
Модификация битума	240
Резинобитумные материалы	8
Полимерно-битумные материалы	269
Базальтовые волокнистые материалы	1
Модификация битума минеральными материалами	9
Модификация битума отходами производства	30
Механизм модификации битума	18
Технология получения битума	13

Взяв в рассмотрение 11 часто используемых ключевых слов, можно предположить, что наибольший интерес вызывают работы, связанные с такими направлениями, как модификация битума, полимерно-битумные материалы.

Главной причиной, которая сдерживает наращивание объемов использования полимерно-битумных материалов, является высокая стоимость полимеров. Введение в битум 2,2–3,5% термоэластопластов или 1–1,5 % терполимеров, повышает стоимость вяжущих в 1,5–2,5 раза, кроме того, они не придают битуму ряд необходимых свойств, таких как: эластичность, высокая теплостойкость, увеличение пластичности и деформативности при низких температурах и т.д.

Поскольку основным компонентом битума является асфальтен, молекулярная масса которого превышает 5000 Da, модификация битума минеральным волокном сможет обеспечить повышение деформационно-прочностных и теплофизических свойств асфальтобетона.

Цель исследования – модификация дорожного битума базальтовым волокном для повышения деформационно-прочностных свойств асфальтобетонов дорожного полотна.

Для получения асфальтобетонной смеси использовался битум нефтяной, дорожный, вязкий марки БНД 90/130 (ГОСТ 222-45-90) производства ООО «Ангарская нефтехимическая компания». В таблице 2 приведены основные показатели битума.

Таблица 2 – Основные показатели битума БНД 90/130

№	Наименования показателя	по паспорту	фактический
1	Пенетрация, при 25 0С ГОСТ 11501-78	98	103
2	Температура размягчения по кольцу и шару, 0С ГОСТ 11506-73	45	45
3	Индекс пенетрации	-0,80	-0,68

Рисунок 2 – Динамический термогравиметрический анализ и ДСК битума

при нагревании на воздухе, до 1000 ⁰С, скорость нагревания 5 ⁰/мин.

Так как методика определения температуры размягчения условна и научно необоснованна, был выполнен динамический термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) битума при нагревании на воздухе до 1000^оС, при скорости 5^оС/мин (синхронно-термический анализатор STA449 C, NETZSCH, Германия). Как видно из рисунка 2, потеря массы наблюдается выше 190 ^оС и сопровождается экзотермическими процессами окисления.

Образующиеся на начальной стадии термоокислительной деструкции летучие продукты представляют продукты окисления (СО, СО₂) и фрагменты низкомолекулярных углеводородов с массой ионов 14, 16, 28, 40, 44 (квадрупольный масс-спектрометр QMS403 CAeolos, NETZSCH, Германия). Полученные результаты ограничивают верхний предел нагревания битума 160-190^оС, что отвечает утвержденному технологическому регламенту.

Для модификации битума было использовано базальтовое волокно, полученное из Судунтуйского месторождения базальта (Забайкальский край), с использованием электродуговой плазмы, со следующими физико-механи-ческими характеристиками: плотность 25,03 кг/м³, температура плавления 1140–1400^оС, средний диаметр волокон 8 мкм, средняя длина волокон 35 мм, влажность 0,26% масс, теплопроводность 0,03 Вт/м∙К, модуль кислотности 3,4, содержание органических веществ 0% масс [1].

Изготовлено 4 образца модифицированного битума с содержанием 0,1; 0,25; 0,5; 1,0 мас. % базальтового волокна и битума марки БНД 130/90.

Таблица 3 – Основные показатели битума, модифицированного базальтовым волокном

№	Наименование показателя	Содержание базальтового волокна, мас. %
		0,1	0,25	0,5	1,0
1	Пенетрация, при 25 0С	92	89	84	76
2	Температура размягчения по кольцу и шару, 0С	48	48	48	40
3	Индекс пенетрации	-0,12	-0,24	-0,42	-0,18
4	Марка	90/130	60/90	60/90	60/90

Как видно из данных таблицы 3, после модификации битума базальтовым волокном с содержанием > 0,1 мас. %, исходный битум становится более вязким и соответствует марке 60/90.

Использование синергических композиций позволяет добиться существенного повышения основных показателей исходного битума при относительно малом содержании базальтового волокна. Наиболее полно синергизм мы определяем как явление неаддитивного усиления модифицирующего действия на ту или иную композицию. В дальнейшем получали композиции с содержанием базальтового волокна 0,1 и 1,0 мас. %.

Чтобы изучить влияние модифицированного битума на показатели физико-механических свойств асфальтобетонов, были изготовлены образцы мелкозернистой горячей плотной асфальтобетонной смеси типа Б марки II с содержанием: щебень – 44,0%; песок – 47, 0%; минеральный порошок – 9,0%; битум – 5,3% от содержания минеральных компонентов.

Полученную асфальтобетонную смесь формовали и испытывали по ГОСТ 9128-2009. На диаграммах 1-5 представлены сравнительные характеристики нормируемых показателей асфальтобетона с исходным битумом, асфальтобетонов с модифицированным битумом (0,1 и 1,0 мас. %).

Диаграмма 1 – Прочность при сжатии, 50 0С	Диаграмма 2 – Прочность при сжатии, 20 0С
Диаграмма 3 – Прочность при сжатии, 0 0С	Диаграмма 4 – Остаточная пористость
Диаграмма 5 – Сцепление при сдвиге, 50 0С

Как можно видеть из приведенных данных прочность при сжатии образцов увеличивается на 23% при 50^оС, на 12% при 20^оС, при 0^оС на 13% (содержание базальтового волокна 1 мас. %). Значительно, на 59% и 92% , повышается сцепление при сдвиге (содержание базальтового волокна 0,1 и 1,0 мас. % соответственно). Существенно снизилась остаточная пористость, что особенно важно при эксплуатации дорожного полотна в условиях Сибири и Крайнего Севера, характеризующихся резкими суточными перепадами температуры через 0 ^оС в весеннее и осеннее время года [2].

Окончательные показатели физико-механических свойств горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки II приведены в таблице 4.

Асфальтобетоны на основе модифицированного битума проявляет весьма важную особенность – меньшую температурную чувствительность. Коэффициент температурной чувствительности определяется как отношение прочности асфальтобетона на сжатие при температуре 50ºС к этому же показателю при 0ºС (К= ). При содержании базальтового волокна (1% от массы) температурный коэффициент возрастает с 0,147 (немодифицированный битум) до 0,215, что позволяет прогнозировать повышенную тепло- и трещиностойкость таких асфальтов.

Таблица 4 – Сравнение показателей физико-механических свойств горячего плотного

мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки II

№	Материал	Прочность при сжатии, МПа			Водостойкость	Сцепление при сдвиге, МПа	Водонасыщение, %	Трещиностойкость, МПа	Остаточная пористость, %	Истинная плотность, г/см2
		50оС	20оС	0оС
1	Асфальтобетон	1,03	3,49	6,96	0,91	0,27	2,18	3,54	2,9	2,41
2	Асфальтобетон с добавлением 0,1 % масс. базальтового волокна	1,27	3,87	6,94	1,01	0,43	2,28	3,64	1,27	2,37
3	Асфальтобетон с добавлением 1 % масс. базальтового волокна	1,70	3,91	7,88	1,02	0,52	2,40	3,74	0,85	2,36
4	Рекомендованные показатели	> 0,9	> 2,2	< 10	> 0,9	> 0,31	1,5–4,0	2,5–6,0	2,5–5,0	–

Заключение

Таким образом, модификация дорожного битума базальтовым волокном, при содержании последнего от 0,1 до 1,0 мас. %, существенно повысит деформационно-прочностные, теплофизические свойства и долговечность асфальтобетона дорожного покрытия в процессе эксплуатации.

Литература

1. Буянтуев, С.Л., Дондоков, А.Ц., Баянсайхан, Н. Получение теплоизоляционных материалов из базальта с применением электродуговой плазмы [Текст]/С.Л. Буянтуев, А.Ц. Дондоков, Н. Баянсайхан//Строительные материалы. – 2007. – №9. – С.32–34.

2. Чухно, А.А. Об изменении температуры полимеров при испытании на атмосферостойкость [Текст]/А.А. Чухно//Сб. материалов «Поведение полимеров при низких температурах». – ЯФ СО АН СССР: Якутск, 1974. – 46 с.

1.27	Тонкомолотые гранулированные шлаки в производстве стройматериалов