374

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БИТУМЫ

Методические указания

к лабораторной работе

3

Федеральное агентство по образованию РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра «Дорожное и строительное материаловедение»

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БИТУМЫ

Методические указания к лабораторной работе

Составитель В.Д. Галдина

Омск Издательство СибАДИ

2007

4

УДК 625.7 ББК 39.311.45

Рецензент д-р техн. наук, профессор В.Н. Шестаков

Работа одобрена научно-методическим советом специальностей в качестве методических указаний для проведения лабораторной работы для специальности 270205 «Строительство автомобильных дорог и аэродромов».

Модифицированные битумы: Методические указания к лабораторной работе /Сост. В.Д. Галдина. Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 22 с.

Методические указания предназначены для проведения лабораторной работы по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Содержатся указания по приготовлению полимерно-битумных вяжущих на основе различных видов модифицирующих полимерных добавок и определению их физико-механических свойств. Изложена техника безопасности при проведении лабораторной работы.

При составлении методических указаний использованы действующие нор- мативно-технические документы.

Ил.1. Табл. 3. Библиогр.: 20 назв.

© Составитель В.Д. Галдина, 2007

5

Введение

Модифицированными называют битумы, улучшенные добавками определенных веществ (полимеров, серы, резины, поверхностноактивных веществ и др.).

Битумы, модифицированные полимеры, называют полимернобитумными вяжущими (ПБВ) [1 6].

Широкое внедрение ПБВ в практике дорожного строительства России началось с приказа Федерального дорожного департамента №9 от 30.01.1995г. об использовании модифицированных битумов в верхних слоях покрытий на дорогах высоких категорий. Причина принятия такого решения – несоответствие основных свойств большинства отечественных битумов усложнившимся условиям эксплуатации автомобильных дорог.

Основная цель введения полимера в битум – понижение температурной чувствительности вяжущего, т.е. увеличение его жесткости летом и уменьшение зимой, а также придание вяжущему эластичности – способности к обратимым деформациям во всем диапазоне эксплуатационных температур. Если эта цель достигнута, то до- рожно-строительный материал с применением ПБВ обладает повышенной сдвигоустойчивостью, низкотемпературной трещиностойкостью и усталостной долговечностью.

Среди термоэластичных полимеров, используемых для модификации битума, ведущая роль принадлежит термопластам, эластоме-

рам и термоэластопластам [1 5].

Термопласты модифицируют битум, создавая в нем жесткую пространственную сетку, сопротивляющуюся деформированию. К ним относятся атактический полипропилен (АПП), этиленвинилацетат (ЕVА) полукристаллический сополимер, применяемый за рубежом в течение 25 лет, Элвалой АМ, Вископласт-S и др. Непрерывная пространственная сетка термопласта образуется при его содержании в вяжущем около 6 %.

Термопласты повышают когезию, теплостойкость, эластичность, адгезионные свойства, снижают хрупкость вяжущего при отрицательных температурах. Большинство термопластов хорошо растворяются в битуме при температуре 150...170 °С.

Эластомеры обладают ярко выраженными упругими свойствами и как модификаторы битума придают ему способность к обратимому деформированию. К ним относятся натуральный и синтетический

6

каучуки (бутадиенстирольные, изопреновые, полиизобутилен и др.), «Каудест-Д». Добавки эластомеров вводят в битумы в количестве 2...7 % преимущественно в виде растворов в углеводородных растворителях или маслах. Синтетические каучуки увеличивают растяжимость и эластичность, повышают тепло - и трещиностойкость, пластичность при низких температурах и устойчивость битума к старению.

Термоэластопласты (блоксополимеры бутадиена и стирола типа СБС) – это гранулированные в виде порошка или крошки аморфные полимеры линейного или разветвленного строения. К ним относятся дивинилстирольные термоэластопласты ДСТ-30-01, Кратон 1101, Солпрен 411 и др. Блоки полистирола трехблочных молекул типа СБС, расположенные по краям, ассоциируя друг с другом, образуют объемы стеклообразного полистирола, с которыми химически связан окружающий их эластомер – полибутадиен. Сшивание полимерных цепей химическими связями создает пространственную сетчатую структуру.

Полимеры типа СБС сочетают в себе высокую прочность, присущую пластмассам, и высокую эластичность, характерную для эластомеров, обладают способностью к высокоэластическим деформациям в интервале температур от +80 до 80 °С.

Объединение полимера (2...6 %) или его раствора в пластификаторе с битумом приводит к получению ПБВ с развитой пространственной структурной сеткой из полимера. По сравнению с битумом ПБВ характеризуется повышенными показателями эластичности и прочности в широком интервале температур, тепло- и трещиностойкости.

Полимерно-битумные вяжущие с использованием термоэластопластов получили наибольшее практическое применение за рубежом

ив России.

Кнастоящему времени в нашей стране освоена технология приготовления ПБВ на основе блоксополимеров типа СБС, «Каудест-Д», АПП, растворов каучука типа СКС для устройства полимерасфальтобетонных покрытий на федеральных дорогах I и II категорий

[1, 5, 6].

Указанные полимерные добавки рекомендуется использовать при выполнении лабораторной работы. Составы ПБВ назначает преподаватель с учетом имеющихся в лаборатории кафедры исходных мате-

7

риалов для ПБВ (дорожного битума, модифицирующей добавки, пластификатора).

Цель лабораторной работы – ознакомить студентов с техническими требованиями к ПБВ и методами определения их физико-механи- ческих свойств, показать преимущества ПБВ по сравнению с битумами.

Лабораторная работа рассчитана на два занятия (8 ч). На первом занятии студенты приготовляют ПБВ разных составов (2 3) и заполняют вяжущими (ПБВ и битумом) формы для испытания.

Процесс получения ПБВ на основе полимеров типа СБС достаточно длительный. Поэтому по указанию преподавателя учебный мастер заранее готовит растворы полимера в пластификаторе.

На втором занятии студенты испытывают ПБВ, битум и анализируют полученные результаты.

Учитывая весьма обширный объем испытаний ПБВ и битума, при проведении лабораторной работы рекомендуется определять следующие основные свойства вяжущих: глубину проникания иглы при температурах 25 и 0 °С, температуру размягчения, температуру хрупкости, растяжимость и эластичность при температуре 25 °С, сцепление с гранитом и мрамором.

Сопоставляя результаты испытаний с техническими требованиями к битуму и ПБВ [8 10], по показателям свойств устанавливают марки вяжущих и анализируют результаты эксперимента. Пример оформления лабораторной работы дан в прил. 1, технические требования к ПБВ – в прил. 2.

8

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ

Используемые материалы:

1. Битум нефтяной дорожный одной из марок: БНД 60/90, БН

60/90, БНД 90/130, БН 90/130.

2.Растворы полимера ДСТ в индустриальном масле разной концентрации.

3.Полимерная добавка «Каудест-Д» (улучшенный). Используемые приборы и оборудование:

1.Смеситель лабораторный.

2.Электроплитка.

3.Весы лабораторные.

4.Стакан металлический или фарфоровый вместимостью не менее 600 см3 .

5.Термометр.

6.Шпатель, стеклянная палочка.

1.1. Приготовление полимерно-битумных вяжущих на основе полимера ДСТ

Исследованиями, проведенными в Союздорнии [1], разработана технология приготовления ПБВ и изучены свойства ПБВ различных составов на битумах разных марок. В состав ПБВ входят, % по массе: вязкий дорожный битум – 70…93; полимер ДСТ – 2,0…5,0; пластификатор – 5…25.

Состав ПБВ подбирают в лаборатории следующим образом [1]:

определяют свойства битума, его марку и тип структуры;

назначают содержание ДСТ и пластификатора в вяжущем с учетом свойств битума и требуемой марки ПБВ;

устанавливают концентрацию ДСТ в пластификаторе;

рассчитывают количества битума и раствора ДСТ с учетом требуемого для испытания количества ПБВ;

определяют свойства ПБВ в соответствии с требованиями ГОСТ

Р52056 2003.

При выполнении настоящей лабораторной работы рекомендуется приготовить по 500 г ПБВ трех составов на основе битума марки БНД 60/90 (или БН 60/90) с разным содержанием ДСТ и одина-

9

ковом содержанием пластификатора. По результатам испытания вяжущих установить их марки, изучить зависимость свойств ПБВ от содержания ДСТ и сравнить свойства ПБВ и битума.

Содержание компонентов в ПБВ можно принять: ДСТ – 2,0, 3,5 и 5 %; индустриального масла – 15 % по массе. Тогда содержание битума в каждом составе будет: 83,0, 81,5 и 80,0 % по массе соответственно.

Концентрация С полимера ДСТ в масле:

для 1-го состава С1=2∙100/17=11,8 %;

для 2-го состава С2=3,5∙100/18,5=18,5 %;

для 3-го состава С3=5∙100/20=25 %.

Требуемое количество компонентов для приготовления ПБВ трех составов приведено в табл. 1.

Полимерно-битумное вяжущее получают в лабораторном смесителе с электрообогревом и перемешивающим устройством – пропеллерной мешалкой (рисунок).

Рабочая емкость смесителя (мешалки) имеет объем 1 л. На валу мешалки установлено три пары винтовых лопастей, которые при вращении создают турбулентное перемещение жидкости. Лопасти установлены под углом 90° со смежными парами. Число оборотов мешалки регулируется и составляет до 500 об/мин.

Полимерно-битумное вяжущее получают в такой последовательности.

В разогретую емкость смесителя заливают обезвоженный и нагретый до рабочей температуры вязкий битум, при перемешивании нагревают его до 150…160 °С, а затем дозируют в битум приготовленный ранее раствор ДСТ в масле. Раствор вводят нагретым до 130…150 °С или при комнатной температуре. Битум с раствором интенсивно перемешивают до однородного состояния в течение 30…

10

40 мин при температуре 150…160 °С. Готовое ПБВ выгружают из смесителя и проверяют его однородность по п. 2.1. Однородное ПБВ заливают в формы для дальнейших испытаний.

Лабораторный смеситель:

1 – емкость смесителя; 2 – обогревательная рубашка; 3 – крышка; 4 – штуцер; 5 – лопастной вал; 6 – лопасти; 7 – электродвигатель; 8 – реостат; 9 – вольтметр; 10 – штатив

1.2. Приготовление полимерно-битумного вяжущего на основе полимера « Каудест-Д»

Полимерно-битумное вяжущее получают введением в исходный битум 2. ..6 % по массе полимера «Каудест-Д» (улучшенный) [10].

При выполнении лабораторной работы предлагается изучить зависимость физико-механических свойств ПБВ от количества вводимой добавки и установить ее оптимальную дозировку.

За оптимальную дозировку «Каудест-Д» принимается его минимальное количество, при котором ПБВ требуемой марки удовлетворяет техническим условиям (прил. 2).

11

Следует приготовить по 500 г ПБВ на основе битума марки БНД 60/90 и полимера «Каудест-Д» (улучшенный). Содержание полимерной добавки в вяжущем принять равным 2, 4 и 6 % по массе. Составы ПБВ приведены в табл. 2.

Полимерно-битумное вяжущее получают в лабораторном смесителе следующим образом. Сначала в подогретую рабочую емкость смесителя заливают обезвоженный и нагретый до рабочей (для данной марки) температуры битум вязкий дорожный, а затем вводят в

холодном виде «Каудест-Д». Смесь перемешивают до однородного состояния при температуре 130…150 °С в течение 30…40 мин. Критерием готовности ПБВ является его однородность, определяемая по п. 2.1. Готовое ПБВ выгружают из смесителя и заливают в формы для дальнейших испытаний.

2. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ

Качество ПБВ устанавливают по стандартным методам, принятым для оценки свойств вязких дорожных битумов, а также определяют однородность и эластичность [7, 9, 11–15].

Перед испытанием ПБВ оценивают его однородность. Если проба однородна, проводят дальнейшие испытания. Требования к показателям свойств ПБВ приведены в прил. 2.

2.1. Метод определения однородности

Сущность метода заключается в определении однородности ПБВ визуально с помощью стеклянной палочки [9].

Пробу ПБВ массой 0,5 кг отбирают в фарфоровый стакан вместимостью не менее 600 см3. Если проба ПБВ хранилась при температуре ниже температуры размягчения ПБВ, то перед испытанием ее следует

12