Покращення властивостей дорожних бiтумiв шляхом модифiкацii вторинним полiетиленом високого тиску

Гончаренко  В.В., к.т.н., Ромасюк Є.О, магістрант 

Автомобільно-дорожній інститут ДВНЗ “ДонНТУ”, м. Горлівка 

ПОКРАЩЕННЯ  ВЛАСТИВОСТЕЙ ДОРОЖНІХ БІТУМІВ ШЛЯХОМ МОДИФІКАЦІЇ ВТОРИННИМ ПОЛІЕТИЛЕНОМ ВИСОКОГО ТИСКУ 

На  основі теоретичних  та експериментальних досліджень була доведена можливість поліпшення фізико-механічних властивостей нафтових дорожніх бітумів шляхом введення гранул вторинного поліетилену високого тиску. Це досягається шляхом дії полімеру на дисперсне середовище бітуму. 

    Постановка  проблеми 

    Строк служби дорожнього асфальтобетонного покриття в Україні дуже низька у порівнянні з їх якістю в країнах Європи та США. Строки служби вітчизняного асфальтобетону в 1,5–2 рази нижче можливих. Постійне зростання вимог до транспортно-експлуатаційних характеристик асфальтобетонних покриттів, пов'язане із зростанням швидкостей руху і збільшенням кількості важких і надважких вантажних автомобілів у складі руху на ряду магістральних доріг виразно виявляє недостатність існуючого в даний час рівня якості складових асфальтобетону. Через паливну спрямованість вітчизняної нафтопереробки, бітуми, що випускаються за залишковим принципом, по своїх основних властивостях не відповідають вимогам умов експлуатації доріг, що ускладнилися. Фактично спостерігається вичерпання можливостей нафтових бітумів як в’яжучих для асфальтобетону. З цієї причини скорочуються терміни служби дорожніх асфальтобетонних покриттів, відбувається передчасний вихід асфальтобетонних покриттів з ладу унаслідок інтенсивного розвитку пошкоджень у вигляді колій, пластичних деформацій, лущення, тріщин, вибоїн і ін. Агресивна дія умов навколишнього середовища, техногенні і кліматичні чинники також роблять істотний вплив на довговічність. Тому створенню і впровадженню в’яжучих з комплексним покращенням властивостей для дорожнього асфальтобетону, здатного підвищити термін служби доріг і їх якість, надається велике значення .

    У зв’язку з тим, що взаємозв’язок  між складовими компонентами асфальтобетону здійснюється через прошарки вільного або структурованого бітуму, якість застосованого органічного в’яжучого є вирішальним фактором в довговічності асфальтобетону.

    Виходячи  з принципу, згідно якому якість асфальтобетону визначається, головним чином якістю бітумних в’яжучих, дорожники - практики і дослідники багатьох країн пришли до висновків, що звичайні бітуми доцільно замінювати модифікованими бітумами (БМП). Основні положення отримання бітумів, модифікованих полімерами, зводяться до вибору найбільш ефективного типу модифікатору та способу введення його у бітум . 

    Мета роботи  

    Теоретичне  і експериментальне обґрунтування  отримання бітумо-полімерного в’яжучого, шляхом введення в бітум поліетилену високого тиску, з покращеним комплексом фізико-механічних властивостей. 

    Аналіз  виконаних досліджень 

    При використанні в якості модифікаторів  органічних в’яжучих матеріалів полімерів, передбачається, що такі цінні якості, як міцність, теплостійкість, пластичність, здібність до пружних і високоеластичних деформацій при низьких температурах до певної міри передадуться в’яжучому матеріалу.

    Аналіз  відомих способів приготування бітумів, модифікованих полімерами , показує, що всі вони передбачають, як правило, підвищену температуру процесу (150-200 С°) і інтенсивне перемішування компонентів. Таким чином, процес змішення при високій температурі бітуму з полімерами будь-якої хімічної природи протікає в дві стадії: емульгування розм'якшеного полімеру в рідкому бітумі і подальше часткове (набухання) або повне розчинення. Глибина процесу диспергування полімеру в бітумі за інших рівних умов визначається хімічною природою і молекулярною масою полімеру, хімічним складом бітуму, а також співвідношенням компонентів у в’яжучому.  

    Основна частина 

    Для підтвердження висловлених теоретичних  передумов і експериментальної перевірки поліпшення властивостей бітуму шляхом модифікування його полімером в роботі використовували гранули вторинного поліетилену - продукту переробки полиетилену високого тиску (ПЕВТ) . За фізико-хімічними показниками ПЕВТ відповідає вимогам і нормам, наведеним у таблиці 1. 

    Таблиця 1

    Основні вимоги до ПЕВТ

 

    Вторинний поліетилен високого тиску являє собою подрібнену гранулу діаметром 3-5 мм сірого кольору. Гранула виготовлена на дисковому грануляторі зі стренговим різанням з виробничих відходів.

    У дійсній роботі для одержання  модифікованого органічного в'яжучого  використовувався ПЕВТ з Донецького підприємства по переробці поліетилену ВАТ “ДПА”.

    У даній роботі прийняті стандартні методи досліджень органічних в'яжучих матеріалів відповідно до ГОСТ 11501-78, 11505-75, 11506-73, 11507-78.

    В якості в'яжучого матеріалу прийняті нафтові дорожні бітуми у відповідності із . Основні показники якості наведені в таблиці 2.

    Модифіковане органічне в'яжуче одержували шляхом сполучення ПЕВТ з нафтовим дорожнім бітумом у лабораторній мішалці. ПЕВТ рівномірно вводили в судину з бітумом при температурі 160 – 170°С. Судину розташовували у змішувач, нагрітий до температури 170°С та вмикали двигун з лопатевою мішалкою. Число обертів двигуна складає 1250 об/хв.                

    Модифіковане  в'яжуче виготовлялося згідно вимог протягом 1,5 години при постійній температурі 170-175°С.

    При модифікації органічного в'яжучого поліетиленом вивчався вплив масової концентрації ПЕВТ на його пенетрацію, температуру розм’якшення, розтяжність та ін.

 

    Таблиця 2

    Показники якості прийнятих нафтових дорожніх бітумів

 

    При модифікації органічного в'яжучого поліетиленом вивчався вплив масової концентрації ПЕВТ на його пенетрацію, температуру розм’якшення, розтяжність та ін.

    Однією  з основних стандартних показників являється пенетрація при температурі 25 С°. При поступовому додаванні ПЕВТ у бітум спостерігається зменшення значення пенетрації бітумів. На рис. 1 наведена зміна значення пенетрації при температурі 25 С° модифікованого органічних в'яжучих від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅ за табл. 2. 

    Рис. 1 Змінення пенетрації БМП в залежності від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅: 1 – 62 град.; 2 – 91 град.; 3 – 136 град.; 4 – 236 град. 

    При введені ПЕВТ спостерігається ріст температури розм'якшення модифікованого органічного в'яжучого. Це відбувається за рахунок посилення структуруючої дії поліетилену. На рис 3.2 зображено залежність температури розм'якшення Т_р модифікованого органічного в'яжучого різних марок від концентрації в них ПЕВТ.

    Рис. 2 Значення температури розм'якшення Т_р БМП в залежності від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅1 – 62 град.; 2 – 91 град.; 3 – 136 град.; 4 – 236 град. 

    При додаванні ПЕВТ спостерігається  поступове зменшення величини розтяжності  органічного в’яжучого. Це відбувається за рахунок того, що поліетилен обладає значно меншою пластичністю. На рис 3 зображено залежність величини розтяжності при температурі 25 С° різних марок бітуму від концентрації в них ПЕВТ. 

    Рис. 3 Розтяжність при температурі 25 С° БМП в залежності від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅: 1 – 62 град.; 2 – 91 град.; 3 – 136 град.; 4 – 236 град.

    Значення  еластичності збільшується при додаванні ПЕВТ у бітум, однак при концентрації поліетилену більше 4% еластичність в’яжучих поступово падає, так як система “бітум-ПЕВТ” перенасичується (рис 4).  

    Рис. 4 Еластичність при температурі 25 С° БМП в залежності від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅: 1 – 62 град.; 2 – 91 град.; 3 – 136 град.; 4 – 236 град. 

    Вплив ПЕВТ на температуру крихкості має наступний вид (рис. 5). 
 

    Рис. 5 Температура крихкості БМП в залежності від концентрації ПЕВТ та пенетрації П₂₅: 1 – 62 град.; 2 – 91 град.; 3 – 136 град.; 4 – 236 град.

    Висновки

 

     Теоретично і експериментально  доведено, що ефективним модифікатором  органічних в’яжучих може бути вторинний поліетилен високого тиску. В ході експериментів доведено, що вміст ПЕВТ в кількості до 2-3% істотно покращує основні властивості органічного в’яжучого. Збільшення вмісту ПЕВТ більше 4-5 % не рекомендується, оскільки це приведе до різкої структуризації в’яжучого і значному збільшенню в'язкості бітуму, що призведе до втраті еластичності та зменшенню температури крихкості. Отже зменшить деформативну здатність модифікованого органічного в’яжучого.  

   Список  літератури 

1. Прочность и долговечность асфальтобетона. / Б. И. Ладыгина, И. К. Яцевича. Минск: “Наука и техника”, 1972. – 288 с.

2. Руденская И. М., Руденский А. В. Органические вяжущие для дорожного строительства. – М.: Транспорт, 1984. – 229 с.

3. Битумы, модифицированные полимерами и асфальтополимербетоны Золотарев В.А. // Дорожная техника. – Харьков. – 2009. – С.16-23.

4. Воробьев  В.А., Адрианов Р.А. Технология полимеров. – М.: Высшая школа, 1980. – 303 с.

5. ДСТУ 4044-2001 Бітуми нафтові дорожні в’язкі. Технічні умови. – К, Держстандарт України, 2001.

6. ВБН В 2.7-218-185-2004 Приготування, зберігання та застосування бітумів, модифікованих полімерами. – К, Укравтодор, 2004.