Full Text

Введение В последние годы в Российской Федерации существенно увеличилась интенсивность дорожного движения, возросло количество большегрузных автомобилей, вследствие чего возрастают требования к дорожным конструкциям. Они должны удовлетворять повышенным требованиям по прочности, стойкости к длительному нагружению, морозостойкости и долговечности [1-7]. Использование укатываемого бетона в качестве основания дорожной конструкции позволит увеличить эксплуатационно-технические характеристики самого асфальтобетонного покрытия, поэтому конструкции данного типа целесообразно применять при устройстве дорог с высокой интенсивностью движения транспортных средств с большой осевой и механической нагрузкой, например, при строительстве крупных магистральных дорог, а также дорог с повышенной прочностью и сопротивляемостью жестким климатическим условиям. Однако, само основание из укатываемого бетона имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение, таких, как низкая ударная прочность и деформативность, невысокая трещиностойкость и морозостойкость. Решению этих задач могут способствовать новые типы укатываемого бетона, получаемые при использовании демпфирующих битумных и битумно-полимерных эмульсий. Укатываемый бетон, модифицированный битумной эмульсией (БЭ), будет обладать пониженным модулем упругости в основаниях автомобильных дорог, низким показателем водопоглощения, высокой прочностью на изгиб и сжатие, морозостойкостью, деформативностью и, как следствие, повышенной долговечностью. В соответствии с этим, высокие требования предъявляются и к компонентам укатываемого бетона, в частности, к битумным эмульсиям. Так, при производстве тонкодисперсной битумной эмульсии в качестве эмульгатора используются смеси высших жирных кислот. Концентрация кислот варьируется от 0,5 до 5 % от массы эмульсии [8-10]. Соотношение воды и битума зависит от области применения эмульсии. В данном исследовании концентрация битума в эмульсии составляет 55 %. Количественная доля и внешний вид битума, воды, эмульгатора и щелочи, а также степень разделения битума определяют эксплуатационно-технические и физико-химические свойства битумной эмульсии [11-13]. Критерием эффективности процесса эмульгирования и оценки стабильности эмульсий может служить дисперсность, характеризуемая распределением массы дисперсной фазы по фракциям - каплям различных размеров [14, 15]. Битумные эмульсии отличаются высокой полидисперсностью, на которую оказывает влияние молекулярная природа составляющих компонентов [16, 17]. Битум, образуя дисперсную фазу в эмульсиях прямого типа, обладает различной способностью к эмульгированию. Это объясняется физико-химической природой битума, его составом и свойствами. Парафино-нафтеновые углеводороды коагулируют асфальтены, а ароматические - пептизируют их. Существует определенное соотношение ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов, при котором дисперсность асфальтенов и их эмульгирующее действие по отношению к воде максимальны. На основе сравнительного анализа имеющихся технологий приготовления битумных эмульсий выявлено, что наиболее эффективным способом получения анионактивных эмульсий является комбинированное эмульгирование, при котором эмульгатор необходимо вводить как в битум, так и в водную фазу до приготовления эмульсии [18, 19]. Это позволяет получить тонкодисперсные эмульсии на любых, даже на малоактивных битумах. Целью настоящего исследования является получение тонкодисперсных, устойчивых к расслоению битумных эмульсий на анионактивном эмульгаторе, а также рассмотрение возможности битуминирования жестких бетонных смесей и его влияние на физико-механические характеристики дорожного бетона. Характеристика материалов и методы исследования Флотогудрон выпускается в качестве технической продукции на предприятии химической промышленности «НэфисКосметикс» (г.Казань) по ТУ 9147-146-00336562-2008. Физико-химические показатели флотогудрона представлены в табл. 1. Комбинированная технология получения битумных эмульсий заключается в следующем: готовится водный раствор эмульгатора, т.е. в воду, нагретую до 80 ºС, при перемешивании со скоростью 150 об/мин вводится щелочь (NaОН или КОН) в количестве, необходимом для прохождения реакции омыления и создания рН среды не менее 9 [20]. В полученный щелочной раствор добавляется половина от всего количества флотогудрона, а другая половина вводится в битум, разогретый до 140 ºС. Таблица 1 Физико-химические показатели флотогудрона Table 1 Physical and chemical parameters of flotation tar Наименование показателей Характеристика и нормы Фактическое значение Внешний вид Густая мазеобразная масса Соответствует Цвет От темно-коричневого до черного цвета Соответствует Кислотное число, мг КОН/г 50-70 64,2 Температура застывания жирных кислот (титр), не более, ºС 23 22,8 Массовая доля воды и летучих веществ, не более, % 5 4,0 Число омыления, не менее, мг КОН/г 140 144 Массовая доля золы, не более, % 1 0,9 В данном исследовании использовались известные методы оценки структуры и свойств битумных эмульсий. Условная вязкость определялась по ГОСТ Р 58952.6-2020, она характеризующуюся временем истечения 50 мл эмульсии из вискозиметра через отверстие диаметром 4 мм при температуре эмульсии 40 °С. Определение содержания битума с эмульгатором. Осуществлялась посредством выпаривания воды из эмульсии с последующим взвешиванием остатка по ГОСТ Р 58952.5-2020. Массовую долю битума с эмульгатором (Вэ), %, вычисляли по формуле с погрешностью 0,1 %. (1) где М1 - масса чашки, г; М2 - масса эмульсией, г; М3 - масса чашки с образцом после выпаривания, г. Определение однородности (остатка на сите N 014). Данный показатель определялся по остатку битума на сите после процеживания через него эмульсии и выражался в процентах от массы эмульсии по ГОСТ Р 58952.7-2020. Однородность (Н) вычисляли по формуле с погрешностью 0,01 %: (2) где М1 - масса сита N 014 и фарфоровой чашки (металлического поддона), г; М2 - масса лабораторного стеклянного стакана, г; М3 - масса эмульсии в лабораторном стеклянном стакане (без его учета), г; М4 - масса лабораторного стеклянного стакана с остатком эмульсии, г; М5 - масса сита N 014, фарфоровой чашки (металлического поддона) с остатком эмульсии после высушивания, г. Определение устойчивости при хранении. Устойчивость битумной эмульсии определяется процеживанием эмульсии после 7 сут хранения при температуре (21 ± 4) °С через сито с металлической сеткой N 014 и определении массы остатка эмульсии на данном сите (ГОСТ Р 58952.8-2020). Оптическая микроскопия использовалась для установления механизма влияния разработанных эмульгаторов на различные характеристики битумных эмульсий. Микроструктуру битумной эмулисии изучали на микроскопе Axioskop40. Наблюдение битумной эмульсии проводили в проходящем свете при увеличении в 1000 раз. Для получения цементобетона, модифицированного битумными эмульсиями были выбраны следующие материалы: 1. Портландцемент 500-ДО-Н производитель АО «Мордовцемент». 2. Эмульсия битумная дорожная анионная медленнораспадающаяся на основе флотогудрона [21]. 3. Щебень фракции 5-10 М400. 4. Песчано-гравийная смесь (ПГС). Испытание бетона на сжатие и испытание на растяжение при изгибе осуществлялось по стандартным нормативным методикам Российской Федерации. Результаты и обсуждение Для получения тонкодисперсных, устойчивых битумных эмульсий очень важно правильно определить процентное содержание щелочи в эмульсии. В работах П.А. Ребиндера [10] показана кинетика распада битумной эмульсии при взаимодействии с минеральными материалами в зависимости от наличия свободной щелочи в системе. Повышение содержания щелочи в системе приводит к возрастанию дисперсности, которая, достигая максимума, снижается при дальнейшем увеличении концентрации щелочи в эмульсии. Кроме того, переизбыток щелочи, адсорбируясь на поверхности каменного материала, приводит к пассивации последнего, что значительно замедляет процессы взаимодействия битумной эмульсии с минеральными материалами и снижает адгезию битума к ним [22-24]. Наряду с замедлением распада эмульсий избыток щелочи оказывает влияние на их свойства и свойства выделенного из них битума, снижая адгезию каменного материала в результате адсорбции щелочи на его поверхности. Поэтому необходимо правильно рассчитать оптимальное содержание щелочи. Количество едкого натра А, требуемого для омыления одного грамма эмульгатора, было рассчитано по формуле: (3) где a - число омыления эмульгаторов (мг КОН на 1 г); 0,714 - коэффициент пересчета молекулярного веса от едкого натра к едкому калию; C - избыток едкого натра в водном растворе эмульгатора, 30 %. В качестве эмульгатора был использован флотогудрон. Флотогудрон представляет собой смесь вторичных гудронов, получаемых от дистилляции жирных кислот или из выделенных гудронов первичных растительных масел, и по химическому составу близок к анионактивным эмульгаторам. В результате расчета было определено, что для полного протекания реакции омыления необходимо ввести 0,13 г NaOH для полного эмульгирования 1 г флотогудрона. Качество и полнота реакции влияет на такие свойства БЭ, как условная вязкость, однородность и устойчивость. Для определения оптимального содержания флотогудрона в битумной эмульсии изучались её основные технологические и эксплуатационно-технические характеристики в зависимости от концентрации эмульгатора от 0,5 до 5 %. Результаты исследований приведены в табл. 2. Таблица 2 Характеристики битумной эмульсии Table 2 Characteristics of bitumen emulsion № п/п Показатель Способ приготовления эмульсии комбинированный способ традиционный способ 1 Концентрация эмульгатора, % 0,5 1 2 3 4 5 0,5 1 2 3 4 5 2 Условная вязкость, не более, с 21,4 22,6 25 24,4 24,1 23,5 21 22,1 23,8 23 22,8 22,5 3 Остаток на сите 0,14 мм, не более, % 0,5 0,22 0,05 0,1 0,18 0,25 0,8 0,58 0,33 0,25 0,3 0,37 4 Остаток на сите 0,14 мм после хранения 7 сут, не более, % 0,75 0,3 0,1 0,15 0,25 0,32 1,5 0,9 0,5 0,4 0,55 0,67 Из табл. 2 видно, что зависимость условной вязкости битумных эмульсий от концентрации флотогудрона с 0,5 до 5 % имеет максимальные значения при 2%-ном содержании эмульгатора до 25 с при комбинированной технологии эмульгирования и до 23,8 с в случае с традиционным эмульгированием, где эмульгатор вводится только в водный щелочной раствор. Можно предположить, что битумная эмульсия с 2 % флотогудрона, полученная комбинированным способом, более структурирована и имеет меньший размер битумных частиц. Однородность битумных эмульсий определяется путем прохождения частиц битума через сито с размерами отверстий 0,14 мм. Из табл. 2 видно, что минимальные значения остатка на сите у битумной эмульсии, полученной комбинированным эмульгированием, при концентрации флотогудрона в 2 % абсолютная величина остатка не превышает значения 0,05 % от массы БЭ, т.е. практически полностью проходит через сито. Битумная эмульсия, полученная традиционным способом, имеет минимальные значения при 3%-ном содержании эмульгатора и характеризуется большим остатком на сите, равным 0,25 %. Таким образом, по показателю однородности БЭ, полученная комбинированным эмульгированием, в пять раз лучше, чем битумная эмульсия, приготовленная традиционным способом. Результаты по однородности полностью коррелируют с показателями условной вязкости эмульсии, чем выше вязкость битумной эмульсии, тем выше ее однородность. Также была проведена оценка изменения устойчивости эмульсий, которая определяется путем прохождения частиц битума через сито с размерами отверстий 0,14 мм после семисуточного хранения. Как видно из табл. 2, значения имеют также экстремальный характер с минимумами при тех же концентрациях эмульгаторов, что и в случае изучения однородности. Устойчивость эмульсии при оптимальном содержании эмульгатора 2 % практически не изменилась и составляет 0,1 % остатка на сите битумных частиц в случае приготовления комбинированным способом. Битумная эмульсия, приготовленная традиционным способом, обладает меньшей устойчивостью и при оптимальной концентрации в 3 % имеет значение устойчивости 0,4 % остатка на сите битумных частиц. Значение устойчивости данных эмульсий полностью согласуется со значениями по однородности. Следует отметить, что эмульсия, обладающая меньшими размерами частиц, более структурированная, и обладает высокой устойчивостью при хранении, также можно отметить, что хорошо зарекомендовала себя технология комбинированного эмульгирования - по истечении 7 сут прирост остатка на сите оказался незначительным и соответствующим требованиям нормативных стандартов, за исключением состава с содержанием флотогудрона 0,5 %. На основании полученных результатов определены оптимальные составы битумных эмульсий (табл. 3). Таблица 3 Оптимальные составы битумных эмульсий Table 3 Optimal compositions of bitumen emulsions Компоненты Битумная эмульсия на флотогудроне (комбинированный способ), % Битумная эмульсия на флотогудроне (традиционный способ), % Битум дорожный БНД 70/100 55,0 55,0 Флотогудрон 2,0 3,0 Щелочь (NаОН) 0,26 0,39 Вода 42,74 41,61 Одним из основных методов изучения структуры и свойств битумных эмульсий является оптическая микроскопия. Для изучения была выбрана битумная эмульсия, полученная комбинированным способом с 2%-ным содержанием эмульгатора - флотогудрона. На рисунке представлена микрофотография (увеличение ´1000) исходной битумной эмульсии. Наблюдается густая сетка частиц битума различных размеров - дисперсная фаза, составляющая 55 % в эмульсии. Представлено изображение битумных частиц, которые в реальных условиях осуществляют хаотичные движения. Эмульсия является полидисперсной системой, то есть состоит из частиц различных размеров, определяемых крайними значениями их величины, равными от 2 до 5 мкм, это доказывает, что вся битумная эмульсия - 100 % проходит через сито № 014, по которому проводится оценка однородности и устойчивости эмульсий при хранении. Следующим этапом исследования было определение влияния полученной тонкодисперсной битумной эмульсии на основные эксплуатационные свойства укатываемого бетона. Битуминирование укатываемого бетона, осуществлялось путем введения в бетонную смесь анионактивных битумных эмульсий (от 2,5 до 7,5 % от массы цемента), что позволило повысить эксплуатационные свойства отвердевшего бетона. Выбор концентрации БЭ согласуется с другими работами [25-27]. Рис. Оптическая микрофотография битумной эмульсии (увеличение ´1000) Fig. Optical micrography of a bitumen emulsion (a magnification of ´1000) Свойства цементного бетона в зависимости от концентрации битумной эмульсии оценивались по истечении 28 сут твердения в нормально-влажностных условиях. Результаты исследования приведены в табл. 4. Как видно из табл. 4, наблюдается возрастание прочности бетона на сжатие на 32 %, с 11,5 до 15,2 МПа и прочность на растяжение при изгибе с 3,14 до 4,35 МПа (38 %) при 5 % концентрации анионактивной битумной эмульсии в модифицированном бетоне. С дальнейшим возрастанием концентрации битумной эмульсии в бетоне наблюдается спад механической прочности бетона. Также при 5%-ной концентрации анионактивной битумной эмульсии в модифицированном бетоне достигается наивысшая плотность бетона. Создание более однородной и плотной структуры бетона объясняет его большую прочность на сжатие и на изгиб. Таблица 4 Свойства цементного бетона от концентрации битумной эмульсии Table 4 Properties of cement concrete from the concentration of bitumen emulsion № п/п Состав Свойства цементного бетона прочность на сжатие, МПа прочность на растяжение при изгибе, МПа плотность, г/см3 марка по морозостойкости 1 Контрольный состав, немодифицированный 11,5 3,14 2,09 F 50 2 Состав, модифицированный 2,5 % БЭ 12,0 3,64 2,11 F 75 3 Состав, модифицированный 5,0 % БЭ 15,2 4,35 2,14 F 100 4 Состав, модифицированный 7,5 % БЭ 11,2 3,9 2,09 F 100 Введение битумной эмульсии в бетонную смесь позволяет повысить морозостойкость цементобетона. Это происходит за счет кольматации пор бетона частицами битумной эмульсии, снижения водотвердого отношения за счет увеличения подвижности бетонной смеси, что приводит к снижению пористости и водопоглощения бетона. Из табл. 4 также видно, что показатель морозостойкости увеличивается в два раза с 50F циклов замораживания и оттаивания до F75 при 2,5%-ной и до F100 при 5%-ной концентрации анионактивной битумной эмульсии соответственно. Дальнейшее увеличение концентрации битумной эмульсии в структуре бетона не приводит к увеличению морозостойкости вследствие падения прочностных характеристик и меньшей плотности бетона. Выводы 1. В результате исследования определены оптимальная рецептура и технология комбинированного эмульгирования для приготовления тонкодисперсной битумной эмульсии. 2. Доказано, что битумные эмульсии, полученные комбинированным способом, в значительной мере превосходят по однородности и устойчивости эмульсии, полученные традиционным способом, и полностью отвечают требованиям стандартных норм Российской Федерации. 3. Методами оптической микроскопии показана полидисперсная структура разработанной тонкодисперсной эмульсии и определен размер битумных частиц (от 2 до 5 мкм). 4. Доказана возможность битуминирования цементобетона, путем введения в бетонную смесь тонкодисперсной анионактивной битумной эмульсии. 5. Введение битумной эмульсии (от 2,5 до 7,5 % от массы цемента) улучшает эксплуатационно-технические характеристики бетона, повышаются: прочность на сжатие на 32 %, прочность на растяжение при изгибе на 38 %, морозостойкость в два раза. 6. Найдена оптимальная концентрация модифицирующей добавки, так, с введением 5%-ной концентрации анионактивной битумной эмульсии в модифицированном бетоне, создается более однородная и плотная структура бетона с наилучшими эксплуатационно-техническими характеристиками.

About the authors

A. R Garipov

Kazan State University of Architecture and Engineering

D. B Makarov

Kazan State University of Architecture and Engineering

V. G Khozin

Kazan State University of Architecture and Engineering

S. V Stepanov

Kazan State University of Architecture and Engineering

References

Statistics

Views

Abstract - 123

PDF (Russian) - 84

Refbacks

• There are currently no refbacks.