vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2022-24-5-178-188vestniktgasu-1320Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙENGINEERING AND CONSTRUCTION OF ROADS, SUBWAYS, AIRDROMES, AND TUNNELSВлияние технологии производства на асфальтеногенез в дисперсно-армированных битумоминеральных композицияхManufacture-affected asphaltene genesis in dispersion hardened bitumen-mineral compositionsЛукашевичВ. Н.LukashevichV. N.

Виктор Николаевич Лукашевич, докт. техн. наук, профессор

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Viktor N. Lukashevich, DSc, Professor

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

vnluc@yandex.ruЛукашевичО. Д.LukashevichO. D.

Ольга Дмитриевна Лукашевич, докт. техн. наук, профессор

634003

634003

Томск

Olga D. Lukashevich, DSc, Professor

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

odluk@yandex.ruМокшинР. И.MokshinR. I.

Роман Ильич Мокшин, аспирант

634003

пл. Соляная, 2

Томск

Roman I. Mokshin, Research Assiatnt

634003

2, Solyanaya Sq.

Tomsk

mokshinroman@mail.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202227102022245178188Copyright © Лукашевич В.Н., Лукашевич О.Д., Мокшин Р.И., 20222022Лукашевич В.Н., Лукашевич О.Д., Мокшин Р.И.Lukashevich V.N., Lukashevich O.D., Mokshin R.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1320

   Актуальность работы предопределена потребностью разработки технологий производства битумоминеральных композиций, позволяющих увеличить сроки службы конструктивных слоев дорожных одежд.

   Процесс старения органического вяжущего начинается на стадии приготовления асфальтобетонной смеси и длится в течение всего периода эксплуатации конструктивного слоя. Он протекает в адсорбционно-сольватных оболочках битума на поверхности зерен минеральных материалов и сопровождается преобразованием масел в смолы, а смол – в асфальтены. Предложен новый термин «асфальтеногенез», характеризующий протекающий при старении процесс повышения концентрации асфальтенов. Его следствием является снижение содержания низкомолекулярных фракций в адсорбционно-сольватных оболочках битума и увеличение содержания высокомолекулярных фракций. Пленки битума становятся более вязкими, при отрицательных температурах повышается их хрупкость, увеличивается интенсивность трещинообразования. В результате дорожные одежды, запроектированные и построенные с учетом требований действующей нормативной документации, деформируются и разрушаются, не выдерживая установленных сроков службы. Показано, что применение технологии дисперсного армирования конструктивных слоев дорожных одежд химическими волокнами, полученными из отработанных сорбентов, содержащими регулируемое количество поглощенных нефтепродуктов, может быть одним из путей решения этой проблемы.   Цель работы – исследование влияния технологии производства битумоминеральных композиций на изменение в них концентрации парамагнитных центров, которое служит индикатором содержания асфальтенов.

   Асфальтены являются главным местом сосредоточения парамагнитных центров. Измерение концентрации парамагнитных центров в дисперсной битумоминеральной композиции позволяет оценить количество асфальтенов и сделать вывод об интенсивности процесса старения дисперсной битумоминеральной композиции. Результаты исследований свидетельствуют о том, что рациональной является технология дисперсного армирования битумоминеральных композиций, предусматривающая введение сначала химических волокон, содержащих регулируемое количество поглощенных нефтепродуктов, а затем битума. Это приводит к снижению интенсивности избирательной фильтрации компонентов битума в поры и капилляры минеральных материалов. Смеси, приготовленные по предлагаемой технологии, подвергшиеся старению в климатической камере, характеризуются уменьшением концентрации парамагнитных центров. Это свидетельствует о снижения интенсивности асфальтеногенеза и интенсивности старения битумоминеральной композиции.

   The paper focuses on increasing the service life of the road pavement layers made of dispersion hardened organomineral mixtures through the aging intensity reduction of organic binder, which begins at the preparation stage of these mixtures and lasts during the structural layer operation.

   The organic binder generates adsorption-volute shells on the surface of mineral materials, which become more viscous and acquire increased brittleness. Crack formation becomes more intensive, pavement designed and built in accordance with the requirements destroys. Dispersion hardening of the pavement structural layers with chemical fibers from spent sorbents containing oil products, can be used to partially solve this problem.   The purpose of the work is to study the aging intensity of the binder in organomineral mixtures using electron paramagnetic resonance methods.

   The aging intensity of the organic binder is evaluated by the concentration of paramagnetic centers, since asphaltenes are almost one hundred percent concentrate of paramagnets, which can serve as an indicator of the aging intensity of the petroleum dispersion system. It is shown that dispersion hardening of the pavement layers by chemical fibers from spent sorbents containing absorbed oil products, decreases the concentration of paramagnetic centers, which indicates to the higher concentration of asphaltenes, which, in turn, means a decrease in the aging intensity of the oil dispersion system.

битумоминеральные композицииасфальтеногенезасфальтеныэлектронный парамагнитный резонанспарамагнитные центрыдисперсная арматуранефтяной битумволокнистые сорбентыизбирательная фильтрацияадсорбционные слои нефтяного битумаelectronic paramagnetic resonancefree radicalsfibrous sorbentspetroleum bitumen componentsclogged poresadsorption layermineral materialReferencesГезенцвей Л. Б. Избирательная фильтрация битумов при взаимодействии с минеральными порошками / Л. Б. Гезенцвей, Г. Я. Слива // Труды Союздорнии. – 1971. – Вып. 44. – С. 98−105.Gezentsvei L. B., Sliva G. Ya. Izbiratelnaya filtraciya bitumov pri vzaimodejstvii s mineralnymi poroshkami. [Selective filtration of bitumen in interacting with mineral powders]. Trudy Soyuzdornii. 1971. V. 44. Pp. 98−105. (rus)Гезенцвей Л. Б. Дорожный асфальтобетон / Л. Б. Гезенцвей [и др.] ; под ред. Л. Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Транспорт, 1985. – 350 с.Gezentsvei L. B. (Ed.), Gorelyshev N. V., Boguslavsky A. M., Korolev I. V. Dorozhnyj asfal'tobeton [Asphalt concrete]. 2nd ed., Moscow: Transport, 1985. 350 p. (rus)Гезенцвей Л. Б. Механо-химические процессы в битумоминеральных системах / Л. Б. Гезенцвей, И. В. Колбанев, Э. М. Рвачева //Автомобильные дороги. – 1971. – № 2. – С. 6−9.Gezentsvei L. B., Kolbanev I. V., Rvacheva E. M. Mekhano-khimicheskie protsessy v bitumomineral'nykh sistemakh [Mechano-chemical processes in bitumen mineral systems]. Avtomobilnye dorogi. 1971. Nо 2. Р.6–9. (rus)Бабаев В. И. Старение асфальтобетона в условиях юга России / В. И. Бабаев // Автомобильные дороги. – 1994. – № 3. – С. 21.Babaev V. I. Starenie asfal`tobetona v usloviyax yuga Rossii [Aging of asphalt concrete in the south of Russia]. Avtomobilnye dorogi. 1994. Nо. 3. P. 21. (rus)Бахрах Г. С. Оценка термоокислительной стабильности асфальтовых материалов с учетом роли контактных взаимодействий / Г. С. Бахрах // Труды Союздорнии. – 1975. – Вып. 79. – С. 132−140.Bakhrakh G. S. Otsenka termookislitel'noi stabil'nosti asfal'tovykh materialov s uchetom roli kontaktnykh vzaimodeistvii [Assessment of thermal-oxidative stability of asphalt materials and the role of contact interactions]. Trudy Soyuzdornii. 1975. V. 79. Pp. 132–140. (rus)Давыдова А. Р. Исследование изменений, протекающих в битумах при их глубоком окислении / А. Р. Давыдова, С. А. Гладырь, Т. Н. Телкова // Труды Союздорнии. – 1977. – Вып. 100. – С. 4−12.Davydova A. R., Gladyr S. A., Telkova T. N. Issledovanie izmenenij, protekayushhix v bitumax pri ix glubokom okislenii [Study of changes in bitumen during deep oxidation]. Trudy Soyuzdornii. 1977. V. 100. Pp. 4–12. (rus)Давыдова А. Р. Исследование процесса старения битума под влиянием различных факторов / А. Р. Давыдова // Труды Союздорнии. – 1971. – Вып. 44. – С. 48−54.Davydova A. R. Issledovanie processa stareniya bituma pod vliyaniem razlichnyx faktorov [Bitumen aging process under the influence of various factors]. Trudy Soyuzdornii. 1971. V. 44. Pp. 48–54. (rus).Грушко И. М. Дорожно-строительные материалы / И. М. Грушко [и др.] – Москва : Транспорт, 1983. – С. 129.Grushko I. M., Korolev I. V., Borshh I. M., Mishhenko G. M. Dorozhno-stroitel`nye materialy [Road building materials]. Moscow: Transport, 1983. 129 p. (rus)Мелентьев В. А. Состав и свойства золы и шлака ТЭЦ : справочное пособие / В. А. Мелентьев. – Москва : Энергоиздат, 1985. – 285 с.Melentev V. A. Sostav i svojstva zoly i shlaka TETz: Spravochnoe posobie [Composition and properties of ash and slag from thermal power plants: Reference guide]. Moscow: Energoizdat, 1985. 285 p. (rus)Методические рекомендации по технологии применения в асфальтобетоне отвальных золошлаковых смесей теплоэлектростанций. – Москва : СоюздорНИИ, 1978. – 23 с.Metodicheskie rekomendacii po texnologii primeneniya v asfal`tobetone otval`nyx zoloshlakovyx smesej teploe`lektrostancij [Guidelines for using waste ash and slag mixtures from thermal power plants in asphalt concrete]. Moscow: SoyuzdorNII, 1978. 23 p. (rus)Чистяков Б. З. Использование минеральных отходов промышленности / Б. З. Чистяков, А. Н. Лялинов. – Ленинград : Стройиздат, Ленинградское отделение, 1984. – 150 с.Chistyakov B. Z., Lyalinov A. N. Ispol`zovanie mineral`nyx otxodov promy`shlennosti [Industrial mineral waste application]. Leningrad: Stroiizdat, 1984. 150 p. (rus)Lesueur D. The colloidal structure of bitumen: conse-quences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification // Advances in Colloid and Interface Science. 2009. 145 (1−2). Р. 42–82.Lesueur D. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification. Advances in Colloid and Interface Science. 2009. No. 145 (1-2). Pp. 42–82.Sá da Costa M., Farcas F., Santos L. F., Eusébio M. I., Diogo A. S. Chemical and Thermal Characterization of Road Bitumen Ageing // Materials Science Forum. 2011. V. 636−637. P. 273–279. URL: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.636-637.273Sá da Costa M., Farcas F., Santos L. F., Eusébio M. I., Diogo A. S. Chemical and thermal characterization of road bitumen ageing. Materials Science Forum. 2011. V. 636–637. Pp. 273–279. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.636-637.273Petersen J. Chemical composition of asphalt as related to asphalt durability: state of the art // Transportation Research Board. Washington, DC, 999. 1984. P. 13–30.Petersen J. Chemical composition of asphalt as related to asphalt durability: state of the art. Washington: Transportation Research Board, 1984. Pp. 13–30.Petersen J. A review of the fundamentals of asphalt oxidation: chemical, physicochemical, physical property, and durability relationships // Transportation Research E-Circular (Vol. 1). Transportation Research Board. Washington, DC, 2009. 68 p.Petersen J. A review of the fundamentals of asphalt oxidation: chemical, physicochemical, physical property, and durability relationships. Transportation Research E-Circular (Vol. 1). Transportation Research Board. 2009. 68 p.Siddiqui M. N., Ali M. F. Studies on the aging behavior of the Arabian asphalts // Fuel. 1999. № 78 (9). P. 1005−1015.Siddiqui M. N., Ali M. Studies on the aging behavior of the Arabian asphalts Siddiqui. Fuel. 1999. No. 78 (9). Pp. 1005–1015.Siddiqui M. N., Ali M. F. Investigation of chemical transformations by NMR and GPC during the laboratory aging of Arabian asphalt // Fuel. 1999. № 78 (12). P. 1407−1416.Siddiqui M. N., Ali M. Investigation of chemical transformations by NMR and GPC during the laboratory aging of Arabian asphalt. Fuel. 1999. No. 78 (12). Pp. 1407–1416.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. I. Oxygen absorption behaviors and kinetics // Petroleum Science and Technology. 2003. V. 21 (1). P. 283−299.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. I. Oxygen absorption behaviors and kinetics. Petroleum Science and Technology. 2003. V. 21(1). Pp. 283–299.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. II. Chemical group composition and structure changes // Petroleum Science and Technology. 2004. V. 22 (3). P. 263−274.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. II. Chemical group composition and structure changes. Petroleum Science and Technology. 2004. V. 22 (3). Pp. 263–274.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. III. Average molecular structure parameter changes // Petroleum Science and Technology. 2004. V. 22 (3). P. 275−286.Qi Y., Wang F. Study and evaluation of aging performance of petroleum asphalts and their constituents during oxygen absorption. III. Average molecular structure parameter changes. Petroleum Science and Technology. 2004. V. 22 (3). Pp. 275–286.Reyes F. A., Daza C. E., Rondon H. A. Determination of SARA fractions of environmentally aged Colombian asphalts using liquid chromatography column // Revista EIA. 2012. V. 17. P. 47−56.Reyes F. A., Daza C. E., Rondon H. A. Determination of SARA fractions of environmentally aged Colombian asphalts using liquid chromatography column. Revista EIA. 2012. V. 17. Pp. 47–56.Глотова Н. А. Изменение реологических свойств и химического состава битумов при старении / Н. А. Глотова, В. С. Горшков, Б. И. Кац // Химия и технология топлив и масел. – 1980. – № 4. – С. 47−49.Glotova N. A., Gorshkov V. S., Kats B. I. Izmenenie reologicheskikh svoistv i khimicheskogo sostava bitumov pri starenii [Changes in rheological properties and chemical composition of bitumen during aging]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel. 1980. No 4. Pp. 47–49. (rus)Слободчиков Ю. В. Исследование влияния условий эксплуатации на надежность битумо-минеральных покрытий автомобильных дорог Северного Казахстана : автореферет диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ю. В. Слободчиков. – Москва, 1972. – 32 с.Slobodchikov Yu. V. Issledovanie vliyaniya uslovij e`kspluatacii na nadezhnost` bitumo-mineral`ny`x pokry`tij avtomobil`ny`x dorog Severnogo Kazaxstana: Avtoref. kand. dissert. [The influence of operating conditions on reliability of bitumen-mineral coatings of highways in Northern Kazakhstan. PhD Abstract]. Moscow. 1972. 32 p. (rus)Mohammed A. A., Morshed К. The effect of ageing on physical and chemical properties of asphalt cement // Iraqi journal of chemical and petroleum engineering. 2008. V. 9. № 2. P. 9−15.Mohammed A. A., Morshed K. The effect of ageing on physical and chemical properties of asphalt cement. Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering. 2008. V. 9, No. 2. Pp. 9–15.Пшеничных О. А. Опыт применения дисперсно-армированных асфальтобетонов в дорожном строительстве / О. А. Пшеничных, Д. С. Скорик // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. – 2020. – Вып. 141. – С. 121−127.Pshenichnykh O. A., Skorik D. S. Opyt primeneniya dispersno-armirovannykh asfal'tobetonov v dorozhnom stroitel'stve [Experience of using dispersion hardened asphalt concretes in road construction]. Vestnik Donbasskoi natsional'noi akademii stroitel'stva i arkhitektury. 2020. No. 141. Pp. 121–127. (rus)Алшахван А. Улучшение структурно-механических свойств теплого асфальтобетона методом полимерно-дисперсного армирования / А. Алшахван, Ю. И. Калгин // Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей. – 2021. – Вып. 61. – С. 53−61.Alshakhvan A., Kalgin Yu. I. Uluchshenie strukturno-mekhanicheskikh svoistv teplogo asfal'tobetona metodom polimerno-dispersnogo armirovaniya [Improving structural and mechanical properties of warm asphalt concrete by polymer dispersion hardening]. Proektirovanie I stroitel'stvo dorog, metropolitenov, aerodromov, mostov i transportnykh tonnelei. 2021. No. 61. Pp. 53–61. (rus)Пшеничных О. А. Деформационно-прочностные характеристики дисперсно-армированных асфальтобетонов / О. А. Пшеничных // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. – 2020. – Вып. 143. – С. 41−44.Pshenichnykh O. A. Deformatsionno-prochnostnye kharakteristiki dispersno-armirovannykh asfal'tobetonov [Deformation strength properties of dispersion hardened asphalt concrete]. Vestnik Donbasskoi natsional'noi akademii stroitel'stva i arkhitektury. 2020. No. 143. Pp. 41–44. (rus)Мерзликин А. Е. Испытания конструкций дорожных одежд для оценки эффективности применения дисперсно-армированного асфальтобетона / А. Е. Мерзликин, И. П. Гамеляк // Труды Союздорнии. Сер. Конструирование, расчет и испытание дорожных одежд. – 1990. – С. 17−25.Merzlikin A. E., Gamelyak I. P. Ispytaniya konstrukcij dorozhnyh odezhd dlya ocenki effektivnosti primeneniya dispersno armirovannogo asfal'tobetona [Effectiveness of pavement structures of dispersion hardened asphalt concrete]. Trudy Soyuzdornii. Konstruirovanie, raschet i ispy`tanie dorozhnykh odezhd. 1990. Pp. 17–25. (rus)Smith R. D. Laboratory testing of fabric interlayer for asphalt concrete paving: interim report // Transp. Res. Rec. 1983. № 916. P. 6−18.Smith R. D. Laboratory testing of fabric interlayer for asphalt concrete paving: Interim report. Journal of the Transportation Research Board. 1983. Nо. 916. Pp. 6−18.Tessoneau H. Revement Tris mince Mediflex en couche de Voulement sur Absur troisiene Voie Macon nord // Revue generale des Routes et des Aerodromes. 1988. V. 62. № 650. P. 77–78.Tessoneau H. Revement tris mince mediflex en couche de voulement sur absur troisiene voie macon nord. Revue Generale des Routes et des Aerodromes. 1988. V. 62. No. 650. P. 77–78.Pinaud Y., Hintzi J., Poirier J., Chanseaulme M. Le Rugoflex. Une experience de dix ans // Revue generale des Routes et des Aerodromes. 1988. № 649. P. 61–64.Pinaud Y., Hintzi J., Poirier J., Chanseaulme M. Le Rugoflex. Une experience de dix ans. Revue Generale des Routes et des Aerodromes. 1988. No. 649. Pp. 61–64.Лукашевич В. Н. Увеличение срока службы асфальтобетонных покрытий за счет двухстадийного введения органических вяжущих в процессе производства асфальтобетонных смесей / В. Н. Лукашевич // Строительные материалы. – 2003. – № 1. – С. 24−25.Lukashevich V. N. Uvelicheniya sroka sluzhby asfal'tobetonnykh pokrytii za schet dvukhstadiinogo vvedeniya organicheskikh vyazhushchikh v protsesse proizvodstva asfal'tobetonnykh smesei [Service life increase of asphalt pavements by two-stage introduction of organic binders in asphalt concrete production]. Stroitel'nye materialy. 2003. No. 1. Pp. 24−25. (rus)Флоровская В. Н. Люминесцентная микроскопия битуминозных веществ / В. Н. Флоровская, Л. И. Овчинникова. – Москва : Изд-во Моск. ун-та, 1970. – 80 с.Florovskaya V. N., Ovchinnikova L. I. Lyuminescentnaya mikroskopiya bituminoznyx veshhestv [Luminescence microscopy of bituminous substances]. Moscow, 1970. 80 p. (rus).Вертц Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР : пер. с англ. / Дж. Вертц, Дж. Болтон. – Москва : Мир, 1975. – 368 с.Wertz J. E., Bolton J. R. Teoriya i prakticheskie prilozheniya primeneniya metoda EPR [Electron spin resonance: Elementary theory and practical applications]. Moscow: Mir, 1975. 368 p. (transl. from Engl.)Унгер Ф. Г. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов / Ф. Г. Унгер, Л. Н. Андреева. – Новосибирск : Сибирская издательская фирма РАН «Наука», 1995. – 192 с.Unger F. G., Andreeva L. N. Fundamental'nye aspekty himii nefti. Priroda smol i asfal'tenov [Fundamental aspects of oil chemistry. The nature of resins and asphaltenes]. Novosibirsk: Nauka, 1995. 192 p. (rus)Железко Е. П. О кинетике образования и рекомбинации свободных радикалов в битумах / Е. П. Железко, Б. Г. Печеный // Труды Союздорнии. – 1970. – Вып. 46. – С. 137–142.Zhelezko E. P., Pechenyj B. G. O kinetike obrazovaniya i rekombinacii svobodny`x radikalov v bitumax [Kinetics of formation and recombination of free radicals in bitumen]. Trudy Soyuzdornii. 1970. No. 46. Pp. 137–142. (rus)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.