Асфальтеногенез в битумоминеральных композициях как показатель их старения

Актуальность. Все более актуальной становится проблема замедления старения асфальтобетонных дорожных покрытий, поскольку именно их состояние определяет межремонтные сроки и долговечность автомобильных дорог.

Органические вяжущие в битумоминеральных композициях (БМК) начинают подвергаться старению уже на стадии их изготовления. Этот процесс происходит на протяжении всего жизненного цикла асфальтобетона. Сложные физико-химические превращения происходят в первую очередь в адсорбционно-сольватных пленках битума на поверхности зерен минеральных материалов. Идут процессы дальнейшей полимеризации компонентов нефтяного вяжущего, сопровождающиеся увеличением их молекулярных масс в последовательности: масла → смолы → асфальтены. Повышение концентрации асфальтенов предложено называть асфальтеногенезом. Этот термин означает уменьшение содержания низкомолекулярных и увеличение высокомолекулярных фракций; рост вязкости битумных пленок, повышение их хрупкости при отрицательных температурах и, как следствие, усиление трещинообразования, разрушение дорожной одежды еще до наступления установленных нормативами сроков службы.

Целью работы являлось исследование процессов старения БМК во временном континууме под влиянием природно-климатических факторов путем контроля содержания асфальтенов в материале конструктивного слоя. Поскольку асфальтены являются практически стопроцентным концентратом парамагнитных центров, интенсивность асфальтеногенеза можно оценивать по изменениям концентрации парамагнитных центров. Таким образом, концентрация парамагнитных центров в БМК может выступать в качестве косвенного показателя степени старения БМК.

Материалы и методы исследования. В качестве минеральных компонентов использовались гранит и известняк. Вяжущим веществом служил битум марки БНД 90/130, а роль дисперсной арматуры играли полиамидные волокна, адсорбат – сырая нефть Первомайского месторождения (Томская обл.). Изменения концентрации парамагнитных центров в образцах БМК оценивались методом ЭПР на приборе RADIOPAN SE/X-25-44 с рубиновыми стержнями.

Результаты. В работе развита идея оценивания степени асфальтеногенеза по количеству парамагнитных центров в БМК. Обоснована возможность модифицирования поверхности минеральных материалов в процессе приготовления БМК путем введения в их состав полимерной дисперсной арматуры из отрезков обработанных химических волокон, пропитанных нефтепродуктами. Предложенное техническое решение позволяет снизить интенсивность асфальтеногенеза, а следовательно, и старение битумоминеральных композиций.

1. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуславский А.М., Королев И.В. Дорожный асфальтобетон. 2-е изд., перераб. и доп. Москва : Транспорт, 1985. 350 с.

2. Гезенцвей Л.Б., Колбанев И.В., Рвачева Э.М. Механо-химические процессы в битумоминеральных системах // Автомобильные дороги. 1971. № 2. С. 6–9.

3. Бабаев В.И. Старение асфальтобетона в условиях юга России // Автомобильные дороги. 1994. № 3. С. 21.

4. Бахрах Г.С. Оценка термоокислительной стабильности асфальтовых материалов с учетом роли контактных взаимодействий // Труды Союздорнии. 1975. Вып. 79. С. 132–140.

5. Давыдова А.Р., Гладырь С.А., Телкова Т.Н. Исследование изменений, протекающих в битумах при их глубоком окислении // Труды Союздорнии. 1977. Вып. 100. С. 4–12.

6. Давыдова А.Р. Исследование процесса старения битума под влиянием различных факторов // Труды Союздорнии. 1971. Вып. 44. С. 48–54.

7. Грушко И.М., Королев И.В., Борщ И.М., Мищенко Г.М. Дорожно-строительные материалы. Москва : Транспорт, 1983. 383 с.

8. Мелентьев В.А. Состав и свойства золы и шлака ТЭЦ. Москва : Энергоиздат, 1985. 285 с.

9. Методические рекомендации по технологии применения в асфальтобетоне отвальных золошлаковых смесей теплоэлектростанций. Москва : СоюздорНИИ, 1978. 23 с.

10. Чистяков Б.З., Лялинов А.Н. Использование минеральных отходов промышленности. Ленинград : Стройиздат, Ленинградское отделение, 1984. 150 с.

11. 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. V. 145 (1–2). P. 42–82.

12. Farcas F. Etude d’une methode de simulation du vieillissement sur route des bitumes // Laboratoire Central des Ponts et Chausses. 1996.

13. Petersen J. Chemical composition of asphalt as related to asphalt durability: state of the art // Transportation Research Board 999. 1984. P. 13–30. DOI: 10.1016/S0376-7361(09)70285-7

14. 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.

15. Siddiqui M.N., Ali M.F. Studies on the aging behavior of the Arabian asphalts Siddiqui // Fuel. 1999. V. 78 (9). P. 1005–1015.

16. Siddiqui M.N., Ali M.F. Investigation of chemical transformations by NMR and GPC during the laboratory aging of Arabian asphalt // Fuel. 1999. V. 78 (12). P. 1407–1416.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Reyes F.A., Daza C.E., Rondón H.A. Determination of SARA fractions of environmentally aged Colombian asphalts using liquid chromatography column // Revista EIA. 2012. V. 17. P. 47–56.

21. Глотова Н.А., Горшков В.С., Кац Б.И. Изменение реологических свойств и химического состава битумов при старении // Химия и технология топлив и масел. 1980. № 4. С. 47–49.

22. Слободчиков Ю.В. Исследование влияния условий эксплуатации на надежность битумоминеральных покрытий автомобильных дорог Северного Казахстана : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1972. 32 с.

23. Mohammed A.A., Morshed K. The effect of ageing on physical and chemical proper-ties of asphalt cement // Iraqi journal of chemical and petroleum engineering. 2008. V. 9. № 2. P. 9–15.

24. Пшеничных О.А., Скорик Д.С. Опыт применения дисперсно-армированных асфальтобетонов в дорожном строительстве // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2020. Вып. 141. С. 121–127.

25. Алшахван А., Калгин Ю.И. Улучшение структурно-механических свойств теплого асфальтобетона методом полимерно-дисперсного армирования // Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей. 2021. Вып. 61. С. 53–61.

26. Пшеничных О.А. Деформационно-прочностные характеристики дисперсно-армированных асфальтобетонов // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2020. Вып. 143. С. 41–44.

27. Мерзликин А.Е., Гамеляк И.П. Испытания конструкций дорожных одежд для оценки эффективности применения дисперсно-армированного асфальтобетона // Конструирование, расчет и испытание дорожных одежд // Труды Союздорнии. 1990. С. 17–25.

28. Smith R.D. Laboratory testing of fabric interlayer for asphalt concrete paving: interim report // Transp. Res. Rec. 1983. № 916. P. 6–18.

29. 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.

30. 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.

31. Лукашевич В. Увеличения срока службы асфальтобетонных покрытий за счет двухстадийного введения органических вяжущих в процессе производства асфальтобетонных смесей // Строительные материалы. 2003. № 1. С. 24–25.

32. Лукашевич В.Н., Лукашевич О.Д., Мокшин Р.И. Применение электронного парамагнитного резонанса для исследования процессов старения органического вяжущего в дисперсно-армированных основаниях дорожных одежд // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т. 23. № 6. С. 179−189. DOI: 10.31675/1607-18592021-23-6-179-189

33. Флоровская В.Н., Овчинникова Л.И. Люминесцентная микроскопия битуминозных веществ. Москва : Изд-во Моск. ун-та, 1970. 80 с.

34. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практика применения метода ЭПР : пер. с англ. Москва : Мир, 1975. 368 с.

35. Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск : Сибирская издательская фирма РАН «Наука», 1995. 192 с.

36. Железко Е.П., Печеный Б.Г. О кинетике образования и рекомбинации свободных радикалов в битумах // Труды Союздорнии. 1970. Вып. 46. С. 137–142.