Метод ABCD для определения низкотемпературных свойств ординарных и модифицированных вяжущих

Введение. Активное внедрение в отечественную практику системы объемно-функционального проектирования (ОФП) направлено на широкомасштабное освоение российской дорожно-строительной отраслью передовых подходов к технологии проектирования асфальтобетонных покрытий. Одним из принципиальных отличий методологии ОФП от ранее устоявшейся практики оценки технических, технологических и эксплуатационных показателей дорожно-строительных материалов является введение в действие новых методик, с высокой степенью точности характеризующих количественные показатели, основанные на фактических физико-химических и механических свойствах используемых компонентов. Так, в качестве варианта оценки низкотемпературных свойств битумных вяжущих предложено использовать метод изгибающейся балочки (BBR), который достаточно хорошо зарекомендовал себя при работе с традиционными (ординарными) битумами. Однако природно-климатические условия эксплуатации автомобильных дорог в России однозначно требуют применения вяжущих, модифицированных высоко- и низкомолекулярными соединениями, прежде всего полимерами. В данном исследовании была поставлена задача по изучению возможности использования метода ABCD (прибор ABCD 8.0) для сопоставительной оценки низкотемпературных параметров как исходных ординарных битумов и полимерно-битумных вяжущих, так и указанных типов вяжущих, подвергшихся краткосрочному RTFOT и долговременному PAV-старению.

Материалы и методы. В качестве объектов исследования были использованы образцы промышленных партий битумов нефтяных дорожных вязких (ГОСТ 33133–2014) и полимерно-битумных вяжущих (ГОСТ Р 52056–2003). Для определения низкотемпературных показателей применено отечественное устройство ABCD 8.0 и климатическая камера с воздушным охлаждением. Исследование битумных вяжущих проведено по параметрам, заложенным в технические требования ГОСТ Р 58400.11–2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы вяжущие нефтяные битумные. Метод определения температуры растрескивания при помощи устройства ABCD».

Результаты. Определены значения температуры растрескивания для ординарных и модифицированных битумных вяжущих до и после старения. Показано, что низкотемпературные свойства полимерно-битумных вяжущих существенно превосходят аналогичные показатели окисленных дорожных битумов. Обсуждение и заключение. Сопоставительный анализ низкотемпературных свойств ординарных и полимерно-битумных вяжущих, полученных в ходе их определения прямым методом, позволил подтвердить эффективность разработанной в ГОСТ Р 58400.11–2019 методики оценки работоспособности вяжущих различного компонентного состава в сложных климатических условиях России. Подтверждена эффективность отечественного прибора второго поколения ABCD 8.0 для прямой оценки температуры растрескивания битумных вяжущих переменного состава.

Выводы. В результате исследования динамики изменения низкотемпературной устойчивости модифицированных и ординарных вяжущих методом ABCD показано, что для прогнозирования низкотемпературной устойчивости вяжущих целесообразна оценка их свойств после длительного старения.

1. Пискунов И.В., Рожков И.М., Харпаев А.В., Башкирцева Н.Ю. Основные тенденции в производстве и применении битумных материалов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2021. № 11. С. 3-16.

2. Рожков И.М., Симчук Е.Н. Современные подходы при прогнозировании температурных условий эксплуатации асфальтобетонных конструктивных слоев дорожных одежд // Дороги России. 2020. №3 (117). С. 55–71.

3. Колесник Д.А., Пахаренко Д.В. Опыт внедрения системы Superpave на дорогах России // Дорожная держава. 2019. № 88. С.70–75.

4. Olard F., H. Benedetto Di, Eckmann B., Triquigneaux J-P. Linear Viscoelastic Properties of Bituminous Binders and Mixtures at Low and Intermediate Temperatures // Road Materials and Pavement Design. 2003. Vol. 4, no 1. P. 77-107. DOI: 10.1080/14680629.2003.9689941

5. Budziński, B., Mieczkowski, P., Słowik, M., Mielczarek, M., Bilski, M., Fornalczyk, S. Assessment of the low-temperature performance of asphalt mixtures for bridge pavement. Road Materials and Pavement Design. 2023. Vol. 24 (1), P. 409–423. DOI:10.1080/14680629.2023.2181002

6. Thenoux G., Lees G., Bel, C.A. Laboratory investigation of the Fraass brittle test // Asphalt Technology. 1987. Vol. 10. no 39. P. 34–46.

7. Bueno M., Hugener M., Partl M.N. Low temperature characterization of bituminous binders with a new cyclic shear cooling (CSC) failure test // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 58. P. 16–24. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2014.01.101

8. Radziszewski P., Kowalski K.J., Król J.B., Sarnowski M., Piłat J. Quality assessment of bituminous binders based on the viscoelastic properties: Polish experience // Journal of Civil Engineering and Management. 2014. Vol. 20. no 1. P 111–120. DOI:10.3846/13923730.2013.843586

9. Pyrig Yu. Review of approaches to determining the viscosity-penetration dependence of bituminous binders // Vestnik KHNADU. 2023. Vol. 100, DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2023.100.0.113

10. Kim S.-S. Development of an asphalt binder cracking device // Department of Civil Engineering, Ohio University. Athens. Ohio. 2007. 40 p.

11. Kim. S.-S. Direct Measurement of Asphalt Binder Thermal Cracking // ASCE Journal of Materials in Civil Engineering. 2005. vol. 17. no 6, P. 632–639. DOI:10.1061/(ASCE)0899-1561(2005)17:6(632)

12. Nikolaevsky V., Duzhiy P., D. Nebratenko Evaluation of low-temperature properties of mixtures of bitumen and SBS polymers of various topologies by the ABCD method // Military technical courier. 2023. Vol. 71. no 3. P. 711-721. DOI: 10.5937/vojtehg71-44548.

13. Nebratenko DY. Ensuring the confection strength of adhesives based on SBS copolymers of various topologies. Aeronautics and Aerospace Open Access Journal. 2023; 7(4): 110‒113. DOI: 10.15406/aaoaj.2023.07.00178.

14. Kim S.S., Wysong, Z., Kovach, J. 2006. Low-temperature thermal cracking of asphalt binder by asphalt binder cracking device // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board Vol. 1962. P. 28–35. DOI: 10.3141/1962-04

15. Небратенко Д.Ю. ABCD – метод оценки низкотемпературного поведения дорожных вяжущих // Инженерно-строительный вестник Прикаспия: научно-технический журнал. 2022. № 1 (39). С. 37–41. DOI 10.52684/2312-3702-2022-39-1-37-41.

16. Майданова Н.В., Егоров Д.Е., Боев А.В., Красоткина И.А., Дударева Т.В. Об оценке низкотемпературных свойств битумных вяжущих // Мир дорог. 2022. № 143. С. 64–69.

17. Petersen J.C., Robertson R.E., Branthaver J.F., Harnsberger P.M., Duvall J.J., Kim S.-S., A. Anderson, D.W. Christiansen, Bahia H.U. Binder characterization and evaluation // SHRP. National Research Council. 1994, Vol.1. 161 p.

18. Berlin A.A., Nikolskiy V.G., Krasotkina I.A., Dudareva T.V., Gorbarova V.N., Gordeeva I.V., Sorokin A.V., Lobachev V.A., Dubina S.I., Sinkevich M.Yu. Rubber and rubber-polymer modifiers of asphalt concrete mixtures produced by method of high-temperature shear grinding. Part 3. Evaluation of modification efficiency // Polymer Science. Series D. 2022, Vol. 15, no, P.71-78 DOI: 10.1134/S199542122201004X2022

19. Hesp S.A. M., Soleimani A., Subramani S., Phillips T., Smith D., Marks P., Tam K.K. Asphalt pavement cracking: analysis of extraordinary life cycle variability in eastern and northeastern Ontario // International Journal of Pavement Engineering. 2009. Vol. 10 no 3. P. 209–227. DOI:10.1080/10298430802343169 DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.121758

20. Hoare T., Hesp S. Low-Temperature Fracture Testing of Asphalt Binders: Regular and Modified Systems // Transportation Research Record. 2000. Vol. 1728, P. 36-42

21. Teltayev B, Amirbayev E, Radovskiy B. Evaluating the Effect of Polymer Modification on the Low-Temperature Rheological Properties of Asphalt Binder. Polymers (Basel). 2022 Jun 22;14(13):2548. DOI: 10.3390/polym14132548. PMID: 35808594; PMCID: PMC9269331.

22. Basu A., Marasteanu M.O., Hesp S.A. M. Time-temperature superposition and physical hardening effects in low-temperature asphalt binder grading. Transportation Research Record // Journal of the Transportation Research Board. 2003. Vol. 1829. no 1. P. 42-59.

23. Gordeeva I.V., Naumova Yu.A., Nikol’skii V.G., Krasotkina I.A., Dudareva T.V. Analysis of Flow Curves of Modified Bitumen Composites // Polymer Science, Series D. 2020. Vol. 13. no. 2. P. 151–156

24. S. Hesp An improved low-temperature asphalt binder specification method. Final report, NCHRPIDEA contract 84 and Ministry of Transportation Ontario Contract 9015- A-000190, 2003.

25. Xu J., Xia T., Yin B., Yang M. Effect of MDI on the structure and properties of SBS modified bitumen // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 250. P. 1-8. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118911

26. Gong Y., Xu J., Chang R., Yan Er. Effect of water diffusion and thermal coupling condition on SBS modified asphalts’ surface micro properties // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 273. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121758

27. Guo F., Pei J., Zhang J., Li R., Liu P., Wang D. Study on Adhesion Property and Moisture Effect between SBS Modified Asphalt Binder and Aggregate Using Molecular Dynamics Simulation // Materials. 2022. Vol. 15. P. 6912, P. 2-13. DOI:10.3390/ma15196912.

28. Bahia H.U., Hislop W.P., Zhai H., Rangel A. Classification of Asphalt Binders Into Simple and Complex Binders // Materials. 1998. Vol. 67. P. 1.

29. Пискунов И.В., Рожков И.М., Харпаев А.В. Вопросы оценки температурных условий и применения вяжущих в разных климатических зонах // Дороги. Инновации в строительстве. 2021. № 96. С. 56–62.

30. Morales R., Bahia H.U. Developing Simple Binder Indices for Cracking Resistance of Asphalt Binders at Intermediate and Low Temperatures // Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board. 2018. DOI: 10.1177/0361198118792999

31. Фирсова А.В., Карманова О.В, Ситникова В.В., Блинов Е.В. Бутадиен-α-метилстирольный термоэластопласт, синтез и свойства // Вестник ВГУИТ. 2016. № 2. С. 218–222. DOI:10.20914/2310-1202-2016-2-218-222.

32. Высоцкая М.А., Шеховцова С.Ю., Обухов А.Г., Есипова Ю.Ю. Устойчивость модифицированных вяжущих на основе окисленных и остаточных битумов к термодеструкции // Вестник СибАДИ. 2017;(6(58)):140-147. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2017-6(58)-140-147

33. Исаков А.М., Небратенко Д.Ю. Об организации научно-исследовательского сектора при работе по методологии SUPERPAVE // Вестник КРСУ. 2020. Т. 20, № 12. С. 111–117.

34. Шамуратов Ж.У. Анализ методов и средств вискозиметрии // Вестник научно-технического развития. 2022. №167. С.54–69.

35. A. Müller-Rappard Ultra-Turrax, ein Dispergiergerät für die homöopathische Praxis // Allgemeine Zeitung 2007. Vol. 222(01): 15-18. DOI: 10.1055/s-2006-935797

36. Небратенко Д.Ю. Вяжущие от СИБУРа // Автомобильные дороги. 2009. № 9. С.54–55.

37. Симчук Е.Н., Харпаев А.В., Рожков И.М. Современные подходы к моделированию старения битумных вяжущих материалов в лабораторных условиях // Дороги и мосты. 2022. № 2 (48). С. 274–306.

38. Лушников Н.А., Савицкий В.В., Николаевский В.Е., Есипов И.А. Применение метода ABCD при оценке низкотемпературных свойств вяжущих // Автомобильные дороги. 2023. № 1 (1094). С. 110–113.

39. Жданов К.А., Калгин Ю.И., Симчук Е.Н. Характеристики теплых асфальтобетонных смесей для расчета дорожных конструкций // Научный журнал строительства и архитектуры. 2023. № 3(71). С. 74–83.

40. Тюкилина П.М., Поздняков В.В., Андреев А.А., Егоров А.Г., Гуреев А.А., Соловьев Р.Е., Харпаев А.В. Комплексная физико-химическая модификация нефтяных дорожных битумов // Башкирский химический журнал. 2021. № 4 (28). С. 44–55.