Исследование влияния процесса модификации на групповой состав битума и модификаторов методом Фурье-ИК-спектроскопии

Цели. В статье проанализировано влияние процесса модификации на групповой состав битума и битумных вяжущих, содержащих резиновый порошок и гибридный модификатор на основе бутадиен-стирольного термоэластопласта и резиновой крошки. Целью исследования было определение наличия или отсутствия функциональных групп, отражающих направленность физико-химических процессов при получении гибридного модификатора в роторных диспергаторах и при модификации битумных вяжущих.

Методы. Резиновый порошок и гибридный модификатор получены методом высокотемпературного сдвигового измельчения на роторном диспергаторе. Битумы и модифицированные битумные вяжущие исследованы методом инфракрасной спектроскопии с Фурье преобразованием. С помощью метода вычитания спектров установлено, что в процессе изготовления модифицированных битумных вяжущих происходят структурные изменения как в битуме, так и в модификаторах. В работе также проведена экстракция модификаторов (резинового порошка и гибридного модификатора) в толуоле.

Результаты. Проведен количественный анализ изменений, происходящих в групповом составе модификаторов до и после процедуры модификации. Определены активный полимерный и структурный индексы. Отмечена общая тенденция в изменении активного полимерного и структурного индексов для исходных спектров резинового порошка и гибридного модификатора и их спектров, полученных после процедуры вычитания из спектров битумных вяжущих спектра битума.

Выводы. Подтверждена взаимодиффузия ароматических соединений между битумной составляющей и частицами модификаторов. На основании результатов экстракции модификаторов в толуоле и с учетом данных ИК-спектроскопии найдено, что в процессе производства гибридного модификатора совместным соизмельчением резиновой крошки и бутадиен-стирольного термоэластопласта между ними происходит химическое взаимодействие. 

1. Partl M.N., Bahia H.U., Canestrari F., Roche Ch., Benedetto H.D., Piber H., Sybilski D. (eds.) Advances in Inter- laboratory Testing and Evaluation of Bituminous Materials: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 206-ATB. Springer; 2013. V. 9. 453 p.

2. Leseur D., Gerard J.-F, Claudy P., Letoffe J.-M., Planche J.-P., Martin D. A structure-related model to describe asphalt linear viscoelasticity. J. Rheol. 1996;40:813-856. https://doi.org/10.1122/1.550764

3. Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон: учебно-методическое пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ»; 2008. 117 с.

4. Soenen H., Lu X., Redelius P. The morphology of SBS modified bitumen in binders and in asphalt mix. In: Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials, London: Taylor & Francis Group; 2009. P. 151-160. ISBN 978-0-415-55854-9

5. Behnood A., Gharehveran M.M. Morphology, rheology, and physical properties of polymer-modified asphalt binders. Eur. Polym. J. 2019;112:766-791. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.10.049

6. Никольский В.Г., Дударева Т.В., Красоткина И.А., Зверева У.Г., Бекешев В.Г., Рочев В.Я., Каплан А.М., Чекунаев Н.И., Внукова Л.В., Стырикович Н.М., Гордеева И.В. Разработка и свойства новых наномодификаторов для дорожного покрытия. Химическая физика. 2014;33(7):87-93. https://doi.org/10.7868/s0207401x14070073

7. Schaur A., Unterberger S., Lackner R. Impact of molecular structure of SBS on thermomechanical properties of polymer modified bitumen. Eur. Polym. J. 2017;96:256-265. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.09.017

8. Loderer C., Partl M.N., Poulikakos L.D. Effect of crumb rubber production technology on performance of modified bitumen. Constr. Build. Mater. 2018;191:1159-1171. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.046

9. Biro S., Fazekas B. Asphalt rubber versus other modified bitumens. Road Mater. Pavement. 2012. URL: http://www.ra-foundation.org/wp-content/uploads/2013/02/020-PAP_017.pdf

10. Greene J., Chun S., Nash T., Choubane B. Evaluation and Implementation of PG 76-22 Asphalt Rubber Binder in Florida. Transport. Res. Rec. 2015;2524(1);3-10. https://doi.org/10.3141/2524-01

11. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Щеглов А.Г., Чубенко Е.Н., Черсков Р.М., Хаддад Л.Н. Резиносодержащий полимерный модификатор битума. Патент РФ № 2266934. Бюл. №36. 27.12.2005.

12. Фролов И.Н., Юсупова Т.Н., Ганеева Ю.М., Барская Е.Е., Романов Г.В. Физико-химические особенности модификации товарных битумов смесевыми олефиновыми термопластами. Нефтегазовое дело. 2008(2). URL: http://ogbus.ru/authors/Frolov/Frolov_1.pdf

13. Senise S., Carrera V., Navarro F.J., Partal P. Thermomechanical and microstructural evaluation of hybrid rubberised bitumen containing a thermoplastic polymer. Construct. Build. Mater. 2017;157:873-884. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.126

14. Гордеева И.В., Никольский В.Г., Наумова Ю.А. Гибридный модификатор на основе измельченного вулканизата, получаемого методом высокотемпературного сдвигового измельчения. Сборник докладов ХХ Юбилейной научно-практической конференции «Резиновая промышленность: Сырье. Материалы. Технологии». Москва: НИИШП; 2015:217-220.

15. Зверева У.Г. Резинобитумные композиты на основе дорожного битума и активного резинового порошка (АПДДР): получение, структура, реологические свойства, применение. Дисс. кан. хим. наук: 02.00.06. М.: 2016. 149 c.

16. Берлин А.А., Дударева Т.В., Красоткина И.А., Никольский В.Г. Утилизация отходов шинной резины и активный порошок дискретно девулканизованной резины. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018;2:27-35.

17. Zhu C., Zhanga H., Xua G., Wub C. Investigation of the aging behaviors of multi-dimensional nanomaterials modified different bitumens by Fourier transform infrared spectroscopy. Construct. Build. Mater. 2018;167:536-542. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.02.056

18. Weigel S., Stephan D. The prediction of bitumen properties based on FTIR and multivariate analysis methods. Fuel. 2017;208(15):655-661. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.07.048

19. Yao H., Dai Q., You Zh. Fourier Transform Infrared Spectroscopy characterization of aging-related properties of original and nano-modified asphalt binders. Construct. Build. Mater. 2015;101:1078-087. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.085

20. Nivitha M.R., Prasad E., Krishnan J.M. Transitions in unmodified and modified bitumen using FTIR spectroscopy. Mater. Struct. 2019;52(7):1-11. https://doi.org/10.1617/s11527018-1308-7

21. Макаров Д.Б., Ягунд Э.М., Аюпов Д.А., Мурафа А.В., Фасхутдинов К.А., Хозин В.Г., Яхин Р.Г. Изучение битумно-полимерных вяжущих, модифицированных смесевыми термоэластопластами, методом ИК-спектроскопии. Известия КГАСУ. 2015;4(34):280-286.

22. Bellamy L.J. The Infra-red Spectra of Complex Molecules. Dordrecht: Springer; 1975. https://doi.org/10.1007/978-94-011-6017-9

23. Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений. М.: Издательство «Мир»; 1966. 411 с.

24. Tang N., Huang W., Xiao F. Chemical and rheological investigation of high-cured crumb rubber-modified asphalt. Construct. Build. Mater. 2016;123:847-854. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.131

25. Zhang F., Hu C. The research for structural characteristics and modification mechanism of crumb rubber compound modified asphalts. Construct. Build. Mater. 2015;76(1):330-342. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.013