Механические свойства асфальтобетона с битумом, модифицированным гиперразветвленным полимером

Эпоксидная смола — важный модификатор при производстве полимерасфальтобетона. Добавление эпоксидных смол к битуму позволяет увеличить трещиностойкость, сдвигоустойчивость и долговременную прочность асфальтобетона. Однако производство полимерасфальтобетона дороже асфальтобетона ввиду большого объема добавки на основе эпоксидных смол. Гиперразветвленные полимеры (ГРП) с эпоксидными концевыми группами образуют при отверждении высокоразветвленную пространственную структуру, их применение в качестве активного модификатора в составе битума приводит к формированию дополнительных пространственных сетей армирования в асфальтобетоне, что позволяет при малом объеме модификатора усилить эффекты, достигнутые при использовании эпоксидных смол, а также повысить ударную вязкость асфальтобетона, влагостойкость, топливостойкость и температурную стабильность. Цель работы — экспериментальное исследование механических свойств асфальтобетона с битумом, модифицированным ГРП. Добавку на основе доступного в промышленном масштабе ГРП вносили в качестве модификатора в относительно низких долях — 3, 5 и 8 % масс. от массы битума. Определяли такие механические свойства асфальтобетона, как модуль упругости, прочность при сжатии, прочность на растяжение при расколе, сдвигоустойчивость, остаточную прочность на сжатие после малоциклового нагружения, коэффициент остаточной прочности на сжатие, а также предельное относительное сжатие. Установлено, что асфальтобетон с модифицированным битумом обладает лучшими характеристиками, чем исходный асфальтобетон, даже при низких долях модификатора. Модуль упругости и прочность на сжатие тесно взаимосвязаны и при формировании скелета архитектуры связей в битуме растут практически линейно с увеличением содержания ГРП, повышаясь соответственно на 9,0 и 17,7 % для образцов с содержанием 8 % масс. эпоксидного модификатора. При этом асфальтобетон становится более пластичен; предельное относительное сжатие увеличивается с 2,75 до 3,5 % и существенно не зависит от количества ГРП. Предел прочности на растяжение при расколе снижается по мере повышения доли эпоксидного модификатора, что ожидаемо согласно имеющимся в литературе данным. При этом пластичность асфальтобетона значительно улучшается, достигая предельной деформации 1,8 % при 5 % масс. модификатора. При этой же доле модификатора наблюдается самая высокая прочность на сдвиг — 0,48 МПа. С увеличением массовой доли эпоксидного модификатора снижается уплотнение при действии малоциклового нагружения; коэффициент остаточной прочности как отношение остаточной прочности на сжатие после малоцикловой усталости к статической прочности на сжатие стремится к единице для асфальтобетона, также модифицированного 5 % масс. ГРП. Таким образом, оптимальный результат достигается при введении в битум 5 % масс. эпоксидного ГРП модификатора.

1. Yu J., Cong P., Wu S. Laboratory investigation of the properties of asphalt modified with epoxy resin / J. Appl. Polym. Sci. 2009. Vol. 113. P. 3557 – 3563. DOI: 10.1002/app.30324

2. Wang D., Zhang F., Huang K., Zhang L. Study on preparation and performance of advanced nano-modified epoxy asphalt / J. Appl. Polym. Sci. 2023. Vol. 140. DOI: 10.1002/app.53688

3. Yoshida S. Quantitative evaluation of an epoxy resin dispersion by infrared spectroscopy / Polym. J. 2014. Vol. 46. P. 430 – 434. DOI: 10.1038/pj.2014.15

4. Apostolidis P., Liu X., Erkens S., Scarpas A. Evaluation of epoxy modification in bitumen / Constr. Build. Mater. 2019. Vol. 208. P. 361 – 368. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.013

5. Cuadri A. A., Delgado-Sánchez C., Navarro F. J., Partal P. Short- and long-term epoxy modification of bitumen: modification kinetics, rheological properties, and microstructure / Polymers (Basel) 2020. Vol. 12. N 508. DOI: 10.3390/polym12030508

6. Apostolidis P., Liu X., Marocho P., et al. Evaluation of epoxy modification in asphalt mastic / Mater. Struct. 2020. Vol. 53. N 120. DOI: 10.1617/s11527-020-01494-9

7. Zhang F., Huang W., Zhang L., et al. Preparation and properties evaluation of shape memory epoxy asphalt composites with high toughness and damping / J. Appl. Polym. Sci. 2022. Vol. 139. DOI: 10.1002/app.53117

8. Zhou W., Yi J., Pei Z., et al. Preliminary design of recyclable epoxy asphalt: Regeneration feasibility analysis and environmental impact assessment / J. Appl. Polym. Sci. 2022. Vol. 139. DOI: 10.1002/app.52349

9. Fan Y., Wu Y., Chen H., et al. Performance evaluation and structure optimization of low-emission mixed epoxy asphalt pavement / Materials. 2022. Vol. 15. N 6472. DOI: 10.3390/ma15186472

10. Cong P., Chen S., Yu J. Investigation of the properties of epoxy resin-modified asphalt mixtures for application to orthotropic bridge decks / J. Appl. Polym. Sci. 2011. Vol. 121. P. 2310 – 2316. DOI: 10.1002/app.33948

11. Zavareh S., Vahdat G. Toughening of brittle epoxy using bitumen as a new modifier / Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2012. Vol. 31. P. 247 – 258. DOI: 10.1177/0731684412437266

12. Boogh L., Pettersson B., Månson J.-A. E. Dendritic hyperbranched polymers as tougheners for epoxy resins / Polymer (Guildf) 1999. Vol. 40. P. 2249 – 2261. DOI: 10.1016/S0032-3861(98)00464-9

13. Ratna D. Toughened FRP composites reinforced with glass and carbon fiber / Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2008. Vol. 39. P. 462 – 469. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.12.005

14. Qin H., Mather P. T., Baek J.-B., Tan L.-S. Modification of bisphenol-A based bismaleimide resin (BPA-BMI) with an allyl-terminated hyperbranched polyimide (AT-PAEKI) / Polymer (Guildf). 2006. Vol. 47. P. 2813 – 2821. DOI: 10.1016/j.polymer.2006.02.062

15. Xu P., Yang F. Modification of phenolic resin composites by hyperbranched polyborate and polybenzoxazine / Polym. Compos. 2012. Vol. 33. P. 1960 – 1968. DOI: 10.1002/pc.22336

16. Xu P., Cong P., Gao Z., et al. High performance modification of hyperbranched polyborate on diglycidyl ether of bisphenol-a resin / Polym. Compos. 2015. Vol. 36. P. 424 – 432. DOI: 10.1002/pc.22956

17. Xu P., Cong P., Li D., Zhu X. Toughness modification of hyperbranched polyester on epoxy asphalt / Constr. Build. Mater. 2016. Vol. 122. P. 473 – 477. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.087

18. Xu P., Zhu X., Cong P., et al. Modification of alkyl group terminated hyperbranched polyester on paving epoxy asphalt / Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 165 P. 295 – 302. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.182

19. Botvina L. R., Shuvalov A. N., Tyutin M. R., et al. Effect of the sample size on the mechanical and acoustic characteristics of concrete / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 10. P. 55 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-10-55-63

20. Golubkova E. V., Komina I. G., Chikantseva E. I. Validation and verification of measurement methods: opinions and views / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 2(II). P. 77 – 80 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-2-II-77-80

21. Drachev K. A., Kazarbin A. V., Rimlyand V. I. Study of changes in the mechanical and acoustic properties of epoxy resins under long-time polymerization / Industr. Lab., Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 4. P. 63 – 70 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-4-63-70

22. Starokadomsky D. L., Reshetnyk M. N. Study of restoration epoxy composites with initial and water-cured fillers / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. N 8. P. 34 – 41 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-8-34-41

23. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Cherniavsky O. F., Cherniavsky A. O. Study of the properties of materials under complicated conditions of low cycle deformation / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. N 7. P. 49 – 58 [in Russisan]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-7-49-58

24. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Cherniavsky O. F., Cherniavsky A. O. Mechanical properties of materials in calculations of low cycle deformation of structures / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. N 6. P. 52 – 59 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

25. Starchevskyy V. L., Hrynchuk Yu. M., Matcipura P. A., Reutskyy V. V. Physical and mechanical properties of asphalt concrete obtained from bitumen modified by epoxide of vegetable origin / Chemistry, Technology and Application of Substances. 2021. Vol. 4. P. 105 – 108. DOI: 10.23939/ctas2021.01.105

26. Vyrozhemskyi V., Kopynets I., Kischynskyi S., Bidnenko N. Epoxy asphalt concrete is a perspective material for the construction of roads / IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 236. N 012022. DOI: 10.1088/1757-899X/236/1/012022