vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2026-53-2-183-191vdgtu-2105Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАBUILDING AND ARCHITECTUREИсследование микроструктуры битума, модифицированного резиновой крошкой, методом атомно-силовой микроскопииAtomic force microscopy study of the Microstructure of Crumb Rubber modified BitumenКабановЮ. Е.KabanovYu. E.

Кабанов Юрий Евгеньевич, старший преподаватель кафедры автомобильных дорог и городского кадастра

650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Yuri E. Kabanov, Senior Lecturer at the Department of Highways and Urban Cadastre

28 Vesennyaya St., Kemerovo 650000

kabanovjue@kuzstu.ruИвановС. А.IvanovS. A.

Иванов Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомо-бильных дорог и городского кадастра

650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Sergey A. Ivanov, Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Head of the Department of Highways and Urban Cadastre

28 Vesennyaya St., Kemerovo 650000

isa.ad@kuzstu.ruТихоноваИ. Ю.TikhonovaI. Yu.

Тихонова Ирина Юрьевна, студентка группы КНм-251 строительного института, кафедры автомо-бильных дорог и городского кадастра

\650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Irina Yu. Tikhonova, Student of the KNm-251 group, Department of Highways and Urban Cadastre

28 Vesennyaya St., Kemerovo 650000

moskovskihiju@kuzstu.ruШабаевС. Н.ShabaevS. N.

Шабаев Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника дорожно-строительной лаборатории института цифры

650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6

Sergey N. Shabaev, Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof., Deputy Head of the Road Construction Laboratory of the Institute of Figures

6 Krasnaya St., Kemerovo 650000

shsn.ad@kuzstu.ruКузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. ГорбачеваРоссияKuzbass State Technical University named after T. F. GorbachevRussian FederationКемеровский государственный университетРоссияKemerovo State UniversityRussian Federation202610082026532183191Copyright © Кабанов Ю.Е., Иванов С.А., Тихонова И.Ю., Шабаев С.Н., 20262026Кабанов Ю.Е., Иванов С.А., Тихонова И.Ю., Шабаев С.Н.Kabanov Y.E., Ivanov S.A., Tikhonova I.Y., Shabaev S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/2105

Цель. Целью исследования является установление количественных взаимосвязей между параметрами двухстадийной технологии модификации битума резиновой крошкой, особенностями формируемой микроструктуры и физико-механическими свойствами композиционного материала для повышения качества дорожных вяжущих.Метод. В работе применен метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) для комплексного исследования микроструктуры битума, модифицированного резиновой крошкой по двухстадийной технологии, включающей стадию предварительного набухания крошки. Использованы режимы топографического сканирования и фазового контраста, позволяющие анализировать морфологию поверхности, распределение фаз и локальные механические свойства.Результат. Представлены результаты исследования микроструктуры модифицированного битума. Установлено, что двухстадийная технология обеспечивает формирование стабильной гетерогенной структуры с равномерным распределением частиц резиновой крошки размером 0.5–2.0 мкм в битумной матрице. Выявлено увеличение шероховатости поверхности в 3–5 раз по сравнению с исходным битумом. Методом фазового контраста идентифицированы компоненты композита (битумная матрица и упругие резиновые частицы) и оценено качество межфазного взаимодействия. Определено оптимальное содержание резиновой крошки, составляющее 12–15% от массы битума. Установлены количественные корреляции: увеличение дисперсности резиновых частиц на 25–30% приводит к росту эластичности на 15–20%. Доказано, что модификация повышает устойчивость к трещинообразованию на 25–30% и сопротивление колейной деформации на 20–25%.Вывод. Двухстадийный технологический процесс модификации битумов резиновой крошкой способствует формированию однородной гетерогенной структуры с равномерно распределенными упругими частицами, создающими дисперсный армирующий каркас. Это обуславливает получение вяжущего с улучшенными физико-механическими характеристиками: повышенной температурной устойчивостью, эластичностью, трещиностойкостью и сопротивлением колейности, что в целом направлено на повышение долговечности дорожных покрытий. Метод АСМ доказал свою эффективность для целенаправленного проектирования составов модифицированных битумов с заданными свойствами.

Objective. The objective of the study is to establish quantitative relationships between the parameters of a two-stage technology for bitumen modification with crumb rubber, the features of the formed microstructure, and the physico-mechanical properties of the composite material to improve the quality of road binders.Method. The work employed the method of atomic force microscopy (AFM) for a comprehensive study of the microstructure of bitumen modified with crumb rubber using a two-stage technology, which includes a stage of preliminary rubber swelling. Topographic scanning and phase contrast modes were used to analyze surface morphology, phase distribution, and local mechanical properties.Result. The article presents the results of a study of the microstructure of modified bitumen. The two-stage technology ensures the formation of a stable heterogeneous structure with a uniform distribution of rubber crumb particles measuring 0.5–2.0 μm in size within the bitumen matrix. A 3–5-fold increase in surface roughness was revealed compared to the original bitumen. Using the phase contrast method, the components of the composite (bitumen matrix and elastic rubber particles) were identified, and the quality of interphase interaction was assessed. The optimal rubber crumb content was determined to be 12–15% of the bitumen mass. Quantitative correlations were established: an increase in the dispersion of rubber particles by 25–30% leads to an increase in elasticity by 15–20%. The modification increases crack resistance by 25–30% and rutting resistance by 20–25%.Conclusion. A two-stage process for modifying bitumen with rubber crumbs promotes the formation of a homogeneous heterogeneous structure with uniformly distributed elastic particles, creating a dispersed reinforcing framework. This results in a binder with improved physical and mechanical properties: increased temperature stability, elasticity, crack resistance, and rutting resistance, which is aimed at increasing the durability of road surfaces. The AFM method has proven its effectiveness in designing modified bitumen compositions with specified properties.

битум модифицированныйрезиновая крошкаатомно-силовая микроскопиямикроструктурафазовый контрастдвухстадийная технологиядисперсностьшероховатость поверхностимеханические свойствадолговечность дорожных покрытийmodified bitumencrumb rubberatomic force microscopymicrostructurephase contrasttwo-stage technologydispersionsurface roughnessmechanical propertiesroad pavement durabilityReferencesЕмельянычева, Е.А. Исследование нефтяных модифицированных битумов методом атомной силовой микроскопии / Е.А. Емельянычева, А.И. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. – 2012. – № 12. – С. 172–174. – ISSN 1998-7072.Emel'yanysheva, E.A., & Abdullin, A.I. Study of petroleum modified bitumens by atomic force microscopy. Bulletin of the Kazan Technological University, (2012). 12), 172–174. ISSN 1998-7072. (In Russ)https://7universum.com/ru/nature/archive/item/19367. Тураев, Ф.Т. Электронно-микроскопическое исследование структуры и морфологии модифицированного битума [Электронный ресурс] / Ф.Т. Тураев, Х.С. Бекназаров // Universum: химия и биология : электрон. науч. журн. – 2025. – № 3(129). (дата обращения: 07.11.2025).https://7universum.com/ru/nature/archive/item/19367 (Accessed: 07.11.2025). Turaev, F.T., & Beknazarov, Kh.S. (2025). Electron microscopic study of the structure and morphology of modified bitumen. Universum: Chemistry and Biology, (3(129)). (In Russ)Полякова, С.В. Исследование микроструктуры резиновой крошки изношенных шин и процесса ее взаимодействия с битумом / С.В. Полякова, Ю.Э. Васильев // Дороги и мосты : сб. ст. / ФАУ «РОСДОРНИИ». – Москва, 2024. – С. 369–396.Polyakova, S.V., & Vasil'ev, Yu. E. (2024). Investigation of the microstructure of crumb rubber from worn tires and the process of its interaction with bitumen. In Dorogi i mosty: sbornik statey [Roads and Bridges: collection of articles] (pp. 369–396). Moscow: FAU "ROSDORNII". (In Russ)Охотникова, Е.С. Влияние химического состава и структуры битумов на пластические свойства битумно-полимерных систем : автореф. дис. … канд. хим. наук : 05.17.07 – Казань, 2011. – 20 с.Okhotnikova E.S. Influence of the chemical composition and structure of bitumens on the plastic properties of bitumen-polymer systems. Abstract of Candidate's thesis in Chemical Sciences. Kazan. 2011:20 (In Russ)Абдуллин, А.И. Изучение влияния полимерной добавки на свойства битумно-полимерного вяжущего / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, А.М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – № 9. – С. 205–207.Abdullin, A.I., Emel'yanysheva, E.A., & Prokopiy, A.M.. Study of the influence of a polymer additive on the properties of bitumen-polymer binder. Bulletin of the Kazan Technological University, 20211; :205–207. (In Russ)Абдуллин, А.И. Полимер модифицированный битумный композиционный материал / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, А.М. Прокопий, А.И. Юсупов // Проведение научных исследований в области инноваций и высоких технологий нефтехимического комплекса : материалы Всерос. науч. Школы для молодежи. – Казань, 2010. – С. 114.Abdullin A.I., Emel'yanysheva, E.A., Prokopiy, A. M., & Yusupov, A I. Polymer modified bituminous composite material. Proceedings of the All-Russian Scientific School for Youth "Conducting Scientific Research in the Field of Innovations and High Technologies of the Petrochemical Complex"2019;.114.(In Russ)Емельянычева, Е.А. Битумное вяжущее дорожного назначения с кремнийорганической добавкой / Е.А. Емельянычева, А.И. Абдуллин, И.Н. Дияров // Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов : материалы II Междунар. конф. РХО им. Д.И. Менделеева. – Москва, 2010. – С. 240–242.Emel'yanysheva, E.A., Abdullin, A.I., & Diyarov, I. N.Bituminous binder for road purposes with an organosilicon additive. Innovative Chemical Technologies and Biotechnology of Materials and Products: Proceedings of the II International Conference of the D.I. Mendeleev Russian Chemical Society (pp. 2010:240–242). (In Russ)Абдуллин, А.И. Полимер модифицированное битумное вяжущее с кремнийорганической добавкой / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, И.Н. Дияров, А.М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. – № 7. – С. 209–211.Abdullin, A.I., Emel'yanysheva, E.A., Diyarov, I.N., & Prokopiy, A.M. (2010). Polymer modified bituminous binder with an organosilicon additive. Bulletin of the Kazan Technological University, 2010;(7), 209–211. (In Russ)https://news.solidwaste.ru/wpcontent/uploads/2023/08/206_Sitnikova.pdf Ситникова Н.А. Рынок сбыта и переработки изношенных автомобильных шин. Твердые бытовые отходы. 2023 –Август. С.34–39. (дата обращения: 02.09.2024).https://news.solidwaste.ru/wpcontent/uploads/2023/08/206_Sitnikova.pdf (Accessed: 2.09.2024). Sitnikova N.A. Solid Municipal Waste, August, 2023;.34–39. (In Russ)Буренина, О.Н. Перспективы использования серы для модификации дорожных битумов и получения асфальтобетона из местного сырья с улучшенным комплексом технических свойств / О.Н. Буренина, В.Е. Копылов, А.В. Андреева и др. // Inorganic Materials: Applied Research. – 2023. – Т. 14, № 4. – С. 1082–1087.Burenina, O.N., Kopylov, V.E., Andreeva, A.V., et al. (2023). Prospects for using sulfur to modify road bitumens and to obtain asphalt concrete from local raw materials with an improved set of technical properties. Inorganic Materials: Applied Research, *14*(4), 1082–1087. (Translation journal)Тураев, Х.Х. Модификация серы госсиполовой смолой или пиролизным дистиллятом и получение серного бетона [Электронный ресурс] / Х.Х. Тураев, Н.Д. Аманова, Ж.М. Хайитова, Ю.А. Махмудова, Б.Б. Ахадов // Universum: технические науки : электрон. науч. журн. – 2022. – № 4(97). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13539 (дата обращения: 02.09.2024).Turaev, Kh.Kh., Amanova, N.D., Khaitova, Zh.M., Makhmudova, Yu.A., & Akhadov, B.B. (2022). Modification of sulfur with gossypol resin or pyrolysis distillate and production of sulfur concrete. Universum: Technical Sciences, (4(97)). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13539 (Accessed: 02.09.2024). (In Russ.)Росилов, М.С. Синтез органических модификаторов для получения серобитума [Электронный ресурс] / М.С. Росилов, Х.С. Бекназаров, Ж.Р. Чўлиев // Universum: технические науки : электрон. науч. журн. – 2025. – № 2(131). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19218 (дата обращения: 02.09.2024).https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19218 (Accessed: 02.09.2024). Rosilov, M.S., Beknazarov, Kh.S., & Chўliev, Zh. R. Synthesis of organic modifiers for obtaining sulfur-bitumen. Universum: Technical Sciences. 2025;(2)131)). (In Russ)Эшанкулов, Х.Н. Модификация битума серой и натуральным каучуком и его ИК-спектральный анализ [Электронный ресурс] / Х.Н. Эшанкулов, Х.Х. Тураев, И.А. Умбаров, Х.С. Бекназаров // Universum: технические науки : электрон. науч. журн. – 2022. – № 12(105). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14658 (дата обращения: 02.09.2024).Eshankulov, Kh.N., Turaev, Kh.Kh., Umbarov, I.A., & Beknazarov, Kh.S. (2022). Modification of bitumen with sulfur and natural rubber and its IR spectral analysis. Universum: Technical Sciences, (12(105)). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14658 (Accessed: 02.09.2024). (In Russ)Мирвалиев, З.З. Исследование госсиполовой смолы, ее фракции и новых производных на процесс термоокислительной деструкции каучука [Электронный ресурс] // Universum: технические науки : электрон. науч. журн. – 2020. – № 11(80). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10918 (дата обращения: 02.09.2024).Mirvaliev, Z.Z. Investigation of gossypol resin, its fractions and new derivatives on the process of thermooxidative destruction of rubber. Universum: Technical Sciences, 2020;(11(80)). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10918 (Accessed: 02.09.2024). (In Russ)Джалилов, А.Т. Исследование модификации дорожного битума элементной серой [Электронный ресурс] / А.Т. Джалилов, Х.С. Бекназаров, Ф.Т. Тураев // Universum: технические науки : электрон. науч. журн. – 2019. – № 2(59). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/6978 (дата обращения: 02.09.2024).Dzhailov A.T., Beknazarov Kh.S., & Turaev FT. Study of modification of road bitumen with elemental sulfur Universum: Technical Sciences, 2019; 2(59)). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/6978 (Accessed: 02.09.2024). (In Russ)Lesueur, D. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification / D. Lesueur // Advances in Colloid and Interface Science. – 2009. – Vol. 145, No. 1-2. – P. 42–82. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.08.011.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;145(1-2): 42–82. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.08.011Masson, J.-F. Bitumen morphologies by phase-detection atomic force microscopy / J.-F. Masson, V. Leblond, J. Margeson // Journal of Microscopy. – 2006. – Vol. 221, Pt. 1. – P. 17–29. – DOI: https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2006.01540.x.Masson, J.-F., Leblond, V., & Margeson, J. Bitumen morphologies by phase-detection atomic force microscopy. Journal of Microscopy, 2006; 21(Pt 1), 17–29. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2006.01540.xLim, M.K. Material properties and environmental benefits of hot-mix asphalt mixes including local crumb rubber obtained from scrap tires / M.K. Lim, C.W. Loo, C.P. Chuin et al. // Environments. – 2021. – Vol. 8, No. 6. – Art. No. 47. – DOI: https://doi.org/10.3390/environments8060047.Lim, M.K., Loo, C.W., Chuin, C.P., et al. (2021). Material properties and environmental benefits of hot-mix asphalt mixes including local crumb rubber obtained from scrap tires. Environments, *8*(6), 47. https://doi.org/10.3390/environments8060047Medina, J.R. Micromechanical shear modulus modeling of activated crumb rubber modified asphalt cements / J.R. Medina, B.S. Underwood // Construction and Building Materials. – 2017. – Vol. 150. – P. 56–65. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.216.Medina, J.R., & Underwood, B.S. (2017). Micromechanical shear modulus modeling of activated crumb rubber modified asphalt cements. Construction and Building Materials, 2017;150: 56–65. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.216Mashaan, N.S. Effect of blending time and crumb rubber content on properties of crumb rubber modified asphalt binder / N.S. Mashaan, A.H. Ali, M.R. Karim et al. // International Journal of Physical Sciences. – 2011. – Vol. 6, No. 9. – P. 2189–2193.Mashaan N.S., Ali, A.H., Karim, M.R., et al. Effect of blending time and crumb rubber content on properties of crumb rubber modified asphalt binder. International Journal of Physical Sciences, 2011;6(9):2189–2193.Ibrahim, M.R. A review on the effect of crumb rubber addition to the rheology of crumb rubber modified bitumen / M.R. Ibrahim, H. Katman, M.R. Karim et al. // Advances in Materials Science and Engineering. – 2013. – Art. ID 415246. – DOI: https://doi.org/10.1155/2013/415246.Ibrahim, M.R., Katman, H., Karim, M.R., et al. (2013). A review on the effect of crumb rubber addition to the rheology of crumb rubber modified bitumen. Advances in Materials Science and Engineering, 2013, Article ID 415246. https://doi.org/10.1155/2013/415246Abdulwahab, B. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture / B. Abdulwahab, A. Al-Hadidy, T. Yi-Qiu // Materials and Structures. – 2016. – Vol. 49, No. 5. – P. 1949–1963. – DOI: https://doi.org/10.1617/s11527-015-0626-2.Abdulwahab, B., Al-Hadidy, A., & Yi-Qiu, T. (2016). Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture. Materials and Structures, *49*(5), 1949–1963. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0626-2Mull, M.A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement / M.A. Mull, K. Stuart, A. Yehia // Journal of Materials Science. – 2002. – Vol. 37, No. 3. – P. 557–566. – DOI: https://doi.org/10.1023/A:1013739323829.Mull, M.A., Stuart, K., & Yehia, A Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement. Journal of Materials Science, 2002;37(3):557–566. https://doi.org/10.1023/A:1013739323829Kim H. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders / H. Kim, S. Lee, S. Amirkhanian // KSCE Journal of Civil Engineering. 2010;14(6): 839–843. – DOI: https://doi.org/10.1007/s12205-010-0995-6.Kim, H., Lee, S., & Amirkhanian, S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders. KSCE Journal of Civil Engineering, 2010; 14 (6):839–843. https://doi.org/10.1007/s12205-010-0995-6Morrison, G.R. A new look at rubber-modified asphalt binders / G.R. Morrison, S.A. M. Hesp // Journal of Materials Science. – 1995. – Vol. 30, No. 10. – P. 2584–2590. – DOI: https://doi.org/10.1007/BF00362131.Morrison, G.R., & Hesp, S.A.M. (1995). A new look at rubber-modified asphalt binders. Journal of Materials Science, *30*(10), 2584–2590. https://doi.org/10.1007/BF00362131Chuan, X. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture / X. Chuan, L. Tianqing, Q. Yanjun // Journal of Modern Transportation. – 2013. – Vol. 21, No. 4. – P. 273–280. – DOI: https://doi.org/10.1007/s40534-013-0032-9.Chuan, X., Tianqing, L., & Yanjun, Q. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture. Journal of Modern Transportation, 2013;21(4):273–280. https://doi.org/10.1007/s40534-013-0032-9Lu, X. Phase separation of SBS polymer modified bitumens / X. Lu, U. Isacsson // Journal of Materials in Civil Engineering. 1999; 11(1):51–57. – DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(1999)11:1(51).Lu, X., & Isacsson, U. (1999). Phase separation of SBS polymer modified bitumens. Journal of Materials in Civil Engineering, 1999;11(1):51–57. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(1999)11:1(51)Read, J. The Shell Bitumen Handbook. – 5th ed. – London : Thomas Telford Publishing, 2003. – 490 p.Read, J., & Whiteoak, D. (2003). The Shell Bitumen Handbook (5th ed.). London: Thomas Telford Publishing.Becker Y., Mendez, M.P., & Rodriguez, Y. Polymer modified asphalt. Vision Tecnologica, 2001;9(1): 39–50.Becker Y., Mendez, M.P., & Rodriguez, Y. Polymer modified asphalt. Vision Tecnologica, 2001;9(1): 39–50.https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.08.014 Tayfur, S., Ozen, H., & Aksoy, A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers. Construction and Building Materials, 2007;21(2):328–337.https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.08.014. Tayfur, S., Ozen, H., & Aksoy, A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers. Construction and Building Materials, 2007;21(2):328–337.

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