Исследование микроструктуры битума, модифицированного резиновой крошкой, методом атомно-силовой микроскопии

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.

1. Емельянычева, 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.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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).

10. 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.

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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).

15. 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).

16. 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.

17. Masson, 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.

18. Lim, 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.

19. Medina, 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.

20. Mashaan, 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.

21. 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.

22. Abdulwahab, 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.

23. Mull, 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.

24. Kim 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.

25. Morrison, 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.

26. Chuan, 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.

27. Lu, 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).

28. Read, J. The Shell Bitumen Handbook. – 5th ed. – London : Thomas Telford Publishing, 2003. – 490 p.

29. Becker Y., Mendez, M.P., & Rodriguez, Y. Polymer modified asphalt. Vision Tecnologica, 2001;9(1): 39–50.

30. 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.