Analysis of the structure of bitumen-polymer composites based on IR spectroscopy data

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Background: The use of bitumen-polymer composites is a relevant and promising approach to improving the performance characteristics of bituminous materials in road construction. Studying the structure and interaction mechanisms of components in such composites enables the optimization of formulations and enhancement of the final product’s quality.

Aim: The aim of this research is to investigate the structure and the nature of interactions between the components of bitumen-polymer composites based on bitumen, polypropylene, and heavy petroleum residues using infrared (IR) spectroscopy.

Materials and methods: The IR spectroscopy method was used to analyze structural changes in the composites. The spectra of the initial components (bitumen, polypropylene, heavy petroleum residues) and the modified bitumen were studied. A comparative analysis of the position and intensity of characteristic absorption bands corresponding to the main functional groups was carried out.

Results: It was found that the introduction of polypropylene causes changes in the bitumen absorption spectra, particularly in the region of the stretching vibrations of carbon-hydrogen and carbon-oxygen bonds. This indicates structural transformations and redistribution of molecular interactions within the system. The additional incorporation of heavy petroleum residues amplifies these effects, resulting in changes in the physical properties of the composite, – notably, increasing the softening temperature and decreasing penetration. It was shown that the degree of interaction between components depends on polymer concentration and modification conditions.

Conclusion: The obtained results reveal the mechanisms of structure formation and component interaction in bitumen-polymer composites, providing a scientific foundation for optimizing modified bitumen formulations. The work contributes to the development of research methodologies and expands the application of bituminous materials in construction and road industries.

Sobre autores

Gaini Seitenova

Association of Producers and Consumers of Petrogaschemical Products (Petrogaschemical Association)

Email: gainiseitenova@gmail.com
ORCID ID: 0000-0001-6202-3951

Cand. Sc. (Chemistry)

Cazaquistão, Astana

Ayazhan Syzdyk

Eurasian National University

Email: ayazhanka.syzdyk@gmail.com
ORCID ID: 0009-0007-4435-0976
Cazaquistão, Astana

Asel Jexembayeva

Eurasian National University

Email: dzhexembayeva_aye@enu.kz
ORCID ID: 0009-0009-6153-9580

PhD

Cazaquistão, Astana

Rizagul Dyussova

Toraighyrov University

Autor responsável pela correspondência
Email: rizagul.dyussova@gmail.com
ORCID ID: 0000-0003-3083-5255

Cand. Sc. (Engineering)

Cazaquistão, Pavlodar

Bibliografia

  1. Weigel S., Stephan D. Bitumen Characterization with Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Multivariate Evaluation: Prediction of Various Physical and Chemical Parameters // Energy & Fuels. 2018. Vol. 32, Issue 10. P. 10437–10442. doi: 10.1021/acs.energyfuels.8b02096.
  2. Ma L., Varveri A., Jing R., Erkens S. Chemical characterisation of bitumen type and ageing state based on FTIR spectroscopy and discriminant analysis integrated with variable selection methods // Road Materials and Pavement Design. 2023. Vol. 24. P. 506–520. doi: 10.1080/14680629.2023.2181008.
  3. Xing C., Liu L., Li M. Chemical Composition and Aging Characteristics of Linear SBS Modified Asphalt Binders // Energy & Fuels. 2020. Vol. 34, Issue 4. P. 4194–4200. doi: 10.1021/acs.energyfuels.9b04523.
  4. Werkovits S., Bacher M., Theiner J., et al. Multi-spectroscopic characterization of bitumen and its polarity-based fractions // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 352. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128992.
  5. Yadykova A.Y., Strelets L.A., Ilyin S.O. Infrared Spectral Classification of Natural Bitumens for Their Rheological and Thermophysical Characterization // Molecules. 2023. Vol. 28, Issue 5. doi: 10.3390/molecules28052065.
  6. Olabemiwo O.M., Esan A.O., Bakare H.O., Agunbiade F.O. Polymer modified-natural bitumen thermal aging resistance studies // International Journal of Pavement Engineering. 2019. Vol. 20, Issue 10. P. 1207–1215. doi: 10.1080/10298436.2017.1394102.
  7. Fini E.H., Hosseinnezhad S., Oldham D.J., Sharma B.K. Investigating the effectiveness of liquid rubber as a modifier for asphalt binder // Road Materials and Pavement Design. 2016. Vol. 17, Issue 4. P. 825–840. doi: 10.1080/14680629.2015.1124800.
  8. Marafi A., Albazzaz H., Rana M.S. Hydroprocessing of heavy residual oil: Opportunities and challenges // Catalysis Today. 2019. Vol. 329, Iss 1. P. 125–134. doi: 10.1016/j.cattod.2018.10.067.
  9. Zofka A., Maliszewska D., Maliszewski M., Boratyński J. Application of FTIR ATR method to examine the polymer content in the modified bitumen and to assess susceptibility of bitumen to ageing // Roads and Bridges. 2015. Vol. 14, N 3. P. 163–174. doi: 10.7409/rabdim.015.011.
  10. Muraza O., Galadima A. Aquathermolysis of heavy oil: A review and perspective on catalyst development // Fuel. 2015. Vol. 157, Iss 1. P. 219–231. doi: 10.1016/j.fuel.2015.04.065.
  11. Belyaev P.S., Frolov V.A., Belyaev V.P., et al. Petroleum bitumen and polymer-bitumen binders: Current state and Russian specifics. Review // Oil and Gas Engineering. 2021. Vol. 2412, Issue 1. doi: 10.1063/5.0075420.
  12. Kayukova G.P., Vakhin A.V., Mikhailova A.N., et al. Road bitumen’s based on the vacuum residue of heavy oil and natural asphaltite: Part I – chemical composition // Petroleum Science and Technology. 2017. Vol. 35, issue 16. P. 1680–1686. doi: 10.1080/10916466.2017.1356852.
  13. Primerano K., Mirwald J., Lohninger J., Hofko B. Characterization of long-term aged bitumen with FTIR spectroscopy and multivariate analysis methods // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 409. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2023.133956.
  14. Elwardany M., Habbouche J., Andriescu A., et al. Comprehensive performance evaluation of high polymer-modified asphalt binders beyond linear viscoelastic rheological surrogates // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 351. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128902.
  15. Luo S., Tian J., Liu Z., et al. Rapid determination of styrene-butadiene-styrene (SBS) content in modified asphalt based on Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer and linear regression analysis // Measurement. 2020. Vol. 151. doi: 10.1016/j.measurement.2019.107204.
  16. Lim C.S., Jang D.S., Yu S.M., Lee J.J. Analysis of the Properties of Modified Asphalt Binder by FTIR Method // Materials. 2022. Vol. 15, Issue16. doi: 10.3390/ma15165743.
  17. Sun G., Li B., Sun D., et al. Chemo-rheological and morphology evolution of polymer modified bitumens under thermal oxidative and all-weather aging // Fuel. 2021. Vol. 285. doi: 10.1016/j.fuel.2020.118989.
  18. Yang Q., Lin J., Wang X., et al. A review of polymer-modified asphalt binder: Modification mechanisms and mechanical properties // Cleaner Materials. 2024. Vol. 12. doi: 10.1016/j.clema.2024.100255.
  19. Weigel S., Stephan D. The prediction of bitumen properties based on FTIR and multivariate analysis methods // Fuel. 2017. Vol. 208. P. 655–661. doi: 10.1016/j.fuel.2017.07.048.
  20. Xu M., Zhang Y., Zhao P., Liu C. Study on aging behavior and prediction of SBS modified asphalt with various contents based on PCA and PLS analysis // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 265. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120732.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Figure 1. IR spectra of bitumen, heavy oil residue, and secondary polypropylene

Baixar (145KB)
Metadados
3. Figure 2. IR spectra of bitumen–polymer composites with different mass ratios of bitumen and polymer

Baixar (121KB)
Metadados
4. олимера и тяжёлого нефтяного остатка Figure 3. IR spectra of bitumen–polymer composites with varying contents of bitumen, polymer, and heavy oil residue

Baixar (51KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Seitenova G., Syzdyk A., Jexembayeva A., Dyussova R., 2025

Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição–NãoComercial–SemDerivações 4.0 Internacional.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».