Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Резинобитумные материалы дорожно-строительного назначения 12
1.2. Перспективы применения резинобитумных материалов для строительства карьерных дорог 1.2.1. Роль автомобильных коммуникаций при открытом способе разработки полезных ископаемых 16
1.2.2. Анализ возможности применения покрытий усовершенствованного типа на карьерных дорогах 21
1.3. Проблемы дорожного строительства в карьерах предприятий Республики Саха
(Якутия) 28
Выводы к главе 1 33
Глава 2. Характеристики обьектов и методов исследования 34
2.1. Характеристика объектов исследований 34
2.2. Исследования свойств резин 36
2.2.1. Измерение размера частиц резиновой крошки 36
2.3. Электронно-микроскопическое исследование надмолекулярной структуры композиций 36
2.4. Адсорбционный анализ 37
2.5. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) 37
2.6. Структурные исследования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) 38
2.7. Исследования методом инфракрасной спектроскопии (ИКС) 38
2.8. Ситовый анализ 38
2.9. Исследования свойств битума 38
2.10. Методы определения физико-механических свойств асфальтобетона 39
2.11. Определение несущей способности дорожной одежды 39
2.12. Определение коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием 40
Глава 3 Разработка технологических режимов механоактивации резиновой крошки 42
3.1. Получение и модификация резиновой крошки 42
3.2. Исследование свойств механoактивированной резиновой крошки 46
3.3. Влияние продолжительности механоактивации на свойства резиновой крошки 58
3.4. Влияние массы мелющих тел на свойства механоактивированной резиновой крошки 62
Выводы к главе 3 65
Глава 4 Определение влияния характеристик резинобитумной композиции на свойства асфальтобетона 66
4.1. Исследование свойств резинобитумных композитов 66
4.1.1. Модификатор резиновой крошки 66
4.1.2. Определение основных свойств модифицированных битумов 70
4.1.3 Структурные исследования модифицированных битумов 74
4.2. Получение и свойства модифицированного асфальтобетона 79
4.3. Исследование физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонов82
Выводы к главе 4 88
Глава 5 Технико-экономическое обоснование применения модифицированного асфальтобетона 89
5.1 Оценка работоспособности дорожной одежды с разработанным асфальтобетоном 89
5.2 Технико-экономическое обоснование проекта 91
5.3 Внедрение результатов исследования 98
Выводы к главе 5 100
Заключение 101
Список использованных источников 103
- Роль автомобильных коммуникаций при открытом способе разработки полезных ископаемых
- Измерение размера частиц резиновой крошки
- Влияние продолжительности механоактивации на свойства резиновой крошки
- Определение основных свойств модифицированных битумов
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность использования и повышения производительности автотранспорта отечественных горнодобывающих предприятий в значительной степени сдерживается низким фактическим качеством технологических дорог, недостаточной прочностью и долговечностью используемых покрытий. В частности, на кимберлитовых карьерах Республики Саха (Якутия) всего 10 % дорог имеют твердое покрытие.
Вместе с тем, на горнодобывающих карьерах накапливается большой объем отработанных шин. Проблема их переработки имеет важное экологическое значение. В настоящее время в мире активно применяются и разрабатываются установки и линии по получению резиновой крошки. Это обстоятельство является значимым фактором при выборе резиновой крошки в качестве модификаторов битумов для строительства карьерных дорог. Такой подход позволит решить как проблему повышения качества карьерных дорог, так и проблемы охраны окружающей среды и ресурсосбережения.
Работа выполнена в рамках проекта № 2010-21801-001 «Создание комплексной инновационной экологически безопасной технологии добычи и переработки алмазоносных руд в условиях Крайнего Севера» (ФЦП «Создание высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения», 2010-2012 гг.) и Госконтракта РС(Я) № 1150 «Разработка модифицированных связующих материалов на основе местного сырья для повышения качества асфальтобетонов, соответствующих по свойствам климатическим условиям Республики Саха (Якутия)», 2011-2013 гг.
Степень разработанности темы. Исследованиям, связанными с разработкой резинобитумных и полимербитумных материалов, технологией модификации резиновой крошки посвящены труды ряда отечественных и зарубежных ученых: Л.Б. Гезенцвея, Н.В. Горелышева, В.С. Прокопца, Л.М. Гохмана, Н.В. Смирнова, В.А. Золотарева, А.В. Руденского, И.М. Руденской, В.Д. Галдиной и других.
Одной из трудно решаемых задач при получении резинобитума является повышение совместимости резины с органическим вяжущим. При этом разрабатываются и применяются различные технологии и подходы: метод высокотемпературного сдвигового измельчения резины (композиционный материал Унирем), использование специальных реагентов-катализаторов (технология БИТРЭК), получение в ударном дезинтеграторе резино-песчанного порошка (разработка СибАДИ) и другие.
Несмотря на то, что резинобитумный асфальтобетон достаточно широко применяется как долговечный и прочный материал, возможности его использования в северных регионах России, в частности, для строительства технологических дорог на предприятиях горнодобывающего комплекса, изучены недостаточно.
Целью работы является разработка асфальтобетона на основе резинобитумного композита для строительства дорог горнодобывающих предприятий Республики Саха (Якутия).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка технологии активации резиновой крошки с целью получения эффективного резинобитумного вяжущего для асфальтобетонных покрытий дорог карьеров северных регионов РФ в аспекте современных требований к качеству технологических дорог горнодобывающих предприятий и с учетом климатических особенностей региона;
исследование свойств битумов, модифицированных резиновой крошкой различной дисперсности и природным цеолитом;
подбор состава асфальтобетонной смеси с использованием разработанного резинобитумного композита и исследование его основных свойств;
разработка состава модифицированного асфальтобетона и обоснование его внедрения на горнодобывающих предприятиях Республики Саха (Якутия).
Рабочая гипотеза диссертационного исследования базируется на предположении о том, что применение резиновой крошки и природного цеолита, обработанных механоактивационным способом, позволит улучшить совместимость резины с битумом. Полученная резинобитумная композиция обеспечит улучшенный комплекс эксплуатационных свойств асфальтобетона и позволит эффективно применять его для строительства карьерных дорог в зонах с холодным климатом.
Научная новизна.
Обосновано применение механической активации в планетарной мельнице как эффективного способа поверхностной модификации резиновой крошки для повышения ее реакционной способности при совмещении с битумом. Выявлены эффекты активационного действия, заключающиеся в уменьшении дисперсности частиц, повышении удельной поверхности и миграции свободной серы из объема резиновой крошки к поверхности, что обеспечивает улучшение взаимодействия на границе раздела фаз.
Показано, что для улучшения взаимодействия на границе раздела фаз «резиновая крошка – битум» эффективно использование нанопористого наполнителя природного происхождения – цеолита, который благодаря высокой поверхностной активности выступает в качестве структурообразующего элемента и способствует совмещению резиновой крошки и битума с образованием развитой межфазной границы. Введение механоактивированного цеолита в количестве 2% от массы резиновой крошки позволяет получить структурированный материал с расширенным по сравнению с базовым битумом интервалом пластичности.
Выявлены закономерности влияния дисперсности резинового порошка и способов его активации на свойства модифицированного асфальтобетона. Установлено, что введение резинового модификатора позволяет не только
улучшить физико-механические характеристики асфальтобетона, но и повысить сцепные качества дорожного покрытия с шинами. Это дает возможность увеличить угол продольного уклона, что является важным показателем при строительстве карьерных дорог.
Теоретическая и практическая значимость.
Выявлены параметры механической обработки резиновой крошки, позволяющие, в сочетании с применением поверхностного модификатора, добиться прочного взаимодействия битума с резиной за счет эффекта структурирования.
Разработана и запатентована технология модификации резиновой крошки, позволившая повысить ее структурную активность при введении в углеводородные матрицы, в т.ч. в дорожный битум, заключающаяся в обработке крошки в планетарной мельнице.
Разработан и запатентован состав асфальтобетона, отвечающий требованиям эксплуатации в районах с холодным резко-континентальным климатом, как на дорогах общего пользования, так и на карьерных дорогах северных регионов РФ. Проведено технико-экономическое обоснование асфальтобетона.
Методология и методы диссертационного исследования.
Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных учёных в области строительного материаловедения, строительной геотехнологии, теории композиционных материалов, битумов и асфальтобетонов. Информационную базу составляют монографические работы, статьи в периодических изданиях и научных сборниках, материалы научно-практических конференций по исследуемой теме.
При проведении исследований использовались современные физико-химические методы исследования процессов структурообразования (атомно-силовая, растровая электронная, оптическая микроскопии, инфракрасная спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, адсорбционный анализ) и стандартизованные методы определения свойств эластомеров, битумов и асфальтобетонов, а также другие нормативные и высокоинформативные методы исследования.
Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается применением апробированных, в том числе стандартизованных, методик, современного испытательного оборудования и статистической обработки результатов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее положения были доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Полимерные композиты в трибологии» (Гомель, 2005, 2007), «Ломоносов» (Москва, 2007), «Материалы и конструкции в экстремальных условиях» (Киев, 2008), «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2008), «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (Якутск, 2009),
«Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2007, 2008, 2011), «Рудник будущего» (Пермь, 2011); международных симпозиумах: Курдюмовские чтения «Синергетика в естественных науках» (Тверь, 2011, 2013), «EURASTRENCOLD» (Якутск, 2006, 2008, 2010, 2014); Всероссийских конференциях: «Физика и химия высокомолекулярных систем» (Томск, 2008), «Материаловедение, технология и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009), «Modern materials and technologies» (Хабаровск, 2011); Конференции по макромолекулярной химии (Улан-Удэ, 2008), мiжнародная конференция «Форум гiрникiв» (Днiпропетровськ, 2012), VII школа-семинар молодых ученых России (Улан-Удэ, 2013), «Химия: образование, наука, технология» (Якутск, 2014), «Резиновая промышленность: сырье, материалы, технологии» (Москва, 2015), «Природопользование в Арктике: современное состояние и перспективы развития» (Якутск, 2015).
Внедрение результатов работы. Разработанный асфальтобетон рекомендован для строительства карьерных дорог в условиях углубочной зоны Нюрбинского карьера Накынского рудного поля Республики Саха (Якутия) (ОАО АК «АЛРОСА»). Сооружен эскпериментальный участок дороги с разработанным асфальтобетонным покрытием на трассе федерального значения «Вилюй». Получен 1 акт внедрения.
Публикации. Результаты исследований отражены в 35 публикациях, включающих 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций, 2 патентах РФ.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 128 страницах, состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, 2 приложений, содержит 32 таблицы, 20 рисунков. Библиографический список включает 151 наименований.
Роль автомобильных коммуникаций при открытом способе разработки полезных ископаемых
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике дорожного строительства используют для модификации битумов используют серу, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутилкаучук, хлоропрен и др.), органо-марганцевые компаунды, термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат (EVA), термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры, блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС)), целесообразность применения которых в каждом конкретном случае обосновывается с технической и экономической точек зрения, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость обычного битума [8-9]. Целесообразным с экологической точки зрения при учете вышеуказанных материаловедческих факторов является получение композиционных материалов на основе битума с применением резиновой крошки (РК) – резинобитумов. Резинобитумные материалы уже достаточно распространены в отечественной и зарубежной практике дорожного строительства. Резинобитум получают путем смешивания измельченной шинной резины различной дисперсности с битумом и добавками [6-11]. При этом определяющим условием является совместимость битума и резины. Одной из трудно решаемых задач при создании резинобитума является растворение или девулканизация резины в органическом вяжущем (битуме, гудроне). Набухание резины происходит вследствие частичного растворения в ароматических и нафтеновых (с кольцевой структурой) маслах. В результате совместной термомеханической обработки резины и битума происходит: набухание резины в масляных фракциях битума; ослабление межмолекулярных связей в резине; девулканизация резины (т.е. разрыв по ослабленным связям), в результате чего образующееся каучуковое вещество структурирует битум [8-9].
Технологические режимы растворения резины в битуме зависят от многих факторов: типа каучука, входящего в состав резины; состава битума (органического вяжущего), т.е. от процесса очистки и типа сырья; вида пластификаторов; дисперсности резиновой крошки; времени и температуры смешивания [9].
В работе [6] показано, что резиновый порошок оказывает на битум более выраженное структурирующее воздействие в сравнении с обычно применяемым известняковым минеральным порошком. Это приводит к упрочнению дисперсной системы «битум - минеральный порошок», содержащий часть резинового порошка, а, следовательно, и к упрочнению асфальтобетона, особенно при высоких эксплуатационных температурах. Наиболее характерным свойством резинобитумных асфальтобетонов является их повышенная эластичность в широком интервале температур. При высоких эксплуатационных температурах это означает большую способность асфальтобетона к работе в упругой стадии, что предопределяет меньшую склонность к накоплению остаточных деформаций, а при отрицательных температурах - большую дефoрмативную склонность, и, следовательно, повышенную трещинoстойкость. Наиболее отчетливо эластичность асфальтобетонов проявляется при периодически повторяющихся циклах нагрузка - разгрузка [8].
Опыт применения резиновых порошков в дорожном строительстве позволяет выделить следующие эксплуатационные характеристики дороги, на которые влияет модификация асфальтобетона резиновой крошкой [9]: повышается сцепление колеса с покрытием, снижаются колееобразование, толщина водяной пленки во время дождя за счет снижения смачиваемости дорожного покрытия, как следствие снижаются гололедные явления, изменяются поровая структура, а также коррозионные свойства асфальтобетонов (на порядок понижается коэффициент фильтрации и на 20-30% увеличивается коэффициент морозостойкости).
Физико-механические характеристики асфальтобетонов на основе резинобитумных материалов по многим показателям превосходят свойства стандартных асфальтобетонов. Модификация битумов дробленой резиной позволяет увеличить тепло-, морозо-, атмосферостойкость и стойкость к агрессивным средам, пластичность и эластичность композиций, повысить срок службы битумных строительных материалов [5-6, 8-Ю]. Тем самым, значительно экономятся материальные, трудовые и энергетические ресурсы, уменьшается материалоемкость покрытий за счет уменьшения толщины дорожной одежды.
Использование измельченной шинной резины в большинстве случаев предполагает ее модификацию, которая позволяет существенно расширить области и объемы применения резиновой крошки, и в ряде случаев применение такой крошки более эффективно, чем использование регенерата из отработанной резины.
Анализ ряда работ [6, 8-Ю, 12-23], посвященных этой теме позволяет выделить следующие методы модификации резиновой крошки: химическая обработка или девулканизация измельченной резины, физико-химическая модификация измельченной резины с разрушением полимерных связей (аналогично регенерации), физическая обработка.
Измерение размера частиц резиновой крошки
В представляемой работе резиновая крошка получена измельчением отработанных шин, соответствующих ГОСТ 8407-89 «Сырье вторичное резиновое. Покрышки и камеры шин. ТУ», на режущей мельнице «Pulverisette 15» фирмы «Fritch» (Германия) [81]. Размеры использованных сит - 0,25, 0,50 и 0,75мм. Полученное резиновое сырье отвечает требованиям ТУ 38-108035-97 «Резина дробленая марок РД, РДС и РДК».
Механоактивацию резиновой крошки проводили на планетарной мельнице «АГО-2» (Россия) с частотой вращения водила - 730 об/мин и частотой вращения барабанов - 1780 об/мин [82].
Для изучения динамики поведения резиновой крошки в среде нефтяных битумов изучены модельные резиновые смеси, содержащие резиновую крошку. Проецирование свойств наполненных крошкой резин, на свойства резинобитумных композиций, становится возможным благодаря подобности свойств матриц. Резиновая смесь В-14 изготавливается по ОСТ 88 0.026.201-80 [76].
В качестве поверхностного модификатора резиновой крошки использовали цеолит. Природный цеолит месторождения Хонгуруу Кемпендяйского цеолитоносного района Республики Саха (Якутия) представляет собой каркасный алюмосиликат - клиноптилолит со средним размером частиц 4-10 мкм. Относительно малое содержание примесей, высокая термическая стойкость якутских цеолитоносных горных пород в сочетании с невысокой стоимостью делают природные цеолиты перспективным модификатором композиционных материалов [77-80].
Резинобитумную композицию в случае применения природного цеолита готовили путем первоначального смешения резиновой крошки и цеолита в лопастном смесителе, а затем смешения с битумом. Резиновая крошка вводилась в количестве 7% от массы вяжущего, цеолит - в количестве 2% от массы резиновой крошки. Для приготовления смесей применялся битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130 соответствующий ГОСТ 22245-90. В качестве крупного заполнителя асфальтобетонной смеси применяли щебень и отсев из плотных горных пород соответствующий требованиям ГОСТ 8267-93, производства ООО «Гранит» из известняка с карьера «Платоновский» Республика Саха (Якутия). В качестве мелкого заполнителя выбран кварцевый песок, добывающийся на карьере «ДСК» Республика Саха (Якутия), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93. В качестве минерального порошка применялась карбонатная мука, производимая ОАО ПО «Якутцемент» (табл. 2.1) ГОСТ Р 52129-2003. Таблица 2.1 – Состав известнякового минерального порошка СaO Si02 A1203 MgO Fe203 К2O Na20 41,0-51,0 5,0-14,0 1,5-4,0 0,5-2,5 0,5-1,6 0-0,65 0-0,15 Для приготовления образцов асфальтобетона выбрана смесь – мелкозернистый плотный асфальтобетон тип «Б» марка II (табл. 2.2). Таблица 2.2 – Состав материала для смеси мелкозернистый плотный тип «Б» марка II Материал Расход материала, % Минеральная часть асфальтобетона 100 Битум 6-7 Резиновая крошка 7 от массы битума Цеолит 2 от массы резиновой крошки 2.2. Исследования свойств резин Упруго-прочностные свойства резин определяли на испытательной машине UTS-2 (Германия) в соответствии с ГОСТ 270-75 «Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении». Морозостойкость определяли в соответствии с ГОСТ 408-78 «Резина. Методы определения морозостойкости при растяжении». Абразивную стойкость резин оценивали по методу определения сопротивления истиранию в соответствии ГОСТ 23509-79 «Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении по возобновляемой поверхности».
Изучение фазовой организации и надмолекулярной структуры композиций проводилось с помощью микроскопа марки JSM-6460 (фирма JEOL, Япония) с гарантированным разрешением 2 А. Применяли ускоряющее напряжение 80кV, режим на просвет и методику реплик с низкотемпературных сколов образцов, полученных в среде жидкого азота. Для повышения контраста применяли напыление углеродом или золотом [86]. Электронные микрофотографии, отражающие основные особенности морфологии каждого образца, получены в результате просмотра не менее 100 полей зрения. Увеличение выбиралось из условия получения максимальной информации.
Исследования проводились одноточечным методом БЭТ (Brunauer-Emmetteller) по стандарту ASTMD5816 на приборе «СОРБТОМЕТР ТМ» (Россия), при этом измеряли удельную поверхность испытуемого образца.
В качестве газа-адсорбента выбран азот - наиболее широко распространенный газ, используемый для определения общей площади поверхности, поскольку он показывает промежуточные значения константы С (50-250) для большинства твердых поверхностей, причем при использовании азота не наблюдается ни локальной адсорбции, ни поведения газа как двуразмерного. Поскольку показано [87], что константа С влияет на величину площади поперечного сечения адсорбата, доступный диапазон значений константы С для азота позволяет произвести расчет площади поперечного сечения исходя из свойств жидкого азота. Для гексагонального плотного монослоя азота при 77 К площадь поперечного сечения Acs для азота составляет 16,2 2.
Влияние продолжительности механоактивации на свойства резиновой крошки
В главе 1 показана перспективность применения РК в качестве модификатора дорожного битума [5-22]. В настоящее время в мире применяется и разрабатывается большое число линий по переработке отработанных шин [93-105]. Наибольшим разнообразием на рынке представлены установки и линии по получению резиновой крошки [93, 99 102]. Это обстоятельство является значимым фактором при выборе модификаторов битумов для строительства карьерных дорог: на горнодобывающих карьерах скапливаются изношенные шины, представляющие экологическую угрозу. Их переработка позволит решить как проблему охраны окружающей среды, так и проблему ресурсосбережения. Установку по измельчению шин можно разместить на территории предприятия и получать сырье собственного производства. В представляемой работе резиновую крошку для исследований получали из отработанных шин измельчением на лабораторной режущей мельнице «Pulverisette 15». В работах большинства исследователей резинобитумных материалов показано, что для модификации битумов следует применять резиновые порошки фракцией 0-1 мм [6-10, 13-15, 18-20]. Для работы использовали сита следующих размеров: 0,25, 0,50 и 0,75мм. Измельчение материала происходит в камере мельницы «Pulverisette 15» при действии четырех вращающихся и трех неподвижных ножей из нержавеющей стали. Конструкция мельницы позволяет выводить из зоны порошок с заданной дисперсностью в накопитель через сито, находящееся внизу камеры, в отличии от других устройств, в которых диспергируемый материал может возвращаться в зону измельчения, что приводит к неоднородностям по размерами, возникновению в материале дополнительных значительных деформаций и структурных изменений, что может негативно отражаться на его свойствах. Получение материала заданной дисперсности проводится путем последовательной замены сит от 10 мм до 0,25 мм и повторным пропусканием материала до получения требуемой дисперсности [81].
Исследования размеров резиновой крошки [107] показали, что при измельчении резины крошка имеет несколько большие размеры частиц (40-45%), чем заданные размеры сит. Это связано с эластичностью исходного материала, который под действием на контрножей проходит через сито меньшего размера.
Как показывают исследования [6-10, 13-15, 18, 19], применение резиновой крошки в составе битумных композитов без предварительной обработки является нецелесообразным. Несвязанная резина со временем выкрашивается из асфальтобетона, при этом происходит резкое ухудшение его эксплуатационных характеристик.
Для оптимизации взаимодействия на межфазной границе «битум-резина» предложено проведение предварительной механoактивации резиновой крошки в планетарной шаровой мельнице. Основными причинами увеличения реакционной способности полимеров в результате механoактивационной обработки являются [24-27]: уменьшение размеров частиц и увеличение поверхностной энергии; образование свежей поверхности с нескомпенсированными связями; механическое повреждение полимерных цепей и формирование свободных радикалов.
Механоактивация относится к числу новых технологических методов, влияющих на процессы структурообразования в материалах и позволяющих увеличить реакционную способность твердых тел за счет повышения дефектности кристаллической структуры и увеличения их поверхностной энергии [25].
В работе [106] показано, что для измельчения резины требуется значительно большее количество энергии, чем для минеральных веществ. Однако, следует учитывать, что при повышенных температурах происходит процесс деструкции резины, при котором она теряет ценные свойства. Все вышесказанное следует учитывать при выборе механоактивационного оборудования.
Известен способ механоактивации резиновой крошки для дорожного асфальтобетона [6, 7, 10], при котором обработка проводится в дезинтеграторах (измельчители – активаторы интегрально-ударного принципа действия) совместно с песком, применяемым в качестве абразивного компонента. Материалы, полученные с использованием этой технологии, отличаются улучшенными физико-механическими (предел прочности при сжатии, водостойкость при длительном насыщении) и технологическими свойствами.
В отличие от вышеупомянутого способа в данной работе механоактивацию резиновой крошки проводили в планетарной шаровой мельнице. Мельницы-активаторы такого типа, обеспечивают очень высокий уровень энергетического воздействия на материал (до 60g) за счет действия центробежных сил, сил Кориолиса и механического воздействия мелющих шаров. Вместе с тем и механика, и физика процессов, происходящих в таких аппаратах, до сих пор остаются предметом многочисленных исследований. Большая часть этих исследований посвящена в основном оптимизации стадии измельчения с целью получения максимальной поверхности твердого вещества при минимальных затратах энергии [25, 27].
Определение основных свойств модифицированных битумов
Введение механоактивированной резиновой крошки и цеолита в битум проводилось путем механического смешения при температуре 130 – 140 С в течение 4 часов [13]. Высушенные минеральные материалы взвешивались, помещались в емкость для смешения и нагревались до температуры 165 – 185 С, затем добавлялось требуемое количество модифицированного битума. Смесь перемешивалась до полного объединения битума с минеральными материалами. После смешения смесь выглядела однородной, битум полностью обволакивал минеральные материалы.
Для исследований использовались стандартные методики согласно ГОСТ 12801-98. Как показано в разделе 4.2, резинoбитум, полученный смешением РК 0,25 и природного цеолита, активированных в планетарной мельнице, характеризуется лучшими свойствами из серии исследованных композиций. Для получения полной картины влияния состава модифицирующей добавки, исследованы свойства асфальтобетона на основе резинобитума с добавлением резиновой крошки 0,25, 0,50, 0,75 мм и природного цеолита.
В таблице 4.8 приведены результаты исследований основных физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонов. Испытания показали, что все серии образцов соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2013.
Анализ результатов исследований показал, что модификация битума резиновой крошкой, обуславливающая реорганизацию структуры вяжущего, приводит к изменению физико-механических свойств асфальтобетона. Результаты исследований показали, что образцы на основе резинобитума характеризуются повышенными, по сравнению с исходным асфальтобетоном, прочностными характеристиками. С увеличением дисперсности РК наблюдается снижение показателей физико-механических свойств, данные по свойствам асфальтобетона хорошо коррелируют с данными исследований свойств битума. Закономерно, что введение в битум резиновой крошки большей дисперсности (0,75) приводит к повышению пористости материала. В то время как материал, содержащий РК 0,25 и цеолит, характеризуется несколько иной поровой структурой. Разность между остаточной пористостью и водонасыщением, которая характеризует объем замкнутых пор в смесях [5] этих композитов, на 20-38% больше, чем в случае применения исходного битума, что следует из таблицы 4.8. Это же значение для композитов с РК 0,75 превышает показатель исходного асфальтобетона. Показатель коррелирует с данными водонасыщения (у композитов РК 0,25 значение ниже исходного на 34%, а РК 0,75 выше на 13%) и водостойкостью асфальтобетонов (у композитов РК 0,25 значение выше исходного на 8%).
Предположительно, резина более крупной дисперсности является дополнительной поровой единицей в асфальтобетоне. Крупные частицы за время смешения не в полной мере прошли стадию взаиморастворения с компонентами битума, в этом случае значимым становится объемный фактор. Мелкие частицы резины могут образовывать эластичный полимерный каркас, который предохраняет от проникновения воды в поры минеральных материалов асфальтобетона.
Введение в битум резины сопровождается эффектом прироста прочности: при 50 С для композитов РК 0,25 после механоактивации на 35%, при 20 С – на 24%. Изменение прочности при 0С и при 20 С при расколе не значительны.
Большую информацию позволяет получить анализ коэффициентов
температурной чувствительности R50/R0 и теплостойкости R50/R20. Результаты расчетов (табл.4.8) также сопоставимы с данными по интервалу пластичности битумов (табл. 4.3). Наименее чувствительным к температурным перепадам композитом является резинобитум с активированными РК 0,25 и цеолит (R50/R0 выше на 32%). Наиболее теплостойкий композит с активированными РК 0,75 и цеолитом активированные (R50/R20 выше на 27%). Улучшение свойств композитов, содержащих активированный модификатор можно объяснить тем, что минеральная часть модификатора битума (цеолит) после механоактивации, характеризуется наличием новых поверхностей, свободных радикалов, изменением структуры поверхностных слоев частиц [132]. Такой высокоактивный материал может выступать в качестве заполнителя микропор в асфальтобетоне, позволяя реализовать при этом высокоэластические свойства резины. Республика Саха (Якутия) характеризуется резко-континентальным климатом, высокой солнечной активностью в летний период и низкими температурами в зимний. Поэтому наряду с данными, представленными выше, важным является оценка морозостойкости материалов [134, 135].