Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса производства модифицированных асфальтобетонов 9
1.1. Основные способы модификации битума 9
1.2. Физические способы модификации битума 11
1.3. Современное состояние и перспективы применения модификаторов для дорожного битума 14
1.4. Использование нанодисперсных добавок для модификации битума 24
1.5. Выводы по главе 1 33
2. Характеристики исходных материалов и методов исследований 35
2.1. Характеристика исходных материалов 35
2.1.1.Характеристика исходного битума 35
2.1.2. Характеристики минеральных материалов для асфальтобетона 40
2.1.3.Характеристики углеродных
наномодификаторов 44
2.2. Характеристика методов исследований 49
3. Исследования влияния углеродных наномодификаторов на свойства битума 52
3.1. Определение основных свойств модифицированных битумов 52
3.2. Исследование влияния модификаторов на адгезионные свойства битума 56
3.3. Изучение динамической вязкости битумов, модифицированных УНМ 62
3.4. Выводы по главе 3 6
4. Определение влияния унм на изменение состава и структуры битума 66
4.1. Исследование влияния углеродных нанодобавок на изменение группового состава битума 68
4.2. Изменение структуры битума, модифицированного УНМ 76
4.3. Изучение процессов старения модифицированных битумов 81
4.4. Выводы по главе 4. 84
5. Подбор состава и определение свойств асфальтобетона с углеродным наномодификатором 85
5.1. Подбор состава асфальтобетона с использованием УНМ 85
5.2. Определение физико-механических свойств модифицированных асфальтобетонов 88
5.3. Оптимизация способа введения добавок в состав асфальтобетона 95
5.4 Выводы по главе 5 99
6. Технология производства модифицированных асфальтобетонов и технико-экономическое обоснование результатов исследования 100
6.1. Разработка технологической схемы производства модифицированного асфальтобетона с углеродными нанодобавками 100
6.2. Технико-экономическое обоснование проекта 103
6.3. Внедрение результатов исследования 106
Основные выводы 107
Библиографический список 110
- Физические способы модификации битума
- Характеристики минеральных материалов для асфальтобетона
- Изучение динамической вязкости битумов, модифицированных УНМ
- Изучение процессов старения модифицированных битумов
Введение к работе
Актуальность работы. Комплексное воздействие динамических нагрузок, погодно-климатических факторов, агрессивных сред и низкокачественных материалов, применяемых в дорожном строительстве, приводит к преждевременным разрушениям асфальтобетонного покрытия. Но если влияние негативных факторов – явление неизбежное, то качество используемых материалов вполне регулируемо. Современные технологии нефтепереработки, в частности более глубокая отгонка нефтяного сырья при производстве битумов заведомо ухудшают их эксплуатационные свойства. Поэтому использование модификаторов для нефтяных дорожных битумов является необходимым способом создания высококачественных и долговечных асфальтобетонов на их основе.
В последние годы нанотехнологии и наноматериалы стали чаще использоваться во многих отраслях народного хозяйства, в том числе и в дорожном строительстве. Разнообразные синтезированные и природные наноматериалы могут значительно улучшить качество и свойства дорожных материалов. Для изменения и придания новых свойств до-рожно-строительным материалам на основе органических вяжущих используют целый ряд различных нанодобавок: углеродные наномате-риалы (УНМ), минеральные наноагенты, наночастицы SiO2, TiO2, Fe2O3 и т.д.
Среди большого спектра различных по своей природе и свойствам наноматериалов особый интерес вызывает представитель карбоно-вых наноструктур С60 – фуллерен. Влияние фуллеренсодержащих добавок на модификацию битума и изменение свойств битума и асфальтобетона изучены крайне недостаточно.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ № 13.892.2 014 К и программы Президиума РАН № 2 «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации», проект № 84.
Степень разработанности темы. Динамичное развитие дорожного строительства вызывает необходимость расширения спектра различных добавок для асфальтобетона. Среди ультрадисперсных добавок перспективно использование УНМ, введение которых приводит к повышению предела прочности при сжатии, водо- и морозостойкости до-рожно-строительных материалов.
Существует множество способов получения УНМ, различающихся по чистоте получаемых материалов, энергоемкости и условиям проведения синтеза.
Использование УНМ, получаемых малоэнергоемкими способами или как побочный продукт при плазменной обработке углей, является перспективным направлением при изготовлении дорожностроительных материалов.
Целью настоящей работы является разработка технологии производства асфальтобетона на основе битума, модифицированного углеродными наномодификаторамиразличных способов получения. Для ее достижения были поставлены следующие задачи:
определить свойства модифицированных битумов с использованием УНМ различного состава, количества и способа получения;
определить механизм действия УНМ и эффективный способ его введения в состав асфальтобетона и исследовать его основные свойства;
сделать подбор составов асфальтобетонной смеси с использованием модифицированного УНМ битума;
разработать технологию производства долговечного асфальтобетона и обосновать его внедрение.
Научная новизна работы
Установлено изменение свойств битума при введении в его состав УНМ различных способов получения и количества. Выявлено, что введение УНМ расширяет температурный диапазон эксплуатации битумов, повышает динамическую вязкость и адгезию вяжущего с заполнителем, что приводит к улучшению физико-механических, деформа-тивных свойств и долговечности асфальтобетона.
Выявлен механизм действия УНМ различного состава и способов получения на изменение группового состава и структуру битума. Введение УНМ в состав битума приводит к созданию дополнительных элементов дисперсной фазы битума, что ведет к увеличению сопротивления сжатию, сдвигу и растяжению асфальтобетона.
Выявлены закономерности влияния состава и количества УНМ на физико-механические и эксплуатационные свойства асфальтобетона на основе модифицированных вяжущих. Установлено, что оптимальное количество УНМ различных способов получения составляет 0,1 % от массы битума.
Практическая значимость
Выявлен оптимальный способ введения УНМ в состав асфальтобетона, позволяющий равномерно распределять модификаторы во всем объеме органического вяжущего.
Оптимизированы составы асфальтобетона на основе модифицированного битума, и определены его основные свойства. Получен асфальтобетон с прочностью на сжатие при температуре 50 С - 1,67 МПа, при температуре 20 С - 3,20 МПа, водостойкостью после длительного водонасыщения 0,95, что приводит к повышению долговечности асфальтобетонного покрытия.
Разработана технология производствамодифицированного асфальтобетона повышенной долговечности с применением углеродных-нанодобавок, и приведено технико-экономическое обоснование его применения.
Достоверность результатов экспериментальных исследований и выводов обеспечена соответствием полученных результатов с общими положениями органической химии и структурообразования органоми-неральных композитов, использованием поверенного испытательного оборудования при испытании материалов и современных методов исследования группового состава, структуры битума и асфальтобетона (рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, термогравиметрический анализ, ИК-спектроскопия).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: международной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013); научно-технической конференции «Наукоемкие технологии и инновации» (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014); V Всероссийской конференции с международным участием «Наноматериалы и технологии - V» (г. Улан-Удэ, БГУ, 2014); XII конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Конференция по фундаментальным и прикладным проблемам физики» (г. Улан-Удэ, ИФМ СО РАН, 2015); V Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, 2015), научных конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантовВСГУТУ (г. Улан-Удэ, ВСГУТУ, 2012-2015).
Внедрение результатов исследований. Апробация технологии получения модифицированного асфальтобетона с применением углеродных нанодобавок в промышленных условиях осуществлялась на предприятии ООО «Транспортная строительная компания», г. Улан-
Удэ, Республика Бурятия. Разработанный модифицированный асфальтобетон использовался для устройства верхнего слоя покрытия на ПК 141+40 – ПК 141+70 при реконструкции автомобильной дороги "Подъезд от автомобильной дороги Гусиноозерск – Петропавловка – Зака-менск – граница с Монголией к ст. Гусиное Озеро" в Селенгинском районе Республики Бурятия.
Для внедрения результатов диссертационной работы разработан технологический регламент на производство модифицированного асфальтобетона с применением углеродных нанодобавок.
Теоретические положения и результаты научно-исследовательской работы и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 – «Строительство», профиля подготовки «Автомобильные дороги»; магистров по направлению 08.04.01 – «Строительство» профиля подготовки «Технология строительных материалов и изделий», что отражено в учебных программах дисциплин «Нанотехнологии в строительстве», «Строительные материалы».
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и в 1 статье, входящей в реферируемую базу данных «Scopus». На состав асфальтобетона с применением фуллеренсодержа-щих нанодобавок получены 1 патент и 1 приоритетная заявка на патент.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, включающего 31 таблицу, 42 рисунка и фотографию, списка литературы из 168 наименований, 5 приложений.
Физические способы модификации битума
Известно, что за последние десятилетия срок службы асфальтобетонных покрытий на автодорогах, мостах и аэродромах сократился в 2-3 раза; более 90% материальных, трудовых и энергетических ресурсов, выделяемых дорожной отрасли, идет не на строительство новых, а на ремонт и реконструкцию старых асфальтобетонных покрытий. Такое положение сдерживает развитие сети автомобильных дорог в России с твердым покрытием. Положение усугубляется непрерывным увеличением грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств, приводящих к значительному росту динамических нагрузок на дорожное покрытие и тем самым повышению требований к качеству битума [1].
Современное строительство автомобильных дорог требует использования качественных дорожно-строительных материалов, без которых обеспечения высокого уровня работоспособности и долговечности асфальтобетонных покрытий просто не осуществимо. Нефтяные дорожные битумы являются важнейшими и обязательными составляющими асфальтобетонных смесей, и именно они в процессе эксплуатации в наибольшей степени подвержены всем видам деформаций. После модернизации нефтеперерабатывающих заводов битум подвергается более глубокой переработке и в итоге в большей степени теряет легкие, пластичные фракции. Низкое качество дорожных битумов по ГОСТ 22245-90: неудовлетворительная, недостаточная для условий России трещиностойкость, эластичность, адгезия является одной из главных причин преждевременного разрушения дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий [2].
В разное время вопросами модификации битума занимались Руденский A.B., Руденская И.М., Горшенина Г.И., Михайлов В.В., Печеный Б.Г., Гунн Р.Б., Колбановская A.C., Хозин В.Г., Ядыкина В.В., Галдина В.Д., Балабанов В.Б., Розенталь Д.А., Кисина A.M., Куценко В.И., Золотарев В.А., Гуреев А.А., Кемалов А.Ф., Евдокимова Н.Г и другие [3-32].
В настоящее время для получения качественных битумов используются два основных способа обеспечения необходимых структурно-механических свойств, зависящих от этапа или стадии получения битума: метод компаундирования в момент производства битума и модификация свойств битумных материалов на стадии выпуска товарной продукции. На рисунке 1.1. представлены основные способы модификации битума, каждых из которых имеют свои преимущества и недостатки.
К компаундированию относится технология управляемого смешения нефти. Целесообразнее всего применять комбинированные условия смешения, так как кроме смешивания по качеству, существуют местные технологические условия. Принцип работы при компаундировании - это регулирование нескольких потоков продукта в один. При простом, неуправляемом смешении значения показателей качества нефти в потоке нестабильны во времени и варьируются в некотором диапазоне вследствие реализации разных режимов перекачки. При компаундировании, т.е. управляемом смешении, характерную нестабильность потока сглаживают путем дозированной подкачки подготовленной к компаундированию высокосернистой нефти в поток нефти лучшего качества на тех направлениях поставки, где в данный момент, в соответствии с конкретной оперативной обстановкой, имеется запас качества [26].
Сравнение качества нефти после неуправляемого и управляемого смешения показывает, что в последнем случае значительно сокращается дисперсия (выбросы) содержания серы в потоке. Стабильность параметров качества в результате управляемого смешения заметно возрастает, т.е. неравномерность качества нефти, характерная для транспортного потока при неуправляемом смешении, значительно сглаживается, что позволяет обеспечить стабильные, гарантированные по качеству поставки потребителям [26].
При модификации битума можно выделить следующие основные способы: физические способы, основанные на механическом и физическом воздействии на среду битума, и химические способы, основанные на введении в состав битума различных химических добавок.
К физическим способам изменения свойств и качества битума можно отнести следующие: СВЧ-активация, ультразвуковая обработка, воздействие магнитного, акустического, электромагнитного полей, кавитация и др.
Анализ литературных источников показал, что достоинством СВЧ-установок для модификации битума является высокий КПД преобразования электромагнитной энергии в тепловую, равномерное распределение энергии по всему объму рабочей камеры, малые размеры установок, их технологичность, гибкость применения и простота обслуживания [27]. Поэтому применение СВЧ-энергии для обработки органического вяжущего является актуальной задачей, так как способствует повышению физико-механических характеристик и долговечности асфальтобетона. Улучшение сцепления битума с каменным материалом происходит из-за процессов окисления, происходящих в нем под действием СВЧ волн. Возрастает содержание алифатических нафтеновых и асфальтогеновых кислот, ароматических и гетероциклических структур [27]. Изменение состава битума влияет на его взаимодействие с минеральными материалами.
Так в работе [28], применение СВЧ обработки битума значительно улучшило его структурирующие взаимодействия с минеральными порошками. Происходит сильный рост предельного напряжения сдвига (до 70% на кварцитопесчанике, до 40% на граните и известняке, более чем в 2 раза на шлаке). Это связано с изменением структуры битума и увеличением его активности. Применение такого битума в асфальтобетонах значительно улучшили физико-механические характеристики композита, что не могло не сказаться на повышении качества дорог и уменьшению аварий на дорогах. В последние годы усилился интерес к малоэнергетическим воздействиям, с помощью которых можно без заметных внешних энергетических затрат или с использованием внутренних резервов вещества перестраивать его структуру. В качестве внешних воздействий, влияющих на структуру веществ, в том числе и нефтяных дисперсных систем, могут быть использованы различные варианты электрических, электромагнитных, магнитных, вибрационных или акустических полей [2]. При этом сравнительно легко достигаются эффекты, соответствующие увеличению или, наоборот, снижению упорядоченности в надмолекулярной структуре веществ [27 ].
Характеристики минеральных материалов для асфальтобетона
Известно [143], что основу физических методов получения высокодисперсных частиц составляют фазовые переходы первого рода в отсутствии химических реакций. К таким превращениям относятся следующие переходы: газ – жидкость – твердое тело, десублимация, кристаллизация из растворов и расплавов, а так же фазовый распад твердых веществ. Формирование зародышей новой фазы, обычно, происходит в результате переохлаждения и превышения предела растворимости.
Из химических методов наибольшую популярность имеют методы синтеза наноструктур в процессе восстановления соединений металлов в присутствии разнообразных стабилизаторов. К таким способам получения наночастиц относятся и всевозможные способы термолиза не слишком термически устойчивых соединений, а также всевозможные варианты криохимического синтеза и плазмохимические методы. Среди множества существующих методов получения наноматериалов, фуллеренсодержащие материалы получают в основном следующими методами: лазерное испарение графита, термическое испарение графита, методом дугового контактного разряда, сжиганием и пиролизом углеродосодержащих соединений. Для проведения научных исследований в данной работе рассматривались два вида углеродных наномодификаторов, полученных путем синтеза в плазменном реакторе и при комплексной плазменной переработке углей.
Фуллеренсодержащий модификатор, синтезированный в плазменном реакторе. Синтез фуллеренсодержащего модификатора (далее ФСМ) проводился в плазмохимическом реакторе разработки Института физики им. Л.В.Киренского СО РАН (г.Красноярск), представленной на рисунке 2.7.
Установка ранее успешно апробирована коллективом Института Физического Материаловедения БНЦ СО РАН (г.Улан-Удэ) для синтеза фуллереновой смеси при препарировании мишеней, распыляемых ионным и испаряемых электронным пучками [144,145]. Мишени использовались при синтезе покрытий производных фуллеренов. В основе работы установки лежит эрозия графитовых электродов в плазме дугового разряда. Разряд инициируется при давлении 105 Па путем пропускания через электроды тока частотой 44 либо 66 кГц. Эрозия стержней происходит в замкнутом герметичном объеме, заполненным гелием [146]. Установка (рис. 2.7) содержит охлаждаемую водой камеру 1, в которой происходит плазменный синтез. К нижней и верхней части камеры через фланцы крепятся азотные ловушки 2. В корпусе камеры предусмотрены смотровые окна для визуального наблюдения. Крышка камеры съемная. К нижней съемной части камеры подсоединены штоки 3 с системой, обеспечивающей их перемещение по мере выгорания стержней и системой согласования с нагрузкой 4. Синтезированный углеродный конденсат собирается со стенок камеры в накопителе 5. Камера располагается на стойке 6. Электрическое питание установки осуществляется от генератора напряжения ВБГ-16, с номинальной мощностью 16 кВт. Максимальный ток эрозии графитовых стержней 160 А. Среднее время синтеза 10 мин.
Из углеродного конденсата, содержащего 10-12% фуллеренов, бензолом были выделены фуллерены. ФСМ содержит, массовые части: 0,8 - С60; 0,15 -С70; остальное - высшие фуллерены и оксиды С60О и С70О (рисунок 2.8).
Углеродный наномодификатор, полученный при комплексной переработке углей. Углеродный наномодификатор, полученный при комплексной плазменной переработке углей является фуллерсодержащей сажей – далее ФСС.
При плазменной обработке угля под действием электродуговой плазмы из материала электродов и угля, подаваемого для газификации, в одной установке образуются синтез-газ (СО+Н2), активированный уголь (сорбент) и, в качестве Рисунок 2.9 –Электронно-растровый снимок ФСС. побочных продуктов, углеродные наноматериалы. При этом в процессе плазменной обработки УНМ могут образовываться не только из материалов электродов (по известным методам), но и что очень важно, из угля, проходящего плазменную обработку в реакторе [147,148].
Полученные углеродные наноматериалы имеют как компактную, так и волокнистую ультрадисперсную структуру, что указывает на наличие в них таких основных форм наночастиц как «луковичные углеродные структуры» (многослойные, гиперфуллерены) и «нитевидные углеродные структуры»(нанотрубки, нановолокна). По данным электронно микроскопического анализа полученный углеродный наноматериал имеет средний размер первичных частиц не более 100 нм [148] (рис. 2.9).
Для определения фазового состава ФСС были сняты дифрактограммы порошкообразных образцов ФСС, после экстракции о-ксилолом, на дифрактометре D8 Advance (BrukerAXS), CuK-излучение, детектор Vantec. Основные фазы в составе исходной ФСС и после экстракции представляют собой сформировавшиеся фуллереновые структуры, которые могут быть индексированы в кубической гранецентрированной структуре, состоящей из С60. Это свидетельствует, что преобладающим компонентом в составе ФСС является фуллерен С60 – приблизительно 1,5 – 2% (рис.2.10).
Для определения фазового состава наномодификаторов применялись дифрактометры: «D8 Advance» и «D2 Phaser» (BrukerAXS).
Исследования свойств битумов проводились на приборе «КИШ-20», на пенетрометре «ПН-10Б», дуктилометре «ДБ-2М», на аппарате для определения хрупкости битумов «Линтел АТХ–20».
Реологические характеристики исходного и модифицированных битумов определяли в центре коллективного пользования «Прогресс» на ротационном вискозиметре Brookfield модели RVDV-II +Pro (производитель Brookfield Engineering Labs., Inc., США, 2009 год выпуска), который предназначен для измерения вязкости жидкости при заданных скоростях сдвига по крутящему моменту специального измерительного шпинделя, погруженного в тестируемую жидкость. Для работы использовался стандартный шпиндель -RV2 (рис. 2.11).
Изучение динамической вязкости битумов, модифицированных УНМ
Очевидно, что введение наномодификаторов различного состава в количестве 0,1-0,5 мас.% привело к изменению основных деформативных свойств дорожного битума. Влияние углеродных нанодобавок на изменение пенетрации битумов носит одинаковый характер. При низких температурах происходит пластификация вяжущего, тогда как при высоких температурах его твердость увеличивается. Увеличение пенетрации при повышенных температурах объективно коррелирует с общеизвестными данными о введении в битум тонкодисперсных наполнителей. Увеличение твердости битума объясняется повышением степени упорядоченности ассоциатов, образованных углеродными добавками и групповыми элементами битума.
В зависимости от температуры битум, как аморфное вещество, может находиться в следующих физических состояниях: вязко-текучем, высокопластичном и стеклообразным [8]. Переход из одного физического состояния в другое происходит в определенном диапазоне температур, причем каждой температуре соответствует определенная структура битума. При введении УНМ система становится ориентированной более однородно, доказывая, что степень упорядоченности структурных элементов системы является их важной характеристикой и существенно влияет на процессы ассоциации при понижении температуры и диссоциации при повышении температуры.
Введение УНМ позволяет расширить интервал рабочих температур битума, снижая температуру его хрупкости и повышая температуру его размягчения. На рисунке 3.2 видно, что введение 0,1 мас.%. ФСМ и ФСС позволяет увеличить интервал рабочих температур на 7- 10 % соответственно. Однако, влияние ФСС на изменение температурного интервала выше, чем у ФСМ, что, скорее всего, связано, с высокой дисперсностью добавки.
Автор полагает, что повышение интервала пластичности объясняется увеличением содержания ароматических соединений в составе групповых элементов битума за счет образования структурных связей наномодификатора с свободными функциональными группами. Определить влияние состава битумов на их температуру хрупкости и пенетрацию достаточно сложно, в связи с тем, что показатели зависят в основном от свойств дисперсионной среды. Наиболее простая зависимость наблюдается между температурой размягчения и групповым составом битумов. С увеличением концентрации асфальтенов и образованных ими агрегатов в битуме повышается температура размягчения. Температура хрупкости повышается с уменьшением объема дисперсионной среды.
Известно [7-11], что битумы, являясь представителями сложных нефтяных дисперсных систем, не имеют заряженных частиц, но благодаря свободной валентности углерода в конденсированной ароматической структуре асфальтенов, обладают парамагнитными характеристиками. Парамагнетизм асфальтенов придает им свободнорадикальные свойства, способствуя молекулярному ассоциированию и образованию сложных структурных единиц за счет обменных взаимодействий.
Автором установлен механизм действия УНМ на изменение группового состава и структуры битума, который заключается в том, что молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, обладая высокой электроотрицательностью, выступают в химических реакциях как сильные окислители, присоединяя к себе радикалы различной химической природы. Вокруг фуллеренов формируется слой частиц, образуя структуру типа «ежа», (согласно определению Н.А. Пивоваровой и Ф.Г. Угнера [10,11]) которая, в свою очередь, покрывается слоем поляризованных частиц. Благодаря высокой концентрации парамагнитных центров в асфальтенах, происходит спаривание некоторого количества неспаренных электронов с образованием слабых ковалентных связей, что ведет к снижению количества парамагнитных центров в асфальтенах, объясняемое процессом рекомбинации радикалов и фуллеренов, приводящие к перераспределению нефтяных компонентов между ядром, сольватным слоем и дисперсной средой битума. Это способствует формированию материала с более однородной и бездефектной структурой, что в свою очередь обеспечивает образование более плотной пленки битума и гарантирует повышение прочности асфальтобетона.
Одним из важнейших свойств вяжущих, определяющих дальнейшую работу асфальтобетонного покрытия, является адгезия битума к минеральному материалу. Так как стандартные методики оценки сцепления битума с минеральным материалом не позволяют дать количественную оценку адгезии битума, в данной работе были определены краевой угол смачивания и сила поверхностного натяжения битума с добавками и без них.
Известно, что смачивание битумом минерального материала является необходимым условием их адгезионного взаимодействия [34-43]. Хорошее смачивание поверхности щебня связующим – одно из необходимых условий получения прочного композиционного материала с высокими физико-химическими свойствами. Мерой смачивания служит краевой угол между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания. При статическом (равновесном) смачивании он связан с удельными свободными поверхностными энергиями взаимодействующих фаз тв, ж, тв.ж уравнением Юнга (1) [149,150]: сos = ( тв.–тв.ж)/ж. (3.1) В работе определяли изменение краевого угла смачивания с помощью оптического прибора с использованием идеализированной модели, отражающей наиболее жесткие условия работы битумной пленки на твердой минеральной подложке (мраморная подложка).
Изучение процессов старения модифицированных битумов
Устойчивость к образованию волн, наплывов, келейности и других сдвиговых деформаций характеризуется сдвигоустойчивостью асфальтобетона. Полученные данные свидетельствуют об увеличении сдвигоустойчивости асфальтобетона при применении битума, модифицированного 0,1 мас.% ФСМ, на 34%, при 0,1 мас.% на 28% Это объясняется повышенной когезионной прочностью и увеличенной вязкостью модифицированного битума. Вс это позволит создать асфальтобетонное покрытие с повышенной прочностью и высоким сопротивлением сдвигу.
Сопротивление разрушающим нагрузкам вначале воспринимаются сформировавшимися агрегатами, состоящим из наномодификаторов и при повышении предельных нагрузок, усилие начинает передаваться на легко подвижные молекулы мальтеновой фракции. В этот момент диспергированные агрегаты начинают двигаться в массе мальтенов, что приведет к деформации образцов асфальтобетона.
При анализе полученных результатов, установлено, что при введении оптимального количества УНМ, в составе асфальтобетона идет рост прочностных характеристик при 20С и 50С, однако введение такого количества нанодобавок не существенно сказывается на показателях прочностных характеристик при 0 С, что должно привести к изменению деформативных свойств асфальтобетонов.
Поэтому, были определены деформации при сжатии при максимальной нагрузке (табл. 5.5) на универсальной разрывной машине Instron 6637 (USA). Таблица 5.5- Деформация асфальтобетона при сжатии при максимальной нагрузке при низких температурах, полученные на Instron 6637 (USA).
Увеличение показателя деформации при сжатии при отрицательных температурах говорит о том, что асфальтобетон в зимний период будет более пластичен, и сократится вероятность образования трещин на покрытии, что благоприятно скажется на долговечности асфальтобетона. Во время эксплуатации асфальтобетона воздействия динамических нагрузок в комплексе с погодно-климатическими факторами вызывают разрывы межмолекулярных связей, происходит появление микротрещин и дислокаций в структуре материала. При контакте с водой и переходе температуры через нулевую отметку происходит разрушение асфальтобетона из-за расклинивающего действия воды при кристаллизации. Появление таких внутренних напряжений, совместно с нагрузкой от движущегося транспорта, приводит к преждевременному разрушению композита. Структура асфальтобетона с использованием модифицированного битума становится более плотной (рис. 5.4). Это приводит к снижению скорости проникания воды к границе раздела фаз вяжущее – поверхность минеральных материалов сквозь пленку модифицированного битума по сравнению с асфальтобетоном без добавок. Увеличение водостойкости асфальтобетона благоприятно сказывается на долговечности дорожного покрытия с модифицированным УНМ битумом бездобавочный БНД90/130 + 0,1 мас.% БНД 90/130 + 0,1 мас.% асфальтобетон ФСМ ФСС
Анализируя изменения основных механических и деформативных свойств асфальтобетонов, очевидно, что введение УНМ в состав битума и дальнейшее производство асфальтобетона на его основе, благоприятно сказывается на улучшении этих качеств. Установлено, что введение ФСС в большей степени улучшает эксплуатационные свойства асфальтобетона во всем интервале температур. 5.3 Оптимизация способа введения добавок в состав асфальтобетона В условиях производства асфальтобетонных смесей существует существенная проблема для использования наноразмерных модификаторов, которая связана с дозированием добавок и их влиянием на организм человека.
Опасения относительно токсичности наноматериалов напрямую связаны с их размерами, а значит, с крайне высокой удельной площадью, которая обуславливает высокую химическую активность и высокую способность к проникновению в организм.
В литературе описаны различные формы углеродных наноматериалов, вводимых в бетонные растворы в качестве модификаторов [163-166]. При этом наиболее предпочтительным способом введения наномодификатора в бетонную либо в любую другую строительную смесь является введение в раствор модифицирующих добавок в форме шипучих таблеток.
Автором предложен способ введения наномодификаторов путем предварительной диспергации их в среде-носителе – «индустриальном масле И-20А» и получении фуллереносодержащей пасты.
Минимальное количество среды-носителя, не скажется на значительном изменении показателей физико-механических свойств асфальтобетонов. Но этого количества должно хватить для эффективного введения и распределения нанодобавок в составе вяжущего.
Для определения оптимального количества УНМ и рациональной массы среды-носителя запланированы активные двухфакторные эксперименты для ФСС и ФСМ.
Условия проведения эксперимента представлены в таблице 5.6. В качестве выходного параметра, на которые влияют факторы эксперимента, был выбран предел прочности при сжатии, МПа (Y) при температуре испытания 50 С. Таблица 5.6 – Основные характеристики плана эксперимента