Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1 Состав и структура дорожных битумов и их влияние на процессы структурообразования асфальтобетона 9
1.2 Управление процессами взаимодействия битума с каменными материалами для повышения качества асфальтобетона 22
1.3. Использование электромагнитных и вибро-акустических воздействий для повышения качества дорожных и строительных материалов 28
1.4. Применение электромагнитных волн СВЧ-диапазона в различных областях промышленности 35
Выводы 40
2. Характеристика исследуемых материалов 41
3. Методы исследований
3.1 Определение свойств исходных материалов 49
3.2. Исследование сцепления битума с каменными материалами 49
3.3 Определение физико-механических характеристик и долговечности асфальтобетона 57
4. Изменение состава, структуры и физикомеханических свойств битума при обработке СВЧ- полем
4.1. Влияние СВЧ-обработки на физико-механические характеристики битума 62
4.2 Обоснование выбора времени обработки битума в СВЧ-установке 72
4.3 Изменение состава и структуры битума под действием СВЧ-поля 78
4.4 Влияние СВЧ-обработки битума на его взаимодействие с минеральными материалами 95
Выводы 101
5 Влияние СВЧ-обработки битума на качество органоминеральных композитов
5.1. Изменение физико-механических характеристик асфальтовяжущего 103
5.2. Свойства асфальтобетона на СВЧ-обработанном битуме
5.2.1. Подбор гранулометрического состава и количества битума в асфальтобетоне 110
5.2.2. Физико-механические характеристки асфальтобетона с применением СВЧ-обработанного битума 115
5.2.3. Повышение температурной устойчивости асфальтобетонов при обработке вяжущего волнами СВЧ-диапазона 119
5.2.4. Изменение сдвигоустойчивости асфальтобетона при применении в его составе битума, обработанного СВЧ-полем 123
Выводы 126
6. Долговечность асфальтобетона с применением в его составе битума, обработанного в СВЧ-поле
6.1. Повышение коррозионной стойкости асфальтобетона на СВЧ активированном битуме 128
6.2. Старение асфальтобетона на СВЧ-обработанном битуме в процессе приготовления 131
6.3. Погодоустойчивость асфальтобетона с использованием битума, обработанного СВЧ-полем 134 Выводы 140
7. Технико-экономическое обоснование применения метода свч-обработки битума при производстве асфальтобетона
7.1. Технологическая схема производства асфальтобетона на битуме, обработанном СВЧ-полем 142
7.2. Расчет экономической эффективности от применения СВЧ установки при производстве асфальтобетонной смеси 147
Общие выводы 155
Список литературы 157
Приложения 172 1.
- Управление процессами взаимодействия битума с каменными материалами для повышения качества асфальтобетона
- Исследование сцепления битума с каменными материалами
- Изменение состава и структуры битума под действием СВЧ-поля
- Физико-механические характеристки асфальтобетона с применением СВЧ-обработанного битума
Введение к работе
Актуальность. Развитие автомобильных дорог невозможно без эффективных дорожно-строительных материалов. Низкое качество дорожных битумов, а именно недостаточная для условий России адгезия, является одной из главных причин преждевременного разрушения дорожных, мостовых и аэродромных асфальтобетонных покрытий.
В настоящее время применяются различные способы повышения физико-механических характеристик битумов и асфальтобетонов. Наиболее часто используемый метод - введение добавок поверхностно-активных веществ с целью улучшения адгезии. Также ведется разработка альтернативных способов активации дорожных битумов: воздействие магнитных полей, ультразвука, излучения сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ). Результаты показывают их высокую эффективность.
Достоинством СВЧ-установок является высокий КПД преобразования электромагнитной энергии в тепловую, равномерное распределение энергии по всему объёму рабочей камеры, малые размеры установок, их технологичность, гибкость применения и простота обслуживания. Поэтому применение СВЧ-энергии для обработки органического вяжущего является актуальной задачей, так как способствует повышению физико-механических характеристик и долговечности асфальтобетона.
Диссертационная работа выполнялась в рамках задания Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ, финансируемых из средств федерального бюджета по разделу 01.10 Бюджетной классификации РФ, и гранта программы «УМНИК», направленной на поддержку исследований молодых учёных.
Цель работы. Получение высококачественного асфальтобетона путём обработки битума СВЧ-полем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследовать изменения состава, структуры и физико-механических характеристик битума под действием электромагнитного поля сверхвысокой частоты;
подобрать рациональные параметры работы СВЧ-генератора при обработке битума СВЧ-полем;
изучить влияние СВЧ-поля на взаимодействие битума с минеральными материалами и установить характер влияния СВЧ-активации битума на физико-механические и эксплуатационные свойства асфальтобетона;
разработать технологическую схему использования обработки вяжущего полем сверхвысокой частоты на асфальтобетонных заводах и обосновать экономическую эффективность применения СВЧ-обработки битума.
Научная иошшш. Установлен механизм воздействия поля сверхвысокой частоты на органическое вяжущее, заключающийся в изменении его структуры и состава, под влиянием СВЧ-энергии при технологической температуре происходит разрыв межмолекулярных связей, увеличение количества парамагнитных центров, кислотных групп и ароматических углеводородов, что приводит к снижению поверхностного натяжения и вязкости битума; при охлаждении происходит поперечная сшивка макромолекул и образование ассоциатов высокомолекулярных соединений, что способствует повышению вязкости битума. Эти изменения положительно отражаются на сцеплении с каменными материалами и структурировании битума.
Выявлен характер влияния обработки вяжущего в зависимости от параметров работы СВЧ-генератора на физико-механические характеристики битума, заключающийся в изменении вязкости, повышении температуры размягчения, увеличении когезионной прочности и сцепления с минеральными материалами, что приводит к повышению качества асфальтобетона.
Получены зависимости изменения прочности, водо-, теплостойкости, температурной чувствительности и погодной устойчивости асфальтобетона при воздействии на битум СВЧ-энергии, показывающие улучшение этих показателей при рациональном времени обработки вяжущего, что позитивно отразится на долговечности асфальтобетонного покрытия.
Установлено, что после выключения СВЧ-генератора максимальная вязкость битума сохраняется в течение 30 мин, затем происходит ее снижение, но начального значения этот параметр не достигает. Это позволило определить время после СВЧ-обработки, в течение которого необходимо использовать битум для обеспечения максимального положительного эффекта при производстве асфальтобетона.
Практическая значимость. Разработаны составы асфальтобетонных смесей, включающие битум, модифицированный СВЧ-полем, что позволило сократить расход вяжущего на 8.15% и повысить физико-механические характеристики композита за счет интенсивного взаимодействия битума с минеральными материалами из кислых и основных пород.
Установлено повышение сдвигоустойчивости (на 30%), водостойкости при длительном водонасыщении (на 35%), теплоустойчивости (в 1,8...2 раза), температурной чувствительности (на 30...50%), устойчивости к старению дорожного композита при использовании битума, обработанного СВЧ-полем, что положительно отразится на эксплуатации покрытия в жестких климатических условиях.
Рассчитаны параметры промышленной установки и разработана технология производства асфальтобетонных смесей высокого качества с применением битума, обработанного СВЧ-полем.
Для широкомасштабного внедрения предлагаемой технологии в производство разработан технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей типов Б и Г I - 11 марок с применением СВЧ-обработки битума.
Доказана экономическая целесообразность использования СВЧ-активации вяжущего при производстве асфальтобетонных смесей. Экономический эффект составляет 10 825 руб. на 100 т смесн.
Результаты работы внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
XV международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2008 г.);
X международной конференции «Новые технологии и материалы» (Брянск, 2009 г.);
международной научно-технической конференция молодых учёных «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации транспортных сооружений» БГТУ им. В. Г. Шухова (Белгород, 2009 г.);
международной выставке научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2009» (Москва, 2009 г.);
региональной конференции по отбору студентов, аспирантов и молодых учёных для выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по приоршетным направлениям развития науки и техники Российской Федерации в рамках программы «УМНИК-2009» (Белгород, 2009 г.);
- 4th International Asphalt Congress. (Cartagena, Colombia, 2010 r.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь научных работ,
в том числе две статьи в научном журнале из списка ВАК РФ, подана заявка на патент, получен приоритет № 2009109021/04(012093) от 11.03.2009 г.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов и приложений. Содержит 189 страниц машинописного текста, включающего 46 рисунков и фотографий, 22 таблицы, библиографический список из 158 наименований.
Управление процессами взаимодействия битума с каменными материалами для повышения качества асфальтобетона
Одна из проблем, существующая сегодня в отрасли, это низкое качество органических вяжущих [1,70-74] и неудовлетворительное взаимодействие с минеральными составляющими асфальтобетона, что приводит к разрушению дорожных покрытий раньше срока. Причина этих разрушений кроется, в том числе, и в нерациональной структуре битумоминерального композита, что и является причиной неудовлетворительной работы в жестких эксплуатационных условиях.
Формирование структуры и свойств асфальтобетона обеспечивается целенаправленными воздействиями на составляющие его материалы, которые включают необходимые технологические приемы, позволяющие в итоге получить материал со свойствами, отвечающими условиям его работы в дорожном покрытии [72,73].
В настоящее время существуют способы и приемы, позволяющие управлять процессом структурообразования асфальтобетона, начиная с перемешивания минеральных компонентов с битумом до, завершения формирования слоя при уплотнении асфальтобетонного покрытия[5].
Все они могут быть разделены на три основные группы: - модификация органических вяжущих материалов; - применение поверхностно-активных веществ; - физико-химическая активация минеральных материалов.
В статье А.В. Руденского [16] приведены основные показатели битума, влияющие на эксплуатационную долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий: - высокая адгезия битума к каменным материалам, обеспечивающая монолитность асфальтобетона, особенно в процессе эксплуатации в условиях увлажнения; - широкий интервал пластичности, позволяющий обеспечивать как высокую трещиностойкость покрытия при пониженных отрицательных температурах, так и высокую устойчивость к образованию пластических деформаций при высоких эксплуатационных температурах; - стабильность свойств при воздействии технологических и эксплуатационных факторов и, в первую очередь, при воздействии высоких температур; - однородность (гомогенность), отсутствие посторонних примесей и включений.
Одним из наиболее распространенных способов улучшения взаимодействия битумов с минеральными материалами, а также повышения их физико-механических характеристик является введение в битум специальных добавок. В качестве модифицированных битумных вяжущих применяют полимербитумные вяжущие, резинобитумные вяжущие. Модифицирующие добавки позволяют в широком пределе регулировать температурный интервал пластичности битумов, увеличивать их эластичность и когезионную прочность. Также модифицируются битумы добавками поверхностно-активных веществ и природных битумов. Это позволяет управлять процессами, происходящими на границе раздела фаз, что приводит к улучшению смачиваемости каменного материала вяжущим и увеличению прочности битумной пленки на минеральной подложке.
Применение комплексных органических вяжущих, и в частности, композиционных вяжущих, позволяет получить материалы, обладающие комплексом высоких эксплуатационных свойств для самых различных условий использования, а также в значительной степени повысить эффективность использования битумов в дорожном строительстве.
Комплексные органические вяжущие (КОВ) [5] - это вяжущие, состоящие из двух и более компонентов, в котором содержание одного компонента составляет менее 90%.
Весьма перспективным направлением можно считать выпуск гранулированных битумных композиций, пригодных для введения в битумную установку в холодном виде [5].
Имеющиеся данные позволяют установить несомненное положительное влияние на свойства асфальтобетона полимербитумных вяжущих [72].
Исследования, проведенные А. В. Руденским [1] показали, что применение битумов, модифицированных добавками резиновой крошки и армирующих полимерных волокон, более чем в 2 раза повышает усталостную долговечность асфальтовяжущего; использование резинобитумного вяжущего повышает прочность асфальтовяжущего на 60%, а применение в качестве модификатора армирующих полимерных волокон увеличивает прочность более чем в 3 раза. Таким образом, применение модифицирующих добавок позволяет изменять прочностные и деформативные характеристики в широких пределах.
В среднем в 2001 г. количество модифицированных битумов, использованных в дорожном строительстве в европейских государствах, составило 7%. Характер распределения объема потребления модифицированных битумов по видам модификаторов свидетельствует о том, что наибольшее применение находят полимеры: полиолефины (9%), EVA (12%), полибутадиен (14%), СБС (41%). Производство битумов, модифицированных полимерами СБС, в европейских государствах к 2001 г. возросло в среднем до 50% и составило, например, во Франции 80%, в Германии - 95%, в Испании - 65%, Бельгии - 80%, в Италии - 100% от всего объема изготавливаемых модифицированных битумов.
Рост объемов потребления дорожной отраслью полимеров типа СБС обусловлен их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность - свойство, присущее полимерам, причем при небольшой концентрации (3-5% от массы битума).
Использование в рецептуре асфальтобетонной смеси битума, модифищтрованного полимером СБС, обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта. В настоящее время за рубежом композиции битума с разным содержанием полимера СБС находят широкое применение для устройства дорожных одежд на искусственных сооружениях (мостах, дорожных развязках и пр.) и, как показывает опыт, обеспечивают длительные сроки работы покрытий, несмотря на особо сложные условия их эксплуатации.
Существует ряд особенностей и проблем, связанных с отечественными битумами. Как отмечает значительное число исследователей [23,32,37,45-49], битумы для дорожного строительства, выпускающиеся по остаточному принципу, не обеспечивают соответствие асфальтобетонов для покрытий автодорог изменившимся условиям эксплуатации. Более того, битумы исчерпали предел своих природных возможностей как вяжущих для асфальтобетонов. Некоторые битумы не обеспечивают сцепления с каменными материалами даже из основных пород. Поэтому необходимо создание и внедрение новых битумных вяжущих для дорожного строительства, способных повысить срок службы дорог и их экономичность.
Одним из традиционных способов направленного регулирования свойств дорожного композита, а также повышения адгезии битума к поверхности каменных материалов и, следовательно, физико-механических характеристик асфальтобетона, его долговечности является применение добавок ПАВ. Добавки одновременно улучшают технологические свойства смесей, такие как удобоукладываемость и удобообрабатывемость, что приводит к уменьшению времени и сил на их перемешивание, укладку и уплотнение, улучшает качество и снижает стоимость дорожного строительства [9,75,76,77].
При взаимодействии минеральных материалов с битумом, модифицированным ПАВ, на границе раздела поверхностей возникают и развиваются процессы микроструктурообразования [78]. В результате происходит сцепление битумных пленок с поверхностью минеральных частиц. Прочность сцепления битума может быть различной, в зависимости от того, устанавливаются химические связи между контактирующими молекулярными слоями или в пограничном молекулярном слое имеется исключительно физическое взаимодействие электростатического или дисперсионного характера. Применяемые ПАВ классифицируют[79-81]: по способности образовывать ионы и заряду ионов; по механизму действия; по растворимости в воде и маслах. По первому классификационному признаку существуют две большие группы - ионогенные и неионогенные соединения.
Исследование сцепления битума с каменными материалами
Трудно назвать области деятельности человека, где бы ни была использована СВЧ-техника. Прежде всего, СВЧ-излучатели нашли применение в радиолокации, радиовещании, телевидении, телеметрической связи, радиоастрономии, радиоспектроскопии, ядерной физике (ускорителях элементарных частиц); сотовой телефонной связи; промышленной технологии в качестве средства быстрого разогрева и сушки материалов; горнодобывающей промышленности для теплового разрушения твердых пород; пищевой промышленности для ускоренного приготовления пищи, пастеризации, стерилизации и обезвоживания продуктов; в медицине для глубоких локальных прогревов тканей с целью ускоренного лечения и разрушения новообразований [111-113].
Ведутся интенсивные исследования [113] по СВЧ-нагреву плазмы в установках термоядерного синтеза типа «токамак» и «стелларатор» (рис. 1.1), являющихся прототипами будущих термоядерных реакторов.
Исследуется проблема канализации большой СВЧ-энергии на расстояние по волноводам и через атмосферу: Земля - спутник, спутник - Земля. Изучается вопрос создания искусственного ионизованного облака в верхней атмосфере с помощью направленных пучков СВЧ-радиоволн для решения экологической проблемы защиты озонового слоя Земли [111].
В последние десятилетия СВЧ-техника находит широкое применение в технологических процессах плазменной обработки поверхности твердого тела [114] для очистки, травления и модификации свойств поверхности при производстве полупроводников, интегральных схем, в процессах плазмохимического осаждения поликристаллических пленок, а также получения пластинок алмаза и других материалов на поверхности твердого тела, в плазмохимии для получения новых химических продуктов в газовых разрядах.
Использование СВЧ-разрядов для получения плазмы имеет важное преимущество перед другими видами разрядов: дуговыми или тлеющими разрядами [114], так как не вносит загрязнений в плазму от распыляемых электродов, поскольку ввод СВЧ-энергии в плазменный реактор в отличие от разрядов постоянного тока не требует электродов и осуществляется квазиоптически через радиопрозрачные окна с помощью излучающих, а в необходимых случаях, и фокусирующих антенн.
СВЧ-обработка позволяет решать широкий круг задач по обезвреживанию различных опасных отходов от биологических и химических до радиоактивных [115,116]. Применение метода СВЧ-нагрева в технологии иммобилизации радиоактивных отходов (РАО) дает ряд преимуществ: возможность одностадийного процесса отверждения РАО; более высокую скорость нагрева материала чем при радиационном нагреве, так как нагрев происходит в объеме и не зависит от теплопроводности материала; оборудование, которое нуждается в периодическом обслуживании и замене, располагается за пределами зоны с ограниченным доступом персонала. Для проведения научно-исследовательских работ и выдачи исходных данных на строительство опытно-промышленной установки (рис. 1.2) на Горно-химическом комбинате (г. Железногорск) разработана и совместно с ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина создана установка [115], в которой осуществляется СВЧ-нагрев флюсованной пульпы.
Биологические отходы также обезвреживаются СВЧ-энергией [116]. Принцип обеззараживания - микроволновое воздействие излучения на инфицированные материалы, в результате чего происходит гибель всех микроорганизмов.
Спектр уничтожаемых видов бактериальных и вирусных инфекций: микобактерии туберкулеза; вирус ВИЧ; вирус гепатита (А, В, С); вирус гриппа, вирус полиомиелита; грибы рода трихофитон; грибы рода Candida; Вегетативные микроорганизмы: E.coli, Staphilococcus, Streptococcus,
Ps.aeruginosa, Mycobacterium tuberculosis, Cholera, Typhus germs, Salm. Tyrhimurium, Bacillus Subtilis, Bacillus Cereus, Bacillus Stearothermophilus; - споры: Bacillus Subtilis, Bacillus Cereus, Bacillus Stearothermophilus.
Достаточно широко распространены СВЧ-сушилки (Рис. 1.3) для древесины, зерна и других диэлектрических твердых и сыпучих материалов [117,118]. Принцип действия СВЧ-сушки - это разогрев древесины с помощью энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот, за счет частого изменения направления движения молекул в древесине и их сталкивания, что вызывает межмолекулярное трение. СВЧ-установки более эффективны, чем другие типы сушилок. СВЧ-сушка начинается с первых же мгновений включения установки, разогрев происходит изнутри древесины, следовательно, скорость сушки и качество древесины повышается (нет пересыхания верхних слоев, а значит, и нет внутренних напряжений). Достоинствами СВЧ-установки также являются: способность СВЧ-поля проникать в материал на значительную глубину (возможность сушить толстые заготовки); выравнивание уровня влажности (наиболее влажные доски или участки досок имеют больший коэффициент потерь, и это приводит к более быстрому повышению температуры в них, а повышение температуры в свою очередь - к снижению влагосодержания, следовательно, и коэффициента потерь, т.е. поглощение мощности СВЧ-излучения избирательно связано с влажной частью материала); высокая концентрация энергии в единице объема; возможность рассеивать и концентрировать энергию внутри материала; независимость времени нагрева до заданной температуры от объема и формы изделия.
Началом использования микроволнового излучения в качестве источника энергии для проведения органического синтеза принято считать 1986 год, когда появились первые работы К. N. Себие и Ч. I. С1иеге [119], показавшие эффективность применения данного вида энергии для ускорения химических реакций, однако не вскрывшие причины этого ускорения. Эти работы вызвали большой интерес в научном мире.
Авторами [120] разработана система слива из железнодорожных цистерн загустевших нефтепродуктов при помощи разогрева содержимого цистерны СВЧ-полем. Преимущества технологии: пожарная безопасность, высокий КПД, прогрев всего объема цистерны, щадящий режим нагрева для нефтепродуктов.
В работах [121,122] описан метод термической обработки труб из циркониевого сплава путем скоростного высокочастотного (СВЧ) нагрева, последующей закалки в водяном душе и отжига. Поскольку при СВЧ- термообработке изделия нагревают до 940...960С и охлаждают с большой скоростью, метод СВЧ обеспечивает более глубокие, чем другие методы термообработок, структурные изменения в сплавах, повышающие ряд их эксплуатационных характеристик, в том числе таких, как механические свойства и радиационную стойкость.
Изменение состава и структуры битума под действием СВЧ-поля
Методика определения сводилась к следующему. Подготовленное асфальтовяжущее вещество различной концентрации помещали в бюксы высотой 2 см и выдерживали в течение 20 минут при температуре 20. При этом происходило образование пространственного структурного каркаса, при котором реологические свойства будут зависеть от свойств адсорбционносольватных оболочек в местах контакта и их количества. Затем конус приводили в соприкосновение с поверхностью исследуемого материала, к которому прикладывали нагрузку 0,250 кг и определяли глубину погружения конуса в исследуемый материал.
Изменение состава битума под действием СВЧ-поля оценивалось при помощи ИК-спектроскопии [14,129-131].
Препараты для спектральных исследований представляли собой пленки органического вяжущего, нанесенного на стекло. Битум, после активации в поле сверхвысокой частоты, растворялся в хлороформе, спектрограмма которого не имела полос поглощения в исследуемой области до концентрации 0,5%.
ИК - спектры регистрировали на приборе ФСМ 1202, подключенном к ПК, в области 7000 - 400 см 1
Все органические соединения характеризуются полосами поглощения в области частот 2926 — 2957 см 1, которые обусловлены. валентными колебаниями связей С-Н в метиленовой группе (СН2), о наличии ароматических соединений свидетельствует присутствие двойных связей С=С в области 1600 см 1. О содержании нафтеновых углеводородов можно судить по характерному “трезубцу” с частотами в районе 725 - 810 - 880 см 1. Для исключения влияния погрешности толщины нанесенной пленки на спектрограммы, вводился внутренний стандарт, относительно которого велась расшифровка и производилась количественная оценка спектра. Помимо ИК-спектроскопии для исследования качественного состава применялся метод хроматографии [132,133]. Для этого использовался хроматограф ГаНюэсап МК-6, его схема представлена на рис. 3.1.
Принцип действия прибора основан на разделении исследуемого вещества на специальной колонке СЬготагосЦ и последующем пропуске колонки с образцом над пламенем водорода, после чего ионизированное излучение улавливается электродом коллектора, сигнал от коллектора преобразуется АЦП и передается на компьютер. Проба вещества наносится при помощи системы АЩовройег. Разделение пробы производится в проявочном шкафу.
Для исследования изменения структуры битума применялся метод электронного парамагнитного резонанса.
Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами [134]. Электрон имеет спин 8 =1/2 и ассоциированный с ним магнитный момент.
Если поместить свободный радикал с результирующим моментом количества движения 1 в магнитном поле с напряжённостью Во, то для I, отличного от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает Ы+\ уровней, положение которых описывается выражением: \ = ЗВоМ, (гдеМ= +1, +1-1, ... -.1) и определяется Зеемановским взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом I.
Если теперь к парамагнитному центру приложить электромагнитное поле с частотой V, поляризованное в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля В0, то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы, подчиняющиеся правилу отбора ДМ=1. При совпадении энергии электронного перехода с энергией фотона электромагнитной волны будет происходить резонансное поглощение СВЧ-излучения. Таким образом, условие резонанса определяются фундаментальным соотношением магнитного резонанса ЬУ = дрВ0. Поглощение энергии СВЧ поля наблюдается в том случае, если между уровнями существует разность заселённостей.
При тепловом равновесии существует небольшая разность заселённостей зеемановских уровней, определяемая больцмановским распределениемN + 7И-= ехр( рВ0/кТ). В такой системе при возбуждении переходов очень быстро должно наступить равенство заселённостей энергетических подуровней и исчезнуть поглощение СВЧ-поля. Спектры ЭПР фиксировались при помощи ЭПР-спектрометра.
Определение энергии поверхностного натяжения битума проводилось методом наибольшего давления пузырька воздуха. Готовились растворы битума в хлороформе методом половинного разбавления. После чего над раствором создавалось разряжение при помощи водоструйного насоса. Величина, при которой происходил отрыв воздушного пузырька от поверхности исследуемой жидкости, регистрировалась манометром, затем производился расчет энергии поверхностного натяжения.
Испытания асфальтобетона проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 12801-98 [135] «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний».
Исследования асфальтобетона с применением битумов, обработанных СВЧ-полем, проводили на горячем плотном мелкозернистом асфальтобетоне типа Б и горячем плотном песчаном асфальтобетоне типа Г. Физикомеханические свойства асфальтобетона изучали на образцах одинаковой остаточной пористости (равной 4%).
Для оценки сдвигоустойчивости асфальтобетона были определены максимальные нагрузки и соответствующие предельные деформации стандартных цилиндрических образцов типа Г при двух напряженно деформированных состояниях: при одноосном сжатии и при сжатии по схеме Маршалла. Затем был рассчитан лабораторный показатель сцепления при сдвиге асфальтобетонных образцов на исследуемых материалах.
Физико-механические характеристки асфальтобетона с применением СВЧ-обработанного битума
Значительный рост когезионной прочности наблюдается через 2 минуты обработки и составляет 57%. При дальнейшем воздействии СВЧ- поля увеличение когезии замедляется и через 4 минуты прирост составляет 71% от первоначального значения. Повышение когезии может объясняться двумя причинами: первая и основная - это повышение вязкости битума.при СВЧ-обработке вследствие образования надмолекулярных ассоцитатов асфальтенов, вторая - изменение качественного состава битума. Известно, что когезия зависит от группового химического состава битума. Бициклические ароматические соединения обладают малой когезией [3], однако она повышается с увеличением степени ароматичности. Повышение содержания ароматических соединений сопровождается образованием малых мицелл и надмолекулярных ассоциатов, что в значительной мере имеет место при СВЧ-активации битумов и вызывает увеличение когезии. С повышением когезии увеличиваются прочностные свойства битума, что положительно отразится на его работе в асфальтобетоне.
Судить об изменении комплекса реологических свойств можно также по индексу пенетрации. Индекс пенетрации — характеризует степень коллоидности битума или отклонение его состояния от чистого вязкостного. По индексу пенетрации битумы делят [101 на 3 группы:
1. Битумы с индексом пенетрации менее -2 не имеющие дисперсной фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены. Такие битумы находятся в состоянии «золь». Их эластичность очень мала.
2. Битумы с индексом пенетрации более 2 имеют значительную эластичность и резко выраженные коллоидные свойства гелей. Это битумы, имеющие очень низкую температуру размягчения и значительную растяжимость.
3. Битумы с индексом пенетрации. от -2 до 2 являются промежуточным типом. Такие битумы больше всего пригодны к использованию в дорожном строительстве ввиду их хорошей эластичности и термостабильности. К данному типу относятся все битумы, применяемые в исследованиях.
В результате воздействия на битум СВЧ-поля отмечается понижение индекса пенетрации битумов (рис. 4.18). Для битума БНД 40/60 Московского НПЗ индекс пенетрации уменьшается с -0,74 до -0,30, для БНД 60/90 Московского КПЗ изменение составило с -0,73 до -1,41, для БНД 90/130 того же производителя индекс пенетрации стекается с -0,59 до - 2,00. Необходимо отметить, что сильнее всего структурным изменениям подвергаются битумы с большим индексом пенетрации. По данным исследований Руденской М.И. и Руденского А.В. [10] такие изменения положительно скажутся на термостабильности битумов.
При производстве асфальтобетона на АБЗ бывают ситуации, когда невозможно сразу применить активированное вяжущее, поэтому представляет интерес исследование сохранения эффекта активации после прекращения облучения СВЧ-полем.
Исследовали изменения вязкости битума после отключения СВЧ- генератора. Испытания проводили на битуме марки БНД 40/60 и БНД 60/90. После обработки СВЧ-полем битум оставался на воздухе в течение 30-90 мин, затем проводилось определение вязкости по стандартной методике.
Изменение условной вязкости битумов марки БНД 40/60 (а) и БНД 60/90 (б) в результате обработки и после отключения генератора СВЧ-поля При экспозиции вяжущего после рационального времени активации его в СВЧ-поле (которое для БНД 60/90 составило 2 минуты,) наблюдается стабилизация вязкости в течении 30 мин после прекращения обработки, что следует из рис. 4.19, в дальнейшем этот показатель снижается, но начального значения этот параметр не достигает. Это может быть объяснено снижением межмолекулярного взаимодействия в битуме после прекращения действия СВЧ-поля, уменьшением количества свободных связей вследствие окисления кислородом воздуха и разрушением надмолекулярных ассоциатов из-за воздействия внешней среды.
Таким образом, при обработке битума в СВЧ-поле происходит изменение структуры и состава битума. Исходя из этого, можно предложить следующий механизм влияния СВЧ-поля на битум. При обработке битума излучением сверхвысокочастотного диапазона начинается разрыв двойных связей с образованием более мелких макромолекул и свободных радикалов, происходит окисление концевых гидроксильных групп до кислотных, приводящее к повышению содержания органических кислот, циклические соединения частично преобразуются в ароматические, что подтверждено ИК- спектрами. Все это приводит к снижению вязкости в диапазоне рабочих температур, уменьшению энергии поверхностного натяжения и повышению реакционной способности битума. При охлаждении и переходе битума в упруго-пластичное состояние происходит ассоциация асфальтенов в крупные надмолекулярные структуры, что приводит к увеличению вязкости, росту температуры размягчения и когезии битума: При этом увеличивается температура хрупкости при превышении рационального времени обработки битума СВЧ-полем.
Изменения в составе и структуре битума вызвали снижение его вязкости и поверхностного натяжения при технологических температурах, что благоприятно отразится на смачивании битумом поверхности минеральных материалов; повышение вязкости и когезионной прочности в холодном состоянии улучшит сцепление битума с поверхностью минеральных материалов, что приведет к улучшению физико-механических характеристик асфальтобетона.
Одним из главных показателей битума, влияющих на долговечность асфальтобетона, является его адгезия к поверхности каменных материалов. Она обусловливает обеспечение водо-, морозостойкости асфальтобетона, его погодоустойчивости. Авторами [10,35,38,1491 установлено, что адгезия битума к каменному материалу зависит, прежде всего, от его поверхностной активности. Проведенные нами исследования показали, что СВЧ-обработка вызывает повышение активности битума, что хорошо коррелирует с результатами по повышению адгезии к каменным материалам как из кислых, так и основных пород.
Качественный состав битума и его реологические свойства оказывают большое влияние на взаимодействие с каменным материалом. Изменения состава и физико-механических характеристик должны повлиять на взаимодействие вяжущего, обработанного СВЧ-полем, с минеральным материалом.
Определяющую роль во взаимодействии битума с каменными материалами играет сцепление вяжущего с поверхностью зёрен минерального материала. Интенсивность сцепления определяется, прежде всего, способностью смачивания вяжущим поверхности минерального материала, которая зависит, с одной стороны, от вязкости, а, с другой стороны от силы поверхностного натяжения. Степень прилипания характеризует сила, действующая на поверхность вяжущего, при достижении которой битумная пленка отрывается от поверхности минерального материала.
Результаты исследования физико-механических свойств битума показали снижение энергии поверхностного натяжения и понижение вязкости битума в интервале его технологических температур в результате воздействия на вяжущее СВЧ-поля. Эти два фактора в совокупности и обеспечивают улучшение смачивания, а повышение вязкости при охлаждении, увеличение когезионной прочности и изменение качественного состава - улучшение сцепления битума с поверхностью каменных материалов. Основываясь на приведенных данных, было исследовано сцепление битума с минеральными материалами по стандартной методике визуально и количественно.
