CC BY
59Шестаков Н.И., аспирант, Урханова Л.А., д-р техн. наук, проф., Буянтуев С.Л., д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
Семенов А.П., д-р техн. наук, проф., Смирнягина Н.Н., д-р техн. наук, глав. науч. сотр.
Институт физического материаловедения СО РАН
АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМОДИФИКАТОРОВ*
nik.shestakov.1990@mail.ru
В представленной статье рассматривается возможность применения в качестве модификаторов дорожного битума углеродных наноматериалов, полученных различными способами. Введение 0,1 масс.% наномодификатора значительно изменяет свойства битума и асфальтобетона на его основе. Асфальтобетон обладает более высокой прочностью на сжатие во всем интервале температур.
Ключевые слова: углеродные наномодификаторы, фуллерены, фуллеренсодержащая сажа, модифицированный битум, асфальтобетон.
В последнее время во всем мире произошел колоссальный прорыв в области производства, изучения и применения материалов, имеющих наноразмеры. Наноматериалы нашли свое применение в медицине, биологии, металлургии, машиностроении, строительстве, в том числе и в производстве строительных материалов. Среди большого спектра различных по своей природе и свойствам наноматериалов особый интерес вызывает представитель карбоновых наноструктур Сбо - фуллерен.
Целью проводимых исследований явилось изучение влияния углеродных наномодификато-ров, полученных различными способами, на свойства дорожно-строительных материалов, эксплуатируемых в условиях резкоконтинентального климата.
Для этого были выбраны два вида углеродных добавок, полученных разными способами. Синтез первого углеродного наномодификатора (УНМ) проводился на установке - плазмохими-ческом реакторе. В основе работы установки лежит эрозия графитовых электродов в плазме дугового разряда. Одним из преимуществ работы плазмохимического реактора является то, что состав получаемой добавки можно регулировать за счет изменения параметров питания. Содержание фуллеренов в наномодификаторе составляет 10...12 % [1, 2]. Другим способом получения углеродной добавки является плазменная обработка угля в плазменном реакторе. 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 побочных продуктов, углеродные нано-
материалы - фуллеренсодержащая сажа (ФСС). Содержание фуллеренов в саже составляет 1,3.1,5 % [3.5].
Для исследования основных свойств вяжущих были приготовлены составы модифицированных битумов с содержанием нанодобавок от 0,1 до 0,5 масс. % на основе БНД 90/130 (Ангарский НПЗ, г. Ангарск, Иркутская область). Создание композитов проводилось при механическом перемешивании разогретого до рабочей температуры битума.
Введение УНМ и ФСС в состав битума приводит к повышению температуры размягчения и снижению температуры хрупкости, тем самым увеличивая интервал пластичности модифицированных битумов. Введение в битум добавок снижает его пенетрацию и уменьшает дуктильность, что обусловлено структурированием системы в целом и коррелирует с общеизвестными положениями о введении в битум тонкодисперсных наполнителей [б, 7]. Механизм действия добавки объясняется появлением дополнительных элементов дисперсной фазы, которые равномерно распределены в межмолекулярном пространстве и способствуют уплотнению пленки битума.
Для определения процессов, приводимых систему композита в состоянии равновесия, были определены энергии активации битумов. Для этого изучалось изменение твердости битума с различным содержанием добавок в интервале температур от 0 до 30°С. С помощью графических зависимостей пенетрации битума от температуры и уравнения Аррениуса была рассчитана энергия активации битума и полученных композитов (рис. 1).
Содержание добавки
77,00
75,00
73,00
,139
71,00
Рис. 1. Энергия активации (кДж/моль) композитов
Установлено, что при введении 0,1 масс.% наномодификатора происходит снижение энергии активации Еакт от 75,05 до 74,79 кДж/моль для УНМ и от 75,05 до 72,64 кДж/моль для ФСС при постоянных значениях остальных параметров, а при увеличении концентрации наномодификатора в композитах наблюдается увеличение Еакт до 77,35 кДж/моль для УНМ и 75,14 кДж/моль для ФСС. Наблюдаемые увеличения энергий активации свидетельствуют о том, что при введении наномодификаторов больше 0,1 масс. % в составе битума образуются протяженные надмолекулярные структуры, образовавшиеся путем агрегации нанодобавок. При введении 0,1 масс. % УНМ и ФСС таких структур не образуется, следовательно, добавка распределяется равномерно в межмолекулярном пространстве вяжущего, а уменьшение энергии обеспечивает более активные композиты.
ИК-спектроскопический анализ показал, что при введении наномодификатора в битум наблюдается рефлекс в диапазоне
2450...2350 см-1, который соответствует спектру исходных нанодобавок. Следует предположить, что в системе «битум-наномодификатор» не образуются химические связи, а равновесие поддерживается за счет обратимой физической адсорбции [8]. Это доказывает предположение о том, что наномодификатор не затрагивает групповые элементы битума, а располагается в межмолекулярном пространстве и диспергирован, по крайней мере, на молекулярном уровне.
Известно, что при производстве асфальтобетона битум находится в виде тонких пленок на поверхности минеральных зерен, нагретых до температуры 140...160°С. При свободном доступе кислорода воздуха возникает наиболее благоприятная возможность протекания термоокислительных и других процессов, приводящих к старению битума [9]. Косвенной характеристикой устойчивости битума к «старению», вызванной неоднократным нагреванием битума, является потеря массы битума после прогрева (рис. 2).
0%
0,10%
0,25%
0,50%
Содержание добавки в битулле
-УНМ -ФСС
Рис. 2. Потеря массы битума после прогрева
0,10%
0,25%
0,50%
УНМ
Анализ полученных результатов показал, что при введении в состав битума наномодифи-каторов (0,1.0,25 масс. %) идет уменьшение потери массы в тонких слоях битума после прогрева. Скорее всего это объясняется наличием системы п-конъюгированных двойных связей на поверхности, благодаря которым молекула Сбо улавливает свободные радикалы и проявляет свойства антиоксиданта [10]. Следовательно, происходит сокращение поверхностного испарения имеющихся или образующихся при старении низкокипящих компонентов нефтяного битума.
Исследования показали, что при увеличении концентрации добавок увеличивается их склонность к агрегации, и равномерное распре-
При совместном воздействии движения транспортных средств и природно-климатических факторов на поверхности асфальтобетонного покрытия происходит колее-образование, возникающее в результате накопления остаточных напряжений асфальтобетон-
Как видно из представленных в табл. 1 данных, введение УНМ и ФСС положительно сказывается на сопротивлении асфальтобетона деформационным нагрузкам. При введении в состав асфальтобетона модификаторов деформация при 50 °С ниже, чем этот же показатель у бездобавочного асфальтобетона. Это свидетельствует о том, что в летний период произойдет
деление на молекулярном уровне становится более затруднительно, следовательно это уменьшает их эффективность. При снижении концентрации нанодобавок возникает проблема их распределение в составе битума, поэтому оптимальное количество наномодификаторов составляет 0,1 масс. %.
Для определения прочностных и деформационных характеристик асфальтобетона на основе модифицированного битума были изготовлены образцы плотного, горячего, мелкозернистого асфальтобетона типа «Б». Анализ представленных результатов показал, что асфальтобетон на модифицированных битумах обладает большей прочностью во всем интервале температур (рис. 3).
ного покрытия. Для того чтобы спрогнозировать вероятность появления пластичных дефектов, были определены деформации при сжатии при максимальной нагрузке на универсальной разрывной машине Instron 6637 (USA) (табл. 1).
Таблица 1
сокращение вероятности образования пластичных деформаций, что благоприятно скажется на ровности покрытия автомобильной дороги. Увеличение показателя деформации при сжатии при 0 °С говорит о том, что асфальтобетон в зимний период будет более пластичен и сократит вероятность образования трещин на покрытии, что отразится на долговечности асфальтобетона.
2-4
5 3
о J
а.
с
н 2
и
ОХ 20°С
Температуры испытания
50°С
■ бездобавочным асфальтобетон
■ с содержанием ОД масс.%УНМ
с содержанием 0,1
масс.% ФСС
Рис. 3. Предел прочности образцов асфальтобетона
Деформация асфальтобетона при сжатии при максимальной нагрузке
Состав вяжущего для асфальтобетона Деформация при сжатии (перемещение) при максимальной нагрузке, при разных температурах, мм/мм
50 °С 20 °С 0 °С
БНД 90/130 0,7338 0,7488 0,7504
БНД 90/130 +0,1 мас.% УНМ 0,6738 0,7743 1,0251
БНД 90/130 +0,1 мас.% ФСС 0,687 0,7796 0,9382
Таким образом, использование модифицированных фуллеренсодержащими наноматериа-лами органических вяжущих в дорожном строительстве позволяет улучшить целый ряд свойств асфальтобетона, существенно не меняя технологию производства смеси и используя модификаторы в достаточно малом количестве.
*Исследования выполнены в рамках гранта «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации», проект №84 и в рамках Госзадания Минобрнауки России на тему «Исследование и разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий для объектов энергетики, стройиндустрии и жилищно-коммунального хозяйства» (задание №2014/23).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент РФ №2005138095/15, 27.03.2008. Чурилов Г.Н. Способ синтеза фуллереновой смеси в плазме при атмосферном давлении // Патент России №2320536 С2. Бюл. № 9.
2. Чурилов Г.Н., Булина, Н.В., Федоров А.С. Фуллерены: Синтез и теория образования. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 230 с.
3. Патент РФ №2011106679/07, 22.02.2011, С.Л. Буянтуев, А.С. Кондратенко, Б.Б. Дамди-нов. Способ получения углеродных наноматери-алов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления // Патент России 2488984 МПК8 Н05Н1/00, 82В 1/00. Бюл. № 21.
4. Буянтуев С.Л., Дамдинов Б.Б., Кондратенко А.С. Фуллерены как конденсированная фаза при обработке угольной пыли низкотемпе-
ратурной плазмой// Наноматериалы и технологии. Технологии наноразмерных структур: сб. трудов 2-ой научно-практ. конф. Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2009. С. 230-232.
5. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Хмелев А.Б. Особенности получения углеродных наноматериалов методом комплексной плазменной переработки углей // Вестник ВСГУТУ. 2013. (42). С.21-25.
6. Урханова Л.А., Шестаков Н.И., Буянтуев С.Л., Семенов А.П., Смирнягина Н.Н. Улучшение свойств битума и асфальтобетона введением углеродного наномодификатора // Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения). Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. Ч. 3. С. 391-399.
7. Урханова Л.А., Шестаков Н.И., Буянтуев С.Л., Доржиева Е.В. Использование углеродных наноматериалов для получения эффективного дорожно-строительного композита//Вестник ВСГУТУ. 2014. №6(51). С.67-73.
8. Иноземцев С.С. Структура и свойства наномодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва, 2013, 12 с.
9. Скрипкин А.Д., Старков Г.Б., Колесник Д.А. Оценка старения битума в тонких пленках с применением анализатора тонкой хроматографии «IATROSCAN MK-5» // Вестник ХНАДУ. 2008. №40.
10. Гринюк И. И., Прилуцкая С. В., Слобо-дяник Н. С., Чунихин А. Ю., Матышевская О. П. Агрегатное состояние С60-фуллерена в различных средах // Biotechnol. acta . 2013. №6.
Shestakov N.I., Urahanova L.A., Buyantuev S.L., Semenov A.P., Smirniaginа N.N. ASPHALT CONCREATE USING CARBON NANOMODIFIERS
In the present article the possibility of use as a modifier of bitumen produced carbon nanomaterials in various ways. Introduction 0.1 % nanomodifier significantly alter the properties of bitumen. Asphalt concrete based on it has a high compressive strength at all temperatures.
Key words: carbon nanomodifiers, fullerenes, fullerene-containing soot, modified bitumen.
