ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДИФИКАЦИИ БИТУМА НАНОДОБАВКАМИ В АСФАЛЬТОБЕТОНЕ НА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКАХ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Научная статья УДК 691.168

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 95

ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДИФИКАЦИИ БИТУМА НАНОДОБАВКАМИ В АСФАЛЬТОБЕТОНЕ НА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКАХ1

© Авторы 2023 SPIN-код: 6471-3980

SPIN: 6626-3274

ПРИБЫЛОВ Вячеслав Сергеевич

аспирант

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) (Россия, Новосибирск)

ПИЧУГИН Анатолий Петрович

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

Новосибирский государственный аграрный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: gmunsau@mail. ru)

Аннотация. Рассмотрены вопросы улучшения качества асфальтовых бетонов за счет введения наноразмерных частиц - углеродных нанотрубок. Показано, что рациональное их введение в битумное вяжущее обеспечивает повышение адгезии к шлаковому заполнителю, что приводит к увеличению прочности и других эксплуатационных характеристик асфальтового бетона.

Ключевые слова: сталеплавильные шлаки; битумное вяжущее; нанодобавки; строительные материалы; термомеханические свойства; микроструктура

Для цитирования: Прибылов В.С., Пичугин А.П. Эффективность модификации битума нанодобавками в асфальтобетоне на сталеплавильных шлаках // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 95-100. doi 10.51608/26867818 2023 4 95

Original article

EFFICIENCY OF BITUMEN MODIFICATION BY NANOADDITIVES IN ASPHALT CONCRETE ON STEELMAKING SLAGS

© The Author(s) 2023 PRIBYLOV Vyacheslav Sergeevich

PhD Candidate

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk)

PICHUGIN Anatoly Petrovich

Doctor of Technical Sciences, Professor

Novosibirsk State Agrarian University (Russia, Novosibirsk, e-mail: gmunsau@mail.ru)

Abstract. The issues of improving the quality of asphalt concrete due to the introduction of nanoscale particles, such as carbon nanotubes, are considered. It is shown that their rational introduction into the bitumen binder provides an increase

1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).

in adhesion to the slag aggregate, which leads to an increase in the strength and other performance characteristics of asphalt concrete.

Keywords: steelmaking slags; bituminous binder; nanoadditives; thermomechanical properties; microstructure

For citation: Pribylov V.S., Pichugin A.P. Efficiency of bitumen modification by nanoadditives in asphalt concrete on steelmaking slags // Expert: theory and practice. 2023. № 4 (23). Рр. 95-100. (InRuss.). doi 10.51608/26867818 2023 4 95

Введение

Асфальтовый бетон в процессе работы в дорожных покрытиях подвергается воздействию комплекса атмосферных факторов и во времени изменяет свои свойства. Существенным недостатком асфальтобетона на основе битума является его старение, сопровождающееся ухудшением деформативных свойств асфальтобетонных покрытий и приводящее к значительному сокращению срока службы [1-3]. Особый интерес здесь представляет скорость изменения свойств битумоминеральных и асфальтобетонных покрытий за счет старения органических вяжущих, так как по мере увеличения срока эксплуатации дорог снижаются упруго-вязкопластические деформации, материал становиться более хрупким [3].

Данная проблема является актуальной и для асфальтобетонных смесей, приготовленных с применением вторичных отходов промышленного производства - сталеплавильных шлаках. Несмотря на положительные характеристики асфальтового бетона на шлаковых материалах, некоторыми авторами [4] отмечается негативное влияние пористости шлакового щебня на эксплуатационные свойства асфальтобетона. Выборочная диффузия летучих фракций битума в минеральный материал приводит к его старению в дорожном покрытии.

Регулировать процессы старения битума в том числе и в шлакоасфальтобетоне можно использованием более термостабильных вяжущих. Использование модификаторов в дорожном строительстве решает проблемы повышения термостабильности асфальтобетона, экономии битума, утилизации отходов, а также связанных с ними экологических проблем и охраны окружающей среды. Механизм модифицирующего воздействия добавок на дорожный битум, в составе асфальтобетонной смеси, заключается в его структурировании. При повышении степени наполнения массы вяжущего дисперсной фазой когезионная прочность и плотность композиции возрастает.

В последние годы активно проводятся работы по использованию нанотехнологий в производстве строительных материалов. Наноматериалы могут выполнять роль адсорбентов, катализаторов и модификаторов химических реакций,

технологических и конструктивных свойств изготовляемых с их применением материалов. Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является применение углеродных наноматериалов (далее - УНМ) [5].

Материалы и методы исследования

С целью повышения долговечности и качества битумных вяжущих материалов проведены исследования по введению в их состав различного рода добавок УНМ, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом направлении.

Действие модифицирующих нанодобавок можно представить в виде компонентов, обеспечивающих каталитический эффект, проявляемый эффективно в случае максимальной адгезии как к введенным наночастицам, так и когезии самого битума, т. е. чем выше адгезия тел, тем будет выше сопротивляемость системы к воздействующим факторам. Особенно это заметно на показателях растяжимости битумной композиции в присутствии нанодобавок (см. рис.1) [6-14].

Представленные результаты испытания модифицированных составов битумного вяжу щего с добавками различных наноразмерных частиц подтверждают вышесказанное и свидетельствуют о существенном влиянии нанодобавок на свойства битумной композиции.

' ---> }-¿-g

1 »-——

О 0,25 0,50 0,75 1,00

Содержание добавки, %

Рис. 1. Влияние нанодобавок на растяжимость битума: 1 - оксид алюминия, гидроксид магния;

2 - оксид цинка, диоксид кремния;

3 - углеродные нанотрубки

Интерес здесь вызывает выяснение влияния нанодобавок в присутствии минерального наполнителя из сталеплавильных шлаков. С этой целью был выполнен комплекс термомеханических исследований, которые также явились подтверждением показателей физико-механических испытаний модифицированного нанодобавками битумного вяжущего.

Наибольшее усиление, проявляемое в снижении деформации и увеличении температурного перехода - температуры текучести - отмечено при введении углеродных нанотрубок [6-14].

Углеродные нанотрубки (далее - УНТ) являются эффективным средством повышения прочностных свойств композитных полимерных материалов. Введенные в асфальтобетонную смесь

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. №4 (23)

нанотрубки ее армируют, превращая в композиционный материал. Нанотрубки ведут себя как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое всю асфальтобетонную смесь [15].

На рис. 2 приведены термомеханические кривые затвердевшего битумного связующего на тонкомолотом наполнителе из сталеплавильного шлака с различным процентным содержанием УНТ.

Температура, °С

Рис. 2. Термомеханические кривые модифицированного битумного вяжущего с различным содержание углеродных нанотрубок: 1 - без добавок; 2 - УНТ 0,01%; 3 - УНТ 0.10 %;

4 - УНТ 0,05%

Использование шлаковых заполнителей имеет некоторые особенности по сравнению с плотными каменными породами выражающиеся в увеличенном объеме открытой пористой структуры наполнителя. Этот факт напрямую связан с повышением адгезии битумного вяжущего к шлаковому заполнителю и упрочнению зоны контакта за счет вхождения битума в пористую структуру минерального компонента. При этом следует отметить, что взаимодействие носит в большей степени механический характер, а не физико-химический, о чем свидетельствует кривая 1 на рис.2 точно повторяющая свойства битумно-шлаковой композиции без нанодобавок. Введение наноразмерных частиц способствует формированию надмолекулярных структур битумной композиции в виде пространственной структуры, что сказывается на деформативных показателях, которые снижаются в два-три раза. Также значительно увеличивается термостабильность полученных смесей - на 20-25°С, что может характеризовать данные смеси как более упорядоченные за счет появления активных центров из наноразмерных частиц. При этом за счет обеспечения прочного адгезионного контакта молекулы битума взаимодействуют со шлаком не изолированно, а в комплексной упрочненной структуре.

Выше уже было указано, что повышенное количеством центров кристаллизации в смеси, с которыми выступают наноразмерные частицы,

может приводить к снижению качества прочных химических связей. Как следует из рис.2 кривая 4 отвечает рациональному расходу нанодобаки УНТ, в то время как кривая 3 с большим расходом нанодобавки приводит к обратному эффекту, снижая качественные показатели композитного материала как по деформативным показателям, так и по термостабильности. Таким образом, оптимальное число связываемых молекул в пределах 600-800 молекул из состава вяжущего является оптимальным [11-17].

Изучение микроструктуры позволило осуществить сравнение структурных превращений на этапах формирования конгломератного материала при изменениях рецептур, связанных с различием дозировки нанодобавок. На рис. 3.1 представлены фрагменты микроструктуры асфальтового бетона без наноразмерных добавок. Отмечена рыхлая неупорядоченная структура, создание которой не отличается равномерно распределенными фазами присущими для эффективной макроструктуры. Наблюдаются некоторые неравномерности практически по всему полю видимости микроскопа.

3.!

Рис. 3 Микроструктура асфальтового бетона

на сталеплавильных шлаках, хЮОО: 1 - без нанодобавок; 2 - добавка УНТ 0,01%;

3 - добавка УНТ 0,05%;4 - добавка УНТ 0,10%

Введение добавки углеродных нанотрубок в количестве 0,01% (рис. 3.2) способствует появлению микроцентров кристаллизации и формированию микроструктуры с большей степенью упорядоченности по сравнению с бездобавочным вариантом (рис. 3.1). В целом данная микроструктура выравнивается за счет формирования распределенных по всему полю микроцентров, обеспечивающих четкость и упорядоченность материала.

Еще более упорядоченной выглядит микроструктура битумно-минерального вяжущего с добавкой 0,05% углеродных нанотрубок (рис. 3.3). Данный состав отличается равномерно распределенными центрами кристаллизации, которые присутствуют в достаточном объеме для формирования прочной взаимосвязи между

битумным вяжущим и минеральным заполнителем. Данное положение хорошо согласуется с результатами фотоэлектроколориметрических

исследований [16-17], показавших, что данный состав обладает повышенной адгезионной прочностью, которая и образовалась благодаря активному взаимодействия компонентов с равномерным распределением центров

кристаллизации углеродных нанотрубок.

При дальнейшем увеличении дозировки нанодобавки УНТ отмечены нарушения структуры и упорядоченности распределения центров кристаллизации (рис. 3.4), что вызвано избытком активных частиц, способных обеспечить взаимодействие с фрагментами битумного вяжущего. В результате переизбытка активных частиц наступает нарушение упорядоченности, что приводит к ухудшению физико-механических показателей. Данное положение подтверждается неравномерностью микроструктурных образований и, как следствие, приводит к снижению адгезионной прочности модифицированного битумного вяжущего. Приведенные выводы хорошо согласуются с результатами термомеханических и физико-механических исследований, что было описано ранее.

С целью увеличения срока службы асфальтового покрытия на сталеплавильных шлаках (далее - СПШ) проведены исследования по изучению влияния наноразмерных добавок, вводимых в битумное вяжущее, на эксплуатационные характеристики асфальтового бетона.

а) 5,0

/?сж, МПа

3,0 2,0 1,0

fc--=s -

—■___< r~4

На рис. 4 представлены результаты испытаний на морозостойкость асфальтобетона на СПШ с добавками в сравнении с традиционными композитами.

Анализ полученных кривых свидетельствует о неизбежном снижении прочностных характеристик асфальтобетона на СПШ, однако, степень деградации физико-механических свойств асфальтобетона в целом и битумного вяжущего в частности для асфальтобетона на СПШ на 15-20% ниже, чем у традиционных асфальтобетонных смесей. Ещё более заметна эта разница для составов с добавкой углеродных нанотрубок. Так, после 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания потеря прочности наномодифицированных составов не превышает 1 -12 %, в то время как традиционные составы теряют до 25%.

Ещё большие различия отмечены после проведения 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Для асфальтобетона на СПШ с нанодобавками потеря прочности составила 15-17%, в то время как составы без нанодобавок снизили прочностные показатели на 34-37%, а традиционный асфальт потерял более 55% своих прочностных свойств. Таким образом, можно сделать вывод о том, что введение наноразмерных частиц УНТ способствует усилению сопротивляемости асфальтобетона климатическим воздействиям и, следовательно, может считаться более долговечным по сравнению с традиционными ас фа льтобетонами.

о

25 50 75

Морозостойкость, циклы

100

100

25 50 75

Морозостойкость, циклы

Рис. 4. Изменение предела прочности при сжатии асфальтобетона на сталеплавильных шлаках с нанодобавками в сравнении с традиционным асфальтобетоном после замораживания и оттаивания (А - при 20°С; Б - при 0°С): 1 - традиционный асфальтобетон;2 - асфальтобетон на СПШ без добавок; 3 - то же, с нанодобавкой УНТ (0,05%)

а) 2 4,0

Р 3,0

^ 2,0 2

I ко

?--£ \-

l/A f 3

У

2500 5000 7500 10 000 Количество проходов колеса

2500 5000 7500 10 000 Количество проходов колеса

Рис. 5. Кривые зависимости колееобразования асфальтобетона на сталеплавильных шлаках при

положительной (А) и отрицательной (Б) температурах: 1 - традиционный состав асфальтобетона; 2 - асфальтобетон на сталеплавильных шлаках;

3 - то же, с нанодобавкой УНТ

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Важнейшей эксплуатационной

характеристикой асфальтобетона является колееобразование, величина которого зависит от плотности как самого заполнителя, так и от степени его уплотнения при устройстве асфальтового покрытия.

Известно, что сталеплавильные шлаки обладают повышенной прочностью в силу своего химического состава, поэтому величина колееобразования таких покрытий несколько ниже, чем у традиционных составов. С целью фактического определения величины колееобразования асфальтобетона на СПШ с нанодобавками были проведены испытания на специальном стенде, имитирующем прохождение колеса автомобиля с шипами, а также выполнены опытные участки дорожного покрытия, которые также подвергались систематическим наблюдениям и испытаниям.

На рис. 5 представлены результаты испытаний асфальтового бетона на СПШ на колееобразование [17].

Анализируя полученные зависимости сопротивляемости асфальтового покрытия воздействующим нагрузкам, можно сделать следующие выводы [17-20]. Вне зависимости от вида асфальтового покрытия все материалы в той или иной степени подвержены колееобразованию. Так, в теплое время года величина колеи после прохода 5000 колес составляет не менее 3,3-3,7 мм для традиционных составов и около 3,0 мм для композитов на СПШ без добавок. При введении 0,05% УНТ отмечено снижение колееобразованию в полтора-два раза. Ещё большее различие отмечено при воздействии на образцы прохода 10000 колес: составы асфальтового бетона на сталеплавильных шлаках с нанодобавкой замедляют колееобразование, что объясняется более упрочненной структурой по сравнению с традиционными и бездобавочными композитами. Аналогичные результаты отмечены и при проведении испытаний в условиях воздействия отрицательных температур. Так, составы с нанодобавкой УНТ имеют минимальные потери массы асфальтобетона и, следовательно, обладают меньшим показателем колееобразования по сравнению с традиционными.

Выводы

Использование нанодобавок совместно со сталеплавильными шлаками в асфальтовых смесях дает положительный эффект по сравнению с традиционными составами. Отмечено повышение транспортно-эксплуатационных и строительно-технических характеристик шлакоасфальтобетона:

- увеличение морозостойкости на 25-35%;

- стабилизация длительной прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии;

- снижение колееобразования почти в два раза.

Кроме того, введение УНТ способствует

повышению адгезионных сил в контактной зоне

между минеральным шлаковым заполнителем и битумным вяжущим. Дополнительным

положительным фактором является упрочнение битумного вяжущего в асфальтобетоне со стабилизацией первоначальных свойств, что подтверждается физико-химическими методами исследований. Такой результат достигается за счет проявления активности наночастиц, являющихся центрами кристаллизации в битумном вяжущем, способствующим упрочнению всей структуры асфальтобетона на СПШ.

Библиографический список

1. Ерофеев, В. Т. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов (технология, свойства, долговечность) /

B. Т. Ерофеев, Ю. М. Баженов, Ю. И. Калгин ; Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева; Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. -Саранск : Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, 2009. - 276 с. - ISBN 978-5-71032184-3. - EDN RTAGEX.

2. Ерофеев, В. Т. Каркасные строительные композиты : специальность 05.23.05 "Строительные материалы и изделия" : автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Ерофеев Владимир Трофимович. - Москва, 1993. - 51 с. -EDN ZJHEOZ.

3. Баженов, Ю. М. Нанотехнология и наномодифицирование в строительном материаловедении. Зарубежный и отечественный опыт / Ю. М. Баженов, Е. В. Королев // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2007. - № 2. -

C. 17-22. - EDN OLQAAX.

4. Расстегаева, Г.А. Исследование процессов структурообразования смеси из гранулированного доменного шлака и вязкого битума при строительстве покрытий автомобильных дорог: автореф. дис. канд. техн. наук / Г.А. Расстегаева. - Л-д, 1970. - 24 с.

5. Тенденции развития наномодификации композитов на органических вяжущих в дорожно-строительной отрасли / М. А. Высоцкая, Д. А. Кузнецов, С. Ю. Русина [и др.] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2013. - № 6. - С. 17-20. - EDN RPJPHB.

6. Пичугин, А. П. Модификации битума нанодобавками для асфальтобетона на сталеплавильных шлаках / А. П. Пичугин, В. С. Прибылов // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2023. - № 1(769). -С. 50-60. - БО1 10.32683/0536-1052-2023-769-150-60. - ббм гя™^.

7. Усов Б.А., Горбунова Т.Н. Свойства и модификация битумных вяжущих// Системные технологии. - 2017. - №22. - С.72-88.

8. Самодуров С.И. Дорожный шлаковый асфальтовый бетон: диссертация ... доктора технических наук: 05.23.05. - Воронеж, 1982. -388 с.

9. Шестаков Н.И., Урханова Л.А., Буянтуев С.Л. и др. Асфальтобетон с использованием углеродныхнаномодификаторов // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. - 2015. - № 6. - С.21-30.

10. Беляев К.В., Чулкова И.Л. Модификация битума техническим углеродом // Вестник СибАДИ -2019. - 16(4). - С. 477-484.

11. Влияние наноразмерных добавок на адгезионную способность защитных полимерных покрытий / А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, В. В. Банул, А. Ю. Кудряшов // Строительные материалы. - 2018. - № 1-2. - С. 39-44. - ББМ УЯОХиК.

12. Роль нанодобавок в формировании прочного контактного слоя защитных покрытий / А. В. Пчельников, А. П. Пичугин, В. Ф. Хританков, О. Е. Смирнова // Строительные материалы. - 2022. - № 7. - С. 45-50. - БО1 10.31659/0585-430Х-2022-804-7-45-50. - ББМ БСГО8У.

13. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел: монография [Текст] - М. Наука 1973. - 280 с.

14. Каргин В. А. Роль структурных явлений в формировании свойств полимеров. [Текст] / В.А.Каргин - М., 1969. - С.7-31.

15. Запороцкова И.В. Углеродные наноматериалы для дорожного строительства. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. - 469 с.

16. Прибылов, В. С. Повышение адгезии битума в асфальтобетоне на сталеплавильных шлаках модификацией нанодобавками / В. С. Прибылов,

A. П. Пичугин, А. С. Денисов // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2023. - № 2(770). - С. 16-24. - БО1 10.32683/0536-10522023-770-2-16-24. - ББМ УХККШ.

17. Прибылов, В. С. Долговечность асфальтобетона на сталеплавильных шлаках с модифицированным нанодобавками битумом /

B. С. Прибылов, А. П. Пичугин // Известия высших учебных заведений. Строительство. -2023. - № 4(772). - С. 14-23. - БО1 10.32683/0536-1052-2023-772-4-14-23. - EDN СБиСЛв.

18. Котлярский Э.В. Морозостойкость асфальтобетона // Строительные материалы. -2011. - №5. - С.81-83.

19. Руденский А.В., Никонова О.Н., Казиев М.Г. Повышение долговечности асфальтобетонов введением активного комплексного модификатора// Строительные материалы. -2011. - № 10. - С.10-11.

20. Корочкин А. В. Износ жестких дорожных одежд с асфальтобетоны покрытием // Строительные материалы, - 2012. - №3. - С.66-67.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 23.08.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 23.08.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.