CC BY
33УДК 625.861
С.И. ВОЗНЫЙ, инженер (t_plast@mail.ru), С.М. ЕВТЕЕВА, канд. техн. наук, Саратовский государственный технический университет
Физико-химическое взаимодействие термопластичных разметочных материалов с поверхностью асфальтобетонных дорожных покрытий
Для разметки автомобильных дорог, характеризующихся высокой интенсивностью движения, используют материалы с функциональной долговечностью не менее одного года (термопластики, холодные пластики и др.). Холодные пластики химического отверждения по функциональной долговечности несколько превосходят термопластичные материалы, однако высокая стоимость и отсутствие соответствующей техники для нанесения разметки сдерживают их широкое применение.
Качество термопластиков отечественного производства не уступает лучшим образцам импортных термопластичных материалов, поэтому в настоящее время они получили наиболее широкое применение для разметочных работ. Однако термопластичные материалы обладают некоторыми недостатками, главным из которых является способность к размягчению при высокой температуре, что нередко приводит к отделению его слоя от поверхности дорожного покрытия. Поэтому характер адгезионного взаимодействия термопластичного разметочного материала с материалом дорожного покрытия оказывает значительное влияние на функциональную долговечность и фактический срок службы горизонтальной дорожной разметки.
В зависимости от природы взаимодействующих тел и условий возникновения адгезионных связей различают следующие механизмы ее протекания: механический, адсорбционный (или молекулярный), электрический и диффузионный [1, 2].
Несмотря на достигнутые учеными успехи в исследованиях адгезионного взаимодействия, механизм этого явления остается недостаточно ясным и любой односторонний подход к явлению адгезии не может объяснить его полно. Разработанные ранее теории адгезии претерпели значительную трансформацию, и в настоящее время можно говорить лишь о сближении ряда теорий по некоторым основным положениям. Поэтому для оценки прочности адгезионного соединения необходимо проводить теоретический анализ с целью выявления роли факторов, влияющих на данный показатель в каждом конкретном случае. Для решения практических задач необходимо проводить качественную оценку влияния того или иного фактора на условия образования
Материал Удельная поверхностная энергия, мДж/м2
Нефтяной дорожный битум 30-35
Основные породообразующие минералы кальцит 78
полевой шпат 358
кварц 780
Поверхности зерен асфальтобетона покрытые битумом 30-35
не покрытые битумом 78-780
адгезионной связи и ее поведение в процессе эксплуатации конкретного рассматриваемого изделия.
Адгезия термопластика к поверхности дорожного покрытия зависит от множества факторов, однако, рассматривая природу этого явления, можно выделить три основных:
— адгезия, обусловленная действием механических связей;
— адгезия химической природы;
— адгезия, связанная с диффузионными процессами.
Исследованиями, проведенными по методике,
заключающейся в измерении усилия, требуемого для отрыва слоя термопластика от поверхности асфальтобетона, было установлено процентное соотношение влияния различных факторов на адгезию термопластика к поверхности дорожного покрытия [3]. Вклад каждой из составляющих в формирование суммарной адгезии термопластика к поверхности асфальтобетона: химическая адгезия — 25—30%; механическая — 35—65%; диффузионная - 10-15%.
Адгезия пленки термопластика и проявление клеящего действия начинаются на стадии нанесения термопластичного материала на покрытие, когда термопластик находится в состоянии расплава и заканчивается после полного его застывания. Особенностью адгезии является то, что она происходит при высокой температуре (как правило, до 200оС). Характер адгезии, ее величина зависят от толщины слоя термопластика на поверхности дорожного покрытия и его поверхностной энергии. Натяжение термопластика во многом определяется природой компонентов, связующих его. Большинство наиболее распространенных связующих компонентов, применяемых для производства термопластичных материалов, содержат алифатические углеводороды и сложные эфиры с поверхностной энергией 22-36 мДж/м2.
В асфальтобетонных смесях обычно используют минеральные материалы (щебень, песок, минеральный порошок), основными породообразующими минералами которых являются кальцит, кварц, полевой шпат. В таблице приведены их удельные поверхностные энергии (о) на границе с воздухом, а также с вязким дорожным битумом.
Таким образом, адгезия связана с динамическим процесом, характеризующим изменение свойств расплава термопластика до свойств сформировавшейся пленки разметочного материала.
Учитывая, что поверхность асфальтобетонного покрытия представляет собой мозаичную дифильную структуру, состоящую из гидрофильных и гидрофобных участков, можно выделить два случая адгезии термопластика: к гидрофобным участкам поверхности, обработанным битумом, и к гидрофильным, не покрытым битумом (минеральным материалам). Работа адгезии, то есть работа, требующаяся для отделения слоя термопластика от твердой поверхности (Жа), определяется уравнением Дюпре-Юнга:
= Отв(1+^9),
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
"~62 октябрь 2010
где оТВ — поверхностное натяжение термопластика на границе с воздухом, мДж/м2; 6 — краевой угол смачивания термопластиком поверхности дорожного покрытия, град.
Из уравнения Дюпре—Юнга видно, что чем лучше расплав термопластика смачивает твердую поверхность, тем выше работа адгезии.
Без учета адсорбции работу адгезии термопластика к гидрофобным участкам поверхности асфальтобетонного покрытия (Жгв), обработанным битумом, можно представить в виде:
^ТБ = 0БВ + 0ТВ —
где оБВ, оТВ, оТБ — поверхностная энергия на границах раздела битум — воздух, термопластик — воздух и термопластик — битум, мДж/м2.
Известно, что в качестве основы связующих современных термопластичных материалов используют так называемые углеводородные смолы, или эфиры канифоли, содержание которых в термопластиках составляет около 30 мас. %. В качестве пластификатора используют масло ПОД (продукт окисления и дегидратирования, отход производства капролактама).
Благодаря химическому сродству связующей части расплава термопластика и нефтяного битума, покрывающего поверхность минеральных составляющих, следует ожидать образования прочного контакта на поверхности раздела термопластик — битум. Отрыв его сформировавшейся пленки на границе раздела с гидрофобной поверхностью асфальтобетона (битумом) будет иметь когезион-ный характер.
В случае адгезии термопластика к гидрофильной (необработанной битумом) минеральной поверхности работа адгезии (ЖМТ) имеет вид:
КМ
омв + оТ
где оМВ, оТВ, оМТ — поверхностная энергия на границах раздела минеральная поверхность — воздух, термопластик — воздух и минеральная поверхность — термопластик, мДж/м2.
Отрыв слоя термопластика на границе раздела минеральная поверхность — термопластик также будет иметь когезионный характер. На этой стадии адгезии способствует явление абсорбции расплава термопластика в поры и микротрещины минеральных материалов в процессе нанесения разметки. Абсорбированный термопластик подобно анкерам удерживает пленку на поверхности зерен минеральных материалов. Особенностью процесса будет то, что он происходит только на не покрытой битумом минеральной поверхности асфальтобетонного покрытия (зернах щебня, песка, минерального порошка), так как на поверхности, обработанной битумом, процесс абсорбции практически завершился.
Большое значение для адгезии термопластика к не покрытым битумом участкам поверхности асфальтобетонного покрытия (минеральным материалам) имеет характер их поверхности (шероховатость, пористость идр.). Работа адгезии термопластика на шероховатой поверхности не покрытых битумом участках асфальтобетонного покрытия (КМ) имеет вид [4]:
Кмт= отв+ ял(оМВ- оМТ), где ЛД — отношение фактической площади шероховатой поверхности к проекции на горизонтальную плоскость.
Наряду с процессами физической адсорбции в результате межмолекулярного притяжения будут иметь место хемосорбционные процессы, т. е. образование на границе раздела химически прочных и водостойких соединений, удерживающих пленку термопластика на поверхности минеральных материалов. Хемосорбция имеет большее значение для адгезии термопластика, по-
скольку энергия химических связей значительно превышает энергию физических. Интенсивность процессов хемосорбции будет зависеть от природы и свойств минеральной поверхности, химического состава органической части термопластика и др. С точки зрения его состава наиболее активной является смолистая часть, менее активной — масла. По химическому взаимодействию наиболее активны входящие в состав термопластиков высокомолекулярные соединения углеводородных смол, содержащие активные функциональные группы и алифатические углеводороды.
Согласно электрической теории в образовании адгезионной связи решающую роль играют электростатические силы между термопластиком и минеральными материалами. В результате адсорбционных явлений происходит перераспределение электронов на границе раздела, приводящее к образованию двойного электрического слоя.
Минеральные материалы, обычно применяемые в дорожном строительстве, имеют кристаллические решетки с ионной (гетерополярной) связью. При дроблении этих материалов происходит разрыв ионных связей, в результате чего на минеральной поверхности образуется сложное электрическое поле, знак и величина потенциала которого определяются его химическими особенностями, характером расположения разноименно заряженных ионов в решетке и связей между ними, свойствами ионов и направлением раскола.
Основными породообразующими минералами большинства применяемых каменных материалов являются кварц и кальцит, что обусловливает знак и величину потенциала заряда (энергетически активные центры) их поверхностей.
В качестве органического связующего в составе термопластичных разметочных материалов используют нефтеполимерные, полиэфирные, акриловые смолы, эфиры канифоли. В качестве технологических добавок, снижающих степень загрязняемости линии дорожной разметки, в состав термопластиков водят полипропиленовые и амидные воски.
Содержащиеся в составе нефтеполимерных и полиэфирных смол такие высокоактивные компоненты, как смоляные, терефталевые кислоты и алифатические углеводородные смолы, несут в своей полярной части отрицательный заряд, поэтому активнее взаимодействуют с положительно заряженными минеральными материалами; положительный заряд поверхности обусловливается нескомпенсированными электровалентными связями ионов кальция Са2+. В результате электростатического притяжения анионы углеводородных смол, карбоновых кислот и их производных образуют с катионами кальция на границе раздела фаз термопластик — минеральная поверхность водонерастворимые поверхностные соединения, которые прочно удерживают пленку термопластика на поверхности асфальтобетонного покрытия.
Нефтеполимерные смолы практически не содержат соединений, способных образовывать электронные связи с отрицательно заряженными минеральными поверхностями, поэтому при взаимодействии с кварцем расплав термопластика почти не вступает в химическую реакцию, преобладает физическая адсорбция.
Химически стойкие полипропиленовые и амидные воски, используемые в составе термопластичных материалов как улучшающая добавка, практически не оказывают влияния на характер адгезионной связи термопластичного материала с поверхностью асфальтобетонного покрытия.
Рассмотренные явления дают основание полагать, что между поверхностью асфальтобетонного покрытия и термопластиком имеются благоприятные условия для создания прочных адгезионных связей. Однако свойство застывшего сформированного термопластика размягчать-
о
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] : : ® октябрь 2010 5Г
ся под действием высокой температуры может привести к нарушению равновесия образовавшейся системы и повышению вероятности протекания в ней самопроизвольных процессов при изменении условий внешней среды. Интенсивность этих процессов во многом зависит от типа, свойств, структуры поверхности, а также от массового содержания компонентов в материале дорожного покрытия.
В III—V дорожно-климатических зонах продолжительность нагрева асфальтобетона в дорожных покрытиях выше 50оС достигает 250 ч и более. Размягчение термопластичного материала под действием нагрузок проходящего автотранспорта приведет к более глубокому заполнению пор на покрытиях, устраиваемых из крупнозернистых асфальтобетонных смесей, щебеноч-но-мастичных асфальтов, где большую часть суммарной поверхности составляют не покрытые битумом минеральные материалы. В этом случае следует ожидать повышения адгезии термопластика к покрытию.
На дорожных покрытиях, устраиваемых из песчаных асфальтовых бетонов и литых асфальтов с повышенным содержанием битума, под действием высокой температуры содержащийся в асфальтобетоне битум может выступать на поверхность, нивелируя образовавшимся тонким слоем гидрофильные минеральные материалы, которые «втапливаются» в пастовую часть асфальтобетона. Пленка термопластика под действием высокой температуры также претерпевает структурные изменения. Выше 50оС органическая составляющая термопластика, как и битум, используемый для приготовления асфальтобетона, приобретает реологические свойства высоковязкой структурированной жидкости с коагуляционной структурой со всеми присущими таким системам явлениями (аномалия вязкости, тиксотропия и др.). При этом адгезию термопластика к нивелированной слоем битума поверхности дорожного покрытия можно сопоставить с ад-
гезией жидкости (термопластика) к жидкости (битуму). В этом случае работа адгезии (WБТ) имеет вид:
= 0Т'В + 0БВ — ^бТ>
где отв, обв, обт — поверхностные энергии на границах раздела расплав термопластика — воздух, битум — воздух и битум — расплав термопластика, мДж/м2.
Независимо от абсолютной величины адгезия расплава термопластика к нивелированной битумом поверхности дорожного покрытия практически не влияет на увеличение сцепления между ними, так как расплав термопластика не оказывает сопротивления сдвигу, скользя по поверхности битума. Разрушение контакта имеет только адгезионный характер. В этом случае нередко происходит отделение термопластика от поверхности дорожного покрытия. Этим объясняется распространенное явление «наматывания» термопластика на колеса проходящего автотранспорта под действием высокой атмосферной температуры.
Ключевые слова: дорожная разметка, термопластик, дорожное покрытие, адгезионное взаимодействие, работа адгезии, поверхностная энергия.
Список литературы
1. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. 392 с.
2. Москвитин Н.И. Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. М.: Лесная промышленность, 1974. 192 с.
3. Морозов В.В. Практические рекомендации по нанесению горизонтальной дорожной разметки термопластиками // Дороги России XXI века. 2006. № 3. С. 43-47.
4. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. 416 с.
ООО Производственная фирма «ВолгаСтандарт-й»
Основные направления деятельности:
■ контроль качества и технический надзор дорожных работ; ■ разработка проектов организации дорожного движения и обустройства
автомобильных дорог; ■ паспортизация автомобильных дорог. ■ диагностика автомобильных дорог и др.
«Испытательный лабораторный центр контроля качества дорожно-строительных материалов и дорожной разметки» в составе ООО ПФ «ВолгаСтаидарт-/)»
осуществляет контроль качества:
> красок (эмалей) для дорожной разметки;
> пластичных материалов для дорожной разметки;
> микростеклошариков для разметки автомобильных дорог; >лакокрасочных покрытий для противокоррозионной защиты;
> грунтов;
> бетонных смесей;
> нерудных строительных материалов;
> асфальтобетонных, дорожных, аэродромных смесей и асфальтовых бетонов
Все виды работ выполняются на высоком уровне высококвалифицированными практикующими специалистами, кандидатами и докторами наук по техническим специальностям
Саратовская область, Саратовский р-н, промузел «Зоринский»
Ре
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал tö'ff Э^МЗ^ШЙМЗ
"~64 октябрь 2010 SWsWlAJJiif
