Научная статья на тему 'Исследование адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка'

Исследование адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
209
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
КИНЕТИЧЕСКИЙ СЛОЙ / АДСОРБЦИОННЫЙ СЛОЙ / УРАВНЕНИЕ А. ЭЙНШТЕЙНА / РЕОЛОГИЯ / ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА / ГРАНИЦА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ / ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ / KINETIC LAYER / ADSORPTION LAYER / EINSTEIN EQUATION / RHEOLOGY / DISPERSION SYSTEM / THE BOUNDARY OF THE PHASE-TO-PHASE INTERACTION / PHYSICAL AND CHEMICAL ACTIVITY

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Иноземцев Сергей Сергеевич, Поздняков Михаил Константинович, Королев Евгений Валерьевич

Обосновано применение реологического метода для определения толщины слоя битума, структурирующегося на поверхности минерального компонента. Проведен анализ существующих методик оценки физико-химической активности минеральных компонентов по отношению к битумам, который показал, что в настоящий момент отсутствует универсальная методика, позволяющая обосновывать применение минерального наполнителя для асфальтобетонов. Показано, что в соответствии с предлагаемой методикой определение толщины как кинетического, так и адсорбционного слоя можно проводить с применением только битума. При этом измерения вязкости дисперсных систем битум минеральный компонент необходимо проводить при различных температурах. Определен диапазон степени наполнения систем, в котором выполняется уравнение А. Эйнштейна (не более 5 % по объему). Установлены закономерности изменения вязкости дисперсных систем битум минеральный порошок от степени наполнения и температуры. Установлен характер изменения вязкости битума и касторового масла от температуры, вычислена температура, при которой вязкость битума достигает минимального значения (Т* = 220 °С). Показано, что на исследуемых минеральных компонентах образуется только кинетический слой, который с повышением температуры уменьшается, а адсорбционный слой, экспериментально определимый реологическим методом, не фиксируется. Сопоставление полученных данных с теоретическими результатами указывает на хорошую сходимость и воспроизводимость предлагаемой методики определения толщины структурированного битума и физико-химической активности минерального компонента. Представленные данные указывают также на нецелесообразность применения методики определения сцепления битума с минеральным порошком, проводимой по ГОСТ 11508-74*.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Иноземцев Сергей Сергеевич, Поздняков Михаил Константинович, Королев Евгений Валерьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF THE ADSROPTION-SOLVATE LAYER OF BITUMEN ON THE SURFACE OF THE MINERAL FILLER

In the article, the authors substantiate the employment of the rheological method of identifi cation of the thickness of the bitumen layer formed on the surface of the mineral component. The analysis of existing methodologies of assessment of the physical and chemical activity of mineral components in relation to the bitumen has proven the unavailability of any universal methodology to substantiate the use of mineral fillers to be added to the asphalt concrete. The authors have demonstrated that identification of thickness considered as a kinetic and an adsorption layer requires the employment of nothing else but the bitumen. Viscosity measurements of disperse systems composed of bitumen and mineral components are to be taken at different temperatures. The filling range of the above systems satisfying the Einstein equation (under 5% by volume) has also been identified. The nature of dependence between the viscosity fluctuation pattern of the disperse systems composed of bitumen and the mineral filler, on the one hand, and the degree of filling and the temperature, on the other hand, has been identified. The nature of dependence between the viscosity fluctuation of bitumen and the castor oil and their temperature has been identified, as well. The authors have also calculated the temperature at which the viscosity of bitumen reaches its minimum value (T = 220 °C). The authors have demonstrated that the mineral components under research produce only a kinetic layer that turns thinner as the temperature goes up, whereas no adsorption layer can be identified experimentally through the employment of the rheological method. Comparison of the data obtained by the authors with the theoretical findings demonstrates their sufficient convergence, reliable repeatability of the proposed method of identification of thickness of the structured bitumen, and physical and chemical activity of the mineral component. The data presented herein have also proven the inexpediency of application of the methodology of identifi cation of adhesion between bitumen and the mineral filler according to State Standard GOST 11508-74*.

Текст научной работы на тему «Исследование адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка»

УЕБТЫНС

мвви

УДК 625.331.85

С.С. Иноземцев, М.К. Поздняков, Е.В. Королев

фгбоу впо «мгсу»

ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННО-СОЛЬВАТНОГО СЛОЯ БИТУМА НА ПОВЕРХНОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО ПОРОШКА1

Обосновано применение реологического метода для определения толщины слоя битума, структурирующегося на поверхности минерального компонента. Проведен анализ существующих методик оценки физико-химической активности минеральных компонентов по отношению к битумам, который показал, что в настоящий момент отсутствует универсальная методика, позволяющая обосновывать применение минерального наполнителя для асфальтобетонов. Показано, что в соответствии с предлагаемой методикой определение толщины как кинетического, так и адсорбционного слоя можно проводить с применением только битума. При этом измерения вязкости дисперсных систем битум — минеральный компонент необходимо проводить при различных температурах. Определен диапазон степени наполнения систем, в котором выполняется уравнение А. Эйнштейна (не более 5 % по объему). Установлены закономерности изменения вязкости дисперсных систем битум — минеральный порошок от степени наполнения и температуры. Установлен характер изменения вязкости битума и касторового масла от температуры, вычислена температура, при которой вязкость битума достигает минимального значения (Т* = 220 °С). Показано, что на исследуемых минеральных компонентах образуется только кинетический слой, который с повышением температуры уменьшается, а адсорбционный слой, экспериментально определимый реологическим методом, не фиксируется. Сопоставление полученных данных с теоретическими результатами указывает на хорошую сходимость и воспроизводимость предлагаемой методики определения толщины структурированного битума и физико-химической активности минерального компонента. Представленные данные указывают также на нецелесообразность применения методики определения сцепления битума с минеральным порошком, проводимой по ГОСТ 11508—74*.

Ключевые слова: кинетический слой, адсорбционный слой, уравнение А. Эйнштейна, реология, дисперсная система, граница взаимодействия фаз, физико-химическая активность.

Эксплутационные свойства и долговечность асфальтобетона зависят от структуры, образуемой минеральными компонентами и битумом. Потенциал сопротивления структуры материала эксплутационным воздействиям [1—3] зависит от активности взаимодействия на границе раздела фаз наполнитель — битум, где на поверхности минерального компонента происходит структурирование битума, интенсивность которого определяется площадью поверхности контакта и адсорбционной способностью минерального компонента. Наибольший вклад в площадь поверхности минеральных компонентов асфальтобетона приходится на минеральный порошок. Многочисленные исследования показывают, что содержание крупного заполнителя часто не превышает объемного содержания V ^ кг. Содержание мелкого заполнителя и наполнителя определяют соответственно по формулам:

V г =(1 ^ г м );

Vf =(1 -Vfм-Vf ,ш )),

где " — плотность кубической упаковки.

Площадь поверхности, которую образует дисперсная фаза, определяется следующим образом:

1 При поддержке гранта Президента МД-6090.2012.8.

/ - $и,1 Р/У /,1

- 6

■7 ,1

а

где 8и 1 — удельная поверхность; р / — средняя плотность дисперсной фазы; а — диаметр частицы.

Результаты расчета приведены в табл. 1.

Табл. 1. Результаты расчета вклада дисперсной фазы асфальтобетона (ЩМА-5)

Вид дисперсной фазы Диаметр частиц, мм Объемная доля Площадь границы раздела фаз, м2/м3 Вклад, %

Крупный заполнитель 5 0,65 7,20 0,85

Мелкий заполнитель 1,25 0,20 9,60 1,05

Минеральный порошок 0,01 0,15 900 98,1

Итого: 1,00 917,4 100

Площадь поверхности минерального порошка составляется более 90 % общей площади поверхности частиц минерального компонента в асфальтобетоне. Поэтому использование минерального порошка с наибольшей физико-химической активностью на границе раздела фаз способствует получению асфальтобетона с высокими показателями эксплуатационных свойств.

С повышением дисперсности материала увеличивается его активность, что соответствует возрастанию объема структурированного битума в граничных слоях. Известно, что вязкость структурированного битума резко возрастает по сравнению с вязкостью свободного битума [4]. Указанное можно использовать для оценки степени физико-химической активности минерального компонента и обоснования его выбора.

Реологический метод является универсальным, несложным в исполнении и позво-лет провести оценку толщины слоя дисперсионной среды, образующегося в результате физико-химических процессов, протекающих на границе раздела фаз. На вязкость дисперсной системы оказывают влияние как количество дисперсной фазы, так и форма частиц. При этом на поверхности частиц образуется слой, состоящий из адсорбционного и кинетического слоев: кинетический слой характеризует влияние формы частицы и вязкости дисперсионной среды, а адсорбционный — только физико-химическую активность дисперсной фазы. В диапазоне объемной степени наполнения, при которой выполняется закон А. Эйнштейна, можно посредством сопоставления экспериментальных и расчетных данных определить общую толщину слоя. При образовании такого слоя формально увеличивается объемное содержание дисперсной фазы на Дф. Запишем уравнение А. Эйнштейна в виде

Пек = По [ + «о (Фо + Аф)] или Лек - Ли + «оЛоАФ.

где Ли - Ло [1 + аоФо ] — уравнение А. Эйнштейна; по — вязкость дисперсионной среды; ао — коэффициент формы сферической частицы (ао = 2,5); фо — объемная доля наполнителя.

Приращение объемной доли дисперсной фазы равно

Аф-Лек К)-Ли Фo %

При замене

ф1 - ыг 6 и N = /

получим

Аф = фс

d

f ,o

Толщину слоя определим посредством замены = 0 + 2к и = 6/8и р^ :

h =-

S,

Р f

3 Пек (Уо )-По + J _ J V Уо«оПо

(1)

где £и — удельная поверхность дисперсной фазы; р^ — плотность материала дисперсной фазы.

Аналогично при учете влияния формы частицы и адсорбционного слоя на значения коэффициента а (а > а) запишем

d

\3

f

df ,о

1

«Уо

Пек (Уо ) _1

Отсюда

h = -

Su Pf

«Уо

пек (уо ) _ 1

-1

(2)

Близкая формула предложена в [4]:

h =

10

4 i

Р fSu

— 1

где а, а — коэффициенты, вычисляемые соответственно на основании измерения вязкости исследуемой дисперсной системы и модельной системы наполнитель — среда, в которой среда не образует совсем или образует на поверхности частиц сольватную оболочку ничтожно малой толщины.

Недостатком представленной методики является предположение об идентичности формирования слоев в различных дисперсионных средах, т.е. сопоставление в поведении системы проводится не с идеальной системой, описываемой уравнением А. Эйнштейна (в формулах (1) и (2) идеальная система характеризуется «1»), а с некоторой модельной системой. Кроме того, возникают определенные сложности в подборе модельной дисперсионной среды (в этом случае необходимо иметь среду с аналогичной зависимостью вязкости в исследуемом диапазоне температур и лиофобную к поверхности минерального компонента). Только реализация указанных требований к дисперсионной модельной среде позволяет вычислить значения толщины адсорбционного слоя.

Аналогично при использовании формул (1) и (2) при очевидном предположении

К = к - ик,

где к — толщина адсорбционного слоя; к — толщина кинетического слоя, получим:

(

ha =

ha =-

Su Р f

\Пек (Уо )-По +1 _ 3П'ек (Уо )-Л0

Л

Уо«оПо

Уо«оПо

+1

s,

Р f

3 1 Ыек (Уо ) Л

^«Уо 1 По )

- 3-

«Уо

П'ек (Уо ) - j

по -,

(3)

(4)

где индексом «'» обозначена модельная система.

Устранить указанный недостаток методики [4] возможно следующим образом. Кинетический слой зависит в основном от вязкости дисперсионной среды и формы

частиц дисперсной фазы. Очевидно, что с увеличением температуры вязкость дисперсионной среды уменьшается (рис. 1). При предположении, что в модельной системе при ло ^ 0 (или для многокомпонентной дисперсионной среды при ло ^Лотт, где По min — вязкость высокоподвижной компоненты) толщина кинетического слоя также hk ^ 0 (рис. 2), по зависимости л = f T) при Т = Т* (рис. 1) определяется ha.

700 600 500 400 300 200 100 0

П= 813,61e

Т. т

Температура

Рис. 1. График зависимости = f (T)

30 50 70 90 110 130 150 170 190 210

Объемная степень наполнения □ — Битум БНД 60/90 Д — Касторовое масло

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 2. Зависимость вязкости дисперсионной среды от температуры

Для определения диапазона степени наполнения, в котором выполняется уравнение А. Эйнштейна, проведены измерения вязкости битума БНД 60/90 и касторового масла, взятого в качестве модельной системы, с различной степенью наполнения 0...0,15 (рис. 3). Определение вязкости производилось на ротационном вискозиметре MCR 101, Anton Paar (Австрия) с постоянной скоростью вращения цилиндра 20 с1 [5].

900

800

700

600

500

400

300

0,075 0,1 0,125 0,15

Объемная степень наполнения

0 0,025 0,05 о— Касторовое масло при Т = 35° С а — Битум БНД 60/90 при Т = 130° С Рис. 3. Зависимость вязкости дисперсной системы от степени наполнения

1000

-0,0506T

П= 374572e ,

Анализ данных рис. 3 показывает, что в интервале объемного содержания дисперсной фазы ф е [0; 0,05] выполняется уравнение А. Эйнштейна; в дальнейшем расчет толщин слоев проводился при объемной степени наполнения 2 %. Вид дисперсной фазы и температура также оказывают очевидное влияние на вязкость системы (рис. 4).

Уравнение зависимости вязкости от степени наполнения при проведении аппроксимации имеет вид:у = кх + Ь или в соответствии с уравнением А. Эйнштейна л = ал0Ф + Л0, где к = ап0 и Ь -Л0, следовательно, угловой коэффициент, характеризующий влияние дисперсной фазы, равен а - к/Ь . Значения коэффициентов приведены в табл. 2.

с

s

15 я

0,005 0,01 0,015 0,02

Объемная степень наполнения

-Диатомит-600 Д -МП-1 О -Кварцев

а

П= 614747е-0,0533Т - Диатомит-600 П= 490043е-°'°52Т - Диатомит П= 461308е-0,0515Т-МП-1 П= 622664е0,0542Т - Кварцевый наполнитель

0 130 140 150

Температура, °С -Диатомит-Диатомит-600 Д-МП-1 о -Кварцевыйнаполнитель

б

Рис. 4. Зависимость вязкости дисперсной системы: а — от степени наполнения (при Т = 120 °С); б — от температуры (при ф = 0,02); «Диатомит-600» — диатомит, обработанный при температуре 600 °С

Табл. 2. Значения коэффициентов уравнения зависимости вязкости от степени наполнения

Температура, °С Наполнитель

Коэффициент Кварцевый наполнитель МП-1 Диатомит Диатомит-600

к 2595,4 4319,7 5252,9 7989,6

b 120 884,6 888,3 897,56 893,89

а 2,93 4,86 5,85 8,94

к 1294,1 2109,2 1585,3 3439,1

b 130 504,62 506,2 510,15 509,25

а 2,56 4,17 3,11 6,75

к 588,5 1222,2 867,95 1732,3

b 140 305,9 307,0 308,39 308,63

а 1,92 3,98 2,81 5,61

к 305,94 687,6 775,5 936,1

b 150 193,88 194,5 195,36 194,80

а 1,58 3,54 3,97 4,81

По полученным экспериментальным зависимостям вязкости дисперсной системы битум — минеральный компонент произведены расчеты толщин слоев: по формулам (1) и (2) — общей толщины, а по формулам (3) и (4) — адсорбционного слоя (при проведении эксперимента с дисперсной системой касторовое масло — минеральный компонент подбиралась температура, при которой вязкость касторового масла будет соответствовать вязкости битума) (табл. 3 и 4).

Табл. 3. Толщина слоев битума на поверхности минерального компонента (при ао = 2,5)

Наименование Общая толщина слоя по формуле (1) при t, °C

наполнителя 120 130 140 150

Кварцевый наполнитель 0,777 -0,037 -0,847 -1,661

Диатомит 0,595 -1,708 -2,127 -1,342

Диатомит-600 1,970 0,074 -1,483 -3,309

МП-1 2,690 1,510 1,080 0,192

950

900

850

0

□ -Диатомит О

Окончание табл. 3

Наименование

Толщина адсорбционного слоя по формуле (3) при Г, °С

наполнителя 120 130 140 150

Кварцевый наполнитель 0,790 -0,025 -0,834 -1,649

Диатомит 0,732 -1572 -1,991 -1,205

Диатомит-600 2,308 0,412 -1,145 -2,971

МП-1 2,690 1,510 1,080 0,192

Табл. 4. Толщина слоя битума на поверхности минерального компонента (фактор формы частиц а)

Наименование Общая толщина слоя по формуле (2) при Г, °С

наполнителя 120 130 140 150

Кварцевый наполнитель -0,185 -0,285 -0,385 -0,485

Диатомит 0,387 0,656 0,525 0,041

Диатомит-600 0,219 0,578 0,17 -0,405

МП-1 0,488 0,413 0,272 0,106

Толщина адсорбционного слоя по формуле (4) при Г, °С

120 130 140 150

Кварцевый наполнитель -0,145 -0,245 -0,345 -0,445

Диатомит 0,656 0,925 0,794 0,309

Диатомит-600 0,723 1,082 0,920 0,345

МП-1 0,522 0,447 0,306 0,140

Анализ результатов расчетов толщин слоев битума по сравнению как с идеальной системой (уравнение А. Эйнштейна), так и с модельной системой показывает, что для некоторых наполнителей толщина слоя имеет отрицательные значения. Указанный факт физически абсурден, так как это возможно только при растворении наполнителя. Отсюда очевидно, что отрицательные значения толщин фактически указывают на отсутствие слоя битума на поверхности минерального компонента (как адсорбционного, так и кинетического слоя).

-0,0812Т + 10,525 -Кварцевый наполнитель § -0,1740Т+ 22,798-Диатомит-600 3 -0,0623Т + 7,266 - Диатомит а" - -0,0792Т+ 12,065-МП-1 Ь

-0,01Т+ 1,0147 -Кварцевый наполнитель П= -0,0203Т + 2,9484 -Диатомит-600 П = -0,0117Т+ 1,9822-Диатомит П= -0,0129Т + 2,058-МП-1

20 130 140 ' ' 150 160 170

о---- Температура °С

'"■•О-..., д

"•■о

-0,4 -0,6

□ -МП-1 о-Диатомитд-Диатомит-600 о-Кварцевый наполнитель п-МП-1 о- Диатомит- Диатомит-600 о-Кварцевый наполнитель

а б

Рис. 5. Зависимость толщины оболочки битума от температуры: а -а (табл. 2)

при а = ао; б — при а =

п

Для определения толщины слоя битума важно определить температуру, при которой толщина кинетического слоя мала (Ик ^ 0). Для этого необходимо определить минимальную вязкость битума; при условии многокомпонентности битума примем, что минимальную вязкость битума обеспечивают маловязкие масла. В данном случае

Строительное материаловедение VESTNIK

_MGSU

в качестве модели масла примем вязкость касторового масла (см. рис. 2). Минимальная вязкость касторового масла наблюдается при температуре 140 °С: n0,min = 5,34 МПас. Температура, при которой битум имеет nomin, равна Т*= 220 °С (расчет производили по формуле (рис. 2) T' = ln((nomin )/b, где a, b — эмпирические коэффициенты зависимости По = f (T)).

Анализ данных рис. 5 показывает, что при температуре Т толщина слоев битума на минеральном компоненте имеет отрицательные значения. Указанное означает, что на поверхности исследуемых минеральных компонентов не образуется адсорбционного слоя битума значимой (определимой реологическим методом) толщины.

Сопоставление полученных данных с теоретическими результатами [6, 9—14] указывает на хорошую сходимость и воспроизводимость предлагаемой методики определения толщины структурированного битума и физико-химической активности минерального компонента. Кроме того, представленные данные указывают на нецелесообразность применения методики определения сцепления битума с минеральным порошком, проводимой по ГОСТ 11508—74*.

Библиографический список

1. Модель деструкции и методика прогнозирования долговесности строительных композитов / Е.В. Королев, В.А. Береговой, А.Н. Бормотов, А.И. Еремкин // Concrete durablity: achievement and enhancement : тр. междунар. конф. Англия, Шотландия, университет Данди. С. 345—356.

2. Выбор кинетической модели деструкции композиционных материалов. Параметры процесса / А.П. Прошин, Е.В. Королев, С.А. Болтышев, О.В. Королева // Известия вузов. Строительство. 2005. № 3. С. 32—36.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Гарькина А.И., Данилов А.М., Королев Е.В. Выбор кинетической модели деструкции композиционных материалов. Параметры процесса // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2008. Т. 15. Вып. 3. С. 459—460.

4. Бахрах Г.С. К оценке толщины адсорбционно-сольватного слоя битумов на поверхности частиц // Коллоидный журнал. 1969. Т. 39. № 1. С. 8—12.

5. Ротационный вискозиметр MCR 101 // НОЦ «Нанотехнологии». Режим доступа: http:// www.nocnt.ru/index.php/ru/oborudovanie/laboratoriya-fiziko-himicheskih-svoistv/17-viskozimetr-mcr101. Дата обращения: 25.09.2012.

6. Покидько Б.В. Адсорбционное модифицирование слоистых силикатов для получения полимер-силикатных нанокомпозитов : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2004. 117 с.

7. Куколев Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов. М. : Высш. шк., 1966. 232 с.

8. Наномодифицированные коррозионно-стойкие серные строительные материалы : монография / Баженов Ю.М., Королев Е.В., Евстифеева И.Ю., Васильева О.Г. М. : РГАУ-МСХА, 2008. 167 с.

9. Дорожно-строительные материалы / И.М. Грушко, И.В. Королев, И.М. Борщ, Г.М. Мищенко. М. : Транспорт, 1991. 357 с.

10. Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. Стройиздат, 1971. 255 с.

11. Гридчин А.М. Особенности свойств поверхности кислых минеральных материалов для асфальтобетонов // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 56—57.

12. Шлегель И.Ф. Использование легкого пористого заполнителя в составе асфальтобетонов // Автомобильные дороги. 2008. № 6. С. 115—116.

13. Злотарев В.А. Об оценке адгезии битума у поверхности минерального материала // Автомобильные дороги. 1995. № 12. С. 13—15.

14. Богусловский А.М. Основы реологии асфальтобетона. М. : Высш. шк., 1972. 200 с.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Иноземцев Сергей Сергеевич — аспирант, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8499)188-04-00, inozemcevss@mgsu.ru;

Поздняков Михаил Константинович — аспирант, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8499)188-04-00;

вестник 11/2012

Королев Евгений Валерьевич — доктор технических наук, профессор, советник РААСН, проректор по учебной работе, директор научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии», ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, (8495)287-49-14, korolev@nocnt.ru.

Для цитирования: Иноземцев С.С., Поздняков М.К., Королев Е.В. Исследование адсорбци-онно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 159—167.

S.S. Inozemtsev, M.K. Pozdnyakov, E.V. Korolev

RESEARCH OF THE ADSROPTION-SOLVATE LAYER OF BITUMEN ON THE SURFACE OF THE MINERAL FILLER

In the article, the authors substantiate the employment of the Theological method of identification of the thickness of the bitumen layer formed on the surface of the mineral component. The analysis of existing methodologies of assessment of the physical and chemical activity of mineral components in relation to the bitumen has proven the unavailability of any universal methodology to substantiate the use of mineral fillers to be added to the asphalt concrete. The authors have demonstrated that identification of thickness considered as a kinetic and an adsorption layer requires the employment of nothing else but the bitumen. Viscosity measurements of disperse systems composed of bitumen and mineral components are to be taken at different temperatures.

The filling range of the above systems satisfying the Einstein equation (under 5% by volume) has also been identified. The nature of dependence between the viscosity fluctuation pattern of the disperse systems composed of bitumen and the mineral filler, on the one hand, and the degree of filling and the temperature, on the other hand, has been identified. The nature of dependence between the viscosity fluctuation of bitumen and the castor oil and their temperature has been identified, as well. The authors have also calculated the temperature at which the viscosity of bitumen reaches its minimum value (T = 220 °C). The authors have demonstrated that the mineral components under research produce only a kinetic layer that turns thinner as the temperature goes up, whereas no adsorption layer can be identified experimentally through the employment of the rheological method.

Comparison of the data obtained by the authors with the theoretical findings demonstrates their sufficient convergence, reliable repeatability of the proposed method of identification of thickness of the structured bitumen, and physical and chemical activity of the mineral component. The data presented herein have also proven the inexpediency of application of the methodology of identification of adhesion between bitumen and the mineral filler according to State Standard GOST 11508—74*.

Key words: kinetic layer, adsorption layer, Einstein equation, rheology, dispersion system, the boundary of the phase-to-phase interaction, physical and chemical activity.

References

1. Korolev E.V., Beregovoy V.A., Bormotov A.N., Eremkin A.I. Degradation Model and Method of Projecting the Durability of Composites. Proceedings of the International Conference «Concrete Durability: Achievement and Enhancement». UK, Scotland, University of Dundee, pp. 345—356.

2. Proshin A.P., Korolev E.V., Boltyshev S.A., Koroleva O.V. Vybor kineticheskoy modeli destruktsii kompozitsionnykh materialov. Parametry protsessa [Selection of a Kinetic Model of Decomposition of Composite Materials. Process Parameters]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Institutions of Higher Education. Construction]. 2005, no. 3, pp. 32—36.

3. Gar'kina A.I., Danilov A.M., Korolev E.V. Vybor kineticheskoy modeli destruktsii kompozitsionnykh materialov. Parametry protsessa [Selection of a Kinetic Model of Decomposition of Composite Materials. Process Parameters]. Obozrenie prikladnoy i promyshlennoy matematiki [Review of Applied and Industrial Mathematics]. 2008, no. 3, vol. 15, pp. 459—460.

4. Bakhrakh G.S. K otsenke tolshchiny adsorbtsionno-sol'vatnogo sloya bitumov na poverkhnosti chastits [About the Assessment of Thickness of the Adsorption-solvate Layer of Bitumen on the Surface of Particles]. Kolloidnyy zhurnal [The Colloid Journal]. 1969, no.1, vol 39, pp. 8—12.

5. Rotational viscometer MCR 101. Research and Educational Center for Nanotechnologies. Available at: http://www.nocnt.ru/index.php/ru/oborudovanie/laboratoriya-fiziko-himicheskih-svoistv/17-viskozimetr-mcr101. Date of access: 09.25.2012.

6. Pokid'ko B.V. Adsorbtsionnoe modifitsirovanie sloistykh silikatov dlya polucheniya polimer-si-likatnykh nanokompozitov [Adsorptive Modification of Layered Silicates for Recovery of Polymer-Silicate Nanocomposites]. Moscow, 2004, 117 p.

7. Kukolev G.V. Khimiya kremniya i fizicheskaya khimiya silikatov [Chemistry of Silicon and Physical Chemistry of Silicates]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1966, 232 p.

8. Bazhenov Yu.M., Korolev E.V., Evstifeeva I.Yu., Vasil'eva O.G. Nanomodifitsirovannye korro-zionno-stoykie sernye stroitel'nye materialy [Nano-modified Corrosion-resistant Sulfuric Construction Materials]. Moscow, RGAU-MSHA Publ., 2008, 167 p.

9. Grushko I.M., Korolev I.V, Borsch I.M., Mishchenko G.M. Dorozhno-stroitel'nye materialy [Road Building Materials]. Moscow, Transport Publ., 1991, 357 p.

10. Gezentsvey L.B. Asfal'tovyy beton iz aktivirovannykh mineral'nykh materialov [Asphalt Concrete Made of Activated Mineral Materials]. Stroyizdat Publ., 1971, 255 p.

11. Gridchin A.M. Osobennosti svoystv poverkhnosti kislykh mineral'nykh materialov dlya asfal'tobetonov [Peculiarities of Surface Properties of Acidic Mineral Materials for Asphalt Concretes]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007, no. 8, pp. 56—57.

12. Shlegel' I.F. Ispol'zovanie legkogo poristogo zapolnitelya v sostave asfal'tobetonov [The Use of the Lightweight Porous Filler in Asphalt Concrete]. Avtomobil'nye dorogi [Motor Roads]. 2008, no. 6, pp. 115—116.

13. Zlotarev V.A. Ob otsenke adgezii bituma u poverkhnosti mineral'nogo materiala [Assessment of the Adhesive Strength of Bitumen at the Surface of the Mineral Material]. Avtomobil'nye dorogi [Motor Roads]. 1995, no. 12, pp. 13—15.

14. Boguslovskiy A.M. Osnovy reologii asfal'tobetona [Fundamentals of Rheology of Asphalt Concrete]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1972, 200 p.

About the authors: Inozemtsev Sergey Sergeevich — postgraduate student, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; inozemcevss@mgsu.ru; +7 (499) 188-04-00;

Pozdnyakov Mikhail Konstantinovich — postgraduate student, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 188-04-00;

Korolev Evgeniy Valer'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Advisor, Russian Academy of Architectural and Construction Sciences (RAACS), Vice-Rector for Education, Director, Research and Educational Centre for Nanotechnologies, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; korolev@nocnt.ru; +7 (495) 287-49-14.

For citation: Inozemtsev S.S., Pozdnyakov M.K., Korolev E.V. Issledovanie adsorbtsionno-sol'vatnogo sloya bituma na poverkhnosti mineral'nogo poroshka [Research of the Adsorption-solvate Layer of Bitumen on the Surface of the Mineral Filler]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 159—167.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.