CC BY
10Материалы и конструкции
УДК 625.814
М.А. ВЫСОЦКАЯ, Д.А. КУЗНЕЦОВ, кандидаты техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова; Д.Е. БАРАБАШ, д-р техн. наук, Военно-учебный научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия» (Воронеж)
Наноструктурированные дорожно-строительные материалы на основе органических вяжущих
Работоспособность асфальтобетонных покрытий напрямую связана с качеством применяемых материалов, и в первую очередь это касается битума, который в большей степени подвержен деструктивным воздействиям климатических, возрастающих транспортных нагрузок. Несмотря на то что в составе асфальтобетона содержание битума составляет всего 5—7 мас. %, именно динамика изменения его качества определяет состояние асфальтобетонного покрытия в целом.
Ключевые характеристики битума регулируют, как правило, путем введения полимерных модификаторов, которые снижают чувствительность битума к изменению температуры, расширяют температурный диапазон его эксплуатации, повышают когезионную прочность и эластичность.
Возможности синтеза новых полимеров-модификаторов безграничны, однако технико-экономическая целесообразность тормозит их разработку, отдавая предпочтение методам физической и физико-химической модификации существующих полимеров. В связи с этим модификация различных полимеров наноструктурными добавками (наномодификаторами) сегодня крайне популярна [1—3]. Этот метод позволяет создавать композиты нового поколения для получения высокопрочных конструкционных, изоляционных и дорожно-строительных материалов. Вместе с тем использование нано-технологий в строительстве сталкивается с весьма сложной задачей равномерного распределения наномодифи-каторов в объеме исходного вяжущего.
В практике производства дорожно-строительных материалов приемы наноармирования или наноструктури-рования органических вяжущих практически отсутствуют, поскольку в настоящее время известно весьма небольшое количество разработок, направленных на введение наноразмерных добавок в дорожные битумы [4, 5].
Исследованиями установлено, что наноразмерные объекты достаточно хорошо распределяются в органических растворителях — толуоле и нефрасе.
Указанные растворители применяют, в частности, для перевода термоэластопласта в жидкую фазу.
Для диспергирования наночастиц в объеме растворителя полимерного компонента вяжущего использовался ультразвук [6]. Однако при прекращении ультразвукового воздействия наблюдалось быстрое их оседание и агрегирование. В связи с этим приготовление полимерной составляющей полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) проводили двустадийно. От требуемого количества растворителя для перевода дивинил-стирольного термоэластопла-ста (ДСТ) в жидкую фазу отбирали 0,5—1 об. % и в этом объеме диспергировали наночастицы. Затем растворенный ДСТ совмещали с указанным объемом суспензии. Макромолекулы термоэластопласта фиксировали нано-частицы, предотвращая их агрегацию и оседание.
Целью проведенных исследований было создание равномерно наноармированной матрицы полимерного
компонента для получения высокооднородного ПБВ, обладающего высокими показателями физико-механических характеристик.
При проведении исследований использовали исходный материал одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), полученный методом термического испарения графита в присутствии №-Сг катализатора в электрической дуге. Наноматериал не подвергался очистке от примесей углеродных и металлических наночастиц. Содержание нанотрубок составляло 5—10 мас. %.
Базовой основой для получения ПБВ служила смесь битума БНД 60/90 Рязанского НПЗ и растворенного дивинил-стирольного термоэластопласта ДСТ-30Р-01, содержащего нанокомпоненты.
По результатам предварительных исследований рациональное содержание нанокомпонентов в объеме вяжущего установлено в интервале 0,001—0,03 мас. %.
Равномерность распределения нанообъектов оценивали на стадии приготовления полимерного компонента микрофотосъемкой структуры образцов. Результаты обеспечили возможность получения наномодифициро-ванного ПБВ.
Качество целевого продукта ПБВ и равномерность распределения ОУНТ в его объеме оценивали по величине погрешности результатов параллельных испытаний одной пробы и результатам, полученным при многократном воспроизведении опыта. Погрешность составляла не более 2%.
В табл. 1 представлены варианты составов разработанного наномодифицированного полимерного компонента для последующего введения в битум.
На базе указанных составов были приготовлены серии образцов полимерно-битумного вяжущего с характеристиками, представленными в табл. 2.
Очевидно, что ОУНТ, введенные в состав вяжущего, — структурные центры, изменившие не только свойства, но и структуру всей полимерно-битумной композиции.
В результате наноструктурирования ПБВ повысились когезия, эластичность, адгезия, температура размягчения и снизилась температура хрупкости. Введение нано-компонентов позволило уменьшить в сравнении с нормативным содержание ДСТ-30Р-01 полимера в битуме.
Таблица 1
№ состава Концентрация, мас. %
Наномодификатор ОУНТ Дивинил-стирольный термоэластопласт ДСТ-30Р-01
1 0,03 2
2 0,03 3
3 0,002 2
4 0,002 3
5 0,001 3
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2013
63
Ма териалы и конструкции
Таблица 2
Показатель Варианты составов Требования ГОСТ Р 52056-2003 ПБВ60
1 2 3 4 5
Глубина проникновения иглы, 0,1 мм при 25оС/0оС 72/40 73/26 69/54 75/57 71/59 60/32
Температура размягчения, оС 59 61 59 63 59 54
Температура хрупкости по Фраасу, оС -21 -26 -27 -33 -30 -20
Растяжимость при 25оС/0оС, см 27/11 31/14 31/15 71/16 75/19 25/11
Эластичность при 25оС/0оС,см 82/73 89/76 90/85 93/92 87/85 80/70
Когезия, МПа 1 1,1 1,3 1,5 1 -
Интервал пластичности,оС 80 87 86 99 89 -
Таблица 3
Показатель Требования Используемое вяжущее
ГОСТа № 1 № 2 № 3
Водонасыщение, % 1,5-4 2 1,8 1,8
Предел прочности при сжатии,
МПа, при:
20оС >2,2 4,5 4,6 4,9
50оС >1,2 1,8 2,2 2,6
60оС - 1,2 1,7 2,1
0оС <12 11 8,6 7,2
Водостойкость >0,85 0,9 0,98 1,02
Водостойкость при длительном водонасыщении >0,75 0,82 0,89 0,98
Теплостойкость R5o/R2o - 0,4 0,48 0,53
Трещиностойкость R0/R50 - 6,11 3,9 2,77
Общей тенденцией при наномодифицировании является снижение концентрации нанообъектов. Исследованиями установлено, что по показателям физико-механических характеристик рациональным является состав № 4 с концентрацией ОУНТ до 0,002 мас. %.
Сопоставлением результатов экспериментов установлено, что при содержании в полимерно-битумном вяжущем ДСТ в пределах 2—3 мас. % и при 0,002 мас. % ОУНТ эластичность ПБВ достигала наибольшего значения — выше 80% при 0оС.
Одновременно отмечено значительное повышение когезии.
Увеличение концентрации ОУНТ свыше 0,03% сопровождалось значительным ростом вязкости, что в конечном итоге препятствовало качественному совмещению полимерной и битумной составляющих.
Полученные данные свидетельствуют о том, что на-номодифицированное вяжущее соответствует требованиям ГОСТ Р 52056—2003, а по большинству показателей превосходит нормативные требования, причем при меньшем содержании термоэластопласта.
Так, при приготовлении ПБВ с содержанием 0,03% ОУНТ расход термоэластопласта составил 2%, что позволило получить вяжущее с пограничными показателями свойств, отвечающими нормативным требованиям, тогда как для приготовления ПБВ марки 60, отвечающего требованиям ГОСТа, необходимо не менее 3% ДСТ.
Таким образом, варьирование содержания составляющих в наноармированной матрице полимерного компонента обеспечивало уменьшение содержания ДСТ и получение ПБВ с высокими показателями эксплуатационных свойств.
Для проведения сравнительного эксперимента были подобраны составы асфальтобетонов типа Г на трех ви-
дах вяжущего: 1 — битум марки БНД 60/90; 2 — ПБВ 60; 3 - модифицированное ПБВ (3% ДСТ и 0,002% ОУНТ).
Результаты сравнительного эксперимента представлены в табл. 3.
О трещиностойкости асфальтобетона с использованием наномодифицированного ПБВ судили косвенно по температуре его хрупкости, которая более чем в полтора раза превышала требуемую по ГОСТу, а также по пенетрации ПБВ при 0оС.
Проведенные опытные испытания образцов, приготовленных на наномодифицированном ПБВ, показали значительное повышение тепло- и трещиностойкости асфальтобетона и увеличение водо- и коррозионной стойкости.
Полученные авторами результаты исследований свидетельствуют об эффективности использования на-норазмерных углеродных материалов для структурирования битумного вяжущего, что обусловливает перспективность исследований в данном направлении.
Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг. по гранту ПСР 1.2.1.
Ключевые слова: нанотрубки, полимер, модификация, асфальтобетон.
Список литературы
1. Алдошин С.М., Аношкин И.В., Грачев В.П. Повышение свойств эпоксидных полимеров малыми добавками функционализированных углеродных наночастиц // Сб. тр. международ. форума по нанотехнологиям «Rusnanotech-08». М., 2008. Т. 1. С. 410-412.
2. Лобач А.С. Разработка композиционных наномате-риалов на основе химически модифицированных одностенных углеродных нанотрубок и водорастворимых полимеров с заданными свойствами // Сб. тр. международ. форума по нанотехнологиям «Rusnanotech-08». М., 2008. Т. 1. С. 479-481.
3. Королев Е.В. Принцип реализации нанотехнологии в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 60-65.
4. Shaopeng Wu, Gang Liu, Jingang Wang, Yuan Zhang. Influence of Nanoparticles Modification on the Properties of Bitumen // Materials Science Forum. Vol. 614(2009). Pp. 197-200.
5. Ядыкина В.В., Акимов А.Е., Спицына Н.Г., Лобач А. С. Перспективы применения наноуглеродных трубок для повышения качества битума и асфальтобетона // Инновационные материалы и технологии: Сб. докл. междунар. НПК. Белгород: БГТУ, 2011. Ч. 4. С. 306-309.
6. Королев Е.В., Иноземцев А.С. Эффективность физических воздействий для диспергирования нанораз-мерных модификаторов // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 76-80.
64
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2013
jVJ ®
