CC BY
28Высоцкая М. А., канд. техн. наук, доц., Фёдоров М. Ю., аспирант
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
РАЗРАБОТКА НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
roruri@rambler.ru
В работе обоснована возможность использования цеолитсодержащего туфа в качестве эффективной минеральной основы для получения наномодифицированного наполнителя для органоми-неральных композитов. На основе полимера типа СБС и углеродных одностенных нанотрубок предложен состав полимерной наноармированной матрицы, которая используется в качестве модификатора в процессе объединения с минеральной подложкой из цеолитсодержащей породы.
Ключевые слова: цеолитсодержащий туф, наномодифицированный наполнитель, асфальтобетон.
Основным материалом, применяемым при строительстве новых и реконструкции существующих покрытий автомобильных дорог, в настоящее время является асфальтобетон. Накоплен большой производственный опыт его изготовления, укладки и последующей эксплуатации и ремонта. Вместе с тем, основной недостаток асфальтобетона напрямую связан с зависимостью реологических и физико-механических свойств битума от температуры окружающей среды. Проблему обостряет общее снижение качества производимых в России нефтяных дорожных битумов, отсутствие во многих регионах кондиционного минерального сырья, а также широкий спектр климатических условий. Поэтому при эксплуатации покрытий из асфальтобетонных смесей в условиях знакопеременных температур и агрессивного воздействия воды всё чаще можно наблюдать образование сезонных пластических и коррозионных дефектов, а также температурных трещин и шелушений, способствующих преждевременному выкрашиванию материала покрытия и его разрушению.
В настоящее время отрасль нанотехнологий предоставляет широкий спектр модификаторов и способов модификации для повышения качества композиционных материалов в заданном направлении [1]. Также альтернативным способом, сочетающим в себе как увеличение рабочего температурного интервала вяжущего, так и тепло-, трещиностойкости асфальтобетона, может выступать использование в технологии приготовления асфальтобетонных смесей пористых дисперсных материалов, выполняющих роль активного структурирующего наполнителя [2-3]. Поэтому представляло интерес совмещение этих технологических приёмов для разработки наномодифицированного агента, позволяющего управлять показателями свойств асфальтобетона.
В качестве объектов исследования были
выбраны следующие пористые наполнители: керамзит, перлит, цеолит, отличающиеся от традиционного сырья повышенной пористостью. Так, у минерального порошка из известняка этот показатель составляет 28 %, перлита и керамзита - 39 % и цеолита - 55 %.
На основании комплекса исследований, выполненных ранее [4], было установлено, что из рассматриваемых пористых порошков для получения композиций на органическом вяжущем наиболее эффективным является цеолитсодержащий туф.
Для сравнительного анализа и оценки работоспособности рассматриваемых наполнителей в составе асфальтобетона, были подобраны и приготовлены образцы асфальтобетона типа Б. Показатели свойств дорожного композита, приготовленного с использованием различных пористых порошков, представлены на рис. 1.
Известно, что микроструктура и свойства композита непосредственно связаны между собой. Поэтому закономерности, полученные при исследовании асфальтовяжущих, должны отразиться и на асфальтобетоне, что нашло подтверждение при постановке эксперимента.
Использование керамзитового наполнителя в составе асфальтобетонных смесей, как и было установлено ранее, при оценке асфальтовяжу-щего [4], не оказывает положительного влияния на качество асфальтобетона.
Прочностные характеристики образцов асфальтобетона на пористых наполнителях из перлита и цеолита (рис. 1), как и предполагалось, не уступают показателям на известняке, а при температурах испытания 0 и 50 °С превосходят на 10-20 и 12-30 % соответственно.
На данном этапе исследований можно заключить, что перлит может использоваться как альтернативный минеральный порошок в технологии приготовления асфальтобетонных смесей, что также было подтверждено работой, выполненной ранее [5]. Однако у данного сырья суще-
ствует ряд особенностей, которые технологиче- размерном уровне, а наиболее актуальным методом повышения коррозионной стойкости является использование модифицированных битумов или минеральных порошков.
Анализ передовых мировых разработок [67], а также комплекс исследований выполненных ранее [4-5] легли в основу теоретических предпосылок по модификации цеолита. В пользу его использования как основы для синтеза наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей говорит наличие трёхмерного алюмосиликатного каркаса, образующего системы полостей и каналов. Лишенный воды цеолит представляет собой микропористую кристаллическую «губку», объём пор в которой составляет до 50 % объёма каркаса цеолита и имеет диаметр входных отверстий от 0,3 до 1 нм.
Таким образом, было предположено, что в результате интенсивного совместного измельчения цеолитсодержащей породы и полимерного компонента, разрыхлённая высоко аморфизиро-ванная пористая структура поверхностного слоя частиц порошка будет выступать эффективным адгезивом для распределения и закрепления на поверхности и в объёме полимерного наномо-дифицированного компонента.
Предложенная технология, за счёт последовательного многостадийного распределения нанообъектов и их носителей на поверхности и в структуре цеолита, позволяет синтезировать гибридный цеолитовый наполнитель. Было установлено, что в процессе модификации изменяются архитектура пор, а также морфология по-Наполнители на основе це°лига могут эф- верхности частиц цолитсодержащего туфа (рис. фективно работать в составе асфальтобетонов, 2).
однако в условиях длительного увлажнения Очевидно, это происходит за счёт кольма-
наблюдается стремительное снижение его ха- тации порового пространства полимерным ком-рактеристик. Так на 30 сутки эксперимента во- понентом, в результате наполнитель гидрофоби-достойкость композига понизилась на 22 %, при зуется, что подтверждается результатами, полу-этом величина водонасыщения и набухания со- ченными методом адсорбции азота (рис. 3). Как ставили 12,8 и 4,5 % соответственно. видно, изменяется не только диаметр пор, но и
На основании литературных данных из- их распределения в объеме. вестно, что одной из наиболее перспективных методик повышения качества композиционных материалов является их модификация на нано-
Рис. 2. Морфология поверхности модифицированного цеолита
ски затрудняют его применение.
о
X
3-
о о. с
ч
«и
Температура испытания, °С
¡известняк «керамзит ■ перлит «цеолит
¡5 0,9 и
0
1 0,8
и о
5 0,7 ш
0,6 ■
известняк керамзит перлит цеолит
■ Водостойкость
■ Водостойкость на 15 сутки Водостойкость на 30 сутки
Рис. 1. Показатели свойств асфальтобетона типа Б
а)
б)
.55-10" ЯК" __ .45-10" 2 .4-10" й .35-10" о Ж §25КГ' | .2-10" .15-10" 110" ,5-10*#1
о
4 5 6 7
9 10 11 12 13 14 15 16 17 16 19
.4-10*
.3510*
5.3-10*
^25-10* 2
2 2-10" Й15-10* .1-10* ,5-ОТ
2. ни
Рис. 3. Распределение пор исходного (а) и модифицированного (б) цеолита
В процессе модификации адсорбция углеводородов битума на поверхности гибридного порошка протекает интенсивнее, чем на традиционном известняке, о чем свидетельствует минимальное содержание ароматических и нафтеновых соединений, метильных, метиленовых и карбонильных групп в битуме после взаимодействия, а также согласуется с результатами адсорбции-десорбции битума из бензольных растворов.
Для оценки эффективности влияния нано-модифицированного наполнителя на конечные свойства композита, была подобрана асфальтобетонная смесь типа Б. В соответствии с предложенной технологией приготовления смеси, дисперсная составляющая вводилась в 2 этапа.
Исходные данные для расчёта
Первоначально подавался гибридный модифицированный наполнитель на поверхность разогретого до технологической температуры минерального материала. Производилось «сухое» перемешивание. Затем, с небольшой задержкой поступал известняк. Дальнейший процесс приготовления асфальтобетонной смеси протекал по традиционной схеме.
Выбор соотношения наномодифицирован-ный агент/минеральный порошок (табл. 1) осуществлялся на основании вычисления обобщённого критерия качества по методике [8], по совокупности физико-механических показателей образцов асфальтобетона, а также исходя из технологической и экономической целесообразности.
Таблица 1
Наименование показателя Требования ГОСТ Соотношение наномодифицированного агента и традиционного минерального наполнителя, %
100 80/20 70/30 60/40 50/50 40/60 30/70
Условные номера составов
1 2 3 4 5 6 7
Предел прочности при сжатии, МПа, при 0 °С не более 12 6,8 6,8 6,9 7,0 7,0 7,5 8,1
20 °С не менее 2,2 6,1 5,7 5,7 5,0 4,9 4,9 4,8
50 °С не менее 1,0 4,2 4,0 3,5 3,5 3,35 2,7 2,4
Водонасыщение, % 1,5-4,0 0,90 0,94 1,03 1,20 1,30 1,34 2,05
Набухание, % не более 1 0,01 0,01 0,01 0,01 0,03 0,05 0,09
Длительная водостойкость не менее 0,75 1,15 1,10 1,10 1,03 1,01 0,91 0,87
Очевидно, что наноструктурированный агент оказывает значительное влияние на проч-
ностные характеристики асфальтобетона в широком диапазоне температур. Так, например, асфальтобетон, полученный по предлагаемой методике, характеризуется улучшением прочностных показателей при 0 и 50 °С на 32 и 40 % соответственно относительно контрольной серии на известняке. Однако, наиболее ярко выраженный эффект проявляется при исследовании водостойкости композита. Водостойкость композита при использовании в технологии приготовления асфальтобетонной смеси нано-модифицированного наполнителя на основе цеолитсодержащего туфа возрастает относительно своих первоначальных показателей.
При этом стоит отметить снижение показателей водонасыщения и набухания. Очевидно, повышение водостойкости исследуемого материала связанно с формированием его оптималь-
Обобщённый критерий качества
б
ной структуры при взаимодействии вяжущего со структурирующим компонентом асфальтобетонной смеси - минеральным порошком. При этом, образуется сложно структурированный сольватный слой, характеризующийся плотным и упорядоченным расположением структурных элементов.
В соответствии с рис. 4 уменьшение содержания наномодифицированного наполнителя в составе асфальтобетона способствует снижению обобщённого критерия качества. При соотношении дисперсных наполнителей в составе композита один к одному наблюдается резкий перегиб, сопровождающийся потерей эффективных свойств асфальтобетона, и в первую очередь водостойкости. На основании этого данное соотношение было принято за рациональное.
v
7 1С X п
2 3 4 5 6
Номер состава
Рис. 4. Обобщённый критерий качества
По полученным данным, можно заключить, что разработанный наномодифицированный наполнитель на основе цеолитсодержащего туфа и асфальтобетон на его основе обладают высокими показателями свойств по сравнению с составами на традиционном минеральном порош-
Выводы: Установлен синергизм совместного действия минеральной подложки из цеолит-содержащего туфа и полимерного наномодифи-цированного компонента, связанный с особенностями архитектуры пор наполнителя, заключающейся в нормированном размере входных окон пор, а также их упорядоченном расположении.
Разработаны принципы повышения эффективности асфальтобетона путём целенаправленного регулирования процессов структурообра-зования на границе раздела фаз за счёт внедрения в технологию приготовления композита наномодифицированного агента пролонгированного действия, полученного при совместном помоле цеолитсодержащего туфа и наномоди-фицированного полимерного компонента. В результате на поверхности зёрен щебня асфальто-
бетона образуется сложно-структурированная матричная система, оказывающая микроарми-рующее действие.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бикбау М.Я. Нано-, микро- и макрокап-суляция - новые направления получения композиционных материалов и изделий с заданными свойствами // В сб.: «Цемент. Бетон. Сухие строительные смеси». Международный аналитический обозреватель «Alitinform». - СПб: Изд-во «Alitinform», 2009. № 6(12). С. 62-69.
2. Борисенко Ю.Г., Солдатов А.А., Яшин С.О.Битумно-минеральные композиции, модифицированные высокодисперсными отсевами дробления керамзита // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 62-63.
3. Удивительный шунгит / М.А. Высоцкая, С.Ю. Русина, и др. // Сборник научных трудов Института строительства и архитектуры МГСУ: научные труды Международной молодёжной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на ос-
нове высоких технологий» (26-28 сентября 2012). М.: Изд-во МГСУ, 2012. Вып. 4. С. 1820.
4. Высоцкая М.А., Кузнецов Д.А., Фёдоров М.Ю. Дорожные композиты на основе дисперсных пористых наполнителей // сб. материалов научно-технической конференции «Современные тенденции и направления строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений», посвящённой 50-летию республиканского дочернего унитарного предприятия «БелдорНИИ» (25-26 октября 2012). Минск, 2012. С. 62-65.
5. Коротаев А.П. Повышение качества асфальтобетона за счет использования пористого минерального порошка : Дис. ... канд. техн. наук. Белгород, 2009. 161 с.
6. Georgiev D., Bogdanov B., Angelova K., Markovska I., Hristov Y. Synthetic zeolites - structure, classification, current trends in zeolite synthesis. Review // "Economics and Society development on the Base of Knowledge": International Science conference, 4-5 June 2009, Stara Zagora, Bulgaria. - Vol. VII: Technical studies.
7. Valcke E., Engels B., Cremers A. "The use of zeolites as amendments in radiocaesium- and radiostrontium-contaminated soils: A soil-chemical approach. Part II: Sr-Ca exchange in clinoptilolite, mordenite and zeolite A". Zeolites. Vol. 18. 1997. pp.212-217.
8. Королев,Е.В., Чевычалов А.А. Методика оценки экономической целесообразности внедрения нанотехнологии // Нанотехнологии в строительстве. 2012. №2. С. 25-31.
