Технология модифицированных композиционных материалов дорожно-строительного назначения повышенной долговечности
На правах рукописи
Шатунов Дмитрий Александрович
ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Специальность 05.17.06 –
Технология и переработка полимеров и композитов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2011
Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Артеменко Серафима Ефимовна |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Иващенко Юрий Григорьевич кандидат химических наук, доцент Ромаденкина Светлана Борисовна |
| Ведущая организация: | ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» |
Защита состоится «20» мая 2011 года в 15 часов в ауд. 237 на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100 Саратовская обл. г. Энгельс, пл. Свободы, 17.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77).
Отзыв на автореферат просим направлять по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет и e-mail: [email protected]
Автореферат разослан 20 апреля 2011 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета | В.В. Ефанова |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Состояние автомобильных дорог в России остается серьезной проблемой. Причинами этого являются не только отсутствие необходимых технологий и специальной дорожной техники, но и в большинстве суровые климатические условия, что оказывает негативное влияние на состояние дорожного полотна и сроки его службы. Основной разрушающий фактор – воздействие отрицательной температуры на земляное полотно и на покрытие. Обеспечение морозоустойчивой конструкции дороги приоритетно и относится на сегодняшний день к требованиям технических стандартов. В соответствии со СНиП 2.05.02-85 проектные решения автомобильных дорог должны обеспечивать безопасное, удобное и комфортабельное движение автотранспортных средств с расчетными скоростями, однородные условия движения. Добиться соответствия высоким требованиям стандартов можно только при соблюдении предписаний на различных стадиях проектирования и строительства, использовании современных строительных материалов и технологий.
Одной из важнейших составляющих асфальтобетона является битумное вяжущее, от качества которого зависят технические и эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Используемый при производстве асфальтобетона битум зачастую не удовлетворяет требованиям ГОСТ по ряду показателей, что соответствующим образом отражается на качественных характеристиках и долговечности дорожного покрытия. Сокращение сроков службы дорожного покрытия определяется, в частности, образованием структурных дефектов при пониженных температурах вследствие резкого снижения эластичности битумного вяжущего. При отрицательных температурах битум становится хрупким, и воздействие интенсивных колесных нагрузок на дорожное покрытие приводит к образованию трещин и других дефектов поверхности. Количество и глубина этих дефектов при заполнении водой и последующем замораживании, а затем оттаивании стремительно возрастают. В результате протекания этих процессов происходит очень быстрое разрушение дорожного покрытия, приводящее в итоге к необходимости ежегодного проведения так называемого «ямочного ремонта» значительной части дорожного покрытия. Вследствие всего вышеперечисленного возникла необходимость модификации битума различными добавками, обеспечивающими повышенную долговечность дорожного покрытия.
Цель работы: разработка технологии получения модифицированных композиционных материалов дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью.
Для достижения поставленной цели в задачи исследования входили:
- выбор модификатора, позволяющего направленно регулировать характеристики полимербитумного вяжущего (ПБВ);
- изучение характера влияния различных видов базальтового наполнителя на физико-механические свойства и долговечность композиционного материала дорожно-строительного назначения;
- установление характера взаимодействия между компонентами в системах «битум – разработанный модификатор» и «полимербитумное вяжущее – базальтовый наполнитель»;
- построение математической модели и оптимизация полимербитумного вяжущего на основе промышленных битумов марки БНД 60/90 и разработанного модификатора;
- построение математической модели зависимости прочностных характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от состава при различных температурах эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- установлен характер влияния полимерных модификаторов (каучуков различных марок, вторичного полиэтилена высокого давления и др.) на дуктильность, пенетрацию и температуру размягчения полимербитумного вяжущего. Построена математическая модель зависимости «состав – свойства вяжущего» модифицированного полимербитумного вяжущего и градиентным методом проведена оптимизация состава;
- доказана зависимость характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от вида базальтового наполнителя и способа его введения. Установлено взаимодействие между активными кремнийкислородными группами базальтового наполнителя и реакционноспособными группами каучука битума, составляющих основу модифицированного полимербитумного вяжущего, предложена схема их взаимодействия. Определено существенное влияние природы базальтового наполнителя на величины пористости и удельной поверхности его частиц и их влияние на характеристики композиционного материала дорожно-строительного назначения;
- построена математическая модель в виде системы математических уравнений, отражающих зависимость прочностных характеристик композиционного материала от состава при различных температурах его эксплуатации; установлен различный характер влияния ингредиентов композита на его прочностные характеристики при различных температурах.
Практическая значимость работы:
- разработан двухкомпонентный модификатор, состоящий из каучука синтетического бутадиен-метилстирольного марки СКМС-30 АРКМ-15 и вторичного полиэтилена высокого давления, позволяющий направленно регулировать характеристики вяжущего;
- создан базальтонаполненный композиционный материал дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью, обеспечивающий сохранение прочностных характеристик после 50 циклов «замораживание-оттаивание».
На защиту выносятся:
- направленное регулирование свойств полимерасфальтобетона введением модифицирующих добавок – каучука марки СКМС-30 АРКМ-15, вторичного полиэтилена высокого давления, базальтового наполнителя;
- механизм взаимодействия предложенных модифицирующих добавок с битумом и минеральным наполнителем в полимербитумной композиции и композите дорожно-строительного назначения;
- математическая модель и оптимизация состава полимербитумного вяжущего;
- математическая модель полимерасфальтобетона.
Достоверность результатов работы подтверждается применением комплекса современных независимых и взаимодополняющих методов: инфракрасной спектроскопии (ИКС), методов исследования гранулометрического состава, методов определения удельной поверхности и пористости частиц наполнителя, стандартных методов испытаний характеристик композиционного материала.
Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и всероссийских конференциях: IV Международной конференции «Композит-2007» «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» (Саратов, 2007), I межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009), Международном симпозиуме «Композиты ХХ1 века» «Международный симпозиум Восточноазиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям» (Саратов, 2005), Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных трудов, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 статей в сборниках научных трудов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату технических наук, доценту Саратовского государственного технического университета Арзамасцеву С.В. за помощь в работе над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость выполненной работы.
В первой главе дан анализ современного состояния проблемы и перспективных направлений улучшения свойств и модификации нефтяных дорожных битумов, используемых в дорожной промышленности; рассмотрены вопросы использования армирующих компонентов при производстве и укладке асфальтобетона для улучшения свойств и долговечности дорожного полотна; показана целесообразность использования методов математического моделирования, в частности полного факторного эксперимента для решения задач оптимизации состава композиционных материалов.
Во второй главе приведены объекты, методы и методики исследования.
Объектами исследования служили: битум марки БНД 60/90, сера, бутадиен-стирольный каучук марки СКМС, этиленпропиленовые каучуки марок СКЭПТ 50 ЭНБ (синтетический каучук этиленпропиленовый тройной с этилиденнорборненом) и СКЭПТ 50 ДЦПД (с дициклопентадиеном), бутадиен-нитрильный каучук, полиэтилен высокого давления, базальт, базальтовые волокна и ткани.
Свойства модифицированного вяжущего оценивались по основным показателям нефтяных дорожных битумов – дуктильности (растяжимости) при 0 и 250С, пенетрации (глубине проникновения иглы в образец битума) при 0 и 250С и температуре размягчения, определяемой по методике «кольцо и шар» (КиШ).
Свойства асфальтобетонов оценивались с помощью стандартных физико-механических испытаний: разрушающее напряжение при сжатии при температурах 0, 20 и 50 0С водонасыщенных образцов, водостойкость, водонасыщение, морозостойкость.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ
Глава 3. Способы направленного регулирования свойств
полимербитумного вяжущего
Анализ литературных данных показал, что использование каучуков в качестве добавок в нефтяные природные битумы, используемые в дорожном строительстве, является одним из наиболее перспективных направлений для повышения характеристик асфальтобетонов на их основе.
В связи с этим использовали в качестве модификаторов относительно недорогие, устойчивые к воздействию солнечных лучей, обладающие высоким комплексом свойств промышленные этиленпропиленовые каучуки марок СКЭПТ-50 ЭНБ, СКЭПТ-50 ДЦПД, бутадиен-нитрильный каучук, бутадиен-метилстирольный каучук марки СКМС-30 АРКМ-15.
Каучуки марок СКЭПТ и СКМС перед введением в битумное вяжущее растворяли в бензине (13 % раствор), что способствовало улучшению гомогенизации композиции. Выбор данного растворителя определяется доступностью и относительно низкой стоимостью. При использовании бутадиен-нитрильного каучука, имеющего полярные группы, использовали полярные растворители: этилацетат и бензол.
При введении каучуков марок СКЭПТ 50 ДЦПД, СКЭПТ 50 ЭНБ и СКМС 30 АРКМ 15 в количествах 1-2 % отмечено значительное увеличение дуктильности при 0 0С в 2; 3,5 и 11 раз соответственно (рис. 1). Каучуки, распределяясь в битуме, образуют пространственную эластичную сетку, которая увеличивает дуктильность. При введении раствора каучука бутадиен-нитрильного в предварительно нагретый до 1600С битум происходит быстрое испарение растворителя, вследствие чего наблюдаются комкование полимера, плохое его распределение в объеме битума и, как следствие, незначительное влияние на дуктильность. При снижении температурного режима перемешивания со 160 до 120 0С и замене растворителя положительного результата не достигнуто. Отмечен различный характер влияния каучуков на дуктильность при 250С (рис. 2). Если введение СКМС не снижает данной характеристики ПБВ, то при использовании каучуков марок СКЭПТ и БНК отмечается довольно значительное его уменьшение.
Предположительно это связано с химической природой каучуков, особенностями их распределения в объеме композиции и взаимодействием в системе битум-каучук.
Введение в битум каучуков приводит к росту пенетрации при 0 и 25 0С. (рис. 3, 4). Установлено, что наибольшее увеличение наблюдается при введении каучуков марок СКМС и БНК.
Таким образом, введением эластомеров удается увеличить дуктильность и пенетрацию вяжущего, однако при этом происходит снижение температуры размягчения, что является нежелательным. Анализ литературных данных показал эффективность использования в составе полимербитумного вяжущего различных сшивающих агентов. Каучуки увеличивают эластические свойства битума, а сшивающие агенты позволяют создать пространственную сшитую полимерную сетку, за счет чего происходит увеличение температуры размягчения по КиШ. В качестве сшивающего компонента использовалась дисперсная сера.
Установлено, что введение в состав битума 2% масс. каучука марки СКМС и 0,5% серы позволяет повысить дуктильность на 35-55% по сравнению с исходным битумом. При увеличении содержании серы в композиции наблюдается снижение дуктильности, что, возможно, происходит в результате образования жесткой, сшитой сульфидными мостиками структуры.
Пенетрация композиции при 250С в изученном интервале содержания модифицирующих добавок на 40-42% выше, чем у исходного битума. Отмечено резкое снижение температуры размягчения по КиШ при введении серы в количестве 2% масс.
Введение до 0,2% масс. вторичного полиэтилена высокого давления в состав ПБВ, содержащего 2 % СКМС-30 АРКМ-15, позволяет компенсировать снижение температуры размягчения по КиШ, сохраняя её значение на уровне 50 0С (рис. 6). Однако при этом наблюдается резкое снижение дуктильности и пенетрации (рис. 7-9).
Аналогичные зависимости получены и при использовании в качестве модификатора битума каучука марки СКЭПТ. Показано, что введение ПЭВД в количестве до 0,5% масс. приводит к резкому снижению дуктильности, пенетрации и незначительному увеличению температуры размягчения.
Таким образом, введение эластомеров в сочетании с вторичным полиэтиленом высокого давления позволяет в достаточно широких интервалах направленно регулировать характеристики полимербитумного вяжущего.
Глава 4. Изучение влияния базальтовых наполнителей различной структуры на характеристики полимерасфальтобетона
Повышение эксплуатационных характеристик дорожного полотна достигается армированием асфальтобетонного покрытия различными волокнами и сетками. К армирующим материалам предъявляются высокие требования по прочности и термостойкости, поскольку температура асфальтобетонной смеси при укладке составляет свыше 120 0С.
Для увеличения прочностных характеристик дорожного покрытия в качестве армирующего компонента использовали базальтовую нить, базальтовую вату и ее отходы, базальтовую ткань.
Для асфальтобетона на основе исходного битума БНД 60/90 показана эффективность использования в качестве армирующего компонента некондиционной базальтовой ваты, повышающей разрушающее напряжение при сжатии при 50 0С на 25%, и базальтовой нити, повышающей разрушающее напряжение при сжатии при 20 и 50 0С на 20 и 50% соответственно (рис. 10, 11).
Введение базальтовой ваты в количестве более 0,4% масс. приводит к ее комкованию и невозможности равномерного распределения в объеме композита.
Волокно с длиной порезки 5-15 мм, кондиционная и некондиционная базальтовая вата вводились на стадии смешения асфальтобетона; базальтовое волокно с длиной порезки 50-60 мм (в виде армирующей сетки) укладывалось непосредственно перед формованием модельных образцов в цилиндрическую форму.
Асфальтобетон на основе полимербитумного вяжущего (ПБВ) изначально имеет прочностные характеристики на 5-20% выше аналогичных характеристик асфальтобетона на основе битума БНД 60/90. Армирование позволяет повысить прочностные характеристики асфальтобетона дополнительно на 10-30%.
Отмечен различный характер влияния армирующих добавок различной текстильной структуры на прочностные свойства полимер-асфальтобетона при 20 и 500С (рис. 12, 13). Так, если при введении кондиционной базальтовой ваты и базальтовой ткани происходит снижение характеристик на 7-23% (при 200С) и 8-32% (при 500С) соответственно, то при армировании некондиционной базальтовой ватой и волокном происходит значительное увеличение прочности на 8-15% (при 200С) и 12-28% (при 500С) соответственно. Наибольший эффект наблюдается при введении 0,4% базальтовой нити с длиной порезки 5-15 мм.
Водостойкость образцов с введением армирующих материалов повышается, по сравнению с исходными образцами на основе ПБВ (рис. 14). Также большее повышение наблюдается при введении некондиционной базальтовой ваты и волокна.
Динамика изменения прочностных характеристик полимерасфальтобетонов показывает (рис. 15), что после 50 циклов «замораживание-оттаивание», остаточная прочность образцов снижается на 12-40%.
Таким образом, установлено, что использование базальтовой ваты и базальтовых волокон является перспективным и позволяет повысить прочностные характеристики композитов дорожно-строительного назначения, однако необходимо повысить остаточную прочность после воздействия циклов «замораживание-оттаивание».
