НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

Высоцкая Марина Алексеевна

канд. техн. наук, доцент, БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород

Е-mail: roruri@rambler.ru

Кузнецов Дмитрий Алексеевич

канд. техн. наук, доцент, БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород

Е-mail: xidox@yandex.ru

Русина Светлана Юрьевна

магистрант, БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород

NANOSTRUCTURED POLYMER-BITUMEN BINDERS FOR ROAD CONSTRUCTION INDUSTRY

Marina Vysotskaya

candidate of technical sciences, associate professor

Belgorod Shukhov State Technology University, Belgorod

Dmitry Kuznetsov

candidate of technical sciences, associate professor

Belgorod Shukhov State Technology University, Belgorod

Svetlana Rusina

Graduate student, Belgorod Shukhov State Technology University, Belgorod

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается модифицирование полимерно-битумного вяжущего одностенными углеродными нанотрубками.

ABSTRACT

In this paper regarded the modified polymer-bitumen binder with single-walled carbon nanotubes.

Ключевые слова: битум; полимер; одностенные углеродные нанотрубки.

Keywords: bitumen; polymer; single-wall carbon nanotubes.

Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012—2016 гг. 

Человек, как существо, привязанное к земле силой гравитации, с древних времен прокладывал тропы. Сто с лишним лет назад, появились первые, многослойные конструкции твердых покрытий дорог, привычные для нашего сознания. С этого момента была начата борьба за повышение качества, долговечности и безопасности дорог.

Высокие темпы автомобилизации во второй половине ХХ века способствовали обострению внимания к состоянию дорог и транспорт­ных сооружений. В это время становится как никогда актуальным общеизвестный постулат: материал — это основа любой конструкции, очевидно по этому, рождается множество разработок [3, 4, 6, 7 и др.], направленных на повышение эффективности материалов и увеличение срока службы дорожных покрытий.

Новое тысячелетие повлекло за собой новые перспективные направления в развитии материаловедения, в том числе дорожного, связанные с нанотехнологиями: фуллеренами, нанотрубками и другими углеродными каркасными структурами [2, 8, 10, 11].

В дорожной индустрии ряда стран отмечается одна особен­ность — большая часть твердых покрытий автомобильных дорог выполнена из асфальтобетона, материала склонного к образованию пластических деформаций и температурных трещин на покрытии. Одной из наиболее популярных технологий, разработанных в конце ХХ века, направленной на ликвидацию обозначенных дефектов является использование полимерно-битумных композиций. Начиная с 1960-х годов объемы производства пластических масс, эластомеров, синтетических смол, полимеров неуклонно растут, за последние десятилетия они стали одним из самых распространенных видов материалов, применяемых во многих отраслях строительства.

Возрастающие нужды строительства требуют освоения производства новых видов полимерных материалов и изделий. Эта задача может быть решена либо синтезом новых полимеров, либо модификацией существующих. Возможности синтеза новых полимеров безграничны, однако технико-экономическая целесообразность тормозит их разработку, отдавая предпочтение методам физико-химической и физической модификации существующих полимеров. По этому, модификация различных полимеров наноструктурными модифицирующими добавками (наномодификаторами) сегодня крайне популярна [1, 5, 9]. Этот метод позволяет создавать композиты нового поколения с улучшенными характеристиками, которые можно использовать для получения высокопрочных конструкционных, изоляционных строительных материалов и т. д.

Однако, если рассматривать нанотехнологии в материаловед­ческом направлении исследований, то стоит обозначить сущест­вующую сложность равномерного распределения наномодификаторов, если рассматривать дорожное материаловедение органических вяжущих, то приемы наноармирования или наноструктрирования практически отсутствуют.

В разрезе обозначенной проблемы в данной работе была предпринята попытка взглянуть на известные технологии в производстве полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) через призму инновационных разработок.

В процессе выполнения решались следующие задачи: создание равномерно наноармированной матрицы полимерного компонента путем изменения его состава и варьирования технологическими параметрами при приготовлении целевого продукта (ПБВ) с последующим его введением в битум; получение высокооднородного битумного вяжущего, обладающего высокими физико-механическими свойствами; сокращение расхода полимера в составе вяжущего без ухудшения свойств готового ПБВ.

Объектами исследований служили: исходный материал одностен­ных углеродных нанотрубок (ОУНТ), полученный методом термического испарения графита в присутствии Ni-Cr катализатора в электрической дуге (Arc ОУНТ), битум БНД 60/90 Рязанского НПЗ, полимер класса термоэластопластов — ДСТ-30Р-01 и модификатор.

Наноматериал не подвергался очистке от примесей углеродных и металлических наночастиц. Содержание нанотрубок в нем составляло 5—10 вес.%. Содержание ОУНТ варьировалось в интервале 0,001—0,03 % от массы готового вяжущего. Приготовление ПБВ осуществлялось путем последовательного многофакторного перемешивания компонентов в процессе приготовления. На первом этапе готовился наноструктурированный полимерный компонент, затем осущест­влялось его перемешивание с разогретым битумом.

На рис. 1 и 2, изображены, соответственно, исходные ОУНТ и модифицированный им полимерный компонент с содержанием наноразмерных частиц 0,002 %.

Рисунок 1. Микрофотоснимок исходного материала ОУНТ

Рисунок 2. Микрофотоснимок полимерного компонента, модифицированного ОУНТ

Представленный микрофотоснимок ОУНТ (рис. 1), получен методом сканирующей электронной микроскопии на сканирующем автоэмиссионном электронном микроскопе ZEISS LEO SUPRA 25. На фото видны наночастицы графита размером 20—100 нм и наночастицы металла размером 5 нм. Материал содержит нанотрубки в виде пучков размером 5—30 нм (в пучке 5—20 нанотрубок, диаметр одной нанотрубки 1,2 нм), длина пучка до 1 мкм.

Фиксировать равномерность распределения нанообъектов в битуме — задача, в настоящее время, невыполнимая, поэтому равномерность распределения ОУНТ оценивали в процессе приго­товления полимерного компонента. Как видно, по рис. 2 рассыпаны радужные круги, если всмотреться внимательно, то обнаружить их можно и в глубине рисунка. Это объясняется тем, что видимые объекты внутри образца меньше длины световой волны (менее ~50 нм), поэтому наблюдается дифракционная картина. Очевидно, наблюдаемые объекты — это конгломераты нанотрубок, распреде­ленные в объеме полимерного компонента.

Можно предположить, что последовательное распределение наномодифицированного полимерного компонента в битуме будет способствовать более равномерному распределению ОУНТ в объеме вяжущего, а видимые агрегаты нанотрубок, со структурированными вокруг них полимером, придадут ПБВ совокупность полезных свойств.

Правомерность данного предположения была доказана в лабора­торных условиях при постановке эксперимента по приготовлению и исследованию ПБВ. Качество целевого продукта и равномерность распределения ОУНТ в его объеме оценивались по величине погрешности параллельных испытаний одной пробы и результатам, полученным при многократном воспроизведении опыта. Погрешность составляла не более 2 %.

В таблице 1 представлено несколько составов разработанного полимерного компонента для вяжущего.

Таблица 1.

Состав полимерного компонента

Отличительными признаками полученного наноструктури­рованного ПБВ, явились высокие показатели когезии, эластичности, адгезии, температуры размягчения и низкие показатели температуры хрупкости. Стоит отметить, что обозначенный положительный эффект был достигнут при уменьшении содержания полимера в полимерном компоненте.

Как видно, содержание полимера меньше значения, рекомен­дуемого для приготовления ПБВ (от 3 %). Характеристики образцов вяжущих, приготовленных с использованием полимерных компо­нентов с различным содержанием ОУНТ представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Характеристики образцов вяжущего

В случае приготовления полимерно-битумного вяжущего, с содержанием ОУНТ более 0,03 % в полимерном компоненте, вязкость вяжущего нарастает. Это приводит к уменьшению его растяжимости и сокращению интервала пластичности ПБВ.

Как видно, полученное вяжущее превосходит требования содержащиеся в ГОСТ Р 52056-2003 по показателям эластичности, адгезии, температуре хрупкости для всего интервала состава вяжущего; при этом достигается однородность вяжущего и сокра­щение расхода полимера.

При приготовлении ПБВ с использованием модифицированного полимерного компонента с содержанием 0,03 % ОУНТ наблюдается следующее: содержание полимера в количестве 2 % позволяет получить вяжущее с показателями свойств, отвечающими норматив­ным требованиям, однако эти показатели пограничны, увеличение количества модификатора ОУНТ в смеси изменяет такие свойства вяжущего как растяжимость и температура хрупкости в сторону понижения и несоответствия ГОСТ. При увеличении содержания полимера до 3 % в образце вяжущего № 2, показатели пенетрации при 0°С не соответствуют требованиям.

Глубина проникания иглы в полученное вяжущее при 0°С значительно превышает требования ГОСТ, более того разница между этим показателем, определенным при температуре 25 и 0°С у составов № 3—№ 5 невелика и составляет 30—20 %.

В соответствии с рекомендациями ГОСТ разница между глубиной проникания иглы при температурах испытания 25 и 0°С составляет 87 %. Известно, что глубина проникания иглы при 0°С, характеризует пластичность вяжущих при низких температурах воздуха и является их эксплуатационной характеристикой, свидетель­ствующей о деформативности, и, следовательно, трещиностойкости асфальтобетона. Таким образом, чем выше глубина проникания иглы в вяжущее при 0°С, тем более морозо- и трещиностойким будет асфальтобетон на его основе.

Анализ температуры хрупкости обосновывает это предположение. Сопоставление данных по эластичности показывает, что при содер­жании ДСТ 2—3 % по массе в полимерной матрице, наноармированной 0,002 % ОУНТ, эластичность ПБВ достигает своего наибольшего значения — более 90 % при 25°С и более 80 % при 0°С. Значительно меняется когезия полимерного вяжущего.

Дальнейшее уменьшение ОУНТ в вяжущем не дает значимого технического результата, по причине отсутствия эффекта от наномо­дификации полимерного компонента.

На примере образцов вяжущего № 3 и № 4, содержащих 2 % и 3 % полимера соответственно, можно сделать вывод, что для приготовления ПБВ марки 60, отвечающего требованиям ГОСТ, достаточно 2 % ДСТ, в то время как по традиционной рецептуре это содержание колеблется в интервале от 3 %. Таким образом, за счет варьирования содержанием составляющих в наноармированной матрице полимерного компонента, становится возможным уменьшение содержания полимера ДСТ в вяжущем, а также получение целевого продукта с высокими показателями свойств.

Предварительные испытания образцов асфальтобетона, приготов­ленных на наномодифицированном полимерно-битумном вяжущем, позволяют надеяться, что использование такого вяжущего будет способствовать повышению тепло- и трещиностойкости асфальто­бетонных покрытий автомобильных дорог, а также их коррозионной стойкости.

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» Москва 3—5 декабря, 2008. — Т. 1. — С. 410—412.

2.Высоцкая М.А., Русина С.Ю., Кузнецов Д.А., Федоров М.Ю. Удивительный шунгит!: Cб. науч. тр. Института строительства и архитек­туры МГСУ (Выпуск 4): науч. тр. Международной молодежной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» (26—28 сентября 2012 г.) / ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит. ун-т». — М.: МГСУ, 2012. — С. 18—20.

3.Королев И.В. Пути экономии битума в дорожном строительстве / И.В. Королев. — М.: Транспорт, 1986. — 149 с.

4.Ковалев Я.Н. Активационно-технологическая механика дорожного асфальтобетона / Я.Н. Ковалев. — Минск: Высш. школа, 1990. — 180 с.

5.Лобач А.С. Разработка композиционных наноматериалов на основе химически модифицированных одностенных углеродных нанотрубок и водорастворимых полимеров с заданными свойствами: Сб. тр. Международн. форума по нанотехнологиям «Rusnanotech^, 08» Москва 3—5 декабря, 2008. — Т. 1. — С. 479—481.

6.Лукашевич В.Н. Совершенствование технологии асфальтобетонных смесей для увеличения срока службы дорожных покрыти // Строительные материалы. — 1999. — № 11. — С. 9—10.

7.Лысихина А.И. Применение поверхностно-активных и других добавок при строительстве асфальтобетонных и подобных им дорожных покрытий. М.: Автотрансиздат, 1957. — 56 с.

8.Мирошников Е.В., Строкова В.В., Череватова А.В., Павленко Н.В. Наноструктурированное перлитовое вяжущее и пенобетон на его основе // Строительные материалы. — 2010. — № 9. — С. 105—106.

9.Озерин А.Н. Наноструктуры в полимерах: получение, структура, свойства// Тр. VII сессии «Проблемы и достижения физико-химической и инженерной науки в области наноматериалов». М: 2002. — Т. 1. — С. 185—204.

10.Сахаров Г.П. О краткосрочной перспективе нанотехнологий в произ­водстве строительных материалов и изделий // Технологии бетонов. — 2009. — № 4. — С. 65—67.

11.Steyn W.J. Reseach and application of nanotechnology in transportation, 27^th Annual Southern African Transport Conference 2008, https://www.up.ac.za/dspase/handle/2263/6018.