Асфальтовяжущие, модифицированные полимерами и наночастицами углерода

УДК 691.16:541.6

АСФАЛЬТОВЯЖУЩИЕ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРАМИ И НАНОЧАСТИЦАМИ УГЛЕРОДА

© В.В. Алексеенко1, Ю.В. Салтанова2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведены исследования физико-механических характеристик асфальтовяжущих материалов. Изучено влияние различных мелкодисперсных наполнителей на свойства битума. Практически значимые результаты получены для минеральных порошков, модифицированных полимерами и наночастицами углерода. Показано, что асфаль-товяжущие на модифицированных порошках по качеству не уступают полимербитумным вяжущим по ГОСТ Р 52056-2003.

Табл. 3. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: асфальтовяжущие; полимербитумные вяжущие; температура хрупкости; температура размягчения.

ASPHALT BINDERS MODIFIED BY POLYMERS AND CARBON NANOPARTICLES V.V. Alekseenko, Yu.V. Saltanova

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper studies the physical and mechanical characteristics of asphalt binding materials. The effect of different fine dispersed fillers on bitumen properties is examined. The results of practical significance are obtained for mineral powders, polymer-modified nanoparticles and carbon. It is shown that the quality of asphalt binders based on modified powders equals the quality of polymer bituminous binders by Р 52056-2003 Standard. 3 tables. 4 sources.

Key words: asphalt binders; polymer bituminous binding agents; brittleness temperature; softening point.

Минеральный порошок (мелкодисперсный заполнитель) является необходимой составляющей асфальтобетона. Его основная функция - заполнение пор в минеральном остове, которое приводит, во-первых, к уменьшению количества битума, во-вторых, к уменьшению толщины плёнки битума. Всё это, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости асфальтобетона и уменьшению эффекта старения. Другая, менее очевидная функция минерального порошка, - это изменение физико-химических свойств битума. Причём "хороший" порошок может значительно улучшать свойства битума, "плохой" - ухудшать даже физико-механические показатели битума. К хорошим мелкодисперсным наполнителям относятся доломиты и мраморы, к плохим - породы, содержащие много кремнезёма. Таким образом, минеральный порошок в большой степени влияет на физико-механические показатели асфальтобетона и даже на срок его службы [1]. Модификация минерального порошка может служить магистральным направлением в деле увеличения сроков службы асфальтобетонных покрытий.

Для определения эффективности того или иного способа получения минерального порошка необходимо задаться критерием качества. Для практических целей критерием может служить изменение реологических характеристик вяжущего при добавлении в него

мелкодисперсного заполнителя. Дело в том, что мелкодисперсный наполнитель, обладая большой удельной поверхностью, может изменять не только физико-механические, но и химические свойства битума. После ряда экспериментов по изучению влияния порошков на свойства битума было выбрано соотношение наполнитель:битум = 1:1. При меньшей концентрации порошка его влияние на реологию вяжущего уменьшается, а слишком большие концентрации мелкодисперсного заполнителя не встречаются в реальных подборах асфальтобетона. Поэтому лучше всего изучать влияние минерального порошка на свойства битумного вяжущего при максимально возможной концентрации порошка. Мы проводили исследования основных реологических характеристик асфальтовяжущих материалов: температуры размягчения по КиШ -характеризует теплостойкость асфальтобетона, температуры хрупкости по Фраасу - характеризует морозостойкость асфальтобетона.

На первом этапе изучалось влияние простого механического измельчения (активация) на свойства порошков из различных материалов. Нами были проведены исследования по влиянию механической обработки в планетарной мельнице на свойства различных заполнителей. В качестве заполнителей были выбраны породы, отсевы от которых часто использу-

1Алексеенко Виктор Викторович, кандидат химических наук, доцент кафедры автомобильных дорог, e-mail: ala-vic59@yahoo.com

Alekseenko Victor, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Automobile Roads, e-mail: alavic59@yahoo.com

2Салтанова Юлия Владимировна, студентка, e-mail: saltanova.1991@mail.ru Saltanova Yulia, Student, e-mail: saltanova.1991 @ mail.ru

ются дорожниками в качестве мелкодисперсного заполнителя в асфальтобетоне: гранит, диабаз и доломит. Гранулометрический состав минерального заполнителя соответствовал требованиям ГОСТ Р 521292003 на минеральный порошок для асфальтобетонных покрытий. Результаты представлены в табл. 1.

Состав 1 - исходный битум; состав 2 - би-тум+мелкодисперсные частицы из гранитных пород; состав 3 - битум+мелкодисперсные частицы из гранитных пород, обработанные в мельнице; состав 4 -битум+мелкодисперсные частицы из диабазовых пород; состав 5 - битум+мелкодисперсные частицы из диабазовых пород, обработанные в мельнице; состав 6 - битум+мелкодисперсные частицы из доломита; состав 7 - битум+мелкодисперсные частицы из доломита, обработанные в мельнице. Обработка в мельнице проводилась при небольшой интенсивности воздействия и существенно не изменяла гранулометрический состав материала. При обработке в мельнице одновременно происходят процессы разрушения и агрегации частичек материала. Таким образом, механическая активация при небольших интенсивностях воздействия не оказывает заметного влияния на свойства асфальтовяжущего.

Так как механическая активация минерального порошка не привела к желаемым изменениям свойств асфальтовяжущего, было предложено исследовать порошки, содержащие не только минеральные материалы, но и органические полимеры. Дело в том, что улучшения теплостойкости и морозостойкости битума можно достичь, добавляя в него каучукоподобные полимеры. Известная в России и в мире технология предполагает растворение полимеров в битуме [2] на специализированных установках. Этот процесс связан с большими экономическими затратами в связи со сложностью процесса растворения полимера. К тому же полимербитумные вяжущие нельзя долго хранить в нагретом состоянии из-за процессов деструкции полимера и расслоения вяжущего.

Значительное удорожание полимербитумных вяжущих по сравнению с обычным битумом не только происходит из-за высокой стоимости полимера, но и связано с трудностью процесса равномерного распределения молекул полимера в битуме. Проблема заключается в высокой вязкости битума и медленной скорости растворения полимера. Мы предлагаем иной способ распределения полимера в асфальтобетоне: полимер тонко измельчается и распределяется по поверхности минерального порошка, а затем, при производстве асфальтобетона с использованием модифицированного порошка, происходит равномерное

распределение полимера и его растворение в битуме при изготовлении горячего асфальтобетона.

Тонкое измельчение и закрепление на поверхности минерального материала - достаточно сложная задача: полимерные материалы слишком пластичны, плохо поддаются измельчению и, кроме того, у биту-морастворимых полимеров плохая адгезия к каменным материалам. В связи с этим было решено использовать углеродные наночастицы, которые являются молекулярными образованиями с уникальными свойствами: они эффективно взаимодействует как с полимерами, так и с поверхностью минеральных наполнителей. В некоторых работах предложены смеси конструкционных композиционных материалов на основе угле-, органо-, стеклопластиков с повышенными характеристиками трансверсальной и сдвиговой прочности, прочности при сжатии, вязкости разрушения, влагостойкости, в которых используются адгезионные свойства пары нанокомпозит-полимер [3-4].

Модифицированные наночастицами и полимерами порошки получались при механохимической обработке доломитового порошка, полимера (в нашем случае использовался ДСТ-30) и наночастиц углерода. В качестве наночастиц использовался продукт сухого удаления кремниевого завода. Так как концентрация наночастиц углерода в этом продукте мала и большую часть занимает кремнезём, концентрация этого продукта в смеси была достаточно большой - 10-15% по массе. Исследовались три смеси: состав 1 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 1% ДСТ-30; состав 2 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 2% ДСТ-30; состав 3 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 3% ДСТ-30. Результаты, полученные при добавлении модифицированных порошков в битум в соотношении 1:1, приведены в табл.2.

Таблица 2

Номер опыта 1 2 3 4

Температура размягчения по КиШ, °С 49 53 55 58

Температура хрупкости по Фраасу, °С -23 -25 -26 -25

Номер опыта 1 - исходный битум; номер опыта 2 -состав 1; номер опыта 3 - состав 2; номер опыта 4 -состав 3. Таким образом, мы видим, что модифицированные порошки эффективнее изменяют свойства битума, чем обычные молотые порошки (см. табл.1). Это означает, что полимер и наночастицы равномерно распределяются в доломитовой муке. В противном случае мы бы не фиксировали никаких изменений по сравнению с обычным минеральным порошком. Тем не менее, свойства асфальтовяжущего не дотягивают до характеристик полимербитумных вяжущих по ГОСТ Р 52056-2003 с аналогичными содержаниями полимеров.

Результаты, представленные в табл.2, говорят о том, что мы не полностью растворяем полимер в битуме и поэтому не достигаем максимального улучшения свойств асфальтовяжущего. При получении полимербитумных вяжущих специалисты сталкиваются с

Таблица 1

Номер состава 1 2 3 4 5 6 7

Температура размягчения по КиШ, °С 49 49 49 50 50 52 52

Температура хрупкости по Фраасу, °С -23 -22 -22 -23 -23 -24 -24

той же самой проблемой, и она разрешается путём добавления в битум пластификаторов. Наилучший эффект даёт предварительное замачивание полимера в индустриальном масле. Мы пошли аналогичным путём, а именно: добавляли пластификатор в модифицированный порошок. Исследовались три смеси: состав 1 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 3% ДСТ-30 + 4% пластификатор; состав 2 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 3% ДСТ-30 + 8% пластификатор; состав 3 - доломитовая мука + 10% наночастицы + 3% ДСТ-30 + 10% пластификатор. Результаты, полученные при добавлении модифицированных порошков в битум в соотношении 1:1 при исследовании температуры размягчения и температуры хрупкости, представлены в табл.3.

Таблица 3

Номер опыта 1 2 3 4

Температура размягчения по КиШ, °С 49 62.5 65 49

Температура хрупкости по Фраасу, °С -23 -26 -27 -30

Номер опыта 1 - исходный битум; номер опыта 2 -состав 1; номер опыта 3 - состав 2; номер опыта 4 -состав 3. Таким образом, мы видим, что добавление пластификатора приводит к лучшему растворению полимерных молекул в битуме, что даёт улучшение физико-механических показателей (см. табл. 2). Состав 3 соответствует полимербитумному вяжущему марки ПБВ 130 по ГОСТ Р 52056-2003, составы 1-2 значительно превосходят характеристики ПБВ марок 90, 60 и 40. Таким образом, модифицированные полимерами и наночастицами углерода порошки позволяют получать асфальтовяжущее, по свойствам полностью аналогичное полимербитумным вяжущим по ГОСТ Р 52056-2003.

Возникает вопрос, в чём преимущество использования модифицированных порошков по сравнению со стандартным методом получения полимербитумных

вяжущих, ведь ингредиенты и физико-механические характеристики те же самые. Ответ заключается в следующем: во-первых, в качестве пластификатора мы использовали отходы производства, а не индустриальное масло, что раза в два снижает стоимость продукта, во-вторых, и это, пожалуй, самое важное, исчезает проблема деструкции ПБВ. Одним из основных препятствий к использованию ПБВ является то, что его нельзя более 10 часов хранить в нагретом состоянии [2], так как происходит деструкция полимера и расслоение вяжущего. Если вяжущее доставлять на асфальтобетонный завод в холодном состоянии, то только на его разогрев затрачивается около суток, а в случае плохих погодных условий мы вынуждены хранить вяжущее в нагретом состоянии много дней (что реально наблюдается на асфальтобетонных заводах). Таким образом, ПБВ желательно производить и использовать в течение нескольких часов, а битумные котлы должны быть оснащены очень эффективной системой перемешивания вяжущего. Однако на территории Иркутской области нет ни одного асфальтобетонного завода, имеющего специально оборудованный битумный котёл!!!

Тогда как хранение, использование и дозирование модифицированного порошка осуществляется на стандартном оборудовании, и у модифицированного порошка нет ограничения по срокам хранения.

Общий вывод заключается в том, что модифицирование минеральных порошков приводит к значительному улучшению реологических показателей ас-фальтовяжущего. Фактически мы получаем вяжущее в асфальтобетоне, аналогичное полимербитумным вяжущим, но без проблем с адгезией к минеральным наполнителям. Это, естественно, приводит заметному положительному изменению свойств асфальтобетона: увеличению долговечности, морозостойкости и стойкости к перепадам температур. Конкретный состав модифицированного порошка желательно подбирать для каждой марки битума.

Библиографический список

1. Петрянин Б.И., Субботин И.В. Механоактивация битума и асфальтовяжущего вещества // Наука и техника в дорожной отрасли. 2009. № 4. С. 17-19.

2. Гохман Л.М. Битумы, полимер-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимер-асфальтобетон. М.: Экон, 2008. 118 с.

3. Тучиев Ш, Табаров С.Х, Гинзбург Б.М. Влияние добавок

фуллерена Сбо на механические свойства полибутадиенсти-рольного каучука // Журнал технической физики. 2008. Т.78, вып.7. С.140-143.

4. Яновский Ю.Г., Никитина Е.А., Карнет Ю.Н. и др. Молекулярное моделирование мезоскопических композитных систем. Структура и микромеханические свойства // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8, №5. С.61-75.