автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Асфальтобетоны на основе дисперсного наномодифицированного пористого сырья

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Михаил Юрьевич

АСФАЛЬТОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСНОГО НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРИСТОГО СЫРЬЯ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Белгород-2013

005542130

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Высоцкая Марина Алексеевна

Официальные оппоненты - Королев Евгений Валерьевич

доктор технических наук, профессор, Московский государственный строительный университет, директор НОЦ НТ

Котлярский Эдуард Владимирович

доктор технических наук, профессор, Московский автомобильно-дорожный институт, зам. зав. каф. дорожно-строительных материалов

Ведущая организация - Федеральное государственное казенное

военное образовательное учреждение высшего профессионального образования военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Министерства обороны Российской Федерации.

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ, ауд. 242 главного корпуса, тел/факс (4722) 55-71-39, E-mail: rect@intbel.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, о __

профессор f=—^^--——»й- Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Дорожная инфраструктура - это жизненно важная система, влияющая на экономику любого государства. В связи с этим существует прямая зависимость между транспортно-эксплуатационным состоянием покрытий автомобильных дорог и динамикой развития экономики, обусловливающей постоянный рост интенсивности и грузонапряжённости дорожного движения.

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 разрушению материала покрытия.

Подобные дефекты поверхности обусловлены, прежде всего, спецификой свойств используемого органического вяжущего, выраженной в зависимости его реологических и физико-механических показателей от температуры и влажности окружающей среды.

В настоящее время отрасль нанотехнологий предоставляет широкий спектр модификаторов и способов модификации для повышения качества композиционных материалов в заданном направлении. Эффективным способом, сочетающим в себе увеличение рабочего температурного интервала асфальтовяжущего (ABB), а также тепло- и трещиностойкости асфальтобетона, может выступать использование в технологии приготовления асфальтобетонных смесей пористых дисперсных материалов, выполняющих роль активного структурирующего наполнителя. Поэтому представляло интерес совмещение этих технологических приёмов для разработки наномодифи-цированного агента, позволяющего управлять показателями свойств асфальтобетона.

Работа выполнялась в рамках грантов БЗ/12 и AI 1/12 Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 года.

Цель работы. Получение эффективных асфальтобетонов на основе наномодифицированного дисперсного пористого сырья.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

• изучение свойств, микроструктурных особенностей и реакционной способности пористых дисперсных наполнителей для использования в качестве минерального порошка в асфальтобетонах;

• обоснование и разработка технологии получения наномодифицированного агента на основе цеолитового сырья, а также выявление факторов, вносящих максимальный вклад в формирование эффективных асфальтобетонов;

• подбор рационального соотношения наномодифицированный

агент/известняковый минеральный порошок в составе асфальтобетонных смесей;

• исследование физико-механических свойств и коррозионной стойкости композитов разработанных составов;

• подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы. Выявлен характер зависимости адсорбционной и структурирующей активности наполнителей и термостабильности системы «битум—минеральный порошок» по мере увеличения пористости минерального сырья, проявляющийся в повышении этих показателей за счёт интенсивного протекания процессов физической и химической адсорбции на границе раздела фаз, обусловленных наличием активных центров адсорбции и структурой поверхности частиц.

Установлен синергизм совместного действия минеральной подложки из цеолитсодержащего туфа и полимерного наномодифицированного компонента, связанный с особенностями архитектуры пор наполнителя, заключающимися в нормированном размере входных окон пор, а также их упорядоченном расположении.

Разработаны принципы повышения эффективности асфальтобетона, заключающиеся в целенаправленном регулировании процессов структурооб-разования на границе раздела фаз за счёт внедрения в технологию приготовления композита наномодифицированного агента пролонгированного действия, полученного при совместном помоле цеолитсодержащего туфа и наномодифицированного полимерного компонента. В результате на поверхности зёрен композита образуется сложно-структурированная матричная система, оказывающая микроармирующее действие.

Выявлены закономерности изменения прочностных свойств при температурах испытания 0 и 50 °С, коррозионной стойкости асфальтобетона от соотношения «наномодифицированный агент/известняк» в составе дисперсной части смеси, заключающиеся в повышении этих показателей при увеличении содержания гибридного наполнителя. Установлено, что введение модифицированного цеолитового туфа приводит к интенсификации процессов на границе раздела фаз «битум-наполнитель-заполнитель» за счёт формирования сложно-структурированных связей, и установлено рациональное соотношение дисперсных компонентов.

Практическая значимость. Произведён обоснованный выбор пористого наполнителя для получения наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей, характеризующегося повышенным содержанием активных центров, высокой пористостью и структурообразующим влиянием на битум. Доказана возможность синтеза эффективного асфальтового

вяжущего и асфальтобетона с применением пористого тонкодисперсного наполнителя из цеолита, а также целесообразность его модифицирования.

Предложен состав и разработана технология лабораторного синтеза наномодифицированного цеолита, а также предложена схема его применения при промышленном производстве асфальтобетонных смесей.

При помощи многокритериальной оценки качества асфальтобетона подобрано соотношение разработанного наполнителя и традиционного минерального порошка в составе плотных асфальтобетонных смесей, что позволило получить сдвига-, трещино- и коррозионностойкие асфальтобетоны, отличающиеся высокими физико-механическими показателями.

Разработан технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей с применением модифицированного наполнителя.

Внедрение результатов исследований. Опытное применение разработанного наномодифицированного агента осуществлялось на базе ООО «АсфальтСД», город Москва. Выпущена опытная партия асфальтобетона, использованная при ремонте покрытия в городе Истра Московской области по ул. Урицкого, на участке от пересечения с переулком Чеховским до пересечения с переулком Почтовым.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 270205.65, а также бакалавров и магистров направления «Строительство» по профилю 270800.62-08 «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2011 (Москва, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Пространство и время - система координат развития человечества» (Киев, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения) (Белгород, 2012); Международной научно-технической конференции молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова (Белгород, 2012); Международной молодёжной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» (Москва, 2012); научно-технической конференции «Современные тенденции и направления строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений», посвящённой 50-летию «БелдорНИИ» (Минск, 2012); ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва, 2013), Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, опубликованы в 13 научных статьях, включая 3 статьи в центральных рецензируемых изданиях.

На защиту выносятся:

- метод экспериментальной обработки данных, направленный на рациональный и научно-обоснованный подход при выборе дисперсного, в том числе пористого сырья, для приготовления асфальтобетонных смесей;

- метод подбора оптимального количества битума при подборе составов асфальтовяжущего на пористых наполнителях;

- технология получения и применения наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей на основе цеолита;

- характер влияния разработанного гибридного наполнителя на физико-механические и коррозионные свойства плотных асфальтобетонов;

- обоснование выбранного содержания наномодифицированного цеолита в составе асфальтобетонной смеси;

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и общих выводов. Содержит 192 страницы машинописного текста, включающего 43 рисунка и фотографии, 27 таблиц, библиографический список из 153 наименований, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Важнейшим компонентом асфальтобетона, во многом определяющим его физико-механические характеристики, является минеральный порошок, который совместно с битумом образует структурированную дисперсную систему, выполняющую роль вяжущего в композите.

В настоящее время в различных отраслях промышленности все большую популярность и актуальность приобретают пористые дисперсные наполнители. Это объясняется совокупностью их уникальных свойств, в том числе высокими значениями удельной поверхности и пористости, а также большими возможностями в вариации их характеристик путем подбора условий обработки сырья или его модификации.

В дорожно-строительной отрасли исследование новых видов минеральных порошков имеет большое теоретическое и практическое значение, так как специфические свойства этих материалов могут придавать новые особенности органо-минеральным композитам за счёт образования устойчивых связей на границе раздела фаз битум-минеральный материал.

В работе в качестве объектов исследования были выбраны следующие пористые наполнители: керамзит, перлит, цеолит, отличающиеся от традиционного сырья повышенной пористостью.

Kap« uuit Наїопшпель

Рис. 1. Удельная поверхность исследуемых наполнителей

Так, у минерального порошка из известняка этот показатель составляет 28 %, перлита и керамзита - 39 % и цеолита - 55 %.

Удельную поверхность наполнителей контролировали с помощью приборов ПСХ-2 и СОРБИ-М (рис. 1). Как видно, величина удельной поверхности наполнителей, определённая на приборе ПСХ-2, примерно одинакова. Однако этот показатель, измеренный при помощи СОРБИ-М, указывает на более высокие значения удель-

ной поверхности наполнителей из цеолитсодержащего туфа и перлита. Так, удельная поверхность наполнителей из цеолита и перлита более чем в 2 раза превышает этот показатель для известняка.

Распределение частиц по размерам, определённое с помощью лазерного анализатора1, коррелирует с данными по удельной поверхности наполнителей.

Для получения более полной характеристики исследуемых наполнителей, с помощью электронного растрового микроскопа2 были получены фотографии поверхности, позволяющие оценить различия в формах частиц, характере сколов и поверхности (рис. 2). Как видно, при выбранном режиме съёмки и точке фокусировки, частицы наполнителя из известняка и керамзита отличаются не существенно. Геометрия поверхности частиц из перлита и цеолита, напротив, кардинально различна. Перлит представляет собой ярко выраженные чешуйки с большим объёмом пустот между ними, в то время как частицы цеолита представляют собой разветвлённую структуру, в которой на поверхности крупных частиц находятся более мелкие, создающие некоторую «опушённость». Полученные данные свидетельствуют об их высокой структурирующей способности.

1 Исследования проводились с применением лазерного анализатора частиц Microsizer 201

2 Исследования проводились с применением растрового электронного микроскопа с системой энергодисперсионного микроанализа Tescan Mira в Центре высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова

в) г)

Рис. 2. Поверхность исследуемых наполнителей: а) известняк; б) керамзит; в) перлит; г) цеолит

Следует отметить, что интенсивность формирования и качество образующейся структуры зависят от структурирующей способности наполнителя, влияющей на пластическую прочность всего композита.

Установлено, что структурирующее влияние известняка проявляется при 35 % его содержании, а у наполнителей из перлита и цеолита при 30 и 25 % соответственно. Структурирующая способность порошков значительно повышается с увеличением пористости. Аналогичная зависимость наблюдается при исследовании термостойкости наполненных ими битумов (рис. 3).

Ї 70

|я

цеолит

СНИЖЕНИЕ ПОРИСТОСТИ

Рис. 3. Температура размягчения систем «битум-наполнитель»

Температура размягчения бинарных систем, наполненных минеральными порошками в структурообразующих концентрациях, понижается с уменьшением пористости наполнителей. Можно предположить, что использование в технологии приготовления асфальтобетонных смесей цео-литсодержащего туфа позволит повысить прочностные показатели при высоких летних температурах и уменьшить вероятность возникновения пластических деформаций на асфальтобетонном покрытии автомобильной дороги.

Одним из основных критериев, позволяющих прогнозировать работоспособность композита, является сцепление битума с минеральными материалами. Для определения способности наполнителей адсорбировать и удерживать на своей поверхности битум проводили исследования по адсорбции-десорбции ими битума из бензольных растворов. Было установлено, что более высокой адсорбционной активностью по отношению к битуму обладают цеолит и перлит. Так, при концентрации битума в бензольном растворе 9 г/л величина его адсорбции поверхностью цеолита составила 8,31 * 10"2 кгбш/кгпор, а поверхностью известняка и керамзита 3,96*10"2 и 2,91*10"2 кГбщУкГпор соответственно.

Исследование десорбции битума показало, что часть вяжущего отслаивается с поверхности. Это свидетельствует о том, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности наполнителей состоит из прочно, химически, и обратимо, физически связанного битума. Так, после десорбции на поверхности цеолита осталось 6,25*10'2 кг5ИТ/кгпор, а на поверхности известняка и керамзита 2,48* 10"2 и 1,91*10'2 кгбит/кгПОр соответственно.

Можно предположить, что высокие структурирующая и адсорбционная способности исследуемых порошков связаны не только с их пористостью, но и с активностью поверхности. Характер распределения центров адсорбции на поверхности исследуемых наполнителей существенно разнится. Наибольшее содержание кислотных центров Льюиса и Бренстеда выявлено у цеолита и керамзита (табл.1).

Таблица 1

Распределение центров адсорбции_

Наполнитель Количество центров я*103, мг-экв/г

основания по Льюису кислоты по Бренстеду основания по Бренстеду кислоты по Льюису I

цеолит 2,314 11,079 4,298 4,681 22,372

керамзит 0,153 9,370 9,022 1,137 19,682

известняк 0,234 5,818 3,911 4,619 14,582

Суммарное содержание этих кислотных центров отвечает за реакцион-

ную способность наполнителей по отношению к битуму. В системе «наполнитель—вяжущее» образуются ковалентные связи с ароматическими соединениями битума, которые способствуют увеличению его сцепления с минеральной подложкой, что подтверждает данные, полученные при исследовании адсорбции-десорбции битума с поверхности минеральных порошков и должно положительно отразиться на свойствах композита, проектируемого на таком наполнителе.

Для предварительной оценки работоспособности пористых минеральных порошков и прогнозирования свойств дорожных композитов на их основе были проведены исследования асфальтовяжущего вещества. Микроструктурные особенности образцов изучали при помощи растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии.

На основании анализа микрофотоснимков структуры и оценки шероховатости поверхности образцов асфальтовяжущего (рис. 4) было установлено, что система «битум-цеолит» характеризуется плотной шероховатой матрицей, менее подверженной температурному воздействию, тогда как для образцов из известняка и керамзита характерна более рыхлая и дефектная структура. Очевидно, что коэффициент внутреннего трения системы, наполненной цеолитсодержащим туфом, будет максимальным по сравнению с рассматриваемыми наполнителями, что должно положительно отразиться на физико-механических показателях асфальтовяжущего и асфальтобетона на его основе, особенно при высоких температурах. Исследование микрорельефа поверхности асфальтовяжущего при помощи сканирующего зондового микроскопа КапоЕс1иса1ог показало, что асфальтовяжущее на основе цеолита имеет степень шероховатости поверхности 14 мкм, а на основе известняка - 10 мкм

известняк цеолит

Рис. 4. Микрошероховатость поверхности асфальтовяжущего

К наиболее важным характеристикам асфальтовяжущего относятся оптимальное содержание битума и его прочность при таком содержании. Установлено, что при работе с пористыми наполнителями на стадии подбора оптимального количества битума, традиционная методика не позволяет получать объективные результаты. Поэтому было предложено использовать альтернативную методику подбора количества битума, в которой за

нормируемый критерий используется не водонасыщение образцов ABB, а их остаточная пористость. На основании указанной методики были подобраны составы и приготовлены образцы ABB.

При исследовании физико-механических и динамических характеристик было установлено, что совокупностью высоких показателей свойств отличаются образцы, приготовленные на перлите и цеолите.

Полученные результаты, вероятно, можно объяснить высокой активной удельной поверхностью, контактирующей с битумом, а также образованием на границе раздела эластичных адсорбционно-сольватных оболочек битума. Более того, установлено, что повышение пористости коррелирует с динамикой изменения прочностных показателей асфальтовяжущего при температурах 0 и 50 °С.

Рис. 5. Циклограмма показателей ABB

Известно, что микроструктура и свойства композита непосредственно связаны между собой. Поэтому закономерности, полученные при исследовании асфальтовяжущих, должны отразиться и на асфальтобетоне. Для сравнительного анализа и оценки работоспособности различных минеральных порошков в составе асфальтобетона, были подобраны, приготовлены и испытаны образцы асфальтобетона типа «Б».

Прочностные характеристики образцов асфальтобетона на пористых наполнителях из перлита и цеолита (рис. 6), как и предполагалось, не уступают показателям на известняке, а при температурах испытания 0 и 50 °С превосходят на 21-10 и 14-41 % соответственно.

Полученные данные являются подтверждением того, что перлит может использоваться как наполнитель в технологии приготовления асфальтобетонных смесей. Однако у данного сырья существует ряд особенностей, которые технологически затрудняют его применение. Минеральный порошок на основе цеолита может эффективно работать в составе асфальтобетона, однако в условиях длительного увлажнения (более 15 суток) наблюдается стремительное снижение его характеристик. На 30 сутки водонасыщения

гЦеолит

Анализ данных (рис. 5) позволяет заключить, что композиты, приготовленные с использованием цеолита и перлита, характеризуются совокупностью полезных свойств, таких как высокие коэффициенты тепло- и трещиностойкости, что является необходимым условием при создании качественных асфальтобетонов.

водостойкость

снижение водостойкости составило 22 %.

О 20

Температура испытания, °С □ известняк ■ керамзит □ перлит о цеолит

1

-0 1"! 0,9 -

о

О 0,8 -

ь

я 0,7 -

со

0,6 -1

известняк керамзит перлит цеолит

Время водонасыщения, сутки: ■ 0 ■ 15 "30

Рис. 6. Показатели свойств асфальтобетона типа «Б»

Из изложенного можно заключить, что для эффективной работы асфальтобетона, приготовленного на таком наполнителе, в покрытии автомобильной дороги в условиях длительного увлажнения, необходимо предусмотреть меры по повышению его водостойкости.

На основании литературных данных известно, что одним из перспективных методов повышения качества композиционных материалов является их модификация на наноразмерном уровне, а наиболее актуальным методом повышения коррозионной стойкости - использование модифицированных битумов или минеральных порошков. Таким образом, можно предположить, что синтез известных в материаловедении приёмов повышения качества может явиться эффективным средством регулирования свойств асфальтобетона в заданном направлении.

Анализ передовых мировых разработок лёг в основу теоретических предпосылок исследования модификации цеолита. В пользу применения цеолита как основы для синтеза наномодифицированного агента для ас-

фальтобетонных смесей свидетельствует наличие трёхмерного алюмосили-катного каркаса, образующего системы полостей и каналов с диаметром входных отверстий от 0,3 до 1 нм.

Можно предположить, что в результате интенсивного совместного измельчения цеолитсодержащей породы и полимерного компонента, разрыхлённая высоко-аморфизованная пористая структура поверхностного слоя частиц порошка будет выступать эффективным адгезивом для распределения и закрепления на поверхности и в объёме полимерного наномодифици-рованного компонента. На основании этого была предложена технология, которая за счёт последовательного многостадийного распределения нано-объектов и их носителей на поверхности и в структуре цеолита, позволяет синтезировать гибридный цеолитовый наполнитель.

Установлено, что в процессе модификации цеолитсодержащего туфа изменяются архитектура пор наполнителя за счёт их кольматации полимерным компонентом, а также морфология поверхности частиц (рис. 7).

Рис. 7. Морфология поверхности модифицированного цеолита

Так после модификации удельная поверхность гибридного наполнителя, при снижении его пористости на 15%, составила 22500 м2/кг, что свидетельствует о заполнении поровых окон цеолита полимерной матрицей с высокоразвитой удельной поверхностью. Это подтверждается результатами, полученными методом адсорбции азота (рис. 8), согласно которым изменяется объём пор с радиусом меньшим 96,4 нм более чем на 20 %.

Также за счёт модификации поверхности цеолитсодержащего туфа, адсорбция углеводородов битума на его поверхности происходит интенсивнее, чем на традиционном известняке и цеолите, о чем свидетельствует минимальное содержание ароматических и нафтеновых соединений, метальных, метиленовых и карбонильных групп в битуме после взаимодействия. Это согласуется с результатами адсорбции-десорбции битума из бензольных растворов. Для оценки эффективности влияния наномодифицирован-ного наполнителя на конечные свойства композита, было рассмотрено две схемы его введения в состав асфальтобетонной смеси.

.65 10" 510" .45 10" S 4 10" 3 35 10" S з ю-û 25 10-| 2 10" 15 10" 1 10" 5 10"»

о

Рис. 8. Распределение пор исходного и модифицированного цеолита

По первой технологии, асфальтобетонная смесь готовилась по двухста-дийной схеме - с предварительным получением асфальтовяжущего вещества. По второй технологии, дисперсная составляющая вводилась в 2 этапа: гибридный наполнитель подавался на поверхность минеральной части с предварительным перемешиванием, затем вводился известняковый минеральный порошок и осуществлялось окончательное перемешивание.

На основании динамики изменения физико-механических свойств асфальтобетона типа «Б» в зависимости от технологии приготовления смеси была выбрана наиболее эффективная, заключающаяся в предварительном смешении минеральной части с разработанным гибридным порошком (табл. 2).

Таблица 2

Влияние способов модификации на физико-механические _показатели асфальтобетона__

Технология приготовления асфальтобетонной смеси Предел прочности при сжатии, МПа, при Водостойкость

0°С 20 °С 50 °С

Асфальтобетон типа «Б»

Контрольная смесь, минеральный порошок 100 % известняк 10,5 4,15 1,95 0,88

Смесь на комплексном МП: известняк+цеолит (1:1) 9,6 4,6 2,6 0,89

Смесь по I технологии 9,8 4,6 2,9 1,1

Смесь по II технологии 7,4 4,8 3,2 1,1

Очевидно, что наноструктурированный агент оказывает значительное влияние на прочностные характеристики асфальтобетона в широком диапазоне температур, однако наиболее ярко выраженный эффект проявляется

при исследовании водостойкости композита и прочностных показателей при температурах испытания 0 и 50 °С.

Таким образом, есть основания полагать, что использование приёмов наномодификации цеолита не только позволит увеличить водостойкость композита, но и комплексно повысить все показатели свойств асфальтобетона, что должно отразиться на его долговечности и эффективности работы в покрытии автомобильной дороги.

Выбор соотношения наномодифицированный агент/минеральный порошок осуществлялся на основании вычисления обобщённого критерия качества (табл. 3) по совокупности физико-механических показателей образцов асфальтобетона, а также исходя из технологической и экономической целесообразности.

Как видно, уменьшение содержания разработанного агента в составе асфальтобетона способствует снижению обобщённого критерия качества. При соотношении дисперсных наполнителей в составе композита 1:1 (рис. 9) наблюдается резкий перегиб, сопровождающийся потерей эффективных свойств асфальтобетона, и, в первую очередь, водостойкости. На основании этого Рис. 9. Обобщённый критерий каче- данное соотношение было принято схва за рациональное.

Так как гибридный наномодифицированный агент является многокомпонентной системой, для полного понимания процессов, происходящих на каждом этапе его получения, процесс модификации был разбит на составные части (табл. 4).

Для изучения вклада каждого компонента в динамику изменения свойств асфальтобетона, исследования проводились по принципу «от простого к сложному» (рис. 10). Полученные данные являются подтверждением того, что с усложнением технологической цепи модифицирования цеолита повышается эффект от его использования, и только при введении нанообъектов в состав агента достигается максимальный эффект по совокупности показателей. Так, например, асфальтобетон, полученный по предлагаемой методике, характеризуется улучшением прочностных показателей при 0 и 50 °С на 32 и 67 % соответственно относительно контрольной серии на известняке.

I

5 I «

* * О

«и

¡«5

3

с?

4) О

в 5

Таблица 3

Исходные данные для расчёта обобщённого критерия качества

Наименование показателя Требования ГОСТ Соотношение наномодифицированного агента и традиционного минерального наполнителя, %

100/0 80/20 70/30 60/40 50/50 40/60 30/70 0/100

Условные номера составов

1 2 3 4 5 6 7 8

Предел прочности при сжатии, МПа, при 0°С не более 12 6,8 6,8 6,9 7,0 7,6 7,5 8,1 10,9

20 °С не менее 2,2 6,1 5,7 5,7 5,0 4,9 4,9 4,8 5Д

50 °С не менее 1,0 4,2 4,0 3,5 3,5 3,2 2,7 2,4 2,2

Водонасыщение, % 1,5-4,0 0,90 0,94 1,03 1,20 1,50 1,74 2,05 2,80

Набухание, % не более 1 0,01 0,01 0,01 0,01 0,03 0,05 0,09 0,17

Длительная водостойкость не менее 0,75 1,15 1,10 1,10 1,03 0,99 0,91 0,87 0,84

Таблица 4

Этапы модификации наполнителя_

Номер состава Описание использованного минерального порошка

1 Традиционный минеральный порошок из известняка

2 Компонентный наполнитель: известняк + цеолит, 1:1

3 То же, цеолит обработан индустриальным маслом

4 То же, цеолит обработан раствором полимера

5 То же, цеолит обработан раствором полимера, модифицированным одностенными углеродными нанотрубками

11 9

га С

£ 7

5 X

Ё 5 *

и

3

1ии

111

1 2 3 4 5

Номер состава

Температура испытания, °С: "О "20 «50

Рис. 10. Динамика изменения прочностных показателей асфальтобетона в процессе модификации

Одним из основных факторов, нарушающих структуру асфальтобетона и ускоряющих процессы его разрушения, является вода. Поэтому именно водостойкость и морозостойкость - основные показатели, характеризующие коррозионную стойкость асфальтобетона. Так как применение нано-модифицированного агента способствует повышению показателя водостойкости асфальтобетона, целесообразно было проследить его влияние на поведение композита в условиях длительного водонасыщения, а также попеременного замораживания-оттаивания. Как видно, с усложнением состава агента, водостойкость асфальтобетона3 возрастает (рис. 11).

3 Нумерация составов асфальтобетонных смесей согласно табл. 4

12 3

Номер состава Время водонасыщения, сутки: ■ О ■ 15 "30 45 ■ 60

Рис. 11. Показатели водостойкости наномодифицированных асфальтобетонов

Так, например, на шестидесятые сутки водонасыщения образцов их водостойкость на известняке составила 0,57, в то время как на разработанном составе 0,82, что на 44 % выше контрольной серии. При этом стоит отметить снижение показателей водонасыщения и набухания на 41 и 35 % соответственно.

Повышение водостойкости исследуемого материала очевидно связанно с формированием его оптимальной структуры при взаимодействии вяжущего со структурирующим компонентом асфальтобетонной смеси — минеральным порошком. При этом образуется структурированный сольватный слой, характеризующийся плотным и упорядоченным расположением структурных элементов. Т.е. формируются низкодефектные связи на границе раздела фаз, обуславливающие устойчивость асфальтобетона к агрессивным условиям: водонасыщению и попеременному замораживанию-оттаиванию. Так, например, асфальтобетон, приготовленный на разработанном наполнителе после 50 циклов замораживания-оттаивания имеет остаточную прочность 47 %, а контрольная серия - лишь 21 %.

Принято считать, что пористый наполнитель способствует интенсификации процессов старения вяжущего. Для оценки влияния цеолита и нано-модифицированного агента были исследованы изменения массы системы «битум-наполнитель» по методу ЮТОТ. Как видно (табл. 5), потеря массы в системе с модифицированным цеолитом на 78 % ниже, чем потеря массы у контрольной серии.

Таблица 5

Изменение температуры размягчения системы «битум-наполнитель» в процессе старения_

Наполнитель Известняк Цеолит Модифицированный цеолит

Условия эксперимента старение

ДО после до после до после

Температура размягчения системы (Тр), °С 53,5 64,2 80,0 89,6 84,0 89,5

АТр, % 20,0 12,0 6,5

Потеря массы, % 0,178 0,162 0,039

Также, в процессе взаимодействия дисперсных цеолита, а тем более модифицированного цеолита, с битумом образуются системы, температура размягчения которых значительно выше, чем при контакте органического вяжущего с наполнителем из известняка на 49 % и 57 % соответственно. Однако при старении у бинарных систем, выполненных на основе цеолита, температура размягчения изменяется значительно меньше, по сравнению с контрольным составом (табл. 5).

По-видимому, такое влияние пористого наполнителя на старение органического вяжущего заключается, в первоначальном поглощении его поро-вой системой низкомолекулярных компонентов битума и последующей подпиткой ими поверхности за счёт обратной диффузии в процессе эксплуатации, что препятствует обеднению поверхности лёгкими фракциями органического вяжущего.

При рассмотрении композиции на модифицированном цеолите наблюдается замедленное обратное высвобождение легких фракций битума и менее интенсивное изменение её температуры размягчения, что свидетельствует о замедлении процессов старения в системе «битум-наполнитель» и позволяет говорить о пролонгированном действии наномодифицированно-го гибридного агента в составе композита, заключающемся в увеличении периода работоспособности асфальтобетона в покрытии. О чем также свидетельствуют повышение прочностных и коррозионных свойств такого асфальтобетона.

Всё это может свидетельствовать об образовании сложно структурированной матричной системы «битум-гибридный наполнитель», которая при объединении со щебнем оказывает микроармирующее действие. Таким образом, результаты, полученные в процессе исследования старения системы «битум-модифицированный цеолит» являются подтверждением того, что на границе раздела фаз образуются прочные и эластичные связи.

Известно, что от толщины, строения слоя и прочности контакта соль-ватной оболочки с поверхностью частиц наполнителя зависят не только прочностные показатели композита, но и его трещиностойкость и сцепление при сдвиге. Из представленных данных видно (рис. 12), что асфальтобетон с применением в его составе модифицированного наполнителя отличается высокими трещино- и сдвигоустойчивостью.

Рис. 12. Трещино- и сдвигоустойчивость асфальтобетонов

По полученным данным, можно заключить, что разработанный нано-модифицированный агент и асфальтобетон на его основе обладает высокими показателями свойств по сравнению с составами на традиционном минеральном порошке. Подтверждением этому служит обобщённый критерий качества, рассчитанный для нескольких сочетаний коэффициентов весомости. Наибольшее значение критерия качества соответствует составам асфальтобетона с применением наномодифицированного агента. Таким образом, использование в составе асфальтобетона гибридного наномодифицированного агента позволит значительно повысить его работоспособность в покрытии автомобильной дороги.

Для промышленного внедрения результатов работы разработан технологический регламент на приготовление асфальтобетонных смесей с применением наномодифицированного наполнителя. Совместно с ООО «Ас-фальтСД» была осуществлена промышленная апробация результатов работы. При ремонте участка покрытия автомобильной дороги в г. Истра Московской области была использована опытная партия асфальтобетонной смеси. За участком ведётся периодическое наблюдение. Получен акт о производственном внедрении наномодифицированного агента при изготовлении асфальтобетонной смеси типа «Б».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность получения высокоэффективного асфальтобетона путём целенаправленного регулирования структуры композита разработанным наномодифицирован-ным агентом, получаемым при совместном помоле цеолитсодержащего туфа и наномодифицированного полимерного компонента, при котором образующийся гибридный наполнитель вступает во взаимодействие с битумом с образованием сложно-структурированной матричной системы, оказывающей микроармирующее действие на границу раздела фаз.

2. Доказана возможность эффективного применения пористых минеральных порошков в технологии приготовления асфальтобетонных смесей. Установлено, что с увеличением пористости минерального порошка, наблюдается прямопропорциональное увеличение следующих показателей свойств асфальтовяжущего вещества: температура размягчения, прочностные показатели при температуре испытания 0 и 50 °С, коэффициенты тепло- и трещиностойкости, что происходит за счёт формирования плотной шероховатой матрицы ABB. Научно обоснован выбор минеральной подложки с высокоразвитым поровым пространством для получения наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей.

3. Установлен синергизм совместного действия минеральной подложки из цеолитсодержащего туфа и полимерного наномодифицированного компонента при их совместном помоле в процессе разработки гибридного наномодифицированного агента. Показано, что в процессе модификации минеральной подложки изменяются архитектура пор наполнителя за счёт их кольматации полимерным компонентом, а также морфология поверхности частиц. После модификации удельная поверхность гибридного наполнителя, при снижении пористости на 15 %, составила 22500 м2/кг, что свидетельствует о заполнении поровых окон цеолита полимерной матрицей с высокоразвитой удельной поверхностью.

4. Разработана технологическая схема приготовления асфальтобетонной смеси с использованием гибридного наномодифицированного агента, позволяющая максимально использовать эффект от модификации минеральной подложки.

5. Проведена оптимизация соотношения наномодифицированный агент/известняк на основании анализа обобщённого критерия качества по совокупности физико-механических показателей асфальтобетона. Установлено, что исходя из технологической и экономической целесообразности, оптимальное соотношение компонентов наномодифицированный агент/известняк находится в интервале 50/50 - 30/70.

6. Доказана пролонгированность действия разработанного наномоди-фицированного наполнителя, заключающаяся в первоначальном поглощении его поровой системой низкомолекулярных компонентов битума и последующем замедленном обратном высвобождение лёгких фракций битума и подпиткой ими поверхности за счёт обратной диффузии в процессе эксплуатации, что способствует увеличению периода работоспособности асфальтобетона в покрытии.

7. Установлено, что предложенные составы плотного асфальтобетона с использованием наномодифицированного агент, за счёт целенаправленного регулирования процессов структурообразования на границе раздела фаз, позволяют получать композиты с пределом прочности при сжатии при температурах испытания О °С - 7,6 МПа, 20 °С - 4,9 МПа, 50 °С - 3,2 МПа, длительной водостойкостью на 60 сутки водонасыщения — 0,82, повышенными морозостойкостью, а также трещино- и сдвигоустойчивостью.

8. Для внедрения результатов диссертационной работы разработан технологический регламент. Выпущена опытная партия асфальтобетонной смеси типа «Б» на ООО «АсфальтСД» (г. Истра, Московской обл.).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фёдоров, М.Ю. Перспективы использования дисперсного наполнителя в мастиках [Текст] / М.Ю. Фёдоров, М.А. Высоцкая // VIII Международная научно-практическая конференция «Пространство и время - система координат развития человечества». - Киев, Лондон, 2011 - С. 42-44.

2. Высоцкая, М.А. Оценка качества битумоминеральных композитов с применением пористых наполнителей [Текст] / М.А. Высоцкая, Д.А. Кузнецов, М.Ю. Фёдоров // ДОРОГИ И МОСТЫ. - 2012. - № 27/1. - С. 241250.

3. Высоцкая, М.А. Адсорбционная и структурирующая активность перлита как наполнителя для асфальтобетона [Текст] / М.А. Высоцкая, М.Ю. Фёдоров, Д.А. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. - 2012. -№7/8.-С. 21-26.

4. Фёдоров, М.Ю. Структурирующая способность пористых минеральных порошков и асфальтового вяжущего [Электронный ресурс] / М.Ю. Фёдоров, И.Ю. Ерохина // Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова. - Белгород, 2012.

5. Фёдоров, М.Ю. Исследования шлакового сталелитейного минерального порошка для асфальтобетона [Электронный ресурс] / М. Ю. Фёдоров, К.В. Козина // Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова. - Белгород, 2012.

6. Русина, С.Ю. Особенности исследования пористых минеральных порошков [Электронный ресурс] / С.Ю. Русина, М.Ю. Фёдоров // Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова. - Белгород, 2012.

7. Высоцкая М.А. Дорожные композиты на основе дисперсных пористых наполнителей [Текст] / М.А. Высоцкая, Д.А. Кузнецов, М.Ю. Фёдоров // материалы научно-технической конференции «Современные тенденции и направления строительства, ремонта и содержалаия автомобильных дорог и искусственных сооружений» / Белорусский дорожный научно-исследовательский институт. - М.: БелдорНИИ, 2012. - С. 62-65.

8. Высоцкая, М.А. Удивительный шунгит! [Текст] / М.А. Высоцкая, С.Ю. Русина, М.Ю. Фёдоров // 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 основе высоких технологий». - М.: Изд-во МГСУ, 2012. - Вып. 4. - С. 18-20.

9. Фёдоров, М.Ю. Влияние пористых дисперсных наполнителей на ас-фальтовяжущее [Текст] / М.Ю. Фёдоров, Д.А. Кузнецов // Международная научно-практическая конференция «Инновационные материалы и технологии». - Белгород, 2012. —4.2. - С. 135-139.

10. Фёдоров, М.Ю. Пористые дисперсные наполнители в бинарных композитах [Текст] / М.Ю. Фёдоров, М.А. Высоцкая // Ежегодная научная сессия Ассоциации исследователей асфальтобетона: сб. статей и докладов. -М.: Изд-во МАДИ, 2012. - С. 56-61.

11. Высоцкая, М.А. Битумно-полимерные композиционные материалы с включениями структурных наноразмерных объектов [Текст] / М.А. Высоцкая, Д.А. Кузнецов, М.Ю. Фёдоров, Е.В. Чевтаева, С.Ю. Русина // Ежегодная научная сессия Ассоциации исследователей асфальтобетона: сб. статей и докладов. - М.: Изд-во МАДИ, 2013. - С. 101-107.

12. Высоцкая, М.А. Оценка эффективности наполнителей в бинарной системе [Текст] / М.А. Высоцкая, ДА. Кузнецов, М.Ю. Фёдоров // Дорожная держава. - 2013. - № 48. - С. 22-25.

13. Фёдоров, М.Ю. Разработка наномодифицированного наполнителя для асфальтобетонных смесей [Текст] / М.Ю. Фёдоров, М.А. Высоцкая // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2013. - № 6. - С. 61 - 65.

У

ФЕДОРОВ Михаил Юрьевич

АСФАЛЬТОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСНОГО НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРИСТОГО СЫРЬЯ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.11.13. Формат 60x84/24. Усл. п.л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ №_

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет

имени В.Г. Шухова

04201455484

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Михаил Юрьевич

АСФАЛЬТОБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСНОГО НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРИСТОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент М.А. Высоцкая

Белгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Состояние вопроса 9

1.1. Структура асфальтобетона 9

1.2. Роль минерального порошка в структурообразовании асфальтобетона

1.3. Влияние дисперсности и природы минеральных материалов

21

на свойства получаемых асфальтобетонов

1.4. Опыт внедрения пористого дисперсного сырья 25

1.5. Теоретические предпосылки исследований пористого сырья в

32

составе асфальтобетонов

2. Характеристика исследуемых материалов и методы исследований 38

2.1. Характеристика материалов, принятых для исследований 38

2.2. Методы исследований 45

2.2.1. Методы исследований свойств исходных материалов 45

2.2.2. Методы исследования показателей свойств

52

асфальтовяжущих

2.2.3. Методы исследований характеристик асфальтобетона 55

3. Взаимодействие пористых минеральных порошков с битумом 58

3.1. Анализ состава, поровой структуры и состояния поверхности исследуемых минеральных порошков

3.2. Влияние пористости минеральных порошков на адсорбционную активность наполнителей

3.3. Исследование структурообразования битумоминеральных смесей с применением пористого сырья

4. Свойства асфальтовяжущих и асфальтобетонов с использованием пористых минеральных порошков

4.1. Подбор составов асфальтовяжущих с учётом пористости наполнителей

58

70

74

82

96

102

104

112

112

119

4.2. Структурообразование асфальтовяжущих с применением пористых наполнителей

4.3. Влияние пористости минеральных порошков на свойства асфальтовяжущего

4.4. Подбор составов асфальтобетонных смесей с пористыми минеральными порошками

4.5. Влияние пористых наполнителей на физико-механические показатели асфальтобетона

5. Разработка наномодифицированного компонента для асфальтобетона

5.1. Предпосылки наномодификации цеолитового сырья при производстве асфальтобетонных смесей

5.2. Разработка состава и технологии производства наноструктурированного компонента

5.3. Обоснование способа введения и содержания наномодифицированного агента в составе асфальтобетонных 134 смесей

5.4. Оценка влияния составляющих наномодифицированного

142

компонента на свойства асфальтобетона

5.5. Математическая обработка результатов 154

6. Апробация теоретических и экспериментальных исследований 158

6.1. Технология производства асфальтобетонных смесей с модифицированным компонентом

6.2. Технико-экономическое обоснование эффективности применения разработки для получения асфальтобетона

6.3. Внедрение результатов исследований 164 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 167 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 169 ПРИЛОЖЕНИЯ 187

158

159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Дорожная инфраструктура - это жизненно важная система, влияющая на экономику любого государства. В связи с этим существует прямая зависимость между транспортно-эксплуатационным состоянием покрытий автомобильных дорог и динамикой развития экономики, обусловливающей постоянный рост интенсивности и грузонапряжённости дорожного движения.

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 разрушению материала покрытия.

Подобные дефекты поверхности обусловлены, прежде всего, спецификой свойств используемого органического вяжущего, выраженной в зависимости его реологических и физико-механических показателей от температуры и влажности окружающей среды.

В настоящее время отрасль нанотехнологий предоставляет широкий спектр модификаторов и способов модификации для повышения качества композиционных материалов в заданном направлении. Эффективным способом, сочетающим в себе увеличение рабочего температурного интервала асфальтовяжущего вещества (ABB), а также тепло- и трещиностойкости асфальтобетона, может выступать использование в технологии приготовления асфальтобетонных смесей пористых дисперсных материалов, выполняющих роль активного структурирующего наполнителя. Поэтому представляло интерес совмещение этих технологических приёмов для разработки наномодифицированного агента, позволяющего управлять показателями свойств асфальтобетона.

Работа выполнялась в рамках грантов БЗ/12 и AI 1/12 Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 года.

Цель работы. Получение эффективных асфальтобетонов на основе наномодифицированного дисперсного пористого сырья.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

• изучение свойств, микроструктурных особенностей и реакционной способности пористых дисперсных наполнителей для использования в качестве минерального порошка в асфальтобетонах;

• обоснование и разработка технологии получения наномодифицированного агента на основе цеолитового сырья, а также выявление факторов, вносящих максимальный вклад в формирование эффективных асфальтобетонов;

• подбор рационального соотношения наномодифицированный агент/известняковый минеральный порошок в составе асфальтобетонных смесей;

• исследование физико-механических свойств и коррозионной стойкости композитов разработанных составов;

• подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Внедрение результатов исследований.

Научная новизна работы. Выявлен характер зависимости адсорбционной и структурирующей активности наполнителей и термостабильности системы «битум-минеральный порошок» по мере увеличения пористости минерального сырья, проявляющийся в повышении этих показателей за счёт интенсивного протекания процессов физической и химической адсорбции на границе раздела фаз, обусловленных наличием активных центров адсорбции и структурой поверхности частиц.

Установлен синергизм совместного действия минеральной подложки из цеолитсодержащего туфа и полимерного наномодифицированного компонента, связанный с особенностями архитектуры пор наполнителя, заключающимися в нормированном размере входных окон пор, а также их упорядоченном расположении.

Разработаны принципы повышения эффективности асфальтобетона, заключающиеся в целенаправленном регулировании процессов структурообразования на границе раздела фаз за счёт внедрения в технологию приготовления композита наномодифицированного агента пролонгированного действия, полученного при совместном помоле цеолитсодержащего туфа и наномодифицированного полимерного компонента. В результате на поверхности зёрен композита образуется сложно-структурированная матричная система, оказывающая микроармирующее действие.

Выявлены закономерности изменения прочностных свойств при температурах испытания 0 и 50 °С, коррозионной стойкости асфальтобетона от соотношения «наномодифицированный агент/известняк» в составе дисперсной части смеси, заключающиеся в повышении этих показателей при увеличении содержания гибридного наполнителя. Установлено, что введение модифицированного цеолитового туфа приводит к интенсификации процессов на границе раздела фаз «битум-наполнитель-заполнитель» за счёт формирования сложно-структурированных связей, и установлено рациональное соотношение дисперсных компонентов.

Практическая значимость. Произведён обоснованный выбор пористого наполнителя для получения наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей, характеризующегося повышенным содержанием активных центров, высокой пористостью и структурообразующим влиянием на битум. Доказана возможность синтеза эффективного асфальтового вяжущего и асфальтобетона с применением пористого тонкодисперсного наполнителя из цеолита, а также целесообразность его модифицирования.

Предложен состав и разработана технология лабораторного синтеза наномодифицированного цеолита, а также предложена схема его применения при промышленном производстве асфальтобетонных смесей.

При помощи многокритериальной оценки качества асфальтобетона подобрано соотношение разработанного наполнителя и традиционного минерального порошка в составе плотных асфальтобетонных смесей, что

позволило получить сдвиго-, трещино- и коррозионностойкие асфальтобетоны, отличающиеся высокими физико-механическими показателями.

Разработан технологический регламент на производство асфальтобетонных смесей с применением модифицированного наполнителя.

Внедрение результатов исследований. Опытное применение разработанного наномодифицированного агента осуществлялось на базе ООО «АсфальтСД», город Москва. Выпущена опытная партия асфальтобетона, использованная при ремонте покрытия автомобильной дороги в городе Истра Московской области по ул. Урицкого, на участке от пересечения с переулком Чеховским до пересечения с переулком Почтовым.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 270205.65, а также бакалавров по направлению «Строительство» профиля 270800.62-08 «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2011 (Москва, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Пространство и время - система координат развития человечества» (Киев, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения) (Белгород, 2012); Международной научно-технической конференции молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова (Белгород, 2012); Международной молодёжной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» (Москва, 2012); научно-технической конференции «Современные тенденции и направления строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и искусственных сооружений», посвящённой 50-летию «БелдорНИИ» (Минск, 2012); ежегодной научной сессии Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва, 2013), Международной научно-практической

конференции «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений» (Белгород, 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, опубликованы в 13 научных статьях, включая 3 статьи в центральных рецензируемых изданиях.

На защиту выносятся:

- метод экспериментальной обработки данных, направленный на рациональный и научно-обоснованный подход при выборе дисперсного, в том числе пористого сырья, для приготовления асфальтобетонных смесей;

- метод подбора оптимального количества битума при подборе составов асфальтовяжущего на пористых наполнителях;

- технология получения и применения наномодифицированного агента для асфальтобетонных смесей на основе цеолита;

- характер влияния разработанного гибридного наполнителя на физико-механические и коррозионные свойства плотных асфальтобетонов;

- обоснование выбранного содержания наномодифицированного цеолита в составе асфальтобетонной смеси.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и общих выводов. Содержит 192 страницы машинописного текста, включающего 43 рисунка и фотографии, 27 таблиц, библиографический список из 153 наименований, 3 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Структура асфальтобетона

Асфальтобетон - искусственный строительный материал, образуемый при уплотнении рационально подобранной асфальтобетонной смеси, состоящей из тщательно отдозированных и перемешанных в нагретом состоянии компонентов минеральной части и органического вяжущего [1-4].

В настоящее время, асфальтобетон является основным материалом, применяемым при строительстве новых покрытий автомобильных дорог и ремонте существующих. Это обусловлено большим мировым опытом его изготовления и эксплуатации, а также рядом преимуществ по сравнению с другими строительными материалами, применяемыми в дорожном строительстве. Так, например, покрытия из асфальтобетона, в отличие от цементобетонных, могут эксплуатироваться сразу после окончания процесса уплотнения.

Тем не менее, асфальтобетон является одним из наиболее сложных строительных материалов [5]. Эта сложность обусловлена главным образом особенностями его структуры, а также спецификой применяемого в его составе органического вяжущего - битума. Физико-механические и реологические свойства битума, равно как и асфальтобетона, находятся в сильной зависимости от температуры окружающей среды [2]. Одной из особенностей данного строительного материала является его низкая прочность при эксплуатации в условиях высоких летних температур, приводящая к нарушению ровности покрытия, образованию колейности, волн, и других пластических деформаций. В то же время, эксплуатация в условиях отрицательных температур приводит к образованию трещин, обусловленных высокой хрупкостью битума. В осенне-весенний период, характеризующийся максимальным увлажнением, вода проникает в поверхностные трещины, и при переменных циклах замораживания-оттаивания создаёт в структуре слоя покрытия предельные

напряжения, релаксация которых выражается в преждевременном разрушении покрытия и нарушении условий нормальной его эксплуатации.

Изменение свойств материала зачастую отражает определённые процессы в его структуре, возникающие под влиянием внешних или внутренних факторов. Между составом, структурой и свойствами имеются непосредственные взаимосвязи. Раскрытие этих связей и выявление закономерностей изменения свойств при изменении состава и структуры служат основой активного регулирования качества строительных материалов. Поэтому большое число исследований направлено на установление зависимостей между составом, структурой и свойствами асфальтобетона [6-14].

Если состав остаётся постоянным, то с помощью достаточно изученных закономерностей можно строить прогнозы и научно обосновывать характер вероятных изменений свойств материала при изменении его структуры.

В последнее время, всё больше внимания уделяется свойствам асфальтового вяжущего вещества - структурной единице асфальтобетона, образующейся при взаимодействии минерального порошка и битума [1, 5]. Ещё академиком П.В. Сахаровым предложен метод проектирования асфальтобетонной смеси с учётом свойств асфальтовяжущего [6]. Структура асфальтобетона рассматривается как состоящая из двух частей: минеральной части, включающей щебень и песок, и асфальтового вяжущего вещества — бинарной системы, образованной органическим вяжущим и минеральным порошком.

По современным представлениям [4], асфальтобетон, как искусственный строительный конгломерат, состоит из заполняющих компонентов и асфальтовяжущего вещества. Минеральный порошок выступает в роли асфальтирующей добавки. Л.Б. Гезенцвей [5] также рассматривал двухкомпонентную структуру асфальтобетона, но в отличие от формулы П.В. Сахарова под структурой минерального остова понимал характер и взаимное расположение всех минеральных частиц, включая и минеральный порошок. Вторым основным структурным элементом принят непосредственно битум.

М.И. Волков и И.В. Королев основными элементарными структурами асфальтобетона считают: 1) микроструктуру, т.е. структуру асфальтовяжущего с учётом активной структурирующей роли минерального порошка; 2) мезоструктуру - двухкомпонентную структуру асфальтового раствора, состоящего из песка и асфальтовяжущего; 3) макроструктуру -двухкомпонентную структуру из щебня и асфальтового раствора. Большую роль в формировании структуры асфальтобетона играет структура материалов, образующих минеральный остов.

Под структурой минерального остова следует понимать характер и взаимное расположение минеральных частиц, входящих в состав асфальтобетона. Минеральный остов воспринимает значительную часть усилий. Поэтому важно, чтобы он состоял из достаточно прочных частиц и был плотным.

Плотность минерального остова оказывает решающее влияние на свойства асфальтобетона. С плотностью минерального остова непосредственно связана плотность асфальтобетона, от которой зависят его важнейшие эксплуатационные свойства: деформационное поведени