автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структура и свойства наномодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств

На правах рукописи

ИНОЗЕМЦЕВ СЕРГЕИ СЕРГЕЕВИЧ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013 005543108

МОСКВА 2013

005543108

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Королев Евгений Валерьевич

Официальные оппоненты: Котлярский Эдуард Владимирович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», профессор, заместитель заведующего кафедрой «Дорожно-строительные материалы»

Земляков Андрей Николаевич

кандидат технических наук, доцент, ФГУП ГПИ и НИИ ГА «Аэропроект», зам. главного инженера - начальник бюро ГИПов

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Белгородский государственный

технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится «16» декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 9 студия, «Открытая сеть»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан « Щ» ноября 2013 г.

Ученый секретарь ^-г'Ж С , „

( мсг^^ Алимов Лев Алексеевич диссертационного совета //^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реализация Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года требует не только совершенствования методов проектирования автомобильных дорог, поиска инновационных решений, но и создания новых долговечных дорожных бетонов, в частности, асфальтобетонов. Очевидными причинами преждевременного износа автомобильных дорог под действием роста интенсивности движения и увеличения осевых нагрузок автомобильного транспорта является низкое качество применяемых компонентов, несовершенство методов проектирования составов асфальтобетона и дорог, недостаточное качество технологии изготовления асфальтобетонного покрытия. Решение задачи повышения долговечности асфальтобетонов достигается за счет применения различных модифицирующих добавок, изменяющих как деформа-тивные и механо-термические свойства битума, так и активность его взаимодействия с минеральными компонентами.

Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщенные в диссертационной работе, получены автором в научно-образовательном центре по направлению «Нанотехнологии» и на кафедре «Технологии вяжущих веществ и бетонов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» при выполнении гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МД-6090.2012.8 и в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка эффективных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Научно обосновать выбор компонентов, состав и технологию изготовления наномодификатора, обеспечивающего улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона, в частности щебеночно-мастичных асфальтобетонов.

2. Исследовать процессы структурообразования и свойства битума, модифицированного разработанным наномодификатором.

3. Установить зависимости влияния основных рецептурно-технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов, модифицированных разработанным наномодифи-катором.

4. Оптимизировать составы и технологический режим изготовления нано-модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с повышенными показателями эксплуатационных свойств и стойкостью к погодно-климатическим воздействиям.

5. Провести технико-экономическое обоснование применения наномоди-фицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с повышенными показателями эксплуатационных свойств.

Научная новизна работы:

1. Обоснована возможность создания наномодифицированных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств посредством формирования плотной и прочной пленки битума на границе раздела фаз «битум - наномодификатор», сорбции-десорбции легких фракций битума наномодификатором и блокирования процессов окисления и полимеризации битума при его взаимодействии с наночастицами щдроксида и оксида железа.

2. Установлены зависимости влияния основных рецептурных и технологических факторов на параметры структуры и эксплуатационные свойства наномодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств, позволяющие установить рациональные границы варьирования рецептурно-технологических факторов.

Практическая значимость работы:

- разработана методика определения толщины адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минеральных материалов на основе реологических свойств битумно-минеральных смесей;

- разработаны составы и технология изготовления наномодифицированно-го щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающего высокими показателями эксплуатационных свойств;

- получен наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон, обладающий следующими основными свойствами: предел прочности при сжатии при температуре 20 °С (/?2о) — 5,2 МПа; предел прочности при сжатии при температуре 50 °С (/?зо) - 2,1 МПа; предел прочности на растяжение при расколе

при температуре О "С (Лр) - 3,4 МПа; коэффициент внутреннего трения <р) и показатель сцепления при сдвиге при температуре 50 °С (Сд) 1,00 и 0,36 МПа, соответственно; водостойкость после длительного водонасыщения (А'вд) — 0,96; глубина колеи после 8000 проходов по методу АРА (клрл) - 1,83 мм; глубина колеи после 8000 проходов шипованным колесом при температуре - 10°С (йщк) -1,13 мм; предел прочности при сжатии при температуре 20 и 50 °С после 1 условного года эксплуатации (Т?2о.к и Л50.к) - 5,05 и 1,98 МПа, соответственно; предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С после 1 условного года эксплуатации (Др.к) - 3,50 МПа.

Внедрение результатов:

- разработанные наномодифицированные щебеночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА-20) прошли производственные испытания на предприятии ООО «Стройконцепт» в Пензенской области при выполнении ремонтно-восстановительных работ дорожного покрытия общей площадью 170 м2;

- теоретические и экспериментальные данные, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе в НОЦ «Нано-технологии» ФГБОУ ВПО «МГСУ» при подготовке магистров по направлению 270800 «Строительство» в соответствии с образовательной программой «Наномодифицированные строительные композиты общестроительного и специального назначения» и проведении курсов повышения квалификации для специалистов в области строительства по программе «Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве (для работников строительной отрасли).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих международных и всероссийских научно-практических конференциях и семинарах: «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанный на знаниях» (Москва: МГСУ, 2011), «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва: МГСУ, 2011); «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва: МГСУ, 2012), «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза: ПГУАС, 2012), ежегодная научная сессия Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва: МАДИ, 2013), «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений (Белгород: БГТУ им. Шухова, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК - 3 статьи).

Основные положения, выносимые на защит}-:

- обоснование возможности создания наномодифицированных асфальтобетонов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, посредством введения наномодификатора на основе диатомита, обработанного золями гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты;

- научное обоснование выбора компонентов наномодификатора, результаты оптимизации рецептуры и технологии изготовления наномодификатора;

- результаты экспериментальных исследований влияния основных ре-цептурно-технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства битумных вяжущих и щебеночно-мастичных асфальтобетонов;

- результаты многокритериальной оптимизации рецептуры и технологического режима изготовления наномодифицированных асфальтобетонов, оптимальные составы наномодифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающего заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами;

- результаты опытно-производственного апробирования результатов исследования.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Содержит 184 стр. машинописного текста, 29 рисунков и 42 таблицы. Библиография включает 164 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Повышение качества асфальтобетонов и обеспечение постоянства показателей их эксплуатационных свойств зависят от качества применяемых компонентов и, в частности, параметров структуры и свойств битума в тонких пленках, сформированных между минеральными частицами. Для управления процессом структурообразования битума и формирования его структуры с заданными параметрами (распределение различных фракций битума по толщине адсорбционного слоя) используются различные модификаторы: как органические, так и минеральные соединения. Механизмы действия таких соединений различны: формирование полимерной «сетки», обеспечивающей повышение интервала пластичности или увеличения числа активных центров на поверхности минеральной

части, способных участвовать в химическом взаимодействии с битумом (хемо-сорбция). К веществам, обеспечивающим реализацию первого механизма, относятся различные органические соединения - каучуки, полимерные добавки, их сочетания и др.; к веществам, реализующим второй механизм - полифосфорная, фосфорная, соляная кислоты и др. Самостоятельную группу веществ, механизм действия которых не изучен полностью, составляют различные наноразмерные добавки: нанотрубки, фуллерены, астралены, наноалмазы и др. Очевидно, влияние наночастиц на структуру и свойства материала значительно превосходит воздействие частиц микрометрических размеров. При совмещении наноразмер-ных частиц с вязкими вяжущими системами необходимо решить технологическую задачу их распределения по объему материала, а также экологические задачи организации производства с применением нанообъектов, последствия от которых еще не оценены. Учитывая указанное в диссертационной работе сформулирована научная гипотеза, которая заключается в следующем. Получение асфальтобетона с повышенными показателями стойкости к эксплуатационно-климатическим факторам достигается регулированием процессов структурооб-разования на границе раздела фаз «битум - дисперсная фаза», обеспечивающим формирование плотной и прочной пленки битума и снижение скорости старения битума посредством сорбции-десорбции его легких фракций модификатором и блокированием процессов окисления и полимеризации битума при его взаимодействии с наночастицами гидроксида и оксида железа. Эффективность модификатора достигается формированием его структуры, состоящей из минерального компонента, обратимо сорбирующего легкие фракции битума (аналогично пористым компонентам) и активной части, повышающей интенсивность сорбции-десорбции и содержащей наночастицы гидроксида и оксида железа, блокирующих процесс старения битума. При этом очевидно, что интенсивность влияния активной части зависит от толщины ее слоя, нанесенного на минеральный компонент (носитель). При формировании наноразмерного слоя скорость сорбции-десорбции и доступность наночастиц гидроксида и оксида железа существенно возрастают. Реализация указанных механизмов обеспечит формирование структуры материала с повышенным коэффициентом внутреннего трения, обеспечивающим увеличение его сдвигоустойчивости, теплостойкости, деформатив-

ности, растяжимости, расширение температурного диапазона упруго-пластичного состояния и долговечность асфальтобетона.

Для получения наномодифииированного асфальтобетона с повышенными эксплуатационными свойствами использовали битум нефтяной дорожный БНД 60/90, соответствующий требованиям ГОСТ 22245-90; щебень габбро-диабазовый фракции 5-20 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 8267; отсев камнедробления гранита, соответствующий ГОСТ 8736, минеральный порошок из доломитовой породы МП-1, соответствующий требованиям ГОСТ 52129 и стабилизирующую добавку Ут1ор-66, соответствующую требованиям ГОСТ 31015. Для получения наномодификатора использовали: минеральный компонент в качестве носителя (диатомит, соответствующий ТУ 5760-004-25310144, кварцевый песок, соответствующий ГОСТ 8736, порошок минеральный МП-1 из доломитовых пород, соответствующий ГОСТ Р 52129) и активный компонент в качестве поверхностного модификатора (смола госсиполовая, соответствующая ТУ 9147-141-00336562, синтетический жидкий каучук марки СКДН-Н, соответствующий ТУ 38.103551, нанодобавка, состоящая из золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты).

Испытания проведены с применением нормативных физико-механических методов исследования свойств материалов на органическом вяжущем в соответствии с ГОСТ 12801-98. Исследование процессов структурообразования проводили с применением высокоинформативных физико-химических методов: инфракрасной спектроскопии и электронной микроскопии, лазерной дифракции и метода БЭТ. Асфальтобетоны дополнительно испытывали на стойкость к колее-образованию по методу АРА (ААБНТО ТР 63), на стойкость к воздействию колес с шипами при температуре - 10 °С, а также стойкость к воздействию погод-но-климатических факторов (попеременное увлажнение-высушивание, замораживание-оттаивание, УФ-излучение, ИК-излучение и конвекция воздуха).

Разработана модель наномодификатора для асфальтобетона, который предложено формировать из двух частей: минеральной части, обладающей развитой поровой структурой и активной части, нанесенной на минеральную часть. Установлена взаимосвязь между параметрами порового пространства минерального носителя и активной части: максимальный диаметр капилляров минерального носителя, не зависящий от его общей пористости, не должен превышать 740 нм;

диаметр частиц носителя зависит от его пористости. При использовании высокопрочных пород допустимо использовать более крупные частицы, что закономерно позволяет снизить затраты на производство модификатора. Оптимальный размер частиц носителя располагается в микрометрическом диапазоне -5...20мкм. Эффективность модификатора возрастает при использовании активной части, характерные размеры (диаметры капилляров и толщина слоя) которой располагаются в нанометрическом диапазоне. Так, установлено, что при формировании на поверхности минерального носителя слоя активного компонента с одинаковыми размерами капилляров (менее 740 нм), но с толщиной менее 100 нм эффективность наномодификатора возрастает на порядок.

С применением методов системного анализа (сформулирован обобщенный критерий качества, учитывающий технико-экономические характеристики альтернатив) проведен выбор активного компонента наномодификатора. Показано, что из группы веществ - госсиполовая смола; каучуки СКИ-3, СКДН-Н, бутади-ен-стирольный каучук; соляная кислота, фосфорная кислота, наноразмерная добавка из золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты; углеродные на-нотрубки - в качестве активного компонента целесообразно использовать: гос-сиполовую смолу, каучук СКДН-Н и наноразмерную добавку на основе золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты.

Технология получения наномодификатора включает следующие этапы: подготовка минеральной части (сушка и помол); приготовление прекурсора (раствора активной части); смешение активного и минерального компонентов в смесителе или мельнице; термическая обработка.

Проведена оптимизация режима измельчения минерального компонента, обеспечивающего его применение в качестве носителя активной части в наномо-дификаторе. Эти режимы обеспечивают получение порошков диатомита и кварцевого песка со значениями площадей удельных поверхностей, полученных по расчетному методу, базирующемуся на экспериментальных данных по дисперсному анализу, равными 1113 и 1002 м2/кг, соответственно. При этом указанный показатель, но измеренный с применением метода азотной сорбции существенно отличается: для диатомита - 74730 м2/кг, для кварцевого порошка - 45910 м2/кг, то есть в 1,5 раза меньше.

Указанное закономерно влияет на сорбционные свойства рассматриваемых минеральных порошков и их влияние на реологические и механические свойства битумно-минеральных смесей, зависящие от толщины адсорбционно-сольватных слоев битума. Установлено, что показатель активности минеральных компонентов, вычисленный по зависимостям предельного напряжения сдвига битумно-минеральных расплавов от содержания дисперсной фазы и с учетом влияния геометрического фактора для минерального порошка МП-1 больше, чем для диатомита и кварцевого наполнителя на 47 % и 56 %, соответственно (рисунок 1). Это связано с хемосорбцией битума карбонатными породами.

Однако толщина адсорбционно-сольватных слоев битума на поверхности зерен диатомита, рассчитанных по разработанной методике, основанной на анализе данных реологических исследований, на 12 % больше (при температуре 120 °С), чем на поверхности минерального порошка МП-1, а на поверхности зерен кварцевого наполнителя адсорбционно-сольватный слой не образуется (рисунок 2).

Это свидетельствует о том, что минеральный порошок МП-1, диатомит и кварцевый наполнитель обладают рядом отличий по механизму взаимодействия с битумом: на кварцевом порошке протекает обратимая физическая адсорбция, на минеральном порошке МП-1 - хемосорбция, а на диатомите - физическая адсорбция, в которой участвует его поровое пространство, то есть дополнительно происходит абсорбция битума, что полностью соответствует требованию к минеральной части наномодификатора для асфальтобетонов.

£ 3»

Рисунок 1 - Зависимость предельного напряжения сдвига смеси от содержания дисперсной фазы (температура расплава 165 °С, т„ = 3,7 Па)

Рисунок 2 - Зависимость толщины оболочки битума от температуры для минеральных материалов с неправильной формой зерен

Для выбора оптимального сочетания минерального и активного компонентов оценивалось влияние каждого наномодификатора, приготовленного на их основе, на основные свойства битумного вяжущего, а также стабильность свойств после старения (таблица 1) и рассчитывалась его эффективность с применением методов многокритериальной оптимизации.

Таблица 1 - Свойства битумных вяжущих, модифицированных различными на-номодификаторами до и после старения

№ п/п Активный компонент наномодификатора Минеральный компонент наномодификатора

Минеральный порошок МП-1 Диатомит Кварцевый наполнитель

до ] после до | после до | после

Глубина проникания иглы при температуре 25 °С, 0,1 мм

1 - 47.5 41.7 44,1 41,7 64,5 42,7

2 Наноразмерная добавка 43,3 29,3 50,1 37,7 57,1 38

3 Госсиполовая смола 46,7 38,3 61,5 41,1 81,7 57,7

4 Синтетический каучук СКДН-Н 48,3 38,3 49,4 35,1 59,8 42,8

Температура размягчения, "С

1 - 55,3 56,5 57,4 J 58,4 55,6 56,5

2 Наноразмерная добавка 60,1 63,2 57,3 63,2 56,6 62,5

3 Госсиполовая смола 54,4 58,6 54,5 59,7 49,5 53,2

4 Синтетический каучук СКДН-Н 55,1 59,6 56,0 60,3 54,1 64,6

Температура хрупкости, °С

1 - -21,5 -20,0 -17,5 -19,5 -20,0 -18,0

п Наноразмерная добавка -20.0 -19.5 -19,0 -17,0 -21,0 -19,0

3 Госсиполовая смола -19,5 -18,0 -22,0 -19,0 -23,0 -22,0

4 Синтетический каучук СКДН-Н -22,0 -19,0 -21,0 -18,0 -18,0 -15,0

Коэффициент эффективности к,:1

I - 0,94 0,97 0,83

2 Наноразмерная добавка 1,03 1,04 0,98

3 Госсиполовая смола 0,96 0,97 0,81

4 Синтетический каучук СКДН-Н 0,88 0,91 0,80

Примечания: * - наноразмерная добавка - смесь золей пщроксида железа (III) и кремниевой кислоты; ** — коэффициент эффективности является обобщенным критерием качества битумного вяжущего, рассчитываемого с учетом всех его основных свойств и их изменений при старении битума.

Установлено, что из всех альтернатив наномодификаторов наибольшее значение коэффициента эффективности kef имеет наномодификатор на основе диатомита, обработанного наноразмерной добавкой на основе золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты, что закономерно связано с повышением его физико-механической активности вследствие увеличения площади удельной поверхности и увеличения объема наноразмерных пор. Так площадь удельной поверхности наномодификатора увеличивается до 149408 м2/кг, (в 2 раза больше, чем у исходного диатомита). Средний диаметр пор с размерами менее 20 нм у наномодификатора аналогичен диаметру пор диатомита 3,6 нм), однако их общий объем увеличивается на 30...40 %.

Методом ИК-спектроскопии установлено, что новых максимумов при использовании наномодификатора не образуется, а максимумы, принадлежащие различным функциональным группам органических соединений, существенно не изменяются. Это свидетельствует о том, что при взаимодействии битума с на-номодификатором происходит обратимая физическая адсорбция. Указанное полностью соответствует требованиям, предъявляемым к активной части наномодификатора для асфальтобетонов.

С применением метода математического планирования эксперимента проведена оптимизация рецептуры и технологического режима изготовления наномодификатора для асфальтобетонов. Показатели свойств наномодифицирован-ного битумного вяжущего с варьируемыми рецептурно-технологическими факторами приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Свойства наномодифицированого битумного вяжущего в зависимости от рецептурно-технологических факторов

№ и'п Варьируемые факторы* Наименование свойства

П25, 0,1 мм По. 0,1 мм и„°с К)

X,, % Хг, "С шщ до после до после до после ДО после до после

I 30 350 30 44,2 32,80 22,7 20,67 58,1 63,60 -18,0 -18,0 76,1 81,60 0,86

2 90 350 зо 42.1 37,50 23,7 23.60 58,0 62.55 -18,0 -18,0 76,0 80,55 0,93

3 30 850 30 46,7 29,70 27,3 17.83 58,5 65,80 -20,0 -18,0 78,5 83,80 0.97

4 90 850 30 50,5 33,30 27,4 21,03 57.5 63,65 -18,0 -15,0 75,5 78,65 0,79

5 30 350 90 41,0 33,53 22,3 19,15 58,3 62,75 -15,0 -14,0 73,3 76,75 0,76

6 90 350 90 46,2 38,97 24,9 23,80 57,0 60,90 -19,5 -18,0 76.5 78,90 0,90

7 30 850 90 45,9 30.23 25,3 17.60 58,5 64.95 -19,0 -18,0 77,5 82,95 0.91

8 90 850 90 55,0 35.27 29,5 21,27 57,1 63,80 -20,0 -16,0 77,1 79,80 0,86

9 9,54 600 60 41,1 40,20 23,7 21,97 58,7 60,25 -20,0 -19,0 78,7 79,25 1,06

10 110,5 600 60 42,1 39,97 23.8 22,47 58.0 60,50 -19.0 -13,0 77,0 73,50 0,91

11 60 179,5 60 39.0 35,87 22 4 21,80 58,3 62,00 -17,0 -16,0 75,3 78,00 0.91

12 60 1020 60 57.6 39.05 29,8 21,57 55,0 62.00 -19,0 -18,0 74,0 80,00 0.82

13 60 600 9,54 38,5 32,73 21,4 21,17 59,6 62,50 -19,0 -17,0 78,6 79,50 0,95

14 60 600 110,5 44,4 33.60 23,0 21,80 58,7 62,25 -18,0 -16,0 76,7 78,25 0,82

15 60 600 60 42,0 38,20 24.4 21,65 58.4 59,30 -20.5 -15,5 78,9 74,80 0,98

Примечания: * - в качестве варьируемых факторов были выбраны: Х\ - содержание на-нодобавки на основе золей гндроксида железа (III) и кремниевой кислоты, %; Хг - температура обработки, "С; Л'3 - продолжительность изотермической обработки, мин. ** -обобщенный критерий эффективности, учитывающий основные свойства битумного вяжущего и его изменения, а также требования нормативных документов.

Установлено, что максимальными показателями площади удельной поверхности и положительным влиянием на свойства битумного вяжущего обладает наномодификатор, полученный при добавлении 10 % наноразмерной добавки на основе золей гидроксида железа (1П) и кремниевой кислоты и обработанный при температуре 600 °С в течение 60 минут. При этом получается продукт со следующими свойствами: площадь удельной поверхности - 197830 м2/кг, объем пор с размером менее 20 нм - 0,237 см3/г.

Рисунок 3 - Микрофотографии поверхности наномодификаторов (увеличение хЮООО): а) диатомит; б) диатомит, обработанный наноразмерной добавкой; в) диатомит, обработанный наноразмерной добавкой после термообработки

Анализ фотографий рисунка 3 показывает, что на поверхности частиц диатомита, обработанного наноразмерной добавкой, наблюдается формирование оболочки из продуктов термического преобразования компонентов наноразмерной добавки. Наноразмерная добавка содержит золь кремниевой кислоты, поэтому закономерно предположить, что наблюдаемые на фотографиях новообразования являются заполимеризованной кремниевой кислотой, содержащей нано-частицы гидроксида и оксида железа, которые образуются в результате термического разложения Ре(ОН)3 при температурах более 500 °С. Введение такого на-номодификатора в битум обеспечивает получение наномодифицированного битумного вяжущего со следующими свойствами: пенетрация при 0 и 25 °С -23,70-10 ' и 41,1510"' мм, соответственно; температура размягчения - 58,75 °С; температура хрупкости - минус 20,0 СС; интервал пластичности - 78,75 "С.

Полученные результаты позволяют предположить, что асфальтобетонные смеси, приготовленные с применением разработанного наномодификатора, будут обладать высокими эксплуатационными показателями.

Обеспечение высокой долговечности автомобильных дорог достигается посредством формирования структуры асфальтобетона, в которой рационально определены как вид, так и содержание компонентов, а также созданы на границе раздела фаз «битум - модификатор (минеральный компонент)» связи, имеющие ненаправленный характер и высокие энергетические характеристики (энергия связи). Таким образом, задача получения долговечного асфальтобетона состоит

из нескольких подзадач: 1) обоснование выбора компонентов; 2) управление структурообразованием на границе раздела фаз.

Основным условием при решении первой подзадачи является установление видов компонентов, которые обеспечивают функционирование технической системы - автомобильной дороги - в условиях проектных значений механических нагрузок в соответствующем климате. Оптимизация содержания компонентов проводится по соответствию свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-20 требованиям действующего нормативного документа или требованиям заказчика (таблица 3). Замещение минерального порошка МП-1 осуществлялось по объему.

Таблица 3 - Составы и свойства традиционного и наномодифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона

Состав

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8

Содержание компонентов, %

Щебень габбро-диабазовый фракции 5-20 мм, % 75,0 75,0 75,9 75,9 76,8 76,8 78,0 78,0

Отсев гранита фракции 0—5 мм, % 10,0 10,0 10,1 10,1 10,2 10,2 10,4 10,4

Минеральный порошок, % 15,0 15.0 10,6 10,6 6,1 6,1 - -

Наномодификатор, % - - 3,4 3,4 6,9 6,9 11,6 11,6

\-'тюр-66, (сверх 100% минеральной части), % 0,3 0,3 - - - - - -

Битум БНД 60/90 (сверх 100% минеральной части). % 5,5 6,0 5,5 6,0 5,75 6,0 6,5 6,75

Физико-механические свойства щебеночно-мастичного асфальтобетона

р,„, г/см - 2,60 2,6] 2,56 2,58 2,52 2,53 2,43 2,44

^ор.% 15...19' 16 16 16 16 17 17 18 18

1,5...4,5 3,4 2,4 4,0 2,3 4,1 3,5 4,6 4,4

IV, % 1,0...4,0 2,9 1,9 3,0 2,3 2,4 2,2 2,2 1,65

¿вд >0,85 0,89 0,92 0,93 0,96 0,92 0,93 0,95 0,96

/г20, МПа >2,2 4,0 3,8 4,2 4,0 4,3 4,1 5,3 5,2

Л5о, МПа >0,65 1,3 1,1 1,4 1,2 1,6 1,4 2,2 2,1

tgф >0,93 0,93 0,94 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 1.00

Сл, МПа >0,18 0,24 0,20 0.24 0,21 0,29 0,27 0,37 0.36

Яр, МПа 2,5...6,0 3,0 3,1 3,0 3,1 3,3 3,4 3,3 3,4

<0,20 0,13 0,14 0,12 0,13 0,10 0,11 0,06 0,08

Примечание. * - требования ГОСТ 31015.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что управление начальным структурообразованием асфальтобетона посредством введения наномодификатора, способствующего формированию на границе раздела фаз прочной и плотной битумной пленки и регулированию содержания легких фракций битума, обеспечивает получение материала с повышенными показателями физико-механических свойств: предел прочности при сжатии при температуре 20 °С - 5,2 МПа (больше, чем у контрольного состава на 30 %); предел прочности при сжатии при температуре 50 °С - 2,1 МПа (больше на 61,5 %); предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С - 3,4 МПа (больше на 13 %); коэффициент внутреннего трения и показатель сцепления при сдвиге при температуре 50 "С - 1,0 (больше на 7,5 %) и 0,36 МПа (больше на 100 %), соответственно; водостойкость после длительного водонасыщения - 0,96 (больше на 8,5 %). Результаты исследования смесей ЩМА на расслаивание по показателю стекания вяжущего показывают, что применение наномодификатора обеспечивает стойкость смеси к расслаиванию и позволяет исключить использование дорогостоящих стабилизирующих волокон при производстве щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Методы испытаний асфальтобетонов, предусмотренные государственными стандартами, не позволяют оценить долговечность материала в эксплуатационных условиях. Нормативными документами предусмотрено определение прочности асфальтобетона при максимальных нагрузках до разрушения, в то время как в покрытии материал подвергается воздействию циклических нагрузок значительно меньше критических. Кроме того, при эксплуатации асфальтобетон подвергается циклическому воздействию погодно-климатических факторов, определение влияния которых в существующих методиках не предусмотрено.

В работе для оценки долговечности асфальтобетона и его способности сопротивляться эксплуатационным воздействиям в дополнении к стандартным методикам для составов № 1; № 3; № 5 и № 8 проводились испытания по определению стойкости к образованию колеи при положительных и отрицательных температурах (рисунок 4) и влиянию погодно-климатических факторов (рисунок 5).

Анализ данных рисунка 4 показывает, что на кривых образования колеи для всех составов ярко выражены два участка: доуплотнения (до 1000 проходов ко-

леса) и ползучести (от 1000 до 8000 проходов). Значение глубины колеи после доуплотнения для наномодифицированного асфальтобетона (состав № 8) на 50 % меньше глубины колеи асфальтобетона контрольного состава (состав № 1). Более существенное различие в изменении глубины колеи наблюдается на участке ползучести. Так. глубина колеи после 8000 проходов для традиционного асфальтобетона равна 3,77 мм, а наномодифицированного асфальтобетона - 1,83 мм, то есть на 51,5 % меньше. Аналогичные изменения наблюдаются для асфальтобетонов составов № 3 и № 5: на участке доуплотнения уменьшение глубины колеи по сравнению с традиционным ЩМА-20 составляет 7,5 и 35.0 %, соответственно, а на участке ползучести - 7,7 и 22,8 %, соответственно.

по методу АРА (а) и с использованием шипованного колеса при -10 °С (б): 1 - состав № 1; 2 - состав № 3; 3 - состав № 5; 4 — состав № 8

При эксплуатации в зимний период характер разрушения покрытия отличается, так как асфальтобетон при отрицательных температурах становится более жестким и колеса с шипованными шинами оказывают в основном истираюшее воздействие, чем сдвиговое. Из полученных экспериментальных данных видно, что глубина колеи при отрицательной температуре для асфальтобетона состава № 8 меньше на 31 % колеи для асфальтобетона контрольного состава. Уменьшение глубины колеи для составов № 3 и № 5 составляет для участка доуплотнения - 10,3 и 13,5 %, соответственно, для участка ползучести - 10,5 и 13,6 %. Такое повышение сопротивления материала образованию колеи как при положительных, так и при отрицательных температурах объясняется образованием плотной и прочной пленки битума на границе раздела фаз «битум - нано-модификатор».

Рисунок 5 - Гистограммы изменения физико-механических свойств ЩМА после моделирования 1 года погодно-климатических воздействий: а) прочность на сжатие при температуре 20 и 50 °С (ІІ20 и И^о): б) прочность на растяжение при расколе при температуре 0 °С (Лр)

Оценку влияния погодно-климатических факторов на физико-механические свойства асфальтобетона проводили по критерию вида:

к - 2 1

где ЛК20 — изменение предела прочности при сжатии при температуре 20 СС; АЯ5С - то же, при температуре 50 °С; ДЛр- изменение предела прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С.

Из полученных данных (рисунок 5) следует, что наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон обладает высокой стойкостью к воздействию погодно-климатических факторов (на 72,6 %), которая также объясняется как формированием плотной и прочной пленки битума на границе раздела фаз «битум - наномодификатор», так и снижением скорости старения битума посредством сорбции-десорбции его легких фракций наномодификатором (минеральной частью - диатомитом) и блокированием процессов окисления и полимеризации битума при его взаимодействии с наночастицами гидроксида и оксида железа, расположенными в активной части наномодификатора.

Разработан обобщенный критерий качества асфальтобетона, учитывающий его основные физико-механические и эксплуатационные свойства. Проведена многокритериальная оптимизация рецептуры асфальтобетона, на основании которой установлено, что наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон (состав № 8) обладает максимальными показателями качества. Опти-

мальный состав асфальтобетона, кг/м3: щебень габбро-диабазовый фракции 5—20 мм - 1864,8; отсев камнедробления гранита фракции 0-5 мм - 248.3; наномоди-фикатор - 277,8; битум БНД 60/90 - 161,4. Основные свойства наномодифици-рованного асфальтобетона приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Основные свойства разработанного наномодифицированного асфальтобетона

Наименование свойства Единица измерения Значение свойства

Остаточная пористость % 4,4

Предел прочности при сжатии при температурах: - 20 °С - 50 °С МПа 5,2 2,1

Сдвигоустойчивость: коэффициент внутреннего трения; показатель сцепления при сдвиге при 50 °С МПа 1,00 0,36

Предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С МПа 3,4

Водонасыщенне % 1,65

Водостойкость при длительном водона-сышении - 0,96

Глубина колеи после 8000 проходов по методу АРА мм 1,83

Глубина колеи после 8000 проходов шипованным колесом при —10 "С мм 1,13

Предел прочности при сжатии после 1 условного года эксплуатации при температурах: - 20 °С - 50 °С МПа 5,05 1,98

Предел прочности на растяжение при расколе после 1 условного года эксплуатации при температуре 0 °С МПа 3,50

Разработана принципиальная технологическая схема приготовления нано-

модифицированного асфальтобетона. Разработан технологический процесс производства асфальтобетона на асфальтобетонной установке «VсЬ 1екотаЬ>.

Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения на-номодифицированных асфальтобетонов показывают, что реализация технологии наномодифицирования приводит к повышению качества асфальтобетонов (на 30,0 %). Это приводит к существенному увеличению критерия технико-экономической эффективности - на 43,0 %.

Промышленная апробация наномодифицированных асфальтобетонов подтверждает возможность адаптации разработанной технологии на промышленном оборудовании в условиях действующего АБЗ. Асфальтобетонная смесь с применением наномодификатора применялась при проведении ремонтно-восстановительных работ покрытия автодороги с двумя полосами для движения на улице Солнечная села Бессоновка (Пензенская область) общей площадью 170 м2.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментальных исследований разработан наномодифици-рованный шебеночно-мастичный асфальтобетон со следующими показателями свойств: остаточная пористость - 4,4 %; предел прочности при сжатии при 20 и 50 °С - 5,2 и 2,1 МПа, соответственно; коэффициент внутреннего трения - 1,00; показатель сцепления при сдвиге при температуре 50 °С. - 0,36 МПа; предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С - 3,4 МПа; водона-сыщение - 1,65 %; коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении

- 0,96; глубина колеи после 8000 проходов по методу АРА - 1,83 мм; глубина колеи после 8000 проходов шипованным колесом при температуре -10 °С - 1,13 мм; предел прочности при сжатии при температуре 20 и 50 °С после 1 условного года эксплуатации - 5,05 и 1,98 МПа, соответственно; предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С после 1 условного года эксплуатации

- 3,50 МПа.

2. Разработана модель наномодификатора для асфальтобетона, который предложено формировать из двух частей: минеральной части, обладающей развитой поровой структурой и активной части, нанесенной на минеральную часть. Определены параметры порового пространства (диаметр капилляров) и диаметр частиц минерального компонента, а также диаметр капилляров и толщина слоя активной части. Показано, что получение эффективного наномодификатора для асфальтобетона возможно при использовании минерального компонента с размером частиц в микрометрическом диапазоне и с высокопористой структурой в качестве носителя, на поверхность которого нанесен активный компонент слоем толщиной менее 100 нм. Реализация такого принципа позволяет решить актуальные технологические и экологические проблемы внедрения нанотехнологии в строительную индустрию.

3. Научно обоснован выбор компонентов для получения наномодификатора для асфальтобетонов. С применением методов системного анализа проведен вы-

бор активного компонента наномодификатора. Показано, что в качестве активного компонента целесообразно использовать: госсиполовую смолу, каучук СКДН-Н и наноразмерную добавку на основе золей гидроксида железа (П1) и кремниевой кислоты. Причем в соответствии со сформулированным обобщенным критерием эффективности перспективна наноразмерная добавка.

4. Определено оптимальное сочетание минеральной и активной части наномодификатора для асфальтобетона, которое полностью соответствует сформулированным прогнозам, проведенным с применением разработанной модели наномодификатора, а именно: для получения такого наномодификатора целесообразно использовать минеральную часть, обладающую разветвленным поровым пространством, и на его поверхности необходимо организовать мембрану нано-размерной толщины. Указанным условиям соответствует диатомит, который обеспечивает не только формирование устойчивого адсорбционно-сольватного слоя битума, но и фильтрацию легких фракций битума внутрь зерен. При этом реализуется избирательная диффузия компонентов битума - масла и смолы по капиллярам проникают внутрь материала, формируя тем самым на поверхности зерен слой, обогащенный асфальтенами.

Обработка диатомита наноразмерной добавкой на основе золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты приводит к повышению физико-механической активности вследствие увеличения площади удельной поверхности и увеличения объема наноразмерных пор. Установлено, что площадь удельной поверхности исходного диатомита составляет 74430 м2/кг, а наномодификатора (диатомит, обработанный наноразмерной добавкой) - 149000 м2/кг. Средний диаметр пор с размерами менее 20 нм у наномодификатора аналогичен диаметру пор диатомита (~ 6 нм), однако их общий объем увеличивается на 30...40 %. Методом ИК-спектроскопии установлено, что новых максимумов при использовании наномодификатора не образуется, а максимумы, принадлежащие различным функциональным группам органических соединений, существенно не изменяются. Это свидетельствует о том, что при взаимодействии битума с на-номодификатором происходит обратимая физическая адсорбция. Указанное полностью соответствует требованиям, предъявляемым к активной части наномодификатора для асфальтобетонов.

5. Проведена оптимизация рецептуры и технологического режима изготовления наномодификатора для асфальтобетонов. Показано, что максимальными показателями площади удельной поверхности и положительным влиянием на свойства битумного вяжущего обладает наномодификатор, полученный при до-

бавлении 10 % наноразмерной добавки на основе золей гидроксида железа (1П) и кремниевой кислоты и обработанный при температуре 600 °С в течение 60 минут.

6. Установлено, что управление начальным структурообразованием щебе-ночно-мастичного асфальтобетона рационально осуществлять посредством введения наномодификатора, способствующего формированию на границе раздела фаз прочной и плотной битумной пленки и регулированию содержания легких фракций битума, обеспечивающего получение материала с повышенными показателями физико-механических свойств: предел прочности при сжатии при температуре 20 "С - 5,2 МПа (больше контрольного состава на 30 %); предел прочности при сжатии при температуре 50 °С - 2,1 МПа (больше на 61,5 %); предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С - 3,4 МПа (больше на 13 %); коэффициент внутреннего трения и показатель сцепления при сдвиге при температуре 50 "С - 1,0 (больше" на 7,5 %) и 0,36 МПа (больше на 100 %), соответственно; водостойкость после длительного водонасыщения — 0,96 (больше на 8,5 %).

7. Установлено, что наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон обладает высокой стойкостью к воздействию погодно-климатических факторов (на 72,6 % больше, чем контрольный), которая объясняется как формированием плотной и прочной пленки битума на границе раздела фаз «битум — наномодификатор», так и снижением скорости старения битума посредством сорбции-десорбции его легких фракций наномодификатором (минеральной частью - диатомитом) и блокированием процессов окисления и полимеризации битума при его взаимодействии с наночастицами гидроксида и оксида железа (Ш), расположенными в активной части наномодификатора.

8. Разработан обобщенный критерий качества асфальтобетона, учитывающий его основные физико-механические и эксплуатационные свойства. Проведена многокритериальная оптимизация рецептуры ЩМА-20, на основании которой установлено, что наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон обладает максимальными показателями качества. Оптимальный состав асфальтобетона, кг/'м": щебень габбро-диабазовый фракции 5-20 мм - 1864,8; отсев камнедробления гранита фракции 0-5 мм - 248,3; наномодификатор -277,8; битум БНД 60/90 - 161,4.

9. Разработана принципиальная технологическая схема приготовления на-номодифицированного ЩМА. Разработан технологический процесс производства асфальтобетона на асфальтобетонной установке «УсЬ 1е11отаЪ>.

Результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения на-номодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов показывают, что реализация технологии наномодифицирования приводит к существенному повышению качества асфальтобетонов (на 30,0 %). При этом технологическое решение увеличивает стоимость материала на 21,0 %. Указанное приводит к существенному повышению критерия технико-экономической эффективности - на 43,0 %.

Промышленная апробация наномодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов подтверждает возможность адаптации разработанной технологии на промышленном оборудовании в условиях действующего АБЗ. Асфальтобетонная смесь с применением наномодификатора применялась при проведении ремонтно-восстановительных работ покрытия автодороги с двумя полоса™ для движения на улице Солнечная села Бессоновка (Пензенская область) общей площадью 170 м2.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 научных работах, в том числе в изданиях из перечня ВАК:

1. Королев, Е.В. Моделирование битумной композиции со структурными единицами нанометрических размеров / Е.В. Королев, Р.В. Тарасов, Л.В. Макарова, В. А. Смирнов, С.С. Иноземцев // Региональная архитектура и строительство. - Пенза, 2012, № 3. - С. 26-32.

2. Иноземцев, С.С. Исследование адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минерального порошка / С.С. Иноземцев, М.К. Поздняков, Е.В. Королев//ВестникМГСУ.-Москва, 2012, № 11.-С. 159-167.

3. Иноземцев, С.С. Разработка наномодификаторов и исследование их влияния на свойства битумных вяжущих / С.С. Иноземцев, Е.В. Королев // Вестник МГСУ.-Москва, 2013, № 10.-С. 103-105.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, младшему научному сотруднику научно-образовательного центра по направлению «Нанотех-нологии» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» А.Н. Гришиной.

Подписано в печать 10.11.2013г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №17708 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201450520

Иноземцев Сергей Сергеевич

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Специальность - 05.23.05. Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: советник РААСН, профессор, доктор технических наук Е.В. Королев

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ..........................................9

1.1 Строительные материалы на основе битума................................................9

1.1.1 Компоненты......................................................................................................................11

1.1.2 Структура асфальтобетона..................................................................................18

1.1.3 Свойства асфальтобетона....................................................................................20

1.2 Модификаторы для асфальтобетона....................................................................31

1.3 Наномодификаторы для асфальтобетона..........................................................38

Выводы......................................................................................................................................................41

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................................................43

2.1. Цели и задачи исследования........................................................................................43

2.2. Применяемые материалы и их характеристики........................................44

2.3 Методы исследования и аппаратура......................................................................51

2.3.1 Методика синтеза наномодификатора с органической 5 активной частью........................................................................................................................................7

2.3.2 Методика синтеза наномодификатора с неорганической активной частью........................................................................................................................................59

2.3.3 Методика получения асфальтобетона, модифицированного наномодификатором............................................................................59

2.3.4 Методы исследования основных свойств наномодификатора, битумного вяжущего и асфальтобетона..........................60

2.4 Система показателей качества наномодифицированных асфальтобетонов......................................................................................................................................64

2.5 Статистическая оценка результатов измерений и методы математического планирования эксперимента............................................................67

2.5.1 Оценка погрешности в косвенных измерениях..............................67

2.5.2 Аппроксимация экспериментальных данных..................................67

2.5.3 Методы математического планирования эксперимента .... 68

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОМОДИФИКАТОРА И

НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО 69

3.1 Модель наномодификатора для асфальтобетона......................................69

3.2 Выбор минерального компонента наномодификатора........................78

3.3 Выбор активного компонента наномодификатора..................................91

3.4 Технология изготовления наномодификатора..............................................97

3.5. Структура и свойства наномодифицированного битумного

вяжущего........................................................................................................................................................108

Выводы....................................................................................................................................................116

ГЛАВА 4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ

АСФАЛЬТОБЕТОНОВ....................................................................................................................119

4.1 Физико-механические свойства..............................................................................119

4.2 Эксплуатационные свойства......................................................................................128

4.3 Многокритериальная оптимизация......................................................................137

Выводы....................................................................................................................................................144

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНЫХ

АСФАЛЬТОБЕТОНОВ....................................................................................................................146

5.1 Технология изготовления щебеночно-мастичных

асфальтобетонов, модифицированных наномодификатором..........................146

5.2 Промышленное внедрение наномодифицированного щебеночно-

мастичного асфальтобетона..........................................................................................................157

5.3 Технико-экономическая эффективность..........................................................158

Выводы..................................................................................................................................................163

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................164

Список литературы..............................................................................................................................169

Приложения................................................................................................................................................186

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Реализация Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года требует не только совершенствования методов проектирования автомобильных дорог, поиска инновационных решений, но и создания новых долговечных дорожных бетонов, в частности, асфальтобетонов. Очевидными причинами преждевременного износа автомобильных дорог под действием роста интенсивности движения и увеличения осевых нагрузок автомобильного транспорта является низкое качество применяемых компонентов, несовершенство методов проектирования составов асфальтобетона и дорог, недостаточное качество технологии изготовления асфальтобетонного покрытия. Перспективным материаловедческим направлением повышения долговечности асфальтобетонов является применение различных модифицирующих добавок, изменяющих как деформативные и механо-термические свойства битума, так и активность его взаимодействия с минеральными компонентами. В настоящее время самостоятельную группу модификаторов представляют нано-размерные добавки различной природы. Механизм их воздействия на битум и интенсивность его взаимодействия с минеральными компонентами изучены не полностью. Это актуализирует научные исследования, в которых инструментарием для регулирования процессов структурообразования материала являются наноразмерные добавки и наномодификаторы.

Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщенные в диссертационной работе, получены автором в научно-образовательном центре по направлению «Нанотехнологии» и на кафедре «Технологии вяжущих веществ и бетонов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» при выполнении гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МД-6090.2012.8.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной р а б о -т ы является разработка технологии асфальтобетонов, обладающих повышенными показателями эксплуатационных свойств, посредством введения наномо-

дификатора, полученного на основе диатомита и наноразмерной добавки, состоящей из золей гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Научно обосновать выбор компонентов, состав и технологию изготовления наномодификатора, обеспечивающего улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона, в частности ще-беночно-мастичных асфальтобетонов.

2. Исследовать процессы структурообразования и свойства битума, модифицированного разработанным наномодификатором.

3. Установить зависимости влияния основных рецептурно-технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства щебеночно-мастичных асфальтобетонов, модифицированных разработанным наномодификатором.

4. Оптимизировать составы и технологический режим изготовления нано-модифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с повышенными показателями эксплуатационных свойств и стойкостью к погодно-климатическим воздействиям.

5. Провести технико-экономическое обоснование применения наномоди-фицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона с повышенными показателями эксплуатационных свойств.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области дорожно-строительного материаловедения, теории строительного материаловедения, физической и коллоидной химии, системного анализа. Информационная основа при подготовке работы представлена монографическими работами, материалами зарубежных и отечественных научно-технических конференций, объектами интеллектуальной собственности, публикациями в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме.

При проведении исследований использовались физико-химические и физические методы оценки характеристик структуры и свойств, методы активного планирования эксперимента, методики критериальной оценки, методы регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Обоснована возможность создания наномодифицированных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств посредством формирования плотной и прочной пленки битума на границе раздела фаз «битум - наномодификатор», сорбции-десорбции легких фракций битума наномодификатором и блокирования процессов окисления и полимеризации битума при его взаимодействии с наночастицами гидроксида и оксида железа.

2. Установлены зависимости влияния основных рецептурных и технологических факторов на параметры структуры и эксплуатационные свойства наномодифицированных щебеночно-мастичных асфальтобетонов с повышенными показателями эксплуатационных свойств, позволяющие установить рациональные границы варьирования рецептурно-технологических факторов.

Практическая значимость работы:

- разработана методика определения толщины адсорбционно-сольватного слоя битума на поверхности минеральных материалов на основе реологических свойств битумно-минеральных смесей;

- разработаны составы и технология изготовления наномодифицированно-го щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающего высокими показателями эксплуатационных свойств;

- получен наномодифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон, обладающий следующими основными свойствами: предел прочности при сжатии при температуре 20 °С (Т?2о) - 5,2 МПа; предел прочности при сжатии при температуре 50 °С (Т?50) - 2,1 МПа; предел прочности на растяжение при раско-

ле при температуре О °С (Яр) -3,4 МПа; коэффициент внутреннего трения ф) и показатель сцепления при сдвиге при температуре 50 °С (Сл) 1,00 и 0,36 МПа, соответственно; водостойкость после длительного водонасыщения (&вд) - 0,96; глубина колеи после 8000 проходов по методу АРА (¡гАРА) - 1,83 мм; глубина колеи после 8000 проходов шипованным колесом при температуре - 10 °С (7гшк) - 1,13 мм; предел прочности при сжатии при температуре 20 и 50 °С после 1 условного года эксплуатации (Т?20,к и /?5о,к) - 5,05 и 1,98 МПа, соответственно; предел прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С после 1 условного года эксплуатации (7?р>к) - 3,50 МПа.

Внедрение результатов:

- разработанные наномодифицированные щебеночно-мастичные асфальтобетоны (ЩМА-20) прошли производственные испытания на предприятии ООО «Стройконцепт» в Пензенской области при выполнении ремонтно-восстановительных работ дорожного покрытия общей площадью 170 м2;

- теоретические и экспериментальные данные, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе в НОЦ «Нано-технологии» ФГБОУ ВПО «МГСУ» при подготовке магистров по направлению 270800 «Строительство» в соответствии с образовательной программой «Наномодифицированные строительные композиты общестроительного и специального назначения» и проведении курсов повышения квалификации для специалистов в области строительства по программе «Наноматериалы и нанотехноло-гии в строительстве (для работников строительной отрасли).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих международных и всероссийских научно-практических конференциях и семинарах: «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанный на знаниях» (Москва: МГСУ, 2011), «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва: МГСУ, 2011); «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва: МГСУ, 2012), «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза: ПГУАС, 2012), еже-

годная научная сессия Ассоциации исследователей асфальтобетона (Москва: МАДИ, 2013), «Инновационные материалы, технологии и оборудование для строительства современных транспортных сооружений (Белгород: БГТУ им. Шухова, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК - 3 статьи).

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование возможности создания наномодифицированных асфальтобетонов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, посредством введения наномодификатора на основе диатомита, обработанного золями гидроксида железа (III) и кремниевой кислоты;

- научное обоснование выбора компонентов наномодификатора, результаты оптимизации рецептуры и технологии изготовления наномодификатора;

- результаты экспериментальных исследований влияния основных ре-цептурно-технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства битумных вяжущих и щебеночно-мастичных асфальтобетонов;

- результаты многокритериальной оптимизации рецептуры и технологического режима изготовления наномодифицированных асфальтобетонов, оптимальные составы наномодифицированного щебеночно-мастичного асфальтобетона, обладающего заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами;

- результаты опытно-производственного апробирования результатов исследования.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Содержит 184 стр. машинописного текста, 29 рисунков и 42 таблицы. Библиография включает 164 наименования.

ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЕ АСФАЛЬТОБЕТОНЫ

1.1 Строительные материалы на основе битума

В настоящее время разработана широкая номенклатура строительных материалов на органических вяжущих различного назначения. Такие материалы получили распространение при изготовлении кровельных и гидроизоляционных материалов, различных мастик для защиты металлов, древесины, бетона, а также для устройства дорожных покрытий и тротуаров. Асфальтобетон является самым распространенным дорожным строительным материалом на органическом вяжущем.

Асфальтобетон - композиционный строительный материал, получаемый в результате структурообразования, сопровождаемого повышением вязкости (например, при охлаждении расплава или испарении воды из эмульсии), предварительно уплотненной асфальтобетонной смеси с рационально подобранным составом и тщательно перемешанными компонентами: щебень, песок, минеральный порошок, битум и добавки [1].

Асфальтобетонные смеси являются основным видом битумоминеральных смесей, которые в свою очередь делятся на виды и типы, отличаясь содержанием и размером зерен минерального компонента и технологическими условиями приготовления.

В зависимости от температуры приготовления и укладки асфальтобетоны подразделяют на следующие разновидности (в соответствии с ГОСТ 9128-2009):

- горячие, которые изготавливают с использованием вязких и жидких нефтяных дорожных битумов при температуре 140...160 °С, а укладывают в покрытие и уплотняют при температуре смеси не менее 120 °С. Формирование структуры такого асфальтобетона в большей степени происходит в момент уплотнения смеси;

- теплые, приготавливаемые на битумах пониженной вязкости при температуре 90... 130 °С, а укладка таких смесей осуществляется при температуре от 50...80 °С. Формирование структуры данного типа асфальтобетона является достаточно длительным процессом, который будет зависеть от вида применяемого вяжущего и может длиться от нескольких часов до 15 суток;

- холодные смеси, которые изготавливают при температуре до 120 °С на основе жидких битумов, а уплотняют при температуре смеси не менее 5 °С. Формирование структуры может длиться до 30 суток; качество этого процесса будет зависеть как от типа вяжущего, так и от условий эксплуатации.

В зависимости от гранулометрического состава асфальтобетонные смеси подразделяют (в соответствии с ГОСТ 9128-2009) на:

- щебеночные, с наибольшим размером зерен до 40 мм;

- мелкозернистые, с наибольшим размером зерен до 20 мм;

- песчаные, с наибольшим размером зерен до 5 мм.

Гранулометрический состав асфальтобетонной смеси определяет содержание пор в минеральной части асфальтобетона, которое в свою очередь определяет содержание битума в смеси и взаим�