автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Технология модифицированных композиционных материалов дорожно-строительного назначения повышенной долговечности

На правах рукописи

Шатунов Дмитрий Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Специальность 05.17.06 -Технология и переработка полимеров и композитов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

4851334

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Артеменко Серафима Ефимовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иващенко Юрий Григорьевич

кандидат химических наук, доцент Ромаденкина Светлана Борисовна

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Защита состоится «20» мая 2011 года в 15 часов в ауд. 237 на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100 Саратовская обл. г. Энгельс, пл. Свободы, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77).

Отзыв на автореферат просим направлять по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет и e-mail: upo@sstu.ru

Автореферат разослан 20 апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Состояние автомобильных дорог в России остается серьезной проблемой. Причинами этого являются не только отсутствие необходимых технологий и специальной дорожной техники, но и в большинстве суровые климатические условия, что оказывает негативное влияние на состояние дорожного полотна и сроки его службы. Основной разрушающий фактор -воздействие отрицательной температуры на земляное полотно и на покрытие. Обеспечение морозоустойчивой конструкции дороги приоритетно и относится на сегодняшний день к требованиям технических стандартов. В соответствии со СНиП 2.05.02-85 проектные решения автомобильных дорог должны обеспечивать безопасное, удобное и комфортабельное движение автотранспортных средств с расчетными скоростями, однородные условия движения. Добиться соответствия высоким требованиям стандартов можно только при соблюдении предписаний на различных стадиях проектирования и строительства, использовании современных строительных материалов и технологий.

Одной из важнейших составляющих асфальтобетона является битумное вяжущее, от качества которого зависят технические и эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Используемый при производстве асфальтобетона битум зачастую не удовлетворяет требованиям ГОСТ по ряду показателей, что соответствующим образом отражается на качественных характеристиках и долговечности дорожного покрытия. Сокращение сроков службы дорожного покрытия определяется, в частности, образованием структурных дефектов при пониженных температурах вследствие резкого снижения эластичности битумного вяжущего. При отрицательных температурах битум становится хрупким, и воздействие интенсивных колесных нагрузок на дорожное покрытие приводит к образованию трещин и других дефектов поверхности. Количество и глубина этих дефектов при заполнении водой и последующем замораживании, а затем оттаивании стремительно возрастают. В результате протекания этих процессов происходит очень быстрое разрушение дорожного покрытия, приводящее в итоге к необходимости ежегодного проведения так называемого «ямочного ремонта» значительной части дорожного покрытия. Вследствие всего вышеперечисленного возникла необходимость модификации битума различными добавками, . обеспечивающими повышенную долговечность дорожного покрытия.

Цель работы: разработка технологии получения модифицированных композиционных материалов дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью.

Для достижения поставленной цели в задачи исследования входили:

- выбор модификатора, позволяющего направленно регулировать характеристики полимербитумного вяжущего (ПБВ);

- изучение характера влияния различных видов базальтового наполнителя на физико-механические свойства и долговечность композиционного материала дорожно-строительного назначения;

- установление характера взаимодействия между компонентами в системах «битум - разработанный модификатор» и «полимербитумное вяжущее - базальтовый наполнитель»;

- построение математической модели и оптимизация полимербитумного вяжущего на основе промышленных битумов марки БНД 60/90 и разработанного модификатора;

- построение математической модели зависимости прочностных характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от состава при различных температурах эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- установлен характер -влияния полимерных модификаторов (каучуков различных марок, вторичного полиэтилена высокого давления и др.) на дуктильность, пенетрацию и температуру размягчения полимербитумного вяжущего. Построена математическая модель зависимости «состав -свойства вяжущего» модифицированного полимербитумного вяжущего и градиентным методом проведена оптимизация состава;

- доказана зависимость характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от вида базальтового наполнителя и способа его введения. Установлено взаимодействие между активными кремнийкислородными группами базальтового наполнителя и реакционноспособными группами каучука битума, составляющих основу модифицированного полимербитумного вяжущего, предложена схема их взаимодействия. Определено существенное влияние природы базальтового наполнителя на величины пористости и удельной поверхности его частиц и их влияние на характеристики композиционного материала дорожно-строительного назначения;

- построена математическая модель в виде системы математических уравнений, отражающих зависимость прочностных характеристик композиционного материала от состава при различных температурах его эксплуатации; установлен различный характер влияния ингредиентов композита на его прочностные характеристики при различных температурах.

Практическая значимость работы:

- разработан двухкомпонентный модификатор, состоящий из каучука синтетического бутадиен-метилстирольного марки СКМС-30 АРКМ-15 и вторичного полиэтилена высокого давления, позволяющий направленно регулировать характеристики вяжущего;

- создан базальтонаполненный композиционный материал дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью, обеспечивающий сохранение прочностных характеристик после 50 циклов «замораживание-оттаивание».

На защиту выносятся:

- направленное регулирование свойств полимерасфальтобетона введением модифицирующих добавок - каучука марки СКМС-30 АРКМ-15, вторичного полиэтилена высокого давления, базальтового наполнителя;

- механизм взаимодействия предложенных модифицирующих добавок с битумом и минеральным наполнителем в полимербитумной композиции и композите дорожно-строительного назначения;

- математическая модель и оптимизация состава полимербитумного вяжущего;

- математическая модель полимерасфальтобетона.

Достоверность результатов работы подтверждается применением

комплекса современных независимых и взаимодополняющих методов: инфракрасной спектроскопии (ИКС), методов исследования гранулометрического состава, методов определения удельной поверхности и пористости частиц наполнителя, стандартных методов испытаний характеристик композиционного материала.

Апробация работы. Результаты работы доложены на международных и всероссийских конференциях: IV Международной конференции «Композит-2007» «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» (Саратов, 2007), I межвузовской научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» (Братск, 2009), Международном симпозиуме «Композиты XXI века» «Международный симпозиум Восточноазиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям» (Саратов, 2005), Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных трудов, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 статей в сборниках научных трудов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату технических наук, доценту Саратовского государственного технического университета Арзамасцеву C.B. за помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы и перспективных направлений улучшения свойств и модификации нефтяных дорожных битумов, используемых в дорожной промышленности; рассмотрены вопросы использования армирующих компонентов при производстве и укладке асфальтобетона для улучшения свойств и долговечности дорожного полотна; показана целесообразность использования методов математического моделирования, в частности полного факторного эксперимента для решения задач оптимизации состава композиционных материалов.

Во второй главе приведены объекты, методы и методики исследования.

Объектами исследования служили: битум марки БНД 60/90, сера, бутадиен-стирольный каучук марки СКМС, этиленпропиленовые каучуки марок СКЭПТ 50 ЭНБ (синтетический каучук этиленпропиленовый тройной с этилиденнорборненом) и СКЭПТ 50 ДЦПД (с дициклопентадиеном), бутадиен-нитрильный каучук, полиэтилен высокого давления, базальт, базальтовые волокна и ткани.

Свойства модифицированного вяжущего оценивались по основным показателям нефтяных дорожных битумов - дуктильности (растяжимости) при 0 и 25°С, пенетрации (глубине проникновения иглы в образец битума) при 0 и 25°С и температуре размягчения, определяемой по методике «кольцо и шар» (КиШ).

Свойства асфальтобетонов оценивались с помощью стандартных физико-механических испытаний: разрушающее напряжение при сжатии при температурах 0, 20 и 50 °С водонасыщенных образцов, водостойкость, водонасыщение, морозостойкость.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ Глава 3. Способы направленного регулирования свойств полимербитумного вяжущего

Анализ литературных данных показал, что использование каучуков в качестве добавок в нефтяные природные битумы, используемые в дорожном строительстве, является одним из наиболее перспективных направлений для повышения характеристик асфальтобетонов на их основе.

В связи с этим использовали в качестве модификаторов относительно недорогие, устойчивые к воздействию солнечных лучей, обладающие высоким комплексом свойств промышленные этиленпропиленовые каучуки марок СКЭПТ-50 ЭНБ, СКЭПТ-50 ДЦПД, бутадиен-нитрильный каучук, бутадиен-метилстирольный каучук марки СКМС-30 АРКМ-15.

Каучуки марок СКЭПТ и СКМС перед введением в битумное вяжущее растворяли в бензине (13 % раствор), что способствовало улучшению гомогенизации композиции. Выбор данного растворителя определяется доступностью и относительно низкой стоимостью. При использовании бутадиен-нитрильного каучука, имеющего полярные группы, использовали полярные растворители: этилацетат и бензол.

При введении каучуков марок СКЭПТ 50 ДЦПД, СКЭПТ 50 ЭНБ и СКМС 30 АРКМ 15 в количествах 1-2 % отмечено значительное увеличение дуктильности при 0 °С в 2; 3,5 и 11 раз соответственно (рис. 1). Каучуки, распределяясь в битуме, образуют пространственную эластичную сетку, которая увеличивает дуктильность. При введении раствора каучука бутадиен-нитрильного в предварительно нагретый до 160°С битум происходит быстрое испарение растворителя, вследствие чего наблюдаются комкование полимера, плохое его распределение в объеме битума и, как следствие, незначительное влияние на дуктильность. При снижении температурного режима перемешивания со 160 до 120 °С и замене растворителя положительного результата не достигнуто. Отмечен различный характер влияния каучуков на дуктильность при 25°С (рис. 2). Если введение СКМС не снижает данной характеристики ПБВ, то при использовании каучуков марок СКЭПТ и БНК отмечается довольно значительное его уменьшение.

—СКЭПТ 50 дцпд !—БНК "ГОСТ, не менее

1 2 Содержание каучука, % -О—СКЭПТ 50 ЭНБ -О—СКМС 30 АРКМ 15

Рис. 1. Зависимость дуктильности ПБВ при 0 °С от содержания каучука

0 1 2 Содержание каучука, %

—О—СКЭПТ 50 ДЦПД —О—СКЭПТ 50 31

—й—БНК —□-СКМС 30 АР1

■ — ГОСТ, не менее

Рис. 2 Зависимость дуктильности ПБВ при 25 °С от содержания каучука

Предположительно это связано с химической природой каучуков, особенностями их распределения в объеме композиции и взаимодействием в системе битум-каучук.

Введение в битум каучуков приводит к росту пенетрации при 0 и 25 °С. (рис. 3, 4). Установлено, что наибольшее увеличение наблюдается при введении каучуков марок СКМС и БНК.

, 50 -1

-СКЭГП50ДЦЦЦ -БНК

" ГОСТ, не менее

СКЭПТ 50 ЭНБ СКМСЗОАРКМ 15

-СКЭПТ 50 дцпд -БНК

■гост

I 2

Содержание каучука, % О—СКЭПТ 50 ЭНБ ■О-СКМСЗОАРКМ 15

Рис. 3. Зависимость пенетрации ПБВ при 0°С от содержания каучука

Таким образом, введением эластомеров удается увеличить дуктильность и пенетрацию вяжущего, однако при этом температуры является Анализ данных показал использования в составе полимербитумного

вяжущего различных сшивающих агентов. Каучуки увеличивают эластические свойства битума, а сшивающие агенты позволяют создать пространственную сшитую

Рис. 4. Зависимость пенетрации ПБВ при 25 °С от содержания каучука

происходит снижение размягчения, что нежелательным, литературных эффективность

-СКЭПТ 50 дцпд -БНК

■ ГОСТ, не ниже

1 2 Содержание каучука, % -О—СКЭПТ 50 ЭНБ -О—СКМСЗОАРКМ 15

Рис. 5. Зависимость температуры размягчения по КиШ от содержания каучука

полимерную сетку, за

счет чего

происходит увеличение температуры размягчения по КиШ. В качестве сшивающего компонента использовалась дисперсная сера.

Установлено, что введение в состав битума 2% масс, каучука марки СКМС и 0,5% серы позволяет повысить дуктильность на 35-55% по сравнению с исходным битумом. При увеличении содержании серы в композиции наблюдается снижение дуктильности, что, возможно, происходит в результате образования жесткой, сшитой сульфидными мостиками структуры.

Пенетрация композиции при 25°С в изученном интервале содержания модифицирующих добавок на 40-42% выше, чем у исходного битума. Отмечено резкое снижение температуры размягчения по КиШ при введении серы в количестве 2% масс.

Введение до 0,2% масс, вторичного полиэтилена высокого давления в состав ПБВ, содержащего 2 % СКМС-30 АРКМ-15, позволяет компенсировать снижение температуры размягчения по КиШ, сохраняя её значение на уровне 50 °С (рис. 6). Однако при этом наблюдается резкое снижение дуктильности и пенетрации (рис. 7-9).

щ

Ш

ш

ЕНД60/90+2%СКМС БНД60/90+ БНД60/90 +

=

3 2%СКМС+0,1% 2%СКМС + 0,2%

щ

□Температура размягчения по КиШ МГОСТ, не ниже ПЭВД

Рис. 6. Зависимость температуры размягчения по КиШ от содержания ПЭВД

БЦД60/90+2МСКМС БНД60/90 + 2%СКМС + Б1Щ60/90 - 2У.СКМС • 0,1М ПЭВД 0,2% ПЭВД

0 Дуктильность ■ ГОСТ, не менее

Рис. 7. Зависимость дуктильности при 0иС от содержания ПЭВД

6НД60/90+-2%СКМС БНД60/90 + 2%СКМС > 0,[% ПЭВД

Б1Щ60/90 * 2%СКМС + 0,2*/. ПЭВД

ЕПДйО/90)-2'/оСКМС

БВД60/90 + 2'/.СКМС 0,1% ПЭВД

И Пенетрация

I ГОСТ, не менее

3 Пенетрация

1 Пенетрация по ГОСТ, не более

Б1Щ60/90 + 2КСКМС t 0,2% ПЭВД

Пенетрация по ГОСТ, не ме!

Рис. 8. Зависимость пенетрации при 0иС от содержания каучука и ПЭВД

Рис. 9. Зависимость пенетрации при 25иС от содержания каучука и ПЭВД

Аналогичные зависимости получены и при использовании в качестве модификатора битума каучука марки СКЭПТ. Показано, что введение ПЭВД в количестве до 0,5% масс, приводит к резкому снижению дуктильности, пенетрации и незначительному увеличению температуры размягчения.

Таким образом, введение эластомеров в сочетании с вторичным полиэтиленом высокого давления позволяет в достаточно широких интервалах направленно регулировать характеристики полимербитумного вяжущего.

Глава 4. Изучение влияния базальтовых наполнителей различной структуры на характеристики полимерасфальтобетона

Повышение эксплуатационных характеристик дорожного полотна достигается армированием асфальтобетонного покрытия различными волокнами и сетками. К армирующим материалам предъявляются высокие требования по прочности и термостойкости, поскольку температура асфальтобетонной смеси при укладке составляет свыше 120 °С.

Рис. 10. Зависимость прочности при сжатии при 20 °С от вида и количества наполнителя 1 - БНД60/90; 2 - БНДбО/90+0,4% некондиционной базальтовой ваты; 3 - БНДбО/90+0,4% кондиционной базальтовой ваты; 4 - БНД60/90+0,4% базальтовой нити длиной 5-15 мм; 5 - БНД60/90+0,2% непрерывной базальтовой нити (укладка в форму); 6 - требования ГОСТ, не менее

Рис. 11. Зависимость прочности при сжатии при 50 °С от вида и количества наполнителя 1 - БНД60/90; 2 - БНД60/90+0,4% некондиционной базальтовой ваты; 3 - БНД60/90+0,4% кондиционной базальтовой ваты; 4 - БНДбО/90+0,4% базальтовой нити длиной 5-15 мм; 5 - БНД60/90+0,2% непрерывной базальтовой нити (укладка в форму); б - требования ГОСТ, не менее

Для увеличения прочностных характеристик дорожного покрытия в качестве армирующего компонента использовали базальтовую нить, базальтовую вату и ее отходы, базальтовую ткань.

Для асфальтобетона на основе исходного битума БНД 60/90 показана эффективность использования в качестве армирующего компонента некондиционной базальтовой ваты, повышающей разрушающее напряжение

при сжатии при 50 С на 25%, и разрушающее напряжение при сжатии соответственно (рис. 10, 11).

базальтовой нити, повышающей при 20 и 50 °С на 20 и 50%

Введение базальтовой ваты в количестве более 0,4% масс, приводит к ее комкованию и невозможности равномерного распределения в объеме композита.

II м

II 1ГН

II II н

II II 1Г1 IIIIIII

II II II I

Рис. 12. Зависимость прочности при сжатии при 20°С от вида и количества наполнителя 1 - ПБВ; 2 - ПБВ +0,4% некондиционной

базальтовой ваты; 3 - ПБВ +0,4% кондиционной базальтовой ваты; 4 - ПБВ +0,4% базальтовой нити длиной 5-15 мм; 5 - ПБВ +0,2% непрерывной базальтовой нити (укладка в форму); 6 - базальтовая ткань; 7 - требования ГОСТ, не менее

Рис. 13. Зависимость прочности при сжатии при 50°С от вида и количества наполнителя 1 - ПБВ; 2 - ПБВ +0,4% некондиционной

базальтовой ваты; 3 - ПБВ +0,4% кондиционной базальтовой ваты; 4 - ПБВ +0,4% базальтовой нити длиной 5-15 мм; 5 - ПБВ +0,2% непрерывной базальтовой нити (укладка в форму); 6 - базальтовая ткань; 7 - требования ГОСТ, не менее

Волокно с длиной порезки 5-15 мм, кондиционная и некондиционная базальтовая вата вводились на стадии смешения асфальтобетона; базальтовое волокно с длиной порезки 50-60 мм (в виде армирующей сетки) укладывалось непосредственно перед формованием модельных образцов в цилиндрическую форму.

.Асфальтобетон на основе полимербитумного вяжущего (ПБВ) изначально имеет прочностные характеристики на 5-20% выше аналогичных характеристик асфальтобетона на основе битума БНД 60/90. Армирование позволяет повысить прочностные характеристики асфальтобетона дополнительно на 10-30%.

Отмечен различный характер влияния армирующих добавок различной текстильной структуры на прочностные свойства полимер-асфальтобетона при 20 и 50°С (рис. 12, 13). Так, если при введении кондиционной базальтовой ваты и базальтовой ткани происходит снижение характеристик на 7-23% (при 20°С) и 8-32% (при 50°С) соответственно, то при армировании некондиционной базальтовой ватой и волокном происходит значительное увеличение прочности на 8-15% (при 20°С) и 12-28% (при 50 С) соответственно. Наибольший эффект наблюдается при введении 0,4% базальтовой нити с длиной порезки 5-15 мм.

Водостойкость образцов с введением армирующих материалов повышается, по сравнению с исходными образцами на основе ПБВ (рис. 14). Также большее повышение наблюдается при введении некондиционной базальтовой ваты и волокна.

1,2

В ' | 0,8

а о,б

о

о 0,4 0,2 О

т

ч щ

1 щ 1 1 И 1

1 'А 1 1 1 1

-Р 1 1 1 1 1 1 1-

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 14. Зависимость водостойкости от вида и количества наполнителя 1 - ПБВ; 2 - ПБВ +0,4% некондиционной базальтовой ваты; 3 -ПБВ +0,4% кондиционной базальтовой ваты; 4 - ПБВ +0,4% базальтовой нити длиной

5-15 мм; 5 - ПБВ +0,2% непрерывной базальтовой нити (укладка в форму); б - базальтовая ткань; 7 - требования ГОСТ, не менее

Количество циклов замораживания-оттаивания -ПБВ

-0,4% базалтовая нить 5-15 мм

-0,2% базальтовая нить (укладка в форму)

-Базальтовая ткань

Рис. 15. Зависимость прочности при сжатии водонасыщенных образцов от вида и количества наполнителя после 25-50 циклов замораживания-оттаивания

Динамика изменения прочностных характеристик

полимерасфальтобетонов показывает (рис. 15), что после 50 циклов «замораживание-оттаивание», остаточная прочность образцов снижается на 12-40%.

Таким образом, установлено, что использование базальтовой ваты и базальтовых волокон является перспективным и позволяет повысить прочностные характеристики композитов дорожно-строительного назначения, однако необходимо повысить остаточную прочность после воздействия циклов «замораживание-оттаивание».

Показано (рис. 16), что при введении до 5 % от массы вяжущего дисперсного базальта, полученного как измельчением некондиционной базальтовой ваты, так и природного базальта, происходит увеличение прочности при сжатии при 0 °С на 16-17%. При введении 10% измельченного базальта происходит незначительное снижение на 4% данной характеристики.

Аналогичные зависимости получены и при температуре испытаний 50 °С, отмечено увеличение прочности при введении в состав композита 0,4 % измельченной ваты или 5% порошка базальта на 9-36 % соответственно, а при введении 10 % - падение прочности на 36 % (рис. 17).

с

о &

1,6

§ 1.2

: 0,4

& 0

11

3 I - ПЕВ 2 - 0,4% базальтовая вата 3 - 5% порошка базальта 4-10% порошка базальта 5 -требования ГОСТ, не более

Рис. 16. Зависимость прочности при сжатии при 0°С от вида и количества наполнителя

и

В 1 2 3 4 5

§

5 0 1- ПБВ 2 - 0,4% базальтовая вата 3 - 5% С" порошка базальта 4-10% порошка

базальта 5 -требования ГОСТ, не менее

Рис. 17. Зависимость прочности при сжатии при 50 °С от вида и количества наполнителя

Е2

1

I:

ж

Отмечено увеличение

прочности при сжатии при 20 °С с увеличением содержания дисперсного базальта с 0,4 до 10 % на 11- 52 % (рис. 18).

Отмечено также, что наибольший упрочняющий эффект при разных температурах испытаний наблюдается при введении 0,4 % измельченной базальтовой ваты.

Прочность водонасыщенных образцов снижается на 13-30 % (рис. 19), что связано, по-видимому, с увеличением водонасыщения (рис. 20) в связи с увеличением количества открытых пор при введении базальтового наполнителя. Однако даже в этом случае водонасыщение не выходит за рамки требований ГОСТ.

в 1 2 3 4 5

т

Е. И 1 - ПБВ 2 - 0,4% базальтовая вата 3 - 5% С

порошка базальта 4 -10% порошка базальта 5 - требования ГОСТ, не менее

Рис. 18. Зависимость прочности при сжатии при 20 °С от вида и количества наполнителя

] 2 3

0 1 - ПБВ 2 - 0,4% базальтовая вата 3 • порошка базальта 4-10% порошка базальта

5%

12 3 4

И 1 - ПБВ 2 - 0,4% базальтовая вата 3 - 5% порошка базальта 4- 10% порошка базальта

Рис. 20. Зависимость водонасыщения образцов от вида и количества наполнителя

Рис. 19. Зависимость прочности при сжатии при 20 °С водонасыщенных образцов от вида и количества

Проведены исследования образцов с содержанием базальта в количестве 0,4-5 % от массы вяжущего на устойчивость к процессам замораживания-оттаивания, что хорошо коррелирует с долговечностью композита в условиях эксплуатации. Показано (рис. 21-22), что после 25 циклов последовательного замораживания-размораживания не происходит снижения прочностных характеристик образцов, в то время как у исходных образцов в этих условиях происходит снижение прочности на 28 %.

О 25 50

Количество щшгов шюражшшння-отгаивания

ПБВ

ПБВ+0,4%БВ (вата, измельченная в порош ПБВ+5% порошка базальта

Рис. 21. Зависимость прочности при сжатии Рис. 22. Относительное снижение прочности

образцов от количества циклов замораживания- образцов в зависимости от количества циклов

опаивания замораживания-оттаивания

При 50 циклах испытаний у исходных образцов наблюдается дальнейшее снижение прочности до 38 %.

У образцов, содержащих 0,4 % некондиционной базальтовой ваты после 50 циклов замораживания-оттаивания происходит снижение предела прочности при сжатии на 13%, в то время у образцов с 5%-ным содержанием дисперсного базальта снижения прочности после 50 циклов замораживания-оттаивания не происходит. Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод, что добавки дисперсного базальта в

50

О 25 50

Количество циклов замораживания-оттаивания

5—ПБВ

ПБВ+0,4%БВ (вата, измельченная в порои V—ПЬВг5% порошка базальта

количестве до 5 % от массы вяжущего в значительной степени повышают долговечность асфальтобетонов на их основе.

Глава 5. Изучение влияния модифицирующих добавок на процессы структурообразования полимербитумного вяжущего и базальтонаполненного ПКМ на его основе

Изучение взаимодействия в системе «битум - каучук - ПЭВД» проводилось методом инфракрасной спектроскопии.

Анализ спектров поглощения ПБВ и сравнение его со спектрами поглощения исходных веществ (рис. 23) показал отсутствие полос поглощения в ПБВ, соответствующих группам -С=0 (1744 см"1), -С=С-(1638 см"1) и СН (1076 см"1), а также смещение полосы поглощения группы полиэтилена -СН2 -(966 см"1 и 910 см"1), что указывает на взаимодействие данных функциональных групп с функциональными группами битума.

Полоса поглощения в ИК-спектре ПБВ при 2726 см"1 указывает на появление новых связей -С=С- Связь участвует в межмолекулярном

взаимодействии, на что указывает ослабление относительной интенсивности

Рис. 23. Данные ИКС: 1 - композиция «битум + СКМС + ПЭВД»; 2 - исходный битум; 3 - каучук СКМС; 4 - ПЭВД

.5 , _, 10 15

—"—шмсльчншып базальт

размер частиц, мкм "О- юмсльчишая бщзльтовая вата

Рис. 24. Гранулометрический состав измельченного базальтового наполнителя

Полоса поглощения валентных колебаний ОН-групп в структуре ПБВ (3386 см"1) расщепляется на две полосы свободных и связанных гидроксилов, что является доказательством активности ОН-групп карбоновых кислот в битуме, связанных довольно сильными водородными связями с разными функциональными группами компонентов модификатора.

Анализ ИК-спектров свидетельствует о химическом взаимодействии в системе «битум - каучук - полиэтилен», приводящем к образованию новых

химических связей, положительным образом отражающихся на физико-механических свойствах ПБВ.

Методом оптической микроскопии установлено, что измельченная базальтовая вата имеет игольчатую форму частиц, полидисперсна, в то время, как частицы дисперсного базальта имеют неправильную форму с меньшим разбросом по размерам.

Гранулометрический анализ показал (рис. 24), что размер частиц измельченного базальта порядка 1-6 мкм. Ярко выражены 2 пика с размером частиц 1-1,5 мкм (7-8 % от общей массы) и 2-2,5 мкм (22-22,5 % от общей массы), показывающие полидисперсность порошка базальта. Измельченная базальтовая вата менее полидисперсна. Средний размер частиц ваты в 3,5-4 раза больше, чем у измельченного базальта и составляет 6,5-7 мкм.

Интегральные и дифференциальные кривые зависимости объема пор базальтовых наполнителей показывают, что объем пор дисперсного базальта в 3,5-4 раза больше, чем у измельченной ваты (рис. 25, 26), а площадь внутренней поверхности пор - в 5-6 раз (рис. 27, 28).

О 200 400 600 800 1000 1200 днамстр пор. А

) - измельченный базальт; 2 - измельченная базальтовая вата

Рис. 25. Интегральная кривая зависимости объема пор базальтовых наполнителей от диаметра пор

1000 Диаметр пор, А 1 - измельченный базальт, 2 - измельченная базальтовая вата

Рис. 26. Дифференциальная кривая зависимости объема пор базальтовых наполнителей от диаметра пор

Данные позволяют сделать вывод, что измельченный базальт имеет большую удельную поверхность, объема пор и площадь их поверхности, что обеспечивает лучшее взаимодействие между полимербитумным вяжущим и базальтовым наполнителем и приводит к повышению показателей физико-механических свойств и долговечности полимерасфальтобетона.

<-0,51 ",4 -

3 0,3 -

и 01

с 0,2 -

£ О

'паметр пор, А

1 - измельченный базальт, 2 - измельченная базальтовая вата ' - измельченный базальт, 2 - измельченная базальтовая вата

Рис. 27 Интегральная кривая зависимости

удельной площади поверхности пор базальтовых наполнителей от диаметра пор

Рис. 28. Дифференциальная кривая зависимости удельной площади поверхности пор базальтовых наполнителей от диаметра пор

Изучение взаимодействия в системе «ПБВ - базальтовое волокно» на модельных образцах, с повышенным содержанием базальтового наполнителя

(рис. 29), показало расщепление интенсивной основной полосы поглощения валентных колебаний связи БЮ (1091 см"1) в ПБВ на две компоненты (1062 см"1 и 1031 см"1).

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Длина волны, см*1

Рис. 29. Данные ИКС: 1 - ПБВ; 2 - базальтовое волокно; 3 - композиция «ПБВ -

базальтовое волокно» Это позволяет утверждать, что группа участвует в образовании химических связей с функциональными группами компонентов ПБВ, прежде всего с ОН-группой ароматических соединений и карбоновых кислот битума:

1 Л

-(НЬ+ОН-

Н0-8Ь0-

-бьо- + -11;

он

-я;

"О-БНОН

Под действием активных функциональных групп компонентов ПБВ цепочечная силикатная структура на поверхности волокон базальта частично разрушается с образованием поверхностных органосиликатных соединений, связывающих волокна базальта с компонентами ПБВ.

Функциональные группы компонентов ПБВ замещают атомы водорода в поверхностных ОН-группах волокон базальта по реакциям:

• Силикат-ОН + -С=С —* Силикат -О-С-СН-

• Силикат-ОН + -С=0 -> Силикат-О-С-О-

• Силикат-ОН + С^ Силикат-0-С=Ш

Силикат-ОН + -СН -> Силикат-О-СНг-

Образовавшиеся на поверхности волокон базальта органические заместители содержат свободные валентные связи, активно взаимодействующие с макромолекулами компонентов ПБВ.

Анализ ИК-спектров образцов свидетельствует, что базальтовые волокна упорядочивают структуру ПБВ, образуя органосиликатные соединения, упрочняющие структуру асфальтополимербетона.

Глава 6. Использование метода Бокса-Уилсона для построения математической модели и оптимизации состава ПКМ

Составление математической модели и оптимизация состава ПБВ проводились методом Бокса-Уилсона. Поскольку одной из важнейших характеристик, определяющих эластические свойства полимербитумного вяжущего, является дуктильность при 0°С, эта характеристика была выбрана

в качестве основного параметра оптимизации (обозначено У|). В силу того, что выбранная характеристика не в полной мере отражает все потребительские свойства полимербитумного вяжущего, в качестве дополнительных параметров оптимизации выбраны дуктилыюсть при 25°С (обозначено У2), пенетрация полимербитумного вяжущего при 0 и 25 С (обозначено соответственно Уз и У,») и температура размягчения по КиШ (обозначено У5).

На основании наработанного экспериментального материала в качестве факторов, оказывающих определяющее влияние на параметры оптимизации, были выбраны: содержание каучука марки СКМС-30 АРКМ-15 в составе полимербитумного вяжущего (X]), количество вводимого в композицию ПЭВД (Х2) и время гомогенизации композиции (Хз)

В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии:

7, = 6,688 + 2,438 X, - 0,087 Х3 - 1,212 X, + 0,063 Х,Х2 + 0,613 XгХ,

Гг = 56 ,75 + 3,925 X, - 7,475 Х2 - 8,275 X, - 3,45 Х,Х3 Г, = 25 ,5 + 2,68 X, - 0,92 X, - 2,75 Х3 + 0,75 Х,Х , + 2,175 Х,Х, У, = 55,61 + 3,49 X, - 0,19 Xг - 6,36 X, + 2,44 Х,Х2 + 3,44 Х2Х, Г5 = 50 ,9 - 0,4 X, + 0,875 Х2 + 1,625 X, ~ 0,075 Х,Х2 - 0,45 Х2Х3 Оптимизацию состава ПБВ проводили градиентным методом. Для этого в качестве критерия оптимальности приняли дуктильность при 0°С. В качестве базового фактора использовали X] - содержание каучука в составе композиции. Вычисляли произведение соответствующего коэффициента

регрессии Ь1 на интервал варьирования Ах, как Ь{ *Дх(, т.е. 2,438 * 0,5= 1,22. ГТри выборе шага движения Д х руководствовались правилом:

Ах' < Ах.

I 1

Принимая дл-' = о ] вычисляли коэффициент у по отношению

^ = -^-= 0,08

г>, Ах, 2 .438 * 0 .5

Учитывая полученные ранее данные, значение фактора Хз

фиксировали на уровне +1 (время гомогенизации равном 60 минутам).

Для фактора Х2 шаги движения к оптимальным значениям

рассчитывали как

Ах'2 = уЬ2Ахг = 0,08 * (-0,087 ) * 0,2 « -0,01

Шаги начинали из центра плана ПФЭ.

Как видно из приведенных данных (табл. 1), увеличение содержания в составе ПБВ каучука и снижение ПЭ приводят к плавному увеличению дуктильности и пенетрации, несколько снижая при этом температуру размягчения по КиШ. Оптимальной можно считать композицию №12. При указанном содержании в ней каучука и полиэтилена достигаются высокие показатели дуктильности, пенетрации и температуры размягчения по КиШ. Дальнейшее увеличение содержания каучука и снижение полиэтилена представляется нецелесообразным, поскольку температура размягчения снижается до 50,5°С.

Таблица 1

Результаты градиентного метода оптимизации состава

№ опыта X, Х2 У], см У2, СМ У3, *0,1 мм *0,1 мм &

1 1,0 0,30 3,4 23,7 18,0 34,7 55,0

2 1,1 0,29 3,8 26,1 19,1 38,7 53,0

3 1,2 0,28 3,9 32,7 19,0 40,7 53,0

4 1,3 0,27 4,5 46,5 19,3 43,0 53,5

5 1,4 . 0,26 5,1 49,1 20,0 48,0 53,3

6 1,5 0,25 6,1 49,8 21,7 49,3 53,5

7 1,6 0,24 6,2 51,7 22,0 52,7 53,0

8 1,7 0,23 8,2 55,5 23,3 53,7 52,0

9 1,8 0,22 9,2 61,6 23,3 54,7 52,5

10 2,0 0,20 10,1 64,3 23,5 55,0 52,0

И 2,2 0,18 11,1 68,8 24,7 65,7 52,5

12 2,4 0,16 11,3 70,0 26,8 73,7 ' 52,5

13 2,6 0,14 11,4 70,0 26,6 63,8 50,5

Поскольку зависимость состав - свойства ПБВ в исследованной области не носит экстремальный характер и достижение точки оптимума будет определяться наложенными на параметры оптимизации ограничениями и не связано с достижением т.н. «почти стационарной области» с высокой степенью кривизны поверхности отклика, дальнейшие исследования методом центрального композиционного планирования нецелесообразны.

Построение математической модели композиционного материала дорожно-строительного назначения проводилось по методу Бокса-Уилсона. В качестве параметров оптимизации были выбраны прочности при сжатии при 0, 20 и 50 С (обозначены соответственно У\, У2 и У3).

В качестве факторов, оказывающих определяющее влияние на параметры оптимизации, были выбраны: содержание каучука марки СКМС-30 АРКМ-15 в составе полимербитумного вяжущего (Х1), количество вводимого в композицию ПЭВД (Х2) и базальтового наполнителя (Хз)

В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии:

У] = 8,563 - 0,113 X, + 0,337 Х2 + 0,338 Х3 + 0,163 X,Х2 - 0,388 X,Х3 + 0,263 XгХ3 У2 = 4,256 + 0,236 Х1 - 0,076 Х2 + 0,006 Х3 - 0,056 Х,Х2 - 0,139 Х,Х3 - 0,326 Х2Х3 Уз =1,024 + 0,099X, -0,059^ + 0,086X3 -0,114Х,Х2+0,011Х,Х3 +0,084Х2Х3 Из полученных уравнений видно, что сила и характер влияния факторов на прочность при сжатии при различных температурах существенно меняются. Так, отрицательный при 0°С характер влияния содержания каучука в составе композиционного материала на его прочность при сжатии при температурах 20 и 50°С меняется на положительный. Содержание же ПЭВД в составе композиционного материала, вносящее существенный положительный вклад в прочность при сжатии при 00С, при температурах 20 и 50°С меняется на положительный, но существенно меньший по силе. Только содержание базальтового наполнителя при всех температурах испытаний имеет положительное, но отличающееся по силе влияние. Наиболее ярко оно выражено при 0°С, почти отсутствует при 20°С 18

и вновь повышается при 50°С. Величина и знаки коэффициентов взаимодействия полученных уравнений регрессии указывают на сложный и нелинейный характер влияния двух факторов на величину параметра оптимизации.

Выводы

1. Разработан двухкомпонентный модификатор, состоящий из каучука синтетического бутадиен-метилстирольного марки СКМС-30 АРКМ-15 и полиэтилена высокого давления, позволяющий направленно регулировать характеристики вяжущего. Количество каждого из компонентов, вводимых в битум раздельно, определяется исходя их характеристик исходного битума. Создана математическая модель зависимости характеристик полимербитумного вяжущего от его состава и технологических параметров получения. Градиентным методом проведена оптимизация его свойств, что позволяет получать полимербитумное вяжущее с требуемыми характеристиками.

2. Установлена зависимость характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от вида базальтового наполнителя и способа его введения. Доказано взаимодействие между активными группами базальтового наполнителя и реакционноспособными группами модифицированного полимербитумного вяжущего, предложена схема их взаимодействия. Определено существенное влияние природы базальтового наполнителя на величины пористости и удельной поверхности его частиц и их влияние на характеристики композиционного материала дорожно-строительного назначения. Построена математическая модель в виде системы математических уравнений, отражающих зависимость прочностных характеристик композиционного материала от состава при различных температурах его эксплуатации; установлен различный характер влияния ингредиентов композита на его прочностные характеристики при различных температурах. Это позволяет выпускать композит дорожно-строительного назначения для работы в различных климатических условиях.

3. Создан базальтонаполненный КМ дорожно-строительного назначения с долговечностью, превышающей промышленно производимый в ~ 2 раза и обеспечивающий сохранение прочностных характеристик после 50 циклов «замораживание-оттаивание».

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Шатунов Д.А. Усовершенствование процесса получения высококачественного дорожного покрытия / C.B. Арзамасцев, Д.А. Шатунов, С.Е. Артеменко // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2009. Ns 1 (49). С. 39-4).

2. Шатунов Д.А. Оптимизация процесса получения полимербитумного вяжущего методом Бокса-Уилсона / C.B. Арзамасцев, Д.А. Шатунов, С.Е. Артеменко // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2009. № 1 (49). С. 83-84.

3. Шатунов Д.А. Базальтовое волокно как эффективный армирующий материал для дорожного строительства / С.Е, Артеменко, С.В Арзамасцев., Д.А. Шатунов // Пластические массы. 2008. № 1. С. 19-21.

4. Шатунов Д.А. Базальтопластики - новые материалы дорожно-строительного назначения / С.Е. Артеменко, C.B. Арзамасцев, Д.А. Шатунов, А.А. Вязенков // Химические волокна. 2008. № 6. С. 11-14.

(

5. Шатунов Д.А. Армирование асфальта базальтовыми волокнами / C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, Д.А. Шатунов // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология: материалы Междунар. конф. «Композит-2007», Саратов, 3-6 июля 2007 г. Саратов, 2007.

6. Шатунов Д. А. Асфальтобетон, армированный базальтовыми волокнами / C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, Д.А. Шатунов, A.A. Вязенков // Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации: материалы I Межвуз. науч. конф. студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых, г. Братск, 17-19 марта 2009 г. Братск: БрГУ, 2009. С. 7-11.

7. Шатунов Д.А. Взаимодействие в системе полимербитумное вяжущее - базальтовое волокно / И.А. Ионов, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, В.П. Патронов, Д.А. Шатунов, O.A. Пронина // Композиты XXI века: материалы Междунар. симпозиума Восточноазиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям. Саратов, 20-22 сентября 2005 г. / СГТУ. Саратов, 2005. С. 234-239.

8. Шатунов Д.А. Методологические основы создания композиционных материалов дорожно-строительного назначения / Д.А. Шатунов, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, A.A. Вязенков //Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса: материалы Междунар. науч.-практ. симпозиума, г.Саратов, 10-11 декабря 2009 г. Саратов: СГТУ, 2010. С. 403-408.

9. Шатунов Д.А. Базальтопластики - высокоэффективное дорожное покрытие / С.Е. Артеменко, C.B. Арзамасцев, Д.А. Шатунов //Третий Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. Ч. 1. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007.С.106-107. ISBN 978-5-292-03751-4

10. Шатунов Д.А. Использование базальтовых материалов для повышения качества дорожного покрытия / Д.А. Шатунов, C.B. Арзамасцев, A.A. Вязенков, С.Е. Артеменко // Современные техника и технологии: сб. тр. XV Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т.Т .2. Томск :Изд-во Томск, политехи, ун-та, 2009.

11. Шатунов Д.А Разработка составов для дорожных покрытий с повышенными эксплуа тационными характеристиками / Д.А. Шатунов, A.A. Вязенков, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко // Системы автоматического проектирования и автоматизация производства: сб. науч. тр. по материалам 1 региональной науч.-техн. конф. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 123-127. ISBN 978-5-7433-2155-1

12. Шатунов Д.А Отработавшая ресурс базальтовая вата - эффективный армирующий материал для композитов дорожно-строительного назначения / Д.А. Шатунов, A.A. Вязенков, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология: докл. Междунар. конф. «Композит-2010». Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С. 472-475. ISBN 978-5-7433-2275-6

Подписано в печать 15.04.11 Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл. печ.л. 1,16 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 67 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

С. 19-22.

С. 148-149.

Введение.;.

Глава 1. Литературный анализ состояния проблемы.

Неокисленные дорожные битумы и асфальтобетоны на их основе.

Получение органических вяжущих для битумных мастик и асфальтобетонов с улучшенными свойствами.

Основные направления модификации битумов.

Модификация дорожных битумов эластопластами.

Модификация битумных вяжущих комплексными добавками.

Геотекстильные материалы для дорожного строительства.

Преимущества базальтовых волокон перед стеклянными.

Математическое моделирование в решении прикладных задач технологии композиционных материалов.

Глава 2. Объекты, методы и методики исследования.

Объекты исследования.

Методы и методики исследования асфальтобетонов.

Глава 3. Способы направленного регулирования свойств полимербитумного вяжущего.

3.1 Модификация битума каучуками.

3.2 Модификация битума каучуками и серой.

3.3 Модификация битума каучуками и полиэтиленом.;.

Глава 4. Изучение влияния базальтового наполнителя на характеристики полимерасфальтобетона.

4.1 Влияние базальтового волокна,. базальтовой нити и базальтовой ткани.:.

4.2 Влияние измельченной базальтовой ваты и измельченного базальта

Глава 5. Изучение влияния модифицирующих добавок на процессы структурообразования полимербитумном вяжущем и базальтонаполненном ПКМ на его основе.

5.1 Влияние модифицирующих добавок на процессы структурообразования в ПБВ.

5.2 Влияние модифицирующих добавок на процессы структурообразования в базальтонаполненном ПКМ.

Глава 6. Использование метода Бокса-Уилсона для построения математической модели и оптимизации состава ПКМ.

6.1 Создание математической модели и оптимизация состава и технологии получения полимербитумного вяжущего.

6.2 Создание математической модели и оптимизация состава и технологии получения полимерасфальтобетона.

7. Выводы.

Состояние автомобильных дорог в России остается серьезной проблемой. Причинами этого являются не только отсутствие необходимых технологий и специальной дорожной техники, но и в большинстве суровые климатические условия, что оказывает негативное влияние на состояние дорожного полотна и сроки его службы. Основной разрушающий фактор — воздействие отрицательной температуры на земляное полотно и на покрытие. Обеспечение морозоустойчивой конструкции дороги приоритетно и относится на сегодняшний день к требованиям технических стандартов. В соответствии со СНиП 2.05.02-85 проектные решения автомобильных дорог должны обеспечивать безопасное, удобное и комфортабельное движение автотранспортных средств с расчетными скоростями, однородные условия движения. Добиться соответствия высоким требованиям стандартов можно только при соблюдении предписаний на различных стадиях проектирования и строительства, использовании современных строительных материалов и технологий.

Одним' из важнейших составляющих асфальтобетона является битумное вяжущее, от качества которого зависят технические и эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Используемый при производстве асфальтобетона битум зачастую не удовлетворяет требованиям ГОСТ по ряду показателей, что соответствующим образом отражается на качественных характеристиках и долговечности дорожного покрытия. Сокращение сроков службы дорожного покрытия определяется, в частности, образованием структурных дефектов при пониженных температурах вследствие резкого снижения эластичности битумного вяжущего. При отрицательных температурах битум становится хрупким и воздействие интенсивных колесных нагрузок на дорожное покрытие приводит к образованию трещин и других дефектов поверхности. Количество и глубина этих дефектов при заполнении водой и последующем замораживании, а затем оттаи5 вании стремительно возрастает. В результате протекания этих процессов происходит очень быстрое разрушение дорожного покрытия, приводящее в итоге к необходимости ежегодного проведения так называемого "ямочного ремонта" значительной части дорожного покрытия. Вследствие всего вышеперечисленного возникла необходимость модификации битума различными добавками, обеспечивающими повышенную долговечность дорожного покрытия.

Цель работы: разработка технологии получения модифицированных композиционных материалов дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью.

Для достижения поставленной цели в задачи исследования входило:

- выбор модификатора, позволяющего направленно регулировать характеристики полимербитумного вяжущего (ПБВ);

- изучение характера влияния различных видов базальтового наполнителя на физико-механические свойства и долговечность композиционного материала дорожно-строительного назначения;

- установление характера взаимодействия между компонентами в системах «битум - разработанный модификатор» и «полимербитумное вяжущее — базальтовый наполнитель»;

- построение математической модели и оптимизация полимербитумного вяжущего на основе промышленного битума марки БНД 60/90 и разработанного модификатора;

- построение математической модели зависимости прочностных характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от состава при различных температурах эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в том, что: установлен характер влияния полимерных модификаторов (каучуков различных марок, вторичного полиэтилена высокого давления и др.) на дуктильность, пенетрацию и температуру размягчения полимербитумного вяжущего. Построена математическая модель зависимости «состав — свойства» модифицированного полимербитумного вяжущего и градиентным методом проведена оптимизация его состава; доказана зависимость характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от вида базальтового наполнителя и способа его введения. Установлено взаимодействие между активными кремнийкислородными группами базальтового наполнителя и реакционно-способными группами каучука битума, составляющих основу модифицированного полимербитумного вяжущего, предложена схема их взаимодействия. Определено существенное влияние природы базальтового наполнителя на величины пористости и удельной поверхности его частиц- и их влияние на характеристики композиционного материала дорожно1 строительного назначения. построена математическая модель в виде системы математических уравнений, отражающих зависимость прочностных характеристик композиционного материала от состава при различных температурах его эксплуатации; установлен различный характер влияния ингредиентов композита на его прочностные характеристики при различных температурах; Практическая значимость работы:

- разработан двухкомпонентный модификатор, состоящий из каучука синтетического бутадиен-метилстирольного марки СКМС-30 АРКМ-15 и вторичного полиэтилена высокого давления, позволяющий направленно регулировать характеристики вяжущего.

- создан базальтонаполненный композиционный материал дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью, обеспечивающий сохранение прочностных характеристик после 50 циклов «замораживание-оттаивание».

7. Выводы

1. Разработан двухкомпонентный модификатор, состоящий из каучука синтетического бутадиен-метилстирольного марки СКМС-30 АРКМ-15 и полиэтилена высокого давления, позволяющий направленно регулировать характеристики вяжущего. Количество каждого из компонентов, которые вводятся в битум раздельно, определяется исходя их характеристик исходного битума. Создана математическая модель зависимости характеристик полимербитумного вяжущего от его состава и технологических параметров получения. Градиентным методом проведена оптимизация его свойств;

2. Установлена зависимость характеристик композиционного материала дорожно-строительного назначения от вида базальтового наполнителя и способа его введения. Доказано взаимодействие между активными группами базальтового наполнителя и реакционноспособными группами модифицированного полимербитумного вяжущего, предложена схема их взаимодействия. Определено существенное влияние природы базальтового наполнителя на величины пористости и удельной поверхности его частиц и их влияние на характеристики композиционного материала дорожно-строительного назначения. Построена математическая модель в виде системы математических уравнений, отражающих зависимость прочностных характеристик композиционного материала от состава при различных температурах его эксплуатации; установлен различный характер влияния ингредиентов композита на его прочностные характеристики при различных температурах;

3. Создан базальтонаполненный КМ дорожно-строительного назначения с повышенной долговечностью, обеспечивающий сохранение прочностных характеристик после 50 циклов «замораживание-оттаивание». Для стандартного композиционного материала прочностные характеристики снижаются после 25 и 50 циклов «замораживание-оттаивание» на 16 и 22% соответственно. При использовании модифицированного полимербитум-ного вяжущего и измельченной базальтовой ваты или измельченного базальта, снижения прочностных характеристик КМ после 25 циклов «замораживание-оттаивание» не наблюдается, а после 50 циклов, при использовании в качестве наполнителя измельченной базальтовой ваты, составляет -12%, а при использовании измельченного базальта прочностные свойства сохраняются.

1. Аминов Ш. X. Неокисленные дорожные битумы и асфальтобетоны на их основе / Ш. X. Аминов // Строительные материалы. 2003. -№10-С. 30.

2. Федоров В. В. Модифицированные дорожные битумы на основе нефтяного гудрона и нефтеполимерных смол / В. В.Федоров, А. М. Сыроежко, О. Ю. Бегак, В. А. Проскуряков, Г. И.Боровиков // Журнал прикладной химии. 2002. - Т.75, №6. - С. 70.

3. Гун Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун; Москва: Химия, 1973. 428 с.

4. Химерик, Т.Ю. Гидролизный лигнин, как наполнитель для дорожного асфальтобетона Текст.: Автореф. дисс. канд. техн. наук / Т.Ю. Химерик. Харьков: ХАДИ, 1984. - 20 с.

5. Печеный Б. Г. Битумы и битумные композиции / Б. Г. Печеный; Москва: Химия, 1990. 256 с.

6. Возможности получения и использования резинобитумных композиций / Д.Г. Шунин, А.Г. Филиппова, Н.А.Охотина, А.Г. Лиакумо-вич, Я.Д. Самуилов // Журнал прикладной химии. 2002. - №6.

7. Розенталь Д.А. Битумы: Получение и способы модификации / Д.А. Розенталь, A.B. Березников, И.Р. Кудрявцева и др.; Л.: ЛТИ. 1979. -79 с.

8. Рыбьев, И.А. Общий курс строительных материалов: учебное пособие для вузов / И.А. Рыбьев. М.: Высшая школа, 1987. - 584 с.

9. Воробьев, В.А. Технология полимеров: учебник для вузов / В.А. Воробьев, P.A. Андрианов. М.: «Высшая школа», 1971. - 360 с. .

10. Елшин, И.М. Полимерные материалы в ирригационном строительстве: учебное пособие / И.М. Елшин. М.: «Колос», 1974. - 192 с.

11. Рыбьев, И.А. Асфальтовые бетоны: учебное пособие для вузов / И.А. Рыбьев. М.: Высшая школа, 1969. - 218 с.

12. Влияние продуктов химического модифицирования атактического полипропилена на свойства битумных вяжущих материалов / В.П.Нехорошев, А.В.Нехорошева, Е.А.Попов, Л.П.Госсен // Журнал прикладной химии. 2001. - Т.4. - №8.

13. Нехорошев В.П., Нехорошева A.B., Госсен Л.П. и др.// Журнал прикладной химии. 2000. - Т. 73. - № 6. - С.996-999.

14. Аксененко И.В., Балахонов Е.Г., Нехорошев В.П. и др.// Пластмассы. 1986.-№ 5. - С.39-41.

15. Колбановская А. С. Дорожные битумы / А. С. Колбановская, В. В Михайлов; Москва: Транспорт, 1973. 261 с.

16. Использование серы для модификации асфальтобетона // Аналитический портал химической промышленности. Электронный ресурс. URL:http://vvww.newchemistr}'.ru/letter.php?nid=5401 &catid=5&pag eid2 (дата обращения 10.05.2008).

17. Радовский В. С. Вероятностно-геометрический подход к структуре и оценке физико-механических свойств материалов дорожной конструкции / В. С. Радовский; Актуальные вопросы механики дорожных одежд: сб. М., 1992. - С.4-36.

18. Липатов С. В. Физико-химические основы наполнения полимеров / С. В. Липатов; М.: Химия, 1990. 260 с.

19. Веренько В. А. Дорожные композитные материалы. Структура и механические свойства / В. А. Веренько; Мн.: Наука и техника, 1993.-246 с.

20. Веренько В. А. Новые материалы в дорожном строительстве / В. А. Веренько; Мн.: «Технопринт», 2004. 170 с.

21. Проблема повышения долговечности дорожных одежд и методы ее решения в США // Информационно-строительный портал. Электронный ресурс. URL: http://library.stroit.ru/articles/dorpokr/index.html (дата обращения 10.05.2008).

22. Веренько, В.А. Влияние элементарной серы на свойства органических вяжущих и бетонов / В.А. Веренько. М.: Известия вузов, Строительство и архитектура, 1985, №4. - с. 62-66.

23. Хрулев, В.М. Технология и свойства композиционных материалов для строительства / В.М. Хрулев. Уфа: ТАУ, 2001. - 168 с.

24. Хрулев, В.М. Основы технологии полимерных строительных материалов: учебник для вузов / В.М. Хрулев, Г.М. Шутова, Л.М. Безверхая. Минск: Высшая школа, 1991. -384 с.

25. Использование побочных продуктов производства серы в дорожном строительстве // Строительство и недвижимость. Электронныйресурс. URL: http://www.nestor.minsk.by/sn/1998/44/sn84422.htm (дата обращения 10.05.2008).

26. Модификация дорожных битумов добавками серы / А. М. Сыроеж-ко, О. Ю. Бегак, В. В. Фёдоров // Журнал прикладной химии. 2003. -№3.-С. 506-511.

27. Степаньян И, В. Использование серы как компонента асфальтобетона: автореф. . канд. хим. наук / Степаньян Иван Владимирович. -Москва, 1988.-20с.

28. Худякова Т. С. Адгезионные свойства нефтяных битумов и способы их корректировки: тем. обзор / Т. С. Худякова, Д. А. Розенталь, И. А. Маликова; Москва: ЦНИИТЭнефтехим, 1991. №3. - С. 40.

29. Лукашевич В. Н. Увеличение срока службы асфальтобетонных покрытий за счет двухстадийного введения органических связующих в процессе производства асфальтобетонных смесей // Строительные материалы. 2003. - №1 - С. 24.

30. Воронков М.Г. Реакции серы с органическими веществами / М.Г. Воронков, Н.С. Вязанкин, Э.Н. Дерягина и др.; Новосибирск: Наука, 1979.-368 с.

31. Эффективный модификатор битума "KRATON D" // Официальный сайт компании ПОЛИХИМ. Электронный ресурс. URL: http://www.polychem.ru/art/bitum-l.html (дата обращения 05.12.2009).

32. Vonk W. Extensions of the service temperature range of road binders with SB S thermoplastic elastomers / W. Vonk, C. Valkering // Proceedings of the 1996 ARRB ROADS 96 conference, Christchurch, September 1996.

33. Полимерно-битумные вяжущие: особенности структуры и свойств // Аналитический портал химической промышленности. Электронный ресурс. URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?nid= 5490 (дата обращения 10.05.2008).

34. Асфальтобетон на битум-полимерных вяжущих // Федеральный портал по научной и инновационной деятельности Электронный ресурс. URL: http .7/www.sci-innov.ru/icatalognew/?entryid=l 4224 (дата обращения 10.05.2008).

35. Особенности структуры и свойств битумов, модифицированных полимерами // Информационно-строительный портал. Электронный ресурс. URL: http://library.stroit.ru/z-flill/v-search/i (дата обращения 10.05.2008).

36. Этиленовые сополимеры для модификации битумов // Строительство и недвижимость. Электронный ресурс. URL: http://www.nestor.minsk.by/sn/1999/39/sn93916.html (дата обращения 10.06.2008).

37. Компоненты мягких кровель // Официальный сайт компании КСК. Электронный ресурс. URL: http://kskstroi.ru/komponentymyagkih krovel (дата обращения 10.06.2008).

38. Кирилова Л.Г. Полимербитумные связующие на основе тройного этиленпропиленового синтетического каучука / Л.Г. Кирилова, H.A. Охотина // Строительные материалы. 2000. - №3. - С. 41.

39. Чечулин Д.В. Основы технологии полимерных композиционных материалов на основе модифицированных нефтяных битумов: Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 2004. - 135с.

40. Модификация полимерными добавками промышленных битумов/ Д.В. Чечулин, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, И.А. Ионов, В.П. Патронов// Пластические массы. 2004. -№11.- С.40-41.

41. Использование отходов производств химических волокон для модификации нефтяных дорожных битумов/ Д.В. Чечулин, И.А. Ионов, С.Е. Артеменко, С. В. Арзамасцев// Химические волокна. -2004.- №5.- С.52-55.

42. Модифицирование дорожного битума при производстве асфальтобетона/ Д.В. Чечулин, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, И.А. Ионов // Перспективы развития Волжского региона: Сб. трудов Всероссийской конференции / Тверь, 31 мая 2001.- Тверь, 2001. С. 121.

43. Модификация битумного связующего для производства асфальтобетона в дорожном строительстве / Д.В. Чечулин, C.B. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, И.А. Ионов // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка.

44. Применение. Экология: Доклады Межд. конф. «Композит 2001». -Саратов, 3-5 июля 2001. - Саратов, 2001. - С.290-293.

45. Использование полимерных отходов для модификации промышленных битумов / Д.В.Чечулин, C.B. Арзамасцев, С.Е.Артеменко, И.О.Ионов // Экологические проблемы промышленных городов: Сб. научных трудов / Сарат. гос. техн. ун-т. — Саратов, 2003. — С.219-223.

46. Ионов И.А. Физико-химические принципы модификации полимер-битумного вяжущего: Дисс. . канд. техн. наук. Саратов, 2005. -142с.

47. Бек-Булатов А. И. Применение Styrodur С в автодорожном строительстве / А. И. Бек-Булатов // Строительные материалы. — 2000.-№12.-С. 27.

48. Беляев А. А. Применение битумно-полимерных материалов для гидроизоляции мостов / А. А. Беляев // Строительные материалы. -2000.-№12.-С. 54.

49. Унгер Ф. Г. и др. // Автомобильные дороги. 1998. - № 11. - С.13622.23.

50. Родькин А.П. Применение Stabilenka и армирующей сетки HaTelit автодорожном строительстве/ А.П.Родькин // Строительные материалы. 2000. - №12. - С.31.

51. Базальтовые волокна // Сайт компании Basaltoplastic Ltd (UK). Электронный ресурс. URL: http://basaltoplastic.com/index.php? option=comcontent&task=view&id =12&Itemid=28&lang=ru (дата обращения 10.06.2008).

52. Дорожные сетки из стеклянного и базальтового волокна-популярный армирующий материал // Сайт компании ОАО Судо-годское стеловолокно. Электронный ресурс. URL: http://www.elcom.ru/~sudoglas/nets.htm (дата обращения 10.06.2008).

53. Мешков E.B. Исследование механических характеристик базальто-пластика с продольно-поперечной схемой армирования. /Е.В Мешков, В.И Кулик, З.Т. Упитис, A.C. Нилов.// Механика композиционных материалов. 1988. - № 5. - с. 929-931.

54. Джигирис Д.Д. Перспективы развития производства базальтовых волокон и области их применения// Строительные материалы. 1979. -№10. С.12-13

55. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. — М.: Металлургия, 1969. 157с.

56. Налимов В.В. Планирование эксперимента // Журнал ВХО им. Менделеева. том XXV. -1980. - №1. - С.3-4.

57. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1985. - 448с.

58. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1975. - 283 с.

59. Новые идеи в планировании эксперимента / Под ред. В.В. Налимо-ва. М.: Наука, 1969. - 336с.

60. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. М.: Издательство МИСИС, 1971. - Раздел IV. Планирование экспериментов при изучении диаграмм состав - свойство. -148 с.

61. Gorman J.W., Hinman J.E. Simplex lattice design for multicomponent system / Technometrics, 1962. - v.4. - №4. - C. 463.

62. Neider J.A., Mead R. A Simplex method for function minimization / Computer Journal. 1965. - №7 - C.308-313.

63. Саутин C.H. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. — Л.: Химия, 1975. — 48с.

64. Унгер Ф. Г. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смоли асфальтенов / Ф. Г. Унгер, JI. Н. Андреева; Новосибирск: Наука, 1995.-192 с.

65. Сергиенко С. Р. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. Смолы и асфальтены / С. Р. Сергиенко, Б. А. Таимова, Е. И Талалаев; Москва: Наука, 1979. 269с.

66. Богомолов А. И. Химия нефти и газа / А. И. Богомолов, А. А. Гайле, В.В. Громова; Ленинград: Химия, 1989. 424с.

67. ГОСТ 22245-90 Битумы нефтяные дорожные вязкие. взамен ГОСТ 4951-79; введ. 01.07.90 до 01.07.95. - Москва: Изд-во стандартов, 1985.-Юс.

68. Махлис Ф. А. Терминологический справочник по резине: справ, изд-е / Ф. А. Махлис; М.: Химия, 1989. 400с.

69. Гармонов И. В. Синтетический каучук / под ред. И. В. Гармонова; 2-е изд., доп. и перераб. Л.: Химия, 1983. — 560с.

70. Белозеров Н. В. Технология резины / Белозеров Николай Вячеславович; М.: Химия, 1965. 660с.

71. ГОСТ 11138-78 Каучуки синтетические бутадиен-метил стирольный СКМС-ЗОАРКМ-15 и бутадиен-стирольный СКС-ЗОАРКМ-15. Технические условия; введ. 01.01.1980. - Москва: Государственный комитет СССР по стандартам, 1978. - 38с.

72. Каучуки СКЭПТ // Сайт компании Русхимсеть. Электронный ресурс. URL: http://www.rushimset.ru/products/26/70.php (дата обращения 22.02.2010)

73. Каучук синтетический этиленпропиленовый СКЭПТ-50 ТУ 2294022-05766801-2002 // Сайт компании Кама Кемикал. Электронный ресурс. URL: http://kamachem.ru/prod/skept.html (дата обращения 22.01.2009)

74. Бутадиен-нитрильные каучуки // Химик. Электронный ресурс. URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/652.html (дата обращения1205.2009).

75. Каучуки синтетические бутадиен-нитрильные // ВФ ФГУП «НИИСК». Электронный ресурс. URL: http://www.niisk.vrn.ru/ckn. html#top (дата обращения 12.05.2009).

76. Поляков А. В. Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза / А. В. Поляков, Ф. И. Дунтов, А. Э. Софиев и др.; JL: Химия, 1988. 200с.

77. ГОСТ 16337-77 Полиэтилен высокого давления. Технические условия; введ. 01.01.1979 Москва: Министерство химической промышленности СССР, 1977. - 51с.

78. Сера // Википедия. Электронный ресурс. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Cepa (дата обращения 10.05.2011).

79. Б. В. Некрасов Основы общей химии. — 3-е изд., исправленное и доп.-М.: Химия, 1973.-Т. 1.-656с.

80. Андреевская Г.Д. Адгезия эпоксидных смол к волокнам из базальта / Г.Д. Андреевская, Ю.А. Горбаткина, И.Р. Ладыгина // Физико-химия и механика ориентированных стеклопластиков: Сб. науч. тр. -М.: Наука, 1966. С.80-83.

81. Базальтовые ткани представляют собой современные теплоизоляционные и армирующие материалы // Сайт компании Стройинжи-ниринг. Электронный ресурс. URL: http://www.vimas.ru/steklo/st05.htm (дата обращения 22.01.2010).

82. Новые ткани из базальтовых волокон / Л.В. Торопина, Г.Г. Васюк, В.М. Дяглев и др. // Хим. волокна. 1995. - №1. - С.60-61.

83. Влияние влагосодержания на прочность базальтопластиков. // Н.Д Дык, Ю.В.Суворова, С.И. Алексеева и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. - Т.66, № 12 . - С.44-48.

84. Методы испытаний дорожно-строительных материалов: сборник. -Саратов, 2001. 568с.

85. Колышев В. И. Асфальтобетонные и цементобетонные смеси: справочник / В. Н. Колышев, П. П.Костин, В. В. Силкин, Б. А. Соловьёв; Москва: Транспорт, 1982. 207с.

86. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного строительства. взамен ГОСТ 12801-84; введ. 01.01.1999. - Москва: Изд-во стандартов, 1998. - 32с.

87. Государственные и межгосударственные стандарты на дорожно-строительные материалы (Технические условия): сборник. 3-е изд., доп. - Саратов, 2004. - 570с.

88. ГОСТ 9128-97 Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон (Технические условия). взамен ГОСТ 9128-84; введ. 01.01.1999. - Москва: Изд-во стандартов, 1998. - 15с.

89. Базальтопластики новые материалы дорожно-строительного назначения /Артеменко С.Е., Арзамасцев C.B., Шатунов Д.А., Вязен-ков A.A. //Химические волокна. - 2008. - № 6. - С. 11-14;

90. Артеменко С.Е. Базальтовое волокно как эффективный армирующий материал для дорожного строительства /Артеменко С.Е., Арзамасцев C.B., Шатунов Д.А. //Пластические массы. — 2008. № 1. — С.19-21.

91. Арзамасцев C.B. Усовершенствование процесса получения высококачественного дорожного покрытия /Арзамасцев C.B., Шатунов Д.А., Артеменко С.Е. //Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2009. — № 1 (49). С.39-41.

92. Оптимизация процесса получения полимербитумного вяжущего методом Бокса-Уилсона /Арзамасцев C.B., Шатунов Д.А., Артеменко С.Е. //Известия Волгоградского государственного технического ' университета. 2009. - № 1 (49). - С.83-84.