На правах рукописи
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
Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете
Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор кандидат химических наук, доцент |
Ведущая организация: | ГОУ ВПО «Волгоградский |
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 ( 7).
Отзыв на автореферат просим направлять по адресу: 410054 7, Саратовский государственный технический университет и e-mail: *****@***ru
Автореферат разослан 20 апреля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета |
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 ХХ1 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 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 250С, пенетрации (глубине проникновения иглы в образец битума) при 0 и 250С 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 0С 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 0С 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 1600С 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 0С и замене растворителя положительного результата не достигнуто. Отмечен различный характер влияния каучуков на дуктильность при 250С (рис. 2). Если введение СКМС не снижает данной характеристики ПБВ, то при использовании каучуков марок СКЭПТ и БНК отмечается довольно значительное его уменьшение.
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 0С. (рис. 3, 4). Установлено, что наибольшее увеличение наблюдается при введении каучуков марок СКМС и БНК.
Таким образом, введением эластомеров удается увеличить дуктильность и пенетрацию вяжущего, однако при этом происходит снижение температуры размягчения, что является нежелательным. Анализ литературных данных показал эффективность использования в составе полимербитумного вяжущего различных сшивающих агентов. Каучуки увеличивают эластические свойства битума, а сшивающие агенты позволяют создать пространственную сшитую 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 250С 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 0С (рис. 6). Однако при этом наблюдается резкое снижение дуктильности и пенетрации (рис. 7-9).
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 0С.
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 0С на 25%, и базальтовой нити, повышающей разрушающее напряжение при сжатии при 20 и 50 0С на 20 и 50% соответственно (рис. 10, 11).
Введение базальтовой ваты в количестве более 0,4% масс. приводит к ее комкованию и невозможности равномерного распределения в объеме композита.
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 500С (рис. 12, 13). Так, если при введении кондиционной базальтовой ваты и базальтовой ткани происходит снижение характеристик на 7-23% (при 200С) и 8-32% (при 500С) соответственно, то при армировании некондиционной базальтовой ватой и волокном происходит значительное увеличение прочности на 8-15% (при 200С) и 12-28% (при 500С) 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.
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 0С на 16-17%. При введении 10% измельченного базальта происходит незначительное снижение на 4% данной характеристики.
Аналогичные зависимости получены и при температуре испытаний 50 0С, 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).
Отмечено увеличение прочности при сжатии при 20 0С с увеличением содержания дисперсного базальта с 0,4 до 10 % на % (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.
|
|
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 %.
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 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=О (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 –С≡N участвует в межмолекулярном взаимодействии, на что указывает ослабление относительной интенсивности полос поглощения этой связи в ИК-спектре образцов ПБВ.
Рис. 23. Данные ИКС: 1 – композиция «битум + СКМС + ПЭВД»;
2 – исходный битум; 3 – каучук СКМС; 4 – ПЭВД
|
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).
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.
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 Si–О (1091 см-1) в ПБВ на две компоненты (1062 см-1 и 1031 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:
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=О → Силикат–О–С–О–
· Силикат–ОН + С≡N → Силикат–О–С=NН
· Силикат–ОН + –СН → Силикат–О–СН2–
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 00С, эта характеристика была выбрана в качестве основного параметра оптимизации (обозначено Y1). В силу того, что выбранная характеристика не в полной мере отражает все потребительские свойства полимербитумного вяжущего, в качестве дополнительных параметров оптимизации выбраны дуктильность при 250С (обозначено Y2), пенетрация полимербитумного вяжущего при 0 и 250С (обозначено соответственно Y3 и Y4) и температура размягчения по КиШ (обозначено Y5).
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 (Х1), количество вводимого в композицию ПЭВД (Х2) и время гомогенизации композиции (Х3)
В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии:
Оптимизацию состава ПБВ проводили градиентным методом. Для этого в качестве критерия оптимальности приняли дуктильность при 00С. В качестве базового фактора использовали Х1 – содержание каучука в составе композиции. Вычисляли произведение соответствующего коэффициента регрессии b1 на интервал варьирования 
как 
, т. е. 2,438 * 0,5= 1,22.
При выборе шага движения
руководствовались правилом:
Принимая 
вычисляли коэффициент g по отношению
Учитывая полученные ранее данные, значение фактора Х3 фиксировали на уровне +1 (время гомогенизации равном 60 минутам).
Для фактора Х2 шаги движения к оптимальным значениям рассчитывали как
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 50,50С.
Таблица 1
Результаты градиентного метода оптимизации состава
№ опыта | X1 | X2 | Y1, см | Y2, см | Y3, *0,1 мм | Y4, *0,1 мм | Y5, 00С |
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 |
11 | 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 500С (обозначены соответственно Y1, Y2 и Y3).
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 (Х3)
В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии:
Из полученных уравнений видно, что сила и характер влияния факторов на прочность при сжатии при различных температурах существенно меняются. Так, отрицательный при 00С характер влияния содержания каучука в составе композиционного материала на его прочность при сжатии при температурах 20 и 500С меняется на положительный. Содержание же ПЭВД в составе композиционного материала, вносящее существенный положительный вклад в прочность при сжатии при 00С, при температурах 20 и 500С 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 00С, почти отсутствует при 200С и вновь повышается при 500С. 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 процесса получения высококачественного дорожного покрытия / , , // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2009. № 1 (49). C. 39-41.
2. Шатунов процесса получения полимербитумного вяжущего методом Бокса-Уилсона / , , // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2009. № 1 (49). C. 83-84.
3. Шатунов волокно как эффективный армирующий материал для дорожного строительства / , С. В Арзамасцев., // Пластические массы. 2008. № 1. C. 19-21.
4. Шатунов – новые материалы дорожно-строительного назначения / , , // Химические волокна. 2008. № 6. C. 11-14.
5. Шатунов асфальта базальтовыми волокнами / , , // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология: материалы Междунар. конф. «Композит-2007», Саратов, 3-6 июля 2007 г. Саратов, 2007. C. 19-22.
6. Шатунов , армированный базальтовыми волокнами / , , // 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. C. 7-11.
7. Шатунов в системе полимербитумное вяжущее - базальтовое волокно / , , // Композиты ХХ1 века: материалы Междунар. симпозиума Восточноазиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям. Саратов, 20-22 сентября 2005 г. / СГТУ. Саратов, 2005. C. 234-239.
8. Шатунов основы создания композиционных материалов дорожно-строительного назначения / , , //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. C. 403-408.
9. Шатунов – высокоэффективное дорожное покрытие / , , //Третий Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. Ч. 1. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007.С.106-107. ISBN 3751-4
10. Шатунов базальтовых материалов для повышения качества дорожного покрытия / , , // 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. политехн. ун-та, 2009. С. 148-149.
11. А Разработка составов для дорожных покрытий с повышенными эксплуа тационными характеристиками / , , // 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 2155-1
12. А Отработавшая ресурс базальтовая вата – эффективный армирующий материал для композитов дорожно-строительного назначения / , , // 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 2275-6
Подписано в печать 15.04.11 Формат 60×84 1/16
Бум. тип. Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054 7
Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054 7
