Выбор ОРГАНИЧЕСКОЙ части гибридной добавки
для асфальтобетонов
, аспирант, , профессор, доктор технических наук,
, доцент, кандидат технических наук
ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет
В работе представлены результаты исследования растворимости каучуков в керосине, способных обеспечить сохранность слоя аппрета на поверхности минеральной части гибридной добавки. Определена марка каучука оптимального для использования в качестве органической части гибридной наноразмерной добавки для асфальтобетона.
В настоящее время при создании асфальтобетонных покрытий используют в качестве связующего окисленные битумы марок БНД, которые не позволяют получить дорожные покрытия с нужным комплексом свойств, особенно в эксплуатации при высоких или при пониженных температурах. В связи с этим основным направлением повышения качества и долговечности дорожных бетонов на основе органических вяжущих является использование модифицирующих добавок.
Анализ научно-технической литературы показал, что имеется значительное количество работ, посвященных улучшению свойств битумов с помощью добавления каучука. Синтетические каучуки увеличивают растяжимость битумов, их ударную прочность, снижают температуру хрупкости, повышают теплостойкость. Одним и основных направлений исследований в настоящее время является разработка способов введения каучука в битум, которые должны уменьшить деструкцию при нагреве и повысить эффективность введения добавки.
Введение каучука в битумное вяжущее в качестве аппрета в составе органоминеральной наноразмерной добавки является принципиально новой технологией модифицирования. В качестве органической составляющей гибридной добавки были рассмотрены жидкие каучуки: стереорегулярный полибутадиен СКДН-Н, полибутадиен смешанной микроструктуры (ПБН), Polyoil. Основные свойства каучуков приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные свойства каучуков, применяемых в качестве аппретирующего материала
Марка каучука | Молярная масса, г/моль | Плотность, кг/м3 | Вязкость, Па∙с ( Т = 25°С) | Содержание звеньев в полибутадиеновой цепи, % | ||
цис –1,4 | транс – 1,4 | – 1,2 | ||||
Стереорегулярный полибутадиен СКДН-Н (ТУ 38.) | 890 | 1,5 | 75,5 | 15 | 9,5 | |
Полибутадиен смешанной микроструктуры (ПБН) | 945 | 1,5 | 25-30 | 35-40 | 28-35 | |
Polyoil | 1800 | 871 | 0,9 | 75 | 24 | 1 |
Для лучшей адсорбции молекул каучука и их закреплению на поверхности минерального компонента добавки предварительно следует приготовить его растворы в каком-либо органическом растворителе. В работе предлагается использовать керосин. Для оценки возможности растворения предлагаемых каучуков в керосине был использован расчетный метод, предложенный в работах [1; 2]. Обязательным условием образования гомогенной (однофазной) термодинамически устойчивой смеси является уменьшение свободной энергии системы 
при совмещении компонентов:
(1)
где 
– теплота смешения компонентов; 
– энтропия смешения компонентов; 
– абсолютная температура.
Особенностью систем, содержащих органические соединения, является большое влияние энтропийного фактора. В соответствии с теорией Флори-Хаггинса изменение энтропии при смешении компонентов определяется по уравнению
, (2)
где 
– универсальная газовая постоянная; 
– соответственно, объемная доля и число моль i-го компонента.
Теплоту смешения при условии отсутствия специфических заимодействий между компонентами смеси (сольвации, комплексообразования и др.), согласно Дж. Гилдебрандту [2], можно определить по уравнению
, (3)
где 
– объем смеси; 
– параметр растворимости i-го компонента.
Из уравнения (1) и (2) следует, что растворение каучука в керосине возможно при равенстве параметров растворимости аппрета 
и керосина 
. В данной работе для расчета параметра растворимости жидких каучуков был использован метод Смола, основанный на предположении об аддитивности действия сил сцепления отдельных атомных групп и радикалов, входящих в состав молекулы. Если известна структурная формула вещества, применение метода не вызывает затруднений. Значение параметра растворимости рассчитывают по формуле:
, (4)
где 
– плотность вещества; 
– молекулярная масса вещества (элементарного звена полимера); 
– сумма констант притяжения отдельных атомных групп вещества (например, элементарного звена полимера).
Для расчета параметра растворимости керосина применяли формулу:
, (5)
где 
, 
, 
– соответственно энергия испарения, плотность и молекулярная масса керосина.
Для энергии испарения органических веществ применимо уравнение Троутона:
, (6)
где 
– константа, равная 89,12 Дж/(моль∙К); 
– температура кипения.
В табл. 2 представлены значения параметра растворимости керосина и каучуков.
Таблица 2
Результаты расчета параметра растворимости
Вещество | Параметр растворимости (Дж/см3)0,5 |
СКДН-Н | 14,60 |
ПБН | 16,03 |
Polyoil 110 | 15,11 |
Керосин | 14,19 |
На рис. 1 представлены диаграмма растворимости указанных аппретов в керосине в широком диапазоне изменения концентраций.
|
Рис. 1. Зависимость энергии Гиббса (процесса растворения) от вида и концентрации каучука (при температура растворения T=20оС) |
Анализ данных, представленных на рис. 1, показывает, что все каучуки предлагаемые в качестве аппрета обладают способностью к образованию гомогенной системы, но наилучшей растворимостью в керосине обладает каучук марки СКДН-Н.
При введении в вяжущее минерального сырья, обработанного аппретом возможно растворение каучука в битуме.
При расчете теплоты смешения в многокомпонентных системах возникает проблема, заключающаяся в ограниченности применения уравнения Гилдебранда, которое применимо только для бинарных систем. Решить задачу по вычислению теплоты смешения в многокомпонентных смесях (рассчитать изменение свободной энергии системы – энергии Гиббса при совмещении нескольких веществ) авторы работы [3] предлагают составлением матрицы теплот смешения компонентов, рассчитанных по уравнению (2):
. (10)
Теплоту смешения системы, содержащей N элементов, предлагается определить по формуле:
. (11)
После вычисления и определяют изменение энергии Гиббса при совмещении компонентов. Для установления возможности образования гомогенных систем и оптимизации составов модификаторов использовали полином Шеффе неполный третьего порядка от трех факторов: количества битума (Х1), каучука (Х2) и керосина (Х3). Результаты расчета приведены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость энергии Гиббса трехкомпонентной системы
«битум–каучук–керосин» от концентрации компонентов (при содержании битума 85%, Т=140оС)
Как видно из полученных данных, для обеспечения сохранности слоя аппрета на поверхности минеральной части гибридной добавки целесообразно использовать высококонцентрированные растворы каучука в керосине.
Литература
1. Евстратова и коллоидная химия [Текст] / , , // – М.: Высшая школа, 1990. – 486 с.
2. Энциклопедия полимеров [Текст] – М.: Советская энциклопедия, 1972. – Т.1 – 1224 с.
3. Королев -защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы [Текст] / , , . – М.; Палеотип, 2004. – 464 с.
