Восстанавливающие и защитные материалы для обработки поверхности дорог

Состояние покрытия автомобильной дороги во многом определяет социально-экономическое развитие развитых стран. Увеличение числа транспортных средств и нагрузки на дорожное полотно приводит к преждевременному разрушению сплошности асфальтобетонного покрытия, что способствует увеличению объема ремонтно-восстановительных работ [1].

Эффективным методом предотвращения разрушительных процессов в покрытии является его обработка различными защитными и восстанавливающими составами (ЗВМ) [2 - 4].

Основная цель использования таких составов – формирование прочного защитного слоя, глубоко проникающего в объем дорожного композита, обеспечивающего кольматацию порового пространства и устойчивого к воздействию жидких сред (воды, растворов различных химических агентов) [5].

Первые упоминания об исследовании защитных или восстанавливающих составов относятся к 1970-м гг. [6]. Проводилась оценка глубины проникновения таких составов в асфальтобетон по показателям пенетрации и вязкости битумного вяжущего, извлеченного из покрытия [7]. Исследователями из Китая [8] изучалась пропиточная способность восстанавливающих материалов (реюниваторы) на различной основе. Установлено, что все рассматриваемые реюниваторы увеличивают пластичность «состаренного» вяжущего в верхнем слое асфальтобетонного покрытия на глубине 1 см, а эмульсия на основе смолы и реюниватор из восстановленного асфальтового вяжущего способны проникать на глубину до 2 см.

Группой ученых [9] установлено, что фактором, влияющим на уменьшение пустотности асфальтобетона после обработки реюниватором, является скорость его подачи на поверхность покрытия. Однако для обоснования зависимости описанного эффекта требуется дополнительные исследования из-за наличия взаимосвязи с функциональностью обрабатываемого покрытия.

Обобщая существующие исследования, можно сделать вывод, что одними из недостатков существующих защитно-восстанавливающих материалов, применяемых для поверхностной обработки асфальтобетонных покрытий, является снижение коэффициента сцепления колеса транспортного средства с покрытием автомобильной дороги, недостаточная устойчивость к истирающим воздействиям, вследствие низкого адгезионного сцепления, их низкая текучесть (высокая вязкость) при эксплуатационных температурах окружающей среды, что снижает их скорость проникновения в структуру асфальтобетона [5 - 9]. В связи с этим в настоящее время актуально применение жидких композиций на основе битума, в которых используются органические растворители с дополнительными модификаторами. Отечественные научно-исследовательские работы направлены не на изучение влияния компонентного состава и технологических процессов приготовления ЗВМ на свойства асфальтобетона, а на подбор рационального соотношения компонентов в составе [10, 11]. Поэтому формирование знаний и опыта позволит ликвидировать существующие проблемы в данной области.

Материалы и методы исследования

Для разработки наномодифицированного состава ЗВМ использовался экспериментальный метод, для оптимизации состава - аналитический метод.

Для приготовления ЗВМ применяли нефтяной дорожный битум марки БНД 90/130 производства ПАО «Лукойл».

В качестве модифицирующего компонента рассматривались нефтеполимерные смолы (НПС): пиропласт 2К – продукт пиролиза фракции С 9 при 125–200 °С с термической полимеризацией; инден-кумарон – продукт термической и/или каталитической полимеризации фракции С 9 при 120 - 210 °С продуктов пиролиза, производства группы компаний «Еврохим».

В качестве органических растворителей использовали: растворитель 1 – продукт дистилляции нефти, смесь жидких ароматических и алифатических углеводородов (не более 50 % из каждой группы), производства ЗАО «НХК АРИКОН»; растворитель 2 – продукт прямой ректификации среднедистиллятной фракции нефти, с температурой кипения в диапазоне 150– 250 ° С, производства ЗАО «НХК АРИКОН».

Для наномодифицирования ЗВМ применяли углеродные нановолокна (УНВ): углеродная нанофибра (УНФ) Pyrograf III Carbon Nanofiber – одномерные нитевидные наномасштаб-ные частицы графита, не имеющие ярко выраженной цилиндрической ориентации графеновых слоев, а также внутренней полости, производства OOO (Inc.) Pyrograf Products, США.

Введение углеродной нанофибры в композицию ЗВМ производили посредством предварительного распределения в растворителе с помощью ультразвукового диспергатора Sonics Vibra-Cell.

Внешний вид образцов дисперсных сред «растворитель – углеродная нанофибра» до и после воздействия ультразвукового диспергирования (УЗД) представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид образцов:

а - до и б - после воздействия ультразвукового диспергирования;

в - микрофотография углеродного наномодификатора после УЗД

Дисперсность углеродной нанофибры определяли на приборе Zetatrac методом лазерной дифракции.

Выбор указанного наноразмерного модификатора обосновывается следующим:

• 1)    наноразмерные углеродные системы имеют высокое сродство с органическими растворителями и нефтяным битумом (об этом свидетельствуют многочисленные положительные результаты, полученные отечественными и зарубежными исследователями);

• 2)    углеродная нанофибра имеет более низкую стоимость по сравнению с одно- и многослойными нанотрубками соответственно в среднем в 25 и 8 раз.

Приготовление защитно-восстанавливающих материалов в лабораторных условиях осуществлялось при последовательном многостадийном перемешивании: первый этап – модифицирование битумного вяжущего нефтеполимерной смолой (пиропласт 2К или инден-кума-рон); второй – модифицирование органического растворителя углеродной нанофиброй (получение прекурсора); третий этап – совмещение прекурсора и модифицированного битумного вяжущего – наномодифицированный ЗВМ.

Результаты и обсуждение

Для выбора эффективной из рассматриваемых НПС производилась оценка их влияния на физико-механические свойства битумных вяжущих (табл. 1).

Таблица 1 Влияние содержания НПС на физико-механические свойства битума

Наименование показателя	Метод, ГОСТ	Содержание НПС, %, сверх 100 % от массы битума
		0	3	6	9	12	15
инден-кумарон
Глубина проникания иглы, при 25 ° С	11501	73	74	79	68	47	41
Глубина проникания иглы, 0 ° С	11501	29,5	30	32	23	19	18
Температура размягчения по методу КиШ, ° С	11505	47	47	48	50	51	52
Адгезия, балл	12801	2	3	4	4	4	4

Продолжение таблицы 1

Наименование показателя	Метод, ГОСТ	Содержание НПС, %, сверх 100 % от массы битума
		0	3	6	9	12	15
пиропласт-2К
Глубина проникания иглы, при 25 ° С	11501	73	72	61	53	50	49
Глубина проникания иглы, при 0 ° С	11501	29,5	29	26	21	21	18
Температура размягчения по методу КиШ, ° С	11505	47	47	48	49	49	50
Адгезия, балл	12801	2	2	3	3	4	4

Оценку влияния содержания нефтеполимерных смол на модифицирование битумного вяжущего производили по следующим частным критериям:

• -    критерий I C j , характеризующий влияние содержания нефтеполимерных смол на глубину проникания иглы при 0 и 25 ^оС, температуру размягчения и адгезионное сцепление:

  I cj =

  
  

  j ( НПС ) jБ ( Бит )

  ¹ j ( Бит )

  
  

  ■ — - 100% , с_i

  
  
  
  

где Ij(НПС) - численное значение показателя свойства битума с НПС; Ij(Бит) - численное зна- чение показателя свойства нефтяного битума; сi – содержание НПС, % по массе.

Представленные частные критерии использовались также для вычисления средних значений частных критериев в исследуемом температурном диапазоне и приведенных критериев качества, а именно:

I

n

Z I Cn 2,

F

;

n

n

I

C j

n

,

где n – количество частных критериев.

Результаты расчета, частных и приведенного критериев качества представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Частные критерии, характеризующие вклад единицы массы содержания нефтеполимерных смол в модифицирование битумного вяжущего

Частные критерии качества	Содержание НПС, %
	3	6	9	12	15
инден-кумарон
I C п 25	0,46	1,37	-0,76	-2,97	-2,92
I Cn о	0,56	1,41	-2,45	-2,97	-2,60
I разм	0,00	0,35	0,71	0,71	0,71
I C Адгезия	16,67	16,67	11,11	8,33	6,67

Продолжение таблицы 2

Частные критерии качества	Содержание НПС, %
	3	6	9	12	15
пиропласт 2К
IC i П 25	-0,46	-2,74	-3,04	-2,63	-2,19
IC i П 0	-0,56	-1,98	-3,20	-2,40	-2,60
I i разм	0,00	0,35	0,47	0,35	0,43
I C Адгезия	0,00	8,33	5,56	8,33	6,67

Таблица 3

Средние значения приведенных критериев качества

Критерий качества	Содержание НПС, %
	3	6	9	12	15
инден-кумарон
FC i	4,1	5,0	2,1	1	0,70
пиропласт 2К
F C i	0,5	1,50	0,5	1,2	0,70

Анализ полученных результатов (см. табл. 3) показывает, что наибольший модифицирующий эффект, оцениваемый величиной критерия F _C , при введении в битумное вяжущее рассмотренных нефтеполимерных смол наблюдается при их содержании 6 %. Указанное содержание НПС использовано для проведения дальнейших исследований и разработок.

На втором этапе разработки состава наномодифицированного защитно-восстанавливаю-щего материала осуществлялась оптимизация базового (контрольного) состава. На данном этапе необходимо подобрать растворитель, совместимый с органическим вяжущим, а также позволяющий обеспечить максимальное диспергирование углеродной нанофибры и стабильность ее суспензии.

Диспергирование углеродной нанофибры производили в двух растворителях. При этом получали суспензии с двумя концентрациями углеродной нанофибры С 1 = 0,001 % и С 2 = 0,01 %. Оценку качества диспергирования производили по величине приведенного диаметра дисперсной фазы (углеродной нанофибры) в суспензии (рис. 2).

б

Рисунок 2 – Влияние времени ультразвука на средний приведенный диаметр углеродной нанофибры в суспензии: а - растворитель 1; б - растворитель 2

Полученные результаты (см. рис. 2) показывают, что зависимость среднего приведенного диаметра углеродной нанофибры в суспензии от продолжительности диспергирования имеет экстремальный характер. Наименьшее значение среднего приведенного диаметра углеродной нанофибры в суспензии для растворителя 1 наблюдается после 3 мин диспергирования, а для растворителя - после 2-4 мин диспергирования и для суспензии с растворителем 1 составляет 143-184 нм, а с растворителем 2 – 108-139 нм (в зависимости от концентрации углеродной нанофибры). Однако суспензии на основе растворителя 2 не являются стабильными, и через 7 сут хранения наблюдается выпадение осадка. Поэтому далее для приготовления суспензии использовался растворитель 1.

Для ЗВМ при прочих равных условиях важными показателями качества являются однородность материала, которая должна сохраняться в течение заданного периода времени, время высыхания и адгезионное сцепление. Установление оптимального соотношения компонентов ЗВМ и оценка их совместимости были проведены для трех составов (табл. 4, 5).

Таблица 4

Процентное соотношение компонентного состава ЗВМ

Наименование компонентов	№ состава, содержание компонентов, %
	1	2	3
Модифицированное вяжущее: - БНД 90/130 - 100 % - НПС инден-кумарон - 6 %	45	55	65
Растворитель 1	55	45	35

Таблица 5

Технологические и эксплуатационные свойства ЗВМ

Наименование показателей качества	Требования ОДМ 218.3.073-2016	Фактические результаты, составы
		1	2	3
Время высыхания, мин	не более 180	55	60	95
Однородность, через 7 сут	одно	родно, комки и сгустки отсутствуют
Адгезия, балл	не менее 4	3	4	4

Результаты, представленные в таблице 5, показывают, что состав № 1 не соответствует требованиям ОДМ 218.3.073-2016 по адгезионному сцеплению. По этому показателю можно использовать только составы № 2 и 3. При этом по показателю «время высыхания» все исследуемые составы соответствуют требованиям: максимальное значение имеет состав № 3 (95 мин), а минимальное значение – состав № 1 (55 мин). По однородности также все составы соответствуют требованию нормативно-технического документа. В связи с этим выбор состава ЗВМ может осуществляться по обобщенному критерию вида:

3 m

ag un , I _t

где I t – показатель «время высыхания» (60 – нормировочный коэффициент); I ag – показатель «Адгезия» (при выполнении требования нормативно-технического документа по адгезии I ag = 1; при невыполнении требования – I ag = 0); I un – показатель «однородность» (при отсутствии сгустков и комков I un = 1; при наличии сгустков и комков – I un = 0).

Значения обобщенного критерия F m для состава № 1 F m = 0, для состава № 2 – F m = 1, а для состава № 3 – F m = 0,86.

Таким образом, по указанным показателям качества оптимальным является состав № 2, содержащий модифицированное битумное вяжущее – 55 %, растворитель 1 – 45 %.

Положительное влияние наноразмерных модификаторов на свойства битумных материалов широко известно [19, 20]. Введение наномодификатора в ЗВМ позволит дополнительно структурировать мальтеновую составляющую модифицированного битумного вяжущего, что будет способствовать увеличению ее когезионной и адгезионной прочности.

На третьем этапе разработки наномодифицированного состава защитно-восстанавлива-ющего материала осуществлялся подбор оптимального содержания наномодификатора – углеродной нанофибры (табл. 6).

Таблица 6

Процентное соотношение компонентного состава и свойства наномодифицированного ЗВМ

Наименование	№ состава
	контрольный	1	2	3
	Содержание компонентов, %
Модифицированное вяжущее: - БНД 90/130 – 100 % - НПС инден-кумарон – 6 %	55
Растворитель 1	45
Углеродная нанофибра	–	0,001	0,01	0,1
Наименование показателей качества	Фактические результаты
Время высыхания, мин	60	50	43	42
Однородность, через 7 сут	однородно, комки и сгустки отсутствуют
Однородность, через 21 сут	осадок	однородно
Адгезия, балл	4	5	5	5

Результаты, представленные в таблице 6, показывают, что введение углеродной нанофибры в исследуемом диапазоне позволяет улучшить адгезионное сцепление на 25 % и сокра- тить продолжительность высыхания на 16-30 %.

Для исследования влияния разрабатываемых защитно-восстанавливающих материалов на показатели качества асфальтобетона была подобрана и испытана смесь щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА), соответствующая по зерновому составу типу ЩМА-15. Проектирование состава асфальтобетонной смеси проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 31015-2002. Для сравнительного анализа результатов разработки ЗВМ производилось сравнение с существующими промышленными аналогами отечественного (Брит-ЗВС) и зарубежного (Суртреат) производства, расход которых соответствовал рекомендуемым от производителя – 1,0 и 0,35 дм3/м2 соответственно. Расход разрабатываемого ЗВМ составил 0,35 дм3/м2.

Выбор оптимального состава ЗВМ осуществлялся по величине обобщенного критерия качества, рассчитываемого по формуле (5):

Fк = Kфм =  kR 20 ⋅ kRp ⋅ ktg ⋅ kC ⋅ kW

где kR20 – коэффициент, учитывающий относительное изменение предела прочности при сжатии; kRp – коэффициент, учитывающий относительное изменение трещиностойкости при сжатии; ktg – коэффициент, учитывающий относительное изменение коэффициента внутреннего трения; kC – коэффициент, учитывающий относительное изменение сцепления при сдвиге; kW – коэффициент, учитывающий относительное изменение водостойкости при длительном во- донасыщении.

Оптимальному составу соответствует максимальное значение обобщенного критерия качества. Результаты экспериментальных исследований свойств асфальтобетонных образцов, обработанных ЗВМ с различным содержанием нанофибры, и образцов, обработанных аналогами, представлены в таблице 7.

Таблица 7

Влияние ЗВМ на свойства асфальтобетона

Значения обобщенного критерия качества

Наименования показателей	Значение показателя
	контр. образцы	образцы, обработанные ЗВМ
		суртреат (США)	БРИТ-ЗВС (РФ)	1	2	3
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре 20 °С	3,9	4,3	4,2	4,4	4,4	4,4
Трещиностойкость, МПа, при температуре 0 °С	3,1	3,9	4,4	4,2	4,5	4,7
Коэффициент внутреннего трения	0,94	0,94	0,94	0,94	0,94	0,94
Сцепление при сдвиге, при температуре 50 °С, МПа	4,24	3,12	3,11	4,20	4,30	4,50
Водостойкость при длительном водонасы-щении	0,89	0,95	0,93	0,98	0,98	0,99

Результаты расчета обобщенного критерия качества представлены в таблице 8.

Таблица 8

Наименования показателей	Значение показателя
	контр. образцы	обработанные образцы ЗВМ
		суртреат (США)	БРИТ-ЗВС (РФ)	1	2	3
Предел прочности при сжатии, при температуре 20 °С, МПа	1,00	1,10	1,08	1,13	1,13	1,13
Трещиностойкость, при температуре 0 °С, МПа	1,00	1,23	1,39	1,33	1,43	1,49
Коэффициент внутреннего трения	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
Сцепление при сдвиге, при температуре 50 °С, МПа	1,00	0,74	0,73	0,99	1,01	1,06
Водостойкость при длительном водонасы-щении	1,00	1,07	1,04	1,10	1,10	1,11
Обобщенный критерий качества	1,00	1,01	1,00	1,10	1,12	1,15

Из данных таблицы 8 следует, что введение углеродной нанофибры в количестве 0,001…0,1 % от массы ЗВМ обеспечивает повышение эффективности действия пропиточного состава на свойства асфальтобетона. Наномодифицированный защитно-восстанавливающий материал состава № 3 характеризуется максимальным значением обобщенного критерия качества. При этом его применение позволяет повысить показатели эксплуатационных свойств: предела прочности – на 12,8 %; трещиностойкости – на 49 %; сцепления при сдвиге – на 6,1 % и водостойкости – на 11 %.

Также установлено, что существующие промышленные аналоги ЗВМ российского и зарубежного производства по совокупности показателей не оказали существенного влияния на свойства асфальтобетона, что делает исследования, направленные на разработку эффективных составов ЗВМ, актуальными и перспективными.

Заключение

• 1.    Предложен критерий расчета степени модифицирования нефтеполимерными смолами битумного вяжущего с учетом вклада модификатора. Установлено, что оптимальное содержание нефтеполимерной смолы составляет 6 %.

• 2.    Установлен растворитель, обеспечивающий диспергирование углеродной нанофибры до размеров диаметра 143 - 184 нм и стабильности суспензии до 7 сут.

• 3.    Показана возможность применения одного из побочных продуктов в нефтехимической промышленности – нефтеполимерной смолы – в качестве модификатора в защитно-вос-станавливающих материалах. Это будет способствовать решению проблемы утилизации отходов химического и нефтехимического производства. Однако необходимо отметить, что составы ЗВМ, содержащие указанный модификатор – нефтеполимерную смолу, характеризовались низкой адгезионной способностью. Введение углеродной нанофибры в количестве 0,001…0,1 % от массы защитно-восстанавливающего материала позволяет дополнительно структурировать мальтеновую составляющую модифицированного битумного вяжущего, что способствует усилению модифицирующего эффекта по повышению показателей эксплуатационных свойств асфальтобетона: предела прочности – на 12,8 %; трещиностойкости – на 49 %; сцепления при сдвиге – на 6,1 % и водостойкости – на 11 %.