Казанские ученые определили состав компонентов для термостойкого асфальта
Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий (ИГиНГТ) Казанского федерального университета (КФУ) с участием коллег из Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН выяснили, каким должен быть состав дорожного вяжущего, чтобы асфальт на стадии подготовки и укладки выдерживал высокие температуры, сохраняя при этом высокие технические характеристики.
Вяжущим называется материал, как правило битум, который «склеивает» минеральные компоненты (щебень, песок, минеральный порошок) в единый прочный слой асфальтобетона.
«Когда готовят асфальтобетон, битум сильно нагревается: в местах контакта с горячим щебнем и нагревательными элементами температура подскакивает до экстремальных значений. В этот момент из битума начинают улетучиваться легкие компоненты, входящие в группу масел, в результате происходит разрыв межмолекулярных связей. Как следствие — преждевременное старение асфальтобетона, ухудшающее его прочностные характеристики еще до стадии укладки и эксплуатации», — пояснил руководитель направления, один из авторов исследования, заведующий кафедрой технологии нефти, газа и углеродных материалов ИГиНГТ КФУ Алим Кемалов.
Казанские ученые детально исследовали процессы деструкции полимерно‑битумных вяжущих (ПБВ), в том числе на основе исходного тяжелого нефтяного остатка (гудрона) и окисленного битума марки БНД 70/100. Чтобы оценить, как меняются составы полимерно‑битумных вяжущих при нагреве, исследователи применили синхронный термический анализ. Он позволяет одновременно отслеживать изменение массы образца и то, сколько тепла материал поглощает или выделяет. Так они смогли измерить ключевые параметры стойкости — энергию, которая необходима, чтобы запустить разрушение, и степень «хаоса» в структуре материала.
Оказалось, что добавление всего 5 процентов полимера типа СБС (стирол‑бутадиен‑стирол) к исходному вяжущему заметно повышает прочность смеси. Полимер, по мнению исследователей, в составе вяжущего работает как «невидимый глазу каркас», позволяющий удерживать легкие компоненты масел. Чтобы разрушить такую упорядоченную структуру, нужно затратить больше энергии, поэтому вяжущее с полимером выдерживает более высокую температуру нагрева.
«При условии перегрева компаунда «полимерный каркас» (сетка) рушится, и разрушение происходит более интенсивно», — отметил Алим Кемалов.
При производстве ПБВ иногда применяют пластификаторы. Казанские ученые использовали прямогонную вакуумную фракцию, применение которой способствует более равномерному распределению полимера в составе битумного вяжущего и обеспечивает более высокую степень трещеностойкости асфальтобетона.
«Мы выяснили, что низкомолекулярный пластификатор при получении ПБВ на основе окисленного битума делает молекулы более подвижными, структура становится «рыхлой», и битум легче разрушается при нагреве», — сообщил еще один участник исследования, ассистент кафедры технологии нефти, газа и углеродных материалов ИГиНГТ КФУ Рустам Ахметзянов.
То же самое происходит, если в сырье слишком много асфальтенов — высокомолекулярных компонентов нефти. Они плохо совмещаются с полимером и сбиваются в плотные комочки. Из‑за этого защитная сетка получается «с дырами», и стойкость к нагреву падает.
«Наши эксперименты показали, что повышенное содержание асфальтенов в исходном сырье ускоряет деструкцию неокисленного полимерно-битумного вяжущего, по причине того, что они мешают создать однородную защитную сетку. Мы пришли к выводу, что традиционный битум, содержащий много пластификатора и асфальтенов, оказывается самыми уязвимыми к перегреву», — пояснил Рустам Ахметзянов.
Было также установлено, что вяжущие ведут себя по-разному в разных газовых средах. Так, в инертной среде (аргон) молекулы распадаются постепенно, остается плотный остаток. В воздухе же процесс делится на два этапа. Сначала на поверхности формируется защитный углеродистый слой, а затем, при высокой температуре, начинается активное выгорание. Это важно учитывать на производстве: даже небольшие изменения в условиях нагрева могут сильно влиять на долговечность вяжущего.
Изучив механизмы разрушения органических компонентов вяжущих материалов при высоких технологических температурах, исследователи вывели формулы и определили показатели, позволяющие прогнозировать, насколько стойким окажется вяжущее при нагреве.
Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации