Модификация базальтовой фибры для производства фибросодержащих асфальтобетонных смесей с улучшенными свойствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модификация базальтовой фибры для производства фибросодержащих асфальтобетонных смесей с улучшенными свойствами

В последние годы использование БВ в виде фибры находит применение и для армирования асфальтобетона (АБ), что позволяет повысить прочность при сжатии и сдвигоустойчивость дорожного покрытия. Однако, несмотря на высокие прочностные характеристики базальтового материала, не удается достичь значительного увеличения основных эксплуатационных характеристик АБ. Это связано с низкой пористостью исходных волокон и, соответственно, плохой смачиваемостью и слабой адгезией битума на их поверхности. По этой же причине введение фибры различной длины не приводит к заметному улучшению трещиностойкости АБ при отрицательных температурах [1]. Поэтому использование БВ в дорожном строительстве, с учетом их высоких характеристик, невозможно без применения специальных методов модификации.

Уже сейчас в промышленности широко используются адсорбенты на основе базальтовых волокон (БВ). Существенное повышение пористости в таких изделиях обеспечивается травлением волокон в разбавленных растворах серной или соляной кислот за счет селективного растворения оксидов металлов и удаления их с поверхности. При этом сохраняется каркас из оксидов кремния SiO₂ и Al₂O₃, обеспечивающий основные физико-механические свойства волокон [2-4].

Применение такого метода активации поверхности БВ для повышения адгезии в межфазном слое «БВ - битум» исследовали в настоящей работе. В качестве объекта исследований был выбран состав АБмарки I тип Б на основе битума БНД 60/90 производства Саратовского нефтеперерабатывающего завода и базальтовая фибра производства ООО «Ижбазальт», технические характеристики которой представлены в табл.1.

Таблица 1 Технические характеристики базальтовой фибры

Усредненный химический состав БВ, по данным производителя, представляет в %: SiO₂ (47,5-55,0); TiO₂ (1,36-2,0); Al₂O₃ (14,0-20,0); Fe₂O₃ + FeO (5,38-13,5); MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7-11,0); Na₂О (2,7-7,5); К₂О (2,5-7,5); P₂O₅ и другие остальное.

Как видим, в структуре базальта, кроме SiO₂ и Al₂O₃, большую часть занимают оксиды элементов Fe, Mg, Ca, Na, K, которые активно взаимодействуют с разбавленными растворами сильных кислот с образованием солей, которые легко удаляются при промывке волокон водой. По экологическим соображениям использовали 10% водный раствор соляной кислоты HCl . Химические реакции при травлении:

Fe₂O₃ + 6HCl > 2 FeCl₃ + 3H₂O

FeO + 2HCl > FeCl₂ + H₂O

MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O

CaO + 2HCl = CaCl₂ + H₂O

K₂O + 2HCl = 2KCl + H₂O

Травление проводили в течение 0,5; 1, 2 часов при температуре 80 -90⁰С и периодическом перемешивании. После травления образцы несколько раз промывали дистиллированной водой и высушивали. Таким образом, за счет травления появилась возможность существенно увеличить удельную поверхность волокон и, тем самым, повысить адгезионные характеристики последних. Это заключение оценивали по изменению массы протравленных образцов по сравнению с исходными после пропитки в 30% растворе битума БНД 60/90 в бензоле, промывки горячей водой и сушке при комнатной температуре (табл.2).

Таблица 2 Изменение массы образцов после травления и пропитки

Можно отметить, что травление в растворе кислоты в течение более 1 часа позволяет обеспечить повышение сорбционной способности БВ примерно на 7-8% по сравнению с необработанными волокнами.

Дальнейшее повышение адгезионной активности БВ по отношению к битуму возможно за счет «прививки» к поверхности волокон молекулярных звеньев, способных создавать устойчивые химические связи между минеральной и органической структурами в системе «базальт - битум».

Такими соединениями являются органосиланы, среди которых одним из наиболее распространенных является г-аминопропилтриэтоксисилан (АГМ-9) H₂N(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃, обеспечивающий модификацию БВ с целью повышения их адгезионной способности. Ход реакции между органосиланом и неорганической поверхностью представлен на рис.1.[5]

Рис. 1 Реакция между органосиланом и неорганической поверхностью

Из-за способности органосиланов вступать в реакцию взаимодействия с поверхностными гидроксильными группами наполнителя и образовывать с ним устойчивые ковалентные связи, они повышают адгезию между фазами в системе «матрица - наполнитель». Это обстоятельство позволяет прогнозировать улучшение армирующих свойств базальтовой фибры в асфальтобетоне.

Модификацию базальтовой фибры органосиланом проводили в ванне, наполненной водным раствором уксусной кислоты (рН = 4,5), в которую вводили различные количества АГМ-9 с концентрацией растворов 2%, 5%, 8%, при этом происходил гидролиз аппрета и его переход в водорастворимую форму. Характеристики ванны: модуль 5, температура 20 - 25⁰С. Пропитку образцов фибры проводили в течение 30, 60 и 90 с. После пропитки образцы высушивали в термошкафу при температуре 50⁰С в течение 2 часов и подвергали термообработке при температуре 100 - 110⁰С для поликонденсации силана на поверхности БВ.

Эффективность модификации фибры раствором АГМ-9 оценивалась по изменению массы модифицированных образцов, что определяет полноту протекания диффузионно-сорбционных процессов (табл. 3).

Таблица 3Изменение массы образцов фибры в процессе модификации

Из полученных данных следует, что изменение массы образцов в промежутке времени обработки 60 - 90 секунд слабо зависит от концентрации модификатора в диапазоне 2 - 8%. Это связано с гладкой поверхностью волокон и присутствием ограниченного числа гидроксильных групп ОН на поверхности волокон, образующих ковалентные связи с органосиланом. В то же время у волокон, подвергшимся травлению, изменение массы адсорбированного АГМ-9 в 5 - 6 раз больше, чем у исходных волокон. Этот факт подтверждается и микрофотографиями образцов (рис. 2). Поскольку диффузионно-сорбционные процессы за время в 90 секунд у исследованных составов примерно одинаковы, то в дальнейшем исследовали процессы, происходящие при использовании 2% раствора АГМ-9 в качестве модификатора БВ.

Исследование адгезии на поверхности базальтовых волокон, модифицированных 2% раствором АГМ-9 изучали по способности к смачиванию 30% раствором битума в бензоле методом капиллярного поднятия жидкости. Для лучшей визуализации эксперимента, волокна сворачивали в жгуты диаметром ~0,5 мм и помещали в катетометр В-630. По результатам измерения высоты капиллярного поднятия проводили оценку смачивающей способности Анализ кинетических кривых смачивания показывает возрастание смачивающей способности (на 8-9 мм) и скорости смачивания жгутов волокон, обработанных аппретом (рис. 3).

Рис. 3 Кривые смачивания раствором битума в бензоле жгута базальтовых волокон:

1 -БВ исходн.; 2 -БВ травл.; 3 - БВ травл. + АГМ-9.

Результаты анализа ИК - спектров показывают, что при модификации БВ раствором АГМ-9 происходит появление функциональных групп СОО в области 1300 - 1350 см^-1 и небольшое увеличение пика, характерного для группы SiOCH₃ в области 600 - 650 см^-1. Это указывает на повышение поверхностной активности волокон за счет химического взаимодействия с органосиланом. Поверхность базальтового волокна можно считать геометрически и энергетически однородной, поэтому следует ожидать равномерного распределения на их поверхности привитых молекул.

Оценку влияния модификации БВ на характеристики конечного продукта - асфальтобетона исследовали на опытных образцах асфальтобетонной смеси марки I типа Б по ГОСТ 9128-2013 [6].

Базальтовую фибру с длиной нарезки 10, 15, 20 мм вводили вдуванием с одновременным перемешиванием в лабораторной мешалке с разогретой минеральной частью «по сухому» с последующим внесением и смешиванием с разогретой битумной мастикой (битум + минеральный порошок) до однородного состояния. Из готовой композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси в соответствии с методикой ГОСТ 12801-98 [7] изготавливались контрольные образцы. Уплотнение образцов производилось прессованием на гидравлическом прессе в форме с внутренним диаметром 71,4 мм в течение 3 минут под давлением (40,0 ± 0,5) МПа.

Состав композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси марки I типа Б с добавкой базальтовой фибры: гранитный щебень фр. 5-15 - 46,81 %; песок из отсевов дробления - 43,6 %; песок природный мелкий - 4,75 %; порошок минеральный МП-1 - 4,74; битум марки БНД 60/90 - 4 - 6 %; базальтовая фибра с диаметром волокон 12 - 17 мкм и длиной нарезки 10 - 20 мм и массой от 0,1 до 0,3%. Содержание битума и фибры установлено сверх 100% минеральной части.

Оценку основных физико-механических характеристик, зависящих от количественного состава фиброволокна и степени модификации его поверхности, проводили методами математического моделирования. Моделирование осуществляли с помощью программного комплекса «PlanExp B-D13 v.1.0», предназначенного для расчета матрицы планирования и обработки выходных данных трехфакторного планированного эксперимента. Согласно плану эксперимента было изготовлено 10 опытных серий образцов по 3 образца в каждой серии. Трехфакторный план и выходные параметры экспериментов представлены в табл. 4 и 5.

Таблица 4Факторы и интервалы их варьирования

В результате проведенных экспериментов для образцов АБ, армированных базальтовой фиброй получены следующие уравнения математической модели:

для исходного БВ:

y=1,919-0,021*x1-0,207*x2+0,37*x3-0,058*x1^2+0,001*x2^2-0,418*x3^2-0,025*x1*x2+0,004*x1*x3-0,083*x2*x3;

для обработанного раствором HCl:

y=2,59+0,11*x1-0,206*x2+0,627*x3+0,099*x1^2-0,241*x2^2-0,733*x3^2-0,013*x1*x2+0,122*x1*x3-0,095*x2*x3;

для обработанного раствором HCl + АГМ-9:

y=2,796+0,084*x1-0,193*x2+0,6*x3+0,156*x1^2-0,151*x2^2-0,781*x3^2-0,081*x1*x2+0,114*x1*x3-0,164*x2*x3.

Рис. 4 Зависимость R₅₀ от содержания битума при введении базальтовой фибры (15мм) в количестве 0,1%: 1 - БВ; 2 - БВ_травл.; 3 - БВ_травл. + АГМ-9.

При постоянных: х₁ = 0 (15 мм) и х₂ = -1 (0,1%) зависимость y(х₃) примет вид:

для исходного БВ: y=2,127+0,453*x3-0,418*x3^2;

для обработанного раствором HCl: y=2,555+0,722*x3-0,733*x3^2;

для обработанного раствором HCl + АГМ-9: y=2,838+0,764*x3-0,781*x3^2.

На рис.5 представлены зависимости прочности на сжатие при 50⁰С образцов АБ различной степенью модификации.

Следует отметить, что при введении фибры требуется увеличивать расход битума на 10-12%, что необходимо для смачивания волокон, так как в стандартную АБ смесь добавляется еще один ингредиент, обладающий существенной суммарной поверхностью. Однако, при обработке органосиланом максимальная прочность в АБ достигается при меньшем расходе битума (~ 4,8 - 4,9%) по сравнению со смесями с исходными БВ.

Модификация травлением в растворе HCl повышает прочность АБ по сравнению с исходным на 22,7%, а дополнительная обработка волокон фибры органосиланом - на 34,2%. Таким образом, можно предположить, что модификация БВ приводит к установлению прочных физических и химических связей в системе «БВ - битумная мастика». При однородном распределении волокон фибры по объему образуется армированная структура асфальтобетонной смеси.

Библиографический список

базальтовый фибра битум дорожный

1. Андронов С.Ю., Влияние плотности и длины нарезки базальтовой фибры на физико-механические показатели композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси / Андронов С.Ю., Задирака А.А. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2017, - №3. - С 76-79.

2. Зюзин А.Ю., Бельнов В.К., Бекман И.Н., Калинин Э.А., Сафонов М.С. // ЖФХ. 1992. 66. С. 1281.

3. Железнов А.В., Калинин Э.А., Бекман И.Н., Сафонов М.С. // ЖФ. 1992. 66. С. 1277.

4. Бельнов В.К., Сафонов М.С., Зюзин А.Ю., Калинин Э.А., Бекман И.Н. // ЖФХ. 1993. 67. С. 582.

5. Функциональные наполнители для пластмасс / под ред. М. Ксантоса; пер. с англ. под ред. В.Н.Кулезнева - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 462 с.

6. ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, оплимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полмерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия.

7. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний.

Размещено на Allbest.ru