Технология долговечных композиционных разметочных материалов на полимерной основе

На правах рукописи

ВОЗНЫЙ Сергей Иванович

ТЕХНОЛОГИЯ ДОЛГОВЕЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАЗМЕТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ

05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2012

Артеменко Александр Александрович

Официальные оппоненты - Решетов Вячеслав Александрович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

университет имени Н.Г.Чернышевского»,

профессор кафедры физической химии

Арзамасцев Сергей Владимирович,

доцент кафедры химической технологии

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский дорожный научно-исследовательский институт «РОСДОРНИИ»,

г. Москва

Защита состоится «6» апреля 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.09 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77., ауд. 319.

Автореферат разослан «____» марта 2012 г.

Автореферат размещен на сайте ВАК «____» марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время дорожная разметка является эффективным средством организации движения транспортных средств, способствующим повышению безопасности дорожного движения, снижению количества дорожно-транспортных происшествий и уменьшению их последствий, увеличению скоростей движения и пропускной способности автомобильных дорог. По данным ООН, наличие разметки на дорожном покрытии позволяет снизить количество дорожно-транспортных происшествий почти на 20%.

Одним из приоритетных направлений развития химии и технологических процессов в области дорожно-строительных материалов является производство разметочных материалов на основе полимеров.

Свойства разметки и срок ее службы во многом определяются качеством используемых разметочных материалов и технологией их нанесения. Применяемые материалы во многих случаях не обладают требуемыми функционально-эксплуатационными свойствами, вследствие этого они либо плохо видны в темное время суток, либо быстро изнашиваются, в результате чего разметка на автомобильной дороге практически отсутствует в течение нормативного срока эксплуатации. Необходимо, чтобы разметка не только была нанесена на дорожное покрытие, но и обладала качествами, позволяю-щими сохранять ее свойства в самых различных условиях эксплуатации.

Такая задача может быть решена на основе составления и управления рецептурами и технологическими процессами производства разметочных мате-риалов. Применение полимеров обеспечивает требуемые показатели одно-родности и долговечности разметки как композиционного материала, соот-ветствие требованиям нормативных документов. Поэтому задача выбора и управления рецептурами материалов для разметки, обеспечивающих высокие эксплуатационные качества и снижение аварийности на автомобильных дорогах, разработка методов научного сопровождения их производства являются актуальными.

Работа выполнялась в рамках Подпрограммы «Автомобильные дороги» Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России на 2002-2010 годы».

Цель работы: разработка технологии долговечных полимерных композиционных материалов на основе термопластов для дорожной разметки, адаптированных к условиям применения.

Для достижения поставленной цели в задачи исследований входило:

- изучение процессов физико-химического взаимодействия между термопластом и поверхностью асфальтобетона с различной степенью износа;

- определение основных факторов, влияющих на срок службы дорожной разметки из термопластов;

- установление зависимости эксплуатационных свойств термопласта от природы и количества модифицирующих добавок - синтетических восков, присутствующих на рынке Российской Федерации; выбор из их числа наиболее эффективных и экономически выгодных марок;

- разработка рекомендаций по оптимизации рецептур разметочных термопластов.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

Проведен анализ механизма взаимодействия в термодинамической системе «композиционный термопластичный материал разметки – асфаль-тобетонное покрытие», рассмотрены особенности процессов смачивания, химического и физического взаимодействия в динамических условиях.

Установлено, что состояние поверхности, гранулометрический состав асфальтобетона, шероховатость и пористость его гидрофильных компонентов оказывают существенное влияние на адгезию термопласта к асфальтобетону. Доказано наличие адсорбции расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов, образование химических связей между полимерной частью термопласта и близкими по строению компонентами битума.

Установлено доминирующее влияние характеристик ингредиентов на функциональную устойчивость дорожной разметки.

Показано, что регулирование концентрации технического воска и гранулометрического состава наполнителей в композиции позволяет обеспечить повышение технологичности и срока службы дорожной разметки.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований процессов взаимодействия термопласта и асфальтобетона с различной топографией поверхности дорожного покрытия;

- методы направленного регулирования рецептуры и режимов нанесения термопласта на асфальтобетонное покрытие в зависимости от состояния поверхности последнего;

- результаты модификации термопластов добавками синтетических восков, обеспечивающие повышение функциональных характеристик дорожной разметки;

- новые рецептуры долговечных разметочных термопластов, позволяющие формировать их функционально-эксплуатационные характеристики в зависи-мости от дорожно-климатических условий автомобильной дороги, состава и интенсивности движения.

Практическая значимость работы: В результате работы определены требования к долговечным термопластам для дорожной разметки; выполнен подбор ингредиентов композиций (связующих, технологических добавок); проведены комплексные испытания экспериментальных составов. На осно-вании полученных результатов разработана нормативно-техническая докумен-тация (технические условия, технологические регламенты).

Выпущены опытные партии долговечных термопластов, которые испытаны в натурных условиях и внедрены на федеральной и территориальной сети автомобильных дорог.

Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается хорошим согласованием результатов теоретических исследований с результатами практических и эксперименталь-ных работ, соответствием методических подходов в близких и смежных отрас-лях науки и техники. Работа выполнена с применением комплекса современ-ных взаимодополняющих независимых методов исследований, а также стан-дартных методов испытаний.

Апробация результатов работы. Основные научные положения и результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском научно-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-технологи-ческих решений при строительстве мостовых сооружений» (Саратов, 2005), Международной научно-практической конференции «Разметка автомобильных дорог: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов, 2007), на круглом столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и содержании конструкционных элементов мостовых сооружений (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Приме-нение прогрессивных технических решений при строительстве автомобильных дорог» (Саратов, 2010), научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета, заседаниях научно-технического совета Саратовского комплексного дорожного отдела ФГУП «РОСДОРНИИ», кафедр «Мосты и транспортные сооружения» и «Строительство дорог и организация движения», кафедры «Материаловедение» Энгельсского технологического института СГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, получено 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части и четырех глав с результатами эксперимента, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе проведен аналитический обзор состояния производства и применения композиционных материалов для дорожной разметки.

Рассмотрены приоритетные технологии получения долговечных разметоч-ных материалов на полимерной основе.

Во второй главе приведены результаты изучения объектов, методов и методик исследования. Объектами исследования служили: термопластичный материал для разметки типа «Кратер-1»; канифольные смолы на основе пентаэритритового глицеринового эфиров канифоли; синтетические воски марок ПВ-200, FA-1, BS-100, РР-230, РЕ-520, AR-504, РЕ-890; битум марки БНД 60/90, минеральные ингредиенты, пластификаторы.

Свойства образцов термопласта оценивались по основным эксплуатацион-ным и технологическим показателям: адгезии к асфальтобетону, прочности при сжатии, температуре размягчения, скорости течения расплава, липкости при повышенной температуре.

В третьей главе изучены процессы взаимодействия термопластичного разметочного материала с поверхностью асфальтобетона.

Процессы, происходящие на границе между асфальтобетоном и термопластом при нанесении разметки, изучались в рамках трех моделей взаимодействия, характерных для реальных условий эксплуатации дорожного покрытия (рис.1).

Рис.1. Варианты нанесения дорожной разметки на асфальтобетонное дорожное покрытие с различной степенью износа

Эксплуатационное состояние А – дорожная разметка наносится на свежеуложенное асфальтобетонное дорожное покрытие, при этом термопласт взаимодействует в основном с битумом, который покрывает сплошной пленкой минеральные компоненты покрытия. Параметр макрошероховатости поверхности, определяемый как среднеквадратическое отклонение разноглубинности, оценивается как Rср 2 мм.

Эксплуатационное состояние Б – дорожная разметка наносится на асфальтобетонное покрытие, которое под воздействием климатических и эксплуатационных факторов частично состарилось. В этом случае поверхностный слой битума отчасти утрачен, и термопласт разметки взаимодействует уже с системой «битум – минеральный наполнитель», Rср 3 мм.

Эксплуатационное состояние В – дорожная разметка наносится на сильно изношенное асфальтобетонное покрытие, которое в поверхностном слое характеризуется практически полным отсутствием битума, а термопласт взаимодействует в основном с минеральными компонентами, Rср 5 мм.

Базовый состав термопласта для исследований представляет собой композиционный материал, состоящий из нескольких компонентов, обеспечивающих функциональные характеристики (табл.1).

Таблица 1

Базовый состав термопласта для дорожной разметки типа «Кратер-1»

При нанесении термопласта на поверхность асфальтобетона смачивание осуществляется натеканием объемного слоя (фронта) термопласта под действием рабочего органа маркировочной машины. Шероховатость, пористость, различные виды загрязнения создают энергетические барьеры сопротивления смачиванию и растеканию. На эффективность смачивания оказывает влияние и процесс быстрого повышения вязкости термопласта () при охлаждении на воздухе (рис.2).

Кроме того, при смачивании неоднородных, пористых или шероховатых поверхностей происходит запирание пузырьков воздуха в неровностях. По этим причинам наблюдается различная прочность адгезионного соединения термопласта с асфальтобетонным покрытием в зависимости от характеристик поверхности последнего (табл.2).

Отмечено, что наиболее прочное сцепление термопласта с асфальтобе-тонным покрытием происходит при нанесении разметки на частично состаренный асфальтобетон.

Таблица 2

Прочность адгезионного соединения термопласта с асфальтобетонным дорожным покрытием

Поверхность асфальтобетонного покрытия в этом случае представляет собой мозаичную дифильную структуру, состоящую из гидрофильных (минеральных материалов) и гидрофобных (битум) участков. Соответственно можно выделить два механизма адгезии термопласта к асфальтобетону.

Смещение одного из пиков дуплекса связи С=O при 1731 см-1 циклических соединениях пентаэритритового и глицеринового эфиров канифоли до 1738 см-1 позволяет сделать предположение о взаимодействии поляризованного атома кислорода сложных ароматических эфиров с атомом водорода ОН-группы асфальтеновых кислот с образованием водородной связи. Это, в частности, подтверждается, смещением пика колебаний связанных OH-групп с 3433 см-1 в битуме до 3415 см-1 в композиционном материале (рис.3).

Рис. 3. Данные ИКС: 1 – термопластичный материал «Кратер - 1»; 2 – битум;

3 – композиционный материал на их основе.

Адгезии на границе раздела «минеральная поверхность – термопласт» способствует проникновение расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов в процессе нанесения разметки. Адсорбированный термопласт подобно анкерам удерживает пленку на поверхности зерен минеральных материалов.

Таким образом, благодаря физико-химическим взаимодействиям расплавов термопласта и битума, а также термопласта с поверхностью минерального наполнителя образуется прочный контакт на поверхности раздела «термопласт – асфальтобетон». Отрыв сформировавшейся пленки термопласта на границе раздела с поверхностью асфальтобетона имеет когезионный характер, что подтверждается данными оптической микроскопии (рис.4).

Рис.4.а - Вид поверхности асфальтобетона после отрыва термопласта;	Рис.4.б - Вид внутренней поверхности термопласта после отрыва от асфальтобетона