Асфальт станет прочнее: казанские ученые научились защищать дорожный битум от перегрева
Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета вместе с коллегами из Института органической и физической химии имени А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН выяснили, каким должен быть состав дорожного вяжущего, чтобы асфальт выдерживал высокие температуры.
Вяжущим называется материал, как правило, битум, который «склеивает» минеральные компоненты (щебень, песок, минеральный порошок) в единый прочный слой асфальтобетона.
По словам заведующего кафедрой технологии нефти, газа и углеродных материалов ИГиНГТ Алима Кемалова, битум начинает разрушаться уже на этапе производства асфальта.
«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 фракции, а связи между молекулами рвутся. Материал деградирует, теряя прочность еще до укладки его в полотно», – отметил он.
Казанские ученые детально исследовали процессы деструкции неокисленных полимерно-модифицированных вяжущих на основе вакуумного нефтяного остатка.
Чтобы увидеть, что происходит с битумом при нагреве, исследователи использовали синхронный термический анализ: одновременно следили, как меняется масса образца и сколько тепла он поглощает или выделяет. Так они смогли измерить ключевые параметры стойкости: энергию, которая нужна, чтобы запустить разрушение, и степень «хаоса» в структуре материала.
Оказалось, что всего пять процентов полимера СБС (стирол‑бутадиен‑стирол) заметно укрепляют смесь. Полимер работает как невидимая сетка: он удерживает легкие, подвижные молекулы и не дает им быстро улетучиваться. Чтобы разрушить такую упорядоченную структуру, нужно потратить больше энергии, поэтому вяжущее с полимером выдерживает более сильный нагрев. Но если очень сильно перегреть смесь, полимерная сетка рушится, после чего разрушение идет очень быстро.
Иногда в битум добавляют пластификатор (например, вакуумный газойль), чтобы дорога не трескалась на морозе.
«Мы выяснили, что низкомолекулярный пластификатор делает молекулы более подвижными, структура становится „рыхлой“, и битум легче разрушается при нагреве», – сообщил ассистент кафедры технологии нефти, газа и углеродных материалов Рустам Ахметзянов.
То же самое происходит, если в сырье слишком много асфальтенов – тяжелых компонентов нефти. Они плохо «дружат» 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-модифицированного вяжущего, потому что они мешают создать однородную защитную сетку. Мы пришли к выводу, что традиционный битум, содержащий много пластификатора и асфальтенов, оказывается самым уязвимым к перегреву», – пояснил Р. Ахметзянов.
Было также установлено, как вяжущие ведут себя 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 потом, при высокой температуре, начинается активное выгорание. Это важно учитывать на производстве: даже небольшие изменения в условиях нагрева могут сильно менять срок жизни вяжущего.
Ученые уверены: долговечность дороги зависит от ее состава, который необходимо определять с учетом множества факторов, в том числе – условий производства.
Изучив механизмы разрушения органических компонентов вяжущих материалов при высоких технологических температурах, казанские исследователи вывели формулы и определили показатели, позволяющие прогнозировать, насколько стойким будет вяжущее при нагреве. Результаты исследования опубликованы в журнале Petroleum Chemistry.
Поскольку ученые научились измерять стойкость битума к перегреву и управлять ею, это значит, что в будущем можно будет делать дорожные смеси под конкретные заводы и условия эксплуатации.
Автор: Лариса Бусиль, фото из архива Рустама Ахметзянова
