Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МИКРОСТРУКТУРА МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ И ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ МОДЕЛЕЙ. Исследования механического поведения асфальтобетона (АБ) и износа дорожного покрытия в связи с микроструктурой АБ начаты в 90х годах и быстро развиваются и в мировой технической литературе, и в России за последние два десятилетия. Особый интерес представляет использование ПКК, получаемой при вторичной переработке стекло- и углепластиков. Модель может быть как аналитической, на основе метода Мори-Танака в пространстве изображений Лапласа – Карсона, так и «цифровым двойником» микроструктуры АБ. «Цифровой двойник» может быть эффективно построен на основе микро-компьютерной рентгеновской томографии (КТ). Трёхмерные изображения дают, во-первых, возможность анализа морфологии включений и пустот в АБ, во-вторых, построения конечно-элементной (КЭ) модели микроструктуры. Наиболее эффективным способом преобразования КТ изображения в КЭ модель являются воксельные сетки, которые позволяют опираться на развитые методы анализа микроструктуры, разработанные для композиционных материалов. Разработан набор исходных данных и экспериментально измеренных механических свойств АБ с вяжущим из битума с добавлением эпоксидных смол, позволяющий верифицировать разрабатываемые модели. Сопротивление образованию колеи является основным показателем качества АБ. Оно тесно связано с вязкоупругими свойствами АБ, идентифицируемыми с помощью разрабатываемой модели. “Цифровой двойник» образования колеи должен сочетать микроструктурную модель АБ с КЭ моделированием нагружения прокатыванием колеса и исследованием изменения микроструктуры АБ при колееобразовании. В результате моделирования вязкоупругого поведения АБ в настоящем проекте будут получены параметры модели вязкоупругого поведения, которые будут связаны с интенсивностью колееобразования сначала с помощью экспериментальных корреляционных зависимостей. Наконец посредством моделирования циклического сжатия АБ, будут установлены взаимосвязи между интенсивностью колееобразования и параметрами морфологии АБ на основе эпоксидных битумных вяжущих с ПКК – продуктом вторичной переработки конструкционных композитов. 2. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА Для проведения аналитических расчетов термомеханических свойств асфальтобетона (АБ) выбрана схема Мори-Танака. Стекловолокно аппроксимируется как негомогенность цилиндрической формы. Все остальные фазы (поры, сегрегация эпоксидной смолы в битуме, песок, гравий, крошка) аппроксимируются негомогенностями сферической формы. Получены аналитические зависимости эффективных объемного и сдвигового модулей и теплопроводности двухфазного композита. Получено кросс-проперти (Cross-property) соотношение, связывающее тепловые свойства композита с его механическими свойствами. При гомогенизации одновременно двух разных типов негомогенностей (гравий и полимерная крошка) в одном шаге микромеханической схемы, композит становится трехфазным. Получены аналитические выражения для эффективных объемного и сдвигового модулей и теплопроводности трехфазного композита. Так как схема Мори-Танака не теряет точности при пошаговой гомогенизации, в случае АБ как мульти-фазного композита, данная схема применялась пошагово. На шаге 1 формулы двухфазного композита применяются для гомогенизации сегрегированного термореактивного полимера в битуме. Получено изменение упругих и тепловых свойств в зависимости от весовой доли ГРП. При доле 10wt%, объемный модуль повышается на 7%, сдвиговой модуль на 10%, теплопроводность понижается на 4%. Получена линейная зависимость теплопроводности от объемного модуля, основанная на cross-property соотношении. На 2м шаге гомогенизируются частицы песка/минерального порошка в битуме как двухфазный композит. Получено изменение упругих и тепловых свойств в зависимости от весовой доли наполнителя. При весовой доле 20wt% в составе АБ, объемный модуль возрастает в 2.9 раза, сдвиговой модуль – в 4.1 раза, теплопроводность – в 4.1 раза. На 3м шаге гомогенизируется пористость как двухфазный композит. Получено изменение упругих и тепловых свойств в зависимости от объемной доли пор. При доле 4vol% объемный модуль падает на 13%, сдвиговой модуль – на 7%, теплопроводность – на 6%. На последнем шаге гомогенизируется щебень и крошка. В референсной смеси массовая доля щебня принимается равной 75wt%, его гомогенизация проводится как двухфазного композита. Крошка добавляется либо в виде эпоксидной крошки, либо в виде ПКК как замещающая равную массовую долю щебня. При этом щебень и крошка вместе гомогенизируются как трехфазный композит. Получено изменение упругих и тепловых свойств в зависимости от весовой доли полимерной крошки, замещающей щебень. При доле 10wt% в составе АБ, объемный модуль падает на 9%, сдвиговой модуль – на 16%, теплопроводность – на 17%. Получена зависимость теплопроводности от объемного модуля АБ. Получено изменение упругих и тепловых свойств в зависимости от весовой доли коротковолоконной ПКК с изотропным расположением волокон, замещающей щебень. При доле 10wt% в составе АБ, объемный модуль падает на 10%, сдвиговой модуль – на 3%, теплопроводность – на 14%. Получена зависимость теплопроводности от объемного модуля АБ. Выполненные микромеханические расчеты будут использованы в следующем году для оценочной верификации цифровых 3D моделей. 3. ПОЛУЧЕНИЕ, ИЗУЧЕНИЕ И МОДИФИКАЦИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ - ЭКСПЕРИМЕНТЫ В рамках проделанной работы был реализован комплекс исследований полимерных добавок для производства асфальтобетонных смесей. Были получены эмпирические данные касательно реакционной способности полимерных добавок и битумов ими модернизированных. На основе полученных данных разработано 6 АБ смесей. Из 4-х из них изготовлено по 18 образцов, из смеси полимерного битумного вяжущего изготовлено 10 образцов, из смеси с полимерной композитной крошкой изготовление образцов не удалось. Все образцы асфальтобетона изготовлены согласно ГОСТ 9128–2013. Затем они и образцы модифицированных битумов были подвергнуты механическим испытаниям согласно ГОСТ 4648–2014, 9128–2013 и 12801-98, а таже исследованию поверхности методами оптической и электронной микроскопии. В дополнение к этим работам также проведены исследования возможности измельчения полимерных композитных акустических профилей со стекловолоконным армированием различными методами дробления. Модификация битума БНД 60/90 осуществлялась посредством введения полимерной эпоксидной добавки на основе полиамидоамина. Введение добавки позволило улучшить механические характеристики битума. Показано, что с повышением количества эпоксидной добавки возрастает сопротивление битума на растяжение. Также экспериментально показана отличная совместимость используемой полимерной добавки и битума. Проведенные механические испытания показали благотворное влияние модифицированных битумов на свойства асфальтобетона. Были получены результаты с повышенными характеристикам асфальтобетона в виде повышения предела прочности образцов, их трещино- и сдвигоустойчивости. Исследование поверхности образцов асфальтобетона при помощи микроскопии свидетельствует о хорошей смачиваемости минерального наполнителя всеми типами битума. Проделанная работа обладает большим потенциалом в области модификации асфальтобетонов посредством введения полимерных модификаторов. Задел по использованию полимерной композитной крошки до конца не реализован, работы будут продолжены.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
АНАЛИЗ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ (ПБВ), МОДИФИЦИРОВАННЫХ ГИПЕРРАЗВЕТВЛЕННЫМ ПОЛИМЕРОМ (ГРП), ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА Модифицирование битума БНД 60/90 осуществлялось гиперразветвленным полимером на основе отвердителя Итамид B70X и смолы SM601Rx75. Анализ методом ИК Фурье спектроскопии показал, что эпоксидная смола в составе ПБВ присутствует исключительно в твердой фазе. Флуоресцентная микроскопия продемонстрировала образование «кристаллов» эпоксидной смолы в теле битума. Дифференциальная сканирующая калориметрия показала, что в ходе нагрева отсутствует дополнительное отверждение эпоксидной смолы в составе ПБВ, что в свою очередь свидетельствует о полной полимеризации ГРП в ходе изготовления ПБВ. Термогравиметрический анализ показал, что исследованные образцы ПБВ не окисляются на воздухе и не образуют новых химических соединений. При повышенных температурах введение ГРП практически не влияет на процесс разложения. АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-КОМПОЗИТНОЙ КРОШКИ (ПКК) ДЛЯ ОБРАЗЦОВ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА Дробление стеклопластикового лома в ПКК осуществлялось с фракцией 0–20 мм с использованием шредера. Поскольку PHS профиль представлял собой пултрузионный полый профиль на основе композита из стекловолокна и эпоксидной матрицы, то его анизотропная структура также сохранилась после дробления и ПКК имела цилиндрическую форму разных размеров, причем ее длина примерно в десять раз превышала диаметр. В качестве заполнителя из переработанной ПКК были выбраны два типа фракций длиной порядка 10 мм и 5 мм. АНАЛИЗ ОБРАЗЦОВ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОСЛЕДУЮЩИХ ИСПЫТАНИЙ Ультразвуковая микроскопия образцов показала наличие только компактных отражающих объектов около-сферической формы, представляющих собой поры. Плохой адгезии интерфейса между битумом и заполнителем в виде окружающих частицы заполнителя поверхностей обнаружено не было. Оптическая микроскопия поверхности образов показала отсутствие сгустков битума и заполнителя, не покрытого битумом. Сканирующая электронная микроскопия показала, что битум отлично смачивает частицы заполнителя. По результатам проведенных исследований можно утверждать, что введение модификаторов не оказывает негативного влияния на асфальтобетон. Анализ методом ИК Фурье спектроскопии показывает, что помимо фаз битума и эпоксидной смолы есть новые фазы полимера, отвечающие за химические связи между битумом и эпоксидным модификатором. Компьютерная томография образца и последующая цифровая обработка 3D изображения позволили провести анализ пористости, а также выявили, что ПКК интенсивно разрушается в процессе производства с уменьшением аспектного отношения, что сильно снижает армирующую способность добавки ПКК. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА По данным нагружения и деформации, полученных в ходе механических испытаний, были построены кривые зависимости нагрузки от деформации. Образцы с ПКК демонстрируют более высокое значение модуля сжатия и прочности на сжатие, а также более высокую прочность на сдвиг, однако также наблюдается незначительное снижение прочности на растяжение при расколе. Основной вывод для асфальтобетона модифицированного ПКК – добавка ППК в смесь асфальтобетона не оказывает существенного негативного влияния на его механические свойства, и данная добавка может быть использована для асфальтобетонного дорожного покрытия. Это решение также подходит для использования крошки из переработанных отходов стеклопластика, которые ранее были захоронены на свалках. В процессе старения механические свойства асфальта улучшаются. Чтобы уточнить как изменятся свойства модифицированного асфальтобетона образцы введением ГРП модификатора были выдержаны 1 год при комнатной температуре без внешней нагрузки. Как показали механические испытания, при этом происходит значительное улучшение механических свойств, включая упрочнение на 80–90%. С учетом погрешности можно говорить, что поведение образцов асфальтобетона, модифицированных ПКК, при разных температурах близко к исходным, и введение ПКК добавки в смесь не ухудшает ее термостойкость. Модифицированные образцы асфальтобетона не подвержены окислению на воздухе и не образуют новых химических соединений, и введение ПКК практически не влияет на процесс разложения при повышении температуры. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА На основе реалистичной 3D геометрии, полученной с помощью компьютерной томографии и последующей цифровой обработки изображений, создан цифровой двойник асфальтобетона, модифицированного ПКК. С использованием созданной модели КЭ в ПО Abaqus были рассчитаны модули Юнга и сдвига асфальтобетона. Вариабельность рассчитанных модулей позволяет заключить что: ̶ разброс значений модулей для модели меньшего размера (10 мм) выше, что и ожидалось; ̶ эффективные модули не сильно изменяются с размером модели, что позволяет предположить, что даже при размере 10 мм репрезентативность микроструктуры материала достаточна для целей расчета гомогенизированных свойств; ̶ изменение модуля связующего в диапазоне 0,1–1 ГПа дает разницу модулей упругости около 20%. Описана «дорожная карта» создания цифрового двойника микроструктуры асфальтобетона исходя из КТ-изображений с разрешением ~ 40 мкм, с использованием готовых методов обработки изображений. Анализ пор и твердых (стекловолокнистых) добавок позволяет детально проанализировать их объёмную долю, пространственное распределение и распределение размеров. В частности, показано, что добавка ПКК при перемешивании измельчается в компактные не удлинённые частицы. Для оценки влияния добавки композитной крошки (КК) и пористости асфальтобетона проведено сравнение расчётных гомогенизированных свойств в четырёх ситуациях: ̶ реальный исследованный материал ̶ ПКК заменена на вяжущее с модулем Юнга 1 ГПа ̶ ПКК заменена на гравий с модулем Юнга 40 ГПа. ̶ поры заменены на вяжущее с модулем Юнга 1 ГПа. Оказалось что: 1. При сохранении объёмной доли твёрдых включений замена 1,5 об.% гравия на ПКК не меняет упругие модули (сжатия и сдвига). 2. При добавке 1,5 об.% ПКК сверх имеющихся твёрдых включений модули сжатия и сдвига увеличиваются примерно на 3–5%. 3. Модельное исключение пористости материала увеличивает модули сжатия и сдвига на 10–15%.