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.

 

Публикации

---