Статус развитой страны предполагает наличие разветвленной инфраструктуры с современными автомобильными дорогами. Однако высококачественное дорожное строительство невозможно без использования новых материалов и технологий.

Применяемый в дорожном строительстве нефтяной битум, получаемый по остаточному принципу, обладает низкими характеристиками. Использование для их повышения отечественных модификаторов зачастую неэффективно, а зарубежных - сдерживается их высокой стоимостью.

Перспективным направленем повышения характеристик композиционных материалов является их армирование волокнами. Однако объемы производства химических волокон в настоящее время настолько невелики, что не могут удовлетворить даже потребности текстильной промышленности. Положительную тенденцию имеет лишь динамично развивающееся производство базальтовых волокон.

Интенсивное развитие производства базальтовых волокон на территории России обусловлено высоким спросом на них, значительно превышающим предложение. Базальтовые волокна обладают уникальными свойствами: высоким уровнем физико-механических и химических свойств, повышенной стойкостью в агрессивных средах и к вибрациям, звукоизолирующей способностью, долговечностью, стабильностью свойств при длительной эксплуатации в различных условиях, высокой адгезией к связующим, термо- и огнестойкостью. Весь этот комплекс положительных свойств определяет чрезвычайно высокую перспективность базальтовых волокон для получения новых композиционных материалов - базальтопластиков и изделий из них различного функционального назначения. Весьма важным является использование базальтового волокна и базальтовой ваты в качестве армирующего компонента асфальтобетона для повышения его эксплуатационных характеристик.

Эффективность армирования определяется в значительной степени адгезионным взаимодействием между полимерной матрицей и армирующим компонентом, которое в настоящей работе оценивалось методом капиллярного поднятия (рис.1) полимербитумного вяжущего (ПБВ). Установлено, что лучшая смачиваемость присуща базальтовой нити и кондиционной базальтовой вате. При этом отмечено, что замасливатель не оказывает значительного влияния на смачиваемость.

Изучение взаимодействия в системе базальтовое волокно - ПБВ (рис.2) показало расщепление интенсивной основной полосы поглощения валентных колебаний связи Si-О (1091 см^-1 в ПБВ на два компонента (1062 и 1031 см^-1). Это позволяет утверждать, что группа SiO участвует в образовании химических связей с функциональными группами компонентов ПБВ, прежде всего с группой ОН ароматических соединений и карбоновых кислот битума:

Под действием активных функциональных групп компонентов ПБВ цепочечная силикатная структура на поверхности базальтовых волокон частично перестраивается, приводя к образованию поверхностных органосиликатных соединений, связывающих волокна базальта с компонентами ПБВ. Образуются очень активные силанольные группы - Si-ОН, которые как бы переходят на макромолекулы компонентов ПБВ, отрываясь от поверхности базальтовых волокон. Вновь образовавшиеся силанольные группы являются катализаторами процесса взаимодействия базальта с компонентами ПБВ.

Функциональные группы компонентов ПБВ замещают атомы водорода в поверхностных группах ОН базальтовых волокон по следующим реакциям:

Образовавшиеся на поверхности базальтовых волокон органические заместители содержат свободные валентные связи, активно взаимодействующие с макромолекулами компонентов ПБВ.

Анализ ИК-спектров образцов свидетельствует о том, что базальтовые волокна упорядочивают структуру ПБВ, образуя органосиликатные соединения, упрочняющие структуру полимерасфальтобетона (табл.2).

При хроматографическом изучении паровой фазы немодифицированного и модифицированного добавлением базальтовой ваты образца обнаружено (рис.3), что пик, соответствующий выходу алкилбензола, смещается с 18.91 до 21.55 мин. Это доказывает наличие взаимодействия данного вида компонентов ПБВ с базальтом.

Детальная расшифровка масс-спектров показала, что паровая фаза сформирована главным образом деканом, додеканом, тридеканом и додекеном (рис. 4). На масс-спектре представлены ионы следующих масс: 55 (С₄Н₇⁺), 57 (С₄Н₉⁺), 69 (С₅Н₉⁺), 71 (С₅Н₁₁⁺), 85 (С₆Н₁₃⁺), 91 (С₇Н₇⁺), 106 (С₈Н₁₀⁺), 119 (С₉Н₁₁⁺). В их число входят ионы, принадлежащие к гомологическим рядам алканов, алкенов и алкилбензолов.

Использование в производстве асфальтобетона ПБВ и армирование его базальтовым волокном замедляет газовыделение при рабочей температуре эксплуатации асфальтобетонного покрытия.

Термогравиметрический анализ показал (рис.5), что введение в состав битума комплексного модификатора, состоящего из каучука и полиэтилена, и базальтового волокна повышает термостойкость полимербитумного вяжущего и композиции на его основе.

Для асфальтобетона на основе исходного битума марки БНД 60/90 показана эффективность использования в качестве армирующего компонента некондиционной базальтовой ваты (отхода, образующегося на азотно-кислородной станции ООО “Саратоворгсинтез”), повышающей разрушающее напряжение при сжатии при 50 °С на 24%, и базальтовой нити, повышающей разрушающее напряжение при сжатии при 20 и 50°С на 21 и 47% соответственно (табл.1).

Асфальтобетон на основе полимербитумного вяжущего изначально имеет прочностные характеристики, на 5-20% превышающие аналогичные характеристики асфальтобетона на основе битума марки БНД 60/90, наиболее часто используемого при строительстве дорог. Армирование позволяет повысить прочностные характеристики асфальтобетона дополнительно на 10-30% (табл.2).

Введение в асфальтобетон базальтовой нити (фибры) в количестве 0.2-0.4% (масс.) с длиной резки 50-60 мм проводилось как на стадии смешения компонентов в объеме минерального наполнителя и битума, так и на стадии прессования образцов укладкой в цилиндрическую форму послойно.

• Доказана эффективность использования базальтовой фибры и некондиционной базальтовой ваты - крупнотоннажного отхода химических предприятий и атомных станций - в качестве армирующего компонента в дорожном строительстве. Так, введение в состав асфальтобетона базальтового волокна или ваты в количестве до 0.4% (масс.) позволяет повысить прочностные характеристики асфальтобетона на 10-30%.
• Показано наличие физико-химического взаимодействия в системе базальтовое волокно - полимербитумное вяжущее, что повышает прочностные характеристики полимерасфальтобетона, увеличивает его термостойкость и долговечность.
• Методом ИК-спектроскопии установлено упорядочение базальтовыми волокнами структуры ПБВ за счет образования органосиликатных соединений, упрочняющих структуру полимерасфальтобетона.