книги / Энергоэффективный термопластичный материал для дорожной разметки

Опыт нанесения термопласта, например, на щебеночно-мас- тичный асфальтобетон позволил дать следующие рекомендации

[65, 66]:

–разметку из термопласта следует наносить на свежеустроенное дорожное покрытие; для предотвращения загрязнения (зачернения линий разметки битумом) можно рекомендовать посыпать термопласт стеклянными микрошариками или смесью стеклошариков

смикромрамором;

–перед нанесением разметки на дорожные покрытия проводят их очистку;

– используют термопласты с повышенной теплоемкостью и текучестью для полного заполнения поверхностных пустот текстуры дорожного покрытия (глубин впадин);

– устройство разметки из термопласта выполняют машинами кареточного типа.

При изучении характера разрушения разметки из термопласта выделяют отслоение и истирание [87].

Отслоение происходит ввиду плохой адгезии термопласта из-за плохого качества покрытия или несоблюдения условий нанесения.

Истирание разметки определяется характером, составом и интенсивностью движения (разгон, торможение, поворот, использование автопокрышек из шипованной резины), уровнем содержания дорог, особенно зимой, и свойствами разметочного материала.

Различные виды термопластов реагируют по-разному на наличие влаги. Различны гидрофобные свойства термопластов, произведенных на основе нефтеполимерных и полиэфирных смол. Они имеют разные краевые углы смачивания водой [16].

Термопласт на основе полиэфирной смолы имеет меньшую гидрофобность.

Термопласты на основе нефтеполимерных смол распределяют на покрытие не ранее 12 ч после дождя и при влажности не бо-

лее 70 %.

21

При нанесении термопласта учитывают сохранение текучести расплава и температуру на поверхности контакта расплава термопласта и асфальтобетона [47].

При повышении температуры покрытия дороги адгезия термопласта к нему увеличивается.

Установлено [95], что нефтеполимерный термопласт разлагается уже при 185 °С.

Пониженная температура покрытия при использовании термопласта не компенсируется путем увеличения температуры расплава [17].

В летний период термопласт на полиэфирной смоле изнашивается слабо, зимой установлено быстрое изнашивание на дорогах с интенсивным движением.

Загрязнение достаточно сильно влияет на уменьшение величины адгезии разметки к дорожному покрытию.

Было установлено, что более вязкие материалы (термопласты) обладают меньшим удельным значением величины адгезии, чем менее вязкие (краска, холодный пластик).

При небольшой степени загрязнения покрытия менее вязкие материалы слабее реагируют на него, чем более вязкие. Они включают частицы грязи в свой состав в виде наполнителя и полностью обволакивают их.

При дальнейшем увеличении степени загрязнения происходит неполное обволакивание разметочным материалом частиц пыли, вследствие чего происходит большее уменьшение адгезии.

Результаты эксперимента показали, что применение праймера в зависимости от марки термопласта повышает адгезию от 30 до

80 % [13].

1.3. Аналоги подбора рецептур материалов для дорожной разметки

Макроснимок линии разметки из термопласта представлен на рис. 1.2.

Научно-техническая и методическая литература о дорожной разметке в основном посвящена технологии ее применения, техни-

22

ческому нормированию и контролю качества, а также результатам сравнительных испытаний. Этому посвящены работы Н.З. Костовой, В.М. Юмашева, В.Н. Свежинского [59–67, 83].

Рис. 1.2. Макроснимок нанесенного разметочного материала (фото авторов)

О разработке эффективных рецептур термопластичных материалов для дорожной разметки было доложено В.В. Морозовым [48] на Всероссийской конференции по применению дорожной разметки в г. Саратове в 2002 г.

Уже тогда заявлялось о подборе рецептур с целью достижения требуемых показателей отечественных материалов для разметки на полимерной основе.

В Российской Федерации еще в 1995 г. было организовано производство термопластов через расплав методом свободного литья.

За рубежом, особенно в ФРГ (например, на фирме Lafrenz), уже давно существуют подобные производства, которые обладают рядом несомненных преимуществ.

Тщательное диспергирование входящих в состав термопласта компонентов позволяет обеспечить однородность его свойств в любой части партии изготавливаемого материала, и в этом смысле аттестация готовой продукции даже по небольшой пробе, отобранной из смесителя, более надежно характеризует уровень свойств партии

23

термопласта, чем большая проба из изготавливаемого в виде порошковой смеси материала.

Для более объективной оценки необходимо производить отбор из разных мест и смешивать эти пробы целиком или усреднять методом квартования.

При приготовлении расплава нет принципиальных ограничений на использование жидких или твердых компонентов, возникающих (ограничений), например, в связи с возможной слеживаемостью материала, мелких или крупных (естественно, в разумных пределах) кусков смол, каучуков или других подобных компонентов, входящих в состав термопласта [51].

Вдиссертации М.И. Шакурова [104] (близкий аналог настоящей научной работы) проводилась модернизация рецептур за счет использования вяжущих и аппретированных наполнителей, способных повысить межфазное взаимодействие и изменять вязкость термопластов.

Цель работы – разработка термопластов с повышенными эксплуатационными свойствами. Показано, что добавление до 1 мас. % аппретированных наполнителей повышает текучесть расплава материалов на 30–60 %.

Введение 1 мас. % аппретированного метилсиланом наполнителя повышает температуру размягчения на 5 °С, а добавление 1 мас. % аппретированногоалкилсиланомнаполнителя– на17 °С.

Между тем полученный термопластик испытывался в состоянии сухой смеси, что на практике приводит к значительному времени его приготовления в разметочной машине – разогреву и длительному перемешиванию, что не всегда обеспечивает однородные свойства смеси и сохранение цветности.

С целью развития этих исследований в настоящей работе предлагается метод литья расплава термопласта в тару.

Вработах С.М. Евтеевой отражены вопросы нанесения цветной горизонтальной разметки на дорогу, проведена последовательность подбора рецептур термопластов с учетом использования отечественных материалов [11, 14].

24

Наиболее близким к направлению настоящего исследования является цикл работ С.И. Возного [8–22]. Их целью была разработка технологии производства материалов для разметки на основе термопластов.

В них был исследован механизм взаимодействия в системе асфальтобетонное покрытие–композиционный термопластичный материал. Гранулометрия асфальтобетона, текстура и химическая активность его поверхности, шероховатость и пористость его гидрофильных компонентов влияют на адгезию термопласта.

Исследовано влияние органических компонентов на функциональную устойчивость термопласта. Установлено, что регулирование концентрации технического воска и гранулометрии наполнителей обеспечивает технологичность термопласта.

Рассматривались следующие термины и определения. Адгезия (прилипание) – слипание (сцепление) поверхностей

разнородных тел. Рассматриваются связи термопласта и асфальтобетона, обусловленные механическими, клеевыми, взаимопроникающими эффектами.

Адгезия визуально определяется площадью поверхности термопласта, сохранившей на себе частицы материала асфальтобетона (битумную пленку или элементы минеральных материалов) после приложения испытательных нагрузок.

Когезия – межмолекулярное притяжение частиц твердого тела (жидкости), обеспечивающее их объединение в одно целое.

Технологическая проба – метод испытания стандартных образцов материалов, реализуемый простыми способами и без тщательного исследования устанавливаемых свойств для оценки способности образцов к определенным деформациям, которые возникают при приготовлении или работе (для термопласта – отрыв или сдвиг).

Характер разрушения стандартного образца подразделяют на когезионный по пластику, адгезионный, когезионный по асфальтобетону, смешанный.

Когезионный характер – разрушается асфальтобетон или термопласт на площади более 50 %. Адгезионный характер – разрушение стандартного образца происходит на более половине площади

25

по контакту между асфальтобетонным образцом и термопластом, причем на поверхности термопласта могут оставаться отдельные зерна песка и/или битумная пленка.

Смешанный характер – при наличии разных характеров разрушения, ни одно из которых не превышает более половины площади сечения.

Рецептура термопласта должна быть специально разработана для разных климатических условий: более мягкий термопласт подходит для холодного климата; термопласт средней твердости – для умеренного климата; термопласт повышенной твердости – для жаркого климата. В особых случаях и экстремальных температурных условиях требуется специальная рецептура термопласта.

Чтобы обеспечить высокое качество термопласта, каждая изготовленная партия термопластов должна проходить испытания по определению температуры размягчения; по измерению степени белизны, обусловленной количеством и составом пигментов; по определению объема вяжущего, по определению прочности термопласта (метод пенетрации).

Проведен анализ близких аналогов рецептур термопластов. В качестве близкого аналога выбран термопласт «Экватор» (ТУ BY 200647886.493–2006) – терморазмягчаемый материал в виде сыпучей смеси светло-серого цвета из полиэфирных вяжущих, пигментов, минеральных наполнителей и добавок.

Смесь после разогревания, вымешивания и последующего охлаждения образует толстослойный непрозрачный твердый материал [15]. Он наносится на покрытие по стандартам Беларуси СТБ 1231 и СТБ 1300. Его наносят разметочными машинами или вручную.

Расплав термопласта при этом находится в температурных пределах от 180 до 210 °С.

Микростеклошарики наносятся распределением сверху на свеженанесенный термопласт до начала его отверждения. Основные технические характеристики термопласта приведены в табл. 1.3.

До настоящего времени большинство отечественных материалов из термопластов уступало зарубежным по сроку службы разметки на автомобильных дорогах с интенсивным движением.

26

Объяснение данному факту связано с ограниченными сырьевыми возможностями отечественных производителей в 90-х гг., когда они начинали производить разметочные материалы из термопластов.

В последние годы ситуация на рынке сырья изменилась в лучшую сторону, что послужило толчком к улучшению качества производимых материалов. Используются новые виды вяжущего компонента, позволившие резко улучшить качество термопластов по износостойкости и сроку службы.

Основные отличия термопластов на примере выпускаемых в ООО ПХ «Технопласт» (г. Москва) материалов для дорожной разметки приведены в табл. 1.4 [15].

Отличием нового поколения термопластов является изменение состава связующего. В термопласте «Технопласт» вяжущее состоит из пластификатора и твердой насыщенной полиэфирной смолы, являющейся насыщенным полиэфиром с температурой плавления око-

ло 50 °С [17].

Полиэфирные смолы производили по собственным рецептурам и технологиям. Основная смола имела линейную структуру. Ее получали на основе фталевой и терефталевой кислот и этиленгликоля.

Пластификатор синтезировали из адипиновой кислоты и этиленгликоля, причем специалисты ООО ПХ «Технопласт» обеспечи-

27

вали прекращение процесса поликонденсации еще на стадии формирования кристаллического состояния, что в дальнейшем облегчало процесс переработки.

Обе смолы характеризуются повышенной стабильностью к окислению при типовых температурных режимах переработки термопластов и позволяют неоднократный разогрев материала в случаях остановок работ.

Термопласты на основе полиэфирных смол обеспечивают повышенные адгезию к асфальтобетону и прочность. Полярность этих смол обеспечивает повышенную вязкость их расплава при рабочих значениях температуры от 180 до 210 °С.

При повышении температуры размягчения вязкость смолы возрастает, из-за чего применялись смолы с температурой размягчения не более 85 °С.

Стоит отметить, что учет вязкости расплава смол как положительного эксплуатационного фактора определяет повышенное содержание полиэфирных смол в рецептуре термопласта.

Высокая доля смолы и невысокая температура ее размягчения сокращают время подготовки к работе за счет уменьшения периода разогрева термопласта до перемешивания.

28

Значительное время разогрева термопластов, а также их хрупкость при пониженных значениях температуры являются причинами снижения их износоустойчивости на дорожных покрытиях.

Несмотря на большое количество проведенных исследований в ООО ПХ «Технопласт», ранее не удалось подобрать модифицирующих добавок, снижающих хрупкость. В работах С.И. Возного это было объяснено несовместимостью полимерных материалов и полиэфирных смол.

Была попытка применения совместимых с полиэфирными смолами полиуретанов, однако значимого эффекта не было получено. Полиуретаны оказались недостаточно стабильными при рабочих значениях температуры нагрева термопласта. Это вызывало появление желтоватого оттенка расплава разметочного материала.

Отличие термопластов на полиэфирных смолах – повышенное влагопоглощение. Вследствие чего такие термопласты не требовательны к влажности основания.

ВООО ПХ «Технопласт» составы термопластов разрабатываются также с применением малополярных углеводородных смол,

укоторых ниже вязкость расплава в сравнении с полиэфирными. Это дает возможность увеличить температуру размягчения и снизить содержание смол в термопласте в 1,5 раза.

Все это дает технический результат повышения износоустойчивости термопластика в условиях эксплуатации.

ВООО ПХ «Технопласт» было установлено, что пониженная

вязкость расплава и хорошая совместимость углеводородных смол с различными химическими продуктами позволяют повысить технологические, функциональные и эксплуатационные показатели качества термопластов.

Вымешивание расплава термопластика с целью его гомогенизации является очень важным условием для обеспечения однородности и стабильности материала при его эксплуатации на дорожном покрытии.

Разработанные в ООО ПХ «Технопласт» термопласты сохраняют стабильность при длительном времени нагрева (10 ч) и имеют меньшую загрязняемость. Это достигается за счет гидрофобности

29

вяжущего и более повышенной температуры размягчения в сравнении с термопластами на основе полиэфирных смол.

Установлено, что внешней причиной загрязняемости разметки на основе термопластов является пониженная температура размягчения битумов (около 50 °С), содержащихся в асфальтобетоне [17].

Внешний вид загрязненного в процессе эксплуатации термопластичного материала для разметки автомобильных дорог представлен на рис. 1.3 [17].

Рис. 1.3. Внешний вид загрязненного в процессе эксплуатации термопластичного материала для разметки автомобильных дорог

Внешний вид смятого в процессе эксплуатации термопластичного материала для разметки автомобильных дорог представлен на рис. 1.4.

Такая температура поверхности дороги достигается уже при температуре воздуха 30 °С в летний период в большинстве регионов Российской Федерации.

Поскольку нет альтернативы применению битумов в дорожных покрытиях, а основным требованием к разметке является ее видимость (яркость и контрастность), решение вопросов загрязняемости разметки переносится в область разработки и совершенствования рецептур разработчиками и производителями разметочных материалов.

30