Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов и технологии их применения для аварийного ремонта цементо- и асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и других объектов высшей категории ответственности

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
высокопрочные высоконаполненные полимерные гибридные нанокомпозиты; акриловое связующее; аварийный ремонт; цементо- и асфальтобетонное покрытие; взлетно-посадочные полосы аэродромов; скорость набора прочности; прочность на сжатие, растяжение при изгибе, растяжение при раскалывании, сцепления с ремонтируемой подложкой; углеродные наноматериалы; монтмориллонит; современные методы анализа.

Цель проекта:
Интенсивная эксплуатация действующей транспортной инфраструктуры, в большинстве своем неблагоприятные природно-климатические условия, а также высокая вероятность разрушений в результате чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера предъявляют повышенные требования к срокам выполнения и качеству ремонтно-восстановительных работ, что диктует необходимость использования высокоэффективных материалов, обеспечивающих в широком диапазоне температур (от минус 30 до +30°C) высокие скорость отверждения, прочностные и адгезионные свойства, возможность применения при неблагоприятных условиях и пр. В настоящее время на российском рынке отсутствуют ремонтные материалы, удовлетворяющие всем предъявляемым требованиям. Целью проекта является разработка рецептур и технологии применения быстротвердеющих полимерных гибридных нанокомпозитов с комплексом высоких физико-механических характеристик, достигаемым через 1,5−2 часа, для круглогодичного аварийного ремонта автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и других объектов в любых природно-климатических условиях России.

Основные планируемые результаты проекта:
При выполнении проекта будет разработана техническая документация на изготовление и применение при ремонтно-восстановительных работах высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов на основе акрилового связующего; будут разработаны рецептуры высоконаполненных гибридных нанокомпозитов, адаптированных к круглогодичному проведению ремонтно-восстановительных работ в условиях ограниченного времени, при невозможности обеспечения полноценной подготовки ремонтируемой поверхности и других форс-мажорных обстоятельствах; будут изготовлены экспериментальные партии высокопрочных высоконаполненных гибридных нанокомпозитов и отремонтированные с их использованием Контрольные участки; будет разработан проект технического задания на проведение ОТР и пр.
Для достижения цели и результатов проекта необходимо проведение комплексных исследований, направленных на изучение влияния состава разрабатываемых высоконаполненных гибридных нанокомпозитов, условий их отверждения и степени подготовки ремонтируемой поверхности на скорость набора прочности, долговечность, физико-механические (прочность на сжатие, на растяжении при изгибе, на растяжение при раскалывании) и адгезионные свойства (в том числе и влияния нанонаполнителей на формирование полимерной матрицы), а также необходима отработка на реальных объектах технологии применения высоконаполненных гибридных нанокомпозитов и пр.
В 2014 г., на первом этапе выполнения проекта, проведен анализ особенностей эксплуатации и проведения ремонтных работ дорожного полотна, а также характеристик используемых для этих целей отечественных и зарубежных материалов; проанализированы пути создания и направленного регулирования скорости отверждения и физико-механических характеристик высоконаполненных композитов на основе акрилового связующего, а также эффективности использования нанонаполнителей.
Исследовано влияние различных нанонаполнителей (неорганические нанопорошки, углеродные нановолокна и нанотрубки с различной удельной поверхностью, углеродные (графеновые) наночешуйки, алюмосиликатные нанотрубки, природный и органомодифицированный монтмориллониты) на структуру и свойства формирующейся в их присутствии полиметилметакрилатной матрицы. Установлено, что вышеуказанные нанонаполнители оказывают существенное влияние на полимеризацию метилметакрилата в массе, что проявляется в изменении скорости процесса, молекулярной массы и температуры стеклования образующегося полимера и др., при этом наиболее сильный эффект проявляется в присутствии нанопорошков оксидов титана и алюминия и углеродных нанотрубок и наночешуек.
Исследование основных прочностных характеристик разрабатываемых высоконаполненных гибридных нанокомпозитов показало, что наибольший положительный эффект достигается при использовании нанопорошка оксида титана и углеродных наночешуек: прочность на сжатие через 1,5 часа твердения − 49,3 и 49,9 МПа, соответственно, через 28 суток твердения − 83,0 и 91,7 МПа; прочность на растяжение при изгибе через 1,5 часа твердения − 8,7 и 9,4 МПа, через 28 суток твердения − 13,6 и 14,6 МПа; прочность на растяжение при раскалывании через 1,5 часа твердения − 5,9 и 6,8 МПа, через 28 суток твердения − 7,6 и 8,4 МПа, что соответствует требованиям Технического задания.
Разработана адаптированная к использованию стандартного строительного оборудования технология применения высоконаполненных гибридных нанокомпозитов для ремонтно-восстановительных работ, которая была опробована на реальном объекте при температурах выполнения работ от минус 8 до +10°C. Высокая скорость отверждения и набора прочности высоконаполненных нанокомпозитов позволила ввести отремонтированные участки в эксплуатацию уже через 1,5 часа после проведения работ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработанные в результате выполнения проекта высоконаполненные полимерные гибридные нанокомпозиты оптимально сочетают высокие эксплуатационные характеристики, а по целому ряду параметров превосходят отечественные и импортные аналоги (материалы марок РМ-26, Silikal, Emaco и пр.).
Основные конкурентные преимущества разработанных материалов заключаются в следующем: более широкий температурный интервал применения (от минус 30 до +30°C) с сохранением высокой скорости набора прочности (не менее 45 МПа через 1,5 часа для любой из температур указанного интервала); достижение комплекса минимально необходимых эксплуатационных характеристик через короткий промежуток времени; обеспечение высокой прочности сцепления с ремонтируемой подложкой при различной степени ее подготовки; высокая долговечность системы «ремонтируемая подложка – высоконаполненный гибридный нанокомпозит (ремонтный материал)»; меньшее время проведения работ и быстрый ввод в эксплуатацию; увеличение продолжительности межремонтного периода вследствие более высоких физико-механических и адгезионных свойств, химической стойкости, морозостойкости и долговечности высоконаполненных гибридных нанокомпозитов.
Сокращение сроков проведения работ и увеличение межремонтного периода приведет к сокращению экономических издержек, обусловленных необходимостью длительного перерыва в эксплуатации или сокращением пропускной способности на объектах транспортной инфраструктуры (в том числе сокращением или отменой рейсов воздушных судов и др.). Результаты, полученные при выполнении проекта, позволят снизить дефицит современных композиционных материалов, адаптированных к специфике проведения ремонтно-восстановительных работ, и решить важную народно-хозяйственную задачу − обеспечить возможность круглогодичного проведения ремонтно-восстановительных работ (в том числе при неблагоприятных погодных условиях).
Полученные результаты не уступают результатам аналогичных, определяющих мировой уровень, работ зарубежных авторов; проведенные исследования позволили обеспечить высокий уровень эксплуатационных характеристик (прежде всего, адгезионной прочности к ремонтируемой подложке) в условиях, отражающих специфику ремонтно-восстановительных мероприятий (неблагоприятные природно-климатические факторы, отклонения технологии выполнения работ).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Высокопрочные высоконаполненные гибридные нанокомпозиты могут быть использованы при плановых и аварийных ремонтно-восстановительных работах на объектах транспортной инфраструктуры: цементо- и асфальтобетонные покрытия аэродромов (взлетно-посадочные полосы, рулежные дорожки, перроны); дорожные «одежды» автомобильных дорог, мостов, эстакад, тоннелей и пр., а также при строительстве и ремонте различных объектов промышленного, гражданского и военного назначения.
Высокая химическая стойкость разработанных высоконаполненных гибридных нанокомпозитов обусловливает возможность их применения также для ремонта объектов химической, нефтяной, металлургической и других отраслей промышленности, связанных с действием агрессивных сред: промышленные полы, стены, фундаменты производственных и складских помещений; железобетонные конструкции гидротехнических сооружений, объектов морской и речной инфраструктуры, эксплуатирующихся в условиях действия морской или пресной воды (плотины, дамбы, молы и пр.); очистные сооружения и сооружения водоподготовки, каналы, трубопроводы и другие подземные инженерные сооружения и коммуникации; объекты предприятий химической и нефтехимической промышленности (электролизные и плавильные ванны, поддоны, отводящие лотки и пр.).
Полученные результаты могут способствовать интенсификации развития актуальных научно-технологических направлений, посвященных разработке универсальных композитных ремонтных материалов со специальными свойствами.

Текущие результаты проекта:
При выполнении проекта в 2015 г. были впервые проведены комплексные исследования по изучению совместного влияния технологических (степень подготовки ремонтируемой поверхности, температура твердения) и рецептурных факторов на прочность сцепления высоконаполненных гибридных нанокомпозитов с ремонтируемой бетонной подложкой. Разработана лабораторная методика оценки долговечности системы «ремонтируемая поверхность – ремонтный материал», сформированной в условиях, моделирующих условия проведения реальных работ, и подвергшихся затем действию нагрузок, моделирующих эксплуатационные. Найдены способы обеспечения высокой прочности сцепления даже при неблагоприятных условиях формирования контакта: не менее 2,5 МПа при температурах твердения от +4 до +25°C и не менее 2,0 МПа при минус 30°C. Указанный уровень адгезионной прочности превышает уровень прочности сцепления отечественных и импортных аналогов, достигнутый при полноценной технологии подготовки подложки.
Разработаны аналитические зависимости, описывающие влияние состава и условий твердения на скорость набора прочности и физико-механические свойства. На основе полученных результатов разработаны рецептуры высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов на основе акрилового связующего для различных условий проведения ремонтно-восстановительных работ.
В соответствии с разработанной технической документацией изготовлена экспериментальная партия высоконаполненных гибридных нанокомпозитов общей массой 1080 кг и проведены ее испытания. При выполнении ремонтно-восстановительных работ на реальном объекте с использованием полученной экспериментальной партии были изготовлены четыре Контрольных участка общей площадью 5,8 м². Мониторинг изготовленных Контрольных участков, проведенный через один месяц их эксплуатации, показал отсутствие поверхностных дефектов (сколов, шелушения, раковин, каверн) и хорошее сцепление высоконаполненных гибридных нанокомпозитов с цементобетонным покрытием, при этом прочность на сжатие, определенная неразрушающим ударно-импульсным методом контроля, отвечает требованиям Технического задания (не менее 60 МПа).
С целью обеспечения стойкости к возможному образованию микротрещин в условиях быстрого экзотермического отверждения проведена оптимизация рецептур высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов, в рамках которой выявлены резервы повышения их трещиностойкости. На полученные результаты интеллектуальной деятельности введен режим коммерческой тайны. Изготовлена экспериментальная партия высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов на основе акрилового связующего (оптимизированных рецептур) общей массой 2160 кг, с использованием которой на реальном объекте изготовлены Контрольные участки общей площадью 10,7 м².
Разработаны проект Технических условий на высокопрочные высоконаполненные полимерные гибридные нанокомпозиты на основе акрилового связующего и проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка технологии и организация опытного производства быстротвердеющих высокопрочных высоконаполненных полимерных гибридных нанокомпозитов на основе акрилового связующего».
Выполненные работы, полученные результаты, а также достигнутые значения показателей результативности предоставления субсидии соответствуют требованиям Технического задания, Плана-графика и нормативной документации. Сведения о ходе выполнения проекта размещены на сайте http://www.muctr.ru/ossved/fproekt.php.