Решение проблемы продления срока службы дорожных покрытий является одной из важнейших задач дорожной отрасли. Преждевременный выход из строя дорожных покрытий, ухудшение их транспортно-эксплуатационных характеристик из-за разного рода повреждений под действием постоянно увеличивающихся транспортных нагрузок и непредсказуемых погодно-климатических условий в северных регионах нашей страны заставляют дорожное хозяйство тратить значительные трудовые, материальные и финансовые ресурсы на ремонт и содержание автомобильных дорог и городских улиц. Это влечёт за собой снижение темпов развития сети высококачественных автомобильных дорог с усовершенствованными типами покрытия, так как большая часть ресурсов направляется на поддержание в удовлетворительном состоянии имеющейся инфраструктуры. Одним из направлений по повышению эксплуатационных показателей асфальтобетонных покрытий является разработка новых модифицирующих и стабилизирующих добавок, которые бы позволили повысить прочностные свойства дорожных покрытий без отклонения от действующих нормативно-технических документов [6].
Одной из таких добавок является стабилизирующая целлюлозно-бумажная добавка «АРМИДОН» для щебеночно-мастичного асфальтобетона. Известны ещё некоторые разновидности стабилизирующих добавок, приведённые в работах [3, 8, 10]. Добавка «АРМИДОН» состоит из целлюлозного волокна, полученного в ходе размельчения макулатуры, с добавлением специального связующего и модификаторов. Выпускается в виде цилиндрических гранул светло-коричневого цвета. Основные характеристики стабилизирующей добавки «АРМИДОН» приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики стабилизирующей добавки «АРМИДОН»
|
Наименование показателя |
Значение |
|
Средняя длина гранулы |
2-10 мм; |
|
Средняя толщина гранулы |
5 ± 1 мм; |
|
Объемная плотность |
500 г/л; |
|
Термическое разрушение |
200 °С; |
|
Температура возгорания |
500 °С; |
|
Растворимость в воде (при 20 °С) |
нерастворим; |
|
Базовый исходный материал |
техническая целлюлоза; |
|
Содержание целлюлозы |
85-90 %; |
|
Водородный показатель рН |
7,5 ± 1; |
Согласно ТУ 5718-001-50530418-10 содержание волокон длиной от 0,2 до 2,0 мм составляет 89 % по [1] не менее 85 %, влажность по массе 5,7 % по [1] не более 8,0 %, термостойкость при температуре 220 °С по изменению массы при прогреве 1,7 %, по [1] не более 7 %.
Рис. 1. Основные узлы и блоки аналитического комплекса РЭМ JSM-6510LV. 1 – стенд прибора с автоматической высоко/низковакуумной системой и электронными системами управления; 2 – камера для образцов; 3 – электронно-оптическая система (колонна), установленная на камере для образцов; 4 – энергодисперсионный рентгеновский спектрометр модели INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания); 5 – электронные блоки рентгеновских спектрометров; 6 – управляющие компьютеры (2 шт.); 7 – видеомониторы (2 шт.); 8 – пластинчато-роторный форнасос; 9 – генератор напряжений
Для изучения микроструктуры использовался электронный микроскоп серии JSM-6510LV (рис. 1) с разрешением в высоком вакууме до 3 нм. Сущность методики заключается в том, что исследуемый образец помещается в вакуумную камеру растрового электронного микроскопа и облучается сфокусированным направленным пучком электронов высокой энергии. Пучок электронов (электронный зонд) взаимодействует с приповерхностным участком образца глубиной обычно менее нескольких микрон. Объем зоны взаимодействия зависит как от ускоряющего напряжения, так и от плотности материала образца и для массивной мишени находится в диапазоне от первых десятых долей до десяти кубических микрон. Генерация рентгеновского излучения является результатом неупругого взаимодействия между электронами и образцом. Рентгеновское излучение появляется в результате двух главных процессов: эмиссии характеристического излучения и эмиссии фонового, или тормозного излучения. Полученные результаты обрабатываются в программном комплексе SmileShot™, который гарантирует оптимальные рабочие установки. Одним из главных преимуществ микроскопа модели JSM-6510LV является низковакуумный режим, который включается одним щелчком компьютерной мыши, позволяя изучать влажные или неприводимые образцы без напыления и полностью обезопасить себя от внешних воздействий.
Основными особенностями приборов этой серии являются:
- термоэмиссионная пушка с вольфрамовым катодом;
- автоматическая настройка для типовых образцов;
- настраиваемый интерфейс программного обеспечения;
- улучшенное получение изображения во вторичных электронах;
- супер-коническая объективная линза;
- полностью автоматизированная вакуумная система.
На рис. 1 показан общий вид аналитического комплекса РЭМ JSM-6510LV.
Обобщенные данные по основным техническим и эксплуатационным характеристикам комплекса сканирующего электронного микроскопа приведены в табл. 2 [7]. Также в таблице представлены управляющие параметры для создания изображения, детекторы, максимальные значения перемещения столика для образцов и максимальное разрешение визуального сигнала.
С помощью представленного выше микроскопа были получены микрофотоснимки путем фотосъемки предварительно подготовленных образцов гранулированной целлюлозно-бумажной добавки «АРМИДОН» для щебеночно-мастичных асфальтобетонных смесей.
При обработке электронно-микроскопических изображений была получена количественная информация об элементах структуры, их взаимном расположении в пространстве. Производился замер геометрических параметров добавки, изучалась её структура, характер взаимного расположения волокон их размер и форма.
Таблица 2
Основные технические характеристики микроскопа JSM-6510LV
|
Параметры |
Значения |
|
Тип источника электронов |
Вольфрамовая нить |
|
Пространственное разрешение |
3 нм |
|
Пространственное разрешение в низковакуумном режиме |
4 нм |
|
Энергия электронного луча |
от 500 эВ до 30 кэВ |
|
Увеличение |
от 5 до 300 000 |
|
Ток луча |
от 1 пА до 1 мкА |
|
Детекторы |
SEI – изображение во вторичных электронах; ВЕС – изображение в обратно-рассеянных электронах |
|
Аналитические приставки – опции |
Система энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350 |
|
Максимальный размер образца |
150 мм диаметром |
|
Столик образцов |
5 координат (X, Y, Z, T, R) |
|
Система вакуумной откачки |
Пластинчато-роторный форнасос |
а б
Рис. 2. а – микрофотоснимок стабилизирующей добавки «АРМИДОН» со 100-кратным увеличением; б – с 200-кратным увеличением
Рис. 3. Основные параметры для создания изображения. 1 – режим детектора; 2 – ускоряющее напряжение; 3 – рабочее расстояние; 4 – зондовый ток; 5 – увеличение; 6 – размер; 7 – размерная линия
а б
Рис. 4. а – микрофотоснимок добавки «АРМИДОН» с обозначением анализируемых спектров; б – рентгеноспектральный микроанализ
Подготовка проб для исследования велась следующим образом. Гранула добавки была разделена пополам и покрыта напылением платиновой плёнки толщиной 300 ангстрем в месте разлома. После полного высыхания напыления образец был помещён на предметный столик в камеру образцов под объектив микроскопа для микрофотографирования. Для получения чёткого изображения с помощью электрического привода перемещали зрительную трубу по высоте и в стороны, затем микрометренной фокусировкой наводили резкость, пока объект не был ясно отображён на экране компьютера.
Для получения пригодных для анализа изображений получали от 15 до 18 различных микрофотографий при разном увеличении, чтобы получить микроизображение объекта исследования при различном увеличении со всех сторон.
На рис. 2, а и 2, б представлена микрофотография волокон добавки «АРМИДОН». Переплетаясь между собой, волокна образуют пространственную структуру. Волокна имеют форму тонких пластинок и среднюю длину 1,3 мм, средняя толщина и ширина отдельно взятого волокна по его длине различная. На основании статистической обработки результатов измерений получены усредненные значения параметров волокон для добавки «АРМИДОН»: длина волокна 1,3 мм, ширина 0,029 мм, толщина 0,008 мм.
Для определения структуры добавки был проведён рентгеноспектральный микроанализ частиц волокна целлюлозно-бумажной добавки «АРМИДОН».
Данный метод основан на детектировании характеристического рентгеновского излучения, генерируемого в зоне взаимодействия первичного пучка ускоренных электронов с образцом. Рентгеноспектральный микроанализ осуществляется с помощью спектрометра с дисперсией по энергии рентгеновских квантов [2]. С использованием данного метода был выполнен качественный и количественный (по списку элементов) рентгеновский микроанализ с указанием точек определения элементного состава (обозначены на рис. 4, а), результаты рентгеноспектрального микроанализа представлены на рис. 4, б.
Таблица 3
Количественные показатели определяемого образца
|
Спектр |
Содержание элементов, масс. % |
|||||
|
С |
O |
Al |
Si |
S |
Ca |
|
|
Спектр 1 |
82,22 |
7,09 |
0,73 |
1,28 |
5,10 |
3,58 |
|
Спектр 2 |
83,11 |
6,78 |
0,66 |
1,08 |
4,93 |
3,44 |
|
Спектр 3 |
81,89 |
7,51 |
0,84 |
1,27 |
4,98 |
3,51 |
|
Спектр 4 |
82,56 |
7,01 |
0,69 |
1,17 |
5,04 |
3,53 |
|
Спектр 5 |
81,79 |
7,47 |
0,83 |
1,31 |
5,01 |
3,59 |
|
Среднее |
82,31 |
7,17 |
0,75 |
1,22 |
5,01 |
3,53 |
Рентгеноспектральный микроанализ позволил определить атомный состав анализируемого образца добавки в различных спектрах. Массовые доли элементов приведены в табл. 3. По приведённым данным можно сделать вывод, что распределение составляющих элементов неоднородно. На рис. 4, б приведён характерный спектр распределения элементов в образце, наличие колебаний обозначает присутствие химических элементов, а острота пиков – их количество.
Выводы
В результате микроанализа стабилизирующей добавки «АРМИДОН» были получены цифровые микрофотоснимки, с помощью которых были определены геометрические параметры волокна (длина 1,3 мм, ширина 0,029 мм, толщина 0,008 мм), характер взаимного расположения волокон в пространстве и их форма.
Для более полного анализа структуры стабилизирующей добавки был проведён рентгеноспектральный микроанализ её волокон в различных точках. С использованием данного метода было определено процентное содержание (по массе) химических элементов добавки. В результате исследования установлено, что распределение химических элементов в структуре неоднородно.
Были получены графические данные с определением рентгеновского спектра, что, в свою очередь, позволило определить наличие химических элементов: углерод (С) – 82,31 %; кислород (О) – 7,17 %; алюминий (Al) – 0,75 %; кремний (Si) – 1,22 %; сера (S) – 5,01 %; кальций (Ca) – 3,53 % в структуре целлюлозно-бумажных волокон стабилизирующей добавки «АРМИДОН».