CC BY
450
УДК 625. 7. 06
А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, В. Ю. Марков, Т. К. Усманов
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БИТУМА
Ключевые слова: битум, полимер, пенетрация, адгезия.
Изучено влияние полимерных добавок, а именно низкоокисленный атактический полипропилен и побочных продуктов полипропиленовых производств с высокой и низкой степенью полимеризации на пенетрацию, температуру размягчении и адгезию битума. Показано, что с ростом содержания полимеров наблюдается улучшение свойств битума.
Keywords:bitumen, polimer, penetration, adhesion.
The influence of polymeric additives, namely OAPP-n and a polypropylene manufactures by-product with high and low degree of polymerization on a penetration, softening temperature and adhesion of bitumen is studied. It is shown that with growth of the maintenance of polymers the improvement of properties of bitumen is observed.
Введение
В настоящее время дорожные битумы производятся преимущественно путем окисления воздухом остатков перегонки нефти. Качество образующихся связующих во многом определяется типом исходного нефтяного сырья [1]. Значительная часть получаемых таким методом нефтяных битумов обладает недостаточными
эксплуатационными свойствами.
В ряде работ показано, что качественные и эксплуатационные характеристики материалов на основе нефтяных битумов могут быть улучшены путем модификации с использованием полимерных синтетических материалов.
Именно поэтому исследование битумов с добавками полимеров представляет постоянный интерес у исследователей в последние десятилетия. Многообразие появившихся в промышленности полимеров дает новые возможности регулирования свойств битумов в требуемом направлении. Однако повсеместного применения в строительстве асфальтобетонных покрытий полимеры до настоящего времени не нашли, что связано с усложнением технологии приготовления полимербитумных вяжущих и дороговизной полимера [2].
Настоящая работа посвящена изучению полимербитумных вяжущих на основе полимеров, и проведена сравнительная характеристика между исследуемыми полимерами цена - качество.
Объекты исследования
Для исследования были использованы следующие материалы: битум марки БНД 80/120, полученный окислением в Нижнекамске, низко-окисленный атактический пропилен (ОАПП-н), побочные продукты полипропиленовых
производств с низкой и высокой степенью полимеризации. При этом нужно отметить, что побочные продукты производства полипропилена, по сути это отходы производства, не удовлетворяющие требуемому качеству (далее данные полимеры будут указываться как полимер 1 и полимер 2 соответственно). Их отличие прежде
всего заключается в строении и молекулярной массе. Полимер с низкой степенью полимеризации представляет собой смесь олигомеров с расшитой структурой и меньшей молекулярной массой по сравнению с полимером с высокой степенью полимеризации, который представляет собой высоконденсированный полимер с большей молекулярной массой, и если представить его структуру, то она выглядит как сшитый клубок углеводородной цепи, плотного строения.
Экспериментальные исследования
В качестве исходного битума был выбран битум марки БНД 80/120, так как в менее вязком битуме полимер и добавка сильнее проявляют свое влияние. Эта зависимость подтверждается данными Д. К. Томпсона [2], согласно которому, чем выше температура размягчения или молекулярная масса данного битума, тем меньше полимер влияет на его свойства.
Все полимеры исследовали на битуме марки БНД 80/120. Для этого в нагреваемых до 1200С емкостях расплавляли битум, при интенсивном перемешивании добавляли необходимое количество предварительно измельченного полимера. Изучали изменение свойств полимербитумного вяжущего при различных концентрациях полимера: 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%.
Оценка качества битумполимерных вяжущих с полимерами производилась по следующим показателям: пенетрация при 250С; температура размягчения; работа адгезии.
В результате исследования установили, что с увеличением количества полимерной добавки происходит повышение температуры размягчения по КИШ, которая характеризует переход битума из упругопластичного состояния в вязкое, что мы можем наблюдать на рис. 1. При этом эффективность воздействия полимер1 и полимера 2 значительно выше, чем эффективность ОАПП-н. Максимальное модифицирующее воздействие оказывает полимер 2.
Количество добавки, % мае.
♦ полимер 1 ■полимер 2 А ОАПП-Н
Рис. 1 - Изменение глубины проникания иглы битумного вяжущего БНД 80/120 при 25°С при добавлении разных полимерных добавок
Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, то есть текучести битумов, принимается условный показатель -глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум [3].
Глубина проникания иглы (пенетрация) при 25°С характеризует пластичность и вязкость вяжущего, его технологические свойства.
Количестводобавки,% мае.
♦ полимер 1 ■ полимер 2 А ОАПП-Н
Рис. 2 - Изменение глубины проникания иглы битумного вяжущего БНД 80/120 при 25°С при добавлении разных полимерных добавок
Как видно из рис. 2 пенетрация, как и следовало ожидать, понижается с увеличением содержания полимера. Полимеры адсорбируют масла битума и образуют отдельную дисперсную фазу, что приводит к понижению соотношения масла/асфальтены (М/А), вследствие чего наблюдается возрастание вязкости и понижение пенетрации [4].
Согласно рисунку 2 максимальное воздействие на пенетрацию оказывает так же полимер 2, что может быть объяснено молекулярной
массой полимера и его строением, то есть благодаря высококонденсированной сшитой структуре полимера, он в значительной степени способен адсорбировать мальтеновую часть битума, а следовательно увеличивать вязкость. Также можно отметить, что наблюдается тенденция дальнейшего понижения пенетрация при увеличении содержания полимера 2 и полимера 1, в то время как ОАПП-н при содержании 4-5% выходит на плато, то есть дальнейшее увеличение не изменяет пенетрацию; возможно при этом достигается оптимальное соотношение М/А.
Анализируя рисунки 1-2, мы приходим к выводу, что температура размягчения и пенетрация являются взаимосвязанными показателями; с понижением пенетрации наблюдается повышение температуры размягчения.
Адгезия - это межфазное взаимодействие, результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии.
Процесс адгезии можно рассматривать как адсорбцию битумного вяжущего на поверхности минерального материала. Адсорбция происходит за счет межмолекулярного взаимодействия, и адгезия, соответственно, будет повышаться с улучшением этого взаимодействия, а это достигается путем повышения активности битумного вяжущего введением в его состав полимерных добавок, имеющих активные функциональные группы [5].
В структуре макромолекулы применяемых полимеров присутствуют полярные карбонильные, гидроксильные функциональные группы и двойные углерод - углеродные связи, которые адсорбируются на поверхности минерального материала, тем самым, повышается адгезия. Таким образом, молекулы полимера как бы связывают битум и минеральный материал.
Количественно мерой процесса сцепления битума с поверхностью минерального материала является работа адгезии (рис. 3) . Чем больше будет данная величина, тем лучше будет сцепление битума с минеральным материалом. Поэтому нами была определена адгезия по краевому углу смачивания битумом стеклянной подложки [6].
На рисунке 3 видно, что при применении ОАПП-н работа адгезии равномерно повышается с увеличением количества полимера. Влияние полимера 1 и полимера 2 не однозначно, при концентрации до 2,5% наблюдается рост работы адгезии, но при дальнейшем увеличении происходит ее снижение. Введение набухающего полимера приводит к уменьшению доли масляной фракции и перераспределению ассоциированных асфальтенами масел. При содержании полимеров 2,5% достигается оптимальное содержание полимера,
обеспечивающие максимальную адгезию и удовлетворительное соотношение М/А. Но при дальнейшем введении полимеров 1 и полимеров 2 молекулы последних начинают «конкурировать» с асфальтенами за мальтены битума.
Количество добавки, % мае.
♦ полимер 1 ■полимер 2 АОАПП-Н
Рис. 3 - Изменение работы адгезии битумного вяжущего БНД 80/120 при добавлении разных полимерных добавок
При достаточно высоком содержании полимеров количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов, и последние коагулируют в виде твердой фазы -битум «распадается», вследствие чего когезия (сцепление частиц вещества, составляющих одну фазу) битума начинает падать. А как мы знаем между когезией и адгезией существует прямая взаимосвязь, приходим к выводу, что и адгезия будет снижаться [7].
Выводы
1. По температуре размягчения битумного вяжущего оптимальными являются образцы, содержащие до 3% полимера, так как при дальнейшем увеличении замечен лишь незначительный рост, при этом нужно выделить, что применение побочного продукта полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации является наиболее эффективным.
2. По твердости наилучшими характеристиками обладают битумные вяжущие с содержанием полимеров также до 3%, наибольшее воздействие оказывает побочный продукт полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации.
3. При добавлении до 2,5% побочные продукты полипропиленового производства с низкой и высокой степенью полимеризации наблюдается увеличение адгезионных свойств, при дальнейшем увеличении происходит понижение;
4. По совокупности физико-химических и эксплуатационных характеристик приходим к выводу, что наиболее приемлемыми являются битумные вяжущие с содержанием полимеров 2,53%, так при этом достигается наиболее оптимальное соотношение всех показателей;
5. Так же следует отметить, что экономически выгоднее использовать побочный продукта полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации в качестве модификатора битумного вяжущего, так как ОАПП-н значительно уступает ему по цене (он намного дороже), а побочный продукт полипропиленового производства с низкой степенью полимеризации показал не очень хорошие результаты в качестве модификатора.
Литература
1. И. М. Руденская, А. В. Руденский, Органические вяжущие для дорожного строительства, Транспорт, Москва, 1984, 228 с.
2.Влияние природы битума на стабильность водо-битумных эмульсий на основе проксанолов/ Идрисов М.Р., Абдуллин А.И // Вестник КНИТУ. - 2012, №3. - С. 131-134.
3. Томпсон Д. К. Каучуковые модификаторы. Битумные материалы (асфальты, смолы, пеки)/ Под ред. А. Дж. Хойберга: Пер. с англ. - М.: Химия, 1974. -248 с.
4. Гохман Л.М. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства /Л.М. Гохман // Автомобильные дороги. - 2005. - №5. -С. 19-22.
5. Розенталь Д. А. Изменение свойств дорожных битумов / Д.А. Розенталь, А.М. Сыроежко //Химия и технология топлив и масел.- 2000.- №4.-С.41-43.
6. Худякова Т.С. Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральным материалом / Т.С.Худякова //Химия и технология топлив и масел.-1987.- №6.-С.35-38.
7. Определение прочности сцепления дорожных битумов с минеральными материалами / Е.Е. Никитин [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2002.- №9.- С.28-33.
8. Золотарев В. А. Применение побочных продуктов для улучшения качества асфальтобетона/ В. А. Золотарев, Е. Н. Агеева, Р. Ш. Деревянко // Автомобильные дороги. -1991. - №1. - С.15-16.
© А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры, lena-ae@mail.ru; В. Ю. Марков - магистр той же кафедры, markovektor@gmail.com; Т. К. Усманов - магистр той же кафедры, usmanovol7@gmail.com.
