CC BY
27
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. № 2
УДК 69.05 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-2-81-86
КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В БИТУМНЫХ ДОРОЖНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
© 2019 г. Р.В. Саванчук, Н.Д. Яценко, О.И. Сазонова, Л.Д. Попова
Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия
CONTROL OF WATER CONTENT IN BITUMEN ROAD EMULSIONS USING THE DIELOMETRIC METHOD
R. V. Savanchuk, N.D. Yatsenko, O.I. Sazonova, L.D. Popova
Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia
Саванчук Римма Васильевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Яценко Наталья Дмитриевна - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Сазонова Ольга Ивановна - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Попова Лилия Дмитриевна - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Материалы, технологии и техническое регулирование дорожного строительства», Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты, Россия.
Savanchuk Rimma Vasilievna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Yatsenko Natalia Dmitrievna - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Sazonova Olga Ivanovna - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Popova Liliya Dmitrievna - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department «Materials, Technology and Technical Regulations for Road Construction», Road Shakhtinsky Institute (branch) SRSPU (NPI), Shakhty, Russia.
Описаны основные преимущества битумных эмульсий перед неэмульгированным битумом. Отмечена целесообразность подготовки эмульсий требуемой концентрации непосредственно на строительных объектах. Обоснована необходимость разработки и применения методик экспресс-анализа дорожных битумных эмульсий. Рассмотрены известные лабораторные и экспресс-методы анализа содержания влаги в нефтепродуктах. Изучена возможность и предложено использование диэлькометрического метода в качестве экспресс-метода для регулировки состава битумных эмульсий. Метод реализуется путем взаимодействия электромагнитного поля с веществом, находящимся в межэлектродном пространстве измерительной ячейки. Сопоставлены характеристики ряда приборов, на базе которых реализуется диэлькометрический метод определения влажности. Произведен выбор микропроцессорного влагомера «Shatox SX - 300» для оперативного контроля качества нефтепродуктов как в лабораторных, так и в полевых условиях. Выполнены испытания по оценке зависимости относительной диэлектрической проницаемости от содержания воды в минеральном масле, являющемся основой для получения дорожных битумных эмульсий.
Ключевые слова: дорожные битумные эмульсии; диэлькометрия; экспресс-определение влажности нефтепродуктов.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
The main advantages of bitumen emulsions over non-emulsified bitumen are described. The expediency of preparation of emulsions of the required concentration directly on construction sites is noted. The necessity of development and application of methods of Express analysis of road bitumen emulsions is substantiated. The known laboratory and Express methods of moisture content analysis in oil products are considered. Explored and suggested the use of dielcometric method as a rapid method to adjust the composition of bitumen emulsions. The method is implemented by the interaction of the electromagnetic field with the substance located in the interelectrode space of the measuring cell. The characteristics of a number of devices on the basis of which the dielcometric method of humidity determination is implemented are compared. The choice of microprocessor moisture meter «Shatox SX - 300» for operational quality control of oil products both in laboratory and in the field was made. Tests were performed to assess the dependence of the relative permittivity on the water content in the mineral oil, which is the basis for the production of road bitumen emulsions.
Keywords: road bitumen emulsions; dielectrometry; rapid determination of the moisture content of petroleum products.
В настоящее время битумы являются наиболее распространенным термопластичным органическим вяжущим материалом, используемым для получения асфальтобетонных смесей и устройства из них слоев покрытий и верхних слоев оснований дорожных одежд [1]. К таким вяжущим относят как сами битумы, природного или искусственного происхождения, так и многие его разновидности: битумы с различными добавками, например резиновой крошкой, битумы, модифицированные полимерами, дорожные битумные эмульсии.
Эмульсия - это дисперсная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидкостей - дисперсной фазы, распределенной в дисперсионной среде [2]. Дорожные эмульсии состоят из битума, воды и специального поверхностно-активного вещества (ПАВ), которое служит эмульгатором, препятствующим расслоению эмульсии [3].
Применение битумных эмульсий имеет ряд преимуществ перед неэмульгированным битумом:
- эмульсии используются в холодном состоянии, благодаря чему в два-три раза замедляется процесс старения битума, определяемый по остаточной пенетрации;
- продлевается дорожно-строительный сезон, так как возможно применение эмульсий при температуре воздуха до 5 °С в сырую погоду при влажном каменном материале, на который наносится эмульсия;
- на покрываемой поверхности образуется тонкая пленка органического вяжущего, что на 25 - 30 % снижает его расход;
- обеспечивается высокая прочность наносимого покрытия за счет равномерного его распределения при лучшей смачиваемости обрабатываемых поверхностей;
- в дорожном строительстве применяют высококонцентрированные эмульсии, что эко-
номически выгодно при транспортировании на большие расстояния [4, 5].
Однако доведение эмульсии до рабочего состояния требует дополнительных лабораторных исследований, в связи с чем весьма актуальным является внедрение новых экспресс-методов инструментального контроля.
Битумные эмульсии высокого качества имеют размер капелек битума около 1 мкм. Идеальной упаковке одноразмерных сфер отвечает концентрация 74 % по объему. Такие высококонцентрированные эмульсии не распадаются и обладают свойствами гелей. Расходы на транспортировку у них ниже, чем у других видов эмульсий, но они требуют разбавления водой на месте потребления. Обычная концентрация битума в составе эмульсии составляет 45 - 55 % [3].
Доведение эмульсии до нужной концентрации производят путем ее разбавления водой или водным раствором эмульгатора. Приготовление эмульсий требуемого состава было бы целесообразно и экономически выгодно проводить непосредственно на строительных объектах. Поэтому необходима разработка методов экспресс-контроля, позволяющих наряду с низкими временными затратами обеспечивать высокое качество результатов исследований.
Таким образом, для приготовления эмульсий определенного состава актуально применение методов анализа, позволяющих оперативно подобрать необходимую концентрацию и проверить соответствие получаемых на рабочем месте эмульсий требованиям стандартов.
Известны как лабораторные, так и экспресс-методы анализа содержания влаги в нефтепродуктах. В лабораторных условиях массовую долю воды в нефтепродуктах обычно определяют по ГОСТ 2477-65 [6] методом Дина-Старка. Сущность метода заключается в перегонке смеси испытуемой пробы нефтепродукта и
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
растворителя, не смешивающегося с водой, и измерении объема воды, сконцентрировавшейся в ловушке Дина-Старка. Метод реализован на базе аппарата для определения содержания воды в асфальтовых эмульсиях ASTM D244, IP 291 или аппарата для определения содержания воды в битумных материалах DIN 1996.
Контроль нефтепродуктов этим методом требует использования водопроводной воды или циркуляционного термостата, охлаждающих перегоняемую смесь, что возможно только в стационарных лабораторных условиях. В качестве растворителя используется толуол, являющийся прекурсором с легким наркотическим эффектом. Контроль качества на таком аппарате занимает около двух часов, а погрешность измерения зависит от опытности оператора и составляет от 0,5 до 1,5 % [7].
Экспресс-методы измерения влажности эмульсии нефти и нефтепродуктов, способных образовывать эмульсии типа «вода в масле», осуществляют автоматическими влагомерами, в основу работы которых положен диэлькометри-ческий метод определения влажности. Диэлько-метрия относится к электрофизическим методам исследования состава и свойств веществ. Метод реализуется путем взаимодействия электромагнитного поля с веществом, находящимся в межэлектродном пространстве измерительной ячейки (емкостного датчика).
Диэлькометрический метод определения влажности (ГОСТ 14203-69) [8] основан на корреляционной зависимости диэлектрической проницаемости материала от содержания в нем влаги при положительных температурах. Влагомеры состоят из емкостных датчиков и измерительных блоков, преобразующих изменения электрической емкости датчика, вызываемые изменением влажности исследуемого вещества, в выходной сигнал.
Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости (ДП) вещества [9].
Относительная ДП изоляционного материала (s) показывает отношение емкости конденсатора (Сх), в котором пространство между электродами и около них целиком заполнено рассматриваемым изоляционным материалом, к рабочей емкости электродов (Ср) той же конфигурации в вакууме
s Сл/Ср,
где Сх - емкость конденсатора с исследуемым материалом; Ср - рабочая ёмкость электродов в вакууме;
С = с + с
Ср со ' ск?
где со и ск - геометрическая и краевая емкость.
Абсолютная ДП изоляционного материала (еа) является произведением относительной ДП (е) на диэлектрическую постоянную (ео):
Ва Во В,
где во - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
Простейшим электрическим аналогом системы, состоящей из электродов и находящегося между ними несовершенного диэлектрика, является параллельное соединение проводимости и емкости (рис. 1). Если к параллельно соединенным проводимости Gp и емкости Ср приложить напряжение, меняющееся во времени по синусоидальному закону, то через систему потечет ток
I = (Gp + j ■ œ • Ср )-U{
о
pj- га-т
где Gр - проводимость среды, См; Cр - емкость ячейки с веществом, Ф; U0■e ;<вт - подводимое напряжение, В; I - полная сила тока в рассматриваемой системе, А; ю - круговая частота; Е -напряженность электрического поля,
Со = S° - h ■
СР
Рис. 1. Идеализированная электрическая эквивалентная схема замещения емкостной ячейки с веществом на
фиксированной частоте / Fig. 1. Idealized electric équivalent circuit for replacing a capacitive cell with a substance at a fixed frequency
Определение диэлектрических свойств вещества сводится к измерению электрических параметров емкостной ячейки. Именно на этом принципе и основана работа большей части приборов, предназначенных для диэлькометриче-ских измерений.
Инструментальным обеспечением ГОСТ 14203-69 является ряд приборов как наливных, так и погружных, предлагаемых изготовителями. Так для работы в потоке используются влагомеры микроволновые серии МВН-1 и измерители влажности нефтепродуктов ИВН-3003.
Для оперативного контроля качества нефтепродуктов в полевых и лабораторных условиях более пригодны микропроцессорные влагомеры ВАД - 40М и «Shatox SX-300».
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Влагомер ВАД-40М имеет широкий спектр применения от определения влаги в продуктах питания до лекарственных форм и минеральных удобрений, осуществляет технологический экспресс-контроль в течение нескольких секунд, имеет небольшие габариты и вес не более 0,5 кг. Микропроцессорное устройство прибора позволяет сохранять в памяти данные об измеряемом объекте и автоматически корректировать результаты измерения. Однако в силу своей универсальности имеет при измерении воды в диапазоне от 15 до 99 % погрешность 2,5 % по объему. Кроме того, на сегодняшний день такие приборы имеют стоимость свыше 200 тыс. рублей, что для портативного прибора неэкономично.
Прибор «Shatox 5Х-300» (рис. 2) предназначен для определения диэлектрической проницаемости нефтепродуктов, удельного объемного сопротивления нефтепродуктов, содержания воды в нефти и нефтепродуктах.
Рис. 2. Внешний вид прибора «Shatox SX-300» / Fig. 2. Appearance of the device «Shatox SX-300»
Прибор «Shatox SX-300» выполнен в переносном малогабаритном исполнении и предназначен для оперативного контроля качества горюче-смазочных материалов в полевых и лабораторных условиях. Рабочий температурный интервал окружающего воздуха от -10 до + 45 °С. Прибор позволяет проводить определение содержания воды в нефтепродуктах от 0 до 30 %. Предел допускаемой основной погрешности при определении содержания воды в нефтепродуктах - 1 %; время измерения - 1 - 5 с; масса прибора с двумя датчиками - 850 г: срок эксплуатации прибора -не менее 6 лет. Стоимость прибора около 100 тыс. руб.
С помощью прибора «Shatox SX-300» были проведены исследования диэлектрической проницаемости минеральных масел в зависимости от содержания в них воды [10, 11]. Увеличение содержания воды, т. е. обводнение масла, хорошо
коррелируется по параметру относительной диэлектрической проницаемости, на что указывает характер градуировочной кривой (рис. 3, а).
Рис. 3. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости е от содержания воды ю в минеральном масле / Fig. 3. Dependence of relative dielectric constant е on water content ю in mineral oil
Была построена градуировочная кривая зависимости диэлектрической проницаемости масла минерального при порционном добавлении воды в масляную среду (рис. 3, б).
Для построения градуировочных характеристик (рис. 3) использовали режим работы прибора «Oil +%Water SEL» для определения содержания воды и режим «Oil Product SEL», предназначенный для измерения диэлектрической проницаемости и проводимости нефтепродуктов.
Датчик прибора представляет собой неразборную конструкцию в виде стакана емкостью 75 мл (рис. 4). Датчик комплектуется имитатором, который позволяет произвести проверку работоспособности прибора без использования исследуемых образцов.
Устанавливаем датчик на горизонтальную поверхность. Положение электронного измерительного блока значения не имеет. Используя лабораторную посуду емкостью 75 - 100 мл, заливаем в датчик образец исследуемого масла и последовательно добавляем порции воды. Включаем прибор нажатием кнопки [ON].
Выбираем требуемый режим работы с помощью кнопок [<=] [=>]. Процесс измерения и
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
обновления показаний занимает не более 5 с. В данной модели предусмотрено сохранение в память прибора до десяти результатов измерений, которые можно просмотреть с помощью прибора или компьютера.
Рис. 4. Датчик 1 и имитатор 2 пробы прибора / Fig. 4. Sensor 1 and simulator 2 sample device
Поскольку проницаемость нефтепродуктов лежит в диапазоне 1,9...2,5, а воды 70...80, то даже незначительное увеличение содержания воды приводит к заметному увеличению проницаемости смеси (приблизительно 3 % на каждый 1 % воды) [12].
Содержание воды в высококонцентрированных эмульсиях, поставляемых на строительный объект, оставляет 20.25 %. Произведя расчет количества воды, необходимой для доведения эмульсий до рабочей концентрации, и построив корреляционные кривые, можно оперативно проводить подготовку эмульсии к работе на объекте.
Прибор типа «Shatox &У-300» комплектуется двумя аналогичными датчиками, поэтому может работать в режиме компаратора, когда сравнение по электромагнитной проницаемости среды идет с базовым материалом, например, с высококонцентрированной эмульсией.
Таким образом, для приготовления эмульсии требуемого состава на месте проведения строительных работ применяются:
а) инструментальные методы анализа;
б) оперативные методы, требующие минимальной подготовки измерительного оборудования к работе.
Литература
1. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия.
2. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Ермакова: 30-е изд. исправл. М.: Интеграл -Пресс, 2004. 728 с.
3. ГОСТ 18659 - 81. Эмульсии битумные дорожные. Технические условия.
4. Гриневич Н.А. Дорожно-строительные материалы: учеб. пособие. Екатеринбург: УГЛТУ. 2011. 97 с.
5. Золотарев В.А. Дорожные битумные вяжущие и асфальтобетоны. Т1: Дорожные битумные вяжущие. Харьков: ХНАДУ, 2016. 204 с.
6. ГОСТ 2477-65. Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды.
7. Койшибаева А.К. Методы определения содержания воды в нефти и горюче-смазочных материалах // Современные направления в проектировании, строительстве, ремонте и содержании транспортных сооружений: материалы 1-й Междунар. студ. конф. [Электронный ресурс]. Минск: БНТУ, 2017. С. 137 - 145.
8. ГОСТ 14203-69. Нефть и нефтепродукты. Диэлькометри-ческий метод определения влажности.
9. Берлинер М.А. Измерения влажности: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. 400 с.
10. Саванчук Р.В., Черкасов Р.В. Изучение возможности использования диэлькометрического метода определения влажности для анализа качества автомобильных масел // Наука и инновации в области сервиса автотранспортных средств и обеспечения безопасности дорожного движения: межвуз. сб. науч. тр. Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. С. 106 - 108.
11. Саванчук Р.В., Романенко А.В. Разработка метода экспресс-определения эксплуатационных показателей моторных м трансмиссионных масел для автомобилей, работающих на автотранспортных предприятиях // Мировая наука и образование в условиях современного общества: сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф., 30 октября 2014 г.: в 4 ч. М.: Ар-Консалт, 2014. Ч.2. С. 143 - 145.
12. www.ndt-club.com/product-29-ivn-3003-izmeritel-vlajnosti-nefteprodyktov.htm
References
1. GOST 22245-90. Bitumy neftyanye dorozhnye vyazkie. Tekhnicheskie usloviya [State Standart 22245-90. Bitumen oil road viscous. Technical conditions].
2. Glinka N.L. Obshchaya khimiya. Uchebnoeposobie dlya vuzov [General chemistry. Textbook for universities]. Moscow: Integral - Press, 2004, 728 p.
3. GOST 18659 - 81. Emul'sii bitumnye dorozhnye. Tekhnicheskie usloviya. [State Standart 18659-89. Emulsions bituminous road. Technical conditions].
4. Grinevich N.A. Dorozhno-stroitel'nye materialy [Road construction materials]. Ekaterinburg: UGLTU, 2011, 97p.
5. Zolotarev V.A. Dorozhnye bitumnye vyazhushchie i asfal'tobetony. T1. Dorozhnye bitumnye vyazhushchie [Bituminous Road binders and asphalt concrete. T1. Road bitumen binders]. Khar'kov: KhNADU, 2016, 204 p.
6. GOST 2477-65. Neft' i nefteprodukty. Metod opredeleniya soderzhaniya vody [State Standart 2477-65. Oil and petroleum products. Method for determination of water content. Technical conditions].
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
7. Koishibaeva A.K. [Methods of determination of water content in oil and lubricants]. Sovremennye napravleniya v proektirovanii, stroitel'stve, remonte i soderzhanii transportnykh sooruzhenii: materialy 1-i Mezhdunarodnoi stud. konf. [Modern trends in the design, construction, repair and maintenance of transport facilities: materials of the 1st international student. conf.]. Minsk: BNTU, 2017, pp. 137 - 145. (In Russ.)
8. GOST 14203-69. Neft' i nefteprodukty. Diel'kometricheskii metod opredeleniya vlazhnosti [State Standart 14203-69. Oil and petroleum products. Dielkometric method for determining the moisture content].
9. Berliner M.A. Izmereniya vlazhnosti [Moisture Measurement]. Moscow: Energiya, 1973, 400 p.
10. Savanchuk R.V., Cherkasov R.V. [Study of the potential use delikomat-icesage method of determining the moisture content to analyze the quality of automotive oils]. Nauka i innovatsii v oblasti servisa avtotransportnykh sredstv i obespecheniya bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya: Mezhvuzovskii sb. nauch. trudov [Science and innovation in service of vehicles and ensuring road safety: interuniversity collection of scientific works. labours']. Shakhty, 2011, pp. 106 - 108. (In Russ.)
11. Savanchuk R.V., Romanenko A.V. [Development of the method of Express-determination of operational indicators of motor transmission oils for motor vehicles working at motor transport enterprises]. Mirovaya nauka i obrazovanie v usloviyakh sovremennogo obshchestva: sb. nauch. tr. po materialam Mezhdunarodnoi nauch.- prakt. konf. [World science and education in contemporary society: collection of scientific works. Tr. according to the materials of the International scientific.- prakt. conf.]. Moscow, 2014, pp. 143-145. (In Russ.)
12. Available at: www.ndt-club.com/product-29-ivn-3003-izmeritel-vlajnosti-nefteprodyktov.htm.
Поступила в редакцию /Received 16 апреля 2019 г. /April 16, 2019
