CC BY
47
УДК 665.637.8
МОДИФИКАЦИЯ БИТУМОВ, ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ПРИРОДНОГО БИТУМИНОЗНОГО ПЕСЧАНИКА
Э.Бат-Эрдэнэ1, Б.Бямбагар1, М.Наранцэцэг1, Б.Авид2
Монгольский государственный университет науки и технологии, Монголия, г. Улан-Батор 46/520, et_baterdene@yahoo.com 2Институт химии и химической технологии Монгольской АН, Монголия, г. Улан-Батор 51, avid_icct@yahoo.com
Битум, получаемый из природного битуминозного песчаника, характеризуется большим содержанием парафиновых и ароматических углеводоров, отрицательно влияющих на качество
битума.
В данной работе проведено окисление и модификация битумов при высоких температурах. Получен битум, соответсвующий требованиям стандарта на дорожный битум БНД 90/130. Ил. 1. Табл. 5. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: структурообразование; модификация; пенетрация.
MODIFICATION OF BITUMЕN EXTRACTED FROM NATURAL BITUMINOUS SAND
E.Bat-Erdene1, B.Byambagar1, M.Narantsetseg1, B.Avid2
Mongolian University of Science and Technology, Faculty of Chemical Technology, 46/520, Ulanbator, Mongolia, et_baterdene@yahoo.com institute of Chemistry and Chemical Technology, Mongolian AS, 51, Ulanbator, Mongolia,avid_icct@yahoo.com
The bitumen, extracted from Zuunbayan and Ukhaa natural bituminous sand, was investigated. Bitumen is the main component for road construction and coverings. A multiple analysis indicated that physical and mechanical properties of extracted bitumen can be improved by oxidation and modification process. The obtained bitumеn was created according standard on road bitumen BND 90/130. 1 figure. 5 tables. 4 sources.
Key words: structure formation; modification; depth of penetration of a standard needle.
ВВЕДЕНИЕ
Большое внимание было уделено повышению концентрации смолисто-асфальтено-вых веществ в битумах. Основательным подходом к решению вопроса является разработка методов изменения группового химического состава битумов.
Окисление битумов при высоких температурах сопровождается окислением компонентов масляных фракций и, как следствие, снижением в составе битумов доли масел и повышением содержания асфальтенов. Процесс окисления битумов можно описать схемой: [1]:
Масла ^ смолистые вещества ^ асфальтены
Целью настоящей работы являлось улучшение физико-механических свойств битумов путем окисления масляной фракции при высоких температурах и модификации с серой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объекта исследования были использованы битумы, выделенные из битуминозного песчаника месторождений Зуунбаян (ЗБ) и Ухаа (УХ) (Монголия).
Окисление битумов кислородом воздуха проводили на лабораторной установке периодического действия (рис. 1).
Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат (соотношение h : D = 8 : 1), снабжённый штуцерами для подачи воздуха в нижнюю часть реактора и отвода паров и газов. Температуру в реакторе
регулировали изменением напряжения в обмотке с помощью ХМТ5000. Расход воздуха составлял 8 л/минкг сырья, что моделировало работу промышленного реактора и обеспечивало полное перемешивание реакционной смеси. Время окисления 120 мин. Окисление проводили в температурном интервале 200250 оС, что соответстует структурообразо-ванию органической массы без углеобразо-вания [2]. Для модификации битума добавляли серу (3% масс.) и проводили окисление кислородом воздуха при тех же температурах. Согласно [3] при добавлении в битум 1-3% серы увеличивается прочность битумов.
Технические характеристики битумов определяли по стандартным методикам согласно MNS 5211:2002, MNS 5110:2001, MNS 328:2000, MNS 51095:2001.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Физико-механические свойства исследуемых битумов представлены в табл. 1.
Такие показатели как глубина пенетрации стандартной иглы при 25 оС и температура размягчения исследуемых битумов соответствуют требованиям стандарта на жидкий битум БНД 200/300, который не подходит для строительства дорог в Монголии. Необходимы битумы марок БНД 40/60, БНД 60/90 и БНД 90/130, характеризующиеся большей твердостью. Жидкие битумы также могут быть использованы для строительства дорог после повышения в их составе доли смолисто-асфальтеновых веществ. Возможными спосо-
Воздух 5
10
Рис. 1. Лабораторная установка для получения окисленных битумов: 1 - реактор; 2 - барботёр; 3 - отвод паров и газов; 4 - термометр; 5 - расходомер; 6 - пробоотборник; 7 - штатив; 8 - теплоизоляционный слой; 9 - электрообогрев;
10 - карман для термометра.
Физико-механические характеристики выделенных битумов
Таблица 1
4
3
7
6
№ Показатель Месторождение Технические требования БНД200/300
ЗБ УХ
1 Глубина пенетрации иглы при 25 оС, 0,1 мм 223,3 280 201-300
2 Глубина проникания иглыпри 0 оС, 0,1 мм 38,0 51 45
3 Температура размягчения по методу КиШ, оС 34,5 28 35
4 Дуктильность при 25 оС 17,5 - -
5 Температура вспышки, оС 190,0 183 >200
6 Плотность, d420, г/см3 0,98 0,92 -
бами увеличения их содержания могут быть окисление или модификация битумов.
В работе проведен выбор оптимальных температур окисления битумов кислородом воздуха на лабораторной установке (рис. 1) в интервале температур 200-250 оС, при
_Выбор оптимальных те
расходе воздуха 8 л/минкг в течение 120 мин. После обработки определяли наиболее важные характеристики битумов, такие как глубина пенетрации иглы и температура размягчения (табл. 2).
Установлено, что при окислении битумов
Таблица 2
тур окисления битумов_
Месторождение
№ Температура, оС ЗБ УХ
Траз(КиШ),оС Глубина пенетрации иглы при 25 оС, 0,1 мм. Траз(КиШ),° С Глубина пенетрации иглы при 25оС, 0,1 мм.
1 200 35 170 30 243
2 210 38 148 32 218
3 220 41 115 36 174
4 230 44 97 38 136
5 240 50 62 42 112
6 250 53 48 49 94
Физико-механические характеристики окисленных битумов
Таблица 3
Технические ЗБ УХ
№ Показатель требования При Исходный При Исходный
БНД90/130 220 оС битум 240 оС битум
1 Глубина пенетрации иглы при 25 оС, 91-130 115 223,3 112 280
0,1 мм
2 Температура размягчения по методу 43 41 34.5 42 28
КиШ, оС
3 Дуктильность при 25 оС > 60 21 17.5 4 -
4 Температура вспышки, оС > 220 228 190 238 183
5 Плотность, й42и, г/см3 0,95-1,15 0,975 0,98 0,981 0,92
Таблица 4
Выбор оптимальных температур окисления битумов с добавкой серы (3% мас.)
Месторождение
№ Температура, 0С ЗБ УХ
Тразм(КиШ), оС Глубина пенетрации иглы при 25 оС, 0,1 мм Тразм(КиШ),°С Глубина пенетрации иглы при 25 оС, 0,1 мм
1 200 45 130 32 235
2 210 48 108 36 182
3 220 50 75 42 109
4 230 56 57 47 89
Зуунбаян и Ухаа оптимальными температурами являются 220 и 240 оС, при этом глубина пенетрации иглы снижается в 1,9 и 2,5 раза соответственно. Физико-механические характеристики битумов, полученных при оптимальных температурах, в сравнение с характеристиками битума БНД90/130 приведены в табл. 3.
Согласно полученным данным в результате окисления наблюдается повышение твердости и температуры размягчения битумов. Дуктильность, являющаяся одним из наиболее важных показателей битумов и характеризующая стойкость его к образованию трещин, изменяется незначительно.
Общеизвестно, что повышение дуктиль-ности битума возможно при обработке его се-
рой [4]. В работе выполнено окисление битумов с добавкой элементарной серы (3% мас.) при температурах 200-230 оС, расходе воздуха 8 л/минкг. Полученные результаты представлены в табл. 4.
Из табл. 4 видно, что при температуре 210 оС значение глубины пенетрации наиболее близко к стандарту дорожного битума БНД 90/130 для битума Зуунбаян, при 220 оС - для Ухаа. При оптимальных температурах проведено окисление с серой и сравнение характеристик полученных битумов с техническими свойствами исходных битумов. Результаты представлены в табл. 5.
Из данных табл. 5 видно, что окисление с добавкой серы увеличивает дуктильность битумов с 1,75 до 2,7 см для Зуунбаян и с 0 до
Таблица 5
Физико-механические свойства битумов окисленных с добавкой серы (3% мас.)_
№ Показатель Технические требования БНД90/130 Месторождения
ЗБ УХ
С добавкой Исходный битум С добавкой Исходный битум
1 Глубина пенетрации иглы при 91-130 108 223,3 109 280
25 оС, 0,1 мм
2 Температура размягчения по 43 52 34.5 48 28
методу КиШ, оС
3 Дуктильность при 25 оС >60 27 17,5 11 -
4 Температура вспышки, оС > 220 231 190 236 183
5 20 3 Плотность, d4 , г/см 0,95-1,15 0,975 0,98 0,981 0,92
72
11 см - для Ухаа. При этом значение пенетрации битумов Дзунбаян и Ухаа снижается с 223 до и с 208 до 109 см соответственно.
ВЫВОДЫ
Показана возможность использования метода окисления и модификации с серой для структурообразования битумов.
Найдены оптимальные температуры окисления кислородом воздуха исходных битумов 220 оС и 240 оС с и 210 оС и 220 оС с добавкой серы для битумов Дзунбаян и Ухаа соот-ветсвенно.
Из жидкого битума получен битум соответсвующий стандарту на дорожный битум БНД 90/130.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Гун Р.Б., Гуреевич И.Л. Производство нефтяных битумов. М.: ГосИНТИ, 1960. 91 с.
2. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М. : Химия, 1973. С. 6-71.
3. Хайрудинов И.Р., Кульчицкая О.В., Фрязинов В.В. К вопросу о химизме окисления тяжелых нефтяных остатков // Проблемы пе-
реработки тяжелых нефтей: материалы V Респбл. науч.-техн. конф. По нефтехимии. Алма-Ата : Наука, 1980. С. 34-39.
4. Kazemifard, Sima S. Habibi Performance Evaluation of SBS/sulfur Modified Bitumen and its Effect on Fuel Resistance // Journal of Applied Chemical Research
REFERENCES
1. Gun R.B., Gureevich I.L. Proizvodstvo neftyanykh bitumov [Production of petroleum bitumen]. Moscow, 1960.
2. Gun R.B. Neftyanye bitumy [Petroleum bitumen]. Moscow, Khimiya Publ., 1973, pp. 6-71.
3. Khairudinov I.R., Kul'chitskaya O.V., Fryazinov V.V. K voprosu o khimizme okisleniya tyazhelykh neftyanykh ostatkov [On the question of the chemistry of oxidation of heavy oil
residues]. Materialy V Respubl. Nauch. Tekh. Konf. po Neftekhimii [Proceedings of 5 Rep. Sci. Tech. Conf. on Petrochemistry]. Alma-Ata, Nauka Publ., 1980, pp.34-39.
4. Kazemifard, Sima S. Habibi Performance Evaluation of SBS/sulfur Modified Bitumen and its Effect on Fuel Resistance. Journal of Applied Chemical Research.
Поступило в редакцию 15 октября 2014 г.
