Модификация свойств дорожных битумных эмульсий техногенными отходами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 614.88:614.833 Канд. техн. наук П.И. ГРЕХОВ

(СПбГАУ, v.shkrabakiSimail.ra) Доктор техн. наук B.C. ШКРАБАК

(СПбГАУ, v.shkrabakiSimail.ra)

МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ДОРОЖНЫХ БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ТЕХНОГЕННЫМИ ОТХОДАМИ

Битумная эмульсия, реакционная и битумно-солевая масса, планирование эксперимента

Важность строительства качественного дорожного покрытия на сегодняшний день не оспаривается, но для того, чтобы этого добиться необходимо соблюдать ряд жёстких требований. Контроль необходимых требований должен быть обеспечен, как на стадии изготовления компонентов дорожного покрытия, так и на стадии укладки, уплотнения и эксплуатации дорожного покрытия, особенно для агропромышленного комплекса.

Одним из важнейших обстоятельств обеспечивающих высококачественное дорожное покрытие является применение битумных эмульсий (БЭ). БЭ позволяют обеспечить высокие конструктивные и эксплуатационные характеристики дорожных одежд. Кроме того, позволит существенно увеличить период (сезон) проведения строительства и ремонта автомобильных дорог, особенно в условиях АПК в связи с сезонностью работ.

Материалы, применяемые в дорожном строительстве, разделяются на две группы: минеральные (щебень, песок) и органические (битум), что позволяет определить направление модифицирования. Учитывая, что из этих групп наиболее активным является битум, модификация его свойств вызовет улучшение свойств всего конгломерата. Минеральная часть представлена кислыми или основными породами, а это говорит о том, что они хорошо смачиваются водой и плохо органическими вяжущими материалами (битумными). Применение БЭ позволяют решить эту проблему, так как они обеспечивают вытеснение воды с поверхности минеральных материалов за счёт содержания в их составе поверхностно-активных веществ (эмульгаторов).

Известно, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) разделяются на ионогенные, неионогенные и амфолитные. К широко применяемым ПАВам относят ионогенные анионоактивной группы для БЭ прямого типа «масло в воде».

Применение БЭ должно соответствовать целому ряду требований указанных в ГОСТ Р 521282003 «Эмульсии битумные дорожные. Технические условия», в число которых входит по п.7.10 «Определение устойчивости при транспортировании», где указано, что эмульсия не должна распадаться (нарушение дисперсности путём разделения на битум и воду) на встряхивающем столике в течение двух часов. Это один из важнейших показателей, позволяющих охарактеризовать технические, физические, а главное, технологические свойства БЭ. Исследование этого параметра позволяет дать оценку правильности выбора применяемых материалов, требуемого соотношения компонентов эмульсии, соответствия технологии изготовления эмульсии и последующего качественного технологического применения эмульсии в дорожном строительстве.

При изготовлении БЭ самым дорогостоящим компонентом в дисперсионной смеси является эмульгатор и битум, поэтому для снижения себестоимости единицы продукции целесообразно проводить изучение БЭ при уменьшении или частичной замене этих компонентов на более дешёвые. Часть этих компонентов может быть заменена битумно-солевой массой (БСМ), получаемой при уничтожении химического оружия фосфорорганической группы, а это смесь реакционной массы с нефтяным битумом. В состав реакционной массы БСМ входят: кальциевая соль кислого эфира метилфосфоновой кислоты, кальциевая соль метилфосфиновой кислоты,

аминоэтилизопропилметилфосфонат, диизопропиловый эфир метилфосфоновой кислоты - 2,457%; фторид кальция - 0,132%; зарин - 1,0* 10~8 %[1]. Согласно паспорту состав: А) Фосфорсодержащая составляющая-2,45 7%:

1. Кальциевая соль кислого эфира метилфосфоновой кислоты:

н3с

о

о- СН(СН3)2

о

Са

нзСч о -

р

о'

о- сн(сн3)2

2. Кальциевая соль метилфосфоновой кислоты:

О

3 ч \

р С я

N У

о О

3. Аминоэтилизопропилметилфосфонат:

"д<4

О

о - СН(СН3)2

О - СН2СН21ЧН2

4. Диизоироииловый эфир метилфосфоновой кислоты:

Б) ОВ - зарин - менее 1,0* 10_8%.

В) Фторсоставляющая - фторид кальция (СаГ2) - 0,132%.

Анализ производных компонентов показывает, что в молекулах реакционной массы присутствуют полярные и радикальные группы. Так химическая пара СН3 - Р присутствует во всех составляющих реакционной массы они являются малополярными и содержат СН3 группу.

Вторая группа входящая в состав большинства молекулярных структур реакционной массы, -

изопропиловая группа {СН(СН3)2}, углеводородный остаток - малополярный.

Эти две группы растворимы в битумных частях разнофазовых систем.

Особым фрагментом молекул является аминогруппа (СН2СН21ЧН2) - полярна, может образовывать соли по типу ЮЧН3 X .

Также присутствует группа {Р=0}, являющаяся полярной, и взаимодействует с минеральной частью смесей.

Группа {-О-Са-О-} является сильнополярной со связью близкой к ионной и будет взаимодействовать с минеральной частью.

Таким образом, молекулярное строение элементов реакционной массы обеспечивает их работу как поверхностно активные вещества. Исходя из принятой классификации реакционную массу

получаемую при уничтожении фосфорорганической группы отравляющих веществ, можно отнести к ионактивным анионактивной подгруппы. Наличие полярности в рассматриваемых соединениях позволит им взаимодействовать с минеральной и гидро-битумной частью в дорожных покрытиях.

Воздействие на физико-механические свойства материалов реакционной массой, а значит, и битумно-солевой массой является весьма существенным, а значит, обоснованным для применения в дорожном строительстве при введении в составы асфальтобетона и битумных эмульсий.

При проведении исследований применялся метод математического планирования эксперимента с использованием «симплекс»-плана «состав-свойство». За варьируемые факторы приняты:

- X] - битум с интервалом варьирования 50-60%;

- Х2 - вода с интервалом варьирования 40-50%;

- ХЗ - битумно-солевая масса с интервалом варьирования 0-10%,

кроме того, в составы вводились соляная кислота и эмульгатор ЯссПсо1:сЕМ44. содержание которых были во всех составах постоянны (таблица). Испытания и изготовление образцов проводились по ГОСТ Р 52128-2003 «Эмульсии битумные дорожные. Технические условия» с применением встряхивающего столика УВЖ-1Ф [2, 3]. Для перемешивания и получения дисперсной системы применялась лабораторная коллоидная мельница «МА88ЕГКА» (рис.1).

Рис. 1. Лабораторная мельница «МА88ЕН2А»

Исследования в лабораторных условиях позволяют определить принципиальную возможность использования БСМ, а также оптимальные соотношения введеных в составы новых компонентов. При рассмотрении возможности дальнейшего применения БСМ непосредственно на производственном оборудовании была изучена реальная технологическая установка по производству битумной эмульсии на Курганском МУП «СДП» (рис.2).

Рис. 2. Технологическая установка «МА88ЕН2А» по производству битумной эмульсии

На этой установке производится изготовление битумной эмульсии для дорожных покрытий по традиционной рецептуре с применением катионных эмульгаторов. При её изучении выяснилось, что изначально у неё имеется дополнительная ёмкость (на рис.2 вверху, призматическая, красного цвета) с дополнительным дозирующим оборудованием. Это позволит исключить затраты на доработку данного участка при применении БСМ.

Таблица. Матрица планирования экспериментальных составов битумной эмульсии

№ состава Факторы Отклик ч.

х0 X! (Битум) х2 (Вода) х3 (БСМ)

код код г % код мл % код г %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 409

1 1 1 600 60 0 400 40 0 0 0 527

2 1 0 500 50 1 500 50 0 0 0 0,15

3 1 0 500 50 0 400 40 1 100 10 333

4 1 1/3 533 53,3 0 400 40 2/3 66 6,6 501

5 1 2/3 566 56,6 0 400 40 1/3 33 3,3 379

6 1 2/3 566 56,6 1/3 433 43,3 0 0 0 547

7 1 1/3 533 53,3 2/3 466 46,6 0 0 0 145

8 1 0 500 50 2/3 466 46,6 1/3 33 3,3 0,3

9 1 0 500 50 1/3 433 43,3 2/3 66 6,6 337

10 1 1/3 533 53,3 1/3 433 43,3 1/3 33 3,3

Обработка экспериментальных результатов производилась при помощи IIIIII «STATGRAPHICS», который позволяет определить коэффициенты при неизвестных регрессионного уравнения, а также получить поверхности отклика с линиями равного уровня в часах (рис. 3 и 4).

Битум = 1.0

560 460 360 260 160 60 -40

Зода = 1.0

БСМ = 1.0

Рис. 3. Поверхность отклика битумной эмульсии при испытании на устойчивость

при транспортировке

Битум = 1.0

/\

/ ,\ \

БСМ = 0.0

Вода = 1.0

Вода = 0.0

БСМ = 1.0

Время, ч

- -40.0

- 20.0 80.0 140.0

- 200.0 - 260.0

- 320.0 380.0

- 440.0 500.0

- 560.0

Битум = 0.0

Рис. 4. Поверхность отклика с линиями равного уровня при испытании на устойчивость при транспортировке битумной эмульсии

Окончательно вид уравнения регрессии имеет вид:

У= 395,15X1 + 540,964Х2 + 0,0358032Х3 - 22,757X^2 + 987,ЗЗЗХ1Х3 - 890,326Х2Х3 +450,91Х1Х2ХЗ.

Адекватность рассмотренной модели подтверждается критериями Фишера и Кохрена. Кроме того, коэффициенты регрессии данного уравнения определяют степень влияния на отклик (результат) не только одиночного компонента, но и их комбинации. Так при рассмотрении влияния БСМ (Х3) на устойчивость при транспортировке эффективность показана при взаимодействии с битумом (987,333) и с комбинацией всех компонентов дисперсной системы (450,91), что указывает на проявление гидрофильных свойств. В случае комбинированного влияния воды (Х2) и БСМ (Х3) на отклик коэффициент регрессии отрицательный (-890,326), что говорит о проявлении гидрофобных свойств БСМ.

На основании вышеизложенного можно заключить, что:

- БСМ проявляет свойства поверхностно-активных веществ на что указывает молекулярное строение химических компонентов реакционной массы и значения коэффициентов регрессии с проявлением гидрофильных и гидрофобных свойств БСМ;

- возможно применение БСМ для дорожных битумных эмульсий;

- при включении в технологическую схему производства дорожных битумных эмульсий на участке дозирования, изготовления и хранения модернизации оборудования не потребуется.

Литература

1. Паспорт опасного отхода. Битумно-солевая масса (при уничтожении зарина). ФБУ - войсковая часть 70655 (1207 объект по хранению и уничтожению химического оружия), 2012 г.

2. Методические рекомендации по приготовлению и применению катионных битумных эмульсий. -Введ. 2003. - 15.09. - М.: Изд-во стандартов, 2003.-67с.

3. Приготовление катионной битумной эмульсии в лабораторном диспергаторе: Метод. Указ. по выполнению лабораторной работы / Сост. В.А. Иванцов. - Омск: Изд- во СибАДИ, 2008. - 16 с.

УДК 631.171

Доктор техн. наук В.А. СМЕЛИК

(СПбГАУ, 8теНк_га(й)таП.ги) Канд техн. наук ИЗ. ТЕПЛИНСКИЙ (СПбГАУ, agro(й)spbgall.rll) Соискатель О.Н. ПЕРВУХИНА (СПбГАУ, agro(й)spbgall.rll) Аспирант О.П. ТЕПЛИНСКИЙ (СПбГАУ, agro(й)spbgall.rll)

МЕТОДОЛОГИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ ПО ХИМИЗАЦИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ

Технологическая система, показатели качества функционирования, оперативный контроль качества

Одной из перспективных проблем, решаемых при машинно-технологической модернизации растениеводства, является комплексная автоматизация производственных процессов, базирующаяся на использовании достижений в области геоинформационных технологий, глобальных навигационных спутниковых систем, а также интеллектуальной сельскохозяйственной техники. Такой подход к модернизации инженерно-технической системы сельского хозяйства нашей страны позволит осуществить переход к высокоинтенсивным технологиям производства растениеводческой продукции, обеспечивающим минимальные технологические и экологические риски за счет точного выполнения рабочих процессов, улучшения условий труда человека-оператора машинно-тракторного агрегата, а также управления продукционно-качественным процессом в ходе вегетации растений [1,2].

Это в свою очередь будет способствовать как повышению урожайности производимой продукции, так и её безопасности для потребителя вследствие контролируемого в режиме реального времени применения удобрений и пестицидов, являющихся в сельскохозяйственной производственной среде носителями опасных и вредных химических факторов. Однако в условиях технологического несовершенства выпускаемых в нашей стране сельскохозяйственных машин, особенно для применения средств химизации, оператору приходится визуально осуществлять контроль функционирования их рабочих процессов. Он же устраняет нарушения и принимает решения о необходимом управлении обычно на основании ретроспективой информации, полученной с помощью простейших приспособлений или органолептически, что в условиях интенсификации сельского хозяйства может привести к существенным нарушениям технологии производства продукции, вызывающим ухудшение экологического состояния природной среды, а также условий и безопасности труда.

Поэтому первоочередной задачей в решении поставленной проблемы на современном этапе развития отечественной сельскохозяйственной техники является создание комплексных автоматизированных производственных систем, обеспечивающих оперативный контроль и управление качеством функционирования всех технологических процессов, имеющих место при получении готовой растениеводческой продукции и в первую очередь - при проведении агрохимических и фитосанитарных работ, чтобы придать процессам химизации надлежащую