CC BY
36
BecmHUKßryHT/Proceeätngs of VSUET, № 4, 2QÍ6u
Оригинальнаястатья/Original article_
УДК 546.05; 546.06
DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2016-4-215-221
Модифицирование асфальтобетона минерально-полимерной добавкой на основе бутадиен-стирольного каучука и химически _осажденного карбоната кальция_
Сабухи И. Нифталиев 1 [email protected]
Юрий С. Перегудов 1 inоrgаniс[email protected]
Николай Ю. Хорин 1 hо[email protected]
Юлия М. Нечесова 1 [email protected]
1 кафедра неорганической химии и химической технологии, Воронежский государственный университет инженерных технологий,
пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия Реферат. В настоящей работе приведены результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств асфальтобетона, модифицированного минерально-полимерной композицией. Карбонат кальция используется одновременно как наполнитель и коагулянт. Мел предварительно измельчали и гидрофобизировали стеариновой кислотой. Данные операции способствуют равномерному распределению наполнителя и препятствуют комовой коагуляции. В результате экспериментов было установлено, что наилучшие результаты были получены при совмещении операций диспергирования и гидрофобизации. Оптимальным количеством стеариновой кислоты, обеспечивающим наиболее тонкий помол в шаровой мельнице, является содержание от 3 до 5% мас. Установлено оптимальное время измельчения наполнителя (4-6 часов). При увеличении времени диспергирования частицы образуют агломераты. Наполнение бутадиен-стирольного латекса гидрофобным высокодисперсным карбонатом кальция осуществляли в лабораторном смесителе. В результате экспериментальных работ было установлено, что наилучшее распределение наполнителя происходит при соотношении каучук: мел - 100:400. Полученный модификатор подвергали термическому анализу на дериватографе для определения температурного интервала его применения. Заметное снижение массы минерально-полимерного модификатора начинается при температуре 350 °С. Таким образом, высокая температура деструкции модификатора позволяет применять его при температуре технологического процесса приготовления асфальтобетона (до 170 °С). Установлено, что увеличение количества карбонатного наполнителя в каучуке СКС 30АРК заметно увеличивает его термостойкость и связь полимера с мелом в композиции. Анализ физико-механических и эксплуатационных характеристик асфальтобетона с использованием изготовленного минерально-полимерного модификатора показал значительное увеличение предела прочности при сжатии, увеличение водостойкости, сдвиго-устойчивости по сцеплению при сдвиге, повышение теплоустойчивости. ^лючевые^лова^модифицирование^сфальтобетона^инералш
Modification of asphaltic concrete with a mineral polymeric additive based on butadiene-styrene rubber and chemically precipitated
calcium carbonate
Sabukhi I. Niftaliev 1 [email protected]
Yurii S. Peregoudov 1 inоrgаniс[email protected]
Nikolai Yu. Khorin 1 hо[email protected]
Yuliya M. Nechesova 1 [email protected]
1 inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19
Voronezh, 394036, Russia_
Summary.Modification of asphaltic concrete with a mineral polymeric additive based on butadiene - styrene rubber and chemically precipitated calcium carbonate. This paper presents the results of the study of physical - mechanical and service properties of the asphaltic concrete modified with the mineral polymeric composition. Calcium carbonate is used both as a filler and a coagulant. The chalk was preliminarily ground and hydrophobizated by stearic acid. These operations contribute to even distribution of the filler and interfere with lump coagulation. As a result of the experiments, it was found that the best results were obtained by combining the operations of dispersion and hydrophobization. The optimal amount of stearic acid providing the finest grinding in a ball mill is a content from 3 to 5% by weight. The optimal grinding time of the filler was found (4-6 hours). With increasing dispersion time the particles form agglomerates. Filling the butadiene styrene latex with the hydrophobic fine-grained calcium carbonate was carried out in the laboratory mixer. As a result of the experimental works, it was found that the best distribution of the filler takes place with ratio of rubber: chalk - 100:400. The resulting modifier was subjected to the thermal analysis on the derivatograph to determine its application temperature interval. A marked reduction in weight of the mineral polymeric modifier begins at 350 °C. Thus, high temperature of the modifier destruction allows to use it at the temperature of the technological process of asphaltic concrete preparation (up to 170 °C). It was found that an increase in the amount of the carbonate filler in the rubber SKS 30ARK significantly increases its thermal resistance and connection of the polymer with the chalk in the composition.
Keywords:modification of asphaltic, mineral polymeric additive
Для цитирования Нифталиев С. И., Перегудов Ю. С., Хорин Н. Ю., Нечесова Ю. М. Модифицирование асфальтобетона минерально-полимерной добавкой на основе бутадиен-стирольного каучука и химически осажденного карбоната кальция // Вестник ВГУИТ.2016. № 4. С. 215-221. doi: 10.20914/2310-1202-2016-4-215-221
For citation
Niftaliyev S. I., Peregoudov Yu. S., Khorin N. Yu., Nechesova Ju. M. Modification of asphaltic concrete with a mineral polymeric additive based on bu-tadiene-styrene rubber and chemically precipitated calcium carbonate. Vest-nik VSUET [Proceedings of VSUET]. 2016. no. 4.pp. 215-221. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2016-4-215-221
Весттк&ТУМТ/Фгосе^^ о/'ТЯНЕТ, № 4,
Введение
В настоящее время при производстве минеральных удобрений образуется большое количество химически осажденного мела, являющегося побочным продуктом. Предлагается использовать данный продукт в производстве минерально-полимерной добавки для модификации асфальтобитумных покрытий. Работа направлена на решение одновременно двух проблем: утилизация побочного продукта и повышение качества дорожных покрытий.
Цель работы - получение асфальтобетона с заданными свойствами.
Объекты и методы исследования
Напо лнителем бутадиен-стироль ного каучука является карбонат кальция, в качестве гид-рофобизатора использовали стеариновую кислоту.
Измельчение и гидрофобизацию мела осуществляли в шаровой мельнице и лабораторном смесителе. Для определения гранулометрического состава использовали электронный микроскоп 18М-6610, получения результатов термоокислительной деструкции - дериватограф Р-1500.
2016L
Для получения наполнителя необходимо осуществить ряд подготовительных операций:
— сушка для достижения постоянной влажности, не превышающей 0,2% Температура процесса должна составлять 220 °С, так как при этих условиях происходит разложения нитрата аммония, содержащегося в химически осажденном меле;
— измельчение для получения высокодисперсного материала;
— гидрофобизация поверхности карбоната кальция.
Исследования и полученные результаты
Исходный размер частиц карбоната кальция составлял около 90 мкм [3, 6].
Согласно [1] размер частиц наполнителя каучука для получения высоких прочностных свойств не должен превышать 10 мкм.
Измельчение продукта проводили в течение 8 часов. Каждые 2 часа отбирали пробу для определения размера частиц. Морфологию и размер частиц определялина растровом электронном микроскопе 18М-6610.
Микрофотографии образца представлены на рисунке 1.
с) а)
Рисунок1. Микрофотографии химически осажденного карбоната кальция: а) исходного; Ь) после 2 часов измельчения; с) после 4 часов измельчения; а) после 6 часов измельчения
Figurel. Photomicrographs of chemically-precipitated c) after 4 hours of grinding^) after 6 hours of grinding.
В результате чего, можно сделать вывод, что оптимальное время измельчения химически осажденного карбоната кальция - от 4 до 6 часов. В этом случае гранулометрический состав представлен в основном частицами размером до 10 мкм. При дальнейшем продолжении процесса происходит агломерация частиц, соответственно увеличения количества крупной фракции.
Предварительно подготовленный химически осажденный мел нагревали до температуры
calcium carbonate: a) initial; b) after 2 hours of grinding;
плавления модифицирующей добавки, а затем смешивали с гидрофобизатором в смесителе.
Были получены образцы карбонатных наполнителей с массовыми долями (ю) стеариновой кислоты (Ci7 Н35 СООН) от 1,0 до 7,0.
На рисунке 2 представлен сравнительный гранулометрический состав частиц модифицированного карбоната кальция.
ю
S. S er s
Ц. a> го та
сл ^ Ñ' й il
fí
О »
К»
о к»
0
1
L.J
о
-й-о -й-
0
1
(Л
о
(Л
0
1
On О
8
m ост-, г mresldue^g
ЕНЗ^ к
ч
V
V V \
V
\\ * Y
МХО The chalk chemically precipitated
□ МХО с 3%
стеарин. к-ты The chalk chemically precipitated with 3% stearic acid а МХО с 5%
стеарин. к-ты The chalk chemically precipitated with 5% stearic acid
\
100 200 300 400
Количество наполнителя, мас.ч. The amount of filler, parts by weight
12
тост., г
mresidue, g 11
10 9 8 7 6 5
500
~~1— 4
w, мас. % w, weight %
4
2
0
Рисунок 3. Зависимость массы сухого остатка раствора после коагуляции от степени наполнения эластомер-ных систем
Figure 3. The dependence of the weight of the dry residue of the solution after the coagulation of the degree of filling of elastomeric systems
Рисунок 4. Зависимость массы сухого остатка раствора после коагуляции латекса от концентрации стеариновой кислоты
Figure 4. The dependence of weight solution of dry residue after coagulation of the latex concentration of stearic acid
Масса каучука в зависимости от вида карбонатного наполнителя изменяется незначительно, однако добавление стеариновой кислоты необходимо для наилучшего распределения мела в полимерной фазе и является обязательным компонентом при изготовлении резинотехнических изделий.
Проведение термического анализа эластомерных композиций было направлено на определение возможного температурного интервала их обработки, влияния природы и количества гидрофобного наполнителя.
Известно [4], что при термическом разложении бутадиен-стирольного каучука, наполненного техническим углеродом, в области температур 120-130 °С идет потеря влаги в количестве 2,3%. Однако, для бутадиен-стирольного каучука, наполненного карбонатом кальция модифицированным стеариновой кислотой, при данной температуре потеря массы составляет 0,27%.
Заметное снижение массы минерально-полимерного модификатора начинается при температуре 350 °С и протекает с возрастающей скоростью до Т = 471 °С и Т = 488,5 °С соответственно. В данном температурном интервале протекают одновременно окислительный обрыв цепей, с образованием гидропероксидов на концах макромолекул и продуктов их разложения на низкомолекулярные фрагменты, а также частичная рекомбинация радикалов.
При температуре 480 °С разложение значительно уменьшается, что связано с окончанием разложения полимера и доокислением фрагментов формирующегося при этом кокса.
Потеря массы (Am) у образцов каучука СКС-30АРК, наполненных модифицированным химически осажденным карбонатом кальция изменяется в следующей последовательности:
Таблица 1.
Потери массы минерально-полимерной добавки в зависимости от наполнения
Table 1.
The weight loss of the mineral-polymeric additives, depending on the filling
Наполнение, мас.ч. Filling, by weight 100 300
Потери массы, г Weightloss, g 46,068 22,156
Таким образом, увеличение количества карбонатного наполнителя в каучуке СКС-АРК30 заметно увеличивает термостойкость и связь полимера с мелом композиции.
В «Лаборатории испытания свойств органических вяжущих» и «Лаборатории асфальтобетона» кафедры «Автомобильные и железные дороги» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова были испытаны эластомерные композиции в составе полимерно-битумных
вяжущих для производства асфальтобетона, полученные с использованием предлагаемого тонкодисперсного химически осажденного карбоната кальция, гидрофобизированного стеариновой кислотой, и бутадиен - стирольного латекса СКС-30 АРК.
Испытания проводились на битуме БНД 60/90 Саратовского НПЗ и асфальтобетоне типа Б
Показатели свойств образцо The performance properties of s
марки 3. Результаты исследований свидетельствуют о том, что использование эластомерных композиций в полимерно-битумном вяжущем обеспечивает оптимизацию вязкостно -эластичных свойств, повышает температуру размягчения битума, увеличивает его адгезию к минеральным материалам.
Таблица 2.
асфальтобетона типа Б марка 3
Table2.
mples of asphalt of type B grade 3
Фактические показатели
Показатели свойств Performance properties ТребованияГОСТ 12807-84 Requirements of State Standard 12807-84 Без добавки Without additive С исследуемой добавкой With the addition of the test
4% 8%
Водонасыщение, % 1,5-4,0 2,7 1,6 1,5
Water saturation
Предел прочности при сжатии, МПа при температуре: Compressive strength, MPa at a temperature +20 °С >2,2 3,8 4,6 4,7
+50 °С >1,2 1,1 1,6 1,9
0 °С <12 10,3 9,7 9,5
Водостойкость >0,85 0,92 1,02 1,04
Water resistance
Термоустойчивость R50/R20 Temperature resistance R50/R20 - 0,3 0,35 0,4
Коэффициент температурной чувствительности R0/R50 The coefficient of temperature sensitivity R0/R50 — 9,36 6 5
Предел прочности на растяжение при расколе при t 0 °C (трещиностойкость) The tensile strength of the split at t0 °C (crack resistance) 5,9 5,9 5,8
Сдвигоустойчивость по: Shearstabilityat -коэффициентувнутреннеготрения (coefficient of internal friction) -сцеплению при сдвиге при t +50 °C (traction shear at t +50 °C) - 0,93 0,23 0,93 0,4 0,98 0,4
Анализ физико-механических и эксплуатационных характеристик асфальтобетона с использованием эластомерных композиций, испытанных по методике ГОСТ 12801-84 (таблица 2) показал увеличение предела прочности при сжатии при температуре 20 °С на 20%, при температуре 50 °С - на 40-50%; увеличение водостойкости, сдвигоуствойчивости по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С на 70%; повышение теплоустойчивости в сравнении с немодифицированным асфальтобетоном.
Нами предложена следующая технологическая схема, включающая стадии предварительной обработки карбоната кальция, получение минерально-полимерной добавки и модифицирование асфальтобетона (рисунок 5).
Химически осажденный карбонат кальция, поступающий с предприятий по производству минеральных удобрений загружают в бункер Б1, а из него подается в вибрационной сушилку ВС для достижения влажности меньше 0.2 %. Загрязненный аммиаком и частицами мела воздух поступает в конический циклон Ц. Уловленные частицы мела вновь поступают на сушку.
Высушенный карбонат кальция подается в барабанную мельницу, в которой происходит измельчение его частиц до высокой дисперсности. Здесь же одновременно протекает операция гидрофобизации карбоната кальция, что позволяет сократить время получения минерального наполнителя. Стеариновая кислота подается из бункера Б2. Гидрофобизованный тонкодисперсный продукт поступает в бункер Б3.
Магнитный сепаратор МС предназначен для удаления ферромагнитных тел и частиц из порошкообразных сыпучих веществ
Гидрофобный мел из барабанной мельницы поступает в бункер Б3 для хранения, из которого направляется в бункер Б6 для наполнения латекса.
В коагулятор подают латекс и гидрофобный карбонат кальция. В аппарате происходит образование мелкозернистой крошки каучука,
которая отделяется от лишней влаги в отжимной машине, далее направляется на сушку.
Битум подается в смеситель из битумопла-вильного узла. Битумоплавильный узел включает битумохранилище закрытого типа(БХ) и битумоплавильную установку(БПУ). Битум в хранилище разогревается электрическими нагревателями и подается в котлы битумо-плавильной установки битумными насосами по трубопроводам.
Рисунок 5. Технологическая схема получения минерально-полимерной композиции и модифицирование асфальтобетона
Figure 5. Technological scheme of the mineral-polymer composition and modification of asphalt concrete
Исходный щебень из бункера Б6 поступает в молотковую дробилку (МД) для предварительного дробления, откуда продукты дробления с помощью горячего элеватора (ГЭ) подают на сортировочную установку представленной
грохотом. Мелкая фракция дозируется в смеситель, крупная - возвращается в дробилку.
Смеситель в САБ установке является одним из основных агрегатов, в котором происходит приготовление конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1 Бакаева Ю.В., Богунов С.И., Лыгина Л.В., Нифталиев С.И. и др. Изучение влияния дисперсности химически осажденного карбоната кальция на свойства ПВХ-композиций // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. № 2. С. 64-66.
2 Нифталиев С.И., Малявина Ю.М., Перегудов Ю.С., Корчагин В.И. Лимитирующие факторы получения гидрофобного наполнителя на основе химически осажденного карбоната кальция // Конденсированные среды и межфазные границы. 2013. Т. 15. № 4. С. 421-425.
3 Кербер М.Л., Буканов А.М., Вольфсон С.И. Физические и химические процессы при переработке полимеров. СПб.: Литография, 2013. 318 с.
4 Limper А. Mixing of Rubber Compounds. Munich, 2012. 252 р.
5 Sommer G. Troubleshooting Rubber Problems. Cincinnati, 2014. 310 p.
6 Прокопец В. С., Иванова Т. Л. Модификация дорожного асфальтобетона резиновыми порошками механоактивационного способа получения. Омск, 2012. 125 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Сабухи И. Нифталиев д. х. н., профессор,кафедра неорганической химии и химической технологии, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия,[email protected]
Юрий С. Перегудовк. х. н., доцент,кафедра неорганической химии и химической технологии, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, то^атс_033 @mail. ru
Николай Ю. Хорин студент, кафедра неорганической химии и химической технологии, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия, ^ппп94@тай.т Юлия М. Нечесова студент, кафедра неорганической химии и химической технологии, Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия,[email protected]
КРИТЕРИЙ АВТОРСТВА
Сабухи И. Нифталиевпредложил методику проведения эксперимента
Юрий С. Перегудовконсультация в ходе исследования Николай Ю. Хорин обзор литературных источников по исследуемой проблеме, провёл эксперимент, выполнил расчёты Юлия М. Нечесованаписала рукопись, корректировала её до подачи в редакцию и несёт ответственность за плагиат
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
ПОСТУПИЛА 13.11.2016 ПРИНЯТА В ПЕЧАТЬ 03.12.2016
REFERENCES
1 Bakaeva Y.V., Bogunov S. I., Lygina L. V., Niftaliyev S. I. et al. Study the effect of dispersion of chemically precipitated calcium carbonate on properties of PVC compounds. Izvestiya vuzov [News of higher educational institutions. Chemistry and chemial technology]. 2012. vol. 55. no. 2. pp. 64-66. (in Russian)
2 Niftaliyev S. I., Malyavina Yu. M., Perego-Dov Y. S., Korchagin V. I. Limiting factors of obtaining a hydrophobic filler based on chemically precipitated calcium carbonate. Kondensirovannye sredy [Condensed matter and interphase boundaries] 2013. vol. 15. no. 4. pp. 421-425. (in Russian)
3 Kerber M. L., Bukanov, A. M., Vol'fson S. I. Fizicheskie Ikhimicheskieprotsessy pripererabotke [Physical and chemical processes in polymer processing] Saint-Petersburg, Litografya, 2013. 318 p (in Russian)
4 Limper A. Mixing of Rubber Compounds. Munich, 2012. 252 p.
5 Sommer G. Troubleshooting Rubber Problems. Cincinnati, 2014. 310 p.
6 Prokopets V. S., Ivanova T. L. Modifikatsiya dorozhnogo asfal'tobetona [Modification of road asphalt rubber powders by mechanical alloying method for producing] Omsk, 2012. 125 p. (in Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS
Sabukhi I. Niftaliev doctor of chemical sciences, professor, inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]
Yurii S. Peregoudovcandidate of chemical sciences, assistant professor, inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]
Nikolai Yu. Khorin student, inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected] Yuliya M. Nechesovastudent, inorganic chemistry and chemical technology department, Voronezh state university of engineering technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia, [email protected]
CONTRIBUTION Sabukhi I. Niftalievproposed a scheme of the experiment
Yurii S. Peregoudovconsultation during the study Nikolai Yu. Khorin review of the literature on an investigated problem, conducted an experiment, performed computations Yuliya M. Nechesovawrote the manuscript, correct it before filing in editing and is responsible for plagiarism
CONFLICT OF INTEREST
The authors declare no conflict of interest. RECEIVED 11.13.2016 ACCEPTED 12.3.2016
