CC BY
20
УДК 625.855.4:691.16
ЛУКАШЕВИЧ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, lukvin@tsuab. ги
ЕФАНОВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ, аспирант, ет7@уапёех. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПРЕИМУЩЕСТВА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ДВУХСТАДИЙНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВВЕДЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ ПРИ ДИСПЕРСНОМ АРМИРОВАНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ВОЛОКНИСТЫМИ СОРБЕНТАМИ
Дисперсное армирование асфальтобетонных смесей волокнистыми сорбентами, предназначенными для сбора разлившихся нефтепродуктов, позволяет реализовать двухстадийную технологию введения органических вяжущих, что приводит к снижению интенсивности избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума и улуч -шению его свойств в адсорбционном слое. В результате повышается эластичность пленок битума при отрицательных температурах. Это снижает интенсивность трещинооб-разования в зимний период, замедляет старение асфальтового вяжущего и приводит к увеличению срока службы асфальтобетонных покрытий.
Ключевые слова: дисперсная арматура; волокнистые сорбенты; избирательная фильтрация компонентов нефтяного битума; старение асфальтового вяжущего; кольматация пор; адгезия органического вяжущего.
LUKASHEVICH, VIKTOR NIKOLAYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., lukvin@tsuab. ru
EFANOV, IGOR NIKOLAEVICH, P.G., ein7@yandex. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq. Tomsk, 634003, Russia
ADVANTAGES OF STRUCTURE FORMATION AND TWO -STAGE TECHNOLOGY OF ORGANIC BINDERS TRODUCTION REALISED IN THE PROCESS OF DISPERSED REINFORCEMENT OF ROAD CONCRETE MIXES BY FIBROUS SORBENTS
Dispersed reinforcement of asphalt concrete mixes by fibrous sorbents designed to collect spilled oil allows to realize two-stage technology of organic binders introduction, which leads to decreasing the intensity of selective filtering of petroleum bitumen components and improvement of its properties in the adsorption layer. In this case elasticity of the bitumen films at low temperatures increases and it reduces intensity of cracking in winter, delays aging of asphalt binder and increases the service life of asphalt pavement.
© В.Н. Лукашевич, И.Н. Ефанов, 2012
Keywords: bituminous concrete; dispersed reinforcement; selective filtration by
oil bitumous element; aging of asphalt binder.
На нынешнем этапе развития человечество активно использует углеводородное сырье для решения энергетических проблем. При добыче и транспортировке нефти имеют место аварии на буровых установках, на трубопроводах (магистральных и внутрипромысловых), происходят катастрофы танкеров, осуществляющих перевозку нефти и нефтепродуктов. По информации, представленной Greenpeace, от 10 до 20 млн т нефти в России ежегодно теряются из-за утечек и загрязняют окружающую среду. Загрязняются огромные площади на суше, в морях и океанах. В результате на акватории морей и океанов, подвергшейся загрязнению, гибнут животные и растения, средой обитания которых является вода, загрязняется прибрежная зона, что особенно вредно для тех мест, где сосредоточены пляжи и зоны отдыха населения. Загрязненные участки поверхности земли становятся непригодными для землепользования.
Для устранения вредного воздействия разливов на окружающую среду необходимо удалять разлившуюся нефть и нефтепродукты. Локализацию мест разлива и сбор разлившихся нефтепродуктов можно осуществлять с помощью волокнистых полимерных сорбентов. Насыщенные собранными веществами сорбенты подвергают центрифугированию и используют вновь. После пятидесяти циклов поглощения - центрифугирования сорбенты считаются отработавшими свой ресурс и должны быть утилизированы. Основные способы утилизации, существующие в настоящее время, предусматривают их сжигание или захоронение. Эти методы нельзя назвать эффективными, поскольку они наносят вред окружающей среде.
Более эффективным методом утилизации отработанных волокнистых сорбентов, предназначенных для локализации и сбора пролившихся нефти и нефтепродуктов, является их использование в составе асфальтобетонных смесей.
Введение в асфальтобетонную смесь дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов-сборников нефти и нефтепродуктов положительно влияет на характеристику асфальтобетонов по двум направлениям: дисперсная арматура улучшает физико-механические свойства и реологические характеристики, а содержащиеся в сорбентах нефть либо другое углеводородное сырье приводят к снижению интенсивности избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума и улучшению его свойств в адсорбционном слое. В результате повышается сдвигоустойчивость асфальтобетона при положительных температурах и эластичность пленок битума при отрицательных температурах. Это снижает вероятность возникновения сдвиговых деформаций в летний период, интенсивность трещинообразования в зимний период, замедляет старение асфальтового вяжущего и приводит к увеличению срока службы асфальтобетонных покрытий.
В данной статье рассмотрен лишь один аспект воздействия - влияние содержащейся в сорбентах нефти либо другого углеводородного сырья на интенсивность избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума и процессы старения асфальтового вяжущего.
По мнению авторов, процессы избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума, установленные Л.Б. Гезенцвеем, В.М. Смирновым, И.М. Борщ, Л.С. Терлецкой, могут быть ограничены или вовсе прекращены при введении в асфальтобетонную смесь дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов, содержащих нефтепродукты или другие органические материалы. При этом возникает возможность реализации двухстадийной технологии введения органических вяжущих [2]. Эта технология предполагает последовательную обработку минеральных материалов двумя типами вяжущих: на первой стадии вяжущим, имеющим высокую адгезию к поверхности минеральных материалов; на второй стадии - нефтяным битумом, обеспечивающим хорошую когезию. Для реализации данной технологии процесс производства асфальтобетонных смесей должен предусматривать операции введения минеральных материалов, их перемешивание, введение подготовленного расчетного количества дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов, содержащих установленное количество собранных нефтепродуктов, перемешивание минеральных материалов с армирующими волокнами, введение нефтяного битума и окончательное перемешивание. При введении дисперсной арматуры из волокнистых сорбентов, содержащих нефтепродукты, реализуется первая стадия двухстадийной технологии введения органических вяжущих, при введении нефтяного битума - вторая.
Указанная технологическая последовательность предопределена тем, что на первой стадии целесообразно использовать органические вяжущие, содержащие в своем составе высокоактивные компоненты. Эти компоненты, вступая в химическое взаимодействие с поверхностью минерального материала, обеспечивают наличие хемосорбционных связей с образованием водонерастворимых соединений на поверхности минерального материала. Кроме того, в процессе избирательной фильтрации активные компоненты проникают по порам и капиллярам внутрь минерального материала, взаимодействуя с поверхностью пор и капилляров. В результате этих процессов происходит кольматация пор и капилляров минерального материала компонентами вяжущего, используемого на первой стадии.
На второй стадии производится обработка полученной органоминеральной смеси нефтяным битумом. При этом процесс избирательной фильтрации компонентов нефтяного битума в поры и капилляры минерального материала не будет иметь места, так как эти поры и капилляры уже заполнены компонентами органического вяжущего на первой стадии. Следовательно, адсорбционные слои нефтяного битума на поверхности минеральных материалов не будут обедняться низкомолекулярными фракциями, что положительно скажется на их эластичности при отрицательных температурах. За счет этого повысится тре-щиностойкость асфальтобетонных смесей и их долговечность.
Предложенная технологическая последовательность обработки минеральных материалов позволит получить на их поверхности наложение (суперпозицию) двух слоев структурированных органических вяжущих. При этом слой нефтяного битума, обладая более высокой водостойкостью, будет предохранять слой смолы от воздействия влаги, а слой смолы обеспечит высокую адгезию и существенное снижение избирательной фильтрации низкомолеку-
лярных компонентов нефтяного битума, что снизит интенсивность старения асфальтобетонного покрытия.
На первой стадии целесообразно использовать органические вяжущие, обладающие хорошей адгезией. К таким вяжущим относятся жидкие битумы, высокотоннажные отходы и побочные продукты нефтеперерабатывающей, коксохимической и сланцеперерабатывающей промышленностей (преимущественно смолы).
Для проверки выдвинутых предположений были проведены исследования с применением методов ИК-спектроскопии, В качестве вяжущего, применяемого на первой стадии, использовалась смола сланцевых и каменноугольных фусов. Смола была получена путем центрифугирования волокнистых сорбентов, использованных для ликвидации разливов при авариях на фусо-хранилищах. В связи с тем, что значительное влияние на старение органического вяжущего имеют полуторные оксиды, содержащиеся в минеральных материалах, исследовались смеси органических вяжущих с химически чистым оксидом железа. Инфракрасные спектры снимались при помощи двухлучевого спектрофотометра ИКС-29.
В ходе исследований были получены ИК-спектры сланцевых фусов и смеси сланцевых фусов с оксидом железа. Анализ спектров показал, что в спектре сланцевых фусов присутствуют широкие полосы поглощения, простирающиеся от 3000 до 3799 см-1, свидетельствующие о колебании свободных или ассоциированных групп ОН и подтверждающие наличие фенольных соединений [1]. В спектре сланцевых фусов присутствуют также полосы поглощения при 1050 и 1100 см-1, связанные с валентными колебаниями групп С-ОН. Исчезновение этих полос поглощения при переходе от «чистых» фусов к их смеси с оксидом железа также можно объяснить актив -ным взаимодействием карбоновых кислот с оксидом. В результате этого взаимодействия оксид железа нейтрализуется как катализатор старения органического вяжущего.
Для оценки влияния сланцевых фусов на процессы старения асфальтовое вяжущее, приготовленное путем смешения нефтяного битума с оксидом железа, а также нефтяного битума с оксидом железа, модифицированного сланцевыми фусами, подвергалось термическому старению при температуре 160 °С в течение 72 ч и производилась съемка инфракрасных спектров. В качестве критерия оценки интенсивности старения была принята глубина карбонильного поглощения при 1600 см-1, свидетельствующая о наличии ароматических соединений в смеси.
Анализ ИК-спектров показал, что смеси оксида железа и нефтяного битума характеризуются менее интенсивной полосой карбонильного поглощения, нежели смесь нефтяного битума и оксида, модифицированного сланцевыми фусами. Это свидетельствует о более высокой концентрации ароматических соединений в смеси нефтяного битума и оксида железа, модифицированного сланцевыми фусами, что можно объяснить замедлением процессов образования асфальтенов из низкомолекулярных фракций нефтяного битума вследствие нейтрализации полуторных окислов как катализаторов старения в ходе их взаимодействия с фенолами.
Таким образом, исследования, выполненные с применением методов ИК-спектроскопии, подтвердили, что при дисперсном армировании асфальтобетонных смесей отработанными волокнистыми сорбентами, предназначенными для сбора и локализации разливов углеводородного сырья, возможна реализация двухстадийной технологии введения органических вяжущих. В результате ее реализации оксиды железа вступают в реакцию с фенолами и карбоновыми кислотами смолы и нейтрализуются как катализаторы старения нефтяных битумов. Это приводит к увеличению концентрации ароматических соединений в адсорбционных слоях битума, которые становятся более эластичными при отрицательных температурах. Уменьшается трещинообразование дорожных покрытий, чем обеспечивается увеличение их долговечности.
Библиографический список
1. Белами, Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул : [пер. с англ.] / Л. Белами. - М. : Мир, 1971. - 319 с.
2. Лукашевич, В.Н. Увеличение срока службы асфальтобетонных покрытий за счет двухстадийного введения органических вяжущих в процессе производства асфальтобетонных смесей / В.Н. Лукашевич // Строительные материалы. - 2003. - № 1. - С. 24-25.
