CC BY
37
УДК 665.455
Е. А. Гладий, А. Ф. Кемалов, Р. А. Кемалов, Х. В. Мустафин, Р. И. Миннехузина
ПРИГОТОВЛЕНИЕ БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ЗЮЗЕЕВСКОГО БИТУМА
МАРКИ БНД 60/90
Ключевые слова: Битумные эмульсии, эмульгированный битум, свойства, поверхностно-активное вещество.
Одним из направлений эффективного использования многотоннажного и вместе с тем дефицитного вяжущего материала как битум, является широкое внедрение в практику дорожного и гражданского строительства эмульсий битума в воде. В статье приведены экспериментальные данные по оценке влияния различного рода продуктов на реологические свойства как битумной эмульсии, так и на физико-химические свойства эмульгированного битума.
Keywords: Bitumen emulsion, emulsified bitumen, properties, surfactant.
One of the areas of efficient use of tonnage and at the same time scarce binder material as bitumen is the widespread
implementation of bitumen emulsions in water into road and civil construction. The article presents experimental data to evaluate the effect of various ingredients on rheological properties of bitumen emulsion and physico-chemical properties of emulsified bitumen.
В России битумные эмульсии являются относительно новым видом вяжущего, и до середины 1990-х годов вязкие нефтяные дорожные битумы были, чуть ли не единственным видом органического вяжущего, используемого в дорожном строительстве. В силу ряда причин битумные эмульсии не применялись в должном объеме. Возрастающий в России интерес к эмульсиям несомненно приведет к воплощению наиболее перспективных исследований и становлению промышленности по производству и применению битумных эмульсий не только в дорожном, но и в гражданском строительстве (наливные, кровельные, сухие эмульсии, пасты). Следует учитывать и то, что на сегодняшний день более 70% битумов в РФ не соответствует по своему ассортименту и качеству требованиям рынка. Различия здесь отражаются в режимах и способах добычи, переработки высоковязких нефтей и природных битумов, что особенно отражается на физико-химических показателях полученных битумов. Прежде всего, это обусловлено их структурно-групповым составом, где превалирующим фактором является наличие высокомолекулярных н-парафинов. При их содержании более 3% возникает кристаллизационный каркас из парафинов, сообщающий системе жесткость и уменьшается интервал пластичности. Твердые парафины, как кристаллические вещества, не обладают пластическими и
клеющими свойствами и, покрывая тонкой пленкой битум, ухудшают растяжимость, прочность и адгезию [1-7].
В настоящее время наибольшее практическое применение пока находят катионактивные ПАВ, большинство которых производятся за рубежом (Франции, Германии, Швеции, Голландии, США и т.д.). Несмотря на всю остроту потребности в высокоэффективных эмульгаторах к нефтяным дорожным битумам, массовое производство эмульгаторов в отечественной практике так и не налажено [8-9].
Использование эмульгатора не решает ситуацию по отношению к битумно-эмульсионному материалу на основе регионального сырья, ситуацию негативного воздействия н-парафинов на основные эксплуатационные характеристики. Поэтому считается актуальным проведение исследований на региональном сырье и разработкой комплексной добавки с эмульгирующими и адгезионно-прочностными функциями, которая позволит сократить не только долю дорогостоящего эмульгатора в балансе, но и полностью исключить его [4, 7, 10-13].
Таким образом, на основе вышесказанного нами была проделана следующая работа, а именно приготовление битумных эмульсий на основе зюзеевского дорожного битума марки БНД 60/90, свойства которого приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Качественные характеристики зюзеевского дорожного битума марки БНД 60/90
Наименование показателей Норма по ГОСТ 22245-90 Фактическое значение
1. Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм, в пределах 61 - 90 74
2. Глубина проникания иглы при 0 °С, 0,1 мм, не менее 28 20
3. Температура размягчения по «кольцу и шару», °С, не ниже 47 49
4. Растяжимость при 25 °С, см, не менее 55 >100
5. Растяжимость при 0 °С, см, не менее 4,0 0,5
6. Температура хрупкости, °С, не выше -17 -14
7. Температура вспышки, °С, не ниже 230 230
8. Индекс пенетрации, в пределах от -1,0 до +1,0 -0,8
В качестве ПАВ применялся синтанол АЛМ-10 -полиоксиэтиленгликолевый эфир высших первичных спиртов, имеющий неионогенный характер и анионный водорастворимый полимер карбоксиме-тилцеллюлоза (КМЦ), вводимые в водную фазу битумных эмульсий. Направление работы велось по
Таблица 2 - Влияние содержания синтанола АЛМ-10
содержанию водной фазы 70% - 60% и 30% - 40% масс. битумной фазы соответственно. Рассмотрим влияние изменения концентрации добавок на стабильность и свойства полученных битумных эмульсий. Результаты приведены в таблице 2.
и КМЦ на устойчивость битумных эмулльсий
Номер образца Количество воды, % масс Количество КМЦ в воде, %масс Количество АЛМ в воде,% масс Количество битумной фазы, %масс Итого, %масс Индекс распада ИР,г/100 г
1 59,25 0,75 1 40,0 100 521
2 59,00 1,00 1 40,0 100 561
3 58,75 1,25 1 40,0 100 596
4 58,50 1,50 1 40,0 100 640
5 58,25 1,75 1 40,0 100 683
6 59,25 0,75 2 40,0 100 650
7 59,00 1,00 2 40,0 100 685
9 58,75 1,25 2 40,0 100 720
10 58,50 1,50 2 40,0 100 764
11 58,25 1,75 2 40,0 100 780
12 59,25 0,75 3 40,0 100 701
13 59,00 1,00 3 40,0 100 752
14 58,75 1,25 3 40,0 100 781
15 58,50 1,50 3 40,0 100 803
16 58,25 1,75 3 40,0 100 810
Из полученных нами результатов видно, что приготовленные битумные эмульсии обладают высокой стабильностью и являются медленнораспа-дающимися, т. к. индекс распада имеет высокое значение для всех эмульсий (составляет более 120г/100г). Эмульсии имеют вязкую консистенцию в отличие от эмульсии, содержащей традиционный эмульгатор. При хранении эмульсии более чем 1 месяц не наблюдается коагуляции частиц битума, т. е. эмульсия устойчива при хранении.
Из таблицы видно, что при увеличении количества синтанола АЛМ-10 происходит увеличение индекса распада, т. е. увеличение стабильности битумной эмульсии. Также на устойчивость эмульсии влияет и изменение концентрации КМЦ.
Роль неионогенного эмульгатора - синтанола АЛМ-10 заключается в понижении поверхностного натяжения на границе вода - битум, а также в образовании на поверхности капелек дисперсной фазы механически прочных слоев, препятствующих слиянию битумных частиц. Гидрофильная группа синта-нола (эфирная и гидроксильная группы) растворена в дисперсионной среде, а липофильная (- С14Н29) обращена в битумную фазу. Возможно, молекулы КМЦ достраивают адсорбционный слой синтанола и эмульгирующая способность синтанола повышается. Полимер КМЦ располагается горизонтально в плоскости раздела «капля-среда», где может переплетаться и создавать двухмерные структур. Таким
образом, реализуется структурно-механический фактор устойчивости - на поверхности капли создается структурированная прочная пленка. Помимо этого КМЦ содержит ионогенные группы - карбоксильную группу СОО- и и в растворах распадается с образованием полиионов. В таких случаях к структурному фактору добавляется электростатический фактор.
В дальнейшем мы определяли физико-химические свойства выпаренного битума из эмульсий и влияние добавок на адгезионно-прочностные свойства битумной пленки на поверхности каменного материала, значения и показатели которых сведены в таблице 3.
Из приведенной таблицы следует, что адгезия выпаренного битума составляет 1- 3 балла при увеличении количества синтанола до 3% масс., в то время как адгезия чистого битума составляет 4-5 балла. Таким образом, КМЦ и синтанол выполняют не только стабилизирующую роль. В то время, как КМЦ улучшает адгезию при увеличении его содержания, а АЛМ наоборот, ухудшает ее, но улучшает малакометрические свойства. Температура размягчения выпаренного битума немного ниже по сравнению с температурой исходного битума (49°С). Это объясняется действием эмульгирующих добавок. При увеличении АЛМ-10 происходит уменьшение температуры размягчения. Также наблюдается уменьшение дуктильности по сравнению с исход-
ным битумом при увеличении содержания КМЦ от 1,5 до 1,75 % масс., что говорит о структурирующем действии последнего.
По физико-химическим показателям битумы марки БНД 60/90 должны соответствовать определенным требованиям и нормам:
1) по пенетрации (глубине проникания иглы), 0,1 мм, при 25°С из выше исследованных образцов требованиям (61-90) соответствуют практически все образцы, но исключением являются образцы под номером 5, 10 и 15;
2) по температуре размягчения, °С, требованиям (не ниже 47) отвечают все образцы без исключения;
3) по растяжимости, см, при 25°С требованиям (не меньше 55) соответствует все образцы без исключения.
Итак, исходя из полученных данных, можно говорить о том, что выбор добавок с эмульгирующими и адгезионно-прочностными функциями для приготовления без эмульгаторосодержащих битумных эмульсий дал положительные результаты. А модификация же битумной фазы оказала положительное влияние на некоторые свойства битума. В частности, с введением добавок наблюдается увеличение не только значений адгезии битума с минеральным материалом, а также - его температура хрупкости.
Таблица 3 - Физико-химические свойства эмульгированного битума
Номер образца Количество КМЦ в воде, %масс Количество АЛМ в воде,% масс Адгезия, балл Температура размягчения, °С (не ниже 47°С) Дуктильность при 25°С, см (не меньше 55 см) Пенетрация при 25°С, 0,1 мм (61-90)
1 0,75 1 2 47 >100 92
2 1,00 1 2 48,2 90 89
3 1,25 1 1-2 50,1 83 83
4 1,50 1 1 53 80,9 79
5 1,75 1 1 53,6 80,1 78
6 0,75 2 2-3 47 >100 93
7 1,00 2 2 48 >100 90
8 1,25 2 1-2 50 >100 85
9 1,50 2 1-2 51 >100 81
10 1,75 2 1 51,6 >100 78,4
11 0,75 3 3 46,8 >100 93
12 1,00 3 2-3 47 >100 90
13 1,25 3 2-3 49,2 >100 85
14 1,50 3 2 50 >100 82,6
15 1,75 3 2 50,8 >100 78,7
Увеличение грузопотока по автомобильным дорогам, многоцикловые температурные переходы в системе замораживания-размораживания в периоды года, качество каменного материла, используемого при строительстве дорог и, наконец, качество применяемого битума (способа добычи сырья производства битума, технология его производства, а следовательно непостоянство химического состава в производстве и само собой в производстве водо-битумных эмульсий). Все это создает проблемы в получении качественного конечного материала -асфальтобетона.
Таким образом, полученные результаты свидетельствует не только о применении правильно выбранных добавок при приготовлении высокодисперсной эмульсии без эмульгатора с повышенной устойчивостью к расслаиванию и коалисценции, ни и о высокой механической прочности битумной пленки на поверхности каменного материала, которое необходимо для приготовления качественных
дорожных покрытий с высоким межремонтным периодом.
Литература
1. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико-химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. - 192 с.
2. Jew, P., Shimizu, J.A., Svazic, M. and Woodhams, R.T. (1986). Polyethylene-modified bitumen for paving applications. Journal of Applied Polymer Science, 31(8), 2685-2704.
3. Петухов, И.Н. Дорожные эмульсии. Т.1 / И.Н. Петухов. - Минск.: ЕАДЭ, 1997. - 230 с.
4. Kemalov, A.F. and R.A. Kemalov, 2013. Practical Aspects of Development of Universal Emulsifiers for Aqueous Bituminous Emulsions. World Applied Sciences Journal, 23 (6), 858-862. DOI: 10.5829/idosi.wasj.2013.23.06.13103
5. Long, Y., Dabros, T. and Hamza, H. (2002). Stability and settling characteristics of solvent-diluted bitumen emulsions. Fuel, 81(15), 1945-1952. DOI: 10.1016/S0016-2361(02)00132-1.
6. ГОСТ 18659-81 Эмульсии битумные дорожные. Технические условия.
7. Кемалов, А.Ф. Влияние активирующих добавок на получение окисленных битумов / А. Ф. Кемалов // Химия и технология топлив и масел. - 2003. - №1-2. - С. 64-67.
8. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества. Синтез, анализ, свойства, применение. М.: Профессия. 2007. -240 с.
9. Технические поверхностно-активные вещества из вторичных ресурсов в дорожном строительстве / И. В. Королев [и др.]. - М.: Транспорт, 1991. - 125 с.
10. Печеный, Б.Г. Долговечность битумов и битумно-минеральных покрытий / Б.Г. Печеный. - М.: Стройиз-дат, 1981. - 123 с.
11. Taylor, S.D., Czamecki, J. and Masliyah, J. (2002). Disjoining pressure isotherms of water-in-bitumen emulsion films. Journal of Colloid and Interface Science, 252(1), 149160. DOI: 10.1006/jcis.2002.8403.
12. Salou, M., Siffert, B. and Jada, A. (1998). Study of the stability of bitumen emulsions by application of DLVO theory. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 142(1), 9-16. DOI: 10.1016/S0927-7757(98)00406-3.
13. Brown, S.F. (2000). A study of cement modified bitumen emulsion mixtures. Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists, 69, 92-121.
© Е. А. Гладий, к.т.н., с.н.с., каф. ВВН и ПБ, КФУ, [email protected], А. Ф. Кемалов, д.т.н., проф., зав. кафедрой ВВН и ПБ, КФУ, [email protected]; Р. А. Кемалов, к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Х. В. Мустафин, к.т.н., зам. генерального директора, ОАО «Ташефтехимишест-холдинг», [email protected]; Р. И. Миннехузина, лаборант-исследователь, кафедра ВВН и ПБ, КФУ, [email protected]. Rimma I. Minnekhuzina,
© E. A. Glady, Ph. D., C. SC., department of HVO&NB, Kazan Federal University, [email protected]; A. F. Kemalov, Sc.D., Professor, head the department of HVO&NB, Kazan Federal University, [email protected]; R. A. Kemalov, Ph. D., associate professor, department of HVO&NB, Kazan Federal University, [email protected]; H. V. Mustafin, , Ph. D., Deputy General Director, JSC "Tatneftekhiminvest-holding", [email protected]; R. 1 Minnekhuzina, assistant researcher, department of HVO&NB, Kazan Federal University, [email protected]
