CC BY
281
Р. А. Кемалов, А. Ф. Кемалов, М. Р. Идрисов, Р. Ш. Бадертдинов,
Д. Ф. Фаттахов
ПРОИЗВОДСТВО МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ «ПФМ»
И МАСТИК ДЛЯ ДОРОЖНОГО И ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
НА ИХ ОСНОВЕ
Ключевые слова: добавка, нефтяной битум, остаточный, окисленный, неокисленный, комплексное воздействие, свойства, упруго-деформационные, низко-температурные, адгезионно-прочностные, мастика дорожное покрытие, санация, кровельные материалы.
Для увеличения срока службы дорожных покрытий на мостах и искусственных сооружениях необходима не только корректировка нормативных требований к физико-механическим свойствам битумов, но и разработка, внедрение в практику дорожного строительства модифицированных битумов улучшенного качества и новых материалов на их основе, способных обеспечивать более высокую прочность и долговечность дорожных покрытий.
Key words: additive, petroleum bitumen, residual, oxidized, unoxidized, the combined effect of the properties, elastic deformation, low-temperature, adhesive-strength, mastic paving,
sanitation, roofing materials.
To extend the using period of road surfaces on bridges and structures is necessary not only to adjust regulatory requirements to the physical and mechanical properties of bitumen, but also the development, implementation to the road construction of modified asphalts of improved quality and new materials based on them that can provide higher strength and durability of road surfaces.
На сегодняшний день до 70 % выпускаемых в России и странах СНГ битумов по ассортименту и качеству не соответствуют требованиям современного рынка. Так анализ результатов испытаний «Центра лабораторного контроля, диагностики и сертификации» ФДС России показывает, что 68% дорожных битумов марок БНД, применяемых для асфальтобетонных смесей, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 22245-90 хотя бы по одному из физико-механических показателей. Как следствие недостаточное качество битумов ведет к преждевременному износу дорожных покрытий и, в итоге приводит к увеличению капитальных затрат на проведение трудоемких ремонтных работ. Так за последние десятилетия в 2-3 раза сократился срок службы асфальтобетонных покрытий на автодорогах, мостах и аэродромах, более 90% материальных, трудовых и энергетических ресурсов, выделяемых дорожной отрасли, идет на ремонт и реконструкцию, а не на строительство асфальтобетонных покрытий. Положение усугубляется непрерывным увеличением грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств, приводящим к значительному росту динамических нагрузок на дорожное покрытие и тем самым повышению требований к качеству битума.
В течение ряда лет успешно проводятся исследования по разработке рецептур и технологии производства модифицирующих присадок к нефтяным битумам. По результа-
там работ получены 5 патентов РФ. Подготовлены шесть кандидатских и одна докторская диссертации на данную тему.
Отличительной особенностью данного проекта является тот факт, что за счет регулирования концентрации модификатора можно получить на основе известных марок битума широкий ассортимент битумно-полимерных материалов. Низкая вязкость полимерной модифицирующей добавки способствует лучшему диспергированию его в битуме и необратимой физико-химической диффузии с компонентами битума, в том числе за счет образования непрерывной полимерной фазы в битуме, а также за счет физико-химического взаимодействия компонентов битума и модифицирующей системы на границе раздела фаз. Наличие в химической структуре модификатора серии ПФМ высокополярных и ароматических блоков обусловливает высокое сродство с компонентами битумов. Следует отметить, что температура смешения битумов с полимером типа СБС происходит при 150 -200°С, а модификаторы серии ПФМ при температуре 80 - 120°С. Качество битума не оказывает существенного влияния на характер модифицирующего действия полимеров в составе модификаторов серии ПФМ, который обусловлен, преимущественно, химической природой полимера. Использование в качестве исходного сырья для приготовления БПК битумов, обогащенных ароматическими соединениями, благоприятствует совместимости компонентов, что согласуется с известными положениями теории физической химии полимеров и обусловлено лучшей растворимостью полимеров в ароматических соединениях. Применение модификатора серии «ПФМ» позволит увеличить межремонтный период в эксплуатации всех типов покрытий, а значит, уменьшится количество отходов (старых покрытий), уменьшится количество выбросов при производстве битума и асфальтобетона. Дополнительно необходимо отметить, что отсутствие азотсодержащих соединений и лег-кокипящих компонентов в составе разработанного модификатора позволяет существенным образом улучшить экологичность производства, как самого модификатора, так и битумных материалов на его основе.
Композиционный полифункциональный модификатор разработан на основе компонентов, производимых в Республике Татарстан. Разработана также технология ее производства. Разработанный модификатор, являясь универсальным, одновременно улучшает все основные эксплуатационные характеристики нефтяных битумов вне зависимости от содержания в них твердых парафинов. Разработанные рецептуры модифицирующих присадок прошли успешные испытания на битумных производствах Елховской НПУ, Зюзеев-ского и Кичуйского НПЗ.
Разработка универсальных модификаторов, позволяющих перевести татарстанские битумы в разряд высококачественных, является чрезвычайно актуальным вопросом, имеющим государственное значение для республики. Новизна проекта подтверждена несколькими патентами РФ. Оригинальная методика подхода к разработке наукоемкой продукции позволила получить принципиально новый универсальный модификатор битумов «ПФМ», способный комплексно физико-химически воздействовать на основные компоненты битумов, тем самым, снижая негативную роль высокомолекулярных парафиновых углеводородов на адгезионно-прочностные и упруго-деформационные характеристики битумов и материалов на их основе, таким образом, выводящий модифицированные им продукты на уровень лучших зарубежных аналогов. Среди основных преимуществ следует отметить универсальность модификатора, высокую технологичность его применения, меньшие энергозатраты при приготовлении модифицированного битума, минимальные изменения в технологической линии производства битумов (обогреваемый насос-дозатор в линию откачки битума из окислителя в товарную емкость), жидкофазная консистенция, и
самое основное перевод изначально некондиционных высокопарафинистых битумов в товарные формы, соответствующие по своим характеристикам западным стандартам качества.
В настоящий момент на заключительной стадии находятся испытания в независимых лабораториях на соответствие качества битумов, модифицированных с помощью ПФМ последней серии, заявленным требованиям, результаты положительные. После запуска планируется сертифицировать производство модификатора «ПФМ» по 180 9001:9002.
Основными направлениями применения модификатора являются производство дорожных битумов, производство строительных и кровельных битумов, производство битумных рулонных (черепичных) кровельных и гидроизоляционных материалов, производство битумных лакокрасочных материалов. Суммарный объем производства битумов различных марок в РТ при запуске ОАО «ТАИФ-НК» Нижнекамского НПЗ составит порядка 450-480 тыс. тонн в год, а потребность в модификаторе на такой объем - 30-40 тыс. тонн в год, при выходе на российский рынок объемы могут кратно возрасти. Рынок производства кровельных материалов в России составляет порядка 150 млн. м . Из них доля материалов,
соответствующих по качеству материалу с применением «ПФМ» составит порядка 15-25
2 2 млн. м в масштабах России и примерно 800 - 1100 тыс. м - РТ или в пересчете на модификатор 4-7 тыс. тонн в год и 400 - 700 тонн в год соответственно. Рынок лакокрасочных материалов вообще трудно оценить. Таким образом, только по рынку РТ предварительная потребность может достигнуть до 50 тыс. тонн в год.
Основными направлениями применения модифицированных битумно-мастичных материалов являются ремонт покрытий автодорог, аэродромов и т.п., устройство кровель зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения и устройство строительных конструкций, мостовых сооружений, защита магистральных наземных и подземных трубопроводов, в том числе нефте- и газопроводов. Учитывая тот факт, что в Татарстане проложено 22 тысяч километров дорог, из которых более тысячи - федеральные, а общая протяженность автодорог в России - чуть менее 900 тысяч километров, в то время как этот показатель уже сегодня должен значительно превышать 1,5 миллиона километров, можно говорить о высокой потребности в качественной мастике для ремонта существующих автодорог и в улучшенном дорожном битуме при строительстве новых. Таким образом, по рынку РТ предварительная потребность в мастике только для дорожного ремонта может достигнуть до 20 тыс. тонн в год.
Конкурентные преимущества результатов: а) универсальность модификатора, б) значительно более низкая цена, в) более высокая технологичность, г) простая технология производства, д) меньшие транспортные затраты на доставку модификатора потребителю в РТ.
Перед определением коммерческой эффективности необходимо еще раз отметить, что разработанный модификатор «ПФМ» совмещает свойства и адгезива, и модификатора упруго-деформационных свойств битумов.
Отсутствие азотсодержащих компонентов в составе «ПФМ» позволяет исключать в дальнейшем влияние как производственных издержек основных производителей аминов на территории Российской Федерации (ОАО «Сибур-Нефтехим», г. Дзержинск, ОАО «Казаньоргсинтез», г. Казань), связанных, во-первых, с невысоким по сравнению со спросом на адгезионные добавки объемом выпуска аминов и, во-вторых, с большой степенью износа основного технологического оборудования нефтехимических комбинатов - производителей аминов (риски сбоев в поставках основного компонента адгезива), так и следствием вышесказанному экономических трудностей, возникающих при росте производственных издержек.
Дополнительно отсутствие азотсодержащих компонентов в составе «ПФМ» позволяет
легче занять нишу на рынке модификаторов битума, в связи с тем, что исключается пересечение интересов при закупке сырья с действующими производителями модификаторов.
- Экономическая (создание ресурсосберегающих технологий, привлечение к производству товара других производителей Республики Татарстан); Данную технологию можно смело отнести к разряду ресурсосберегающих, поскольку увеличение межремонтного периода всех типов покрытий сформированных с участием модификатора «ПФМ» позволит существенно уменьшить расход битума, каменного материала, а также энергоресурсов для производства, как битума, так и асфальтобетона в целом.
- Научно-техническая:
а) производство модификатора защищено патентом РФ,
б) модификатор является конкурентоспособным на внешних рынках,
в) при производстве модификатора, основным способом аналитического контроля производства является применение современных технологий, в том числе импульсного ЯМР.
- Социальная.
- Экологическая.
Применение модификатора позволит увеличить межремонтный период в эксплуатации всех типов покрытий, а значит, уменьшится количество отходов (старых покрытий), уменьшится количество выбросов при производстве битума и асфальтобетона.
Дополнительно необходимо отметить, что отсутствие азотсодержащих соединений и легкокипящих компонентов в составе разработанного модификатора позволяет существенным образом улучшить экологичность производства, как самого модификатора, так и битумных материалов на его основе.
По производству мастик
Данную технологию можно смело отнести к разряду ресурсосберегающих, поскольку увеличение межремонтного периода всех типов покрытий, сформированных с участием разработанных мастик, позволит существенно уменьшить расход битума, каменного материала, а также энергоресурсов для производства битума, асфальтобетона, проведения кровельных работ, подъем на поверхность подземных трубопроводов и т.п.
- научно-техническая:
а) производство мастик защищено патентом,
б) мастики являются конкурентоспособными на внешних рынках,
-социальная
Создание нового производства будет способствовать созданию новых рабочих мест.
- экологическая
Применение мастик позволит увеличить межремонтный период в эксплуатации всех типов покрытий, а значит, уменьшится количество отходов (старых покрытий), уменьшится количество выбросов при производстве битумов и их производных.
Получены положительные результаты предварительных испытаний образцов модификаторов, проведенных на Елховской НПУ, Зюзеевского и Кичуйского НПЗ, а дорожного полотна на основе модифицированного битума на магистралях города Казани. Выданы рекомендации к проведению расширенных испытаний в качестве модификаторов к дорожным и строительным битумам. Разработаны проекты технических условий и технического регламента на производство полифункционального модификатора и введение его в битум в стандартных существующих схемах производства битума.
Литература
1. Сюняев, З.И. Нефтяные дисперсные системы / З.И. Сюняев - М.:Химия, 1990. - 226 с.
2. Кемалов, А.Ф. Получение модифицированных битумов ввдением каучука с целью повышения
срока службы дорожного покрытия / А.Ф.Кемалов, Р.А.Кемалов, Р.Н.Костромин, Н.Р.Муллахметов // Электронный журнал Исследовано в России. - 2009
(http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2009/020.pdf)
3. Корчагина, О.А. Методологические указания. Органические вяжущие и материалы на их основе / О А. Корчагина, О.А. Киселева. - ТГТУ, 2004. - 12 с.
© Р. А. Кемалов - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии переработки нефти игаза КГТУ; А. Ф. Кемалов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; М. Р. Идрисов - магистр КГТУ, [email protected]; Р. Ш. Бадертдинов - магистр КГТУ; Д. Ф. Фаттахов - студ. КГТУ.
