CC BY
256
MODERN TECHNOLOGIES OF PRODUCTION OF ROAD BITUMEN B.A. Usov, T.N. Gorbunova
Abstract
The history of the development of technologies for the production of road bitumen (to their share in Russia accounts for up to 80% of May of all bitumen production) has passed in several stages - from periodic oxidation in cubes and pressureless reactors to modern automated combined production facilities, including oxidative blocks of continuous operation of columnar type of various designs And powerful blocks of compounding of raw materials and finished products
Key words
Road bitumen, production Date of receipt in edition: 19 March 2017
Date of acceptance for printing: 23 March 2017
УДК 69.05
СВОЙСТВА И МОДИФИКАЦИЯ БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
Б.А. Усов, Т.Н. Горбунова
Московский политехнический университет
Аннотация
В промышленности используются для приготовления асфальтобетонов или непосредственно на строительстве - для склеивания отдельных или формования монолитных конструкций.
Ключевые слова
асфальтобетон, строительтво, битум История статьи:
Дата поступления в редакцию: 20 марта 2017
Дата принятия к печати: 23 марта 2017
Виды и свойства битумов
Битумы -то органические вещества - твердые, вязко-пластичные или жидкие, темно-коричневого, черного цвета, содержащие углеводороды и их неметаллических производные
При обычной температуре- это твердые массы, либо густые жидкости темного или почти черного цвета;
При нагревании - они размягчаются (разжижаются), а при охлаждении - отвердевают вместе с твердыми включениями. Эта особенность представляет технологическую возможность называть их вяжущими или точнее связующими веществами.
Нерастворимость в воде (а многих и в кислотах) и даже при растворимости в органических растворителях - сероуглероде, хлороформе, бензоле, дихлорэтане и др., позволяет получать из них ещё лаки и мастики.
Богатейшим сырьем для получения многих подобных веществ являются нефть, каменный уголь и горючие сланцы.
В зависимости от исходного сырья их разделяют - на битумные и дёгтевые.
Битумы могут быть природными - при естественном процессе окислительной полимеризации нефти; -асфальтово-породными в виде пористых горных пород, пропитанных битумом; нефтяными, получаемыми при переработке нефти, или в виде гудронов - остатков после отгонки мазута.
Дёгти - продукты от нагрева древесного, каменноугольного, торфяного, сланцевого сырья без доступа воздуха. Но они быстро стареют, повышенной токсичности и их производство как строительных материалов ограничено. В состав каменноугольных дорожных дёгтей входят: дёгтевые масла - 60...80%, смолы - 15...25%, нафталин - 7%, антрацен - 10% и фенолы (ядовитые) - 5% .
Истинная и средняя плотности битумов и дёгтей близки. Из-за аморфного строения они без определённой температуры плавления, и поэтому постепенное размягчение из твердого в вязко-жидкое состояние требует наличие температурного интервала. Но помимо расплавления разжижают их и растворением в органических растворителях и даже эмульгированием в воде со специальными добавками - эмульгаторов.
Достоинством всех органических связующих является хорошее обволакивание, сцепление и связывание минеральных частиц в монолит, а благодаря их не смачиваемости водой - повышенную водонепроницаемость и долговечность - особенно необходимую при эксплуатации в виде гидроизоляционных покрытий.
Химический состав битумов сложен - в нем содержится около 200 различных органических веществ; и в целом они принадлежат к различным коллоидно-дисперсным системам.
Примерный состав основных включений битумов содержит: 40.60% - нефтяных масел, 20.40% - смол и придающих битуму твердость - 10.30% - асфальтенов, 1.2% - карбенов и кар-боидов.
Нефтяные масла светло - желтого цвета придают вязкость, термопластичность, и этим определяют технологические свойства бетонобитумных смесей - подвижность, текучесть, испаряемость и режим регулирования температуры размягчения.
Смолы - тягучие вещества с молекулярной массой 600.900, по консистенции - текучие, вязкие, твердых (чаще полутвердые), придвают эластичные свойства битумов, клейкость и растяжимость.
Асфальтены - твердые хрупкие вещества кристаллического строения с плотностью 1,1. 1,15 г/см3. В битумах определяют теплоустойчивость, вязкость и хрупкость. Это наиболее высокомолекулярная фракция с массой 1000.6000 придает битумам ещё и вяжущие свойства.
Карбены - более темного цвета, по составу, близкие к асфальтенам, но с повышенными содержанием углеводородов и показателем плотности увеличивают вязкость и хрупкость битумов.
Карбоиды - твердые вещества типа сажи, нерастворимы в органических растворителях.
Кристаллический парафин (0,6.8%) в битуме в виде примеси понижает растяжимость и повышает хрупкость при пониженных температурах.
Общий групповой состав битума при приготовления асфальтобетонной смеси в зависимости от нагрева или воздействия атмосферных факторов может изменяться, превращая масла в смолы, а смолы - в асфальтены.
Свойства битума как и коллоидной системы определяет соотношение его составных частей: масел, смол и асфальтенов. Увеличение асфальтенов ведёт к росту твердости, температуры размягчения и хрупкости битума и наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. С увеличение содержания смол повышается растяжимость битума и он становится более эластичным.
Получают нефтяные битумы нагреванием нефти в результате отделения жидких горючих компонентов - бензина, керосина, лигроина, мазута.
При температуре 300-4000С из нефти под вакуумом отделяют машинные, трансформаторные и др. масла.
После разделения нефти на горючие, смазочные вещества остаётся смолистый остаток с твердыми частицами - гудрон, который и является основным сырьём для получения полутвердого и твердого битума,
При отсутствии полной переработки он же используется для получения жидких битумов.
Рис. 1 Структурные составляющие битума
При переработке нефтяного сырья образуются битумы: окисленные, получаемые окислением гудрона кислородом воздуха;
остаточные - в виде остатка после отбора из нефти атмосферно-вакуумной перегонкой масляных фракций;
крекинг-битумы - продукты окисления продувкой воздухом остатков мазута после переработки его- при высоких температурах и при больших давлениях., битумы деасфальтизации - обработка гудронов пропаном
компаундированные битумы, получаемые смешением окисленных и остаточных битумов Битум по своему строению - коллоидная система с дисперсной фазой в виде асфальтенов и дисперсионной средой из смол и масел (Рис. 1.) Асфальтены - частицы размером 18-20 мкм представляют ядра, окруженные оболочкой с убывающей плотностью от тяжелых смол к маслам.
По существующей классификации А.С. Колбановской различают битумы I, II и III типов структуры и отождествляют с коллоидными системами: гель, золь, золь-гель.
Все высокодисперсные коллоидные системы разделяются на свободнодисперсные и связноди-сперсные. К свободнодисперсным системам(золям) относят бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и свободно перемещаются в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести.
В связнодисперсных системах (гелях) частицы межмолекулярными силами, образуют в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). Гели образуются как в результате коагуляции (осаждения) коллоидных систем и объединения их в одно целое - выпавшеий осадок (коагель), так и вследствие молекулярного сцепления частиц золя, образующих сравнительно рыхлые сетки или каркасы (лиогели).
Образование геля в системе определяет повышение концентрации дисперсной фазы.
Битумы I типа не устойчивы к действию окислительных факторов в процессе технологической переработки при производстве асфальтобетона.
Преимущества битума II типа: высокая когезия (сцепление) и деформационная устойчивость в упруго-вязком состоянии, повышенная устойчивость против воздействия окислительных факторов, приводящих к старению. Недостатки: отсутствие эластического и упруго-пластического состояний, низкая теплостойкость и плохая водостойкость. Ко II типу относятся битумы марок БН с регламентированными стандартом показателями свойств. Остаточные битумы принадлежат в основном к этому типу.
Структура битумов III типа считается оптимальной для дорожного строительства. Этот тип битумов не имеет явно выраженных недостатков I и II типа. Марки БНД битумов, соответствующие III структурному типу, рекомендуются к применению во всех дорожно-климатических зонах.
Для строительства дорог высшей категории во многих странах используют компаундированные вяжущие, полученные путем объединения различных нефтяных фракций, высокомолекулярных смол эластомеров, поверхностно-активных веществ, серы. Введение в битум II структурного типа реакционноспособного ПАВ может привести к преобразованию структуры в III тип.
Упрощенное строение всех трех структур битумов представлено на рис..2 где структуру возможно представить её состоящую из ядра, содержащего асфальтены, окруженного оболочкой из адсорбционно-сольватных слоев смол. Эти агрегатные частицы распределены в масляной среде.
Рис. 2. Схема строения битумов: 1 - сольватные оболочки из смол. 2 - асфальтеновое ядро. 3 - масло
Физико-технические свойства битумов К физическим свойствам - относятся плотность (0,8.1,3 г/см3), теплопроводность (0,5.0.6 Вт/ моС), водостойкость (при содержании водорастворимых соединений не выше 0,2-0,3% по массе) и др.
К химическим свойствам относится - стойкость битумов к воздействию агрессивных веществ -действию щелочей (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот и наоборот - разрушение в атмосфере с оксидами азота и при действии концентрированных растворов кислот.
Растворяется битум также в органических растворителях. Однако, благодаря химической стойкости, битумные материалы успешно применяются для защиты от коррозии железобетона, стали труб и др.
Физико-механические свойства. При высоких температурах битумы приближаются по свойствам к жидкости, а при низких температурах - к свойствам твердых тел и поэтому вязкость их важна - как реологическая характеристика, изменяющаяся в зависимости от общего состава и температуры и главным образом - от соотношения асфальтенов и масел. С повышением содержания асфальтенов вязкость повышается.
Вязкость характеризуется - глубиной проникновения иглы, определяемой пенетрометром (пе-нетрация) по ГОСТ 11501, и температурой размягчения битума - на приборе "кольцо и шар".
Глубины проникания иглы, равная 0,1 мм, зависят от температуры (25оС и при 0оС) битума, от давления на иглу (100 г при 25оС и 200 г с при 0оС) и времени ее погружения (5 с при 25оС и 60 с при 0оС).
Достаточно часто для оценки пенетрации использовать индекс ИП, рассчитываемый по формуле 2.1:
30
ИП = ——--10 (2.1)
1 + 50 • А У '
2 9 - 1е П
где: А — —--—— ; П25 - глубина проникания иглы (в 0,1 мм) при 25оС и
Т разм 25
Т - температура размягчения.
разм * ' * *
Температура размягчения устанавливается по ГОСТ 11506 на приборе «Кольцо и шар» на подвешенных образцах битума в латунных кольцах с помещёнными на их поверхность стальными шариками над отверстием, залитом битумом. Прибор заполняют водой или водой с глицерином (в зависимости от температуры размягчения) и нагревают до температуры размягчения, при которой шарики продавливают битум и опускаются на дно прибора.
По соотношению глубины погружения иглы и температуры размягчения устанавливают восприимчивость битумов к изменению температуры. Ценными считаются битумы, которые при конкретной температуре размягчения имеют высокий показатель глубины погружения иглы.
Температура хрупкости- или вязкость дорожно-строительных битумов при отрицательных температурах - точнее состояния понижения или потери ими вязко-пластичных свойств, определяемые на приборе Фрааса.
Устанавливается на тонком слое битума нанесенного на металлическую пластину. При снижающейся температуре пластину изгибают., Замеренная в момент появления излома в испытуемом слое битума температура, принимается за температуру хрупкости.
Растяжимость - это способность битумов под действием нагрузки растягиваться в нить определенной длины. Растяжимость (дуктильность) определяют по ГОСТ 11505 на дуктилометре путем растягивания с постоянной скоростью (5см/мин.) битумного образца в виде восьмерки. Длина нити (в см) в момент разрыва является показателем растяжимости. Чем больше вязкость битумов, тем меньше его растяжимость, т.е. чем меньше глубина проникания иглы, тем меньше его растяжимость.
Носителем эластичности битумов являются смолы, чем больше смол, тем больше растяжимость.
Коэффициент стандартных свойств. Расчет коэффициента стандартных свойств проводится для определения структурного типа битума по формуле 2.2:
. - Г
К разм хр
стд = Д 25 (2.2)
где: Тразм - температура размягчения, Тхр - температура хрупкости, Д25 - растяжимость (дуктиль-ность) при 25оС.
Если Кстд составляет > 1,15, то битум имеет структуру геля (I структурный тип), при Кстд < 0,65 -структуру золя (II структурный тип), при Кстд = 0,65.1,15 для битума характерен III структурный тип (золь-гель).
Старение битумов- совокупность всех химических и физических процессов, приводящих со временем к изменению их свойств.
Обычно на битумы действуют тепло, солнечный свет, кислород воздуха, озон, вода, бактерии, а на битумы в дорожных покрытиях - динамические нагрузки от автомобильного транспорта. Эти факторы в молекулах битумов приводят к разрыву химических связей и образованию свободных радикалов.
Устойчивость битумов к действию тепла и кислорода зависит от их строения, наличия легко-окисляющихся групп и связей в макромолекулах, количество которых устанавливается методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
В результате старения или уменьшения содержания смолистых веществ и масел возрастает содержание твердых хрупких составляющих (асфальтенов).
Оценка интенсивности старения битумов основана на изучении степени изменения свойств в результате нагрева. По ГОСТ 22245-90 изменение их свойств определяют после нагревания битума до 160оС в течение 5 часов. Изменение температуры размягчения после прогрева и служит показателем его устойчивости к старению. Битумы, обнаруживающие большие изменения этого показателя, оказываются более склонными к атмосферному старению.
Повышение сопротивления старению битумов обеспечивают добавками ингибиторов, способствующих подавлению окислительных процессов, например, продуктов алкилирования n-крезола изобутиленом. Замедлению старения битума способствует введение в состав асфальтобетона сажи или технического углерода. Добавки алифатических аминов стабилизируют асфальтены битума, предотвращая их агрегирование, что также замедляет старение.
- Марка битума. Марку битума характеризуют показатели твердости, температуры размягчения и растяжимости. Буквенные обозначения поясняют область применения битума. Например, БН - битум нефтяной, БНК - битум нефтяной кровельный, БНД - битум нефтяной дорожный и т.д.
Для вязких дорожных битумов цифры в обозначении марки по ГОСТ 22245-90 указывают на допустимые для марки пределы показателей глубины проникания иглы при 25оС. Вязкие нефтяные дорожные битумы выпускаются 5 марок: БНД 40/60; БНД 60/90; БНД 90/130; БНД 130/200, БНД 200/300.
Вязкие нефтяные дорожные битумы изготовляют окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов, а также компаундированием окисленных и не-окисленных продуктов или в виде остатка прямой перегонки нефти.
Изготовление вязких дорожных нефтяных битумов из крекинг остатков и битумов деасфаль-тизации без дополнительной переработки не допускается.
Свойства вязких нефтяных дорожных битумов должны соответствовать следующим показателям (табл. 1)
Таблица 1
Показатели свойств вязких нефтяных дорожных битумов
Наименование показа- Норма для битума марки Метод
БНД БНД БНД БНД БНД БН БН БН БН испыта-
теля 200/300 130/200 90/130 60/90 40/60 200/300 130/200 90/130 60/90 ния по ГОСТ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Глубина про-
никания
иглы, 0,1: при 25оС при 0оС 201-300 131-200 91-130 61-90 40-60 201-300 131-200 91-130 60-90 11501
45 35 28 20 13 24 18 15 10
Температура
размягчения
по кольцу и
шару, оС, не
ниже 35 40 43 47 51 33 38 41 45 11506
Растяжи-
мость см, не
менее: при 25оС 20 70 65 55 45 - 80 80 70
при 0оС - 6,0 4,0 3,5 - - - - - 11505
Температура
хрупкости,
оС, не выше -20 -18 -17 -15 -12 -14 -12 -10 -6 11507
Темпертура
вспышки, оС,
не ниже 220 220 230 230 230 220 230 240 240 4333
Изменение
температуры
размягчения после про- 7 6 5 5 5 8 7 6 6 18180
грева, 0оС, не
более
Индекс пенетрации От -1,0 до + 1,0 От -1,5 до + 1,0 111506
Применение вязких дорожных битумов БДН200/300 - для поверхностной обработки, для холодных а/б смесей. БНД 130/200 - для поверхностной обработки, горячих и холодными а/б смесей. БНД 90/130 - для горячих смесей в южных районах, для устройства покрытий на автомагистралях с тяжелым движением в районах с континентальным климатом. БНД 60/90, БНД 40/60 - для покрытий на автомагистралях в южных районах, литых а/б смесях
СГ- 40/70 - для обеспыливания и предварительной обработки дорожных покрытий, для обработки грунтовых смесей на полотне дорог.
СГ-70/130 - для обработки гравийных и щебеночных смесей холодным способом на полотне дороги.
Битумы нефтяные дорожные жидкие (разжиженные) (ГОСТ 11955-82) -приготовлены разжижением вязких битумов жидкими нефтяными продуктами установленного фракционного состава с добавлением ПАВ, разделяемые на марки по вязкости, определяемой вискозиметром и по комплексу показателей. Применяются для получения "холодных" асфальтобетонов, предназначенных для строительства всех типов усовершенствованных дорожных покрытий, оснований, и укрепления грунтов.
Жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания разделяются на: густеющие со средней скоростью (СГ); медленногустеющие (МГ); медленногустеющие из остаточных нефтепродуктов (МГО). В зависимости от условной вязкости, определяемой по вискозиметру временем в секундах, за которое 50 мл битума с температурой 60оС выливается через отверстие вискозиметра диаметром 5 мм, жидкие битумы подразделяются на следующие марки: СГ 40/70 СГ 70/130 СГ 130/200
МГ 40/70 МГ 70/130 МГ 130/200
МГО 40/70 МГО 70/130 МГО 130/200
Получение жидких (разжиженных) битумов осуществляют добавлением жидких нефтепродуктов (керосин, бензин, мазут и др.).
Жидкие (разжиженные) дорожные битумы должны удовлетворять показателям свойств по ГОСТ11955-82 (табл. 2.2).
К свойствам жидких битумов относятся: - вязкость и скорость загустевания, представляющие - количество испарившего разжижителя после выдерживания битума в термостате при 1=60 оС в течении 5 часов.
Потери составляют для битумов класса СГ - 10.7%, МГ - 8-5%
- Температура размягчения - остаток после испарения летучих веществ (разжижителя). Прилипание - способность каменных материалов, предварительно обработанных битумов, удерживать битумную пленку при ее вытеснении методом кипячения в вод
Таблица 2
Качественные показатели жидких дорожных битумов, _нормируемые ГОСТ 11955-82_
Показатель Но] рма для марки
СГ СГ СГ МГ МГ МГ МГО МГО МГО Метод
40/70 70/130 130/200 40/70 70/130 130/200 40/70 70/130 130/200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Условная вяз-
кость по вискозиметру, с 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 ГОСТ 11503
Количество
испарившегося разжи-жителя, % не 10 8 7 8 7 5 ГОСТ 11504
менее
Температура ГОСТ
размягчения 37 39 39 28 29 30 - - - 11506
остатка после
определния
количества ГОСТ
испаривше- 4333
гося разжи-
жителя, оС, не
ниже ГОСТ
Температура вспышки, оС, 45 50 60 100 110 120 120 160 180 11508
не ниже
Испытание на сцепление с мрамором или песком
Выдерживает в соответствии с контрольным образцом № 2
Разновидности битумных эмульсий.
Напомним, что эмульсии - или коллоидные высокодисперсные системы с дисперсной фазой, дисперсионной средой и с эмульгатором (поверхностно-активные вещества - ПАВ) (Рис.3) являются плохо смешивающимися или несмешивающимися жидкостями, поскольку эмульгатор образует защитные не слипающиеся оболочки вокруг частиц дисперсной фазы. Водные эмульсии в зависимости от их состава делятся на: анионоактивные, катионоактивные, прямые и обратные.
Анионоактивные приготавливают с эмульгатором из анионоактивных веществ, имеющих щелочные полярные группы с рН в пределах 9.. .13.
Катионоактивные - с применением эмульгатора катионоактивных веществ, имеющих кислотные полярные группы с рН в пределах 2.6.
Эмульсия прямая, в которой дисперсной фазой является органическая жидкость в виде мельчайших капелек, распределенная в дисперсионной среде - воде.
Эмульсия обратная, в которой вода диспергирована на мельчайшие капельки, а дисперсионной средой служит органическая жидкость «Вода в масле».
Битумные эмульсии - дисперсные системы из битума, воды и эмульгатора. Битум может быть как дисперсной фазой, так и дисперсионной средой. В первом случае он образует прямую эмульсию, во втором - обратную эмульсию.
Битумные дорожные эмульсии (ГОСТ 18659) относятся к эмульсиям прямого типа, в которых битум распределен в виде капель. Содержание битума определяется целевым назначением эмульсии и обычно составляет 30-70% по массе. Цвет битумных эмульсий - коричневый и в зависимости от степени дисперсности битума - от светлого (при невысоком содержании битума) до темного.
Важным показателем является устойчивость эмульсий при хранении. Катионные эмульсии необходимо хранить и применять при температуре не ниже 5оС. Замораживание эмульсии недопустимо, поскольку при последующем оттаивании она разрушается необратимо. Максимальная температура, при которой можно хранить и применять битумную эмульсию, не должна превышать 85оС.
Эмульсии достаточно устойчивы в объеме, но чувствительны при соприкосновении с поверхностью различных материалов. При нанесении на поверхность или при смешении с каменными материалами эмульсия распадается на составные части - битум и воду.
По скорости распада битумные эмульсии делятся на:
- быстрораспадающиеся (в течение нескольких минут)
- среднераспадающиеся (в течение нескольких часов)
- медленнораспадающиеся (в течение нескольких суток)
Необходимая скорость распада эмульсий определяет технологию применения.
Быстрораспадающиеся эмульсии используют для поверхностной обработки, грунтовки и устройства щебеночного покрытия методом пропитки.
Среднераспадающиеся эмульсии применяют для приготовления черного щебня то есть устройства поверхностной обработки, проведения ямочного ремонта и укладки слоев дорожной одежды по методу пропитки. Медленнораспадающиеся эмульсии используют для слоев дорожной одежды из минеральных наполнителей (щебня, гравия, песка), обработанных способом смешения на дороге, а также для плотных щебеночных, гравийных и песчано-гравийных смесей, приготовленных в установке, и для укрепления грунтов.
Рис. 3. Различные виды эмульсий
Прямые битумные эмульсии вид эмульгатора делит на 4 группы:
- анионные (ЭБА 1,2,3);
- катионные (ЭБК 1,2,3);
- неионные;
- пасты (эмульгаторы - минеральные порошки).
Неионные эмульсии применяются очень редко, когда потребуется исключительная стабильность эмульсий, например для холодных асфальтобетонных смесей, с большим содержанием мелкодисперсного заполнителя. Как правило, в дорожном строительстве используют анионоактивные и катионоактивные битумные эмульсии.
Катионоактивные эмульсии, широко применяемые в последнее время - с положительным зарядом капель битума (рис.4). К ним относятся аминные соединения типа моноамина КМН2 или диамина К-ЫН-К1-ЫН2, нерастворимые в воде. Растворяют их соляной кислотой, в результате чего образуются водорастворимые хлористые соединения типа хлорамина Я-ЫН3С1 с показатель рН от 1 до 6 за счет избытка соляной кислоты.
Катионоактивные битумные эмульсии (ЭБК) в свою очередь подразделяются ещё на три класса:
- быстрораспадающаяся эмульсия ЭБК-1;
- среднераспадающаяся эмульсия ЭБК-2;
- медленнораспадающася эмульсия ЭБК-3.
Эмульсии ЭБК - это уже суспензии из битума, воды, эмульгаторов, соляной кислоты и хлористого кальция, применяемого в качестве регулятора стабильности эмульгатора.
Анионоактивные битумные эмульсии (ЭБА) с отрицательным зарядом капель битума (рис.5) используются реже, поскольку менее стабильны и хуже осаждаются на поверхностях каменного материала.
В качестве анионных эмульгаторов используются: асидол-мылонафт, кубовые остатки нефтепереработки, контакт Петрова, госсиполовая смола (хлопковый гудрон), жировой гудрон, таловое масло и др. В состав анионных эмульгаторов входят жирные кислоты общей формулой ЯСООН.
Эмульгаторы в обычном виде - нерастворимые вещества и в раствор переводятся химическим взаимодействием с гидроксидом натрия. В результате образуются водорастворимые натриевые соли данных кислот с показателем рН эмульсий от 9 до 13 с содержанием избыточного количества ги-дроксида натрия.
Эмульсии, стабильные при хранении и транспортировке, при нанесении на минеральный заполнитель или на поверхность дорожного покрытия, необратимо разрушаются. Требуемая скорость скорость разрушения эмульсий регулируется видом и количеством эмульгатора и природой минерального заполнителя, температурой и другими климатическими условиями. Когда эмульсия наносится на поверхность минерального заполнителя, отрицательные электрозаряды поверхности минерала быстро поглощают определенное число ионов эмульгатора до уровня, при котором начинается разрушение эмульсии. Битум, высвобождаемый в процессе разрушения катионной эмульсии и имеющий на своей поверхности положительный заряд, хорошо прилипает к поверхности материала с отрицательными зарядами
Рис. 4. Катионоактивная битумная эмульсия
дисперсионная с
Рис. 5. Анионоактивная битумная эмульсия
На скорость разрушения и адгезию битумных эмульсий оказывает влияние минеральный состав заполнителя. Минеральные заполнители могут иметь щелочную и кислотную природу поверхности. Примером заполнителя с щелочным характером поверхности является известняк, а с кислотным - гранит и кварцит. Как видно из (табл. 3) эмульсии на заполнителях различной природы ведут себя по-разному.
Таблица 3
Поведение битумных эмульсий на заполнителях различной природы
Эмульсия Заполнитель Результаты
скорость разрушения адгезия
1 2 3 4
анионная кислотный медленная слабая
анионная щелочной средняя высокая
катионная кислотный быстрая очень высокая
катионная щелочной быстрая высокая
Стабильность битумных эмульсий зависит от температуры. С повышением её ускоряется испарение воды и объём дисперсионной среды (воды) в эмульсии уменьшается, повышая концентрацию битума. Битумные капли начинают соединяться друг с другом. Но все же в ходе этого процесса некоторая часть водной фазы может оказаться внутри битума, в результате чего образуется обратная эмульсия.
Помимо температуры, на скорость распада эмульсий влияют погодные факторы - относительная влажность и скорость ветра. С понижением влажности воздуха ускоренное испарение воды из эмульсии ведет к превращению ее в обратную. Разрушение эмульсий может быть ускорено и воздействием механических сил, например, вибрацией катков или сильными порывами ветра
Модификация свойств дорожных гудроновых вяжущих элементной серой
Невысокая реакционная способность окисленных битумов в которых ненасыщенные компоненты гудрона при окислении превращаются в окисные и перекисные образования, а также рабо-
ты по эффективности применения в качестве модификатора дешёвого термопласта - полиэтилена, привели к другому способу, основанному на гипотезе о возможности «прививки» молекул полимера к асфальтеновым ассоциатам гудронов[1 ].
Создание сетчатой привитой структуры позволяет обеспечить появление у материалов эластичности одновременно с повышением их структурно-механических (реологических) свойств.
Были проведены эксперименты[2 ] по изучению взаимодействия расплава элементной серы с гудроном в диапазоне температур 140-1500С в течение 20 мин. и 80 мин. После термообработки смесей в течении 96 часов определяли изменение вязкости смеси во времени. Основная задачей экспериментов было определение необратимого повышения вязкости модифицированного гудрона. Увеличение его средней молекулярной массы изучали при взаимодействии с серой с образованием мостиков химических связей: \ / НС-Б-СН / \
Было приготовлено 6 образцов серогудроновых вяжущих с различной концентрацией серы (3, 5, 8, 10, 16, 20% мас.).
После термообработки смесей от 24 до 72 часов получены данные по изменению вязкости во времени (табл.2.4).
Тенденция увеличения вязкости системы гудрон+сера во времени после нагревания и охлаждения смеси наиболее ярко проявилась при добавлении 16 г серы на 100 г гудрона: после 5 час. выдержки вязкость снижалась со 127,8 Пз до 99,5 Пз за счёт отвердевания микрокапель серы в среде гудрона, что в любой ранее гомогенной системе приводит к падению динамической вязкости.
Однако через 24 часа вязкость вновь возростла, а к 96 час. достигла значения 163,8 Пз, что выше вязкости гудрона. Наблюдаемое явление объясняется тем, что образовавшееся в процессе термообработки радикалы начинают изменяться, приводя к заметному повышению средней молекулярной массы смеси. И этот эффект превышает процесс снижения вязкости за счёт образования микрошариков свободной серы. Однако с дальнейшим увеличением серы на 100 г гудрона до 20 г преобладало понижение вязкости за счёт увеличения количества микрошариков свободной серы.
Таблица 2.4
Изменение значений динамических вязкостей при 60оС образцов серосодержащих гудроновых композиций во времени
Наименование образца Время выдерживания, ч Динамическая вязкость, Пз
24 114,7
1. Гудрон с 3% мас. серы 30 110,8
48
111,5
72 109,8
Продолжение таблицы
24 83,2
2. Гудрон с 5% мас. серы 30 81,4
48
90,0
72 88,9
24 84,9
30 80,1
3. Гудрон с 8% мас. серы 48
85,5
72 82,0
24 71,5
4. Гудрон с 10% мас. серы 30 68,1
48
75,2
72 76,7
24 127,8
5. Гудрон с 16% мас. серы 30 99,5
48
125,0
72 163,8
24 126,2
30 109,8
6. Гудрон с 20% мас. серы 48
95,7
72 101,6
С целью ускорения возможных реакций вулканизации гудрона серой была увеличена температура смешения смеси со 150оС до 170оС и затем до 190оС. Время перемешивания композиции оставляли без изменения.
Таблица 2.5
Изменение значений динамической вязкости образцов серосодержащих гудроновых композиций во времени (время смешения 60 минут, температура смешения 170оС
Наименование образца Время выдерживания, ч Динамическая вязкость при 60оС, Пз
24 119,2
30 129,3
48 114,4
1. Гудрон с 1% мас. серы 72 136,1
120 106,8
24 110,2
30 99,5
48 115,4
2. Гудрон с 3% мас. серы 72 114,7
120 100,8
Рис. 6. Зависимости изменения значений динамической вязкости при 60оС серосодержащих гудроновых композиций во времени (время смешения 60 минут, температура смешения 150оС)
Для приготовленных образцов проводили измерения изменения значений динамической вязкости от времени. Данные измерений приведены в табл. 2.5. и 2.6. Полученные результаты были обобщены в дальнейшем в виде кривых соответствующих зависимостей (рис. 2.7, 2.8 и 2.9).
Таблица 2.6
Значения динамических вязкостей образцов серосодержащих гудроновых композиций во времени (время смешения 60 минут, температура смешения 190оС)
Наименование образца Время выдерживания, ч Динамическая вязкость при 60оС, Пз
24 164,2
1. Гудрон с 1%мас. серы 30 48 153,8 165,3
72 203,4
120 160,0
24 173,8
2. Гудрон с 3%мас. серы 30 48 158,8 165,7
72 192,8
120 186,1
180 _^
60.1-д-
0 5 10 15 20
Концентрация серы, % мае.
Рис. 7. Зависимости изменения значений динамической вязкости при 60оС серосодержащих
гудроновых композиций во времени
90 -►
24 48 72 96 120
Время, ч
Рис. 8. Зависимости изменения значений динамической вязкости при 60оС серосодержащих гудроновых композиций во времени (время смешения 60 минут, температура смешения 170оС
210
Время, ч
Рис. 9 Зависимости изменений значений динамической вязкости при 60оС серосодержащих гудроновых композиций во времени (время смешения 60 минут, температура смешения 190оС)
В результате экспериментов по созданию серогудроновых вяжущих было установлено, что:
- процесс вулканизации в системе гудрон+сера происходит во времени;
- процесс вулканизации гудрона серой в выбранных условиях происходит в недостаточной степени для образования пространственной структуры, резко повышающей вязкость композиции, т.к. преобладает эффект снижения динамической вязкости за счёт появления в массе гудрона микрошариков серы;
- введение в систему гудрон+сера рентабельного полимерного модификатора, содержащего дополнительные ненасыщенные связи, может способствовать существенному повышению вязкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кортянович К.В. Улучшение свойств дорожных бетонов модифицирующими добавками. Авто-реф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук Уфа,2007.
2. Самсонов М. В. Модификация свойств дорожных вяжущих материалов полимерами. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М, 2015, РГУН и Г им. Губкина
3. Усов Б.А., Окольникова Г.Э. Конструкции из бетонов на термопластичном серном вяжущем. -Системные технологии. -2016. -19. -С.21-29
4. Усов Б.А., Окольникова Г.Э. Управление формированием структуры и долговечностью модифицированного бетона при положительных и отрицательных температурах. -Системные технологии, -2016. -18. -С.54-63
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Б.А. Усов, Т.Н. Горбунова. Свойства и модификация битумных вяжущих // Системные технологии. — 2017. — № 22. — С. 72—88
PROPERTIES AND MODIFICATION OF BITUMINOUS BINDERS B.A. Usov, T.N. Gorbunova
Abstract Key words
In the industry they are used for the preparation of asphalt concretes or асфальтобетон, строительтво, битум directly on the construction site - for gluing individual or shaping monolithic Date of receipt in edition: structures. 20 March 2017
Date of acceptance for printing: 23 March 2017
