CC BY
16
УДК 614.88;614.833
П. И. Грехов
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ НА УКРЫВИСТОСТЬ
БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА»
P. I. Grekhov
THE INFLUENCE OF MODIFING ADDITIVE ON THE EMULSIFIED BITUMEN COVERAGE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV»
Аннотация. В статье изложены материалы по исследованию влияния поверхностно-активных веществ на основе битумно-солевых масс на параметры укрывистости битумных эмульсий на поверхности минеральных материалов в дорожном строительстве. Эксперименты проводились с использованием метода красителей, также применялось математическое планирование с получением уравнения регрессии и проверке его адекватности на основе проведенных исследовательских работ.
Ключевые слова: битумная эмульсия; укрывистость; метод красителей.
Павел Иванович Грехов
Pavel Ivanovich Grekhov кандидат технических наук, доцент
grehov-pgs@yandex.ru
Введение. Строительство, развитие и ремонт дорожной сети в секторе агропромышленного комплекса (АПК) является одним из важных факторов продовольственной безопасности России. Строительство дорог с асфальтобетонным покрытием в секторе АПК относится к задачам непростого инженерного и организационного характера. Качественное дорожное покрытие невозможно без соблюдения всех технологических операций и применения соответствующих материалов, к которым относится и битумная эмульсия (БЭ). Высокое качество дорожного покрытия обеспечивается за счёт совместной работы отдельных конструкционных слоёв, что достигается за счёт применения БЭ с высокой укрывистостью. Это свойство (укрывистость) БЭ может быть обеспечено путём введения в её состав поверхностно-активных веществ (эмульгаторов). Тем более что это рекомендует СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги», пункт 10.2 «Для повышения качества асфальтобетонов следует применять методы физико-химической активации минеральных материалов поверхностно-активные
Abstract. The article presents the materials about the influence of surface active substances on the basis of bituminous -AND- salt mass on the parameters of emulsified bitumen coverage on the surface of the mineral materials in the road construction. The experiments were performed using the colouring agents method and the mathematical planning with getting equation of regression and checking its adequacy based on done research are also applied.
Key words: emulsified bitumen; coverage; colouring method.
вещества или эмульгаторы». Для полного раскрытия функционального потенциала БЭ необходимо применение высококачественных эмульгаторов. Большая часть эмульгаторов для дорожного строительства производится за рубежом. Заменить или снизить объем их в БЭ возможно, используя эмульгаторы на основе битумно-солевых масс (БСМ).
БСМ является отходом при двухстадийной технологии уничтожении химического оружия (ХО) фосфорорганической группы. Один из арсеналов и заводов по уничтожению ХО находится на территории Щучанского района Курганской области. Основными компонентами БСМ являются нефтяной битум и реакционная масса. При рассмотрении отдельных составляющих реакционной массы выявлено, что они состоят главным образом из полярных молекул, а значит, могут проявлять свойства поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1]. Последнее обстоятельство обеспечивает возможность применения БСМ в качестве эмульгатора для БЭ. Для оценки степени эффективности влияния ПАВ на основе БСМ на границе раздела фаз можно использовать явление укрыви-стости (сцепление). Этот показатель позволяет определить степень (площадь) покрытия БЭ поверхности минерального материала.
Методика. В зависимости от качества эмульгатора поверхность минерального материала может быть в большей или меньшей степени покрыта БЭ, и чем больше площади поверхности минерального материала будет покрыта БЭ, тем качественнее применяемый эмульгатор. Известные методы определения
Вестник Курганской ГСХА № 1, 2016 Теаш^ские науки 57
сцепления вяжущих и битумов с минеральными материалами по ГОСТ 11508-74 «Битумы нефтяные. Методы сцепления битума с мрамором и песком» (с изменениями № 1, 2), ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» (с изменениями № 1 по пункту 24.4) и ГОСТ Р 52128-2003 «Эмульсии битумные дорожные. Технические условия» позволяют произвести только сравнительную оценку, не позволяющую получить результаты в точном цифровом выражении, т. е. визуально определить площадь покрытия БЭ поверхности минерального материала, причем с критерием - около 75 % от общей площади поверхности.
Для определения площади покрытия суммарной поверхности минерального материала БЭ применяется метод красителей (метод Колбановской). Испытания проводили согласно пособию к СНиП 3.06.03-85 «Автомобильные дороги». Метод испытаний основан на свойстве избирательной адсорбции некоторых веществ на поверхности других. В качестве адсорбента применяли метиленовый голубой, который адсорбируется только на участках минерального материала, не покрытого БЭ. При этом концентрация раствора в кювете изменяется, что вызывает изменение оптической плотности раствора метиленового голубого. По предварительно построенной калибровочной кри-
Используя параметры отклика (укрывистости) по заданной конфигурации уравнения регрессии при обработке ППП «8ТЛТОКЛРШС8 5.0» окончательно получили следующий вид модели:
У= 82,2195Х1 + 72,6992Х2 + 61,9198Х3 + + 14,7742Х1 -Х2 + 38,7602Х1 -Х3 - 63,3016Х2 -Х3 + + 503,574^ -Х2 -Х3. (1)
После этого была проведена проверка адекватности уравнения (1) с использованием критериев Кох-рена и Фишера (подтверждение или опровержение
вой определяли концентрация красителя до погружения испытуемой битумно-минеральной массы в краситель и после погружения. Оптическую плотность раствора метиленового голубого определяли с помощью фотоэлектронного колориметра ФЭК-56.
Для статистической обработки полученных результатов использовали математическое моделирование с применением ППП «8ТЛТОКЛРН1С8 5.0». Применяли неполную кубическую модель «симплекс-плана» по матрице «состав-свойство». Это позволило определить коэффициенты уравнения регрессии и построить поверхность отклика по полученным результатам экспериментов [2]. В дальнейшем это позволяет отследить тенденцию изменения факторов, а также степень их влияния на исследуемые показатели.
Результаты. При построении матрицы были определены интервалы варьирования факторов. Варьировались три фактора: количество битума (Х1), воды (Х2), эмульгатора на основе БСМ (Х3). Для каждого из факторов были определены код частной выборки в генеральной совокупности, ко -личество компонента, в граммах и процентах, в каждом составе. Содержание остальных компонентов во всех экспериментальных составах (соляная кислота, эмульгатор) было постоянным. Матрица планирования с результатами экспериментов представлены в таблице.
нулевой гипотезы), которые показали достоверность определённых расчётом параметров [3; 4].
Значение и знаки перед коэффициентами регрессии в уравнении (1) показывают влияние и значимость фактора (или комбинации факторов) на отклик системы рассмотренной по принципу «чёрного ящика». Так, при рассмотрении влияния одиночных факторов наибольшее значение (82,2195) - у фактора Х1 (битум), что является логичным исходя из правил формирования дисперсных систем типа «масло в воде».
Таблица - Матрица планирования и результаты
№ состава Факторы Укрывистость У, %
Хп Х, (Битум) Х2 (Вода Х3 (БСМ
код код г % код г % код г %
1 1 1 600 60 0 400 40 0 0 0 90,145
2 1 0 500 50 1 500 50 0 0 0 65,2495
3 1 0 500 50 0 400 40 1 100 10 61,219
4 1 1/3 533 53,3 0 400 40 2/3 66 6,6 99,262
5 1 2/3 566 56,6 0 400 40 1/3 33 3,3 62,104
6 1 2/3 566 56,6 1/3 433 43,3 0 0 0 79,94
7 1 1/3 533 53,3 2/3 466 46,6 0 0 0 81,645
8 1 0 500 50 2/3 466 46,6 1/3 33 3,3 74,899
9 1 0 500 50 1/3 433 43,3 2/3 66 6,6 31,586
10 1 1/3 533 53,3 1/3 433 43,3 1/3 33 3,3 89,845
Влияние парного взаимодействия факторов при их различных сочетаниях показал их значительный разброс не только по значениям, но и по знакам. При первом сочетании (14,7742Х1 •Х2) можно отметить, что влияние незначительно ввиду недостаточной природной активности битума (даже со стандартным эмульгатором для БЭ) при взаимодействии с поверхностью минерального материала. Вторая комбинация (38,7602Х1 -Х3) в большей степени влияет на отклик системы, т. к. эта комбинация позволяет повысить концентрацию ПАВ и эмульгаторов на поверхности микрочастиц битума. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что силы поверхностного натяжения у ПАВ и эмульгаторов значительно меньше, чем у битума, а значит они (ПАВ и эмульгаторы) будут выталкиваться из внутреннего объёма битума на его поверхность. Этому способствует соотношение площади и объёма как геометрические функции квадрата и куба. Третье сочетание (-63,3016Х2 -Х3) показывает, что в принятых интервалах варьируемых факторов суммарные гидрофильные характеристики воды превышают
Согласно требованиям пункта 24.4 ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний» (с изменениями № 1), по укрывистости битумной эмульсией минерального материала составы № 2, 3, 5, 8, 9 (таблица) не соответствуют предъявляемым требованиям данного документа.
Выводы. В результате проведённых испытаний и обработки экспериментальных данных установлено:
- оптимальное процентное соотношение компонентов в варьируемой системе: 53,3: 43,3: 3,3 (битум : вода : БСМ);
- соотношение воды и БСМ в интервалах (5056,6) % и (0-10) % соответственно без дополнительного введения битума не обеспечивает достаточных гидрофобных свойств битумной эмульсии;
- составы, не соответствующие требованиям пункта 24.4 ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродром-
гидрофобные свойства модифицирующей добавки на основе БСМ по отношению к минеральным компонентам смеси. Максимальное значение влияния на отклик трёхфакторной системы обеспечивается только совместном их влиянием (503,574Х1 -Х2 -Х3) на покрытие БЭ поверхности минеральных материалов. Это обстоятельство подтверждается наличием области составов оптимизационного максимума при рассмотрении поверхностей отклика (рисунок 1, 2).
Битум = 1.0
5э Н— 1 'V
49
Вода = 1.0
БСМ = 1.0
Рисунок 1 - Расчетная поверхность отклика
Укрывистость, %
— 49.0 - 54.0
59.0 64.0
— 69.0 74.0
— 79.0 84.0 89.0 94.0
:м = 1.о
ного строительства. Методы испытаний» (с изменениями №1) по укрывистости битумной эмульсией минерального материала.
Список литературы
1 Паспорт опасного отхода. Битумно-солевая масса (при уничтожении зарина). ФБУ - войсковая часть 70655 (1207 объект по хранению и уничтожению химического оружия). - 2012 г.
2 Баталин В. С. Строительные материалы : исследования, изобретения. - Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 1992. - 144 с.
3 Лещук Г. П., Иванова З. А. Практикум по статистическим методам обработки экспериментальных данных. - Курган: Изд-во ООО «Комстат», 2007. - 174 с.
4 Гатаулин А. М. Система прикладных статистико-математических методов обработки экспериментальных данных в сельском хозяйстве. - М. : Изд-во МСХА, 1992. - Ч. 2. - 192 с.
Битум = 0.0
Рисунок 2 - Контуры поверхности отклика
