К выбору технологии производства полимерно-битумных вяжущих как инновационных наносвязующих для устройства асфальтобетонных покрытий

Автор: Евдокимова Н.Г., Лунева Н.Н., Егорова Н.А., Махмутова А.Р., Байгузина Ю.А., Имангулова Э.А.

Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild

Рубрика: Технологии производства строительных материалов и изделий

Статья в выпуске: 5 т.10, 2018 года.

Бесплатный доступ

В последние годы нанотехнологии и наноматериалы стали использоваться в различных отраслях промышленности и, в том числе, в дорожном строительстве, а дорожное строительство вышло на новый уровень и является одним из приоритетных направлений государства. Увеличение доли автомо-бильных дорог, соответствующих современным нормативным требованиям, невозможно без применения новых технологий и материалов, к которым от-носятся битумные материалы, являющиеся типичными нефтяными наноди-сперсными системами, свойства которых определяются наноструктурными частицами дисперсной фазы и углеводородной дисперсионной средой. Для расширения номенклатуры современных и перспективных вяжущих материалов целью исследований стала разработка перспективной технологии производства полимер содержащих битумных материалов, полученных по разным технологиям: модифицирование полимерами битума дорожной марки, компаундирование глубоко окисленного битума модифицированным полимерами гудроном. В качестве объектов исследований использовали битум дорожной марки, глубоко окисленный битум, облегченный и утяжеленный гудрон. В качестве полимерного модификатора – дивинил-стирольный термоэластопласт марки ДСТ-30-01, который позволит достичь требуемых размеров частиц дисперсной фазы, создать дополнительную нанофазу из полимера и тем самым обеспечить требуемые эксплуатационные показатели. Анализ свойств полимерно-битумных вяжущих показал преимущество технологии, основанной на компаундировании глубоко окисленного битумас модифицированным полимером гудроном. Происходит рост значений максимального усилия при растяжении, когезионных и прочностных свойств, показателя адгезии при некотором снижении растяжимости. Разработана перспективная технология производства полимерно-битумных вяжущих как инновационных наносвязующих для устройства асфальтобетонных покрытий с улучшенными показателями качества, которая позволит расширить ассортимент востребованной в дорожном строительстве высококачественной продукции и рост технико-экономических показателей битумного производства.

Еще

Битум, нанодисперсные системы, полимерно-битумноевяжущее, пластификатор, модифицированный гудрон, полимерные добавки, компаундирование, нанотехнология, физико-химические свойства

Короткий адрес: https://sciup.org/142212239

IDR: 142212239 | DOI: 10.15828/2075-8545-2018-10-5-20-37

Текст научной статьи К выбору технологии производства полимерно-битумных вяжущих как инновационных наносвязующих для устройства асфальтобетонных покрытий

М ашиночитаемая информация о CC- лицензии в метаданных статьи (HTML- код ):

is licensed under a ...

последние годы нанотехнологии и наноматериалы стали чаще использоваться в различных отраслях промышленности и, в том числе, в дорожном строительстве. В настоящее время дорожное строительство вышло на новый уровень и является одним из приоритетных направлений государства. Необходимость увеличения доли автомобильных дорог федерального и регионального значения, соответствующих современным нормативным требованиям, невозможно без применения новых технологий и материалов, к которым относятся битумные материалы, являющиеся типичными нефтяными нанодисперсными системами, свойства которых определяются наноструктурными частицами дисперсной фазы и углеводородной дисперсионной средой.

Инновационными наносвязующими для устройства асфальтобетонных покрытий являются полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) [1, 2]. Необходимо отметить, что введение полимерного модификатора загущает дисперсную систему битум, повышая при этом его температуру размягчения, придавая повышенную эластичность, улучшая низкотемпературные характеристики [3, 4]. Асфальтобетон на основе ПБВ обладает повышенной термостойкостью, пониженным значением хрупкости, улучшенной деформативной способностью, в итоге увеличивается срок службы асфальтобетонных покрытий [5–7].

Технология производства ПБВ заключается во введении в битум полимерной добавки при перемешивании в температурном интервале 150–180оС. Необходимым условием получения БПВ является способность полимера растворяться или набухать в дисперсионной среде битума.

Для производства ПБВ в основном используются битумы дорожных марок БНД по ГОСТ 22245-90 или по ГОСТ 33133-2014, полученные различными технологиями. В качестве полимера-модификатора практикуют введение различных материалов: каучуков, термопластичных полимеров, блоксополимеров, серосодержащих соединений, резиновую крошку и т.д. Наиболее часто применяются термо-

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ эластопласты (ТЭП) – бутадиен-стирольный блоксополимер (СБС) [8]. Для обеспечения требуемого комплекса свойств в состав ПБВ вводится пластификатор (масло индустриальное И40, Азол 1101, Унипласт и др.), выбор которого определяется групповым химическим составом компонентов [9, 10]. Необходимо отметить, что разработано значительное количество составов ПБВ по различным технологиям [11–19]. Однако исследования в этой области остаются актуальными, поэтому для расширения номенклатуры современных и перспективных вяжущих материалов целью исследований стала разработка перспективной технологии производства полимерсодержащих битумных материалов.

В работе были исследованы свойства полимерсодержащих битумных материалов, полученных по разным технологиям:

• модифицирование полимерами битума дорожной марки;
• компаундирование глубокоокисленного битума модифицированным полимерами гудроном.

В качестве объектов исследований использовались вещества, свойства которых представлены в табл. 1. Выбор полимерного модификатора марки ДСТ-30-01 обоснован тем, что, варьируя содержанием и соотношением полимера и пластификатора, можно достичь любых требуемых размеров частиц дисперсной фазы, создать дополнительную нанофазу из полимера и тем самым обеспечить требуемые эксплуатационные показатели для ПБВ (табл. 2).

При выборе концентрации ДСТ-30-01 руководствовались работами [19–22], где установлено, что при малых количествах (до 4%) полимер способен раствориться в масляной части битума и создавать наноди-сперсную структуру битума. Поэтому содержание ДСТ-30-01 в битуме марки БНД 60/90 при реализации первой технологии составляло от 0,5 до 3,0% масс., процесс вели при температуре 160–180оС. Физикохимические свойства полученных полимерсодержащих модифицированных битумов представлены в табл. 3 и на рис. 1.

Анализ физико-химических свойств модифицированного битума показал, что только при содержании 2% масс. ДСТ-30-01 можно получить марку ПБВ 60. Кроме того, установлено, что с увеличением концентрации полимера в битуме происходит снижение значений растяжимости при 25оС с одновременным увеличением максимального усилия при растяжении, что связано с влиянием на этот показатель структурных особенностей полимера.

Таблица 1

Наименование	Показатели качества	Значения
Глубокоокислен-ный битум	Глубина проникания иглы при 25^оС, х 0,1 мм	26
Глубокоокислен-ный битум	Температура размягчения по кольцу и шару, ^оС	87
Гудрон 1	Температура размягчения, ^оС	24
	Вязкость условная при 80^оС, сек
	Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	4
Гудрон 2	Температура размягчения, ^оС	30
	Вязкость условная при 80^оС, сек	96
	Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	4
Битум марки БНД 60/90	Глубина проникания иглы х 0,1 мм:
	при 25^оС	77
	при 0^оС	26
	Температура размягчения по кольцу и шару, ^оС	47
	Растяжимость при 25^оС, см	46
	Изменение массы образца после старения, % масс.	0,78
	Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	2
	Показатель адгезии, % масс.	67
	Показатель адгезии, № образца	2

Таблица 2

Показатель	ПБВ 60	ПБВ 90
Температура размягчения, ^оС	не ниже 54	не ниже 51
Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	не более 5	не более 5
Растяжимость при 25^оС, см	не менее 25	не менее 30
Эластичность, %	не менее 80	не менее 85
Глубина проникания иглы при 0^оС, х 0,1, мм	не менее 32	не менее 40
Глубина проникания иглы при 25^оС, х 0,1, мм	не менее 60	не менее 90
Адгезия, № образца	№ 2	№ 2

Показатели качества объектов исследований

Требования к ПБВ по ГОСТ 52056-2003

Таблица 3

Физико-химические свойства битума марки БНД 60/90, модифицированного ДСТ-30-01

Показатель	Содержание ДСТ-30-01, % масс.
Показатель	0,5	1	1,5	2	3
Температура размягчения, ^оС	46	48	50	63	72
Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	7	6	8	–4	–9
Изменение массы образца после старения, % масс.	0,58	0,62	0,32	0,29	1,47
Глубина проникания иглы при 0^оС, х 0,1, мм	40	34	25	30	30
Глубина проникания иглы при 25^оС, х 0,1, мм	36	41	45	63	63
Адгезия, % масс.	96	96	96	90	90
Адгезия, № образца	1	1	1	2	2

Рис. 1. Изменение растяжимости модифицированных битумов при 25^оС от концентрации ДСТ-30-01

По второй технологии в качестве пластификатора для приготовления полимерного модификатора на основе ДСТ-30-01использовали два вида сырья: гудрон 1 с содержанием ДСТ-30-01 3, 5, 8% масс. и гудрон 2 с содержанием ДСТ-30-01 1,5 и 3,0% масс.

Гудроны как вещества, содержащие в своем составе ароматические соединения, позволили не только сократить время приготовления полимерного модификатора по сравнению с использованием индустриального масла И40 (например, табл. 4) и оптимально вписаться в существующую технологическую схему производства битумов.

Глубокоокисленный битум компаундировали с модифицированными гудронами до получения битумов с пететрацией при 25оС в диапазоне (70–130) х 0,1 мм. В результате были получены образцы как ПБВ, так и модифицированного дорожного битума, соответствующего ГОСТ 33133-2014, показатели качества которых представлены в табл. 5 и 6 и на рис. 2–4.

Таблица 4

Показатели качества гудрона 1, модифицированного ДСТ-30-01

Показатели качества	Содержание ДСТ- 30-01, % масс.
Показатели качества	3	5	8
Температура размягчения, ^оС	58,5	78,5	87,0
Глубина проникания иглы 25^оС, мм	189	207	118
Время перемешивания, ч	5	8	12
Время перемешивания в И40, ч	12	18	24

С увеличением содержания ДСТ-30-01 в гудроне 1 происходит рост значений максимального усилия при растяжении, который характеризует когезионные и прочностные свойства битума, при этом растет показатель адгезии, но несколько снижается растяжимость. При использовании в качестве пластификатора модифицированного ДСТ-30-01 гудрона 2 наблюдается обратная зависимость. Различие в свойствах объясняется групповым углеводородным составом гудронов. Более тяжелый гудрон 2 насыщен полициклоароматическими соединениями и смолами, которые позволяют увеличить прочность сцепления битума с минеральным материалом, а полимер в большей степени влияет на значения максимального усилия при растяжении, снижая его.

Анализ свойств битумов, полученных по двум технологиям, показывает преимущество технологии, основанной на компаундировании глубокоокисленного битума с модифицированным ДСТ-30-01 гудроном.

Таблица 5

Физико-химические свойства битума, полученного на основе глубокоокисленного битума и модифицированного

ДСТ-30-01 Гудрона 1

Показатели	Содержание ДСТ-30-01 в гудроне, % масс.
Показатели	3	5	8	3	5	8
Температура размягчения, ^оС	44	74	82	45	78	87
Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	1	4	–3	2	–3	–11
Изменение массы образца после старения, % масс.	0,062	0,065	0,167	0,033	0,257	0,043
Эластичность при 25^оС, %	64	90	95	94	94	97
Глубина проникания иглы при 0^оС, х 0,1, мм	28	33	32	45	44	42
Глубина проникания иглы при 25^оС, х 0,1, мм	81	93	88	128	107	118
Адгезия, № образца	2	2	1	2	2	1

Таблица 6

Физико-химические свойства битума, полученного на основе глубокоокисленного битума и модифицированного

ДСТ-30-01 Гудрона 2

Показатели	Содержание ДСТ-30-01 в гудроне, % масс.
Показатели	1,5	3	1,5	3
Температура размягчения, ^оС	45	54	49	58
Изменение температуры размягчения после старения, ^оС	4	0	2	0
Изменение массы образца после старения, % масс.	0,035	0,034	0,0086	0
Растяжимость при 25^оС, см	124	83	106	105
Эластичность при 25^оС, %	30	81	40	87
Глубина проникания иглы при 0^оС, х 0,1, мм	44	46	39	44
Глубина проникания иглы при 25^оС, х 0,1, мм	77	85	103	108
Адгезия, № образца	2	2	2	1

Рис. 2. Зависимости растяжимости при 25^оС и максимального усилия при растяжении полимерсодержащих битумов от содержания ДСТ-30-01 (пластификатор – Гудрон 1)

Рис. 3. Показатель адгезии полимерсодержащих битумов от максимального усилия при растяжении (пластификатор Гудрон 1)

Рис. 4. Показатель адгезии и максимальное усилие при растяжении полимерсодержащих битумов от содержания ДСТ-30-01 (пластификатор – Гудрон 2)

Таблица 5

Полимерный модификатор на основе	Гудрона 1		Гудрона 2
Показатель / Марка ПБВ	ПБВ 60	ПБВ 90	ПБВ 60	ПБВ 90
Содержание полимера в битуме, % масс.	3,8	3,2	2,8	3,0
Объем выработки ПБВ, т/год	35 000
Капитальные затраты, тыс. руб.	20 000
Себестоимость битума марок БНД, тыс. руб./т	7,62
Себестоимость ПБВ тыс. руб./т	14,22	13,05	12,81	13,02
Прибыль, млн руб.	114,10	124,60	112,00	113,75
Уровень рентабельности, %	25

Экономические показатели битумной установки при производстве ПБВ

Для расширения ассортимента продукции и повышения техникоэкономических показателей битумной установки можно рекомендовать выпуск ПБВ 60 и ПБВ 90 на основе модифицированного гудрона 1 с 5% масс. ДСТ-30-01 или гудрона 2 с 3% масс. ДСТ-30-01. Экономические показатели битумной установки при производстве ПБВ в объеме 35 тыс. т/г показаны в табл. 5

Высокая стоимость полимерной добавки ДСТ-30-01 (130–160 тыс. руб./т) объясняет рост себестоимости готовой продукции по сравнению с битумом дорожной марки (7140 руб./т). Однако использование модифицированного полимером гудрона в качестве пластифицирующей добавки позволит значительно снизить себестоимость ПБВ по сравнению с приготовленным ПБВ по стандартной технологии с использованием индустриального масла (20000–22000 руб./т) [10, 14, 23].

Таким образом, разработана перспективная технология производства полимерно-битумных вяжущих как инновационных наносвязующих для устройства асфальтобетонных покрытий с улучшенными показателями качества, которая позволит расширить ассортимент востребованной в дорожном строительстве высококачественной продукции и улучшить рост технико-экономических показателей битумного производства.

Статья научная