К выбору технологии производства полимерно-битумных вяжущих как инновационных наносвязующих для устройства асфальтобетонных покрытий
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.
Похожие статьи в разделе Масла. Жиры. Воски. Клеящие вещества. Смолы. Камеди
Короткий адрес: https://sciup.org/142212239
IDS: 142212239 | УДК: 665.775 | 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 25оС, х 0,1 мм |
26 |
|
Температура размягчения по кольцу и шару, оС |
87 |
|
|
Гудрон 1 |
Температура размягчения, оС |
24 |
|
Вязкость условная при 80оС, сек |
||
|
Изменение температуры размягчения после старения, оС |
4 |
|
|
Гудрон 2 |
Температура размягчения, оС |
30 |
|
Вязкость условная при 80оС, сек |
96 |
|
|
Изменение температуры размягчения после старения, оС |
4 |
|
|
Битум марки БНД 60/90 |
Глубина проникания иглы х 0,1 мм: |
|
|
при 25оС |
77 |
|
|
при 0оС |
26 |
|
|
Температура размягчения по кольцу и шару, оС |
47 |
|
|
Растяжимость при 25оС, 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 25оС, см |
не менее 25 |
не менее 30 |
|
Эластичность, % |
не менее 80 |
не менее 85 |
|
Глубина проникания иглы при 0оС, х 0,1, мм |
не менее 32 |
не менее 40 |
|
Глубина проникания иглы при 25оС, 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. |
||||
|
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 0оС, х 0,1, мм |
40 |
34 |
25 |
30 |
30 |
|
Глубина проникания иглы при 25оС, 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 25оС 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. |
||
|
3 |
5 |
8 |
|
|
Температура размягчения, оС |
58,5 |
78,5 |
87,0 |
|
Глубина проникания иглы 25оС, 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. |
|||||
|
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 25оС, % |
64 |
90 |
95 |
94 |
94 |
97 |
|
Глубина проникания иглы при 0оС, х 0,1, мм |
28 |
33 |
32 |
45 |
44 |
42 |
|
Глубина проникания иглы при 25оС, 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. |
|||
|
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 25оС, см |
124 |
83 |
106 |
105 |
|
Эластичность при 25оС, % |
30 |
81 |
40 |
87 |
|
Глубина проникания иглы при 0оС, х 0,1, мм |
44 |
46 |
39 |
44 |
|
Глубина проникания иглы при 25оС, х 0,1, мм |
77 |
85 |
103 |
108 |
|
Адгезия, № образца |
2 |
2 |
2 |
1 |
Рис. 2. Зависимости растяжимости при 25оС 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.
