Методическое пособие 344

На правах рукописи

ЛОЗИКОВА ЮЛИЯ ГЕННАДЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭФФЕКТИВНЫХ БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, аэродромов, мостов, метрополитенов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2015

1

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет» (СКФУ), г. Ставрополь

Евсеев Евгений Юрьевич,

кандидат технических наук,

ООО «Дорсервис» (г. Воронеж), заместитель главного инженера

Защита диссертации состоится «30» апреля 2015 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, аудитория 3220, тел./факс:

+7(4732)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте:

http://edu.vgasu.vrn.ru.

Автореферат разослан «27» февраля 2015 г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Из анализа автомобильных дорог общего пользования

видно, что работоспособность сети дорог в Российской Федерации подошла к пределу исчерпания своих возможностей. Сложившаяся ситуация усугубляется непрерывным ростом нагрузки на дорожные покрытия, что обусловлено непрерывным увеличением в стране количества транспортных средств. Одним из наиболее целесообразных путей решения данной проблемы является использование новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, на основе эмульгированных битумов. При использовании битумов в эмульгированном состоянии устраняются недостатки, характерные для битумов в расплавленном или разбавленном состоянии.

Однако, несмотря на общеизвестные достоинства битумов в эмульгированном состоянии, их производство и использование в нашей стране составляет единицы процентов от общего объема производимых битумов. Такое положение стало возможным из-за отсутствия производства в России эмульгаторов, непостоянства химического состава отечественных битумов, прекращения выпуска оборудования для производства битумных эмульсий и др. Кроме того качество материалов на основе битумных эмульсий, регламентируемых требованиями СНиП 3. 06. 03 – 85, крайне низкое, что сдерживает использование этих материалов в дорожном строительстве.

Поэтому разработка физико-химических и технологических принципов получения эффективных органических композиций на основе эмульгированных битумов и технологии их применения в дорожной отрасли является своевременной и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка технологии производства эффективных битумоминеральных композиций для дорожных покрытий на основе эмульгированных битумов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

–разработать принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий;

–разработать катионный эмульгатор ЭмК – 1 на основе использования отходов производства Невинномысского шерстяного комбината;

–обосновать оценку влияния содержания катионного эмульгатора ЭмК – 1 на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и динамику его изменения;

–разработать технологию приготовления эффективных битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах, и их применения в дорожной отрасли;

–определить технико-экономическую эффективность предлагаемой технологии производства битумоминеральных композиций на основе экспериментального внедрения результатов исследований в дорожной отрасли.

Научная новизна:

– сформулированы принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий с заданными свойствами, где, в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы битумных эмульсий, определяется содержание эмульгатора – чем более узкое распределение частиц и чем меньше средний диаметр частиц, тем меньше расход эмульгатора в эмульсии и равномернее распределяются битумные

3

частицы на поверхности заполнителя;

–впервые предложена технология получения катионного эмульгатора ЭмК – 1 на основе отходов производства Невинномысского шерстяного комбината, отличающаяся определением эффективной температуры его перемешивания, исключающей бурное вспенивание, что позволяет сократить процесс синтеза во времени;

–разработана технология производства битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе совместного перемешивания их расплава с увлажненным заполнителем, отличающаяся введением катионного эмульгатора ЭмК – 1 до 1,5 %, улучшающего гидрофобизацию поверхности заполнителя;

–предложена технология повышения качества битумоминеральных композиций за счет введения в смеситель минерального порошка после эмульгирования битума в процессе перемешивания с крупным заполнителем;

–экспериментально подтверждено, что предварительная гидрофобизация или обработка битумом поверхности крупного заполнителя позволяют дополнительно повысить водостойкость битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах.

Научная значимость заключается:

–в разработке принципов управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий, позволяющей оптимизировать технологические режимы приготовления эффективных битумоминеральных композиций на битумных эмульсиях;

–в получении катионного эмульгатора ЭмК – 1, представляющего собой продукт конденсации многотоннажных отходов жирных кислот Невинномысского шерстяного комбината, с числом углеродных атомов С более 18 с аминами;

–в обосновании технологии приготовления эффективных битумоминеральных композиций при эмульгировании расплава битума с увлажненным заполнителем в процессе их совместного перемешивания, отличающаяся введением катионного эмульгатора ЭмК – 1 до 1,5 %.

Практическое значение.

Результаты проведенных диссертационных исследований апробированы в процессе опытно-промышленного внедрения в 2012 – 2014 г.г. на асфальтобетонном заводе ООО «Изобильненская ДПМК».

Результаты диссертации используются в учебном процессе Северо-Кавказского федерального университета в курсах дисциплин: «Дорожно- строительные материалы и конструкции», «Реконструкция автомобильных дорог» для направления подготовки 270800.62 Строительство (профиль «Автомобильные дороги»), а также: «Строительные материалы и изделия» для направления подготовки 270800.62 Строительство (профилей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство»).

На защиту выносятся:

– методика оценки влияния содержания катионного эмульгатора ЭмК – 1 на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и его динамику во времени, с использованием метода лазерного малоуглового светорассеяния гранулометрического состава дисперсной фазы битумных эмульсий;

4

–теоретическое обоснование и экспериментальная апробация технологии приготовления битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах по качеству, не уступающим горячим асфальтобетонным смесям;

–экспериментальное подтверждение значительного улучшения физико- механических свойств битумоминеральных композиций за счет возрастания дисперсности (уменьшением размеров) частиц дисперсной фазы битумных эмульсий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: I Международной научно- практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); Международной научно-практической конференции «Инновационное инженерное образование (модели, технологии, опыт и перспективы)» (Невинномысск, 2011); Межвузовской студенческой научной конференции «Актуальные проблемы современной науки – новому поколению» (Ставрополь, 2011); Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов» (Невинномысск, 2012); Всероссийской научно- практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь, 2012); III Всероссийской молодежной конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (Москва, 2012); XV и XVI Международной межвузовской научно- практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2012, 2013); I-й и II-й ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука – региону»; 3rd International

Scientific and Practical Conference (ISPC) «Science and Society» (London, 2013);

Региональной научно-практической конференции «Инновации молодых учёных Северного Кавказа – экономике России» (Ставрополь, 2014).

Материалы, полученные в работе, экспонировались на: ежегодной выставке- конкурсе «Инновации года» (Ставрополь, 13 – 14 декабря, 2012); Международной промышленной выставке «HANNOVER MESSE-2013» (Hannover, den 8 – 12, April, 2013); 17-ой специализированной выставке строительных материалов, оборудования, технологий и услуг «СТРОЙКА» (Ставрополь, 22 – 24 мая 2014); финальном туре по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Москва, МГСУ, 5 декабря 2012; 21 октября 2014).

Публикации. Соискатель имеет 29 научных работ, из них по теме диссертации опубликовано 22 научные работы общим объемом 125 страниц, и 1 монография объемом 171 страница, из них лично автору принадлежит 127 страниц. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Вестник Северо-Кавказского федерального университета».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] изучено влияние твердых эмульгаторов на свойства битумоминеральных композиций; в работе [2] установлены зависимости влияния природы минеральных порошков на скорость

5

распада битумных эмульсий; в работе [3] показана возможность эмульгирования битумов, полученных из нетрадиционного сырья; в работе [4] показана возможность повышения качества асфальтобетонов за счет применения разработанной технологии; в работе [5] показана возможность применения твердых эмульгаторов в материалах на основе эмульгированных битумов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 197 источников и 3 приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, включающего 39 таблиц, 66 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,

определена цель и поставлены задачи исследований, показаны научная новизна, научная и практическая значимость работы.

В первой главе автором проведен анализ современного представления о составах, структуре, технологии приготовления, свойствах битумных эмульсиях и материалах на их основе.

Основополагающий вклад в развитие науки и решение практических вопросов о битумных эмульсиях внесли работы ученых: Н. В. Горелышева, Б. Г. Печеного, В. П. Подольского, И. А. Плотниковой, М. И. Кучмы, Н. А. Горнаева, И. А. Рыбьева, А. В. Бернштейна, Э. А. Казарновской, А. В. Руденского, Г. Л. Денисовой, В. И. Бабаева, и др. В результате проведенного анализа установлено, что применение битумных эмульсий в дорожной отрасли имеет ряд преимуществ. Однако, еще недостаточно изучен ряд вопросов, касающихся теории и практического применения битумных эмульсий в битумоминеральных смесях без предварительного диспергирования вяжущего. Качество битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах уступает горячим асфальтобетонным смесям.

Во второй главе приведены физико-химические и технологические аспекты создания высококачественных битумных эмульсий и материалов на их основе.

Основными показателями битумных эмульсий, определяющими их качество, являются: вид эмульгатора, групповой состав и вязкость битумов и др. В современной теории получения эмульсий типа «масло в воде» появились новые требования для выбора эмульгаторов для этих систем: по величине липофильно- гидрофильного баланса (ЛГБ), который характеризует долю липофильного и гидрофильного компонентов в эмульгаторе. Этот принцип был положен в основу настоящей работы при выборе и синтезе эмульгаторов для битумных эмульсий.

На основе изучения физико-химических процессов, происходящих при эмульгировании битумов, механизма взаимодействия битумных эмульсий с минеральными материалами и теоретических аспектов эмульгирования битума в процессе перемешивания битумоминеральных смесей, была установлена возможность эмульгирования битумов мелкодисперсными частицами. В составе асфальтобетонных смесей содержится минеральный порошок (фракция размером мельче 0,071 мм. в количестве от 9 до 25% по массе).

О том, что минеральный порошок может служить стабилизатором битумной эмульсии и о возможности получения эмульсий бензол-вода с использованием в

6

качестве стабилизатора (эмульгатора) порошка карбоната кальция или угля, известно из работ А. Б. Таубмана, А. Ф. Корецкого, Н. А. Горнаева, В. Моргана, А. Скарлета и др. Стабилизация эмульсий одной жидкости в другой, различных по плотности (плотность бензола – 880 кг/м3, воды – 1000 кг/м3) происходит за счет применения частиц высокоплотного порошка карбоната кальция, плотность которого составляет порядка 2600 кг/м3 и за счет устойчивого положения частицы на поверхности раздела двух жидких фаз: битум (Б) – вода (В). При этом, действие сил тяжести в начале не учитывается. Кроме того, допускается, что твердая частица является сферической и что обе жидкие фазы Б и В, имеют одинаковую плотность, что является практически верным для дорожного битума и воды. Частица эмульгатора (Э) может находиться только в фазе Б или только в фазе В, либо располагаться на поверхности раздела этих фаз. В последнем случае полная свободная энергия системы определяется поверхностным натяжением σЭБ и σЭВ, а так же в некотором уменьшении поверхности раздела жидкость – жидкость. В условиях равновесия полная свободная поверхностная энергия системы частица – поверхность раздела фаз минимальна, т.е. при небольшом смещении частицы изменение свободной энергии этой системы равно нулю.

Анализ уравнения (4) позволяет сделать вывод, что на поверхности раздела между двумя жидкостями частица стремится занять такое положение, при котором θ становится равным равновесному краевому углу. Если θ больше 0, частица занимает на поверхности раздела устойчивое положение. Чтобы удалить ее с поверхности раздела требуется затратить работу и поэтому коалесценция битумных капель затруднена. Кроме того, исходя из величины краевого угла можно предсказать тип образуемой эмульсии. Большая часть объема частиц Э находится во внешней жидкости В, которая почти полностью смачивает их. По влиянию поверхностно – активных веществ на краевой угол можно предсказать также расположение частиц в

7

эмульсии. Изложенная схема явилась теоретической основой для эмульгирования битумов в процессе перемешивания битумоминеральных композиций.

Втретьей главе представлена характеристика применяемых материалов и изложена методика исследования.

Вкачестве эмульгаторов для приготовления битумных эмульсий использовались: анионные ПАВ – жирные кислоты Невинномысского шерстяного комбината с числом углеродных атомов С более 18, а также разработанный катионный эмульгатор ЭмК – 1, представляющий собой продукт поликонденсации

жирных кислот С18 с аминами. Технология синтеза катионного эмульгатора ЭмК – 1 сводилась к следующему. В реактор, при повышении температуры и постоянном перемешивании, загружали 30 – 50 % расчетного количества полиамина. При 100 °С

вреактор загружали расчетное количество жирной кислоты не допуская бурного вспенивания. Затем температуру в реакторе повышали до 140 – 160 °С и при этой температуре, при перемешивании проводили процесс синтеза в течении 1,2 – 2 часов. Затем температуру снижали до 100 – 110 °С и добавляли еще 30 – 40 % расчетного количества полиамина. Продукт перемешивали в течение 5 – 10 минут и выгружали. Полученный катионный эмульгатор ЭмК – 1 имеет кислотное число 70 –

75 мг КОН/г, число омыления 110 мг КОН/г, температуру каплепадения

60 °С.

Чрезвычайно важным как для теории, так и для практики производства и применения битумных эмульсий является изучение влияния гранулометрического состава частиц дисперсной фазы битумных эмульсий на их свойства. В зависимости от размеров частиц меняются условия стабилизации битумных эмульсий эмульгаторами. Чем меньше частицы дисперсной фазы и больше их поверхность, тем больше необходимо эмульгатора и большей стабильностью обладает эмульсия. Но если активность или количество эмульгатора малы, мелкодисперсные частицы могут собираться в более крупные образования с включением небольшого количества воды. Битумные эмульсии с большими размерами частичек имеют малую стабильность. Покрытие поверхности минерального заполнителя вяжущим и обеспечение адгезии будет тем лучше, чем мельче частицы дисперсной фазы эмульсии. Малые битумные частицы могут быть лучше фиксированы на поверхности заполнителя по сравнению с большими. Отсюда следует, что битумные эмульсии должны приготавливаться с определенным размером частиц и узким их распределением. Однако обстоятельное изучение дисперсности частиц в битумных эмульсиях до настоящего времени не проводилось в связи с отсутствием подходящей методики и приборов. Традиционные ситовой анализ, методы абсорбционной гравитационной седиметрии, световой микроскопии, при выполнении гранулометрического анализа частиц меньше 10 мкм, являются трудоемкими и продолжительными, со значительными погрешностями измерений. Лазерная дифракция, несмотря на свои особенности, обладает рядом важных преимуществ перед «классическими» методами измерения (ситовым и седиментационным), а также в отношении анализа по изображению: быстрые и точные результаты, отсутствие реюстировки, широкий диапазон измерения и большая гибкость. В связи с этим, в настоящее время он стал общепринятым во всем мире методом измерения размера частиц.

8

С помощью лазерного анализатора микрочастиц «ЛАСКА – Т» был определен средний линейный диаметр частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях битумов различного группового состава (таблица 1).

Результаты определения среднего диаметра частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях, приготовленных на модельных образцах битумов показали (таблица 1 и 2), что с увеличением содержания парафино-нафтеновых углеводородов в битумах средний диаметр частиц дисперсной фазы возрастает, при одновременном снижении стабильности битумных эмульсий.

Таблица 1 – Групповой химический состав и свойства битумов, полученных смешением компонентов

а – асфальтены, см – смолы, ар – ароматические, п+н – парафино-нафтеновые углеводороды, Пр – показатель растворимости; Д25 – растяжимость при 25 °С; Ти – температура перехода из истинного раствора в дисперсный; Тр – размягчения по КиШ; Тхрф – хрупкости по Фраасу; Тс – стеклования;

ε – диэлектрическая проницаемость при 25 °С

Таблица 2 – Средний линейный диаметр частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях в зависимости от группового состава битумов (составы смесей по таблице 1)*)

*) Содержание в битумной эмульсии анионного эмульгатора С18 2,5% при рН=12; катионного эмульгатора 1% при рН=1,7; Р – эмульсия распалась

9

Свозрастанием содержания асфальтенов и повышением полярности (диэлектрической проницаемости ε) при одинаковом содержании парафино- нафтеновых углеводородов в битумах средний диаметр частиц дисперсной фазы уменьшается при одновременном снижении его изменения во времени, что свидетельствует о высокой их стабильности. Несколько выпадают из этих закономерностей размеры частиц дисперсной фазы в битумах смесей №8, №10 – №12, что обусловлено, по нашему мнению, эмульгированием битумов этих составов при 150 °С, когда их структура, в отличие от остальных составов,

находилась в состоянии дисперсного раствора. Ти в этих смесях выше 150 °С (таблица 1).

Спомощью лазерного анализатора «ЛАСКА – Т» было изучено влияние содержания анионного эмульгатора при рН дисперсионной среды, равному 12, на изменение во времени гранулометрического состава дисперсной фазы битумных эмульсий, полученных из битума марки БНД 60/90 и анионного

эмульгатора из серии жирных кислот с числом углеродных атомов C18 и более. Содержание дисперсной фазы во всех исследуемых составах битумных эмульсий было равным 50%. Влияние концентрации анионного эмульгатора на гранулометрический состав битумных эмульсий ясно видно из графиков, представленных на рисунке 3 и в таблице 3, откуда следует, что в исходном состоянии полученные битумные эмульсии независимо от содержания эмульгатора имеют примерно равные гранулометрические составы.

дисперсной фазы анионных битумных эмульсий с содержанием эмульгатора СЖК С18: 2,5% ( ); 2,0% ( ); 1,5% ( ). а) - через 2 мин после приготовления; б) - то же через 20 мин

Было изучено также влияние содержания катионного эмульгатора ЭмК – 1 при рН дисперсионной среды, равному 1,7, на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и его изменение во времени. Содержание дисперсной фазы во всех составах катионных битумных эмульсий было равным 50 %.

Как следует из графиков рисунка 4а и таблицы 3, катионные битумные эмульсии в исходном состоянии имеют достаточно большое различие гранулометрического состава в зависимости от содержания эмульгатора и максимальное значение среднего диаметра частиц достигается при содержании эмульгатора, равном 1,0%. В течение 10 суток наблюдения катионные эмульсии с

10