Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Битумные вяжущие. Учебное пособие
.pdf
2.4. Адгезионные добавки к битумам
Химическая модификация битумов адгезионными добавками
позволяет в значительной степени решить проблему сцепления битумов с минеральным материалом.
Хорошее сцепление битума с минеральным материалом, прежде всего, обеспечивается хорошим смачиванием и взаимодействием
активных компонентов битума и минерального материала. Это достигается за счет использования поверхностно–активных веществ, способствующих снижению поверхностного натяжения и усилению адсорбционных и хемосорбционных процессов на границе раздела фаз.
В дорожном строительстве могут применяться различные поверхностно–активные вещества: анионные, катионные, неионогенные.
Наиболее эффективными адгезионными добавками являются катионоактивные поверхностно–активные вещества на основе азотсодержащих химических соединений – имидазолинов, амидоаминов, аминов.
Большинство зарубежных и российских компаний выпускают адгезионные добавки на этой основе.
Различия в эксплуатационных свойствах обусловлены различиями в технологических условиях производства и применяемого сырья. Однако, дорожники – практики, оценивая адгезионные и другие
эксплуатационные характеристики адгезионных добавок, часто высказывают нарекания в связи с их неприятным запахом, который зависит
от применяемого сырья [61].
Таким образом, для повышения адгезии используются адгезионные добавки имидозолины (амидо–, бис–, алкил– аминоэтилимидозолин), полиамидное волокно, соединения, содержащие аминные
группы (углеводородный триамин, гексометилентетрамин, триэтаноламин, смола анилина). Наиболее эффективными из катионных поверхностно–активных веществ являются имидазолины [62].
Адгезионные добавки представляют собой молекулы катионного поверхностно–активного вещества. Молекулы концентрируются
на поверхности раздела «битум – каменный материал». Адгезионная
добавка действует как мост или клей между битумом и поверхностью
каменного материала, оказывая сопротивление вытесняющему действию воды [63-64] (рис. 2.3).
51
Рис. 2.3. – Адгезионные добавки и их действие
Однако широкое внедрение катионоактивных адгезионных добавок в практику дорожного строительства сдерживается ограниченными возможностями по их производству и дефицитностью сырьевых
ресурсов, соответственно их высокой ценой (стоимость даже отечественных адгезионных добавок находится на уровне 100÷160 тыс. руб.
за тонну).
В дорожной практике в качестве адгезионных добавок используют также зачастую малоэффективные отходы химической, лесохимической и пищевой отраслей промышленности, обладающие непостоянством состава и неконтролируемыми показателями качества.
В последние года в нашей стране наметился определенный
сдвиг в сфере адгезионных добавок дорожного назначения. Фирмой
52
«Амдор» организован выпуск адгезионных катионоактивных добавок
под одноименным торговым наименованием.
Некоторые из выпускаемых марок при обычной температуре
являются вязкими продуктами, имеющими мазеобразную консистенцию, или вовсе твердыми веществами и поэтому требуют предварительного расплавления перед введением в дорожный битум, то есть
без предварительной подготовки затруднена перекачка и дозирование
данных добавок в битумные котлы [61].
В отраслевом дорожном методическом документе от 2003 года
[65] говорится о том, что требование по обеспечению хорошего сцеп-
ления дорожных битумов с минеральным материалом может быть
выполнено за счет введения в битум катионных поверхностно–
активных веществ «Амдор–9», «БП–3М», «Дорос–АП».
Добавка «Амдор», представляющая собой смесь полиаминоамидов и полиаминоимидазолинов, катионные поверхностно–активные
вещества предыдущего поколения типа БП–3 и ПАБ–1, производились, как правило, из отходов химической промышленности.
Для приготовления добавки БП–3М применяются высокомолекулярные органические кислоты (природные либо синтетические
или их кубовые остатки) и фракция 160 ÷ 210°С полиэтиленполиаминов. Адгезионная добавка для дорожных битумов «Дорос–АП» – химическое соединение класса имидазолинов.
Добавки «Амдор–9», «БП–3М» и «Дорос–АП» характеризуются специфическим неприятным запахом, поэтому в случаях необходимости их использования в жаркую безветренную погоду работникам,
занятым на таком производстве, следует пользоваться специальными
средствами для защиты органов дыхания.
Данные адгезионные добавки рекомендовано вводить в битум
в количестве 0,5 ÷ 1,5 %. Превышение оптимального содержания поверхностно–активных веществ в битуме и асфальтобетоне может привести к отрицательному эффекту, что обусловлено способностью поверхностно–активного вещества, нескомпенсированного минеральным материалом, привлекать (солюбилезировать) воду. Это в свою
очередь может приводить к снижению водо– и морозостойкости асфальтобетона [65].
Перед введением в битум или на поверхность минеральных
материалов «Амдор–9» не рекомендуется разогревать выше 50°С,
«БП–3М» – не выше 80°С и «Дорос–АП» – выше 70°С. Добавку «БП–
53
3М», разогретую до 60 ÷ 80 °С, следует вводить во внутренний слой
битума, не допуская ее попадания на поверхность горячего битума.
Для этого используют специальное приспособление.
Ввиду низкой пожаробезопасности и малой термостабильности большинства адгезионных добавок температура битума в битумном котле должна быть ограничена.
Время реализации всего объема битума, приготовленного с
использованием адгезионных добавок, также ограничено. Оно не
должно превышать 16 часов для битума с добавкой «БП–3М» и 10÷12
часов для битума с добавкой «Дорос–АП» [65].
На рынке Росии существуют также адгезионные добавки импортного производства, например «Ветфикс» (Wetfix), «Клинг»
(Kling), «Перма–Так» (Perma–Tac)и «Диамин» (Diamine) [66].
Но импортные адгезионные добавки, также как и добавки российского производства, не лишены недостатков.
Поскольку адгезионные добавки характеризуются различной
чувствительностью к пребыванию в горячем битуме, то добавку предпочтительно вводить на поздней стадии процесса [67].
Адгезионные добавки постепенно теряют свою активность в
горячем битуме, который преимущественно используется в разнообразных дорожных технологиях. Эта потеря активности происходит в
результате реакции между щелочным амином и кислотными компонентами битума [68÷70]. Нельзя допускать перегрева продуктов, так
как это может повлиять на их эффективность.
Для хранения адгезионных добавок необходимо использовать
емкости из углеродистой стали с целью предотвращения коррозии,
так как многие адгезионные добавки являются крайне коррозионноактивными.
Многие из поверхностно–активных веществ проявляют высокую токсичность по отношению не только к организму человека, но и
к водным организмам, таким как рыбы, дафнии и водоросли.
54
2.5. Разработка битумных вяжущих материалов
требуемого качества
Дорожные битумы, выпускаемые в России в соответствии с
ГОСТ–22245, часто не удовлетворяют в полной мере предъявляемым
к ним требованиям.
Сырье для производства дорожных битумов, а также технологический процесс их получения, как в России, так и во всем мире, не
позволяют обеспечить четыре основных требований к битумным вяжущим:
– битумы недостаточно трещиностойки;
– не теплостойки;
– не эластичны;
– не обладают требуемой адгезией к поверхности минераль-
ных материалов кислых пород.
В мире проводились и проводятся многочисленные исследования, направленные на повышение качества битума до требуемого
уровня.
Наиболее интересные результаты получены при введении в
битумы добавок полимеров и поверхностно-активных веществ.
Л.М. Гохманом были сформулированы принципы выбора компонентов для получения битум-полимерных вяжущих, которые приведены на схеме 2.4.
Соблюдение этих принципов позволяет получить однородные
битум-полимерные вяжущие при минимальных затратах, свойства которых можно регулировать в широких пределах [47].
Для обеспечения максимально эффективной работы полимера
в объеме битума при минимальном его содержании, в качестве одного из компонентов битум-полимерного вяжущего иногда используют
пластификатор.
Так как битумы, на основе которых создаются битум-полимерные вяжущие, не обеспечивают требуемую адгезию к минеральным материалам кислых пород, в качестве четвертого компонента используют поверхностно–активные вещества двойного действия.
Полимеров сотни марок, поэтому все они объединены на
классы.
55
Совместимость
Кинетическая устойчивость – плотности компонентов не должны от-
личаться от плотности БПВ более чем на 10%
Максимально допустимый размер зародыша частицы дисперсной фа-
зы не должен превышать 100 нанометров
Эластичная структурная сетка в БПВ должна образовываться во всем
объеме при минимальном содержании полимера
Должна быть обеспечена возможность одновременного повышения
теплостойкости и трещиностойкости БПВ
Требуемые нормы по токсичности, пожаробезопасности и техноло-
гичности должны быть не ниже, чем для битумов.
Рис. 2.4. Принципы выбора компонентов битум-полимерного
вяжущего [47]
Анализ показал, что каучукоподобные полимеры образуют
пространственную эластичную структурную сетку в битуме при очень
высоких концентрациях не менее 8 % по массе.
Пластмассы не позволяют получить требуемую трещиностойкость битум-полимерного вяжущего и плохо растворяются в битуме.
Реактопласты – дороги и требуют специального отвердителя,
что может ухудшить технологические свойства асфальтобетонных
смесей.
Критерии выбора добавок для модификации битумных вяжущих приведены на схеме 2.5 [47].
56
Выбор
тадиена и стирола типа СБС, изопрена и стирола типа
1. Каучукоподобные – эластомеры (дивинил–стирольные кау-
чуки).
2. Пластмассы – термопласты (полиэтилен, полипропилен, по-
листирол).
3. Смолы – реактопласты (эпоксидные, фенолформальдегид-
ные).
4. Блоксополимеры – термоэластопласты (блоксополимеры бу-
СИС).
полимера
Выбор пластификатора
1. Т
вспышки
2. Содержание парафино-нафтеновых углеводородов –≥ 70%.
3. Должен хорошо растворять и битум и полимер.
1. Двойное действие – повышает адгезию как к кислым,
так и к основным минеральным материалам.
2. Не обладает резким неприятным запахом.
3. Эффективен при минимальном содержании.
4. Т
всп
Рис. 2.5. Критерии выбора полимера, пластификатора и поверх-
ностно активного вещества для битум-полимерного вяжущего [47]
- ≥ 190 °С.
Выбор поверхностно активного вещества
≥ 190 °С
+
+
57
ГЛАВА
ПРОИЗВОДСТВО НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ И
БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
3.1. Качество битумов в зависимости от химического со-
става и исходного сырья
Для долговечности битума (устойчивости его коллоидной
структуры) необходимо наличие ароматических масел и смол. Поэтому лучшим сырьем для получения окисленных битумов являются гудроны, содержащие ограниченное количество парафино-нафтеновых
углеводородов.
Зная зависимость химического состава и свойств битумов от
химического состава нефти, возможно путем рационального подбора
сырья и надлежащей технологии получать битумы с требуемым содержанием компонентов определенного состава и свойств, и, следовательно, с необходимым комплексом структурно–механических
свойств.
Наиболее благоприятным сырьем для производства дорожных
и строительных битумов служат тяжелые асфальто-смолистые нефти.
При этом, чем больше содержание асфальто-смолистых компонентов
в нефти, чем выше в ней отношение асфальтенов к смолам и меньше
содержание твердых парафинов; тем выше качество получаемых битумов и проще технология их производства.
Высокопарафинистые нефти являются наихудшим сырьем для
получения дорожных битумов.
Высокое содержание парафина в сырье затрудняет процесс
производства битумов и отрицательно сказывается на его важнейших
эксплуатационных свойствах – снижает прочность и сцепляемость к
поверхности минеральных материалов.
На основании исследования различных нефтей России и стран
СНГ разработана классификация нефтей по их пригодности для битумного производства. Эта классификация основано на определенном
количественном соотношении асфальтенов (А), силикагелевых смол
(С) и твердых парафинов (П), содержащихся в нефти. БашНИИ НП
предложено классифицировать нефти на три группы по их пригодности для производства битумов:
3
58
Группа
малопарафинистые, состав которых соответствует уравнению:
где: А – содержание асфальтенов; С – содержание смол; П – содержание парафинов.
Группа 2 – пригодные нефти – смолистые, парафиновые, состав которых соответствует уравнению:
где А + С > 6.
Группа 3 – непригодные нефти – малосмолистые и высокопарафинистые, состав которых соответствует уравнению:
В зарубежной практике широко распространено использование для оценки нефтей в плане пригодности для получения битумов
хорошего качества характеризующего фактора К, определяемого по
формуле:
К = Тв / q, (3.4)
где: Тв – температура выкипания 50 % в оРенкина (1оР = 5 / 9 оК);
q- плотность при 15,6 оС.
Низкое значение характеризующего фактора для фракции, 50 %
которой выкипает до 400 оС, указывает на получение битума хорошего качества; особенно высококачественных битумов можно ожидать
при значениях этого фактора ниже 11,4.
Качество битума характеризуется рядом условных показателей
в соответствии с ГОСТ 22245–90: глубина проникания иглы, температура размягчения, температура хрупкости, растяжимость, сцепляемость с минеральным наполнителем.
Температурой размягчения обычно задаются, проводя окисление битума; температура хрупкости, как и глубина проникания иглы,
1 – наиболее пригодные нефти – высокосмолистые и
А + С – 2,5 П > 8, (3.1)
А + С – 2,5 П = 0 ÷ 8, (3.2)
А + С – 2,5 П < 0, где А + С < 6. (3.3)
59
получается
в зависимости от природы исходного сырья и, отчасти,
условий окисления.
3.2. Получение нефтяных битумов
Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей, отличающихся друг от друга химическим
составом и свойствами [5].
Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина),
смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки
после отбора более легких по массе фракций – гудрон, крекинг – в
дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных
битумов заданных свойств. [73].
На современном этапе наибольшее распространение получили
следующие способы получения нефтяных битумов:
1. Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в
вакууме в присутствии водяного пара или инертного газа – неокисленные (остаточные) битумы. Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению;
2. Продувка кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации
гудрона, экстрактов селективной очистки масел, крекинг – остатков
или их смесей) – при высоких температурах – окисленные битумы;
3. Смешение различных марок нефтяных битумов – компаундированные битумы.
Неокисленные (остаточные) битумы получают вакуумной
перегонкой нефтяных остатков и тяжелых нефтей. Сырье для получения остаточных битумов должно обладать высокой концентрацией
смолисто–асфальтеновых веществ. При использовании в качестве сырья тяжелых нефтей, имеющих высокую коксуемость, битумы получают при неглубокой вакуумной перегонке. Также сырьем для получения остаточных битумов могут являться: асфальт деасфальтизации,
экстракт селективной очистки масел, крекинг – остатки. С целью избежания крекинга при перегонке в вакуумных колоннах непрерывного
действия температура предварительного нагрева мазутов в трубчатых
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]