Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методология и методы научных исследований. Практикум для студентов направления 08.04.01 «Строительство», программа подготовки «Теория и практика проек
.pdf
Для расчета ηт при tТ = 130 °С воспользуемся формулой (2.15), исходя из
)()(ln
ИT
иT
а
Т
и
TT
TRT
Е
206,10)298403(
29840331,8
97000
)(ln
Т
и
1,27065
Т
и
)(3,20
10707,2
1047,5
1,27065
4
5
сПа
и
Т
того, что при tи = 25 °С ηи=5,47·105 Па·с.
Величину энергии активизации вязкого течения берем из справочных
данных (таблица 2.5 ): для битума с П25 = 40(0,1мм), т.е. для БНД 40/60,
энергия активации вязкого течения Еа=97 кДж/моль, или 97000 Дж/моль (в
системе СИ).
Переведем температуру в градусы Кельвина
Ти = 273+25 = 298 К
Тт = 273+130 = 403 К
Находим из формулы (2.15) :
и подставляем значения Ea, Тт, Ти:
, откуда
Ответ: вязкость битума с пенетрацией, равной 40(0,1мм) при 25°С,
составляет 20,3 Па∙с при 130 °С.
Задача 2
Вариант 2.1: Для БНД 40/60 при tи = 60 °С и ηи = 1140 Па∙с необходимо
определить его вязкость при tт = 80°С.
Переводим температуры в абсолютную температурную шкалу:
Tи = 273,16 + 60 = 333,16 К ≈333 К
Тт =273 +80 =353 К.
31
Для определения вязкости БНД 40/60 при 80°С воспользуемся формулой
ИT
ИТа
Т
И
TTR
ТТЕ
ln
986,1
33335331,8
)333353(97000
ln
Т
И
)(4,156
29,7
1140
29,7
сПа
И
Т
1
c5,0
)(1260
5,0
630
cПаИ
(2.15), из которой найдем:
Значение Еа берем из справочных данных (таблица 2.5). Для БНД 40/60
Еа= 97000 Дж/моль.
Тогда
𝜂
𝜂
и
т
= 7,29
Ответ: вязкость данного дорожного битума при 80 °С равна 156,4 Па∙с.
Задача 3
Вариант 3.1: Определите температуру нагревания БНД 40/60 при
производстве асфальтобетонной смеси, если известно, что при
,
τ = 630 Па и t = 60 °С,
Для определения искомой технологической температуры Тт
используем формулу (2.15). Для этого необходимо определить вязкость
битума при заданной температуре t= 60°С (ηи) по формуле (2.2):
Чтобы приготовить асфальтобетонную смесь, вязкость битума не должна
превышать η
≤ 0,5 Па∙с [3, р. 9.4.2].
Т
32
Подставляем в формулу (2.15) ηТ, ηИ и Ти, рассчитанную по формуле
КT
T
428
33331,8
5,0
1260
ln97000
33397000
(2.14):
Ти = 273,16 + 60 =333,16
333 К,
По таблице 2.5 для БНД 40/60 находим энергию активации вязкого
течения Еа=97000 Дж/моль.
Тогда:
t
= 428 – 273 = 155 °С
т
Ответ: температура нагрева применяемого битума БНД 40/60 в процессе
перемешивания tт при производстве асфальтобетонной смеси должна
составлять 155 °С.
33
ТЕМА 3. МОДИФИКАЦИЯ И КОМПАУНДИРОВАНИЕ
БИТУМОВ
Практическая работа 3
Изучение возможности модификации битума полимерами
Особые свойства полимеров, широко применяемых в различных
областях производства, привлекли внимание исследователей
производителей и потребителей битума, что привело к разработке
особой разновидности битумных вяжущих, которые классифицируются
как битумы, модифицированные полимерами (БМП).
Использование БМП, в промышленно развитых странах набирает
все более широкие масштабы [2]. Около 10% всех применяемых в
дорожном строительстве битумов модифицируются полимерами
различных классов. Наиболее широко для этой цели используются
термоэластопласты (около 80% всех БМП). Примером широко
используемого ТЭП модификатора типа является стирол-бутадиенстирольный сополимер (СБС).
Следующий класс полимеров, применяемых для модификации
битумов,− термопласты. К ним относятся: полиэтилен, полипропилен,
полиизобутилен, поливинилацетат, этиленвинилацетат,
поливинилхлорид и др.
В качестве модификатора битума в США широкое
распространение получили реакционноспособные тройные сополимеры
(терполимеры, особенностью которых является способность при
повышенных температурах к химическому взаимодействию с
компонентами битума, что приводит к его существенному упрочнению).
Представителем таких полимеров в Российской Федерации является
этилен-глицидил-акрилат (фирменное название «Элвалой АМ»,
производства фирмы Du Pont, США) [2,10].
34
Совместимость битума и полимера-модификатора, является
определяющим фактором [11] (не все полимеры совместимы с
определенным типом битума и наоборот). С точки зрения
термодинамики совместимость битума и полимера определяется как
ситуация, в которой битум и полимер находятся в одном фазовом
состоянии (растворимость). Растворимость полимерных материалов в
битуме зависит от многих параметров, из которых наиболее важными
являются:
− различие в параметрах растворимости полимера и мальтеновой
фазы битума;
− количество и типы асфальтенов, содержащихся в битуме. Это
согласуется с тем фактом, что мальтеновая фаза является растворителем
для полимера, а асфальтены, стремясь остаться растворенными,
конкурируют с полимером.
Для прогнозирования термодинамической совместимости
(взаимной растворимости) компонентов компаундов и
модифицированных дорожных вяжущих веществ можно
использовать параметр растворимости (δс), введенный
Гильдебрандтом [12].
Этот параметр характеризует способность веществ к взаимному
растворению. Взаимно растворимые вещества имеют близкие значения
параметра растворимости.
Параметр растворимости мальтеновой фазы любого битума
изменяется в определенном диапазоне; чтобы полимер взаимодействовал
с битумом, параметр растворимости полимера должен находиться
внутри этого диапазона. В случае сополимеров, особенно состоящих из
структурных блоков различной химической природы, эта задача
усложняется. Например, для термоэластопласта СБС параметры
35
растворимости его бутадиеновой и стирольной составляющих различны.
i
i
i
i
с
V
F
Лучшими растворителями для полибутадиеновых блоков
[с16,7(Дж/м3)
16,9 (Дж/м3)
[с19,0 (Дж/м3)
0,5
] являются циклогексан и метилизобутилен [с16,4 и
0,5
, соответственно], а для полистирольных блоков
0,5
] – бензол и ксилол [с18,2 и 18,4 (Дж/м3)
0,5
соответственно]. Поскольку избирательное растворение отдельных
компонентов СБС в случае битума, вероятно, не происходит, то можно
предположить, что уровень растворения СБС и изменения его свойств
будет во многом определяться соотношением насыщенных
(парафиновых и парафинонафтеновых) и ароматических углеводородов
в битуме.
Параметр растворимости (δс) можно оценить по структурной формуле
вещества и его плотности:
,
, (3.1)
где Fi – константа молекулярного притяжения для і – атомной
группировки, а Vi – её мольный объём.
Конечная цель исследования по данной проблеме: оценить
возможность модифицирования дорожных битумов некоторыми
полимерами.
Конкретные задачи данной работы:
– рассчитать параметры растворимости полимеров ;
– установить значения параметров растворимости нефтяного битума на
основании литературных данных;
– оценить термодинамическую совместимость битумов с изученными
полимерами.
36
Объекты и методы исследования.
Объект исследования:
Нефтяные дорожные битумы БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130,
которые отвечают требованиям ГОСТ 22245-90 Битумы нефтяные
дорожные вязкие. Технические условия.
В качестве полимеров-модификаторов выбраны:
− полиизобутилен;
‒ поливинилхлорид;
‒ сополимером этилена с винилацетатом (ЭВА) с содержанием
винилацетата 15 и 30 масс. %;
‒ этилен-пропиленовые каучук (СКЭП) с содержанием пропилена
45масс.%;
‒ «стирол-бутадиен-стирольный» блоксополимер с содержанием
стирольных блоков 30 и 50 % по массе.
Методика расчета: [10, 11].
Результаты расчетов
1. Параметры растворимости (δс) рассчитайте по структурным
формулам перечисленных полимеров–модификаторов, применяя метод
групповых вкладов (3.1).
Константы молекулярного притяжения Fi и мольные объемы
атомных групп приведены в справочных данных − взяты из таблиц,
приведенных в [12]. Расчет проводят в системе СИ. Результаты вносят в
соответствующие таблицы.
37
Структурная формула
повторяющегося
звена, её элементы
Эмпирическая
формула
Константа
молекулярного
притяжения F∙103,
(Дж ∙ м3)
0,5
моль
Мольные
объемы
V∙106,
м3/моль
С4Н8
‒
−СН2‒
‒
‒
‒ СН
3
‒
‒
‒ С ‒
‒
Итого
ΣF
i
ΣV
i
ПОЛИИЗОБУТИЛЕН
Таблица 3.1 – Определение групповых вкладов констант молекулярного
притяжения и мольных объёмов (V) полиизобутилена
38
БУТАДИЕНСТИРОЛЬНЫЙ КАУЧУК СБС
Структурная формула
повторяющегося
звена, её элементы
Эмпириче-
ская
формула
Константа молекулярно-
го притяжения F∙103,
(Дж ∙ м3)
0,5
моль
Мольные объемы
V∙106,
м3/моль
1
*) 2*) 1*) 2*)
Дивинильный блок
[‒СН2‒СН=СН‒СН2‒]
−СН2‒
‒ СН=СН‒
С4Н6
Стирольный блок
[‒СН2‒СН(С6Н5)‒]
‒СН(С6Н5)‒
−СН2‒
Ароматические
двойные связи в
кольце
С8Н
8
Итого
ΣFi ΣF
i
ΣV
i
ΣV
i
Таблица 3.2 ‒ Определение групповых вкладов констант молекулярного
притяжения и мольных объёмов термоэластомера СБС
1*) и 2
соответственно
*)
Расчеты для «стирол-бутадиен-стирольного» блоксополимера с
содержанием стирольных блоков 30% по массе следует вести, исходя из
этого состава: на одно стирольное звено приходится 4,49 дивинильных
звеньев. Для блоксополимера с содержанием стирольных блоков 50% по
массе это соотношение составляет 1: 1,92.
относятся к полимерам, содержащим 30 и 50 масс % стирольных блоков,
39
СОПОЛИМЕР ЭТИЛЕНА С ВИНИЛАЦЕТАТОМ (ЭВА)
Структурная формула
повторяющегося
звена, её элементы
Эмпириче-
ская
формула
Константа молекулярно-го
притяжения F∙103,
(Дж ∙ м3)
0,5
моль
Мольные объемы
V∙106,
м3/моль
1
*) 2*) 1*) 2*)
Этиленовые
звенья
−СН2‒ СН2‒
С2Н
4
Винилацетатный
блок
‒ СН
3
‒ СН ‒
│
−СН2‒
‒ СОО − (сложный
эфир общего типа)
С5Н6О
2
Итого
ΣFi ΣFi ΣV
i
ΣV
i
Таблица 3.3 ‒ Определение групповых вкладов констант молекулярного
притяжения и мольных объёмов сополимером этилена с винилацетатом
(ЭВА)
1*) и 2
соответственно
*)
ЭВА с содержанием винилацетата 15 и 30 масс.% имеют
соотношение винилацетатных и этиленовых звеньев 1:30,5 и 1:12,5,
соответственно , что необходимо учитывать при расчете
соответствующих групповых вкладов
относятся к полимерам, содержащим 15 и 30 масс % винилацетата,
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]