Состав и свойства нефтяных дорожных битумов под действиемразличных добавок поверхностно- активных веществ

Журнал: «Строительство: новые технологии - новое оборудование», №6, 2017г.

Наиболее распространенным из органических вяжущих материалов является нефтяной битум. До настоящего времени о химическом строении и структуре битумов и о методах определения их состава занимались известные ученые: И.М. Руденская, А.В. Руденский, Д.А. Розенталь и другие. Особенности свойств органических вяжущих оказывают существенное влияние на характеристики дорожных покрытий и оснований, их эксплуатационную надежность и сроки службы.

Основными характеристиками качества органических вяжущих являются: адгезионные свойства, определяющие сцепление вяжущих с минеральными материалами: реологические свойства, обусловливающие технологические и эксплуатационные параметры декоративности и прочности; физико-химические свойства, определяющие устойчивость к воздействию погодно-климатических и эксплуатационных факторов в течение срока службы (устойчивость к тепловому и радиационному старению, водостойкость).

Особенностью битума как материала является то, что он представляет собой коллоидную систему. Дисперсионной средой коллоидной системы служат масла и смолы, а дисперсная фаза представлена асфальтенами, что впервые было доказано Нелленштейном и впоследствии подтверждено многими исследователями. Битум как материал, представляющий собой коллоидную систему, характеризуется, с одной стороны, по свойствам текучести (реологическими показателями), с другой стороны, как товарный продукт рядом эмпирических характеристик. Основными из этих характеристик, вошедших в стандарты большинства стран, являются: глубина проникания стандартной иглы в слой битума (пенетрация), температура размягчения, растяжимость (дуктильность), температура хрупкости, вязкость, растворимость, характер сцепления с поверхностью минеральных материалов и др. Указанные показатели определяются в строго регламентированных условиях, поэтому весьма приблизительно могут прогнозировать свойства битумов при эксплуатации, так как условия, в которых используются битумы, многообразны и достаточно жестки, особенно для дорожных битумов.

А.С. Колбановская рекомендует регулировать процесс структурообразования не только соотношением основных компонентов, но и изменением природы и характера основных структурообразующих элементов, которое достигается введением в смесь углеводородов полимерных или поверхностно-активных веществ. Основное количество производимых в нашей стране битумов получают путем окисления гудронов, в процессе которого протекают весьма сложные превращения компонентов битума. Эти превращения могут быть определены только на основании глубокого изучения химического изменения компонентов битума.

Сырьем для получения нефтяных битумов служит, главным образом, остаток прямой перегонки нефти – гудрон, а также (в значительно меньшей степени) как добавки к гудрону асфальт-пропановой деасфальтизации гудронов и экстракт селективной очистки масел. Нефтяные битумы представляют собой материалы, содержащие в своем составе множество соединений углерода с водородом (т.е. углеводородов) и их производных, включающих серу, кислород и азот. Углеводороды и их производные, входящие в состав битумов, весьма разнообразны по своему строению. В состав дорожных нефтяных битумов входит от 70 до 85 % углерода, содержание водорода не превышает 15 %. Содержание серы в природных битумах может достигать 10 %, а в нефтяных битумах – обычно не более 1.5 %. Содержание кислорода редко достигает 2 %. Азот содержится в долях процента. В битумах присутствуют весьма малые количества (следы) некоторых металлов – V, Ni, Со, Fe, U в виде сложных соединений, называемых порфириновами комплексами.

Для определения состава битумов наиболее часто используют метод, аналогичный анализу масляных фракций нефти, разработанный Всесоюзным научно-исследовательским институтом переработки нефти ВНИИНП и дополненный СоюздорНИИ.

Химический состав обусловливает особенности структуры битумов; изменением химического состава можно изменить и его структуру, а следовательно, и тесно связанные со структурой реологические свойства.

Для повышения качества органических вяжущих добавляют поверхностно-активные вещества. ПАВ применяют 2 типов – катионоактивные и анионоактивные. Оба класса – углеводородные соединения с длинной цепью, имеющие полярные группы. Расход ПАВ, улучшающих сцепление вяжущего с минеральными материалами, составляет в среднем: для катионоактивных – 0,5–2,0 % от массы битума, анионоактивных – 3–5 %, смол твердых топлив – 7–12 %.

В ходе выполненных исследований выявлено влияние добавки кубовых остатков производства «Новантокс 8ПФДА», образующихся в процессе производства ПАО «Химпром», на свойства битума, результаты представлены в таблице.

Таблица

Наименование показателей и единицы измерения Требования ГОСТ 22245-90 Величина показателя
Исх. БНД 60/90 Битум + добавка кубовых остатков производства «Новантокс ٨ПФДА», %
0,5 0,75 1,0 1,25
1. Глубина проникания иглы 0,1 мм
при 25 °С 61–90 73 71 73 74 76
при 0 °С Не менее 20 22 21 22 22 22
2. Температура размягчения по КиШ, °С Не ниже 47 48,5 47,8 47,4 47,2 46,9
3. Температура хрупкости, °С Не выше –15 –19 –21 –21 –21 –21
4. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С Не более 5 4 4 5 5 5
5. Индекс пенетрации от –1 до +1 –0,66 –0,93 –0,97 –0,99 –1,0

Выполнено экспериментальное изучение процессов старения битума с добавлением кубовых остатков производства «Новантокс 8ПФДА» при высоких температурах, где показано замедление процесса изменения пенетрации битумов БНД 60/90 и БНД 90/130, т.е. старение битума, при этом битум БНД 90/130 менее подвержен изменению пенетрации во времени.

При этом в ходе испытаний наблюдается некоторое изменение температуры размягчения по методу «кольцо и шар» в сторону уменьшения. Таким образом, возникает новая задача – разработать состав адгезионной добавки для всех типов асфальтобетонов на основе кубовых остатков производства «Новантокс 8ПФДА» с добавлением компонентов, позволяющих повысить показатель температуры размягчения. А также разработать методику определения состава вязких битумов для исследования влияния существующих и новых видов адгезионных добавок на состав и свойства используемых вязких дорожных битумов, а также асфальтобетонных покрытий с их применением.