Материал: Разработка технологии производства эффективных битумоминеральных композиций для дорожных покрытий. Лозикова Ю.Г., Скориков С.В

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

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.

ФАЗА В

 

ФАЗА Б

 

F

h

σЭВ

Э

σЭБ

 

 

 

О

 

 

R

 

Согласно схемы, представленной на рисунке 1, следует, что H – глубина проникания частицы Э в фазу В, при этом площадь поверхности раздела частица – жидкость В равна 2πRH, а площадь поверхности раздела частица Э

– жидкость Б равна 4πR2-2πRH. Занятая частицей площадь В поверхности раздела битум – вода F составляет πL2, где

 

 

 

1

 

 

 

 

L = [R 2 − (R − H )2 ]

 

,

(1)

θ

2

Рисунок 1 – Условие равновесия системы:

 

или F = π (2πH − H 2 ),

(2)

(битум Б) – (эмульгатор Э) – (вода В)

 

В

условиях равновесия

увеличение

 

 

свободной энергии системы DG равно:

 

 

 

 

 

 

DG = 0 = σ ЭВ (2πRDH)+ σ ЭБ (− 2πRDH )− σ ВБ (2R − 2H)DH ,

(3)

После соответствующих преобразований:

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

σ ЭВ − σ ЭБ = 1 −

 

σ

ВБ = cosθσ ВБ ,

(4)

 

 

2

 

 

 

 

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

смеси

 

Групповой

 

 

Пенетрация,

 

 

Т, °С

 

Интервалы ∆Т, °С

 

 

химический состав,%

 

0,1 мм, при

 

 

 

 

 

Пр

Д25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

ф

 

Ти-

 

Тр-

ф

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тхр

 

№

а

см

ар

п+н

 

25°С

0°С

 

Ти

Тр

Тхр

Тс

Тс

Тр-Тс

Тхрф

Тс

 

 

1

9,9

40,0

42,6

7,6

10,6

142

30

30

73

41

-13

-27

100

68

54

14

 

2,48

2

9,9

39,9

35,2

15,0

6,4

190

32

93

80

38

-15

-34

114

72

53

26

 

2,42

3

10,0

38,8

25,4

24,8

5,0

234

55

80

92

38

-23

-39

131

77

61

16

 

2,38

4

10,2

39,9

14,9

35,0

4,4

186

55

90

108

40

-28

-45

153

85

68

17

 

2,33

5

16,7

33,3

42,2

7,8

7,6

83

14

90

96

44

-9

-26

122

70

53

17

 

2,67

6

16,7

31,3

55,0

15,2

4,4

107

20

88

120

45

-10

-34

154

79

55

24

 

2,64

7

16,8

33,0

25,2

25,0

3,0

105

29

90

137

43

-16

-38

175

91

59

22

 

2,56

8

16,7

33,1

15,4

34,8

2,4

68

33

90

173

49

-24

-44

219

93

73

20

 

2,51

9

24,6

25,2

42,2

8,0

6,6

47

13

98

143

52

-5

-25

168

77

57

20

 

2,80

10

24,7

25,3

34,7

15,3

3,4

46

17

40

156

54

-10

-34

190

88

64

24

 

2,72

11

24,9

25,1

24,9

25,1

2,0

38

16

46

168

59

-12

-37

205

96

71

25

 

2,66

12

25,0

25,0

15,1

34,9

1,4

31

21

4

198

70

-13

-44

242

114

83

31

 

2,58

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)*)

№

 

 

Средний диаметр частиц дисперсной фазы, мкм в эмульсиях

 

 

анионных в возрасте

 

 

катионных в возрасте

 

смеси

 

 

 

 

4 мин

20 мин

 

1 сут.

5 сут.

10 сут.

4 мин.

20 мин.

1 сут.

5 сут.

10 сут.

1

4,1

4,9

 

4,8

5,1

4,8

3,9

4,2

4,0

4,1

4,2

2

5,4

5,6

6,1

6,0

6,4

4,4

4,6

5,0

5,2

5,1

3

7,3

8,0

 

8,8

9,0

12,4

6,2

7,0

7,4

7,9

9,3

4

9,1

12,4

16,2

19,0

22,9

8,0

9,3

12,1

14,2

18,4

5

4,0

4,2

 

4,4

4,7

4,8

3,0

3,3

4,0

4,2

4,6

6

4,3

4,7

4,9

5,1

5,2

3,8

3,9

4,2

4,4

4,8

7

4,9

5,1

 

5,8

6,1

6,1

4,2

5,0

5,0

5,7

6,1

8

8,0

8,8

10,6

16,9

21,7

7,2

8,0

10,1

14,3

19,2

9

4,2

4,3

 

4,4

4,9

5,2

3,2

3,8

4,2

5,1

5,8

10

12,4

13,2

16,1

20,1

Р

8,8

10,1

16,1

18,0

Р

11

14,2

18,1

 

21,2

Р

-

10,2

14,4

Р

-

-

12

15,4

17,2

 

Р

-

-

14,0

18,2

Р

-

-

*) 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.

DQ

 

 

 

 

 

 

 

 

DQ

 

 

 

 

 

 

 

0,24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q,%

0,24

 

 

 

 

 

 

 

0,22

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

 

 

б

 

Q,%

 

DQ

 

 

 

 

 

0,22

 

 

 

 

)

0,20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,20

 

 

 

 

 

 

 

0,18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

0,18

 

 

 

 

 

 

 

0,16

 

 

 

 

 

 

 

DQ

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

0,16

 

 

 

 

 

0,14

 

 

 

 

 

 

 

80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,14

 

 

 

 

 

 

80

0,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

60

0,12

 

 

 

 

Q

 

 

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

0,10

 

 

 

 

 

0,08

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

0,08

 

 

 

 

 

 

40

0,06

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,06

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,04

 

 

 

 

 

 

 

20

0,04

 

 

 

 

 

 

20

0,02

 

 

 

 

 

 

 

0

0,02

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

10

20

30

40

50

60

70

 

 

 

 

 

 

 

D, MKM

 

 

 

 

 

 

D, MKM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Интегральное Q и дифференциальное dQ распределение размеров d частиц

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

Источник: https://studfile.net/preview/16563475/