Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень развития автомобильного транспорта связан с непрерывным увеличением доли грузоперевозок, интенсивностью движения грузовых транспортных средств, приводящие к росту динамических нагрузок на дорожное покрытие. Эти и другие объективные факторы требуют дальнейшего повышения качества дорожного битума через поиск новых технико-технологических решений для достижения высоких физико-механических характеристик асфальтобетонных покрытий и, тем самым, обеспечения их долговечности.
Необходимыми условиями повышения качества битума как вяжущего материала являются высокая адгезия к поверхности минерального материала, расширение интервала пластичности, обеспечивающего высокую степень трещиностойкости покрытия в условиях пониженных температур, устойчивость к образованию пластических деформаций, стабильность свойств при воздействии высоких температур.
Битумы по своей природе не обладают в должной степени адгезионно-прочностными свойствами, т.к. преимущественно склеивают только минеральные частицы основной породы и, кроме того, становятся хрупкими в зимний период. Такое явление наблюдается практически на всей территории Российской Федерации.
Одним из перспективных путей улучшения адгезионных свойств битума является применение специальных присадок и модификаторов, способных обеспечить материалу высокую сцепляемость с минеральным наполнителем и ингибировать процессы старения в асфальтовом покрытии.
По этим причинам проблема создания импортозамещающей технологии производства эффективной адгезионной присадки, оказывающей существенное влияние на сцепляемость битума с поверхностью минеральных материалов и, как следствие, улучшения долговечности асфальтобетона является актуальной задачей.
Цель и основные задачи исследования. Основная цель работы заключалась в разработке технологии получения катионоактивной адгезионной присадки для дорожных битумов и асфальтобетонных смесей на их основе.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- на основе анализа состава, структуры и свойств нефтехимического сырья, провести
выбор компонентов для синтеза катионоактивной адгезионной присадки;
- изучить закономерности влияния разработанной присадки на физико-химические
характеристики, групповой химический состав, дисперсное строение, реологические
свойства исходных и модифицированных битумов, с учетом данных, полученных методами
ИК- и ЭПР-спектроскопии;
- провести исследования влияния разработанной присадки на адгезионно-когезионные
свойства битумов, на степень их старения и оценка физико-механических характеристик
асфальтобетонных смесей;
- разработать и согласовать с ведущими дорожными организациями технические
условия на адгезионную присадку с регистрацией в базе данных «Продукция России» и
выпустить опытную партию реагента;
- осуществить выпуск опытно-промышленной партии модифицированного битума и
на его основе провести укладку опытного участка дорожного полотна с последующим
проведением авторского надзора за состоянием покрытия.
Научная новизна.
Впервые получены исходя из специфических особенностей свойств неклассических
катионных поверхностно-активных веществ 1-(21-алкилимидазолинил-11)-2-[(22-
алкилимидазолинил-12)поли(этилен-N-алканоиламидо)]этаны, способные обеспечить
дорожным битумам повышенную адгезию к минеральным материалам и отличающиеся высокой термической стабильностью.
Установлены закономерности изменения группового химического состава и структурных особенностей модифицированных битумов с использованием адгезионной присадки.
Выявлены значения эффективного диаметра частиц при оптимальном содержании присадки 0,8 % масс., при котором битумная система достигает наиболее активного состояния.
Показано, что уменьшение краевого угла смачивания, поверхностного натяжения битумов, и, как следствие, повышение работы адгезии находится в экстремальной зависимости от содержания адгезионной присадки в битуме.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Разработана катионоактивная адгезионная присадка, отличающаяся высокой термической стабильностью и повышенной адгезией к минеральному материалу асфальтобетонной смеси.
Разработана технология получения модифицированного битумного вяжущего с участием адгезионной присадки.
Разработаны и согласованы с потенциальными заказчиками технические условия на присадку «Адгезолин» (ТУ 0257-007-02066730-2013) с регистрацией в БД «Продукция России».
На производственной базе ОАО ХК «Татнефтепродукт» в соответствии с техническими условиями выпущена опытная партия присадки «Адгезолин» в количестве 400 килограмм.
На основе битума марки БНД 60/90 производства ОАО «ТАИФ-НК» в 2012 году на
промышленной базе ЗАО «Трест Камдорстрой» выпущена опытная партия
модифицированного битума с участием присадки «Адгезолин» в количестве 40 тонн, произведена укладка опытного участка дорожного полотна общей площадью 7900 кв.м. на объекте - мостовой переход через р. Мелекеска в г. Набережные Челны, осуществлен авторский надзор за состоянием опытного участка дороги. Целесообразность производства модифицированного битума и асфальтобетона на основе присадки «Адгезолин» обоснована технико-экономическими расчетами.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, выборе объектов и методов исследования, непосредственном участии в проведении экспериментов, обобщении и обсуждении полученных результатов, формулировке основных научных положений и выводов, в опубликовании полученных результатов и апробации материалов диссертационной работы.
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны полиэтиленполиамины, олеиновая кислота, толуол (для синтеза присадки), окисленные битумы производства ОАО «ТАИФ-НК», ОАО «Сызранский НПЗ» и полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) на их основе, неокисленный битум Елховского НПУ НГДУ «Елховнефть», а также битумы, модифицированные присадкой «Адгезолин».
Для изучения структурно-группового состава, особенностей химического строения, физико-химических характеристик битумов в работе были применены инструментальные методы анализа, такие как ИК-, ЭПР-спектроскопия, рентгенографический анализ, метод определения смачивания, динамического светорассеяния, адсорбционно-жидкостной хроматографии, динамической вязкости, испытание битумов на старение по ASTM D 2872, стандартные методы анализа битумов по ГОСТ 22245-90.
Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертации изложены в 4 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, 1 учебном пособии, а также тезисах 6 международных и всероссийских конференций. Получен патент РФ на изобретение. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2013); Международном научном форуме «Ломоносов-2013» (Москва, 2013), диплом ректора МГУ за лучший доклад; 51-ой Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2013), диплом 1 степени; международной научной школе «Международное сотрудничество в области химии и химической технологии: образование, наука, производство» (Казань, 2013), VI Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2013), конференции
молодых ученых «Молодежь и инновации Татарстана» КФТИ КазНЦ РАН (Казань, 2015), итоговых научных конференциях К(П)ФУ (Казань, 2013, 2014, 2015 гг.), в финале «Республиканского молодежного форума» (Казань, 2015), а также на Молодежном форуме «iВолга-2015». Работа прошла в суперфинал конкурса «Intellect2All» агентства стратегических инициатив «Лифт в будущее» (Москва, 2015).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 41 таблицу, 42 рисунка. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы, включающая 199 ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов и 4 приложений. В первой главе представлен обзор литературных данных, характеризующий современное состояние и пути совершенствования производства нефтяных битумов, а также теоретические и прикладные основы модификации битумов. Во второй главе представлены объекты и методы исследований. В третьей главе даны результаты исследований по модификации битумных вяжущих катионоактивной адгезионной присадкой. В четвертой главе изложены результаты опытно-промышленных испытаний модифицированных битумов и асфальтобетонных смесей на их основе.
Автор выражает глубокую благодарность к.х.н., доценту Казанского
(Приволжского) федерального университета Фахретдинову П.С. за содействие и научную консультацию при выполнении и оформлении диссертационной работы.