Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современные представления о составах, структуре, технологии приготовления, свойствах битумных эмульсий и материалов на их основе 11
1.1 Анализ эффективности применения битумных эмульсий для дорожных асфальтобетонов и битумоминеральных композиций 11
1.2 Виды эмульгаторов и их роль в структурообразовании битумных эмульсий 21
1.3 Возможность получения битумных эмульсий на порошковых эмульгаторов 30
1.4 Влияние поверхностно-активных веществ на структурообразование битумов 32
1.5 Пути повышения эффективности производства и применения асфальтобетонов и битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов 36
1.6 Цель и задачи исследования 43
Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2 Физико-химические предпосылки создания битумных эмульсий и материалов на их основе 45
2.1 Физико-химические процессы образования эмульсий 45
2.2 Принципы разрушения битумных эмульсий 51
2.3 Факторы, влияющие на равномерное распределение эмульсии в объеме минеральной смеси 54
2.4 Оптимизация эмульгирующих составов при помощи системы гидрофильно-липофильного баланса 58
2.5 Регулируемый распад битумных эмульсий и способы его достижения... 61
2.6 Принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий з
2.7 Физико-химические факторы, влияющие на стабильность битумных эмульсий 68
2.8 Теоретические предпосылки эмульгирования битумов в процессе перемешивания битумоминеральных композиций 76
Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3 Разработка составов и экспериментальные исследования битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов 82
3.1 Материалы и оборудование для проведения экспериментальных исследований 82
3.2 Методология исследований битумоминеральных композиций 91
3.3 Методика определения гранулометрического состава микрочастиц с помощью лазерного анализатора «ЛАСКА-Т» 97
3.4 Разработка катионного эмульгатора ЭмК - 1 и исследование его свойств 105
3.5 Влияние гранулометрического состава частиц дисперсной фазы битумных эмульсий на их свойства 116
3.6 Составы битумных эмульсий и битумоминеральных композиций, принятые к исследованиям 122
3.7 Планирование эксперимента 129
3.7.1 Условия проведения планирования факторного эксперимента 129
3.7.2 Множественный корреляционный анализ 129
3.7.3 Методика проведения полного факторного эксперимента 131
3.7.4 Проверка адекватности полученной модели 133
3.7.5 Переход к физическим переменным 134
3.8 Свойства битумоминеральных композиций на предварительно приготовленных битумных эмульсиях 140
3.9 Оптимизация технологических параметров для приготовления битумоминеральных композиций, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе их
перемешивания 147
Выводы по главе 3 156
ГЛАВА 4 - Технология производства и технико экономическая эффективность применения битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов 158
4.1 Технология производства битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов 158
4.2 Опытно-промышленные испытания битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов 160
4.3 Расчет технико-экономической эффективности производства катионного эмульгатора ЭмК - 1 165
4.4 Расчет технико-экономической эффективности применения битумоминеральных композиций, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания 167
Выводы по главе 4 175
Общие выводы 177
Список использованной литературы
- Влияние поверхностно-активных веществ на структурообразование битумов
- Оптимизация эмульгирующих составов при помощи системы гидрофильно-липофильного баланса
- Методика определения гранулометрического состава микрочастиц с помощью лазерного анализатора «ЛАСКА-Т»
- Опытно-промышленные испытания битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов
Влияние поверхностно-активных веществ на структурообразование битумов
Изучению теоретических представлений и решению практических вопросов о битумных эмульсиях посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых В. И. Алферова, В. И. Бабаева, А. В. Бернштейна, Л. Брадшева, Н. В. Горелышева, Н. А. Горнаева, Л. А. Горелышевой, В. Глета, Г. Л. Денисовой, Ф. Дюррье, Г. Дюранда, Э. А. Казарновской, М. И. Кучмы, М. Ф. Никишиной, М. И. Опанасенко, Б. Г. Печеного, С. Н. Попченко, В. П. Подольского, И. А. Плотниковой, Г. Ределиуса, А. В. Руденского, И. А. Рыбьева, Т. С. Титовой, А. Ф. Фролова, Б. М. Хавкина и др. [19,91,89,58,16,124].
В мировой практике количество битумных эмульсий, применяемых в дорожном строительстве, достигает 55 - 60 % от общего объема производства битумов. Лидерами в использовании дорог с применением битумных эмульсий являются: Франция, Швеция, Германия, США, Канаде и др. [152].
В нашей стране применение битумных эмульсий началось с 1928 года. До 1940 года наблюдался интенсивный рост объемов их производства, который прекратился лишь с началом Великой Отечественной войны. В дальнейший период данная технология составляла ничтожную долю процентов от общего объема битума, в связи с ограниченным ассортиментом качественных эмульгаторов и технологического оборудования для их производства [18, 104].
Битумные эмульсии представляют собой вяжущий пленкообразующий материал в виде однородной маловязкой жидкости. Эмульсии, являясь двухфазными дисперсными системами, состоят из диспергированных частиц битума и эмульгатора в водном растворе щелочи или кислоты [97].
Действие эмульгатора определяет степень устойчивости битумной эмульсии, которая в первую очередь влияет на ее качество при приготовлении, хранении, транспортировании. В большей степени эмульгаторы влияют на процесс разрыва поверхности капель и практически не влияют на вязкость эмульсии.
С увеличением концентрации эмульгатора облегчается процесс образования эмульсии: возрастает ее стабильность, - и размер капель уменьшается. Причем дальнейшее возрастание концентрации эмульгатора свыше оптимальной величины уже не приводит к образованию более мелких капель и улучшению ее стабильности [133, 160].
Как правило, количество используемого эмульгатора в большинстве случаев ограничено его стоимостью. Для образования эмульсий применяют эмульгаторы в минимальных количествах, которые дают приемлемые для практических целей результаты [98].
Природа эмульгатора является важнейшим фактором для повышения стабильности эмульсии, которая может быть достигнута применением различных по составу загустителей, добавок и присадок.
Известно, что эмульгатор, регулирует поверхностное натяжение на поверхности применяемых материалов [44, 45].
В научно-технической литературе и в патентных источниках описаны сотни эмульгаторов различного назначения, которые выпускаются в основном зарубежными производителями [132,138,39,113].
В последнее время созданы эмульгаторы, повышающие эффективность применения эмульсий в дорожном строительстве, а также способы их получения.
Авторами патента [81] Аванесовой Х.М., Болдыревым А.В. и др. предложен аминосодержащий битумный катионный эмульгатор и способ его получения. Данный эмульгатор содержит полиамиды и полиамины. Соотношение их равно (аминное число равно 24-34 г ( НС1 на 100 г продукта), кислотное число равно 12 (мг КОН на 100 г продукта). Эмульгатор содержит 20% углеводородного разбавителя, вязкость которого 6 сСт. Способ включает проведение конденсации кислот С10-С20 с полиэтиленполиамидами с содержанием от 95 до 100% соединений, в которых атомов азота не менее 5. Температура конденсации равна 160-260 С при смешивании. Компонентами для синтеза адгезионной присадки 13
группа этиленовых и триэтилентетраминовых.
В патенте [80] авторами Молчановым В.В., Гойдиным В.В., Сукорцевым СВ. разработан новый катионактивный эмульгатор для приготовления водно-битумных эмульсий, используемых в дорожном строительстве. Эмульгатор синтезируется из доступного достаточно дешевого сырья: полиэтиленполиаминов и отработанного или некондиционного растительного масла, возможно использование таловых масел. Использование отработанного растительного масла решает попутно задачу утилизации техногенных отходов. Производство эмульгатора не требует сложного оборудования и большого расхода энергии. Применение нового эмульгатора обеспечивает повышенную по сравнению с аналогами адгезию битума к известняковым щебням.
В ряде работ [59] авторами описывается применение синтезированного поверхностно-активного вещества (ПАВ) - стабилизатора ПТФ, представляющего собой полимерный цепной полиэфир линейного строения, который замедляет распад катионных эмульсий. Вещества такого типа хорошо растворимы в дисперсионной среде эмульсии и обладают способностью адсорбироваться на поверхности капель эмульгированного битума дополнительно структурируя и упрочняя этим защитные оболочки. Кроме того, часть стабилизатора, находящаяся в дисперсионной среде эмульсии, при смешении с минеральным материалом переходит на его поверхность и экранирует активные адсорбционные центры, что также приводит к замедлению распада эмульсии.
Ярославским ООО «Предприятие Дорос» разработан и внедрен в производство катионный эмульгатор для битумных эмульсий «Дорос-Эм», рекомендованный для производства дорожных битумных эмульсий классов ЭБК-2, ЭБК-3. Расход эмульгатора составляет 3-6 кг на тонну ЭБК-2 в зависимости от качества битума. Это не больше, чем при использовании эмульгатора ASFIER (Испания), LNTERACID-1D/10 (Италия) и несколько меньше дозировки эмульгатора RADIAMIN (Германия) [138].
Эмульгатор для катионных битумных эмульсий «Андор-Эм» [132], являющийся композицией аминопроизводных различного строения, при концентрации эмульгатора от 0,25-0,5% (от массы эмульсии) позволяет получать эмульсии различного назначения, однородные по составу, тонкодисперсные и устойчивые во времени.
Шведской фирмой «Akzo Nobel» [138], широко пропагандирующей технологии, основанные на использовании битумных эмульсий, предложен целый спектр различных эмульгаторов как катионного, так и анионного типов, отличающихся экологической чистотой (нетоксичны) и экономичностью. Процентное содержание эмульгаторов «Akzo Nobel» в битумной эмульсии, в зависимости от требуемой скорости распада эмульсии не превышает 2,5%:
Вместе с тем, вследствие применения чрезвычайно дорогих на сегодняшний день импортных эмульгаторов, стоимость эмульсий в 1,5-2 и более раз выше стоимости битума. Поэтому возникает необходимость проведение научных исследований в области создания эффективных отечественных эмульгаторов [155].
Энергетический и экологический факторы послужили интенсивному росту развития и применения битумных эмульсий в дорожном строительстве. По данным исследований применение битумных эмульсий позволяет экономить от 6 до 7 л жидкого топлива на 1 т каменного материала только за счет исключения необходимости просушивания каменных материалов [147].
В последнее время в мире интенсивно начались работы по разработке новых способов и устройств для получения битумных эмульсий.
Например, разработан способ приготовления битумной эмульсии [82], позволяющий повысить устойчивость битумной эмульсии при хранении и транспортировании, за счет сокращения процесса омыления эмульгатора.
Авторами Пер Г.Ределиусом, Петри Ульбеком, Алланом Д.Джеймсом и др. [77] разработан способ приготовления битумных эмульсий, который расширяет список применения как стабильных, так и нестабильных битумов для дорожного строительства.
Битумные эмульсии можно получать путем использования биполярных поверхностно-активных веществ (БПАВ), которые в своей структуре содержат бетаиновые фрагменты, положительно влияющие на устойчивость [63].
Научные исследования, проведенные А.С. Макаровым, В.В. Маляренко, Ю.П. Питецкого, А.П. Скрыльника доказали, что использование натуральных и синтетических каучуков в виде порошков тонкого помола, также существенно повышают стабильность эмульсии [110].
Наилучший результат был получен при применении дивинилстирольных латексов с содержанием стирола до 30 %. Хорошие результаты были также получены при применении дивинилстирольных полихлорвиниловых, карбоксилатных латексов. Данные эмульсии позволяют получить ряд технологических, экономических и экологических преимуществ: - применение минерального заполнителя во влажном состоянии; - существенно уменьшается зависимость выполнения работ от погодных условий; - улучшить качество и надежность работ за счет хорошей смачиваемости и растекаемости; - уменьшить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при приготовлении эмульсий и выполнении строительных работ; - снизить трудозатраты и материалоемкость; - уменьшить расход битума. Битумные эмульсии могут быть приготовлены на битумах различной вязкости, в зависимости от требуемых технологических и эксплуатационных свойств связующего материала, а также с использованием различных добавок (растворители, ПАВ, полимеры), так и без них.
Оптимизация эмульгирующих составов при помощи системы гидрофильно-липофильного баланса
Образование битумных эмульсий, их дисперсность и стабильность основаны на закономерностях физической химии поверхностей [5]. Эти закономерности имеют важное технологическое значение, что отражается в огромном потоке научно-технической литературы [36, 50-53, 57, 61, 68, 71, 122, 127]. В этом разделе рассматриваются только самые основные вопросы, непосредственно связанные с физико-химией поверхностей, что позволит сформировать условия получения высококачественных битумных эмульсий.
Эмульсии содержат две частично смешивающиеся подвижные фазы и, как правило, поверхностно-активное вещество. Битумные эмульсии представляют собой дисперсию одной фазы в другой. Если обе фазы жидкие, система называется эмульсией, если же одна из фаз газообразная, то мы имеем дело с пеной (или аэрозолем). В обоих случаях дисперсная фаза состоит из относительно крупных частиц, т. е. размер капелек, как правило, превышает несколько десятых микрона. Обычно рассматриваемые системы нестабильны и могут делиться на две фазы, т. е. расслаиваться. Стабильность эмульсий в значительной мере определяется их зарядом и наличием на поверхности раздела фаз пленок поверхностно-активных веществ. Эмульсии несколько отличаются от коллоидов, хотя резкую границу между ними провести трудно. Так обычные кремы представляют собой эмульсию масла в воде, а масляный гидрозоль — очень тонкая суспензия капелек масла в воде, получаемая путем конденсации паров масла — фактически является коллоидом. В гидрозоле на долю масла приходится лишь небольшая часть объема системы и частицы масла настолько малы, что обычной тепловой конвекции достаточно для предотвращения их осаждения. Хотя некоторые компоненты битумов масляные и могут быть в парообразном состоянии, однако практически пары их фракций битумов образуются при весьма высоких температурах 400 - 500 С, что не позволяет получать гидрозоли битумов. В эмульсиях, кремах, пастах и пенах на долю дисперсной фазы приходится уже значительная часть общего объема системы. Расслаивание и разрушение таких систем предотвращается наличием пленок, адсорбированных на поверхностях раздела фаз, или действием сил электрического отталкивания. Кроме того, возможно также самопроизвольное эмульгирование и образование эмульсий, в которых размер капелек сравним с размером мицелл детергентов [14].
Как правило, одна из фаз эмульсии — вода, другая фаза — водонерастворимая жидкость, называемая в общем случае «маслом». В соответствии с этим существует два основных типа эмульсий — дисперсии масла в воде М/В (прямая эмульсия) и дисперсии воды в масле В/М (обратная эмульсия) [93, 95, 107, 111].
Оба типа эмульсий представлены на рисунке 2.1. Одна из фаз эмульсии («внешняя») является непрерывной, а другая («внутренняя») образована отдельными частицами. К какому типу относится эмульсия, обычно установить не так уж трудно. Достаточно объективный метод — добавление к эмульсии некоторого количества одной из жидких фаз. При этом эмульсия легко разбавляется, если добавляемая жидкость представляет собой внешнюю фазу. Для определения типа эмульсии в систему можно вводить и какой-либо краситель, растворимый только в одной из фаз. Если краситель растворим во внешней фазе, то эмульсия быстро окрашивается им. Наконец, эмульсии типа М/В характеризуются значительно большей электропроводностью, чем эмульсии типа В/М.
Помимо химического состава, одна из основных характеристик эмульсии — отношение объема внутренней дисперсной фазы к объему внешней фазы (ф). Упаковка шаров дисперсной фазы плотнейшая при р, равном 0,74. В более разбавленных эмульсиях, внутренняя дисперсная фаза, действительно, существует в виде сферических частиц. Влияние р на вязкость системы, состоящей из жестких сферических частиц, определяется предельным законом Эйнштейна [157, 186]:
При р выше 0,02 наблюдаются отклонения от этого закона. Полуэмпирически вязкость эмульсий в широком диапазоне р можно описать, заменив выражения в скобках соответствующим степенным рядом. Бехер [143] и Ф. Шерман [186] выражают вязкость с помощью общего уравнения: где р — отношение вязкостей внутренней и внешней фаз. Более концентрированные эмульсии относятся к неньютоновским жидкостям, и поэтому их вязкость зависит от скорости сдвига. Кроме того, л зависит не только от ф, но и от среднего размера и распределения размеров капелек эмульсии [187]. Обычно распределение размеров капелек определяют с достаточной точностью различными методами. Чаще всего эмульсию характеризуют средним размером или числом (концентрацией) капелек п.
Важными физическими свойствами эмульсий являются также их электропроводность и диэлектрическая проницаемость, а также электрофоретическая подвижность дисперсной фазы. Динамическое и кинетическое поведение эмульсий определяется влиянием скорости сдвига на их вязкость (тиксотропия и реопексия, или обратная тиксотропия), скоростью уменьшения п во времени (коалесценция или агрегация) и скоростью расслоения на две эмульсии - более концентрированную и более разбавленную.
Локальные физические свойства эмульсий исследуют, изучая их диэлектрическую релаксацию, спектры ядерного магнитного резонанса [153] и инфракрасные спектры. Эти методы дают сведения о составе межфазной области в зависимости от состава обеих фаз. Размеры и распределение по размерам очень маленьких капелек или мицелл определяют по рассеянию света и дифракции рентгеновских лучей под малыми углами [168 ,189]. Довольно точным методом исследования формы капелек эмульсий и распределения их по размерам является сканирующая электронная микроскопия [169]. Этот краткий перечень экспериментальных методов, применяемых для изучения эмульсий, показывает, насколько сложны эти системы и в то же время демонстрирует достаточно богатый выбор методов исследований.
Одним из наиболее существенных свойств эмульсий является их устойчивость [92]. Энергичное перемешивание двух чистых несмешивающихся жидкостей, например, бензола и воды, приводит к образованию дисперсии. Однако в такой системе ни одну из фаз однозначно нельзя определить как внешнюю или внутреннюю. После прекращения перемешивания фазы разделяются настолько быстро, что такую систему вряд ли можно назвать эмульсией. По-видимому, относительно устойчивой суспензией одной чистой жидкости в другой является только гидрозоль масла. Как известно, [145], такие системы следует относить к коллоидам, а не к эмульсиям.
Чтобы получить устойчивую или достаточно устойчивую эмульсию, если только речь идет не о гидрозоле масла, в систему всегда необходимо вводить поверхностно-активное вещество. Так если в систему бензол — вода ввести немного мыла, то в результате получается истинная эмульсия, которая расслаивается крайне медленно. Теоретически устойчивость эмульсий определяется: во-первых, природой межфазных пленок, что, вообще говоря, вполне очевидно, во-вторых, механизмом действия этих пленок, предотвращающим коалесценцию капелек. Становится понятным, что, поскольку для эмульсий характерна большая удельная поверхность раздела фаз, любое уменьшение межфазного поверхностного натяжения должно снижать стремление системы к коалесценции и увеличивать ее стабильность. Этим, собственно, и объясняется в свете законов термодинамики роль эмульгирующих агентов. В качестве примера рассмотрим систему парафиновое масло — вода [165]. Для чистых жидкостей межфазное натяжение в этой системе составляет 41 дн/см. При добавлении к водной фазе олеиновой кислоты до концентрации 0,001 М натяжение уменьшается до 31 дн/см. В этих условиях уже получают достаточно устойчивую эмульсию. Нейтрализация эмульсии 0,001 М гидроокисью натрия вызывает снижение поверхностного натяжения до 7,2 дн/см. Если же в эмульсию ввести хлорид натрия (до концентрации 0,001 М), то межфазное натяжение становится ниже 0,01 дн/см. При замене парафинового масла на оливковое конечное значение межфазного поверхностного натяжения составляет 0,002 дн/см. В последней системе наблюдается самопроизвольное эмульгирование, т. е. если к водной фазе добавить масло, эмульгирование происходит и без перемешивания.
Методика определения гранулометрического состава микрочастиц с помощью лазерного анализатора «ЛАСКА-Т»
Удельная поверхность дисперсной фазы - суммарная площадь поверхности единицы объема или массы частиц дисперсной системы, вычисленная или измеренная по большому числу произвольно взятых частиц.
Средняя крупность - крупность (размер) частицы такой условной монодисперсной системы, которая по одной из характеристик дисперсной фазы с той же концентрацией - объему, линейному размеру, площади поверхности, массе - равна характеристике рассматриваемой полидисперсной системы.
Если известны аналитические, графически выраженные или экспериментально найденные функции распределения, то могут применяться различные виды средних значений. Их выбор диктуется конкретными условиями эксперимента. Ниже приведены некоторые виды средних значений с формулами расчета. Некоторые виды средних значений приведены ниже. Данные этих значений иногда могут значительно отличаться друг от друга. Среднеквадратические размеры иногда называют средними по площади (по поверхности), а среднекубические размеры - средними по объему. Представленные данные показывают (таблица 3.8) разницу несовпадающих средних размеров.
Для компактности представления данных гранулометрического анализа вводятся численные показатели - квантили распределения, которые характеризуют функцию суммарного объемного распределения частиц по размерам (интегральный гранулометрический состав). На рисунке 3.17 представлено интегральное распределение частиц по размерам. Шкала оси ординат интегрального распределения приводится в процентах. Каждому значению процента по оси ординат соответствует определенный диаметр частиц. Представленное распределение можно характеризовать несколькими численными показателями: D(10), D(25), D(50), D(75), D(90) с соответствующими диаметрами (квантилями распределения). Ниже приведены эти значения.
Адекватность распределения средней интенсивности излучения, рассеянного группой микрочастиц, достигается ежемоментным сканированием дисперсной системы. Это достигается за счет перемешивания пробы образца в специальной камере пробоподготовки. Затем она поступает в специальную измерительную ячейку, при обязательном соблюдении изокинетичности, т.е. все частицы должны перемещаться в одном фронте, не проскальзывая и не оседая.
Устойчивость битумной эмульсии при хранении и ее транспортировки является наиболее важной характеристикой для промышленного производства. Данный параметр обеспечивается стабилизирующим действием эмульгатора [93]. Эмульгаторы в большей степени влияют на процесс разрыва поверхности и образование капель, чем на вязкость. Во многих случаях при увеличении концентрации эмульгатора происходит возрастание ее стабильности. С уменьшением размера капель битума облегчается процесс образования эмульсии. Однако если дальнейшее увеличение концентрации эмульгатора происходит свыше оптимальной величины, то процесса образования более мелких капель и, как следствие эффекта стабильности эмульсии, не наблюдается [34].
В производственной практике, как правило, стоимость эмульгатора ограничивает его использование. Поэтому для образования эмульсий употребляют эмульгаторы в минимальных количествах, которые дают вполне приемлемые для практических целей результаты.
Несмотря на явные достоинства битумных эмульсий, которые являются давно общеизвестными, так, например, во Франции, являющейся мировым лидером по использованию битумных эмульсий, их производство и применение в нашей стране крайне ограничено и составляет ничтожную долю от всего объема производимых битумов. Такое состояние вызвано непостоянным химическим составом выпускаемых битумов, не налажен в нашей стране выпуск оборудования для производства битумных эмульсий и практическим отсутствием эмульгаторов отечественного производства [25].
Одновременно, существуют проблема утилизации многотоннажных отходов производств шерстяных комбинатов по всей стране, которые, согласно [120], включены в федеральный классификационный каталог отходов, государственный реестр объектов размещения отходов, а также банк данных об отходах и о технологиях использования и обезвреживания отходов различных видов. На территории Ставропольского края расположен один из таких объектов - Невинномысский шерстяной комбинат (г. Невинномысск), (рисунок 3.20). Рисунок 3.20 - Невинномысский шерстяной комбинат (г. Невинномысск) В связи с изложенным, разработка технологических принципов получения отечественных эмульгаторов, используя отходы производства Невинномысского шерстяного комбината для битумных эмульсий, является своевременной, актуальной и весьма важной задачей.
В Российской практике [88] используют эмульгаторы для катионных эмульсий, такие, как: БП - 3 - паста светло-коричневого цвета, температура каплепадения по Убеллоде не более 65 С, основность не менее 25 мл 0,1 Н раствора НС1 или 150 мг КОКУг. Эмульгатор БП - 3 получают путем синтеза при температурах 120 - 160 С синтетических жирных кислот с числом углеродных атомов Сіб - С2і и полиэтиленполиамина; Амины Сп - С2о - белый воскообразный продукт, температура плавления 50 - 55 С. Основность не менее 25 мл 0,1 Н раствора НС1 или 150 мг КОН/г. Содержание аминов не менее 70 %; четвертичные соли аммония, например алкилтриметиламмоний хлорид - ATM. ATM выпускают в виде 50 - 60 % раствора в изопропиловом спирте.
Эмульгаторы: амины Сп - С2о, БП - 3 вводят в битум в количестве от 1 до 4 % (количество вводимого эмульгатора, определяет сроки распада эмульсий -чем его больше, тем продолжительнее сроки распада). ATM вводят в воду в количестве от 0,5 до 2 %. Соляную кислоту порядка 0,2 % вводят в воду (рН водного раствора кислоты должен быть в пределах 1,8 - 2,2). При рН водного раствора кислоты менее 1,8 ухудшается адгезия битума, при рН более 2,2 ухудшается эмульгируемость битума.
Весьма активным катионным эмульгатором является имидазолин [9], который вводят в битум в количестве 0,25 - 0,5%. Имидазолин получают термической циклоконденсацией синтетических жирных кислот с числом атомов углерода 17 и полиэтиленполиамина при температуре 200 - 240 С в течение 2 -4 часов. Затем температуру повышают до 260 С и выдерживают 3-4 часа, с последующей отгонкой избыточных аминов под вакуумом. Имидазолины представляют собой продукт с температурой плавления 60 - 80 С, аминным числом не более 6 мг КОН/г.
Опытно-промышленные испытания битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов
Проведенные экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях выявили значительные преимущества разработанной технологии производства битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания. Данная технология вполне применима на стандартном технологическом оборудовании асфальтобетонного завода, занимающегося производством горячих асфальтобетонных смесей рисунок 4.1).
Подача воды в смесительную установку, (для увлажнения минерального заполнителя) осуществлялась из существующего хозяйственно-питьевого водопровода, находящегося в непосредственной близости от смесительной установки и подавалась гибким шлангом непосредственно в бункер-смеситель. Использование влажного заполнителя по разработанной технологии позволяет полностью исключить из процесса приготовления сушильные агрегаты, находящиеся в стандартном наборе асфальтобетонного завода. Самая маленькая из трех емкостей-цистерн, предназначенных под битумное вяжущее, была зарезервирована под катионный эмульгатор. Остальное оборудование, такое как: смесительный агрегат, накопительный бункер, емкости для заполнителя, минерального порошка, кабина управления и все необходимые средства вертикального и горизонтального транспорта компонентов смеси были задействованы в штатном режиме. Технологическая схема производства битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания представлена на Технологическая схема производства битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания Опытно-промышленные испытания битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов
С целью проверки результатов исследований диссертационной работы был произведен выпуск опытной партии битумоминеральной композиции на битуме марки БНД 60/90, эмульгированном в процессе перемешивания битумоминеральной смеси и произведена ее укладка в покрытие автомобильной дороги с. Московское по ул. Ленина на участке между ул. Молодежной и пер. Ленина.
Производство битумоминеральной смеси песчаной гранулометрии типа «Г» согласно ГОСТ 9128 осуществлялось на асфальтобетонном заводе ООО «Изобильненская ДПМК» 16 августа 2012 г. В состав смеси входили: щебень, полученный дроблением гравия Кочубеевского промышленно-производственного механизированного дорожного ремонтно-строительного предприятия (ППМ-ДРСП), физико-механические свойства которого представлены в таблице 4.1, известняковый активированный минеральный порошок Черкесского завода (таблица 4.3), битум марки БНД 60/90 (таблица 4.3) и катионный эмульгатор ЭмК - 1 (таблица 4.4).
Предварительно рассортированные, отдозированные по фракциям и обработанные 2 % битума инертные материалы (песок, щебень), согласно зерновому составу таблицы 4.2, подавались в мешалку смесительного агрегата. После чего произведено, увлажнение согласно рецепта нагретой до 90±5С водой с НС1. Далее производилась подача предварительно нагретых до 140±5С, дозированных, согласно рецепта, 4,5 % битума и 1,5 % эмульгатора. Мокрое перемешивание производилось в течении 45 сек. и далее подавали активированный минеральный порошок в холодном состоянии, производя перемешивание еще 40 сек. Температура готовой смеси на выходе в среднем была равна 70 С с отклонениями в пределах 65 - 80 С, с последующим остыванием до температуры воздуха 25 - 27 С.
Было выпущено 102 тонны битумоминеральной смеси. Устройство покрытия из битумоминеральной композиции на битуме марки БНД 60/90, эмульгированном в процессе перемешивания битумоминеральной смеси осуществлялось на опытном участке автомобильной дороги с. Московское по ул. Ленина, в промежутке между ул. Молодежной и пер. Ленина длиной 425 м и шириной полосы 6 м. Общая площадь опытного асфальтобетонного покрытия составила 2550 м .
Укладка смеси в верхний слой покрытия толщиной 4 см. осуществлялась с помощью асфальтоукладчика ДС-195 (СТУ 22-145-66). Битумоминеральная смесь уплотнялась при температуре 25 - 27 С равной температуре воздуха сначала 164 тонным виброкатком ДУ-73 (7-8 проходов), а затем 15 тонным катком ДУ-58А до достижения следов от катка (4-5 проходов).
Движение транспортных средств было открыто через 4 часа после окончания работ с ограничением скорости движения до 40 км/ч. в течение двух суток (в связи с высоким скольжением дорожного полотна, вследствие испарения воды).
Свойства проб битумоминеральной композиции, взятых из смесителя на АБЗ и заформованных в лаборатории (№1) (испытанных в возрасте 14 суток) и вырубки взятой из покрытия через 28 суток (№2), на битуме, эмульгированном в процессе перемешивания битумоминеральной смеси, согласно ГОСТ 9128 и пособия по приготовлению и применению битумных дорожных эмульсий к СНиП 3.06.03-85 представлены в таблице 4.6.
За расчетную принята технология производства катионного эмульгатора ЭмК-1, на основе многотоннажного отхода - жирной кислоты Невинномысского шерстяного комбината с числом углеводородных атомов С более 18 с аминами. Для сравнения, в качестве базового варианта принята технология производства катионного эмульгатора «Азол 1019 марки В» Котласского химического завода (г. Коряжма, Архангельской области). Его применяют в качестве эмульгатора на установках периодического действия при производстве медленно распадающихся битумных эмульсий класса ЭБК-3 по ГОСТ Р 52128-2003, используемых в дорожном строительстве для устройства защитных слоев из органо-минеральных смесей типа «Сларри Сил» и др. По составу «Азол 1019 марки В» является смесью алкилполиаминов на основе жирных кислот природного происхождения.
Технико-экономическая эффективность от применения битумоминеральных композиций, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания определялся по изменению себестоимости изготовления, по эффекту, достигаемому за счет уменьшения выбросов в окружающую среду, а также за счет увеличения срока службы по сравнению с базовым вариантом.
За расчетный вариант принята технология приготовления битумоминеральной композиции на битуме, эмульгированном в процессе перемешивания битумоминеральной смеси на асфальтобетонном заводе ООО «Изобильненская ДПМК».
В качестве базового варианта была принята технология приготовления асфальтобетона стандартным способом на том же асфальтобетонном заводе. Исходные данные рассматриваемых вариантов приведены в таблицах 4.8-4.9. Экономическая эффективность рассматриваемых вариантов рассчитана на основе снижения себестоимости согласно методикам [49, 70]. Экономический эффект от применения нового варианта для мелкозернистого асфальтобетона составил 9665,88 руб. на 100 тонн битумоминеральной композиции и 15566,24 руб. на 100 тонн для битумоминеральной композиции песчаного типа.
На основании «Отчета о загрязнении окружающей среды промзоны г. Изобильного за первое полугодие 2014 года» определялся экономический эффект, достигаемый за счет уменьшения загрязняющих выбросов вредных веществ в окружающую среду. Исходные данные представлены в таблице 4.9.
