Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 6
1.1 Дорожные покрытия 6
1.2 Битумная эмульсия как дисперсная система 8
1.3 Компоненты битумных эмульсий 10
1.3.1 Поверхностно-активные вещества (ПАВ)
1.3.2 Дисперсионная среда (водная фаза) 20
1.3.3 Дисперсная фаза (битумная фаза) 22
1.3.4 Предлагаемые составы битумных эмульсий
1.4 Методы эмульгирования битума вводе 27
1.5 Свойства битумных эмульсий
1.5.1 Вязкость 32
1.5.2 Устойчивость при хранении 33
1.5.3 Разрушение эмульсии в процессе применения 35
1.5.4 Адгезия частиц дисперсной фазы к минеральному наполнителю
1.6 Достоинства битумных эмульсий 37
1.7 Битумные эмульсии втехнологии "холодного ресайклинга" 39
2 Объекты и методы исследования 44
2.1 Выбор компонентов битумной1 эмульсии и модифицирующих добавок
2.2 Методы исследования свойств полученных образцов битумных эмульсий
3 Исследование влияния компонентного состава и модифицирующих добавок на физико-химические и эксплуатационные свойства битумных эмульсий
3.1 Разработка методики получения битумных эмульсий 52
3.1.1 Получение битумной эмульсии при помощи лопастной гомешалки
3.1.2 Получение битумной эмульсии при помощи ультразвуковой мешалки
3.1.3 Получение битумной эмульсии при помощи дезинтегратора 55
3.1.4 Сравнение различных способов получения битумных эмульсий
3.1.5 Способы модернизации разработанных методов эмульгирования
3.2 Методы модифицирования битумной эмульсии и обработки минерального материала
3.2.1 Метод модифицирования битумной фазы эмульсии 67
3.2.2 Метод модифицирования водной фазы эмульсии 69
3.2.3 Метод модифицирования эмульсионно-минеральных смесей JL
3.2.3 Метод модифицирования эмульсий их комбинированием 71 72
3.3 Исследования влияния компонентного состава на свойства анионных битумных эмульсий (АБЭ)
3.3.1 Влияние компонентного состава и параметров процесса
приготовления на агрегативную устойчивость АБЭ
3.3.2 Влияние компонентного состава и модифицирующих добавок на вязкостные свойства
3.3.3 Влияние компонентного состава и модифицирующих добавок на адгезионные свойства
89 89 91 96
3.4 Исследования влияния компонентного состава на свойства катионных битумных эмульсий (КБЭ)
3.4.1 Подбор состава исследуемых образцов 89
3.4.2 Влияние различных параметров на агрегативную устойчивость образцов
3.4.3 Влияние содержания эмульгатора на вязкостные свойства катионной битумной эмульсии
3.4.4 Влияние состава, параметров процесса эмульгирования и модифицирующих добавок на адгезионные свойства КБЭ
3.4.5 Способы модификации КБЭ 99
3.5 Использование серы в процессе производства битумных эмульсий и эмульсионно-минеральных смесей
3.5.1 Модификация элементарной серой исходного битума 102
3.5.2 Обработка элементарной серой минерального материала 104
4 Технология получения битумной эмульсии катионного типа на основе эмульгатора бп-зм и её технико-экономическое обоснование 108
4.1 Технология получения битумной эмульсии катионного типа на основе эмульгатора БП-ЗМ
4.1.1 Получение битумной фазы с использованием серобитума ПО
4.1.2 Модификация исходного битума диэтаноламином ПО
4.1.3 Обработка получаемых эмульсионно-минеральных смесей фракцией дизельного топлива
4.1.4 Обработка получаемых эмульсионно-минеральных смесей расплавом серы
4.2 Технико-экономическое обоснование технологии получения битумных эмульсий с использованием эмульгатора БП-ЗМ
4.2.1 Расчет мощности и производственной программы установки 113
4.2.2 Расчет капитальных затрат и стоимости основных фондов 114
4.2.3 Расчёт себестоимости продукции 115
4.2.4 Расчёт технико-экономических показателей 118
4.2.5 Расчёт эффективности инвестиционного проекта 118
Выводы 123
Список используемой литературы
- Битумная эмульсия как дисперсная система
- Методы исследования свойств полученных образцов битумных эмульсий
- Получение битумной эмульсии при помощи дезинтегратора
- Влияние различных параметров на агрегативную устойчивость образцов
Введение к работе
Актуальность работы
Дорожное строительство является одной из самых востребованных отраслей народного хозяйства России. Ежегодно для строительства новых и ремонта существующих покрытий дорог потребляется огромный объём материалов, ведущее место среди которых занимают асфальтобетоны с использованием битумных вяжущих. Возросший поток автомобилей значительно увеличил нагрузку на дорожные покрытия, а следовательно, породил новый ряд проблем.
В настоящее время, особенно за рубежом, наблюдается тенденция перехода на относительно новый способ создания дорожных покрытий с применением битумных эмульсий.
Поиск доступных способов получения и составов битумных эмульсий является весьма актуальным вопросом на данный момент. Зарубежный опыт показывает, что применение холодных технологий с использованием эмульсий в дорожном строительстве обеспечивает экономию битума на 30% и снижает энергозатраты почти в 1,5 раза.
Цель работы - разработка составов битумных эмульсий на основе дорожЕіьіх битумов марки БНД 60/90 с использованием доступных компонентов (эмульгаторов, модификаторов), а также наиболее приемлемых способов эмульгирования битума и приготовления эмульсионно-минеральных смесей с улучшенными показателями качества.
Задачи исследования
1 Поиск доступных компонентов битумных эмульсий, способов
эмульгирования, их сравнение и разработка методов анализа полученных
образцов битумных эмульсий.
Исследование влияния компонентного состава анионных и катионных битумных эмульсий на их свойства, разработка способов модификации битумных эмульсий и эмульсионно-минеральных смесей на их основе.
Изучение возможности утилизации серы в процессах производства битумных эмульсий и эмульсионно-минеральных смесей.
Научная новизна
Установлено необходимое соотношение анионной и катиоиной эмульсии при их комбинировании в процессе устройства дорожного покрытия дои обеспечения требуемой адгезии вяжущего к минеральному материалу, что позволяет значительно сократить расход эмульсии катионного типа < использованием дорогостоящего эмульгатора.
Выявлено положительное влияние добавки диэтаноламшш в битум на дисперсность битумных эмульсий, а также на их устойчивость при хранении.
3 Показана возможность утилизации серы в процессе производства
битумных эмульсий. Определено допустимое содержание серы в битумной
эмульсии.
Практическая значимость
Разработанный модернизированный способ эмульгирования битума при помощи дезинтегратора и специального устройства на выходе из аппарата позволяет сократить в 2 раза время эмульгировапия битума.
Комбинирование битумных эмульсий катионного и анионного типов в соотношении 2:3 по предложенной технологии позволяет добиться высокого показателя адгезии вяжущего к минеральным материалам и снизить затраты катионной битумной эмульсии на 60%.
Предложенный способ модификации битума диэтаноламином (до 2% на исходный битум) позволяет увеличить срок хранения эмульсии в 2-3 раза.
4 Разработан метод анализа, позволяющий отслеживать кинетику
расслоения битумной эмульсии в процессе хранения.
5 Разработанный способ утилизации серы (добавление до 3% масс, на
битумную эмульсию) позволяет снизить себестоимость эмульсий на 4-5%.
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации были представлены на межвузовской научно-технической конференции «Наука. Технология. Производство» (Уфа, 2005); III Всероссийской научно-практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» (Самара, 25-26 октября, 2005); Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и
іефтехимия - 2007» (Уфа, 2007); III Всероссийской научно-производственной юнференция по проблемам производства и применения битумных материалов Пермь, 2007); Международной научной конференции «Нефтепереработка ->008», посвященной 60-летию кафедры ТНГ УГНТУ (УФА, 2008).
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического ;писка из 126 наименований. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста и включает 54 рисунка и 46 таблиц.
Публикации
Битумная эмульсия как дисперсная система
В работе [5] дано следующее определение понятию «эмульсия»: «Эмульсия представляет собоз двух жидких фаз, одна распределена в другой в виде капелек. Жидкость, образующая капельки, не смешивается со второй жидкостью и называется дисперсной фазой- (внутренней фазой). Жидкость, заключающая в себе капельки, называется замкнутой внешней фазой или дисперсионной средой».
Битумные эмульсии относятся к эмульсиям масла в воде, где битумфаспре-делен в воде. Интервал размера капель обычно составляет от 0,001і до 0,01 мм. Содержание битума В эмульсии определяется предполагаемым применением её, обычно колеблется в пределах 30-70% [49].
Имеется верхний предел содержания битума в эмульсии, который в основном определяется относительным объемом двух фаз. При достижении предела объем не в состоянии вместить большее число капель без их деформации. Капли упаковываются настолько плотно, что они частично прилипают друг к другу, и при этом вода, попавшая между каплями, превращается в капли воды. В результате получается эмульсия воды в масле или-инвертная эмульсия. Такая эмульсия с высокой вязкостью обладает природой-битума [6].
Возможно получение так называемых высококонцентрированных эмульсий с содержанием дисперсной фазы выше 74%, в которых элементы внутренней фазы деформированы в многогранники различной формы, а дисперсионная среда выступает прослойкой между ними. Такие эмульсии по структуре и свойствам близ ки к пенам, поэтому они и получили название «спумоидные эмульсии» (пенообразные) [3].
Современные взгляды на эмульсию вообще, и на битумные эмульсии - в частности, базируются на теории адсорбционной оболочки, выдвинутой в 1913 году Банкрофтом [7]. Система из двух несмешивающихся жидкостей будет находиться в термодинамически устойчивом состоянии, если она будет состоять из двух сплошных слоев: верхнего (более легкая жидкость) и нижнего (более тяжелая жидкость). Чем больше энергии будет затрачено на образование эмульсии, тем более неустойчивой, она будет. Чтобы придать эмульсии относительную устойчивость, используют специальные вещества, называемые эмульгаторами. Практически все эмульсии (за исключением некоторых, образующихся самопроизвольно) получают только в присутствии эмульгаторов [7].
Клаус в работе [8], развивая теорию Банкрофта, также указал на то, чю образование даже весьма нестойких эмульсий, за исключением чрезвычайно разбавленных, связано с наличием в системе третьего вещества, которое, адсорбируясь на поверхности раздела двух жидких фаз, образует защитную оболочку вокруг диспергированных шариков, будь-то масляные или водные Диспергирующие и стабилизирующие свойства этой оболочки могут быть приписаны в разной степени: - понижению поверхностного натяжения между обеими фазами, которое препятствует слиянию шариков, - перенесению электрического заряда на дисперсную фазу, так как электрическое отталкивание препятствует коалесценции; - механическому барьеру, благодаря которому элементы дисперсной фазы не сливаются друг с другом [8].
Клаус, в работе [9], дал следующее толкование теории Банкрофта относительно образования оболочек и получения того или иного типа эмульсий. Относительно системы "масло - мыльный раствор" он высказался так: "Мыла стремятся накапливаться на поверхности раздела масло - вода и образовывать сплошную оболочку. Так как мыла с одновалентными катионами легко диспергируются в воде, но не в масле, то они образуют оболочку (диафрагму), которая легче смачивается водой, чем маслом. Следовательно, поверхностное натяжение со стороны воды ниже, чем со стороны масла. Так как внутренняя поверхность оболочки, окружающей шарик, меньше внешней, то оболочка стремится выгнуться так, чтобы обволакивать масляный шарик, находящийся в воде. Вследствие этого, поверхность, на стороне с более высоким натяжением, понижается до минимума. С другой стороны, оболочка из мыла с двух- и трехвалентными катионами, которая значительно легче диспергируется в масле, чем в воде, смачивается маслом лучше, нежели водой, и, соответственно, способствует образованию обратных эмульсий воды в масле". Если же антагонистические эмульгаторы содержатся в системе в таком количестве, что их действия взаимно поглощаются, то оболочка не выгибается ни в каком направлении, так что при прекращении перемешивания обе фазы расслаиваются под действием силы тяжести [9]. Физическая теория устойчивости коллоидных систем была разработана в 1937 Б.В. Дерягиным совместно с Л.Д. Ландау. В таблице 1.1 указаны условные обозначения и классы эмульсий в зависимости от скорости их разрушения на поверхности минерального заполнителя.
Наименование Класс Обозначение Быстроструктуирующиеся 1 ЭБК-3 и ЭБА-3 Структурирующиеся со средней скоростью 2 ЭБК-2 и ЭБА-2 Медленноструктурирующиеся 3 ЭБК-1 и ЭБА-1
Поверхностно активные вещества (ПАВ) - соединения, которые самопроизвольно концентрируются на поверхности раздела фаз и снижают межфазное поверхностное натяжение. ПАВ обладают комплексом уникальных поверхностных и объемных свойств, что, помимо их высокой поверхностной активности, обусловлено способностью молекул ПАВ к ассоциации с образованием мицелл. Фундаментальной характеристикой мицеллобразующих мономеров является их дифильность, т.е. присутствие в одной и той же молекуле полярной и неполярной частей [14].
Способность ПАВ при адсорбции на поверхности раздела фаз радикально изменять ее свойства и, тем самым, влиять на многие важные свойства дисперсных систем может быть различной в зависимости от химической природы и строения граничащих фаз и молекул ПАВ, и условий их применения. Следуя классификации Ребиндера [17], можно выделить 4 группы ПАВ по физико-химическому механизму их воздействия на межфазную границу и дисперсную систему в целом:
1 Вещества, поверхностно-активные только на границе раздела вода - воздух. ПАВ этой группы (средние и высшие гомологи алифатических спиртов и кислот) представляют собой умеренно действующие смачиватели за счет снижения поверхностного натяжения воды на границе с воздухом, а также могут использоваться в качестве пенообразователей и пеногасителей;
2 Вещества, поверхностно-активные на границах раздела конденсированных фаз (твердое тело - жидкость, жидкость - жидкость). ПАВ этой группы (так называемые диспергаторы), в условиях сильного понижения поверхностного натяжения на межфазной границе, содействуют развитию новых поверхностей раздела фаз в процессах разрушения, диспергирования, обработки твердых тел и эмульгирования жидкостей;
3 ПАВ, обладающие способностью к образованию гелеподобных структур в адсорбционных слоях и объемах фаз (высокомолекулярные природные или синтетические соединения с большим числом полярных групп - белки, глюкозиды, поливиниловый спирт и т.п.). Такие вещества используются как высокоэффективные стабилизаторы умеренно концентрированных дисперсных систем различной природы - эмульсий, пен, суспензий;
Методы исследования свойств полученных образцов битумных эмульсий
Адгезия - одна из основных характеристик битумных эмульсий. Она характеризует способность частиц дисперсной среды «прилипать» к минеральному наполнителю Для обеспечения прочного и устойчивого сцепления битум должен равномерно тонким слоем покрывать поверхность склеиваемых частиц. Толщина битумной плёнки на поверхности материала зависит от природы и размеров зёрен минерала и в среднем составляет от 4-Ю6 до 5-10" м [71]. Для оценки адгезии в данной работе применялся визуальный и количественный метод. Оценивалось состояние плёнки вяжущего, которая сохранялась на поверхности после кипячения образца минерала, покрытого битумом с распавшейся БЭ, а также его количество. Количественная оценка показателя адгезии проводилась с учётом рекомендаций, приведённых в работе [4].
Анализ проводился на щебне гранита и мрамора. Среднюю пробу щебня и мрамора предварительно промывали проточной водой, затем кипятили в дистиллированной воде. В приготовленную минеральную смесь (песок, мрамор, гранит) массой 30 г, при помощи шприца, помещали 2,0 мл исследуемой битумной эмульсии, затем смесь разогревали до температуры 80-85 С и постоянно помешивали в течение 5 минут. По истечении данного времени на поверхности минерала образовывалась устойчивая плёнка вяжущего. Для дальнейшего анализа эмульсионно-минеральную смесь выдерживали сутки на открытом воздухе, и далее кипятили 30 минут в дистиллированной воде. Количественно величину адгезии измеряли по сохранению массы вяжущего после кипячения: где то - масса минерала взятого для анализа; т.\ - масса минерала с слоем вяжущего после осушки; т2 - масса минерала с слоем вяжущего, оставшегося после кипячения. Количественные измерения степени адгезии проводились на аналитических весах и по среднему значению из трёх параллельных опытов.
Одним из главных эксплуатационных свойством битумных эмульсий является их способность с установленной скоростью достаточно полно распределять битум по поверхности минерала. По скорости распада эмульсии при взаимодействии с каменным материалом обычно выделяют три класса эмульсии: быстро-, средне- и медленнораспадающаяся.
Класс получаемых образцов БЭ определялся в соответствии ГОСТ 18659-73. Метод предусматривает определение скорости распада эмульсии при смешении её с портландцементом марки 400 или 500 и заключается в следующем: - цемент просеивается и засыпается в количестве 50 мл в мерный цилиндр без уплотнения; - подготавливается 100 г исследуемой БЭ; - в подготовленную БЭ со скоростью 5 мл/мин добавляется просеянный цемент (смесь постоянно перемешивается); - измеряется время от начала ввода цемента до распада БЭ (оценивается визуально по превращению смеси в неразмешиваемый комок).
Если эмульсия разложилась за время менее одной минуты, то её относят к ЭБК-3 и ЭБА-3 (быстро распадающаяся соответственно катионная и,анионная БЭ), от одной до пяти минут - ЭБК-2 и ЭБА-2 (распадающаяся со средней скоростью соответственно катионная и анионная БЭ) и более пяти минут - ЭБК-1 и ЭБА-1 (медленнораспадающаяся соответственно катионная и анионная БЭ).
Большинство полученных в данной работе образцов БЭ относятся к медленнораспадающимся эмульсиям ЭБА-1 и ЭБК-1.
Вязкость любых жидкостей проявляется при перемещении в потоке разных слоев друг относительно друга с различной скоростью Свободно дисперсные (жидкостные) системы также обладают вязкостью и способностью течь.
Вязкость БЭ имеет немаловажное значение. Она влияет на способность БЭ растекаться по поверхности минерального наполнителя, проникать в мелкие щели и трещины. Вязкость влияет на скорость распада эмульсии в процессе её применения. В некоторых случаях может использоваться БЭ со сверхвысокой или сверхнизкой вязкостью. Например, БЭ с повышенной вязкостью целесообразно применять на наклонных участках дорог.
Для характеристики вязкости БЭ используют относительную величину, определённую с помощью специальных вязкозиметров в соответствии с ГОСТ 18659-81. По данному методу вязкость характеризуется временем истечения 50 мл БЭ через калиброванное отверстие вискозиметра, при заданной температуре. Последовательность проведения анализа следующая: -процеженная через сито (№ 2-3) битумная эмульсия (сито предварительно смачивается раствором1 щелочи, либо кислоты, в зависимости от типа эмульсии) в количестве 50 мл заливается в емкость для продукта в вискозиметр условной вязкости ВУ - ЗМ; -в рубашке вязкозиметра находится вода — термостатирующий агент (по температуре проведения испытания подбирается температура воды в рубашке); -после установления необходимой температуры открывается сливной канал и замеряется время истечения (измерения проводится три раза и берется среднее время, как результат измерения).
Расслоение БЭ связано, прежде всего, с протеканием в системе процессов флокуляции и коалесценции. Определение устойчивости полученных образцов БЭ в данной работе производилось двумя способами.
Первый способ (более простой) заключался в определении количества дней, при которых эмульсия сохраняла (в определённой степени) свои исходные свойства. Таким образом, результатом исследования эмульсии данным способом являлось определение одного значения - времени разрушения. За время разрушения принималось время полного разрушения эмульсии, т.е. отделение дисперсной среды от дисперсной фазы и невозможность восстановить прежнее состояние без нагрева и повторного диспергирования.
Второй способ заключался в отслеживании кинетики расслоения. Для количественного определения данным способом интенсивности расслоения выбранных образцов эмульсий использовался следующий метод: проба битумной эмульсии помещалась в стандартную химическую пробирку с поперечным сечением 0,079-10" м и высотой 10 см таким образом, чтоб высота слоя БЭ составляла 8 см; далее каждые сутки производился замер общей высоты слоя эмульсии и слоя отделившейся водной фазы, если таковой имелся, и рассчитывалась его доля по формуле (2.2); рассчитанная величина являлась мерой интенсивности расслоения на момент измерения.
Получение битумной эмульсии при помощи дезинтегратора
Для сравнения эффективности предложенных вариантов был проведён ряд опытов, и получены образцы БЭ, приготовленные тремя способами (включая исходный вариант установки). Результаты данных исследований представлены на рисунке 3.9. Из рисунка видно, что образцы БЭ эмульгируемые исходным способом на 10-12% менее устойчивы к расслоению, чем БЭ, эмульгируемые по первому варианту модернизации, и на 12-20%, чем БЭ эмульгируемые по второму варианту модернизации процесса. А Исходный вариант
На первых этапах исследования была изучена модификация исходного битума различными аминами и гликолями с целью повышения адгезии образцов. Далее модифицированный битум шёл на приготовление эмульсии катионного типа.
Ввод модификаторов осуществлялся в разогретый до температуры 115-125 С битум с последующим перемешиванием лопастной мешалкой. Модификаторы вводились в количествах до 3,5% массовых на исходный битум. Наилучшим образом зарекомендовал себя диэтаноламин (ДЭА) при добавлении его в пределах от 0 до 2% масс. Полученные катионные эмульсии на основе ДЭА отличались повышенной дисперсностью. Приготовление же анионных эмульсий из модифицированного аминами битума оказалось невозможным. В работе рассматривалось разбавление исходного битума фракцией дизельного топлива и тяжёлым вакуумным газойлем. Технология внесения этих разбавителей аналогична технологии, описанной выше в случае с аминами и гликолями. В результате разбавления битума более лёгкими углеводородами удалось снизить его температуру размягчения и, как следствие, облегчить процесс эмульгирования. Полученные образцы БЭиз разжиженного битума отличались более высокой дисперсностью. На рисунке 3.10 приведена зависимость температуры размягчения по КиШ битума марки БНД 60/90 от содержания вакуумного газойля в % масс.
Одним из перспективных направлений модификации битумной фазы для приготовления битумной эмульсии следует считать компаундирование исходного битума элементарной (комовой) серой. Сера - продукт установки получение элементарной серы НПЗ (ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»), была выбрана на основании ее дешевизны, доступности, больших ресурсов, что позволит значительно снизить себестоимость, как битума, так и битумных эмульсий в целом. Применение серы было рассмотрено с целью ее утилизации без ухудшения эксплуатационных показателей битумных эмульсий. Решающее воздействие на процесс взаимодействия серы с тяжёлыми углеводо родами оказывает температура. Циклические кластеры серы при температуре до 150 С достаточно стабильны. При более высоких температурах происходит расщепление кластеров и образование радикалов, которые в последствие взаимодействуют с алкеновыми углеводородами с образованием сероводорода. В связи с этим, в данной работе, процесс компаундирования производился при температуре до 140 С.
Для исследования влияния серы на свойства битумов были приготовлены 6 образцов с содержанием серы: 0, 5, 10, 15, 20, 25% масс. Опытные образцы имели общую массу 200 г. Введение комовой серы в битум осуществлялось следующим образом: -в разогретый до 130-135 С битум добавлялось необходимое количество расплавленной серы с температурой не выше 130С (после внесения серы в битум температура смеси резко падала на 10-20 С), -в течение 5 минут температура смеси доводилась до 140 С и начинался отсчёт времени компаундирования (в процессе смешения температура поддерживалась не ниже 130 С)
В работе изучались образцы с работой эмульгирования до 400 Дж. В качестве образца с нулевым содержанием серы брался исходный битум. Его подвергали тем же самым процедурам (нагрев и перемешивание) как и другие образцы.
Дальнейшее исследование заключалось в анализе полученных образцов и приготовлении серобитумных эмульсий (СБЭ).
Анализ образцов серобитумов показал целесообразность использования серы до 6%. Это связано с резким понижением показателя адгезии при более высоких концентрациях.
На начальном этапе, в качестве модификатора дисперсной среды, был взят пищевой крахмал, в связи с его свойством полимеризоваться в водной среде. Ввод данного модификатора в БЭ производился непосредственно добавлением его в водную фазу, до её смешения с битумом. Далее смесь поме щалась в аппарат эмульгирования, где интенсивно перемешивалась и доводилась до рабочей температуры процесса (70 - 90 С). В результате крахмал полностью распределялся в водной фазе, и только после этого в неё добавлялась фаза битума. Состав исследуемых образцов эмульсии приведен в таблице 3.2.
Дальнейшее исследование заключалось в отыскании модификаторов, которые возможно было бы применять в промышленных масштабах. В результате литературной и патентной проработки для дальнейших исследований в качестве модификаторов были приняты соль C11SO4 и цемент марки М-400. Добавление данных модификаторов производилось аналогично рассмотренному выше способу с использованием крахмала. Битумные эмульсии содержащие в своём составе цемент показали себя как весьма неустойчивые, так как увеличивалась жёсткость водной фазы, что подтверждает теорию разложения дисперсионных систем.
Влияние различных параметров на агрегативную устойчивость образцов
При увеличении содержания соли Cu(II) до 0,5% происходило постепенное увеличение условной вязкости (до 115 с), а при дальнейшем увеличении содержания данного модификатора вязкость БЭ практически не изменялась, (при содержании соли 1%, условная вязкость эмульсии не превышала 120 с). Перенасыщение (свыше 1,5% масс.) дисперсной среды солью C11SO4 приводило к появлению осадка, как и в случае с цементом.
Влияние компонентного состава БЭ и модифицирующих добавок на адгезионные свойства «анионных» битумных эмульсий
Основной проблемой «анионных» эмульсий является пониженный показатель адгезии. В большинстве случаев разрушение «анионной», неио-ногенной БЭ на поверхности минерала происходит в результате испарения воды и постепенного увеличения давления на капли битумной фазы. Вследствие силы отталкивания капель становятся неспособны сопротивляться увеличивающемуся давлению и сливаются.
Все исследуемые образцы показали неудовлетворительные результаты по смешению с минеральными наполнителями (менее 40% - образец №3 по ГОСТ Р 52128-2003).
Основными параметрами, влияющими на адгезию АБЭ, являются со держание эмульгатора и рН водной фазы БЭ (при пониженных значениях рН адгезия ухудшалась). Другие факторы (состав и содержание битумной фазы, температура анализа) практически не влияли на этот показатель. С увеличением содержания эмульгатора адгезия АБЭ повышается, однако, даже при использовании щелочного минерального заполнителя, не является удовлетворительной. В среднем, в исследуемых образцах АБЭ показатель адгезии не превышал 40 пунктов.
В качестве добавки к эмульсионно-минеральной смеси использовалась фракция дизельного топлива (ДТ) (см. п.п. 3.2.3). На рисунке 3.24 изображена зависимость исследуемого показателя адгезии от процентного содержания ДТ в смеси с минералом. Состав исследуемой эмульсионной смеси приведён в таблице 3.11.
Результаты эксперимента показали, что адгезия увеличилась при концентрации до 0,5% ДТ, на 4-5 пунктов. Дальнейшее повышение содержания ДТ приводит к значительному снижению адгезии до 25%. В связи с этим можно судить о нецелесообразности применения данного метода для увеличения адгезии рассмотренных БЭ.
Исследования влияния компонентного состава на свойства кати-онных битумных эмульсий (КБЭ) Данный тип эмульсии отличается тем, что для устойчивости образцов БЭ рН водной фазы необходимо поддерживать ниже 7,0.
Основная проблема, с которой пришлось столкнуться в ходе исследований АБЭ, была связана с пониженным показателем адгезии полученных образцов, а, следовательно, со снижением области применения таких БЭ. Был исследован ряд доступных эмульгаторов катионного и анионного типов. Наилучшим образом зарекомендовал себя нефтерастворимый эмульгатор катионного типа БП-ЗМ, использовавшийся в предыдущих работах как адгезионная присадка к нефтяным битумам.
Для получения образцов битумных эмульсий использовался метод механического дезинтегрирования (с помощью коллоидной мельницы), который описан во второй главе. В ходе исследований были изучены такие свойства БЭ, как интенсивность расслоения при различных температурах, срок хранения, вязкость при 30 и 50 С, адгезия к минеральному материалу. Все полученные образцы имели в своём составе 30% битума БНД 60/90, для активации эмульгатора использовался 35% раствор НС1. В качестве основного вяжущего использовался нефтяной окисленный битум марки БНД 60/90, полученный на ООО «Битум» г. Салавата и ОАО «Салаватнефтеоргсинтез». Свойства данных веществ подробно приведены во второй главе настоящей работы.
3.4.1 Подбор состава исследуемых образцов КБЭ
Для изучения свойств катионных БЭ на основе эмульгатора БП-ЗМ вначале был выбран интервал исследуемых концентраций эмульгатора. В таблице 3.12 представлены составы полученных образцов. Выбор верхнего предела (2,6% масс.) связан с экономической нецелесообразностью получения БЭ с более высоким содержанием БП-ЗМ. Нижний предел был подобран исходя из требований ГОСТ 18659-73 минимального срока хранения - 7 суток. Эмульсии с содержанием эмульгатора менее 0,4% масс, хранились менее одного дня. Из таблицы 3.12, видно, что практически все образцы с содержанием эмульгатора ниже 0,8% (№1 - №7) хранятся менее 7 суток.
Теоретически необходимое содержание 35% раствора НС1 в эмульсиях рассчитывалось по рекомендациям [64]. Как видно из таблицы, для получения стабильной эмульсии требовалось количество кислоты, превышающее расчётное в 1,5-1,7 раз.
Дальнейшие исследования свойств БЭ проводилось с образцами №8, 10, 12, 14, 15, 16, 17, выдержавшими данное испытание и имеющими наименьшую кислотность. Основной упор был сделан на определение характера влияния катионного эмульгатора БП-ЗМ на свойства КБЭ, и было подробно изучено влияние интенсивности эмульгирования на реологические свойства КБЭ.
Влияние содержания эмульгатора на агрегативную устойчивость образцов КБЭ. В процессе хранения БЭ наблюдается постоянное расслоение битумной и водной фаз. Степень расслоения зависит от состава и технологии приготовления образцов эмульсий. Также при отсутствии должных условий хранения, а именно герметичности и наличия воздушного пространства в емкости для хранения эмульсии, возможна постоянная потеря водной фазы связанная с её испарением. Процесс разрушения КБЭ полностью аналогичен процессу разрушения АБЭ.
Для экспериментального определения интенсивности расслоения выбранных образцов эмульсий использовался метод, описанный во второй главе, результатом которого является показатель расслоения (доля отделившейся водной фазы - GB). В таблице 3.13 представлены экспериментальные значения величин GB для исследуемых образцов.
