Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Литературный CLASS обзор
1.1 Нефтяные битумы и полимерно-битумные композиции 7
1.2 Химический состав нефтяных битумов 8
1.3 Современные представления о структуре нефтяных битумов и полимерно-битумных композиций 14
1.4 Производство нефтяных битумов и полимерно-битумных композиций 19
1.5 Показатели качества битумов и полимерно-битумных композиций 23
1.6 Влияние состава полимерно-битумных композиций
на их показатели качества 27
1.7 Влияние природы полимерного модификатора на показатели качества полимерно-битумных композиций 29
1.8 Изменение эксплуатационных показателей полимерно-битумных композиций при воздействии повышенных температур 37
1.9 Способы регулирования показателей качества полимерно-битумных композиций 44
2. Объекты и методы исследования
2.1 Объекты исследования 48
3. Экспериментальная часть
3.1 Регулирование показателей качества битумных композиций компаундированием битумов различных структурных типов 52
3.2 Регулирование показателей качества битумов и битумных смесей модификацией дивинилстирольными термоэластопластами
KratonD 1101 и дет 30-01 59
3.3 Регулирование показателей качества ПБК при использовании углеводородных пластификаторов. 70
3.3.1 Регулирование показателей качества ПБК при использовании индустриального масла И-40 и нефтяного пластификатора ПН-6 73
3.3.2 Стабильность показателей качества ПБК, приготовленных с использованием индустриального масла И-40 89
3.3.3 Регулирование показателей качества ПБК при использовании низкокипящих пластификаторов 91
3.3.4 Использование низкокипящих пластификаторов с однородным химическим составом в качестве компонента ПБК 95
3.3.5 Использование в составе ПБК пластификаторов со сложным химическим составом 105
3.4. Определение влияния технологических параметров процесса смешения компонентов на свойства ПБК 112
3.4.1. Влияние температуры смешения на показатели качества ПБК и продолжительность процесса приготовления ПБК 113
3.4.2. Определение влияния последовательности смешения компонентов на показатели качества ПБК 119
3.4.3 Устойчивость показателей качества ПБК различного состава к воздействию высоких температур при их эксплуатации. 122
Выводы 139
Литература 141
Приложения
- Современные представления о структуре нефтяных битумов и полимерно-битумных композиций
- Изменение эксплуатационных показателей полимерно-битумных композиций при воздействии повышенных температур
- Регулирование показателей качества битумных композиций компаундированием битумов различных структурных типов
- Регулирование показателей качества ПБК при использовании низкокипящих пластификаторов
Введение к работе
Нефтяные битумы и материалы на их основе получили широкое распространение в дорожной отрасли благодаря ряду ценных свойств и относительно невысокой стоимости. Наиболее существенными недостатками выпускаемых битумов являются отсутствие эластических свойств, относительно низкая теплостойкость и неудовлетворительные низкотемпературные показатели. Модифицирование битумов полимерами позволяет получить более совершенный продукт с высокими эксплуатационными характеристиками.
Качество полимерно-битумных композиций (ПБК) определяется, главным образом, результатом взаимодействия трех основных исходных веществ – битума, пластификатора и полимера. Можно подразделить основные приемы регулирования свойств ПБК, изменяя их следующим образом:
-компаундированием нескольких марок битума;
-введением в битум того или иного полимерного модификатора;
-введением в состав композиции пластификаторов, корректирующих компонентный состав исходного битума;
-изменением последовательности этапов и температурно-временного профиля процесса смешения компонентов.
Недостаток в научной литературе сведений по определению относительной эффективности указанных приемов и влиянию химического состава исходных компонентов на характеристики получаемых ПБК определяет актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель – оптимизация технологии производства, усовершенствование и разработка эффективных приемов регулирования показателей качества ПБК. Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:
1. Определить влияние свойств и группового химического состава исходных компонентов - битумов, термоэластопласта, пластификаторов - на показатели качества ПБК.
2. Провести сравнительную оценку эффективности способов регулирования показателей качества ПБК.
3. Определить влияние параметров технологического режима, а именно, температурно-временного профиля процесса производства ПБК и последовательности отдельных стадий, а также продолжительности и интенсивности нагрева на уровень показателей качества ПБК.
1. Выявлена закономерность изменения эксплуатационных показателей (Тр, П25, Eотн, Eост, Э, Тхр) ПБК при введении в композицию термоэластопласта Kraton D 1101 в зависимости от группового химического состава, концентрации и природы битума и пластификатора. Установлено, что низкое содержание масел (30,5% мас.) и высокое содержание асфальтенов (36,6% мас.) в битуме препятствует растворению термоэластопласта и образованию пространственной, армирующей битум, структуры. Введением в композицию 6-15% мас. пластификаторов И-40 и ПН-6 можно эффективно корректировать групповой химический состав ПБК и изменять показатели качества ПБК в широких пределах.
2. Впервые показано, что модификация битумов III-го структурного типа по классификации А.С. Колбановской добавкой термоэластопласта Kraton D 1101 наиболее эффективна при его концентрации 6-8% мас. и содержании пластификатора И-40 в композиции в количестве 9-12% мас.
3. Выявлены аномальные изменения температуры размягчения (снижение на 14-21оС) и пенетрации (возрастание на 40-60 мм-1) ПБК на основе битума БНД 60/90, модифицированного термоэластопластом марки Kraton D 1101 (6 - 9% мас.) при длительном (до 300 мин.) термостати-ровании в интервале температур 220 - 260оС. Установлено, что указанные изменения в большей степени связаны с деструкцией полимерного модификатора.
4. Выявлено доминирующее влияние фактора интенсивности нагрева ПБК на уровень показателей качества композиции по сравнению с фактором продолжительности процесса смешения компонентов в интервале температур 140-200оС.
1. Установлено, что для производства ПБК на основе битума марки БДУС 70/100, модифицированного термоэластопластом Kraton D 1101, пластификатор И-40 (индустриальное масло) предпочтительнее пластификатора той же природы ПН-6 вследствие того, что полученные ПБК обладают более широким температурным интервалом работоспособности (Тр - Тхр).
2. Показано, что в производстве ПБК наиболее рациональной является последовательность смешения компонентов при которой термоэластопласт Kraton D 1101 полностью или частично растворяют в пластификаторе И-40 или ПН-6, после чего полученный раствор смешивают с битумом.
3. Выявлено, что последовательность стадий смешения компонентов (битум БДУС 70/100, термоэластопласт Kraton D 1101, пластификатор И-40) влияет, главным образом, на продолжительность и температуру процесса приготовления ПБК; изменение уровня эксплуатационных показателей (Тр, П25, Eотн, Eост, Э) при различных вариантах последовательности смешения вышеуказанных компонентов незначительны и находятся в пределах погрешности методик определения.
4. Выявленные зависимости изменения показателей качества ПБК при термостатировании (продолжительностью до 300 мин. при температуре 180-260оС) позволяют оптимизировать температурный режим и технологию производства, хранения и применения ПБК производителями и потребителями битумных материалов.
5. Разработана рецептура и технология производства ПБК, рекомендованной к использованию в качестве стабилизирующей добавки для введения в асфальтобетонную крошку при проведении горячего ресайклинга. Это позволяет получить регенерированную асфальтобе-тонную смесь с показателями качества, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 9128-2009. В состав добавки входят: битум БНД 60/90 в количестве 67% мас., масло индустриальное И-40 30% мас. и термоэластопласт Kraton D 1101 3% мас.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на 6 международных форумах и конференциях.
ПУБЛИКАЦИИ: по материалам работы опубликованы 7 печатных работ, включая 3 научные статьи в рецензируемых научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК. К диссертационной работе прилагаются два акта внедрения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 страницах, включает 38 рисунков, 29 таблиц, 2 приложения. Список литературы содержит 175 наименований.
Современные представления о структуре нефтяных битумов и полимерно-битумных композиций
Нефтяные битумы представляют собой смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых, наряду с углеродом и водородом, входят кислород, сера и азот, а также целый ряд микропримесей металлов (V, Ni, Fe, Са, Mg, Си, Ті, Mo, Со, Сг, и др.) [15-17].
Битумы хорошо противостоят воздействию различных химических реагентов, водо- и газонепроницаемы, устойчивы к действию различных видов радиации и длительному тепловому воздействию [18].
Из-за того, что битумы состоят из большого числа химических соединений, разделение их на чистые компоненты представляется весьма сложной и нецелесообразной задачей. Во многих случаях оказывается достаточно для характеристики битума определить содержание отдельных классов и групп веществ. Общепринятой является методика разделения веществ по их избирательному отношению к растворителям и адсорбентам [19]. в основе методов разделения компонентов битума [20-27] лежит выделение нерастворимой в н-алканах части и разделение растворимой на силикагеле. По этому методу можно выделить следующие основные группы веществ: асфальтены - соединения, нерастворимые в алканах С5-С7; смолы -соединения, растворимые в алканах и десорбируемые с поверхности силикагеля бензолом или его смесью со спиртом, но не десорбируемые алканами; масла -соединения, растворимые алканами и десорбируемые указанными элюентами. Смесь масел и смол называют мальтенами.
Также в составе битума выделяют карбоиды (часть битума, нерастворимая в сероуглероде) и карбены (вещества, растворимые в сероуглероде, но нерастворимые в бензоле и четыреххлористом углероде).
К маслам принято относить парафино-нафтеновые соединения (ПНС), моноциклоароматические соединения (МЦАС) и бициклоароматические соединения (БЦАС), разделяемые методом адсорбционной жидкостной хроматографии. Масла представляют собой вязкие жидкости от светло-желтого до темно-коричневого цвета, плотностью меньше единицы и молекулярной массой 400-600 а.е.м.
Парафино-нафтеновые соединения (ПНС) - это бесцветные вещества с температурой плавления 56-90С, плотностью около 800 кг/м3, с содержанием углерода 85-86% мае. и водорода 14-15% мае. В состав ПНС входят углеводороды нормального и изостроения с числом атомов углерода до 30 и гибридные соединения, содержащие от 1 до 6 нафтеновых циклов, связанных слаборазветвленными алифатическими цепочками, содержащими до 40 атомов углерода. Ri Ri=1-3 СНз-Еа=СзН7-С1аН2з; л- число ыолекул в ассоциате. 0=1,2 Моноциклоароматические соединения (МЦАС) представляют собой вязкие жидкости светло-желтого цвета с температурой застывания -11- -- 6С и плотностью около 900кг/м .
Содержание углерода в МЦАС колеблется от 86 до 87% масс, а содержание водорода 11-12% мае. В состав МЦАС входит сера (до 1,5%) и следы азота и кислорода. Гибридные структуры МЦАС содержат бензольное кольцо, сопряженное с 3-4 нафтеновыми кольцами с алкильными заместителями с числом атомов углерода от 1 до 3-4. Как правило, молекула МЦАС с бензольным кольцом образует ассоциат вместе с аналогичной молекулой полностью насыщенной, т.е. без ароматического кольца. Содержание МЦАС в битумах колеблется от 10 до 25%. Моноциклоароматические соединения: Ri, Ш -тоже,что в ПНС. п
Бициклоароматические соединения (БЦАС) представляют собой вязкие жидкости желто-коричневого цвета с температурой застывания (-8) - - (-2)С, плотностью около ЮООкг/м . в их состав входят 85-88% мае. углерода, 10-11% мае. водорода, до 4% мае. серы и до 1%мас. азота и кислорода.
БЦАС имеют схожее строение с МЦАС. Молекулы БЦАС представляют собой систему из 5-6 конденсированных колец, два из которых ароматические, а оетальные - насыщенные. Ассоциаты БЦАС также могут состоять из двух молекул, одна из которых имеет насыщенный характер. RI=1-2 HJ; К2=тоже,что в1редыдущее компонентах. п=1-2
Смолы - вязкие малоподвижные жидкости или аморфные твердые тела от темно-коричневого до темно-бурого цвета с плотностью около 1000кг/м или несколько больше. Молекулярная масса смол в среднем от 700 до 1000 а.е.м. Смолы нестабильны, при выделении из нефти или ее тяжелых остатков перестают растворяться в н-алканах Сз-Св, т.е. превращаются в асфальтены. В их состав входят 78-88% мае. углерода, 8,5-9,5%) мае. водорода, 1-10% мае. серы, до 2% мае. азота и других элементов, включая металлы.
Молекулы смол представляют собой полициклическую систему из 5-6 колец, из которых два являются ароматическими. Большая часть молекул смол находится в виде ассоциатов - двух объединенных молекул. Некоторые ароматические циклы содержат атомы серы или азота, которые входят в каждую молекулу этого компонента.
Смолы подразделяют на две группы - толуольные (ТС) и спиртотолуольные (СТС). СТС отличаются наличием периферийных кислородсодержащих групп. Благодаря кислородсодержащим группам СТС склонны к образованию ассоциатов. Толуольные смолы: Ri=1-2CH3; 1й=тоже лто в предыдущих компонентах. п=1-2 Спиртотолуольные смолы: Ш=1-2СНз: К2=тоже:что в предыдущих компонентах. 1=1-2
Асфальтены сильно отличаются от остальных компонентов тем, что их молекулы имеют три ароматических или гетероароматических кольца. Это аморфные твердые тела темно-бурого или черного цвета. При нагревании они переходят в пластическое состояние при температуре около 300С, при более высокой температуре разлагаются с образованием газообразных и жидких веществ и твердого остатка (кокса).
Плотность асфальтенов несколько больше 1000кг/м3, а молекулярная масса в зависимости от метода определения может колебаться от 2000 до 140 000 а.е.м. В настоящее время арбитражным методом определения молекулярных масс является криоскопия в нафталине или осмометрия сильно
Изменение эксплуатационных показателей полимерно-битумных композиций при воздействии повышенных температур
Основные компоненты для производства большинства полимерно-битумных композиций можно отнести к следующим группам материалов: - нефтяные битумы различных марок; - полимерные модификаторы; - пластификаторы (масла, гудрон, мазут), - различные добавки (антиокислительные, адгезионные) корректирующие эксплуатационные свойства ПБК.
Практически любую полимерно-битумную композицию при изучении свойств и структуры можно представить как совокупность трех основных компонентов - битума (состоящего из мальтенов и асфальтенов), пластификатора и полимера. С этой точки зрения их свойства представляются средним арифметическим свойств указанных компонентов и для формирования целостной картины описывающей их своеобразие необходимо изучить свойства этих компонентов по отдельности и взаимодействие их между собой. В данной работе были последовательно рассмотрены важнейшие составляющие полимерно-битумных композиций, исследованы их свойства и особенности взаимодействия с другими компонентами.
Таким образом, основными объектами исследования служили битумы различных марок и полимерно-битумные композиции на их основе, содержащие также полимерный модификатор типа СБС и добавки пластификаторов. Характеристики использованных в работе нефтяных битумов приведены в таблице 5.
В работе использовали термоэластопласты дивинилстирольные (порошкообразные) марок «Kraton D 1101» производства фирмы «Kraton Polymers» и ДСТ 30-01 производства ОАО «Воронежсинтезкаучук» в соответствии ТУ 38 103267-99 (таблица 6). Таблица 6 - Сравнительная характеристика использованных в работе термоэластопластов. № Параметр Ед. измер. ДСТ 30-01 Kraton D 1101 1 Содержание стирола % 27-32 31 2 Характеристическая вязкость Дл/г 1,0-1,4 3 ПТР, 190С г/10 мин 1 4 Твердость Шор А 65-75 72 5 Условная прочность при растяжении МПа 19,5 33 6 Относительное удлинение при разрыве % 650 880 7 Плотность г/см 0,94 0,94 В качестве пластификаторов использовали ряд нефтепродуктов: - масло индустриальное И-40 (ГОСТ 20799-88); - пластификатор нефтяной ПН-бк (ТУ 38.1011217-89); - толуол нефтяной (ГОСТ 14710-78); - бензин автомобильный АИ-92 (ГОСТ Р 51105-97); - бензин-растворитель БР-2 (Нефрас С-2 80/120) (ТУ 38.401-67-108-92); - дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-82); - уайт-спирит (ГОСТ 3134-78); - керосин ТС-1 (ГОСТ 10227-86); - растворитель № 646 (ГОСТ 18188-72); - растворитель № 647 (ГОСТ 18188-72). 2.2. Методы исследования и аппаратура. Для решения поставленных задач использовали следующие методы: - экстракционное извлечение асфальтенов из битумов; - хроматографическое разделение масел и смол (колоночная хроматография) по методу ВБИИНП-СоюздорНИИ; - оптическая микроскопия в проходящем свете на микроскопе МБИ 11У4.2, увеличение 600-1400; - определение температуры размягчения (Тр) - ГОСТ 11506-78; - определение глубины проникновения иглы (П25) - ГОСТ 11501-78; - определение относительного удлинения (Еотн) - ГОСТ 2678-87; - определение остаточного удлинения (Гост) - ГОСТ 2678-87; - определение температуры хрупкости (Тхр) - ГОСТ 11507-78; - определение сцепления ПБК с минеральным материалом (адгезия) ГОСТ 11508-74; - определение однородности ПБК - ГОСТ Р 52056-2003, п. 6.1; Для всех исследуемых в настоящей работе битумов и композиций использовали одинаковые методы определения эксплуатационных показателей, чтобы была возможность сравнить их свойства вне зависимости от конкретного предназначения и состава каждой композиции. Таким образом, можно получить точную картину изменений свойств при коррекции качественного и количественного состава, а также обобщить результаты исследования.
Для графической и статистической обработки данных были использованы программы Excel (Microsoft) и Statistica (StatSoft). Определение компонентного состава битума проводили по методике БашНИИНП-ВНИИНП[5,73]. Навеску битума помещали в бумажный фильтр, а затем в аппарат Сокслета. Экстракцию мальтеновой части проводили н-гексаном до тех пор, пока фильтр с асфальтенами не переставал окрашивать используемый растворитель. По окончании экстракции фильтр высушивали до постоянного веса и определяли количество асфальтенов. Гексан из фильтрата (образовавшегося после отделения асфальтенов и содержащего мальтены) отгоняли на ротационном испарителе.
Прокаленный силикагель марки АСК смачивали гексаном и заполняли хроматографическую колонку. Навеску мальтенов растворяли в небольшом количестве гексана и помещали в колонку. Отдельные фракции мальтенов извлекались из слоя силикагеля элюентами: - парафино-нафтеновые углеводороды (ПНС) - гексаном; - моноциклоароматические соединения (МЦАС) - смесью гексана и толуола (9:1); - би- и полициклоароматические соединения (БЦАС) - смесью гексана и толуола (8:2); - толуольные смолы (ТС) - толуолом; - спирто-толуольные смолы (СТС) - смесью этилового спирта и толуола в соотношении 1:1 до полного извлечения смол (бесцветный элюат). Границы фракций определяли по свечению в ультрафиолетовом свете полосок фильтровальной бумаги, смоченной каплей раствора из колонки. При этом ПНС не светятся, МЦАС проявляют голубое свечение, БЦАС - зеленое свечение, ТС-желто-коричневое, СБС не проявляют свечения. Растворы из тарированных колб отгоняли на ротационном испарителе и определяли содержание фракций.
Регулирование показателей качества битумных композиций компаундированием битумов различных структурных типов
Была проведена серия опытов по определению максимальной растворимости термоэластопласта Kraton D 1101 в изучаемых пластификаторах. Значения этого показателя закономерным образом возрастают при увеличении температуры проведения опыта. Следует принимать во внимание тот факт, что насыщенный при высокой температуре раствор термоэластопласта становится перенасыщенным при понижении температуры, поэтому режим приготовления композиций является важным технологическим фактором, подлежащим тщательному изучению. Так, для определения пределов растворимости толуола в зависимости от температуры смешения был проведен эксперимент, результаты которого отражены на рисунке 24.
Зависимость растворимости термоэластопласта Kraton D 1101 от температуры его нагрева имеет практически прямолинейный характер (рисунок 24). Обнаружено, что насыщенный раствор термоэластопласта в толуоле. гомогенный при 80 и 100С, мутнеет при понижении температуры до 20-25С, что связано с коагуляцией полимерных частиц модификатора. Так как материалы из ПБК эксплуатируют, как правило, при температуре окружающей среды (в Северо-Западном регионе РФ она колеблется в пределах +20 + -25С), то рассчитывать состав ПБК следует, принимая во внимание максимальную растворимость термоэластопласта в указанном интервале температур.
Для пластификаторов, перечисленных в таблице 18, предельные концентрации растворенного термоэластопласта Kraton D 1101 определяли при температуре 20С. Обнаружено, что даже при указанной температуре в пластификаторах ароматического характера можно растворить количество дивинилстирольного термоэластопласта, достаточное для синтеза ПБК с широким интервалом эксплуатационных характеристик. В этом случае нет необходимости в нагревании реакционной смеси, что снижает пожароопасность выбранной технологии приготовления ПБК.
Таблица 19 - Предельная растворимость термоэластопласта Kraton Dl101 в исследованных пластификаторах при 20 С. Пластификатор о Н ик н иН Ік ксо іРч W нК Кко1н I—н1инк коО чо кеЗ ОИ о Кн к Максимальная растворимость, % мае, при 20С 14 4 15 1 10 15 1 8 1 1 На основе проведенных опытов с изучением низкокипящих пластификаторов была выявлена целесообразность их разделения на две группы: 1) индивидуальные, химически однородные пластификаторы с фиксированной температурой кипения; 2) многокомпонентные пластификаторы, характеризующиеся широким фракционным составом, с определенным пределом выкипания компонентов.
Необходимость такого разделения следует из их особенностей при приготовлении и использовании ПБК. Химический состав пластификатора оказывает влияние на растворимость термоэластопласта Kraton В 1101 и групповые компоненты битума. Фракционный состав пластификаторов и температура их кипения определяет кинетику испарения пластификатора из массы ПБК. Это явление имеет определяющее значение для композиций холодного применения, основные эксплуатационные свойства которых проявляются после испарения пластификатора.
Интенсивность испарения пластификаторов с однородным химическим составом практически постоянна во времени, если не лимитирована такими факторами, как диффузия через слой ПБК. Для смесевых пластификаторов этот показатель имеет более сложный характер изменения, связанный с неоднородностью компонентного состава.
Можно выделить следующие характеристики пластификаторов, имеющие приоритетное значение при использовании их в качестве компонента ПБК: - совместимость с компонентами ПБК (битум, полимер); - динамика испарения из слоя ПБК (потеря массы); - технология производства ПБК, связанная со значениями показателей, характеризующими пластификатор; - эксплуатационные показатели ПБК на основе используемых пластификаторов. Однородные по химическому составу пластификаторы позволяют однозначно регулировать характеристики ПБК, определив предварительно растворимость каждого компонента ПБК в выбранном веществе. В этом случае в композицию не вводят «балластные» компоненты, как в случае смесевых пластификаторов, что существенно повышает экономическую и технологическую целесообразность использования пластификатора указанного типа.
Так как по результатам предварительного исследования композиции на основе толуола оказались наиболее удовлетворительным по своим характеристикам, в данной работе им было посвящено преимущественное внимание. Для других низкокипящих пластификаторов были определены пределы растворимости полимера, а также оценены перспективы использования в качестве компонента ПБК.
Как правило, низкокипящие пластификаторы применяют в производстве ПБК холодного отверждения, которые используют без предварительного нагрева, и которые приобретают окончательные эксплуатационные характеристики после испарения пластификатора (полностью или некоторой части).
Регулирование показателей качества ПБК при использовании толуола в качестве пластификатора. Толуол является одним из самых распространенных растворителей в химической промышленности, его стоимость относительно невелика и, благодаря ароматической природе, он хорошо совмещается с битумом и, следовательно, дивинилстирольным термоэластопластом.
Для исследования использовали смесь битумов БН 90/10 и БДУ 70/100, позволяющую регулировать значения показателей композиции изменением соотношения масел, смол и асфальтенов в исходной смеси битумов.
Определить влияние качества битумной составляющей на свойства полимерно-битумных композиций можно по изменению значений их основных эксплуатационных показателей. В рамках данного исследования изменяли соотношение битумов и определяли основные эксплуатационные характеристики композиции (таблица 20). Для этого были приготовлены образцы ПБК с постоянным содержанием термоэластопласта Kraton D 1101 5% мас, так как такое количество позволяет заведомо получить в массе композиции развитую структурную сетку модификатора [181]. Опытным путем было определено, что оптимальной концентрацией толуола в ПБК на основе битума БДУ 70/100 является 25-30% мае.
Образцы композиций приготавливали растворением термоэластопласта Kraton D 1101 при температуре 20-25С в толуоле. Отмеренные порции битумов в твердом состоянии помещали в металлическую емкость и разогревали в электропечи до температуры 120”С, затем перемешивали и вводили раствор модификатора.
Регулирование показателей качества ПБК при использовании низкокипящих пластификаторов
Полученные результаты позволяют сделать ряд заключений о влиянии интенсивности, продолжительности нагрева и компонентного состава на величину изменения показателей ПБК.
Общие тенденции. Из приведенных данных можно выделить ряд общих тенденций и особенностей. Для модифицированных битумов и ПБК с содержанием термоэластопласта Kraton D 1101 3% мае. общее влияние нагревания сказывается относительно однозначно: температура размягчения ПБК плавно возрастает; значения пенетрации, относительного удлинения и эластичности композиций снижаются, а изменение относительного остаточного удлинения имеет переменный характер.
Для ПБК с содержанием термоэластопласта Kraton D 1101 6 и 9% мас, в том числе для композиций с пластификатором И-40, изменение эксплуатационных показателей имеет иной характер. Температура размягчения, эластичность ПБК №№4, 5 и 7 снижается при термостатировании, пенетрация возрастает.
Экспериментальные данные свидетельствуют об антибатном характере изменения показателей качества ПБК. Известно, что при воздействии высокой температуры (16-180С) и кислорода воздуха ароматические компоненты масел и смол окисляются, претерпевают деструктивные процессы [114]. В результате этого происходит накопление смол и асфальтенов, что ведет к возрастанию температуры размягчения и снижению эластичности.
При нагревании преобладают деструктивные процессы в отношении полимерных частиц, что приводит к снижению молекулярной массы термоэластопласта. Результат окисления компонентов битума и пластификатора в этом случае «подавляется» эффектом от деструкции полимерного модификатора. Это предположение подтверждается тем фактом, что композиция №5 с максимальным содержанием термоэластопласта Kraton D 1101 претерпевает самые существенные изменения в характеристиках [112].
Для всех образцов характерно снижение эластичности, что является негативной тенденцией для общей работоспособности товарного продукта.
Влияния продолжительности и интенсивности нагрева.
Можно выделить два основных фактора, влияющие на динамику изменений свойств композиций - интенсивность и продолжительность нагревания. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что эти две величины оказывают прямо пропорциональное воздействие на скорость превращений, протекающих в композициях. Так, по табличным данным и их графическому отражению видно, что чем выше температура, тем быетрее достигаются те же показатели, что и в случае с меньшей температурой, но большей продолжительностью термостатирования.
Установлено, что при повышении температуры до 260С происходящие изменения в эксплуатационных характеристиках, в значительной мере интенсифицируются. Значения показателей при этой температуре достигают больших величин за меньший промежуток времени, чем при меньшей температуре. Ввиду этого, можно заключить, что величина температуры имеет более приоритетное значение для качества ПБК, особенно на интервале температур 220-260С. Таким образом, при практическом использовании ПБК представляются целесообразными вводимые ограничения по продолжительности нагрева и, главным образом, по его интенсивности. Влияние состава ПБК на термостабилъностъ. По приведенным в таблицах 26-28 данным можно сравнить влияние состава ПБК на стабильность эксплуатационных свойств композиций при нагревании.
Образцы ПБК, в составе которых отсутствуют полимер (№№ 1, 2 и 6), относительно устойчивы к действию температуры - изменения их свойств (температура размягчения, пенетрация, относительное удлинение, эластичность) незначительны даже при высокой температуре. И на графиках они представлены практически прямыми линиями с небольшим углом наклона по отношению к оси абсцисс (продолжительность нагревания).
Эксплуатационные характеристики строительного битума БН 90/10 изменяются в ходе эксперимента в наименьшей степени (АТр 4С, П25 5мм" ), что может быть связано с низким содержанием масел (30,5% мае).
Свойства композиций с полимером изменяются в большей степени, по сравнению с модифицированными битумами. Максимальные изменения претерпевает композиция № 5 с содержанием термоэластопласта 9% мае. Несмотря на то, что при температуре 25С композиция № 5 не была однородной из-за коагуляции полимерных частиц, испытания этой композиции проводили с целью дополнить общую информационную базу эксперимента.
Значительно снижается температура размягчения, эластичность и увеличивается пенетрация у образцов ПБК с содержанием термоэластопласта 6% мае. - №№4 и 7. Можно предположить, что именно деструкция макромолекулярных полимерных цепей обуславливает относительно низкую устойчивость этих ПБК к действию высокой температуры.
При сравнении свойств композиций №№4 и 7 можно отметить, что пластификатор при термостатировании оказывает некоторое стабилизирующее действие - температура размягчения, пенетрация и эластичность у композиции №7 изменяется более плавно. По-видимому, высокое содержание парафино-нафтеновых соединений, слабо подверженных окислению компенсируют действие кислорода воздуха, а также ингибируют деструкцию полимера (что выражается меньшим снижением эластичности).
Для образцов с высоким содержанием полимера было отмечено появление неоднородности в виде сгустков к концу опыта при температуре 220 и 260С. По всей видимости, эти сгустки появились в результате превращений полимерных частиц - деструкции и сшивки отдельным молекул.
Можно заключить, что при термостатировании образцов с полимером общие изменения эксплуатационных свойств являются результирующим эффектом от тех превращений, которым подвергаются компоненты битума (масла, смолы, асфальтены) и полимерные частицы. Компоненты битума -мальтены и смолы - подвергаются окислению и деструкции, а полимерные молекулы деструкции и сшивке, в результате чего формируются новый комплекс характеристик композиции. Несомненный интерес взаимное влияние компонентов полимерно-битумных компонентов и полимерной добавки на свойства друг друга при продолжительном термостатировании.
