ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДОРОЖНОГО БИТУМА МАРКИ БНД 70/100

Наиболее актуальными в нефтеперерабатывающей промышленности, остаются проблемы повышения качества нефтепродуктов, к наиболее массовым среди которых относятся нефтяные битумы. Несмотря на то, что эксплуатационные свойства битума соответствуют необходимым требованиям, дорожные покрытия на их основе не всегда удовлетворяют климатическим условиям эксплуатации в нашей стране.

Дорожные нефтяные битумы чувствительны к перепадам температур, становятся хрупкими на холоде и размягчаются при повышенной температуре, приводя к продавливанию и деформации поверхности дороги [1].

Эксплуатационные свойства битума под влиянием агрессивной окружающей среды также ухудшаются и не всегда могут соответствовать желаемым качественным требованиям.

Тем самым нефтяной битум является дешевым и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при строительстве дорожных покрытий [2].

Зачастую в гудроны и тяжелые остатки переработки нефти необходимо добавлять до 30 % различных продуктов. Это необходимо для улучшения качества производимого вяжущего материала. Если не вводить добавки, то получаемые вяжущие становятся хрупкими и теряют эластичность. Основные физико- химические показатели, которые влияют на эксплуатационные свойства битума ‒ пенетрация, температура хрупкости, температура размягчения, растяжимость. Улучшения этих показателей можно достичь путем введения в состав битумных композиций отходов полимеров [3].

Добавление в нефтяной дорожный битум полимерных отходов повышает их эластичность и прочность, делая дорожное покрытие долговечнее и устойчивее к температурным и механическим воздействиям. Также добавка полимерного материала улучшает пространственную структуру вяжущего [4].

Строительная индустрия стоит на одном из первых мест среди крупнейших потребителей полимерных материалов. Широкому применению полимерных материалов в строительстве способствуют не только высокая химическая стойкость, хорошие декоративные свойства многих из них, но и сравнительная простота применения, технологичность и т.д.

Поэтому в настоящее время проблема переработки отходов полимерных материалов обретает актуальное значение не только с позиций охраны окружающей среды, но и связана с тем, что в условиях дефицита полимерного сырья пластмассовые отходы становятся мощным сырьевым и энергетическим ресурсом [5].

Использование отходов полимеров позволяет существенно экономить первичное сырьё и электроэнергию. Технологические отходы полистирола (ПС) и полиэтилена (ПЭ) по своим физико- механическим и технологическим свойствам не отличаются от первичного сырья. Эти отходы являются возвратными и в основном используются на тех предприятиях, где они образуются. Их можно использовать в качестве самостоятельного сырья при производстве различных изделий. А с целью улучшения экологической и экономической ситуации в нашей стране, эффективно использовать полимерные отходы, как модифицирующие добавки.

Получаемые композиционные материалы имеют улучшенные физико-механические и теплофизические свойства в сравнении с материалами из традиционного сырья [6]. Вовлечение ряда отходов нефтехимических производств позволит существенно улучшить техногенную ситуацию на предприятиях и более квалифицированно использовать полезный потенциал перерабатываемых отходов. Однако, применение в качестве добавок отходов полимерных материалов в РК мало изучены. Поэтому исследования в области улучшения физико-механических свойств дорожного битума путем введения отходов из полимеров до настоящего времени остаются актуальными.

В настоящей работе объектом исследования является нефтяной дорожный битум марки БНД 70/100 Актауского битумного завода. Битум этой марки является крупнотоннажным продуктом нефтепереработки, обладает комплексом ценных технических свойств и широко используется в дорожном строительстве. Сырьем для производства битума является гудрон (тяжелый нефтяной остаток вакуумной перегонки). Физико-химические свойства БНД 70/100 приведены в табл. 1.

Таблица 1- Физико-химические свойства БНД 70/100

Правильно подбирая условия смешения, тип и соотношение полимерных компонентов, можно значительно легче получать материалы с необходимыми свойствами, чем синтезировать новые.

Полимерные отходы полистирола в виде стружки смешивают с горячим нефтяным битумом, при этом битум проникает в частицы полистирола, заставляя их разбухать и плавиться. Эффективность процесса модифицирования зависит от ряда факторов: чем меньше размер частицы полимера, тем больше площадь его поверхности и быстрее проникновение его в битум; чем выше температура процесса, тем быстрее полимерные частицы проникают в битум; чем лучше смешение, тем быстрее обеспечивается равномерное распределение полимера и полное его слияние с битумом.

В процессе модифицирования битума создается межмолекулярная сила сцепления структурных элементов в дисперсионной среде. Механизм совмещения проходит при повышенных температурах и постоянном перемешивании, с последующим образованием гомогенной системы. Важным фактором при этом является структурная стабильность полимер-битумного вяжущего (ПБВ), предотвращающее дальнейшее расслоение битума и полимера.

Методика. Необходимое количество битума разогревают в металлической емкости, добавляют пластификатор в количестве 3 % от массы битума, затем включают обогрев. При температуре 150-160 °С в расплавленный битум в виде хлопьев вводят вторичный ПЭ, в количестве 1, 2, 3 % от массы битума, затем температуру нагрева доводят до 180-200°С. Смешение проводят в течение   30-40 минут. По аналогичной методике проводят модифицирование битума полистиролом без пластификатора.

В качестве модификатора дорожного битума взяты вторичные полиэтилен и полистирол. До начала процесса модифицирования ПС и ПЭ обрабатывают, промывают дистиллированной водой, сушат и превращают в однородный материал. Вторичный ПЭ добавляли вместе с отработанным индустриальным маслом марки И-40, который является пластификатором. Пластификатор уменьшает время смешения битума с полимером, повышает вязкость и улучшает свойства получаемого ПБВ.

ПС вводят в битум без пластификатора, т.к. он одновременно служит как модификатор и пластификатор, за счет своего циклического строения, что в свою очередь приводит к быстрому сцеплению молекул битума и полистирола.

В табл. 2 приведен компонентный состав ПБВ на основе ПЭ и ПС.

Таблица 2 - Компонентный состав битума, модифицированного ПЭ.

Оценку физико-механических свойств битума проводили по следующим показателям: пенетрации, дуктильности, температуре размягчения, вязкости и хрупкости, которые дают практически полное представление о битуме.

Изучены физико-химические показатели ПБВ: глубина проникания иглы, температура размягчения по кольцу и шару (КиШ), растяжимость при 25 °С, температура хрупкости. Результаты анализов представлены в табл. 3

Таблица 3 – Характеристики битума, модифицированного ПЭ

Как видно из табл. 3 требуемых эксплуатационных свойств битума можно достичь варьируя содержание вторичного полимера. Из полученных данных видно, что в случае введения в битум ПЭ при 25°С пенетрация уменьшается до 61 мм., растяжимость при 25°С снижается ‒ с 71 до 19 см, что свидетельствует об улучшении пластичности и эластичности битума. Температура размягчения по КиШ повысилась от 49 до 59°С, это приводит к снижению склонности битума к деформации. Температура хрупкости находится в пределах нормы ‒ не менее -20 °С. На рис. 1 показана графическая зависимость глубины проникания иглы от количественного содержания полиэтилена.

В табл. 4 представлены результаты по модифицированию битума  марки  БНД  70/100  с использованием вторичного ПС.

Таблица 4 – Характеристики битума, модифицированного ПС

Из табл. 4 видно, уменьшение глубины проникания иглы при 25°С с 70 мм до 61 мм, что характеризует твердость битума. Растяжимость увеличивается на 10 см, что свидетельствует об улучшении эластичности и прочности битума, за счет наличия образовавшейся структурной сетки. Повышается температура размягчения, которая ведет к улучшению теплостойкости и вязкости битума. На рис. 2 представлена графическая зависимость температуры размягчения от % содержания ПС.

Таким образом, по результатам исследования можно сделать вывод, что использование полимерных отходов в качестве модификатора значительно улучшают эксплуатационные характеристики дорожного битума марки 70/100. Наилучший результат получен при добавлении 3 % полимеров. С повышением уровня процентного содержания полимерного отхода в битуме температура размягчения повышается и тем самым увеличивается теплостойкость. При уменьшении пенетрации битума увеличивается его жесткость и повышается устойчивость к термической и механической усталости, повышается износостойкость. Температуроустойчивость, твердость и эластичность, полученного ПБВ позволяет дорожной конструкции иметь высокую стойкость к деформациям и возможность эксплуатации в регионах с повышенным температурным климатом.

Применение вторичных отходов ПЭ и ПС позволяют сэкономить первичное сырье, а также оказывает положительное влияние на экологию страны, позволяя переработать запасы вторичного полимерного сырья и отработанных масел, при этом улучшаются эксплуатационные характеристики органических вяжущих материалов.

Список литературы

1.   Поконова Ю.В. Нефть и нефтепродукты / Ю.В. Поконова - СПб.: Изд. «Профессионал», 2003. -902 с.

2.     Гуреев А.А., Чернышева Е.А., Коновалов А.А, Кожевникова Ю.В. Производство нефтяных битумов. - М.: Нефть и газ, 2007. - 103 с.

3.    Гуреев, А.А., Быстров Н.В. Дорожные битумы – вчера, сегодня, завтра // Нефтепереработка и  нефтехимия. - 2013. - № 5. - С. 3-6.

4.   С.И. Вольфсон, Ю.II. Хакимуллин, А. Ю. Закирова, А.Д. Хусаинов. И.С. Вольфсон, Д.Б. Макаров, В.Г. Хошн. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств // Вестник технологического университета. Химическая технология - 2016. - Т. 19. - № 17. - С. 29-33.

5.   Хозин В.Г. и др. Модификация нефтяных битумов полимерами: // Материалы V Акад. чтений РААСН - Воронеж. - 1999. - С. 508-510.

6.   Юсупов А.И. Дорожный битумный композиционный материал с улучшенными характеристиками // Вестник Казан. технол. ун-та - 2012.- Т. 15.- № 12. - С. 205-207.