Улучшенное битумно-полимерное вяжущее

А. М. Прокопий, А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева

УЛУЧШЕННОЕ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНОЕ ВЯЖУЩЕЕ

Ключевые слова: битум, полимер, этерифицированный кремнезем, комплексное битумно-полимерное вяжущее.

В статье представлены экспериментальные данные по оценке влияния полимерной добавки и этерифицирован-ного кремнезема на физико-химические и эксплуатационные свойства битумного вяжущего. Выявлено, что совместное введение в битумы низкоокисленного атактического полипропилена и этерифицированного кремнезема способствует улучшению основных свойств битумных вяжущих.

Key words: bitumen, polymer, esterified silica, complex bitumen-polymer binder.

The article presents experimental data of polymer additive and esterified silica influence estimation to physicochemical and performance properties of bitumen binder. It is revealed that joint introduction of oxidized atactic polypropylene and esterified silica to bitumen binder helps to improve it’s basw properties.

Введение

Нефтяные битумы благодаря ряду ценных свойств нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства, большие масштабы производства и низкая стоимость делают их незаменимыми при производстве мягкой кровли, в строительстве в целях гидроизоляции, сооружении автомобильных дорог, изготовлении мастик и другое [1-3].

Полученные различным способом битумы не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конечному продукту. В таких случаях, довести битум до требуемого качества можно путем компаундирования битумов различного происхождения и способов получения. Свойства компаундированных битумов не имеют ярко выраженной зависимости от свойств исходных ингредиентов. Эксплуатационные свойства этих битумов индивидуальны и определяются экспериментально.

Однако неуклонно повышающиеся требования к качеству и эксплуатационным характеристикам материалов на основе битумов часто не могут быть удовлетворены только за счет выбора сырья и технологии производства битума. В этом случае прибегают к модификации битумов различными добавками как органического, так и неорганического происхождения.

Наибольшее распространение, в качестве модифицирующего агента, получили полимерные материалы или отходы их производства. Последние 15-20 лет полимерные битумы стали применяться особенно широко, по причине того, что полимерные материалы производят десятки тысяч тонн в год и они стали более доступны, во-вторых, при их производстве образуется значительные количества некондиционных материалов, которые не находят квалифицированного использования.

При введении в битум даже небольших их количеств полимеры оказывают влияние на параметры, характеризующие качество битума - повышают температуру размягчения и снижают пенетрацию [4].

Добавки полимеров, позволяют снизить температуру хрупкости и одновременно увеличить теплостойкость битумов. Использование таких модифицированных полимерами материалов повышает сроки службы покрытий. В настоящее время имеются многолетние наблюдения за покрытиями разного рода с

использованием многих видов полимеров. Общим для них является удлиненный срок службы. Наряду с этими свойствами улучшаются, как правило, дефор-мативная способность во всем интервале эксплутаци-онных температур, водостойкость, прочность и другие характеристики.

На сегодняшний день актуальным является вопрос создания комплексных битумных вяжущих, содержащих в своем составе полимер и адгезионную добавку.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования выбран дорожный битум марки БНД-НК 80/120. Основные характеристики битума приведены в таблице 1.

В качестве модифицирующих добавок к битуму были исследованы низкоокисленный атактический полипропилен (ОАІII 1-н) и модифицированный спиртами кремнезем - этерифицированный кремнезем марки Силином БС-300R2.

Таблица 1 - Основные характеристики битумов

Наименование показателя Значения

Температура размягчения по КиШ, 0С 43

Температура хрупкости по Фраасу, 0С -17

Глубина проникания иглы при 250С, х0,1мм 80

Растяжимость при 250С, см 68

Адгезия по ГОСТ 11508-74, баллы

Окисленный атактический полипропилен представляет собой аморфный термопластичный полимер с молекулярной массой 27000-30000, с содержанием изотактической фракции не более 20%, с температурой размягчения 99,5 0С, содержащий 0,27-0,31 % мольных карбонильных групп.

Этерифицированный кремнезем Силином БС-300И2 представляет собой порошок белого цвета, с размером частиц 5-40 нм, гидрофобность кремнезему придает слой ориентированных алкоксигруп С2Н5O, заместивших гидроксильные группы на его поверхности.

Окисленный полипропилен и этерифицирован-ный кремнезема, введенные в нефтяные битумы, приводят к улучшению их свойств [5-7].

Поскольку модифицированные кремнеземы хорошо совместимы с полимерами были приготовлены битумные вяжущие, содержащие одновременно полимер ОАПП-н в количестве 1-5 % масс. и этери-фицированный кремнезем в количестве 1-5% масс.

Модифицированные битумные вяжущие получали следующим образом. Битум нагревали в емкости с мешалкой до 1300С, добавляли рассчитанное количество мелко измельченного термопластичного полимера, перемешивали в течение 5 минут, порционно вводили этерифицированный кремнезем и перемешивали при данной температуре в течение 30 минут.

Лабораторный контроль качества битумных вяжущих проводился в соответствии с ГОСТ 2224590 «Битумы нефтяные дорожные вязкие».

Были исследованы свойства битумных вяжущих на основе ОАПП-н и этерифицированных кремнеземов, получены зависимости основных свойств дорожного битума от количества вводимых исследованных добавок [8].

Введение исследованных добавок в битумное вяжущее приводит к улучшению его эксплуатационных свойств, а именно повышению температуры размягчения, снижению температуры хрупкости, увеличению адгезионных свойств вяжущего к минеральному материалу.

Зависимость температуры размягчения комплексного битумно-полимерного вяжущего от содержания добавок представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Зависимость температуры размягчения битума БНД-НК 80/120 от содержания ОАПП-н и этерифицированного кремнезема

Из графика на рисунке 1 видно, что температура размягчения при совместном введении в битум БНД-НК 80/120 полимера ОАПП-н и этерифицированного кремнезема Силином БС-300 И2 увеличивается. Это объясняется тем, что полимер, введенный в состав битума, и дополнительно введенный этерифи-цированный кремнезем, вызывают объемное увеличение дисперсной фазы. При объемном увеличении дисперсной фазы происходит обеднение битумной системы маслами, расходуемыми на дополнительные связи с введенными добавками, происходит загуще-

ние битумной системы. Вследствие увеличения вязкости повышается температура размягчения.

С увеличением количества добавляемых эте-рифицированного кремнезема и полимера ОАПП-н значение глубины проникания стандартной иглы и дуктильности битумного вяжущего уменьшается. Глубина проникания стандартной иглы в битум (пе-нетрация) - условный показатель, применяемый для характеристики текучести битума. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум. Поэтому, пенетрация, будучи параметром вязкости, при введении в битум добавок снижается. Дуктильность характеризует пластические свойства вязких битумов. Пластичность понижается с повышением содержания дисперсной фазы в структуре битума. В нашем случае с увеличением количества вводимых добавок количество дисперсной фазы увеличивается, поэтому дук-тильность понижается.

Температура хрупкости - граница перехода из упругопластичного в упругохрупкое реологическое состояние.

Зависимости температуры хрупкости битумного вяжущего от количества добавляемых добавок представлены на рисунке 2. Из графиков видно, что при увеличении количества вводимых добавок происходит улучшение показателя температуры хрупкости.

Рис. 2 - Зависимость температуры хрупкости битума БНД-НК 80/120 от содержания ОАПП-н и этерифицированного кремнезема

По современным представлениям битум является сложной коллоидной системой. При добавлении полимера и порошковой добавки в системе сосуществуют несколько дисперсных фаз - асфальтосмолистые вещества, добавленный высокомолекулярный полимер и этерифицированный кремнезем. Молекулы мальтенов существуют не в свободном виде, они сольватируют фрагменты макромолекул. При кристаллизации мальтенов именно из их молекул образуются упорядоченные пространственные структуры.

Если ввести в битум добавки, то для образования этих структур первоначально надо удалить молекулы мальтенов из сольватных оболочек, образовавшихся вокруг макромолекул добавок, а этот процесс требует затрат энергии, поэтому в растворах полимера в мальтенах явления кристаллизации затруднены. Таким образом, причиной понижения температуры хрупкости битумного вяжущего при введении в него полимера могут являться сольватационные эффекты.

Совместное введение в битумное вяжущее низ-коокисленного атактического полипропилена и эте-рифицированного кремнезема приводит к повышению адгезионных свойств вяжущего к минеральному материалу. Свойство адгезии оценивалось по ГОСТ 11508-74.

Выводы

Совместное введение в битумы ОАПП-н и эте-рифицированного кремнезема приводит к повышению температуры размягчения, понижению температуры хрупкости битумов, то есть способствует расширению температурного интервала работоспособности битумного вяжущего.

Совместное введение в битумы ОАПП-н и эте-рифицированных кремнеземов способствует повышению их адгезионных свойств к минеральному материалу.

Литература

1. Гун Р.Б. Нефтяные битумы / Р.Б. Гун - М.: Химия, 1973.432с.

2. Поконова Ю.В. Нефтяные битумы / Ю.В. Поконова. -СПб.: Санкт-Петербургская издательская компания «Синтез», 2005.- 154с.

3. Колбановская А.С. Дорожные битумы / А.С. Колбанов-ская, В.В. Михайлов.- М.: Транспорт, 1973.-255с.

4. Модификация нефтяных битумов: тез. докл. междунар. конф. по химии нефти, 1-4 октября 1991 г. - Томск: ИХН СО РАН, 1991.- 307 с.

5. Абдуллин А.И. Изучение влияния полимерной добавки на свойства битумно-полимерного вяжущего / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, А.М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №9. -С. 205-207.

6. Емельянычева Е.А. Битумное вяжущее дорожного назначения с кремнийорганической добавкой / Е.А. Емельянычева, А.И. Абдуллин, И.Н. Дияров // Материалы II Международной конференции РХО имени Д.И. Менделеева «Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов». - Москва. - 2010. - С. 240242.

7. Емельянычева Е.А. Использование кремнийорганических добавок в качестве адгезивов нефтяных дорожных битумов / Е.А. Емельянычева, А.И. Абдуллин, И.Н. Дияров // Материалы II Международной научной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». - Уфа. - 2010. - С. 93-94.

8. Абдуллин А.И. Полимер модифицированное битумное вяжущее с кремнийорганической добавкой / А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, И. Н. Дияров, А. М. Прокопий // Вестник Казанского технологического университета. -2010. - №7. - С. 209-211.

© А. М. Прокопий - инж. ФКУ «Волго-Вятскуправтодор», асп. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, vvfad@inbox.ru; А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры, lena-ae@mail.ru.