Изучение влияния полимерных добавок на свойства битума

УДК 625. 7. 06

А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, В. Ю. Марков, Т. К. Усманов

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БИТУМА

Ключевые слова: битум, полимер, пенетрация, адгезия.

Изучено влияние полимерных добавок, а именно низкоокисленный атактический полипропилен и побочных продуктов полипропиленовых производств с высокой и низкой степенью полимеризации на пенетрацию, температуру размягчении и адгезию битума. Показано, что с ростом содержания полимеров наблюдается улучшение свойств битума.

Keywords:bitumen, polimer, penetration, adhesion.

The influence of polymeric additives, namely OAPP-n and a polypropylene manufactures by-product with high and low degree of polymerization on a penetration, softening temperature and adhesion of bitumen is studied. It is shown that with growth of the maintenance of polymers the improvement of properties of bitumen is observed.

Введение

В настоящее время дорожные битумы производятся преимущественно путем окисления воздухом остатков перегонки нефти. Качество образующихся связующих во многом определяется типом исходного нефтяного сырья [1]. Значительная часть получаемых таким методом нефтяных битумов обладает недостаточными

эксплуатационными свойствами.

В ряде работ показано, что качественные и эксплуатационные характеристики материалов на основе нефтяных битумов могут быть улучшены путем модификации с использованием полимерных синтетических материалов.

Именно поэтому исследование битумов с добавками полимеров представляет постоянный интерес у исследователей в последние десятилетия. Многообразие появившихся в промышленности полимеров дает новые возможности регулирования свойств битумов в требуемом направлении. Однако повсеместного применения в строительстве асфальтобетонных покрытий полимеры до настоящего времени не нашли, что связано с усложнением технологии приготовления полимербитумных вяжущих и дороговизной полимера [2].

Настоящая работа посвящена изучению полимербитумных вяжущих на основе полимеров, и проведена сравнительная характеристика между исследуемыми полимерами цена - качество.

Объекты исследования

Для исследования были использованы следующие материалы: битум марки БНД 80/120, полученный окислением в Нижнекамске, низко-окисленный атактический пропилен (ОАПП-н), побочные продукты полипропиленовых

производств с низкой и высокой степенью полимеризации. При этом нужно отметить, что побочные продукты производства полипропилена, по сути это отходы производства, не удовлетворяющие требуемому качеству (далее данные полимеры будут указываться как полимер 1 и полимер 2 соответственно). Их отличие прежде

всего заключается в строении и молекулярной массе. Полимер с низкой степенью полимеризации представляет собой смесь олигомеров с расшитой структурой и меньшей молекулярной массой по сравнению с полимером с высокой степенью полимеризации, который представляет собой высоконденсированный полимер с большей молекулярной массой, и если представить его структуру, то она выглядит как сшитый клубок углеводородной цепи, плотного строения.

Экспериментальные исследования

В качестве исходного битума был выбран битум марки БНД 80/120, так как в менее вязком битуме полимер и добавка сильнее проявляют свое влияние. Эта зависимость подтверждается данными Д. К. Томпсона [2], согласно которому, чем выше температура размягчения или молекулярная масса данного битума, тем меньше полимер влияет на его свойства.

Все полимеры исследовали на битуме марки БНД 80/120. Для этого в нагреваемых до 1200С емкостях расплавляли битум, при интенсивном перемешивании добавляли необходимое количество предварительно измельченного полимера. Изучали изменение свойств полимербитумного вяжущего при различных концентрациях полимера: 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%.

Оценка качества битумполимерных вяжущих с полимерами производилась по следующим показателям: пенетрация при 250С; температура размягчения; работа адгезии.

В результате исследования установили, что с увеличением количества полимерной добавки происходит повышение температуры размягчения по КИШ, которая характеризует переход битума из упругопластичного состояния в вязкое, что мы можем наблюдать на рис. 1. При этом эффективность воздействия полимер1 и полимера 2 значительно выше, чем эффективность ОАПП-н. Максимальное модифицирующее воздействие оказывает полимер 2.

Количество добавки, % мае.

♦ полимер 1 полимер 2 А ОАПП-Н

Рис. 1 - Изменение глубины проникания иглы битумного вяжущего БНД 80/120 при 25°С при добавлении разных полимерных добавок

Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, то есть текучести битумов, принимается условный показатель -глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум [3].

Глубина проникания иглы (пенетрация) при 25°С характеризует пластичность и вязкость вяжущего, его технологические свойства.

Количестводобавки,% мае.

♦ полимер 1  полимер 2 А ОАПП-Н

Рис. 2 - Изменение глубины проникания иглы битумного вяжущего БНД 80/120 при 25°С при добавлении разных полимерных добавок

Как видно из рис. 2 пенетрация, как и следовало ожидать, понижается с увеличением содержания полимера. Полимеры адсорбируют масла битума и образуют отдельную дисперсную фазу, что приводит к понижению соотношения масла/асфальтены (М/А), вследствие чего наблюдается возрастание вязкости и понижение пенетрации [4].

Согласно рисунку 2 максимальное воздействие на пенетрацию оказывает так же полимер 2, что может быть объяснено молекулярной

массой полимера и его строением, то есть благодаря высококонденсированной сшитой структуре полимера, он в значительной степени способен адсорбировать мальтеновую часть битума, а следовательно увеличивать вязкость. Также можно отметить, что наблюдается тенденция дальнейшего понижения пенетрация при увеличении содержания полимера 2 и полимера 1, в то время как ОАПП-н при содержании 4-5% выходит на плато, то есть дальнейшее увеличение не изменяет пенетрацию; возможно при этом достигается оптимальное соотношение М/А.

Анализируя рисунки 1-2, мы приходим к выводу, что температура размягчения и пенетрация являются взаимосвязанными показателями; с понижением пенетрации наблюдается повышение температуры размягчения.

Адгезия - это межфазное взаимодействие, результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии.

Процесс адгезии можно рассматривать как адсорбцию битумного вяжущего на поверхности минерального материала. Адсорбция происходит за счет межмолекулярного взаимодействия, и адгезия, соответственно, будет повышаться с улучшением этого взаимодействия, а это достигается путем повышения активности битумного вяжущего введением в его состав полимерных добавок, имеющих активные функциональные группы [5].

В структуре макромолекулы применяемых полимеров присутствуют полярные карбонильные, гидроксильные функциональные группы и двойные углерод - углеродные связи, которые адсорбируются на поверхности минерального материала, тем самым, повышается адгезия. Таким образом, молекулы полимера как бы связывают битум и минеральный материал.

Количественно мерой процесса сцепления битума с поверхностью минерального материала является работа адгезии (рис. 3) . Чем больше будет данная величина, тем лучше будет сцепление битума с минеральным материалом. Поэтому нами была определена адгезия по краевому углу смачивания битумом стеклянной подложки [6].

На рисунке 3 видно, что при применении ОАПП-н работа адгезии равномерно повышается с увеличением количества полимера. Влияние полимера 1 и полимера 2 не однозначно, при концентрации до 2,5% наблюдается рост работы адгезии, но при дальнейшем увеличении происходит ее снижение. Введение набухающего полимера приводит к уменьшению доли масляной фракции и перераспределению ассоциированных асфальтенами масел. При содержании полимеров 2,5% достигается оптимальное содержание полимера,

обеспечивающие максимальную адгезию и удовлетворительное соотношение М/А. Но при дальнейшем введении полимеров 1 и полимеров 2 молекулы последних начинают «конкурировать» с асфальтенами за мальтены битума.

Количество добавки, % мае.

♦ полимер 1 полимер 2 АОАПП-Н

Рис. 3 - Изменение работы адгезии битумного вяжущего БНД 80/120 при добавлении разных полимерных добавок

При достаточно высоком содержании полимеров количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов, и последние коагулируют в виде твердой фазы -битум «распадается», вследствие чего когезия (сцепление частиц вещества, составляющих одну фазу) битума начинает падать. А как мы знаем между когезией и адгезией существует прямая взаимосвязь, приходим к выводу, что и адгезия будет снижаться [7].

Выводы

1. По температуре размягчения битумного вяжущего оптимальными являются образцы, содержащие до 3% полимера, так как при дальнейшем увеличении замечен лишь незначительный рост, при этом нужно выделить, что применение побочного продукта полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации является наиболее эффективным.

2. По твердости наилучшими характеристиками обладают битумные вяжущие с содержанием полимеров также до 3%, наибольшее воздействие оказывает побочный продукт полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации.

3. При добавлении до 2,5% побочные продукты полипропиленового производства с низкой и высокой степенью полимеризации наблюдается увеличение адгезионных свойств, при дальнейшем увеличении происходит понижение;

4. По совокупности физико-химических и эксплуатационных характеристик приходим к выводу, что наиболее приемлемыми являются битумные вяжущие с содержанием полимеров 2,53%, так при этом достигается наиболее оптимальное соотношение всех показателей;

5. Так же следует отметить, что экономически выгоднее использовать побочный продукта полипропиленового производства с высокой степенью полимеризации в качестве модификатора битумного вяжущего, так как ОАПП-н значительно уступает ему по цене (он намного дороже), а побочный продукт полипропиленового производства с низкой степенью полимеризации показал не очень хорошие результаты в качестве модификатора.

Литература

1. И. М. Руденская, А. В. Руденский, Органические вяжущие для дорожного строительства, Транспорт, Москва, 1984, 228 с.

2.Влияние природы битума на стабильность водо-битумных эмульсий на основе проксанолов/ Идрисов М.Р., Абдуллин А.И // Вестник КНИТУ. - 2012, №3. - С. 131-134.

3. Томпсон Д. К. Каучуковые модификаторы. Битумные материалы (асфальты, смолы, пеки)/ Под ред. А. Дж. Хойберга: Пер. с англ. - М.: Химия, 1974. -248 с.

4. Гохман Л.М. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства /Л.М. Гохман // Автомобильные дороги. - 2005. - №5. -С. 19-22.

5. Розенталь Д. А. Изменение свойств дорожных битумов / Д.А. Розенталь, А.М. Сыроежко //Химия и технология топлив и масел.- 2000.- №4.-С.41-43.

6. Худякова Т.С. Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральным материалом / Т.С.Худякова //Химия и технология топлив и масел.-1987.- №6.-С.35-38.

7. Определение прочности сцепления дорожных битумов с минеральными материалами / Е.Е. Никитин [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2002.- №9.- С.28-33.

8. Золотарев В. А. Применение побочных продуктов для улучшения качества асфальтобетона/ В. А. Золотарев, Е. Н. Агеева, Р. Ш. Деревянко // Автомобильные дороги. -1991. - №1. - С.15-16.

© 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; В. Ю. Марков - магистр той же кафедры, markovektor@gmail.com; Т. К. Усманов - магистр той же кафедры, usmanovol7@gmail.com.