автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка технологии производства эффективных битумоминеральных композиций для дорожных покрытий

На правах рукописи

V ¿у'"": /у'

ЛОЗИКОВА ЮЛИЯ ГЕННАДЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭФФЕКТИВНЫХ БИТУМОМИНЕРАЛЪНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, аэродромов, мостов, метрополитенов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 MAP 2015

Воронеж - 2015

005560457

005560457

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет» (СКФУ), г. Ставрополь

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Скориков Савва Викторович

Официальные оппоненты Кокодеева Наталия Евсегпеевпа,

доктор технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет имели Гагарина Ю. А., кафедра транспортного строительства, заведующая кафедрой

Евсеев Евгений Юрьевпч,

кандидат технических наук,

ООО «Дорсервис» (г. Воронеж), заместитель

главного инженера

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»)

Защита диссертации состоится «30» апреля 2015 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, аудитория 3220, тел./факс: +7(4732)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета и на сайте: http://edu.vgasu.vrn.ru.

Автореферат разослан «27» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Колосов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Из анализа автомобильных дорог общего пользования видно, что работоспособность сети дорог в Российской Федерации подошла к пределу исчерпания своих возможностей. Сложившаяся ситуация усухубляется непрерывным ростом нагрузи! на дорожные покрытия, что обусловлено непрерывным увеличением в стране количества транспоргных средств. Одним из наиболее целесообразных путей решения данной проблемы является использование новых энерш- и ресурсосберегающих технологий, на основе эмульгированных битумов. При использовании битумов в эмульгированном состоянии устраняются недостатки, характерные для битумов в расплавленном или разбавленном состоянии.

Однако, несмотря на общеизвестные достоинства битумов в эмульгированном состоянии, их производство и использование в нашей стране составляет единицы процентов от общего объема производимых битумов. Такое положение стало возможным из-за отсутствия производства в России эмульгаторов, непостоянства химического состава отечественных битумов, прекращения выпуска оборудования для производства битумных эмульсий и др. Кроме того качество материалов на основе битумных эмульсий, регламентируемых требованиями СНиП 3. Об. 03 - 85, крайне низкое, что сдерживает использование этих материалов в дорожном строительстве.

Поэтому разработка физико-химических и технологических принципов получения эффективных органических композиций на основе эмульгированных битумов и технологии их применения в дорожной отрасли является своевремешюй и актуальной задачей.

Целыо диссертационной работы является разработка технологии производства эффективных битумоминеральных композиций для дорожных покрытий на основе эмульгированных битумов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий;

- разработать катионный эмульгатор ЭмК - 1 на основе использования отходов производства Невшшомысского шерстяного комбината;

- обосновать оценку влияния содержания катионнош эмульгатора ЭмК - 1 па гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и динамику его изменения;

- разработать технологию приготовления эффективных битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах, и их применения в дорожной отрасли;

- определить технико-экономическую эффективность предлагаемой технологии производства битумоминеральных композиций на основе экспериментального внедрения результатов исследований в дорожной отрасли.

Научная новнша:

- сформулированы принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий с заданными свойствами, где, в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы битумных эмульсий, определяется содержание эмульгатора - чем более узкое распределение частиц и чем меньше средний диаметр частиц, тем меньше расход эмульгатора в эмульсии и равномернее распределяются битумные

частицы на поверхности заполнителя;

- впервые предложена технология получения катионного эмульгатора ЭмК - 1 па основе отходов производства Невшшомысского шерстяного комбината, отличающаяся определением эффективной температуры его перемешивания, исключающей бурное вспенивание, что позволяет сократить процесс синтеза во времени;

- разработана технология производства битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе совместного перемешивания их расплава с увлажненным заполтштелем, отличающаяся введением катионного эмульгатора ЭмК - 1 до 1,5 %, улучшающего гидрофобизацию поверхности заполнителя;

- предложена технология повышения качества битумоминеральных композиций за счет введения в смеситель минерального порошка после эмульгирования битума в процессе перемешивания с крупным заполнителем;

- экспериментально подтверждено, что предварительная гидрофобизация или обработка битумом поверхности крупного заполнителя позволяют дополнительно повысить водостойкость битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах.

Научная значимость заключается:

- в разработке принципов управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий, позволяющей оптимизировать технологические режимы приготовления эффективных битумоминеральных композиций на б шумных эмульсиях;

- в получении катионного эмульгатора ЭмК - 1, представляющего собой продукт конденсации многотоннажных отходов жирных кислот Невшшомысского шерстяного комбината, с числом углеродных атомов С более 18 с аминами;

- в обосновашш технологии приготовления эффективных битумоминеральных композиций при эмульгировании расплава битума с увлажненным заполнителем в процессе их совместного перемешивания, отличающаяся введением катионного эмульгатора ЭмК - 1 до 1,5 %.

Практическое значение.

Результаты проведенных диссертационных исследований апробированы в процессе опытно-промышленного внедрения в 2012 - 2014 г.г. на асфальтобетонном заводе ООО «Изобильненская ДПМК».

Результаты диссертации используются в учебном процессе Северо-Кавказского федерального университета в курсах дисциплин: «Дорожно-строительные материалы и конструкции», «Реконструкция автомобильных дорог» для направления подготовки 270800.62 Строительство (профиль «Автомобильные дорога»), а также: «Строительные материалы и изделия» для направления подготовки 270800.62 Строительство (профилей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство»).

На защшу пыпосятся:

- методика оценки влшпшя содержания катионного эмульгатора ЭмК - 1 на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и его динамику во времени, с использовашгем метода лазерного малоуглового светорассеяния гранулометрического состава дисперсной фазы битумных эмульсий;

- теоретическое обоснование и экспериментальная апробация технологии приготовления бшумоминеральных композиций на эмульгированных бшумах по качеству, не уступающим горячим асфальтобетонным смесям;

- эксперимиггальное подтверждение значительного улучшения физико-механических свойств бшумоминеральных композиций за счет возрастания дисперсности (уменьшением размеров) частиц дисперсной фазы бшумных эмульсий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: I Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь,

2010); Международной научно-практической конференции «Инновационное инженерное образование (модели, технологии, опыт и перспективы)» (Невшпюмысск, 2011); Межвузовской студенческой научной конференции «Актуальные проблемы современной науки - новому поколению» (Ставрополь,

2011); Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов» (Невинномысск, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Ставрополь, 2012); III Всероссийской молодежной конференции «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (Москва, 2012); XV и XVI Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2012, 2013); 1-й и П-й ежегодной научно-пракпиеской конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука - региону»; 3rd International Scientific and Practical Conference (ISPC) «Science and Society» (London, 2013); Региональной научно-практической конференции «Инновации молодых учёных Северного Кавказа - экономике России» (Ставрополь, 2014).

Материалы, полученные в работе, экспоштровались на: ежегодной выставке-конкурсе «Инновации года» (Ставрополь, 13 - 14 декабря, 2012); Международной промышленной выставке «HANNOVER MESSE-2013» (Hannover, den 8 - 12, April, 2013); 17-ой специализированной выставке строительных материалов, оборудования, технологий и услуг «СТРОЙКА» (Ставрополь, 22 - 24 мая 2014); финальном туре по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Москва, МГСУ, 5 декабря 2012; 21 октября 2014).

Публикации. Соискатель имеет 29 научных работ, из них по теме диссертации опубликовано 22 научные работы общим объемом 125 страниц, и 1 монография объемом 171 страница, из mix лично автору принадлежит 127 страниц. Пять статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК: «Вестник Северо-Кавказского федерального университета».

В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] изучено влияние твердых эмульгаторов на свойства бшумоминеральных композиций; в работе [2] установлены зависимости атияния природы минеральных порошков на скорость

распада битумных эмульсий; в работе [3] показана возможность эмульгирования битумов, полученных из нетрадиционного сырья; в работе [4] показана возможность повышения качества асфальтобетонов за счет применения разработанной технологии; в работе [5] показана возможность применения твердых эмульгаторов в материалах на основе эмульгирова1шых битумов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 197 источников и 3 приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, включающего 39 таблиц, 66 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследований, показаны научная новизна, научная и практическая значимость работы.

В первой главе автором проведен анализ современного представления о составах, структуре, технологии приготовления, свойствах бшумных эмульсиях и материалах на их основе.

Основополагающий вклад в развитие науки и решение практических вопросов о битумных эмульсиях внесли работы ученых: Н. В. Горелышева, Б. Г. Печеного, В. II Подольского, И. А. Плотниковой, М. И. Кучмы, Н. А. Горнаева, И. А. Рыбьева, А. В. Бернштейна, Э. А. Казарновской, А. В. Руденского, Г. Л. Денисовой, В. И. Бабаева, и др. В результате проведенного анализа установлено, что применение битумных эмульсий в дорожной отрасли имеет ряд преимуществ. Однако, еще недостаточно изучен ряд вопросов, касающихся теории и практического применения битумных эмульсий в битумоминеральных смесях без предварительного диспергирования вяжущего. Качество битумоминеральных композиций на эмульшровашшх битумах уступает горячим асфальтобетонным смесям.

Во второй главе приведены физико-химические и технологические аспекты создания высококачественных бшумных эмульсий и материалов на их основе.

Основными показателями битумных эмульсий, определяющими их качество, являются: вид эмульгатора, групповой состав и вязкость битумов и др. В современной теории получения эмульсий типа «масло в воде» появились новые требования для выбора эмульгаторов для этих систем: по величине липофилыю-шдрофильного баланса (ЛГБ), который характеризует долю липофильного и гидрофильного компонентов в эмульгаторе. Этот принцип был положен в основу настоящей работы при выборе и синтезе эмульгаторов для битумных эмульсий.

На основе изучения физико-химических процессов, происходящих при эмульгировании битумов, механизма взаимодействия бшумных эмульсий с минеральными материалами и теоретических аспектов эмульгирования битума в процессе перемешивашм битумоминеральных смесей, быта установлена возможность эмульгирования битумов мелкодисперсными частицами. В составе асфальтобетонных смесей содержится минеральный порошок (фракция размером мельче 0,071 мм. в количестве от 9 до 25% по массе).

О том, что минеральный порошок может служить стабилизатором битумной эмульсии и о возможности получения эмульсий бензол-вода с использованием в

качестве стабилизатора (эмульгатора) порошка карбоната кальция или угля, известно из работ А. Б. Таубмана, А. Ф. Корецкого, Н. А. Горнаева, В. Моргана, А. Скарлета и др. Стабилизация эмульсий одной жидкости в другой, различных по плотности (плотность бензола - 880 кг/м3, воды - 1000 кг/м3) происходит за счет применения частиц высокоплотного порошка карбоната кальция, плотность которого составляет порядка 2600 кг/м3 и за счет устойчивого положения частицы на поверхности раздела двух жидких фаз: битум (Б) - вода (В). При этом, действие сил тяжести в начале не учитывается. Кроме того, допускается, что твердая частица является сферической и что обе жидкие фазы Б и В, имеют одинаковую плотность, что является практически верным для дорожного битума и воды. Частица эмульгатора (Э) может находиться только в фазе Б или только в фазе В, либо располагаться на поверхности раздела этих фаз. В последнем случае полная свободная энергия системы определяется поверхностным натяжением егЭ£ и er-», а так же в некотором уменьшении поверхности раздела жидкость — жидкость. В условиях равновесия полная свободная поверхностная энергия системы частица — поверхность раздела фаз минимальна, т.е. при небольшом смещении частицы изменение свободной энергии этой системы равно нулю.

Согласно схемы, представленной на рисунке 1, следует, что h - глубина проникания частицы Э в фазу В, при этом площадь поверхности раздела частица — жидкость В равна 2яг/г, а площадь поверхности раздела частица Э — жидкость Б равна 4nr'-2m-h. Занятая частицей площадь В поверхности раздела битум — вода F составляет яГ,

где / = [,-'А)2 (1)

или F = я"(2яй —/г2),

ФАЗА В

ФАЗА Б

Рисунок I — Условие равновесия системы: (битум Б} - (эмульгатор Э) — (вода В)

В условиях равновесия увеличение свободной энергии системы (Ю равно:

сЮ - 0 = аэв(2л1^1г)+ сгЭ£(-2яг£й)-<увб{2г-2Ь)с/И , После соответствующих преобразований:

<т„

" °"Э4- = |1 Ks = совва-ВБ,

(2)

(3)

(4)

Анализ уравнения (4) позволяет сделать вывод, что на поверхности раздела между двумя жидкостями частица стремится занять такое положение, при котором 0 становится равным равновесному краевому углу. Если 0 больше 0, частица занимает на поверхности раздела устойчивое положение. Чтобы удалить ее с поверхности раздела требуется затратить работу и поэтому коалесценция битумных капель затруднена. Кроме того, исходя из величины краевого угла можно предсказать тип образуемой эмульсии. Большая часть объема частиц Э находится во внешней жидкости В, которая почти полностью смачиваег их. По влиянию поверхностно — активных веществ на краевой угол можно предсказать также расположение частиц в

эмульсии. Изложенная схема явилась теоретической основой для эмульгирования битумов в процессе перемешивания битумоминеральных композиций.

В третьей главе представлена характеристика применяемых материалов и изложена методика исследования.

В качестве эмульгаторов для приготовления битумных эмульсий использовались: анионные ПАВ — жирные кислоты Невинномысского шерстяного комбината с числом углеродных атомов С более 18, а также разработанный катионный эмульгатор ЭмК — 1, представляющий собой продукт поликонденсации жирных кислот С]8 с аминами. Технология синтеза катионного эмульгатора ЭмК - 1 сводилась к следующему. В реактор, при повышении температуры и постоянном перемешивании, загружали 30 — 50 % расчетного количества полиамина. При 100 °С в реактор загружали расчетное количество жирной кислоты не допуская бурного вспенивания. Затем температуру в реакторе повышали до 140 — 160 °С и при этой температуре, при перемешивании проводили процесс синтеза в течении 1,2 — 2 часов. Затем температуру снижали до 100 — 110 °С и добавляли еще 30 — 40 % расчетного количества полиамина. Продукт перемешивали в течение 5—10 минут и выгружали. Полученный катионный эмульгатор ЭмК - 1 имеет кислотное число 70 -75 мг КОН/г, число омыления 110 мг КОН/г, температуру каплепадения 60 °С.

Чрезвычайно важным как для теории, так и для практики производства и применения битумных эмульсий является изучение влияния гранулометрического состава частиц дисперсной фазы битумных эмульсий на их свойства. В зависимости от размеров частиц меняются условия стабилизации битумных эмульсий эмульгаторами. Чем меньше частицы дисперсной фазы и больше их поверхность, тем больше необходимо эмульгатора и большей стабильностью обладает эмульсия. Но если активность или количество эмульгатора малы, мелкодисперсные частицы могут собираться в более крупные образования с включением небольшого количества воды. Битумные эмульсии с большими размерами частичек имеют малую стабильность. Покрытие поверхности минерального заполнителя вяжущим и обеспечение адгезии будет тем лучше, чем мельче частицы дисперсной фазы эмульсии. Малые битумные частицы могут быть лучше фиксированы на поверхности заполнителя по сравнению с большими. Отсюда следует, что битумные эмульсии должны приготавливаться с определенным размером частиц и узким их распределением. Однако обстоятельное изучение дисперсности частиц в битумных эмульсиях до настоящего времени не проводилось в связи с отсутствием подходящей методики и приборов. Традиционные ситовой анализ, методы абсорбционной гравитационной седиметрии, световой микроскопии, при выполнении гранулометрического анализа частиц меньше 10 мкм, являются трудоемкими и продолжительными, со значительными погрешностями измерений. Лазерная дифракция, несмотря на свои особенности, обладает рядом важных преимуществ перед «классическими» методами измерения (ситовым и седиментационным), а также в отношении анализа по изображению: быстрые и точные результаты, отсутствие реюстировки, широкий диапазон измерения и большая гибкость. В связи с этим, в настоящее время он стал общепринятым во всем мире методом измерения размера частиц.

С помощью лазерного анализатора микрочастиц «ЛАСКА - Т» был определен средний линейный диаметр частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях битумов различного группового состава (таблица 1).

Результаты определения среднего диаметра частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях, приготовленных на модельных образцах битумов показали (таблица 1 и 2), что с увеличением содержания парафино-нафтеновых углеводородов в битумах средний диаметр частиц дисперсной фазы возрастает, при одновременном снижении стабильности битумных эмульсий.

Таблица 1 - Групповой химический состав и свойства битумов, полученных

смешением компонентов

№ смеси Гругтиг.он химический состав,% П„ Пенетрация, 0,1 при Д.Л Т, °С Интервалы ДТ, °С Е

а см ар п+н 25°С 0°С т„ т Ф 'Ч' т. Т - X Ф 1 .\р т- ф ' хр Тс

9,9 40,0 42;6 7.6 10,6 -142: '0 :30 ;73 41 -13 -27 100 ,:5"4: 14 2.48

9,9 39,9 35,2 15,0 6,4 190 32 93 80 38 -15 -34 114 72 53 26 2,42

/::::3. ■:■ 10,0 38.8 25;4 24,8 5.0 234:. ;:55.:: 80:: 92: :38: -23 -39 131: 77 61 16 2,3.4

4 10,2 39,9 14,9 35,0 4,4 186 55 90 108 40 -28 45 153 85 68 17 2,33

16,7 33:3 42;2 :7.6 83 14 90 96: 44 -9 >26" 122 70 : : 53 :: 17:: 2,67

6 16.7 31,3 55,0 15,2 4,4 107 20 88 120 45 -10 -34 154 79 55 24 2,64

■:,;,.7-4,; 16,8 33,0 25,2 25,0 3.0 105 29 90 137 43 -16 -38 175 91 59 : 22:" 2.56

8 16,7 33,1 15,4 34,8 2,4 68 33 90 173 49 -24 -44 219 93 73 20 2,51

::::9::::; 24.fi ■25.2 42,2 8.0: 6.6 47 -13: 98:; 143 52 -5 -25 168 ::77:! ;:57: 20 2.80:

10 24.7 25,3 34,7 15,3 3,4 46 17 40 156 54 -10 -34 190 88 64 24 2,72

п 24.9 25,1 24,9 25,1 2,0 'X 16 46 168 59 -12 -37 205 !)Г> 71:" : 25 :: 2.66

12 25,0 25,0 15,1 34,9 1.4 31 21 4 198 70 -13 -44 242 114 83 31 2,58

а - асфальтепы, см - смолы, ар - ароматические, п+н - парафино-нафтеновые углеводороды, Пр -показатель растворимости; Д^ - растяжимость при 25 °С; Т„ - температура перехода из истинного раствора в дисперсный; Тр - размягчения по КиШ; Т^,* - хрупкости по Фраасу, Тс - стеклования;

Е — диэлектрическая проницаемость при 25 "С

Таблица 2 - Средний линейный диаметр частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях в зависимости от группового состава битумов (составы смесей по таблице 1) *_

№ смеси Средний диаметр часпщ дисперсной фазы, мкм в эмульсиях

анионных в возрасте катлонных в возрасте

4 мип 20 мни I сут. 5 сут. 10 сут. 4 мин. 20 шт. 1 сут. 5 сут. 10 сут.

............. : :::4".г - 4.9 ■■■4,8:: : 5,1 : : : 4.8 3.9 "..4,2:.: 4.0 :: .4.1 ::., :::::::::4,2. :' :::

1 5,4 5,6 6,1 6,0 6,4 4,4 4,6 5,0 5,2 5,1

:: 3- - :;:7,3 8.0 •': 8.8-:. 9,0 12.4 : ■ ■■'6,2 ■ 7,0 : : 7,4 ": ............. ::::.:.:.::9,3::;;:

4 9,1 12,4 16.2 19,0 22,9 8,0 9,3 12,1 14,2 18,4

: :':.5"'й 4.0 : : 4.2 :. у ■ :• 4;7 ::: ■■: 4.8: ■ 3.0 ::'3,3::: : ■■: 4,0:::: .:: 4,2:::- .........4.6:-: ::

6 4.3 4,7 4,9 5,1 5,2 3,8 3,9 4,2 4,4 4,8

■:".■ ::7;:::; : 4,9 : ::: 5.1 • :.5,&::- 6.1 : • 6,5 : : ;4,2 :.;:: :: 5,0 ■'': 5,0 : :5,7 '.;.::;::;: 6,г:::;-::

8 8.0 8,8 10,6 16,9 21.7 7,2 8,0 10,1 14.3 19.2

■: ■ ■ 4,4 : Ч 4,9 : : 5,2 ::: ::3,2й : 3,8 4.2 :: ::::5,1::::'

10 12.4 13.2 16.1 20.1 Р 8.8 10,1 16,1 18.0 Р

:::'11: ■: 1 1.2 1К.1 21.2 . Р :: - : : 111.2 I» :

12 15.4 17.2 Р - - 14,0 18,2 Р - -

Содержание в битумной эмульсии анионного эмульгатора С)8 2,5% при рН-12;

катонного эмульгатора 1% при рН=1,7; Р - эмульсия распалась

С возрастанием содержания асфалътенов и повышением полярности (диэлектрической проницаемости г) при одинаковом содержании парафино-нафтеновых углеводородов в битумах средний диаметр частиц дисперсной фазы уменьшается при одновременном снижении его изменения во времени, что свидетельствует о высокой их стабильности. Несколько выпадают из этих закономерностей размеры частиц дисперсной фазы в битумах смесей №8, №10 — №12, что обусловлено, по нашему мнению, эмульгированием битумов этих составов при 150 °С, когда их структура, в отличие от остальных составов, находилась в состоянии дисперсного раствора. Ти в этих смесях выше 150 °С (таблица 1).

С помощью лазерного анализатора «ЛАСКА - Т» было изучено влияние содержания анионного эмульгатора при рН дисперсионной среды, равному 12, на изменение во времени гранулометрического состава дисперсной фазы битумных эмульсий, полученных из битума марки БНД 60/90 и анионного эмульгатора из серии жирных кислот с числом углеродных атомов С|8 и более. Содержание дисперсной фазы во всех исследуемых составах битумных эмульсий было равным 50%. Влияние концентрации анионного эмульгатора на гранулометрический состав битумных эмульсий ясно видно из графиков, представленных на рисунке 3 и в таблице 3, откуда следует, что в исходном состоянии полученные битумные эмульсии независимо от содержания эмульгатора имеют примерно равные гранулометрические составы.

Рисунок 3 — Интегральное С2 и дифференциальное с1<3 распределение размеров (1 частиц дисперсной фазы анионных битумных эмульсий с содержанием эмульгатора (_'/К"К" С.

2,5% ( -); 2,0% (---); 1,5% (---). а) - через 2 мин после приготовления;

б) - то же через 20 мин

Было изучено также влияние содержания катиошюго эмульгатора ЭмК— 1 при рН дисперсионной среды, равному 1,7, на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и его изменение во времени. Содержание дисперсной фазы во всех составах катионных битумных эмульсий было равным 50 %.

Как следует из графиков рисунка 4а и таблицы 3, катионные битумные эмульсии в исходном состоянии имеют достаточно большое различие гранулометрического состава в зависимости от содержания эмульгатора и максимальное значение среднего диаметра частиц достигается при содержании эмульгатора, равном 1,0%. В течение 10 суток наблюдения катионные эмульсии с

содержанием эмульгатора 1,0 и 1,5 % оставались стабильными при незначительном изменении гранулометрического состава.

Таким образом, можно считать, что наиболее стабильными являются анионные эмульсии при содержании эмульгатора, равном 2,5%, и катионные эмульсии с содержанием эмульгатора 1,5%. Причем гранулометрические составы и средний диаметр частиц дисперсной фазы в этих анионной и катиошюй битумных эмульсиях примерно одинаковые (рисунки 3 и 4 и таблицу 3, составы 1 и 4).

Таблица 3 — Гранулометрический состав битумных эмульсии

№ Содержание эмульгатора в эмульсии, % мае. Диаметр частиц дисперсной фазы, мкм при их содержании Средний лштейный Среднее

соста ва 10% 25% 50% 75% 90% диаметр частиц, мкм квадратическое отклонение

Анионная эмульсия

1*' 2,5 3.719 4.488 5.566 7.061 9.000 6.931 0.003

4,902 5,933 7,409 9,552 13,00 8,456 0,0578

2 2,0 4.007 4.829 5.971 7.505 9.000 7.072 0.0086

2' 5,229 6,367 8.081 11,28 22,00 10,90 0,0153

3 1,5 4.450 5.392 6.757 8,828 10,00 6.875 (1.0286

3' 8,810 10,83 13.98 19,14 25,00 15,75 0,0303

Катнонная эмульсия

4*> 1,5 3,462 4,177 5,179 6.554 8.000 6.077 0,0160

4'"' 4,012 4,861 6.085 7,969 15,00 7,939 0,0047

5 1,0 5.096 6,247 8,081 13.09 22,00 11.12 0,0059

5' 8,738 11,06 15.42 22,29 28.00 17,41 0.0051

6 0,5 4,414 5.372 6,802 9.388 20,00 9.316 0,0047

6' 14.91 17.92 21.99 27,00 32.00 23.04 0.0390

7 0,25 4,098 4,965 6,218 8,149 16.22 8.091 0,0063

7' 16.23 19,48 23,85 29,20 35,00 24,95 0.0217

*) № без штриха — через 2 мин после приготовления; **) № со штрихом - через 20 мин

после приготовления

ткгл (1. ткт

Рисунок 4 — Интегральное О и дифференциальное (1(} распределение размеров с1 частиц дисперсной фазы катионных битумных эмульсий с содержанием эмульгатора ЭмК — 1

1,5% ( -); 1,0% (---0,5% (---); 0,25% (-----). а - через 2 мин после

приготовления; б - то же через 20 мин

Ранее было высказано предположение, что размеры частиц дисперсной фазы битумных эмульсий определяют адгезионные свойства битумных покрытий на поверхности минеральных заполнителей и соответственно водоустойчивость асфальтобетонов на битумных эмульсиях. Чем мельче размеры частиц дисперсной фазы и уже их распределение, тем лучше и равномернее распределяются битумные частицы на поверхности заполнителя. Эти предположения подтвердились при испытании битумоминеральных смесей на битумных эмульсиях с различным гранулометрическим составом дисперсной фазы. Были приготовлены бшумоминеральные смеси с минеральным заполнителем, состоящим из дробленого гравия с гранулометрией типа «Г» по ГОСТ 9128 и гидрофобизированного минерального порошка Черкесского завода. Содержание битума в смеси было равным 6,5%. Бшумоминеральные смеси готовились на катионных битумных эмульсиях с содержанием эмульгатора ЭмК — 1 1,5 и 1,0%. Использовались свежеприготовленные эмульсии и после выдерживания их в течение 20 мин. Гранулометрические составы дисперсной фазы этих эмульсий представлены в таблице 3. Были определены физико-механические показатели бшумоминеральных образцов в возрасте 14 сут, приготовленных на образцах катионных эмульсий. Как следует из таблицы 4, дисперсность частиц дисперсной фазы в битумных эмульсиях значительно влияет не только на показатели водостойкости бшумоминеральных смесей, но и на прочностные свойства. Показатели прочности так же, как и показатели водостойкости, выше у битумоминеральных композиций на катионных эмульсиях с меньшим размером частиц дисперсной фазы.

Таким образом, изучение с использованием метода малоуглового светорассеяния гранулометрического состава дисперсной фазы анионных и катионных битумных эмульсий позволило получить представление о механизме образования и кинетике распада битумных эмульсий в зависимости от содержания эмульгатора. Экспериментально подтверждено, что с возрастанием дисперсности частиц дисперсной фазы битумных эмульсий физико-механические свойства бшумоминеральных композиций на битумных эмульсиях значительно улучшаются.

Таблица 4 — Физико-механические свойства битумоминеральных композиций, приготовленных на катионных эмульсиях различного гранулометрического состава дисперсной фазы_

Наименование показателей № состава эмульсий

4 4 5 5'

Прочность при сжатии, МПа при 50°С 20°С о"с 1,9 3,2 10,8 1,8 2,9 10,0 1.5 2.6 9,4 1,3 2,2 8,6

Водонасьнцение, % 3,6 4,0 6,2 8,5

Набухание, % 0,04 0,08 0,1 0,2

Коэффициент кратковременной водостойкости 0,98 0,94 0,87 0,76

Коэффициент длительной водостойкости 0,89 0,81 0,72 0,66

С целью изучения влияния технологических режимов приготовления битумоминеральных смесей на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания смесей, на физико-механические свойства и сравнения их со свойствами композиций, на предварительно приготовленных битумных эмульсиях исследовались композиции на мелкозернистом заполнителе с гранулометрией типа «Б» и песчаном типа «Г» по ГОСТ 91 28.

К°ас,ЫПа

Я сж.МПэ

К сж.МПэ

""!.....:.....\ТуТ

' и "1 с.

• /./Л' й.....

/X I !

I» : ;......: : .

4

Л

:......г......■'''^'■'•тф®'^^

I, сутки

I, сутки

Ь, сутки

(112"сж), в)

Рисунок 5 - Зависимость прочности на сжатие образцов при: а) - 0аС (Н°сж), б) - 20°С 50°С (115"сж), на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания битумоминеральных смесей от времени формирования (О.

....... тип смеси «Б» И - на анионном эмульгаторе

<£> - на катионном эмульгаторе тип смеси «Г» О - на порошковом эмульгаторе

Анализ результатов изменения прочности при сжатии битумомшгеральных композиций на предварительно приготовленных битумных эмульсиях показывает, что лучшими прочностными показателями обладают битумоминеральные композиции из песчаных смесей типа «Г» на катионном эмульгаторе ЭмК — 1 и порошковом эмульгаторах. Это обусловлено, прежде всего, особенностями процессов, протекающих на границе битум — минеральный материал, поскольку механизм формирования пленки анионными, катноннымн и порошкообразными эмульгаторами различен.

Битумные эмульсии на катионном и порошковом эмульгаторах обеспечивают лучшие показатели прочности и водостойкости битумоминеральных композиций. В битумоминеральных композициях на анионных эмульсиях меньшие показатели прочности при сжатга! в возрасте 14 суток п худшие показатели водостойкости.

Исследования прочностных характеристик образцов битумоминеральных композиций, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе перемешивания смесей, показали, что наиболее высокие показатели прочности при сжатии в композициях, приготовленных на заполнителе типа «Г» и порошковом эмульгаторе, которые в зависимости от типа вяжущего на 15 — 17 % выше, чем у мелкозернистых композиции типа «Б».

Это обуславливается тем, что у смесей типа «Г» большая удельная поверхность заполнителя, что обеспечивает более тонкое диспергирование и

более равномерное распределение вяжущего на поверхности минерального материала. Порошковый эмульгатор значительно ускоряет формирование структуры образцов композиций, повышая сцепление вяжущего с заполнителем, что особенно четко наблюдается в возрасте образцов до 14 суток. У битумоминеральных композиций на катионном эмульгаторе показатели прочности при сжатии при 20°С на 25 - 30 % меньше (тип «Б») и на 35 % меньше (тип «Г»), чем у битумоминеральных композиций на порошковом эмульгаторе. Однако эта разница частично компенсируется его временем формирования смесей (рисунок 5).

Повышению водостойкости битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах способствует взаимодействие битумных частичек при перемешивании с минеральным заполнителем в первую очередь с поверхностью мелкодисперсных фракций минерального заполнителя. Введение в смеситель минерального порошка после объединения битумной эмульсии с крупным заполнителем, предварительная гидрофобизация или обработка битумом поверхности крупного заполнителя позволяет дополнительно повысить водостойкость битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах, при достижении показателей физико-механических свойств, равных или превосходящих горячие асфальтобетоны.

В четвертой главе описаны технология производства и технико-экономическая эффективность применения битумоминеральных композиций на основе эмульгированных битумов.

На асфальтобетонном заводе ООО «Изобильненская ДПМК», в августе 2012 г. была выпущена опытно-промышленная партия битумоминеральной смеси на битуме, эмульгированном в процессе перемешивания битумоминеральной смеси, с последующей укладкой в дорожное покрытие с. Московское по ул. Ленина.

Экономический эффект от производства и применения битумоминеральных композиций, приготовленных на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания определялся по изменению себестоимости изготовления, по эффекту, достигаемому за счет уменьшения выбросов в окружающую среду, а также за счет увеличения срока службы, по сравнению с горячими асфальтобетонами. Технология приготовления битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных в процессе их перемешивания, резко сокращает выброс в атмосферу минеральной пыли, окислов азота, серы, канцерогенных углеводородов, по сравнению с базовым вариантом. Суммарный выброс снижается в 2,76 раза. Это происходит за счет холодного и влажного приготовления смеси.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны принципы управления дисперсностью и стабильностью битумных эмульсий с заранее заданными свойствами, отличающиеся использованием метода лазерной дифракции, которые позволяют получать более быстрые и точные результаты в широком диапазоне измерений.

2. Разработан катионный эмульгатор ЭмК - 1 на основе многотоннажных

отходов производства Невинномысского шерстяного комбината, отличающийся более высокими физико-химическими показателями свойств: кислотное число 70 - 75 мг КОН/г, число омыления 110 мг КОН/г, температура каплепадения 60 °С.

3. Обоснована оценка влияния содержания катионного эмульгатора ЭмК-1 на гранулометрический состав дисперсной фазы битумных эмульсий и динамику его изменения, позволяющая прогнозировать свойства эмульсионно-минеральных композиций.

4. Разработана тех пологая приготовления битумоминеральных композиций на битумах, эмульгированных б процессе совместного перемешивания их расплава с увлажненным заполнителем, отличающаяся введештем катионного эмульгатора ЭмК - 1 в количестве до 1,5 %. Экспериментально подтверждено, что предварительная гидрофобизация или обработка битумом поверхности крупного заполнителя позволяют дополнительно повысить водостойкость битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах.

5. Установлены принципы повышеття качества битумоминеральных композиций, за счет введения в смеситель минерального порошка после объединения битумной эмульсии с крупным заполнителем. Данная технология позволяет повысить прочность при сжатии при 20°С Rcxi0 на 23 - 46 % (для песчаных смесей типа «Г»), а прочность при сжатии при 50°С RcK50 па 26 - 56 % выше нормативных требований.

6. Определена технико-экономическая эффективность предлагаемой технологии производства битумно-минеральных композиций, за счет увеличения срока службы покрытий из битумоминеральных композиций на битумах, э^льгированных в процессе нх перемешивания, которая составляет 41,34 руб/м2.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Лошкова, Ю.Г. Изучение влияния добавок цемента на свойствах битумоминеральных композиций на эмульгированных битумах / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Вестник СевКавГТУ. Научно-исследовательский журнал - 2011.— №. 1,-С. 117-119.

2. Лозикова, Ю.Г. Зависимость показателей свойств битумоминеральных композиций на битумных эмульсиях от минерального и фракционного составов минеральных заполнителей / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Вестник СевКавГТУ. Научно-исследовательский журнал. - 2011. -№2. - С. 128-130.

3. Лозикова, Ю.Г. Закономерность получения высококачественных битумов путем компаудирования кубовых остатков производства полистирола с переокисленным битумным сырьем / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Вестник СевКавГТУ. Научно-исследовательский журнал. -2011. -№4. - С. 110—114.

4. Лозикова, Ю.Г. Пригатовлеште асфальтобетонов на эмульгированных битумах / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // СевКавГТУ. Научно-исследовательский журнал,- 2012. -№3. - С.57-64.

5. Лозикова, Ю.Г. Применение твердых эмульгаторов в строительных материалах на основе эмульгированных бтггумов / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Вестник СКФУ. Научно-исследовательский журнал. - 2013. -№ 2. - С 82-84.

Монографии

6. Лошкова, Ю.Г. Асфальтобетоны на битумах эмульгированных в процессе приготовления асфальтобетонных смесей: монография / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова. - Ставрополь, Изд-во СКФУ, 2014, - 171 с.

Публикации в других изданиях

I. Лошкова, Ю.Г. Использование битумных эмульсий на порошковых эмульгаторах при устройстве поверхностных обработок / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Материалы XIV региональный научно-технической конференции "Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону" Том первый. Естественные и точные науки, технические и прикладные науки. - Ставрополь, 2010, - С. 275.

8. Лозикова, Ю.Г. К вопросу использования битумных эмульсий на порошковых эмульгаторах / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // I Международная научно-практическая конференция "Современная наука: теория и практика". -Ставрополь, 2010,-С. 176-178.

9. Лозикова, Ю.Г. Использование метода лазерного малоуглового светорассеяния в изучении механизма образования и распада битумных эмульсий / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Материалы II международной научно-практической конференции "Современная наука: теория и практика"Том второй. Естественные и технические науки. - Ставрополь, 2011, - С. 195-199.

10. Лозикова, Ю.Г. К вопросу использования цементов различных марок, минеральных порошков с гидрофильной и гидрофобной поверхностью или их смесей в качестве порошковых эмульгаторов для битумных водных дисперсий /C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Материалы межвузовской студенческой научной конференции "Актуальные проблемы современной науки - новому поколению" Том первый. Актуальные проблемы развития строительства и дизайна. Ставрополь, 2011,-С. 133-134.

II. Лозикова, Ю.Г. Перспективы использования б шумных эмульсий и материалов на их основе в строительстве / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Материалы 41-й научно-технической конференции по тогам работы профессорско-преподавательского состава вуза за 2011 год. - Ставрополь, 2012. -С. 214-215.

12. Лозикова, Ю.Г. Исследование эксплуатационных свойств водоэмульсионных мастик в зависимости от содержания порошкообразных компонентов / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, С.Г. Пчелинцев, Ю.Г. Лозикова // Материалы международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов» - Невшпгомысск, 2012, - С. 234-240.

13. Лозикова, Ю.Г. Повышетге долговечности асфальтобетонов на основе эмульгированных вяжущих / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» Выпуск 1. Том 2. - Ставрополь, 2012, - С. 74-78.

14. Лозикова, Ю.Г. Повышение качества асфальтобетонов за счет применения технологии эмульгирования битумов в процессе перемешивания асфальтобетонных смесей / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Строительство -

формирование среды жизнедеятельности: сборник трудов «Пятнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых» - Москва, 2012, - С. 549-553.

15. Лозикова, Ю.Г. Закономерности повышения эксплуатационных: свойств асфальтобетонов на эмульгированных битумах / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Материалы межвузовской студенческой научной конференции "Актуальные проблемы современной науки - новому поколешпо" Том первый. Актуальные проблемы развития строительства и дизайна. - Ставрополь, 2012, - С. 147-152.

16. Лозикова, Ю.Г. Технология восстановления асфальтобетонных покрытий / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовагаш : научное издание / М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит. Ун-т». - Москва, 2012, - С. 409412.

17. Лозикова, Ю.Г. Разработка материалов с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами на основе водоэмульсионных вяжущих / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережения в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и шгженерных системах зданий и сооружений : сборник тезисов III Всероссийской молодежной конференции (18 октября 2012 г., Москва) М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит. Ун-т». -Москва, 2012,-С. 189-193.

18. Lozikova, Y. G. Resistance to ageing of hots asfalitics concretes and bitumenmineral compositions on the basis of emulsificated bitumens / S. V. Skorikov, Y. G. Lozikova // 3rd International Scientific and Practical Conference (ISPC) «Science and Society». Vol. 1. - London, 2013, - P. 67-74.

19. Лозикова, Ю.Г. Экологические аспекты применения асфальтобетонов, приготоаленных в процессе перемешивания асфальтобетогагых смесей / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Актуальные проблемы строительства, транспорта, машиностроения и техносферной безопасности: материалы 1-й ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука - региону». - Ставрополь, 2013, - С. 181-193.

20. Лозикова, Ю.Г. Технология приготовлешга асфальтобетонов па эмульгируемых б1пумах / C.B. Скориков, Ю.Г. Лозикова // Строительство -({нормирование среды жизнедеятельности: сборник трудов «Шестнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых». - Москва, 2013, - С. 525-529.

21. Лозикова, Ю.Г. Поведише асфальтобетонов при динамических воздействиях / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, П.В. Рожков, Ю.Г. Лозикова // Актуальные проблемы строительства, транспорта, машиностроения и техносферной безопасности: материалы П-й ежегодной научно-практической конференции СевероКавказского федерального университета «Университетская наука - региону». -Ставрополь, 2014,-С. 99-105.

22. JIoîiiK'oita, Ю.Г. Приготовление асфальтобетонов на эмульгированных битумах путем использования нетрадиционных материалов / C.B. Скориков, A.B. Кручинко, Ю.Г. Лозикова // Актуальные проблемы строительства, транспорта, манппюстроения и техносферной безопасности: материалы П-й ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука - региону». - Ставрополь, - 2014, - С. 89-93 .

лозикова юлия геннадьевна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭФФЕКТИВНЫХ БНТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 25.02.2015 Формат60х84 1/16 Усл. печ. л. - 1,25. Уч.-изд. л.-1 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 321. Тираж 120 экз. ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

_355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1 _

Издательство ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» Отпечатано в типографии СКФУ