автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Полимерно-битумные эмульсии и органоминеральные смеси на их основе

На правах рукописи

МИЛИЦЫН Дмитрий Александрович

ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ СМЕСИ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 СЕН 2013

Улан-Удэ 2013

005532919

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, доцент Балабанов Вадим Борисович

Руденский Андрей Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий отделом асфальтобетонных покрытий ФГУП Росдорнии, г. Москва

Васильев Юрий Эммануилович

доктор технических наук, доцент, МАДИ, кафедра "Дорожно-строительные материалы"

Ведущая организация

МУЛ «Иркутскавтодор»

Защита состоится «4» октября 2013 г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.01 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в, ауд. 8 - 124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан «3» сентября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дамдинова Дарима Ракшаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время, при ремонте и строительстве автомобильных дорог широкое применение получили катионные битумные эмульсии. Отсутствие современного оборудования на предприятиях дорожной отрасли затрудняют оценку качества данного вида продукции, что влечет за собой низкий спрос на применение эмульсий в дорожном строительстве.

Зарубежные технологии по содержанию и ремонту, автомобильных дорог предусматривают достаточно широкое использование катионных битумных эмульсий, которые позволяют повысить качество покрытий и увеличить срок их службы.

Основным компонентом битумных эмульсий являются вязкие дорожные битумы различных марок, для России выпускаемых по ГОСТ 22245-90. Нормируемая температура хрупкости используемых дорожных битумов не совместима с климатическими условиями эксплуатации дорожных покрытий. Это характерно для большей части (более 96%) территории России. Одним из основных недостатков нефтяных битумов является низкая адгезия к каменным материалам кислого минерального состава, это связано с производством битума методом окисления гудрона. Перечисленные недостатки, безусловно, отрицательно влияют и на качественные показатели битумных эмульсий.

Для повышения комплекса физико-механических свойств битумных эмульсий целесообразно использовать полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), имеющие улучшенный комплекс показателей физико-механических свойств. Применение поверхностно активных веществ в составе ПБВ, повышает их адгезионные качества, а стабилизирующие добавки отвечают за устойчивость битумных эмульсий.

В России катионные битумные эмульсии, как правило, применяются при ремонтно-строительных работах: повышение эксплуатационных свойств покрытия -поверхностная обработка, подгрунтовка, укреплении обочин методом пропитки и др. Кроме того, битумные эмульсии являются вяжущим для производства органоминеральных смесей (ОМС). В условиях первой дорожно-климатической зоны (ДКЗ) нормативами не предусматривается применение ОМС в качестве покрытия, это связано с малоизученными физико-механическими свойствами данных материалов в условиях резко континентального климата.

Таким образом, проведенный аналитический обзор и анализ используемых катионных битумных эмульсий показал, что для первой ДКЗ необходимо применять битумные эмульсии с необходимыми физико-механическими свойствами: низкая температура хрупкости, повышенная температура размягчения, эластичность и хорошая смешиваемость с минеральными материалами. Получение эмульсий с заданными свойствами в современных условиях является весьма актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка составов и технологии получения органоминеральных смесей с использованием катионных битумных эмульсий на основе битума БНД 90/130, полимера типа СБС (ДСТ 30-01), индустриального масла (И40-А) в качестве пластификатора и катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать выбор полимера и пластификатора для получения полимерно-битумного вяжущего.

2 Подобрать соотношения полимера и пластификатора для модификации битума БНД 90/130.

2. Разработать составы катионных битумных эмульсий на основе модифицированного битума БНД 90/130.

3. Исследовать комплекс физико-механических, реологических структурных свойств полученных составов катионных битумных эмульсий.

4. Разработать составы органоминеральных смесей на основе эмульсий битумно-полимерных катионных (ЭБПК) и определить их физико-механические свойства.

5. Экспериментально определить зависимость изменения физико-механических свойств ОМС на основе ЭБПК от количества вводимого неорганического вяжущего.

6. Произвести опытно-производственные испытания ЭБПК и органоминеральных смесей на их основе.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:

Исследования физико-механических свойств битума и полимерно-битумного вяжущего проводились по методикам утвержденным в следующей нормативной документации: ГОСТ 11501 определение глубины проникания иглы; ГОСТ 11506 определение температуры размягчения по кольцу и шару; ГОСТ 11505 растяжимость; ГОСТ 11507 температура хрупкости; ГОСТ 4333 температура вспышки; ГОСТ 18180 и ГОСТ 11506 изменение температуры размягчения после прогрева; ГОСТ Р 52056 однородность. Определение физико-механических свойств ЭБПК и ЭБК проводились по методикам утвержденными ГОСТ Р 52128: определение содержания вяжущего с эмульгатором; определение устойчивости эмульсии при перемешивании с минеральными материалами; определение остатка на сите; определение условной вязкости; определение устойчивости при хранении; определение сцепления эмульсий 1-го и 2-го классов с поверхностью щебня; определение физико-механических свойств остатка после испарения воды из эмульсии; определение устойчивости при транспортировании. Исследование показателей физико-механических свойств органоминеральных смесей проводилось по методикам утвержденным ГОСТ 30491: предел прочности на сжатие; водостойкость; водостойкость при длительном водонасыщении; водонасыщение в % по объему; набухание в % по объему.

Кроме того, были применены физические методы для изучения группового состава битума, индустриального масла, полимера ДСТ 30-01, композиционных составов ПБВ, ЭБК методами ИК спектроскопии на приборе BRUKERIFS25, ЯМР на импульсном спектрометре BrukerDPX250, на рентгеновском дифрактометре Shim.adzuXRD-7000.

На защиту выносятся:

- Влияние полимера (ДСТ 30-01) и пластификатора (индустриальное масло И-40А) на устойчивость эмульсии битумно-полимерной катионной.

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора ПАВ для получения эмульсии битумно-полимерной катионной.

- обоснование составов органоминеральной смеси на основе эмульсии битумно-полимерной катионной.

результаты опытно-производственных испытаний разработанной органоминеральной смеси на основе эмульсии битумно-полимерной катионной.

Научная новизиа работы

- впервые теоретически обоснованы и получены эмульсии битумно-полимерные катионные на основе ПБВ без применения водорастворимых латексов;

- выявлены закономерности влияния количества пластификатора и полимера, вводимых в состав ПБВ, на устойчивость эмульсии битумно-полимерной катионной. Экспериментально установлено, что получение ЭБПК возможно при концентрации полимера ДСТ 30-01 от 0,5% до 3,5 %, а пластификатора И-40А от 12% до 30%. При использовании «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-ЗБ», «Динорам СЛ» в качестве ПАВ выявлено, что отечественные эмульгаторы «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-ЗБ» позволяют получить устойчивые ЭБПК при концентрации полимера от 0,5% до 2%, а пластификатора от 20% до 30%. При применении ПАВ зарубежного производства «Динорам СЛ», были получены ЭБПК с концентрацией полимера от 0,5% до 3,5%, при этом концентрация пластификатора составила от 12% до 30%. Результаты экспериментальных данных показали, что применение ПАВ «Динорам СЛ» для приготовления ЭБПК позволяют получить материал с более широким диапазоном физико-химических свойств;

- впервые использована эмульсия битумно-полимерная катионная в качестве вяжущего при приготовлении органоминеральной смеси для устройства оснований и покрытий в первой дорожно-климатической зоне.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена:

- соответствием результатов опытно-производственных и лабораторных работ, выполненных с использованием современных приборов, оборудования и методов испытаний. Степень достоверности лабораторных исследований составляет — 96%;.

- результаты экспериментов были подтверждены рядом физико-химических методов исследований ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа.

Практическая значимость работы:

- на основании проведенных исследований определены компонентные составы эмульсий битумно-полимерных катионных классов ЭБПК - 1, ЭБПК - 2 на основе ПБВ соответствующего требованиям нормативной документации. Эмульсии могут применяться: для повышения эксплуатационных свойств дорожных покрытий, материалов ямочного ремонта, подгрунтовки, устройства оснований дорожных одежд из щебня методом пропитки, приготовления пористых эмульсионно-минеральных смесей, приготовления плотпых эмульсионно-минеральных смесей. Практическая ценность данной работы подтверждена патентом № 2462490 «Катионная полимерно-битумная эмульсия».

Реализация результатов работы. По результатам исследований проведены опытно-промышлепные испытания. На производственной базе ООО «Дорожно-строительная компания» была смонтирована установка по производству ПБВ. Объем опытной партии составил 5 т. С использованием полученного ПБВ изготовлено 9 т ЭБПК-2 и на ее основе получено 60 т органоминеральной смеси, на производственной базе ООО «ИркутскРемДорСтройХолдинг». Полученную смесь использовали для устройства верхнего слоя покрытия на улице Напольной в г. Иркутске общей площадью 300 м2.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения», Белгород (2007); на международной научно-практической

конференции «Актуальные проблемы в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-комунальном комплексе», Иркутск (2007, 2009); на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения», Казань (2008); на научно-технической конференции «Современные материалы в строительстве», Улан-Удэ (2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» Бийск (2009); на IV-й Всероссийскойнаучно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем». (Полимер-2010)Бийск (2010); на научно-практической конференции Союза дорожников Иркутской области «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов», Иркутск (2010); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов посвященной 310 - летию инженерного образования в России, Улан-Удэ (2011); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, Улап-Удэ (2012); на международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика», Улан Удэ (2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в рецензируемых изданиях по списку ВАК МОиН РФ три статьи, получен патент № 2462490.

Объем п структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Содержит 151 страницу машинописного текста, 40 рисунков, 42 таблицы. Список литературы состоит из146 работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность поставленной темы исследования, определена цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна, а так же приведены сведения об ее апробации и опытно промышленных испытаниях.

В первой главе представлен обзор и анализ научно-технической литературы о составе и структуре битумных эмульсий, способах их получения.

Известно, что дорожные материалы, приготовленные с применением битумных эмульсий, более неприхотливы к погодным условиям и обладают хорошей удобоукладываемостью.

Большой вклад в изучение битумных эмульсий внесли JI.A. Горелышева, М.И. Кучма, И.А. Плотниковоа, Э.М. Рвачёва, Э.А. Казарновская, М.Ф. Никишина, В.А. Харченко, И.Н. Петухова и др. Авторы отмечают, что эмульсии обеспечивают равномерное распределение вяжущего более тонкими пленками по обрабатываемойповерхности, что снижает вероятность «выпотевания», потерю шероховатости и способствует лучшему обволакиванию зерен минерального материала вяжущим.

В мировой практике при устройстве тонкослойных поверхностных обработок наиболее широкое применение получили органоминеральные смеси на основе катионно-битумных эмульсий типа: «Сларри Сил» (SlurrySeal) «Микросюрфейсинг» «Microsurfaicing» (MS), ЛЭМС, в том числе, и щебеночный его вариант ЛЭМСщ, которые отличаются от распространенной классической поверхностной обработки технологическими приемами и применяемыми материалами. Как известно, при

классической поверхностной обработке в качестве вяжущего применяется битум марок ЫЩ. температура хрупкости которого много выше средней температуры «наиболее холодных суток района эксплуатации» (более 96% территории России). Для снижения показателя температуры хрупкости, в России и за рубежом в битум вводят различные полимеры, получая полимерно-битумноевяжущее (ПБВ) или модифицированные битумы. Что существенно позволяет снизить образование морозобойных трещин покрытия, а следовательно продлить срок службы асфальтобетона.

Однако применение ПБВ особенно в регионах Восточной Сибири, Республики Бурятии, Забайкальского края связано с дополнительными трудностями. Из - за высокой температуры размягчения ПБВ, а также из - за того, что при укладке смесей на их основе, требуемая технологическая температура выше установленной на 10-15°С. В связи с чем при выпуске смесей на асфальтобетонных заводах необходимо повышать температурные режимы, в то же время перегрев вяжущего свыше 180°С ведет к частичной его деструкции. Кроме того, ПБВ из-за разницы молекулярных масс полимера и битума, стремится к расслоению. Соответственно все перечисленное увеличивает стоимость конечной продукции и снижает ее привлекательность. Учитывая указанные недостаткиприменения ПБВ, необходимо рассмотреть вопрос о получении битумных эмульсий па основе модифицированного битума.

Кроме того, в главе рассматривается опыт применения битумных эмульсий, вопросы их классификации и предъявляемые к ним требования. Приведены типы эмульгаторов (ПАВ), а также приведен обзор используемых ПАВ для различных эмульсий.

Во второй главе проанализированы теоретические и технологические предпосылки производства органоминеральных смесей на основе битумных эмульсий.

В связи с тем, что на территории Иркутской области, Республики Бурятия и Забайкалья распространены кислые горные породы, в данной работе рассматриваются только катионные битумные эмульсии.

Исходя из сформулированных задач настоящей работы для получения эмульсии битумно-полимерной катионной предусмотрено использовать полимерно-битумное вяжущее на основе СБС соответствующее требованиям ГОСТ Р52056. Обоснование выбора модификатора и пластификатора битума основано на анализе литературных данных и производственном опыте. Выбор ПАВ-эмульгаторов выполнен на основании следующих положений.

В современном дорожном строительстве наиболее широкое распространение получили катионные битумные эмульсии. Объясняется это механизмом распада таких эмульсий на поверхности кислых каменных материалов. Попадая на отрицательно-заряженную поверхность минералов смеси, положительно заряженные частицы битума взаимодействуют с радикальными центрами, обеспечивая хорошую адгезию с материалами заполнителя. Кроме того, распространенность кислых инертных материалов и их физико-механические свойства обусловили наибольшее использование катионных битумных эмульсий.

Положительный заряд частицам битума передают поверхностно активные вещества ПАВ (катионактивные), которые при производстве битумных эмульсий являются эмульгаторами или стабилизаторами, а при добавлении в битум -адгезионными добавками.

Основой для производства ПАВ применяемых для эмульгирования битума, как правило, служат различные амины (диамины, полиамины, амидоамины и т.п.)

с сильным воздействием на поверхностное натяжение. К числу подобных ПАВ относятся используемые в данной работе катион-активные эмульгаторы.

Диамины в основном используются для приготовления эмульсий с быстрым и полубыстрым распадом, полиамины - с медленным.

Имидазолины, предназначенные для эмульсии с быстрым распадом, придают им высокую адгезионную способность, но устойчивость при хранении у таких эмульсий ниже, чем у полученных с диаминами.

Поскольку для производства медленно распадающихся эмульсий применяются ПАВ содержащие в своем составе полиамины, которые способны создавать наиболее устойчивые защитные оболочки на границе раздела фаз, то наиболее эффективными эмульгаторами будут те в составы, которых будут входить полиамины.

■ Исходя из этого, были выбраны следующие ПАВ-эмульгаторы:«Амцор ЭМ»,«БАП-ДС-ЗБ»,«Динорам СЛ», Технические характеристики и химический состав приведены в табл№.1

Таблинэ 1 - Технические характеристики и химический состав применяемых ПАВ

№ п. п. Наименование ПАВ и производителя Химический состав Кислотное число по ТУ Аминное число по ТУ не менее Температура текучести да ТУ не ниже

1 «Амдор ЭМ», производитель - ЗАО «АМДОР» РФ Смесь производных полиаминоамцдов и имидазалинов не более 15 22 10

2 «БАП-ДС-ЗБ» Производитель - ЗАО НПП «Алийспецпродум» РФ Смесь алкиламидополиаминов и алттимидозалинполиамино в 30 120 18

3 «Динорам СЛ» Производитель -Фирма «СЕКА» Франция Смесь алкиламидополиаминов и алкилимцдозалинполиамино в 10 5,7 21

В третьей главе приводятся характеристики используемых материалов, подбор оптимальных составов ПБВ, составы битумно-полимерных эмульсий и результаты изучения их структуры рядом физико-химических методов: исследований ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. В качестве исходного материала для приготовления ПБВ был выбран битум марки БНД 90/130 производства Ангарского НПЗ.

Пластификатор - индустриальное масло И-40А, в отличие от легких нефтепродуктов отвечает требованиям производственной безопасности. Индустриальное масло содержит более 70% парафинонафтеновых углеводородов, которые позволяют повысить степень пожаробезопасности, что значительно отличает его от пластификаторов ароматической природы. Кроме того, именно парафинонафтеновые углеводороды, введенные в состав битума, позволяют увеличить его интервал пластичности. В качестве модификатора применялся дивинилстирольный термоэластопласт производства ОАО «Воронежсинтезкаучук».

Количество полимера в составах ПБВ, применяемых для получения битумно-полимерных эмульсий колеблется от 2,5 до 3,5%, что соответствует данным приведенным в литературе.

В практике производства ПБВ применяют три способа:

1) Введение полимера в пластифицированный маслом битум;

2) Введение полимера в битум из раствора в масле.

3) Раствор, приготовленный по первому или второму способу, пропускают через

диспергатор.

Для приготовления ПБВ в лабораторных условиях был использован планетарный смеситель, оснащенный термостатирующим устройством. В обезвоженный и разогретый до 140-160°С битум, вводили необходимое количество пластификатора. Затем температуру полученной смеси доводили до 150-160°С после чего в смесь добавляли полимер и перемешивали в течении 1,5 ч до однородной массы.

Характеристики физико-механических свойств, полученных ПБВ, приведены в табл.6 и представлены графически на рис. 5,6,7,8,9.

Для изучения влияния количества полимера на устойчивость битумно-полимерной эмульсии были получены составы вяжущего с различным содержанием полимера от 0,5% до 3,5% при количестве пластификатора 30% табл. 2. Вследствии того, что в полученных образцах при разном количестве полимера присутствует большое количество пластификатора (30%), в их структуре образуется наиболее разветвленная пространственная сетка, при этом вязкость битума находится в пределах от 283мм 10"' до >600мм 10"'.

Используя ПАВ «Амдор-ЭМ» и «БАП-ДСЗ-Б» разработаны составы катионных битумных эмульсий с концентрацией полимера от 0,5% до 2%. При применении ПАВ зарубежного производства «Динорам СЛ», были получены ЭБПК с концентрацией полимера от 0,5% до 3,5%. Результаты оценки влияния количества полимера на устойчивость битумно-полимерной эмульсии приведены в табл. 3,4,5.

Таблица 2 - Составы пластифицированных битумно-полимерных вяжущих

№ состава, Количество, % по массе

Битум - БНД 90/130 Пластификатор И-40А ДСТ-30-01

1* 84,5 30 0,5

2* 80,5 30 1,0

3* 76,5 30 1,5

4* 72,5 30 2,0

5* 68,5 30 2,5

6* 64,5 30 3,0

7* 60,5 30 3.5

Таблица 3 - Оценка влияния количества полимера в полученных составах ПБВ на устойчивость битумной эмульсии при применении ПАВ «БАЛ ДС-З-Б»

Марка и номер состава ПБВ Наименование компонентов водной фазы эмульсии и их процентное соотношение Копцепт рация битума, Примечания

НС1 СаСЬ Эм-тор Вода

Исходный битум БНД 90/130 0,4 - 0,4 остальное 55% эмульсия устойчива

ПБВ-300; 1* 0,4 - 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; 2* 0,4 - 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; 3* 0,4 -- 0,5 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; 4* 0,4 0,6 остальное 55%, расслоение

эмульсии 15% по объему

ПБВ-300; 5* 0,4 0,2 0,7 остальное 55%, расслоение эмульсии 25% по объему

ПБВ-300; 6* 0,4 0,2 0,8 остальное 55%, полная деструкция

ПБВ-300; 7* 0,5 0,2 0,9 остальное 55%, полная деструкция

Таблица 4 - Оценка влияния количества полимера в полученных составах ПБВ на устойчивость битумной эмульсии при применении ПАВ «Амдор-ЭМ»

Марка и номер состава ПБВ Наименование компонентов водной фазы эмульсии и их процентное соотношение Конценграц ия битума Примечания

НС1 СаС12 Эм-тор Вода

Исходный битум БНД 90/130 0,4 - 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; 1* 0,4 - 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; 2* 0,4 - 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива, расслоение 5% по объему

ПБВ-300; 3* 0,4 - 0,5 остальное 55%, расслоение эмульсии 15% по объему

ПБВ-300; 4* 0,4 - 0,6 остальное 55%, расслоение эмульсии 30% по объему

ПБВ-300 5* 0,4 0,2 0,7 остальное 55%, полная деструкция

ПБВ-300 6* 0,4 0,2 0,8 остальное 55%, полная деструкция

ПБВ-300 7* 0,5 0,2 0,9 остальное 55%, полная деструкция

Таблица 5 - Оценка влияния количества полимера в полученных составах ПБВ на устойчивость битумной эмульсин при применении ПАВ «Динорам СЛ»

Марка и номер состава ПБВ Наименование компонентов водной фазы эмульсии и их процентное соотношение Концент рация битума Примечания

НС1 СаС12 Эм-тор Вода

Исходный битум БНД 90/130 0,4 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; №1* 0,4 0,4 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; №2* 0,4 - 0,4 остальное 55%,. эмульсия устойчива

ПБВ-300; №3* 0,4 - 0,5 остальное 55%, расслоение ЭМУЛЬСИИ 10%

ПБВ-300; №4* 0,4 - 0,6 остальное 55%, расслоение эмульсии 15%

ПБВ-300; №5» 0,4 0,2 0,7 остальное 55%, эмульсия устойчива

ПБВ-300; №6* 0,4 0,2 0,8 остальное 55%, расслоешш эмульсии 2%

ПБВ-300; №7* 0,5 0,2 0,9 остальное 55%, расслоение эмульсии 5%

Динорам СЛ

BAII-ДС-ЗБ , полна» дест р\ кцип эмульсии

-Амдор-ЭМ * полная деструкция эмульсии*'

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Содержание полимера (СБС) в %

Рисунок 1 - Зависимость влияния содержания количества полимера на устойчивость эмульсии с различными ПАВ

Из полученных ПБВ(табл. 6) были выбраны образцы №№ 3; 8; 9; 11 и на их основе произведены подборы составов битумно-полимерных эмульсий. Для получения катионных битумно-полимерных эмульсий в лабораторных условиях использовался диспергатор. Полученные эмульсии испытывали в соответствии с требованиями нормативной документации. В табл. 7 приведены составы битумных эмульсий и их физико-механические свойства.

Структура используемых составов ПБВ для получения битумно-полимерных эмульсий изучалась методами физико-химического анализа, ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. Кроме того, такие же исследования были проведены с предварительно обезвоженными образцами битумно-полимерных эмульсий.

Исследования структуры полученных материалов показывают, что по химическому и физическому составу ПБВ до эмульгирования и после незначительно отличаются друг от друга, что и подтверждается физико-механическими свойствами. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что полученные битумно-полимерные эмульсии могут быть использованы для приготовления органоминеральных смесей.

еоооо

70000 60000 -50000 • 40000 30000 20000 1 ООО о

-BNO •• Е Р В К - р В V

2tela {deg)

BND - исходный битум, ЕВРК- ПБВ вяжущее после эмульгирования, PBV- ПБВ вяжущее до эмульгирования

Рисунок 2 - Дифракционные спектры исследуемых образцов

B^^KVR

I I 2

л

Й & к

2SOO 2ООО

Wave«iL»rnl>er cm-l

S

Рисунок 3 - ИК спектр ПБВ (образец №3)

1

||1 я

v'm'W v ^ а I

Е

li R » \

в а \

|1|»

' ж

Рисунок 4 - ИК спектр ПБВ образец №3 после эмульгирования

12

Таблица 6 - Физико-механические свойства ПБВ полученных в лабораторных условиях

№ состава Наименование и состав образцов Глубина проникания иглы, мм 10"', при Растяжимость, см, при Температура Размягчения, °С Температура хрупкости Эластичность, %, при Сцепление с мрамором и песком

Марка исходного битума ДСТ-30-01 Пластис шкатор 25°С 0°С 25"С 0°С 25°С 0 °С

наименов. колич., %

БНД 90/130 - - - 93 40 74 4 46 -20 - - обр№2

1 -«- 3,5 И-40А 12 115 88 66 38 56 -28 94 75 обр№2

2 -«- 3,5 И-40А 16 187 131 51 92 68 -32 98 95 обр№2

3 3,5 И-40А 20 201 147 53 87 61 -34 98 95 обр№2

4 -«- 3,5 И-40А 24 250 174 47 63 55 -33 99 92 обр№2

5 -«- 3,5 И-40А 28 252 193 44 60 56 -42 99 93 обр№2

6 -«- 3,5 И-40А 32 295 279 28 54 58 -48 99 96 обр№2

7 ч<- 3,5 И-40А 36 381 383 26 48 66 -57 97 90 обрЛг»2

8 -«- 2,5 И-40А 12 156 135 44 13 53 -32 94 74 обр№2

9 -«- 2,5 И-40А 16 202 168 48 19 49 -38 94 73 обр№2

10 -«- 2,5 И-40А 20 230 195 48 42 51 -40 92 82 обр№2

11 -«- 2,5 И-40А 24 314 243 57 43 51 -47 96 83 обр№2

12 -«- 2,5 И-40А 28 455 247 46 41 49 -47 95 84 обр№2

13 -«- 2,5 И-40А 30 480 279 53 78 58 -52 99 95 обр№2

м

11).ПБВ 300 9).ПБВ 200 8).ПБВ 130 3).ПБВ 200 Номер состава и марка полученного ПБВ по ГОСТ Р 52056-2003 § £

сл Оч О о а» ПБВ Состав Эмульсии, масс %

0,42 0,48 о о\ о "1л 4» Катионный эмульгатор «Динорам 5Ь»

о ос о р О К» и> Соляная кислота

р о о ©О р о о чО Хлорвд кальция

34,26 39,24 49,05 44,14 Вода

4^ -Р» "чо о ОО ю тз я Катионной битумно-полимерной эмульсии | Показатели свойств |

■и Условная вязкость, при 20°С

и» Сцепление с минеральными материалами, балл, не менее

о "иа 0,29 о К) о о ы О! Однородность, %

уст-ва уст-ва уст-ва 1 уст-ва Устойчивость при транспортировании

смешивает ся смешивает ся не 1 смешивае^ ся смешивает ся пористого зернового состава Устойчивость при перемешивании со смесями минеральные материалов

смешивает ся не смешивает ся не смешивает ся не смешивает ся плотного зернового состава

ы ю О ы о при 25°С глубина проникновения иглы, 0,1мм Полимерно-бшумного вяжущего после выпаривания эмульгатора из эмульсии

-и (л ОО ю С\ ЧО при 0°С

ОС Ъ) -и ю и и* ОО "с\ Температура размягчения по кольцу и шару, °С

из V© Чл (л Оч Растяжимость, см

\© о о и) чо Эластичность при 25 °С, %

Температура хрупкости составов ПБВ с СБС в количестве

£-10

Ь

и

§ -20 с

-30

-40

а

S -50

-60

I Í

I

Л5 fsr» -30 -30

-27 -31 -32 — ч, —Як^ -40

-38 ....„44...

=47.........Ч - 57" •• "

ПБВ 90 ПБВ 90 ПБВ ПБВ ПБВ ПБВ ПБВ

состав 1 состав 2 130 200 200 200 300

состав Зсостав 4состав 5состав бсостав 7 Наименование составов вяжущего

Рисунок 5

""■температура хрупкости исходного битума

температура хрупкости ПБВ по ГОСТР 52056

температура

хрупкости

ПБВ

полученных составов

Температура хрупкое™ составов ПБВ с СБС в количестве

2,5%

10

-20

= -30

О.

X

§.-40 2.-50

<и с

S-60 н

......

-30

.......

-32

-30

-38

-35

-40

-40

-47

(

-40

-47~

- температура хрупкости исходного битума

^■—требуемая

-40

-52

температура хрупкости по ГОСТ Р 52056

температура хрупкости

ПБВ 130 ПБВ 130 ПБВ 200 ПБВ 300 ПКВ 300 ПБВ 300 полученных состав 8 состав 9 состав 10 состав 11 состав 12 состав 13 составов

ПБВ

Наименование составов вяжущего

Рисунок 6

80 -г...........................—..................................................62............................,...........................SS....................-I

60 .......... 46------------- ¡fif'lB......

40 i......- • 1 - .............Ш ЗУ, температура

20 - -• ' t ■ | JSb........... '

0 i

-го . • .....

-40 -20

-во i.......................-.....—.........|........................;............................„..........' -

-80 Д.........................................................1................-57.........................J..........................-S2.......................

БНД 90/130 ПБВ полимера ПБВ полимера

Наименование вяжужих 3,5% 2,5%

размягчения

«температура хрупкости

Рисунок 7 - Интервалы пластичности битума и ПБВ

Температура размягчения исходного битума и ПБВ с СБС в количестве

3,5%

О

□

в а

к

о.

&

Е И

68

56

г •

1

61

Я

Я

55

56

58

62 «

размягчения исходного : ' битума

размягчения ПБВ

ПБВ 90 ПБВ 130 ПБВ 130 ПБВ 200 ПБВ 200 11БВ 200 ПБВ 300

состав 1 состав 2 состав 3 состав 4 состав 5 состав 6 состав 7

Наименование составов вяжущего

60

Рисунок 8

Температура размягчения исходного битума и ПБВ с СБС в количестве

2,5%

58

51

51

49

а!

размягчения

исходного

битума

размягчения ПБВ

БНД ПБВ 130 ПБВ 130 ПБВ 200 ПБВ 300 ПБВ 300 ПБВ 300 90/130 состав 8 состав 9 состав 10 состав 11 состав 12 состав 13

Наименование составов вяжущего Рисунок 9

В четвертой главе приведены результаты исследования органоминеральных смесей полученных на основе битумно-полимерных эмульсий, а так же технология укладки и получения органо-минеральных смесей. Кроме того описана технология получения ПБВ, битумно-полимерной эмульсии и органоминеральной смеси на промышленных установках.

Для получения органоминеральных смесей в лабораторных условиях применялась щебеночно-песчаная смесь С6 соответствующая требованиям ГОСТ 25607-2009. В качестве исходного материала применялась изверженная горная порода месторождения «Ангасолка». В качестве вяжущего применялись битумные эмульсии, приготовленные на основе битума БНД 90/130 и полимерио-битумных вяжущих составов №3, №8, №9, Л'а 11. В таблицах 8 и 9 приведены результаты исследований ОМС.

Таблица 8 - Физико-механнческие показатели органоминеральных смесей для покрытий

Наименование показателей Требования ГОСТ 30491 для покрытий ОМС на ЭБК БНД 90/130 ОМС па ЭБПК состав №11 ОМС на ЭБПК состав №9 ОМС на ЭБПК состав №8 ОМС на ЭБПК состав №3

Предел прочности на сжатие, МПа при температуре, 20°С, не менее 1,8 1,42 1,67 1,95 2,15 2,25

При 50 "С 0,9 0,54 0,82 1,05 1,25 1,38

Водостойкость, не менее 0,8 0,41 0,76 0,89 0,94 0,96

Водостойкость при длительном водонасыщении, не менее 0,65 0,31 0,66 0,81 0,86 0,88

Водонасыщение, % по объему От 2,0 до 6,0 10,19 5,91 5,44 5,1 4,5

Набухание, % по объему не более 1,5 0,68 0,15 0,03 0,04 0,02

Таблица 9 - Физико-механические показатели органоминеральных смесей для оснований

Наименование показателей Требования ГОСТ 30491 1ля оснований ОМС на ЭБК БНД 90/130 ОМС на ЭБПК состав №11 ОМС на ЭБПК состав №9 ОМС на ЭБПК состав №8 ОМС на ЭБПК состав №3

Предел прочности на сжатие, МПа при температуре 20°С, не менее 1,4 1,42 1,67 1,95 2,15 2,25

При 50 °С 0,5 0,54 0,82 1,05 1,25 1,38

Водостойкость, не менее 0,6 0,41 0,76 0,89 0,94 0,96

Водостойкость при длительном водонасыщении, не менее 0,5 0,31 0,66 0,81 0,86 0,88

Водонасыщение, % по объему, не более 10 10,19 5,91 5,44 5,1 4,5

Набухание, % по объему не более 2 0,68 0,15 0,03 0,04 0,02

В ........................-..............................................................................-................................................-................

БНД Состав Состав Состав Состав 90/130 №11 №9 №8 №3 Применяемые вяжущие в эмульсиях

Рисунок 10 - Зависимость прочности ОМС от применяемых вяжущих

Н»~В одо стойко сть по ускоренному методу"

■"^■"Водостойкость при длительном водонасьпцешш

БНД Состав Состав Состав Состав 90/130 №И №9 №8 №3

Применяемые вяжущие в эмульсиях

Рисунок 11 - Зависимость показателей водостойкости и водостойкости при длительном водонасыщении от применяемого вяжущего в ОМС

На следующем этапе в работе было проведено исследование влияния вводимого неорганического вяжущего и его концентраций на свойства ОМС с применением разработанных составов битумно-полимерной эмульсии.

В предварительно подобранную смесь вводили 6% воды, перемешивали в лабораторной мешалке, а затем вводили 10% битумной эмульсии и продолжали перемешивать в течении 30 секунд. После чего готовую смесь формовали в формах

,0,94 °-96,

.0.36 i ^ к 0.8 1........................;

............/ж.............. ¡0,86 0,81 г i 1

o,4i // ................................_ 0,66 ]

0.31......

i 1

диаметром 71,4мм при давлении ЗОМПа в течете трех минут. Для проведения испытаний применялась битумная эмульсия, приготовленная с применением битума БНД 90/130 с концентрацией битума 60%, битумно-полимерная эмульсия с концентрацией ПБВ 60%, портландцемент. Количество добавленного в смесь портландцемента ПЦ 400-Д20 принято от 1 до 4% с шагом о,тин процент. После выдерживания полученных образцов на воздухе в течение 14 суток были проведены лабораторные испытания результаты, которых приведены в таблицах 10, 11.

Таблица! 0 - Физико-механические показатели ОМС с применением битумной эмульсии

с эмульгатором «Динорам»

Требовани ОМС ОМС ОМС+2 ОМС ОМС

Наименование показателей я ГОСТ без + 1% % +3% +4%

30491 цемента цемента цемента цемента цемента

Предел прочности на

сжатие, МПа, при температурах-, °С, не менее: 20°С 1,8 1,91 1,96 2,12 2,45 2,93

50 °С 0,9 0,56 0,76 1,18 1,37 1,45

0°С Не норм 3,78 4.85 5,67 6,24 6,58

Водостойкость, не менее 0,8 0,38 0,77 0,89 0,92 0,9

Водонасыщение, % по объему От 2,0 до 6,0 10,19 6,09 5,44 5,11 4,50

Набухание, % по объему, не более 1,5 0,68 0,25 0,13 0,04 0,03

Коэффициент температуро-чуствителыюстиКц\1?.5|> 6,75 6,38 4,81 4,55 4,53

Таблица11 - Физико-механические показатели ОМС с применением битумно-полимерной __эмульсии с эмульгатором «Динорам» __

Наименование показателей Требования ГОСТ 30491 ОМС без цемента ОМС +1% цемента ОМС+2 % цемента ОМС +3% цемента ОМС +4% цемента

Предел прочности на сжатие, МПа, при температурах, °С, не менее: 20°С 1,8 1,41 1,83 3,05 3,26 3,29

50°С 0,9 0,72 0,95 2,09 2,23 2,28

0°С Не норм 2,59 3,22 3,68 4,02 4,06

Водостойкость, не менее 0,8 0,76 0.82 0,95 1,22 1,11

Водонасыщение, % по объему От 2,0 до 6,0 9,02 5,99 4,86 4,07 3,75

Набухание, % по объему, не более 1,5 0,45 0,15 0,03 0,01 0,00

Коэффициент температуро-чуствительностиКо\115о 3,88 3,28 2,09 1,80 1,7

На основании данных приведенных в таблицах 12 и 13 получены зависимости прочностных характеристик органоминеральпых смесей при 0°С, 20°С, 50°С показанные на рисунках 11, 12, 13, 14.

1

..................................1............. 467 6,24

% ......„_4„,

г— ] 3.68 4 а, 4,о Г

- ?22 Ао

Прочность ОМС с тшенение

ЭБК

Прочность ОМС с пр1менею[ емЭВПК

12 3 4

Количество пэутландцемента, %

Рисунок 12 - Прочность на сжатие ОМС при 0°С Рисунок 13 - Прочность на сжатие ОМС при20°С

3,0 5| 1 2 6...............................ада ?-----4 1 1

/ 0 4

® еДэ Г" 1.41

- Прочность ОМС с нсполмоьа нием ЭЕПК

- Прочность ОМС с нспользова нием ЭБК

0 12 3 4

Количество портлавд цемент;«, %

и

А

2 1,5

и

I 1

0,-1

2 02 ...............-................... 2.2 К"" ' > 2,2

1 /А / |

I..........................ч и.............. ""*"" 1, --1 1.45

¿),72 —""" .«.»•г" ......о.:б................................

0,56

Прочность ОМС с использован немЭБПК

Прочность ОМС с использован нем ЭБК

0 12 3 4

Количество портландцемента, %

Рисунок 14 - Прочность на сжатие ОМС при 50°С

Ь 1 Я

§ Й у Н

ъ —

'X о

I, 3

3..88

........«3

.....' '-И

3,09 9

1,8

•К<И850 ОМС с нртсмененн Ш»

-ЕО'Яйу ОМС» применяв! ем ЗБШГ

0 12 3 4

Количество портландцемента, %

Рисунок 15 - Изменение коэффициента температурочувствительности ОМС при использовании эмульсий на основе БНД 90/130 и ПБВ

В пятой главе рассматривается экономическая эффективность применения предложенных битумно-полимерных эмульсий и органоминеральных смесей на их основе.

Расчет экономической эффективности выполнен в соответствии с отраслевыми нормами и расценками на основе данных, полученных при устройстве покрытия

из органоминеральной смеси на основе катионной битумно-полимерной эмульсии в г. Иркутске на ул. Напольной в районе остановки трамвая №4 «Братская».

Результаты технико-экономического сравнения асфальтобетонного покрытия и покрытия из органоминеральных смесей на основе эмульгированного ПБВ показывают, что разница в цене окупается за 2,2-2,4 года, а каждый вложенный рубль в органоминеральную смесь приносит от 3,6 до 7,7 тыс. руб. экономии на каждый километр покрытия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Получены эмульсии битумно-полимерные катионные ЭБПК — 1 и ЭБПК — 2 на основе разработанных составов ПБВ соответствующих требованиям ГОСТ 52056.

2. Комплексом методов физико-химического анализа (физико-химического анализа, ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа) исследовано влияние процесса эмульгирования вяжущего на его структуру. Установлено, что после эмульгирования структура ПБВ практически не изменяется.

3. Экспериментально установлено, что получение ЭБПК возможно при концентрации полимера ДСТ 30-01 от 0,5% до 3,5 %, а пластификатора И-40А от 12% до 30%. При использовании «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-ЗБ», «Динорам СЛ» в качестве ПАВ выявлено, что отечественные эмульгаторы «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-ЗБ» позволяют получить устойчивые ЭБПК при концентрации полимера от 0,5% до 2%, а пластификатора от 20% до 30%. При применении ПАВ зарубежного производства «Динорам СЛ», были получены ЭБПК с концентрацией полимера от 0,5% до 3,5%, при этом концентрация пластификатора составила от 12% до 30%.

4. На основе разработанных составов катиошшх битумно-полимерных эмульсий получены ОМС для оснований и покрытий автодорог III и IV технических категорий для условий первой дорожно-климатической зоны.

5. Анализ экспериментальных данных показывает, что разработанные ОМС характеризуются широким диапазоном свойств: прочностью при 20°С в пределах 1,95- 2,63 МПа с коэффициентом водостойкости 0,81 - 0,96.

6. Разработанные составы битумно-полимерных эмульсий на основе ПБВ прошли опытно-производственное внедрение при ямочном ремонте и устройстве покрытия на участкеулично-дорожной сети г. Иркутска.

7. Исследованиями установлено, что значения водородного показателяэмульгирующего состава находятся в пределах от 3,7 до 4,34Ph, что свидетельствует о наименьшем использовании HCl, а следовательно, уменьшается вредное влияние соляной кислоты на окружающую среду.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Милицыи Д.А. Применение полимерно-битумных эмульсий для дорожного строительства // Сборник докладов Международной науч.-практ. конф. «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения». - Белгород: Изд-во БГТУ, 2007. - с. 231-234.

2. Милицын Д.А., Самбаров H.H. Использование битумных эмульсий на основе модифицированных битумов в дорожном хозяйстве // Материалы Международной науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-комунальном комплексе». - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007 -с. 79-82.

3. Милицын Д. А., Балабанов В.Б., Николаенко В.Л. Модифицированные битумы в дорожном хозяйстве и битумные эмульсии на их основе // Материалы

Международной науч.-практ. конф. «Наука, технологии, инновации в ивестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилигцно-комунальном комплексе». - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009 - с. 124-130.

4. Шабуров С.С., Кибирев В.В., Алексеенко В.В., Милицын Д.А., Эмульсии на основе отечественных эмульгаторов // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии: производство, экономика, образование». — Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2009. - С. 182-184.

5. Милицын Д.А., Николаенко В.Л., Балабанов В.Б. Применение Эмульсий на основе модифицированных битумов в дорожном хозяйстве // Тезисы и доклады 1У-Й Всерос.науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем» (Полимер-2010).-Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2010-С. 102-184.

6. Милицын Д.А., Балабанов В.Б., Шабуров С.С. Органоминеральные смеси на основе катиошшх битумных эмульсий и эмульсий на основе модифицировашшх битумов // Материалы науч.-практ. конф. «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов». - Иркутск: Изд-во Союз дорожников Иркутской области, 2010 -

7. Балабанов В.Б., Мнлицын Д.А.Применение полимерно-битумных эмульсий на основе нефтяных модифицировашшх битумов в дорожном строительстве// Вестник ИрГТУ - 2011. №12(59). - С. 115-119.

8. Кибирев Ю.В., Шабуров С.С., Милицын Д.А., Жаринов Ю.Б., Раченко В. А. Использование присадки «БАП-ДС-ЗБ» для производства эмульгированного вяжущего // Сборник статей и докладов ежегодной научной сессии ассоциации исследователей асфальтобетона. - М.: Московский автомобилыю-дорожный государственный технический университет (МАДИ), 2011,- С. 30-37.

9. Мнлицын Д.А., Балабанов В.Б. Патент на изобретете № 2462490 «Катионная полимерно-битумная эмульсия».

10. Балабанов В.Б., Милицын Д.А. Применение органоминеральных смесей на основе катионных битумных эмульсий и эмульсий на основе модифицированных битумов // Вестник ИрГТУ - 2011. №5(52). - С. 78-82.

11. Балабанов В.Б., Мнлицын, Жаринов Ю.Б. Применение катионных полимерно-битумных эмульсий на основе нефтяных модифицированных битумов в дорожном строительстве.//Научно-технический журнал «Нефть-Газ-экспозиция»

С. 55-58.

№5 2012,- С.91-95.

МИЛИЦЫН Дмитрий Александрович

ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ СМЕСИ НА ИХ ОСНОВЕ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Подписано в печать: 30.08.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 862н

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка» БФ Сосновгеология. Юридический адрес: г. Иркутск, ул. Трактовая, дои 9. ИНН 7706042118 Справки и информация: тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201361795 Милицын Дмитрий Александрович

ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ СМЕСИ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Балабанов В.Б.

Иркутск, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение..................................................................................................................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования........................12

1.1 Применение битумных эмульсий в дорожном хозяйстве..............12

1.2 Опыт применения битумных эмульсий......................................................19

1.3 Классификация битумных эмульсий................................................................24

1.4 Общие требования к дорожным битумным эмульсиям..................26

1.5 Типы эмульгаторов (ПАВ) для производства битумных эмульсий............................................................................................................................................29

1.6 Применение полимерно-битумных вяжущих................................................32

1.7 Выводы по главе 1..................................................................................................................34

Глава 2 Теоретические и технологические предпосылки для

производства органоминеральных смесей на битумной основе.. 36

2.1 Минеральные материалы для покрытий нежестких дорожных одежд..............................................................................................................................................36

2.2 Органоминеральные смеси с применением битумных

эмульсий..........................................................................................................................................38

2.3 Обоснование выбора пластификатора и полимерного модификатора битума..................................................................................................43

2.4 Обоснование выбора ПАВ для получения битумно-полимерной эмульсии....................................................................................................................................48

2.5 Выводы по главе 2..............................................................................................................54

Глава 3. Экспериментальная часть..........................................................................................55

3.1 Получение ПБВ и определение их физико-механических

характеристик......................................................................................................................55

3.2 Оценка влияния количества полимера в ПБВ на устойчивость битумно-полимерной эмульсии............................................................................64

3.3 Получение битумно-полимерных эмульсий в лабораторных условиях..........................................................................................................................................69

3.4 Определение кислотности растворов эмульгаторов и эмульсий..............72

3.5 Изучение структуры полученных составов ПБВ и битумно-полимерных эмульсий........................................................................................................74

3.6 Исследование компонентов битумной композиции методами спектроскопии ЯМР 'Н и 13С............................................................................................78

3.7 Данные спектров ЯМР ]Н и 13С битума БНД 90/130................................79

3.8 Данные спектров ЯМР и 13С индустриального масла И-40А.. 83

3.9 Данные спектров ЯМР и 13С полимера ДСТ-30....................................85

3.10 Исследование ПБВ композиций методами спектроскопии ЯМР

!Н и 13С................................................................................................................................................86

3.11 Выводы по главе 3..................................................................................................................97

Глава 4. Лабораторные и промышленные испытания

органоминеральных смесей на основе битумно-полимерной эмульсии.................................................................... 98

4.1. Технология получения битумно-полимерной эмульсии и

органо-минеральных смесей на ее основе............................ 98

4.2 Оценка величины адгезии разработанных составов битумно-полимерных эмульсий...................................................... 109

4.3 Разработка компонентного состава и регулирование свойств органоминеральных смесей на основе разработанных битумно-полимерных эмульсий.................................................................... 113

4.4 Выводы по четвертой главе............................................... 124

Глава 5. Оценка экономической эффективности использования

органоминеральных смесей, приготовленных с применением

битумно-полимерных эмульсий................................................................................126

5.1 Расчет стоимости битумных эмульсий..............................................................126

5.2 Расчет эффективности применения органоминеральных смесей

на основе разработанных битумно-полимерных эмульсий..............131

5.3 Выводы по главе 5..................................................................................................................136

Основные выводы..........................................................................................................................................137

Литература............................................................................................................................................................138

Приложения..........................................................................................................................................................151

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, при ремонте и строительстве автомобильных дорог широко применение получили катионно-битумные эмульсии. Отсутствие современного оборудования на предприятиях дорожной отрасли затрудняют оценку качества произведенной продукции, что влечет за собой низкий спрос и применение эмульсий в дорожном строительстве.

Зарубежные технологии по содержанию и ремонту, автомобильных дорог предусматривают достаточно широкое использование катионно-битумных эмульсий, которые позволяют повысить качество покрытий и увеличить срок их службы.

Основой битумных эмульсий являются дорожные битумы различных марок, для России выпускаемых по ГОСТу 22245-90. Температура хрупкости которых предусмотренная гостом не соответствует температурам эксплуатации дорожных покрытий. Это характерно для большей части (более 96%) территории России. В связи с тем, что битумы в РФ производят методом окисления, одним из главных их недостатков является низкая адгезия к каменным материалам. Перечисленные недостатки, безусловно, отрицательно влияют и на качественные показатели битумных эмульсий.

Для повышения комплекса физико-механических свойств битумных эмульсий целесообразно использовать полимерно-битумные вяжущие (ПБВ), имеющие качественные показатели не ниже установленных требований. Применение поверхностно активных веществ в составе ПБВ, повышает их адгезионные качества, а стабилизирующие добавки отвечают за устойчивость битумных эмульсий.

В России катионно-битумные эмульсии, как правило, применяются при ремонтно-строительных работах: повышение эксплуатационных свойств покрытия - поверхностная обработка, подгрунтовка, укреплении обочин методом пропитки и др. Кроме того, битумные эмульсии являются вяжущим для производства органоминеральных смесей (ОМС). В условиях первой

дорожно-климатической зоны нормативами не предусматривается применение (ОМС) это связано с малоизученными физико-механическими свойствами данных материалов.

Таким образом, проведенный аналитический обзор и анализ используемых катионно-битумных эмульсий показал. Что для первой дорожно-климатической зоны необходимы эмульгированные вяжущие с высокими физико-механическими свойствами: низкая температура хрупкости, устойчивость к ультрафиолету, повышенный интервал пластичности и эластичность. Получение таких эмульсий на сегодняшний день является актуальной проблемой.

Целью данной работы является разработка составов и технологии получения катионно-битумных эмульсий на основе битума БНД 90/130, полимера ДСТ-30-01, масла индустриального (И40-А) в качестве пластификатора, катионные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Получение на их основе органоминеральных смесей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Подбор процентного содержания ДСТ 30-01 для модификации битума БНД 90/130

2. разработать составы и катионо-битумных эмульсий на основе модифицированного битума БНД90/130

3. выполнить экспериментальные исследования полученных составов катионно-битумных эмульсий

4. разработать составы органоминеральных смесей на основе катионных битумно-полимерных эмульсий и определить их физико-механические свойства.

5. Произвести опытно-производственные испытания катионно-битумно-полимерных эмульсий и органоминеральных смесей на их основе.

6. Обосновать экономическую эффективность новых катионно-битумно-полимерных эмульсий и органоминеральных смесей на их основе.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:

Исследование физико-механических свойств битума и полимерно-битумного вяжущего проводились по методикам утвержденными следующей нормативной документацией: ГОСТ 11501 определение глубины проникания иглы; ГОСТ 11506 определение температуры размягчения по кольцу и шару; ГОСТ 11505 растяжимость; ГОСТ 11507 температура хрупкости; ГОСТ 4333 температура вспышки; ГОСТ 18180 и ГОСТ 11506 изменение температуры размягчения после прогрева; ГОСТ Р 52056 однородность. Исследование физико-механических свойств катионно-битумно-полимерных и катионо-битумных эмульсий проводились по методикам утвержденными ГОСТ Р 52128: определение содержания вяжущего с эмульгатором; определение устойчивости эмульсии при перемешивании с минеральными материалами; определение остатка на сите; определение условной вязкости; определение устойчивости при хранении; определение сцепления эмульсий 1-го и 2-го классов с поверхностью щебня; определение физико-механических свойств остатка после испарения воды из эмульсии; определение устойчивости при ; транспортировании. Исследование физико-механических свойств

органоминеральных смесей проводились по методикам утвержденными ГОСТ 30491: придел прочности на сжатие; водостойкость; водостойкость при длительном водонасыщении; водонасыщение, % по объему; набухание, % по объему.

Кроме того, были применены физические методы для изучения группового состава битума, индустриального масла, ДСТ 30-01, композиционных составов ПБВ, катионно- битумно - полимерных эмульсий: методами ИК спектроскопии на приборе BRUKER IFS25, ЯМР на импульсном

спектрометре Вгикег БРХ250, на рентгеновском дифрактометре БЫтас^и ХМЭ-7000.

На защиту выносятся:

- Влияние полимера ДСТ 30-01 и пластификатора (индустриальное масло И 40-А) на устойчивость катионно-полимерно-битумной эмульсии.

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение выбора ПАВ для получения катионно-битумно-полимерной эмульсии.

- обоснование составов органоминеральной смеси на основе катионно-битумно-полимерных эмульсий.

- результаты опытно-производственных испытаний разработанной органоминеральной смеси на основе катионно-битумно-полимерной эмульсии.

Научная новизна работы:

- впервые теоретически обоснованы и получены катионно-битумно-полимерные эмульсии без применения водорастворимых латексов;

- выявлены закономерности влияния количества пластификатора и полимера, вводимых в состав полимирно-битумного вяжущего, на устойчивость катионно-битумно-полимерной эмульсии. Экспериментально установлено, что получение катионно-битумно-полимерной эмульсии возможно при концентрации полимера (СБС) от 0,5% до 3,5 %, а пластификатора от 12% до 30%. При использовании «АмдорЭМ», «БАП-ДС-ЗБ», «Динорам СЛ» в качестве ПАВ выявлено, что отечественные эмульгаторы «Амдор ЭМ», «БАП-ДС-ЗБ» позволяют получить устойчивые катионно-битумно-полимерные эмульсии при концентрации полимера от 0,5% до 2%, а пластификатора от 20% до 30%. При применении ПАВ зарубежного производства «Динорам СЛ», были получены катионно-битумно-полимерные эмульсии с концентрацией полимера от 0,5% до 3,5%, при этом концентрация пластификатора составила от 12% до 30%. Результаты эксперимента показали, что применение ПАВ «Динорам СЛ» для получения катионно-битумно-

полимерных эмульсий позволяют получить материал с более широким диапазоном физико-химических свойств.

-впервые использована катионно-битумно-полимерная эмульсия в качестве вяжущего при приготовлении органоминеральной смеси для устройства оснований и покрытий в первой дорожно-климатической зоне;

- комплексом методов физико-химического анализа, ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа исследовано влияние диспергирования полимерно-битумного вяжущего на его структуру. Установлено, что процессы происходящие при диспергации ПБВ не значительно влияют на его структуру.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждена:

- соответствием результатов опытно-производственных и лабораторных работ, выполненных с использованием современных приборов, оборудования и методов испытаний. Степень достоверности лабораторных исследований составляет - 96%;

- результаты экспериментов были подтверждены рядом физико-химических методов исследований ИК спектроскопии, ЯМР спектроскопии, рентгеноструктурного анализа.

Практическая значимость работы:

- на основании проведенных исследований определены компонентные составы катионно-битумно-полимерных эмульсий классов ЭБПК - 1, ЭБПК — 2 на основе ПБВ соответствующего требованиям нормативной документации. Эмульсия может применяться для повышения эксплуатационных свойств дорожных покрытий, ямочного ремонта, подгрунтовки, устройства дорожных одежд из щебня и пористых щебеночных смесей, приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей. Практическая ценность данной работы подтверждена патентом № 2462490 «Катионная полимерно-битумная эмульсия».

Реализация результатов работы. По результатам исследований проведены опытно-промышленные испытания. На производственной базе ООО «Дорожно-строительная компания» была смонтирована установка по производству ПБВ. Объем опытной партии составил 5 т. С использованием полученного ПБВ изготовлено 9 т битум-полимерной эмульсии и на ее основе получено 60 т органоминеральной смеси, на производственной базе ООО «ИркутскРемДорСтройХолдинг». Полученную смесь использовали для устройства верхнего слоя покрытия на улице Напольной в г. Иркутске общей площадью 300 м2.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения», Белгород (2007); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-комунальном комплексе», Иркутск (2007, 2009); на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения», Казань (2008); на научно-технической конференции «Современные материалы в строительстве», Улан-Удэ (2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» Бийск (2009); на 1У-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем». (Полимер-2010) Бийск (2010); на научно-практической конференции Союза дорожников Иркутской области «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов», Иркутск (2010); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов посвященной 310 - летию инженерного образования в России,

Улан-Удэ (2011); на научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов, Улан-Удэ (2012): на международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика», Улан Удэ (2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в рецензируемых изданиях по списку ВАК МОиН РФ три статьи, получен патент № 2462490

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 4 приложений. Содержит 151 страницу машинописного текста, 40 рисунков, 42 таблицы. Список литературы состоит из 146 работ отечественных и зарубежных авторов.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Применение битумных эмульсий в дорожном хозяйстве.

В странах Европы, Азии, латинской Америки, США, Японии и т.д. основным видом дорожных покрытий является асфальтобетон, так как именно этот материал используется для устройства дорожных одежд нежесткого типа в 90-95%. Несмотря на многообразие технологических и эксплуатационных преимуществ дорожных одежд из асфальтобетона они имеют ряд существенных недостатков (трещины, микротрещины, шелушение, выкрашивание и др.). При ремонте таких покрытий применяются следующие технологии:

устройство дополнительного слоя асфальтобетонного покрытия (усиление), устройство поверхностного защитного слоя.

Наиболее эффективным методом улучшения эксплуатационных показателей является метод устрой