ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МОРФОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО БИТУМА

АННОТАЦИЯ

В работе изучены модификации битума с госсиполовой смолой. При модификации первоначально модифицировалась госсиполовая смола с карбамидом и с серой, потом с этим модифицированным веществом модифицировали битума. Структура и физико-механические свойства битума марки БНД 40/60 с модифицированной госсиполовой смолой исследовано SEM-анализом и элементным анализом. Установлено, что смесь 40/60 модифицированная госсиполовая смола/битум является рекомендуемым коэффициентом замещения для асфальтового вяжущего, так как увеличение отношения серы приводит к увеличению жесткости смеси, которая будет более подвержена растрескиванию при больших нагрузках.

ABSTRACT

The paper studies modifications of bitumen with gossypol resin. During modification, gossypol resin was initially modified with urea and sulfur, then bitumen was modified with this modified substance. The structure and physical and mechanical properties of bitumen grade BND 40/60 with modified gossypol resin were studied by SEM analysis and elemental analysis. It was found that the 40/60 modified gossypol resin/bitumen mixture is the recommended substitution ratio for asphalt binder, since an increase in the sulfur ratio leads to an increase in the rigidity of the mixture, which will be more susceptible to cracking under heavy loads.

Ключевые слова: карбамид, сера, модифицированная сера, госсиполовая смола, битум.

Keywords: urea, sulfur, modified sulfur, gossypol resin, bitumen.

Введение

Госсиполовая смола, амиды, амины и сера является ключевыми веществами для производства модифицированного битума, используемого в промышленности по производству материалов для дорожных покрытий. Так например, карбаммид, или мочевина, представляет собой соединение, которое содержит две аминогруппы (NH₂), связанные карбонильной (C=O) группой. Эта химическая структура делает ее высокореактивной с госсиполовой смолой в синтезе модифицированного госсиполовой смолы. Реакция между серой, мочевиной и госсиполовой смолой приводит к образованию новых мостиковых соединений, которые имеют решающее значение для процесса сшивания и полимеризации, который создает сетчатую структуру смолы. Госсиполовая смола относительно недорога и широко доступна, что делает ее экономически эффективным выбором для крупномасштабного производства смолы. Эта доступность делает госсиполовую смолу предпочтительным вариантом для различных промышленных применений [1-3].

Амидные группы в мочевине участвуют в образовании связей с госсиполовой смолой и серой, что приводит к созданию новой структуры в смоле.

При этом отмечается, что уменьшение содержания мочевинного азота в целевом продукте способствует тому, что сера с госсиполовой смолой будет образовывать новые связи, что приводит к улучшеннию механических свойств, увеличению термической устойчивости, повышению прочности модифицированного битума [4,5].

В связи с этим вопрос разработки экономичных и экологически безопасных технологий модифицирования госсиполовой смолы, предназначенной для получения битума, применяемого в асфальтовых смесях для дорожного строительства, стоит весьма актуально.

Целью настоящего исследования является изучение структуры и морфологии битума, модифицированного мочевиной и госсиполовой смолой, с применением сканирующей электронной микроскопии.

Экспериментальная часть

В исследовании использованы элементная сера производства ООО «Мубарекнефтегаз», побочный продукт с чистотой 99,9%, карбамид АО «Навоиазот», госсиполовая смола, отходы переработки хлопкового масла и битум асфальтовый дорожный БНД 40/60 от Ферганского нефтеперерабатывающего завода.

Процесс модификации. При добавлении госсиполовой смолы к карбамиду и серы происходят химические реакции со связыванием серы с карбамидом, тип которых зависит от состава госсиполовой смолы, карбамида и серы, а также от температуры нагревания и времени реакции. Полученную модифицированную смолу маркировали как ГКС-1.

Для этого в реактор, представляющий собой вертикальный стальной аппарат диаметром 25 мм, высотой 700 мм, снабженный рубашкой теплообмена, мешалкой, обратным холодильником и ловушкой, загружали 200 г молотой серы, 50 г карбамида и 100 г госсиполовой смолы. Расплавленную серу, карбамид и госсиполувую смолу перемешивали при температуре 145 °С в течение 3 часов. Ход реакции контролировали путем регистрации изменений вязкости во время процесса перемешивания. Затем образцам давали остыть с контролируемой скоростью 8-10 °С/мин. Продукт представляет собой твердую модифицированную госсиполовую смолу черного цвета (Схема 1).

Схема 1. Схема реакции госсипола с карбамидом и серой

Модификации битума марки БНД 40/60 с ГКС-1, проводили перемешивая при температуре 180^оС в реакторе, снабженном механической мешалкой и термометром для контроля температуры, и нагревали при интенсивном перемешивании до 185 °С до образования однородной массы. Модифицированный битум маркировали под названием ГКСБ-1 (рис. 2).

Рисунок 1. Реактор с рубашкой и мешалкой

А, Б, В, Г-загрузка ингредиентов, Л-место для обратного холодильника

SEM и элементный анализ. Для изучения морфологии поверхности полученных образцов битума использовали сканирующий электронный микроскоп SEM-YEVO MA 10 (Zeiss, Германия). Это позволило получить информацию о структуре поверхности (внешняя морфология),  элементном составе , а также кристаллической структуре образца. 

Результаты и обсуждение.

Результаты анализа битума ГКСБ-1 с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).

С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и элементного анализа были получены изображения поверхности битума ГКСБ-1 при 5 мкм, 10 мкм, 50 мкм и 200 мкм (рисунки 2 а-d).

С помощью сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионной приставкой были получены изображения поверхности образцов битума и проведен элементный анализ. Полученные СЭМ изображения приводятся на рисунках 2 (а-d).

(a)                                                                  (b)

 (c)                                                                                  (d)

Рисунок 2. СЭМ-изображения поверхности битума ГКСБ-1:

а) 5 мкм б) 10 мкм; c) 50 мкм и d) 200 мкм

Процентное содержание элементов в полученных образцах битума, показано на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Элементный анализ поверхности ГКСБ-1

Рисунок 4. Элементный анализ основных элементов ГКСБ-1

Анализируя изображения битума ГКСБ-1 при увеличении 5 мкм, 10 мкм, 50 мкм и 200 мкм, можно наблюдать следующее:

На рисунке 1а приведении изображения при 5 мкм. На этом изображении видно, что полимерная поверхность битума ГКСБ-1 имеет гладкую и однородную структуру. Это свидетельствует об отсутствии на поверхности материала посторонних частиц или остатков добавок. Это подтверждает, что поверхность полимера однородна и имеет хорошую однородность, что является важным показателем ее физико-механических свойств.

На рисунке 1b приведены изображение поверхности образца при 10 мкм, при таком увеличении микроструктура поверхности битума видна более отчетливо. Однородная структура полимера становится виднаболее отчетливо, наблюдается наличие равномерно распределенных структур по поверхности. Никаких дефектов, таких как посторонние частицы или трещины, не обнаружено.

Увеличение 50 мкм: При таком увеличении микроструктуры и состояния на поверхности материала видны более отчетливо. Структура свидетельствует о стабильности и равномерном распределении полимерной матрицы. Отсутствие видимых дефектов на данном этапе подтверждает успешность модификации полимера и битума.

Увеличение 200 мкм: этот уровень увеличения позволяет оценить макроповерхность полимера и битума. Поверхность в целом однородная и не имеет дефектов. Крупномасштабная структура материала однородна, что подтверждает полимерный состав одинаковой плотности.

Далее изучали реологические свойства полученных веществ. Полученные результаты по каждому параметру были четко зафиксированы и представлены в таблице 1. Данный анализ позволяет дать полную оценку качественным показателям битума и дает возможность сделать выводы по улучшению его эксплуатационных свойств.

Свойства битума должны соответствовать требованиям ГОСТ. Соответствующие стандарты ГОСТ для каждого измерения следующие:

• Глубина погружения иглы в битум определяется исходя из требований ГОСТ 11501-78;

• Относительное удлинение битума измеряют в соответствии с требованиями ГОСТ 11505-75;

• Температура размягчения битума определяется по ГОСТ 11506-73.

Таблица 1.

Реология битумов марки ГКСБ-1

Определение глубины проникновения битума является важным показателем для оценки его твердости и пластичности. Глубина проникновения иглы в битум при температурах 25°С и 0°С в целом зависит от типа битума и степени его модификации. При изменении температуры изменяется и твердость битума, которая может существенно различаться в модифицированных битумах.

• Глубина проникновения иглы при 25 °C: при этой температуре битум находится в пределах своего нормального диапазона эксплуатационных характеристик, а значения, большие или равные глубине проникновения иглы, указывают на твердость битума.

• Глубина проникновения иглы при 0°C: Битум значительно затвердевает при низких температурах, и ожидается, что глубина проникновения иглы уменьшится. Это важно для оценки эластичности и твердости битума в холодных условиях.

Эта информация важна для анализа различий между модифицированным и немодифицированным битумом и показывает, как битум ведет себя при низких и высоких температурах.

Заключение

На основании результатов проведенного электронно -микроскопического и элементного анализа можно отметить, что снимки битума марки ГКСБ-1 при различных кратностях увеличения показывают, что вещество однородное, гладкое, не содержит посторонних включений. Это свидетельствует о том, что модифицированный битум обладает высокими качественными свойствами. Эти наблюдения подтверждают улучшение физико-химических свойств битума и его пригодность для использования в промышленности и строительстве. По реологическим данным, испытуемые вещества соответствует ГОСТу и не уступает используемому битуму БНД 40/60, применяемого в дорожном строительстве. Использование местных сырьевых ресурсов, таких как госсиполовая смола и сера приводит к уменьшению стоимости битума. Предлагаемая модифицированная смесь мочевины и госсиполовой смолы для получения битума, может стать альтернативой для традиционных битумов, применяемых в асфальтовых покрытиях дорожного полотна.

1. Lu X., Isacsson U., Ekblad J. “Phase separation of SBS polymer modified bitumens // Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 11, 1999, p. 51-57.
2. Read J., Whiteoak D., The Shell Bitumen handbook. Shell Bitumen, Fifth edition, 2003, pp. 85-87.
3. Becker Y., Mendez M.P., Rodriguez Y. Polymer modified asphalt. Vision Tecnologica 2001; 9(1):39-50.
4. Tayfur S., Ozen H., Aksoy A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers. Construction and Building Materials 2007; 21(2): 328-337.
5. Burenina, O.N., Kopylov, V.E., Andreeva, A.V. et al. Prospects for the Use of Sulfur for the Modification of Road Bitumen and Production of Asphalt Concrete from Local Raw Materials with an Improved Set of Technical Properties. Inorg. Mater. Appl. Res. 14, 1082–1087 (2023).
6. Тураев Х.Х., Аманова Н.Д., Хайитова Ж.М., Махмудова Ю.А., Ахадов Б.Б. Модификация серы госсиполовой смолой или пиролизным дистиллятом и получение серного бетона // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13539
7. Росилов М.С., Бекназаров Х.С., Чўлиев Ж.Р. Синтез органических модификаторов для получения серобитума // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2025. 2(131). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19218
8. Эшанкулов Х.Н., Тураев Х.Х., Умбаров И.А., Бекназаров Х.С. Модификация битума серой и натуральным каучуком и его ик-спектральный анализ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Эшанкулов Х.Н. [и др.]. 2022. 12(105). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14658
9. Мирвалиев З.З. Исследование госсиполовой смолы, ее фракции и новых производных на процесс термоокислительную деструкцию каучука // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. 11(80). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10918
10. Джалилов А.Т., Бекназаров Х.С., Тураев Ф.Т. Исследование модификации дорожного битума элементной серой // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 2 (59). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/6978