Разработка оптимальных технологических режимов получения битумно-резиновых композиций

АННОТАЦИЯ

В статье определен оптимальный технологический режим получения битумно-резиновых композиций. Проведены необходимые исследования, которые подтвердили теоретические и практические предпосылки о структурообразовании битумно-резиновой композиции, позволяющей разработать оптимальный состав и технологический режим получения битумно-полимерных композиций, с хорошими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

ABSTRACT

The article defines the optimal technological mode for producing bitumen-rubber compositions. The necessary studies have been carried out, which have confirmed the theoretical and practical prerequisites for the structure formation of the bitumen-rubber composition, which makes it possible to develop an optimal composition and technological mode for obtaining bitumen-polymer compositions with good physical, mechanical and operational characteristics.

Ключевые слова: битум, технология, температура размягчения, температура хрупкости, эластичность.

Keywords: bitumen, technology, softening temperature, brittle temperature, elasticity.

Эластичность, прочность, водонепроницаемость, теплостойкость и долговечность рубероидов является важной и актуальной задачей. При решении данной задачи особое место отводится применению модифицированных битумных материалов, способных обеспечить эластичность, прочность, водонепроницаемость, теплостойкость и долговечность рубероидов в течение годового цикла. В связи с этим, возникает необходимость в разработке новых составов полимерно-битумных материалов с использованием минеральных ингредиентов для производства эффективных, долговечных, кровельных материалов и технологий их получения для применения в строительстве зданий и сооружений в условиях сухого и жаркого климата.

Анализ литературных данных и опыт эксплуатации кровельных покрытий из традиционных битуминозных рулонных материалов, показали, что в условиях сухого и жаркого климата они быстро теряют свои первоначальные свойства, преждевременно разрушаются вследствие влияния солнечных радиаций и интенсивного термического старения битумного вяжущего.

Кроме того, одним из приоритетных направлений развитая экономики Узбекистана является локализация производства и замена привозных материалов местными. Это в полной мере, относится и к кровельным материалам. Поэтому для экстремальных климатических условий Узбекистана возникает необходимость научного обоснования производства кровельных битуминозных материалов улучшенного качества, с повышенным сроком службы.

C целью определения оптимальных технологических режимов получения битумно-полимерных композиций были исследованы влияние времени термомеханической обработки, температуры процесса деструкции резинового порошка, и её содержания на степень деструкции резинового порошка, а также температура размягчения исходного битума и их содержания (рисунки 1.1-1.5).

Рисунок 1.1. Зависимость степени деструкции резинового порошка от времени термомеханической обработки в насосе-диспергаторе битумно-резиновой композиции при различном содержании резинового порошка

(1, 2, 3 – 20 масс. ч, 1^I, 2^I, 3^I – 30 масс.ч, 1^II, 2^II и 3^II – 40 масс.ч и температура процесса термомеханической обработки (1, 1^I и . 1^II – 230⁰С; 2, 2^I и 2^II – 210⁰С; 3, 3^I и 3^II – 190⁰С).

На рисунке 1.1 приведены результаты исследования зависимости степени деструкции резинового порошка от времени термомеханической обработки в насосе – диспергаторе битумно-резиновой композиции, при различном содержании резинового порошка (20 масс. ч; 30 масс. ч; 40 масс.ч) и температуры процесса обработки термомеханической обработки композиции (190⁰С, 210⁰С, 230⁰С).

Из кривых рисунка 1.1 видно, что во всех случаях, с увеличением времени термомеханической обработки, степень деструкции резинового порошка увеличивается во всех температурных режимах термомеханической обработки. При этом степень деструкции увеличивается от 40-68 до 55-88% соответственно.  Также показано, что степень деструкции с повышением содержания резинового порошка уменьшается. Так, при увеличении содержание резинового порошка от 20 до 40 масс. ч. степень деструкции снижается с 88 до 70%. Наиболее на степень деструкции резинового порошка влияет температура процесса термической обработки. Так, при увеличении температуры, от 190⁰С до 230⁰С степень деструкции увеличивается с 68 до 88%, при 20% содержании резинового порошка [3]. Как видно, наибольшая степень деструкции наблюдается при температуре 200⁰ – 230⁰С и времени обработки 4-6 часов. При этом температура исходного битума, нами была принята 38⁰С по определению КиШ.

Таким образом, оптимальным режимом приготовления модифицированной битумно-резиновой композиции, принята температура термомеханической обработки композиции – 220⁰С, в режиме обработки 5 часов и температуры исходного битума 38⁰С.

На рисунке 1.2 приведены результаты размягчения битумно-резиновых композиций, в зависимости от температуры исходного битума, при различном содержании и размера частиц резинового порошка.

С увеличением содержания резинового порошка, у всех исследованных параметров, как при различных содержаниях, так и размера частиц, температура размягчения с начало незначительно, а потом, резко повышаясь, стремится к стабилизации.   В связи с этим, с учетом технологического и эксплуатационного процесса, нами были выбраны температуры размягчения исходного битума в пределах 38 – 40⁰С.

Рисунок 1.2 Зависимость температуры размягчения битумно-полимерных композиций от содержания и размера частиц наполнителя – резинового порошка

1 – 0,3мм; 2 – 0,6мм; 3 – 0,9 мм. 1^I – 20 масс.ч; 2^I – 30 масс.ч; 3^I – 40 масс.ч.

На рисунке 1.2 приведены результаты исследований зависимости температуры размягчения битумно-полимерных композиций от содержания и размера частиц резинового порошка. Как видно, из кривых рисунка 1.2 температуры размягчения битумно-полимерных композиций в зависимости от содержания наполнителя, имеют экстремальный характер прохода через максимум, а в зависимости от размера частиц с увеличением дисперсности резинового порошка в начале резко, а потом медленно снижается.

На основе анализа, оптимальным размером частиц резинового порошка было принято 0,6 мм, а её содержание в пределах 28 – 30 масс.ч. 

Таким образом, оптимальными для горячей битумно-резиновой композиции является: температура исходного битума - 40⁰С, содержание – 28 - 39 мас.ч., размер частиц резинового порошка 0,6 мм соответственно [2].

Рисунок 1.3 Зависимость степени деструкции резинового порошка от температуры размягчения исходного битума при различных размерах частиц и содержания резинового порошка

1-0,3 мм; 2-0,6 мм; 3-0,9 мм; 1¹-20 мас.ч.; 2¹-30 мас.ч.; 3¹-40 мас.ч.

На рисунке 1.3 приведены результаты исследований зависимости степени деструкции резинового порошка от температуры размягчения исходного битума при различного размера частиц и содержания резинового порошка. Из кривых рисунка видно, что степень деструкции снижается с увеличением содержание наполнителя, как при различных размерах частиц, так и содержания резинового порошка. Как видно высокая деструкция резинового порошка в битумно-резиновой композиции наблюдается при размере частиц 0,3-0,6мм и 20 мас.ч. содержания.

Рисунок 1.4. Зависимость степени деструкции резинового порошка от содержания наполнителя при различной температуре размягчения исходного битума: 1-38⁰С, 2-46⁰С, 3-54⁰С

Рисунок 1.5. Зависимость степени деструкции резинового порошка от размера частиц при различном содержании: 1-20мас.ч; 2-30мас.ч; 3-40мас.ч.

На рисунках 1.4 и 1.5 приведены результаты исследований зависимости степени деструкции резинового порошка в битумно-резиновой композиции от содержания и размера частиц наполнителя при различной температуре и содержания и наполнителя соответственно.

Из кривых рисунков видно, что с увеличением содержания и размера частиц резинового порошка, у всех исследованных образцов деструкция резинового порошка снижается.

На основе комплексного анализа выше полученных результатов, учитывая технологический процесс степени деструкции, оптимальной температурой размягчения исходного битума является 38-40⁰С, содержание резинового порошка битумно-резиновой композиции 28-30 мас.ч. и размер частиц порошка 0,3-0,6 мм [1].

Количественные показатели степени деструкции резиновой крошки в битумно-резиновой композиции, в зависимости от продолжительности термомеханической активации и температуры размягчения исходного битума подтверждаются и качественными характеристиками структуры, определенными методом ИК-спектроскопии. С этой целью сняты ИК-спектры БРС состава 70% - битум + 30% резиновый порошок исходный битум имел исходную температуру размягчения: 38, 42, 16, 50 и 54⁰С, по КИШ.

Термомеханическую деструкцию БПК проводили при оптимальной температуре в насосе «Пластикам» в течение 6 ч. Через каждые 2 ч. отбирали пробы и снимали ИК - спектры. Анализ показал, что наиболее значительные изменения в ИК - спектрах, исследуемых БПК наблюдаются на полосе поглощения (ПП) с частотой 970см^-1. Это полоса обусловлена вне плоскостными деформационными колебаниями СН - групп и 1,4-трансдвиойной связи, которая характерна для структуры каучуков. Поэтому относительное содержание двойных связей может служить мерой «растворения» каучука в битуме.

Известно, что пенетрация и температура хрупкости гидроизоляционных и кровельных материалов в определенной мере характеризуют их эластичность. С целью обоснования температуры размягчения исходного битума в битумно-резиновой композиции для покровной композиции рубероида выполнены экспериментальные исследования. Их результаты показали, что наибольшая эластичность битумно-резиновой композиции достигается при использовании битума с исходной температурой равной 38 - и 42⁰С (таблица 1). Поэтому для получения битумно-резиновых кровельных композиций для дальнейших исследований приняты битумно-полимерные композиции, приготовленные на этом исходном битуме.

Таблица 1.

Показатели пенитрации и температуры хрупкости БРК

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

- наиболее значимым фактором, является темпеpaтypa размягчения исходного битума по КиШ. С увеличением Тр_{исх.бит} возрастает и температура размягчения наполненной битумной композиции и за пределами исследуемой области. По техническим соображениям температуру размягчения исходного битума по КиШ следует ограничить и принять -38⁰С:

- вторым по значимости фактором является дисперс­ность (диаметр) резиновой крошки. По­лученное значение оптимальной дисперсности резиновой крошки 0,35 мм;

- третьим по значимости фактором, но не менее важным, чем дисперсность резиновой крошки, оказывается степень наполнения модифицированной битумной композиции. В результате получено оптимальное значение степени наполнения композиции равное 28%.

Таким образом оптимальными параметрами состава модифицированной би­тумной композиции следует считать Д = 0,35 мм. С_v = 28% и Тр_{исх.бит}-38°С, со­держание битума - 72%.

Следовательно, проведенные исследования подтвердили теоретические и практические предпосылки о структурообразовании битумно-резиновой композиции, позволяющей разработать оптимальный состав и технологический режим получения битумно-полимерных композиций, с хорошими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

Разработанные битумно-полимерные композиции можно использовать самостоятельно, как эластичную покровную композицию рубероида, так и для получения гидроизоляционных и кровельных материалов. 

Список литературы:

1. Акбаров И.Г., Негматов С.С., Бойдадаев М.Б. Исследование особенностей и физико-химических свойств немодифицированных нефтяных битумных материалов // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 2(71). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8809
2. Негматов С.С.,  Салимсаков Ю.А. и др. «Исследование варочных и физико-химических свойств местных базальтовых пород //Композиционные материалы, 2003. -№ 2. -С. 44.
3. Рузиева Б.Ю., Негматов С.С. и др. Перспективы использования базальтовых ингредиентов при разработке композиционных материалов. //Композиционные материалы, 2004. - №2. – С.60.