ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕРНИСТОГО БИТУМА, ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ СЕРЫ

АННОТАЦИЯ

Изучены физико-химические процессы, происходящие при смешении серы и битума, и факторы, влияющие на них. Исследовано влияние количества и способов введения серы в битум на свойства вяжущего и асфальтобетона. В результате исследований установлено, что добавление в битум 30 % серы значительно улучшает свойства асфальтобетона. Также введение серы в битум привело к снижению вязкости полученного вяжущего при температуре выше 80ºС. Снижение реологических свойств при производстве асфальтобетона позволяет снизить температуру на 10-20ºС и повысить плотность и прочность получаемого асфальтобетона.

ABSTRACT

The physicochemical processes that occur when sulfur and bitumen are mixed, and the factors influencing them are studied. The influence of the amount and methods of introducing sulfur into bitumen on the properties of the binder and asphalt concrete has been studied. As a result of research, it was found that the addition of 30% sulfur to bitumen significantly improves the properties of asphalt concrete. Also, the introduction of sulfur into bitumen led to a decrease in the viscosity of the resulting binder at temperatures above 80ºС. The decrease in rheological properties in the production of asphalt concrete allows to reduce the temperature by 10-20ºС and increase the density and strength of the resulting asphalt concrete.

Ключевые слова: Сера, битум, связующие, асфальтобетон, вязкость, серабитум.

Keywords: Sulfur, bitumen, binder, asphalt concrete, viscosity, sulfur bitumen.

С каждым годом увеличивается объем добычи и переработки углеводородов. В результате образуется большое количество побочных продуктов, в том числе элементарной серы. В настоящее время поиск новых и эффективных способов утилизации элементарной серы остается актуальным вопросом. Проведено несколько исследований по получению модифицированных битумов и бетонных изделий с участием серы, и подчеркнуто, что использование битумов с серой является одним из перспективных способов улучшения качества дорожных покрытий [1,2].

Одним из наиболее удобных способов использования серы для дорожного строительства является модификация нефтяных дорожных битумов и производство на их основе асфальтобетонов с серой [3,4]. Сернистые битумные вяжущие и смеси на их основе обладают более высокими физико-механическими и реологическими свойствами по сравнению с традиционными битумами и асфальтобетонами. Применение серы желательно не только с точки зрения уменьшения количества битума, но и с точки зрения экономии энергоресурсов за счет снижения температуры подготовки и укладки материалов с серой [5,6].Сероасфальтобетон характеризуется достаточно высокой водостойкостью при длительном водонасыщении. Причинами этого могут быть [7]:

• Химическое взаимодействие серы и токсичных газов, образующихся при взаимодействии серы с битумом [7,8] с дисперсными фазами, образующими водорастворимые соединения (химическая гипотеза);
• Процессы кристаллизации серы в объеме битумного вяжущего и образование капилляров, повышающих проницаемость асфальтобетона для жидких сред (физическая гипотеза).

Цель исследования - определение и исследование свойств и условий применения серно-битумного вяжущего, полученного на основе местной технической серы.

Экспериментальная часть. Техническая сера нагревается при 125-130 °С при вращении со скоростью 71 об/мин. При нагревании добавляют глицерин в количестве 1-3% от массы серы и перемешивают 1 час. Температура в реакторе повышается до 150-160°С без прекращения перемешивания. В результате дегидратации глицерина мономер акролеина смешивается с молекулами серы в течение 2-4 часов. После этого жидкая сера охлаждается до 5-25°С при нормальной температуре и переходит в твердое состояние. Твердая полимерная сера измельчается до нужного размера. Различные экзотермические и эндотермические тепловые эффекты, наблюдаемые при изменении массы в результате разрушения структуры соединений при нагревании сополимера, проанализированы на основании результатов дериватографического анализа на основе данных, полученных в эксперименте по изучению термостабильность синтезированного сополимера. На рис. 1 представлена дериватограмма полученного сополимера, состоящая из 2-х кривых. Кривая термогравиметрического анализа (ТГА) - синяя кривая, анализируемая в 3 диапазонах температур интенсивного разложения. 1-й диапазон разложения соответствует температурам 27,77-140,06°С 2-й диапазон разложения соответствует 140,06-358,12°С температурам, 3-й диапазон разложения соответствует 358,12-670,35°С температурам. Видно, что наиболее интенсивный процесс разложения происходил во 2-м интервале разложения. То есть начальная масса вещества уменьшилась на 91,76%. На кривой ДТА (красная линия) мы видим 2 эндотермических эффекта. 1-й эндотермический эффект соответствует 2-му интервалу разложения кривой ТГА. Начало 1-го эндотермического эффекта соответствует 96,3, конец 133,19°С точка пика 106,35°С При 1-м эндотермическом эффекте было поглощено 4,57 мкВ (290,74 Дж или 69,46 кал) энергии. 2-й эндотермический эффект соответствует 3-му интервалу разложения кривой ТГА. Начало 2-го эндотермического эффекта соответствует 206,4°С конец 354,43°С точка пика соответствует 292,71°С. При 2-м эндотермическом эффекте было поглощено 10,33 мкВ (4,53 мДж или 1,08 мкал) энергии.

Рисунок 1. Термогравиметрический (ТГА) и дифференциально-термический анализ (ДТА) синтезированного сополимера

Образовавшуюся полимерную серу нагревали до 135-140°С при перемешивании. В разбавленную полимерную серу без прекращения перемешивания.

Сера, включенная в битум, находится в системе либо в жидком, либо в твердом состоянии. Соотношение жидкой и твердой серы в смеси может варьироваться в широких пределах в зависимости от химического состава, состава, температуры смешения и времени использования битума.

В таблице 1 приведены свойства серно-битумного вяжущего, полученного на основе серы и битума БНД 60/90.При отборе проб битума количество серы изменяли в пределах 10-60 %.

Таблица 1.

Основные физико-химические параметры сернистых битумов

Согласно результатам таблицы, при добавлении к битуму 15-20% серы образуется высокодисперсное и пластифицированное серобитумное вяжущее. Механизм пластификации можно объяснить растворением введенной в систему серы и переходом в аморфное состояние, а также изменением структуры битума в результате химической реакции или адсорбции активных компонентов битума с серой. Введение серы повысило устойчивость и пластичность битума при низких температурах и вызвало относительное снижение вязкости. При увеличении количества серы в битуме до 30 % наблюдалось повышение температуры хрупкости и вязкости и уменьшение относительного удлинения. Также мы можем наблюдать, что прочность, пластичность и адгезионные свойства битума, содержащего 30% серы, выше, чем у обычного битума. При увеличении количества серы в битуме до 40% появляются соединения с систематической коагуляцией и кристаллической структурой. Эти структуры снижают пластичность битума и повышают его твердость и хрупкость. Сера, входящая в состав битума, может находиться в трех формах: химически связанной, растворенной и свободной. В процессе получения сернистых битумов при 135-140ºС 9-10% серы увеличивается содержание смолистых веществ в битуме. В результате количество ароматических углеводородов в составе битума уменьшается на 8-10%, а количество смолистых веществ увеличивается на 8-10%. Изучая влияние количества серы, входящей в состав битума, на свойства конечного продукта, определенная часть серы растворяется в ароматических углеводородах битума, а оставшаяся часть выступает в роли наполнителя, приводящего к увеличению вязкости серы. Вязкость вяжущего должна обеспечивать жаропрочность асфальтобетона в жаркие дни и предотвращать его хрупкость в холодные дни.

Рисунок 2. Влияние содержания серы на вязкость вяжущего. Температуры извлечения битума: 80°С (1), 100°С (2), 120°С (3), 140°С (4)

Из результатов, представленных на рисунке 2, видно, что добавление серы к содержанию битума снижает его вязкость при всех испытанных температурах. Видно, что количество серы при 120 и 140 ºС практически не влияет на вязкость. При 80ºС видно, что добавка серы к битуму вначале снижает вязкость, а по мере увеличения содержания серы вязкость снова возрастает. Например, видно, что связующее, содержащее 30% серы, имеет более высокую вязкость, чем связующее, содержащее 15% серы. При снижении температуры системы сера, содержащаяся в связующем, выделяется в высокодисперсную кристаллическую структуру и приводит к упрочнению связующего. При высоких температурах кристаллическая фаза растворяется в системе и снижает вязкость вяжущего. То есть при температуре ниже 80ºС сера выступает в битуме как структурообразователь, а при температуре выше 80ºС – как пластификатор.

Рисунок 3. Зависимость прочности асфальтобетона от содержания серы 1 - 60°С, 2 - 20°С

Из рисунка 3 видно, что содержание серы в битуме оказывает существенное влияние на долговечность асфальтобетона. Когда количество серы в составе битума достигает 5%, прочность асфальтобетона снижается до минимума. Увеличение количества серы приводило к увеличению прочности, и было установлено, что прочность асфальтобетона, полученного при содержании серы 30 %, была выше прочности асфальтобетона, приготовленного на битуме БНД 60/90.

Заключение. В исследованиях изучались физико-химические и реологические свойства битума БНД 60/90 и вяжущих, содержащих различное количество серы. В результате исследований при добавлении в битум 15-20% серы, она действует как пластификатор. Когда содержание серы достигает 30-35%, сера создает в битуме новые структуры и повышает вязкость и термостойкость вяжущего. Добавление серы в битум вызвало снижение вязкости полученного вяжущего при температуре выше 80ºС. Снижение реологических свойств при производстве асфальтобетона позволяет снизить температуру на 10-20ºС и повысить плотность и прочность получаемого асфальтобетона.

Список литературы:

1. Иваньски М. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперсными и полимерными компонентами) / М. Иваньски, Н.Б. Урьев. – М.: Тех полиграфцентр, 2007. – 668 с
2. Иваньски М. Асфальтобетон как композиционный материал (с нанодисперсными и полимерными компонентами) / М. Иваньски, Н.Б. Урьев. – М.: Техполиграфцентр, 2007. – 668 с
3. Влияние технологических параметров на взаимодействие серы с нефтяными остатками / И.Р. Теляшев и др. // Нефтепереработка и нефтехимия: сб. науч. тр. ИПНХП. – Уфа: Изд-во ИПНХП, 2001. – Вып. 33. – С. 76 – 81
4. Соколов Ю.В. Битумосерные вяжущие и дорожные асфальтобетоны на их основе / Ю.В. Соколов, В.Д. Галдина // Повышение качества материалов дорожного и строительного назначения: сб. науч. тр. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. – С .67 – 72.
5. Mausle, H.-J.; Steudel, R. Molekulare Zusammensetzung von flussigem Schwefel. Teil: 3 Quantitative Analyse im Bereich115-350°С. Z. Anorg. Allg. Chem. 1981, 478, 177–190. doi: 10.1002/zaac.19814780717
6. Каганович Е.В. К вопросу использования серы при строительстве и ремонте автомобильных дорог в Республике Казахстан / Е.В. Каганович, В.С. Курчавов // Вестник КаздорНИИ. – Алматы, 2004. – № 1. – С. 53 – 55.
7. Timm, D.H.; Robbins, M.; Willis, J.R.; Tran, N.; Taylor, A.J. Evaluation of Mixture Performance and Structural Capacity of Pavements Utilizing Shell Thiopave®, Phase II: Construction, Laboratory Evaluation and Full-Scale Testing of Thiopave®Test Sections–One Year Report. 2011. Available online: http://www.ncat.us/files/reports/2011/rep11-03.pdf (accessed on 29 July 2011).
8. Le, H.; Gladkikh, V.; Korolev, E.; Grishina, A. Moisture Resistance of Sulfur-Extended Asphalt Concrete. Results of the Study and Features of Definition. Stroit. Mater. 2021, 39–44. [CrossRef]