РАЗРАБОТКА ПОЛИМЕР-БИТУМНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

АННОТАЦИЯ

Предложены модификаторы для производства полимерно-битумных композиций автомобильных дорог, устойчивых к нагреву, холоду, трению, удлинению и сжатию, используемых в резкоконтинентальных условиях на основе отходов нефтегазоперерабатывающей промышленности. Рекомендованы состав и технология модификации дорожных битумов на основе разработанных модификаторов и ингредиентов.

ABSTRACT

Modifiers are proposed for the production of polymer-bitumen compositions for roads that are resistant to heat, cold, friction, elongation and compression, used in harsh continental conditions based on waste from the oil and gas processing industry. The composition and technology of road bitumen modification based on the developed modifiers and ingredients are recommended.

Ключевые слова: резинотехнические изделия, битум, полимерно-битумные композиции, углеродный материал, технология.

Keywords:  rubber products, bitumen, polymer-bitumen compositions, carbon material, technology.

Известно, что в мире для покрытий дорог применяется устойчивыех к жаре, холоду, изгибу, растяжению, трению и действию динамических сил полимерно-битумные композиции. По этому особое внимание уделяется созданию полимерно-битумных композиций с заранее заданными технологическими, физико-механическими, динамическими свойствами с целью повышения их устойчивости к морозу, нагреву, изгибу, трению, растяжению и срока службы [1-4].

В мире проводятся научные исследования по разработке получения и состава полимерно-битумных композиций, устойчивых к холоду, нагреву, изгибу, трению, растяжению, технологий производства покрытий дорог и аэродромов, по подбору природных и синтетических полимеров, органических и неорганических ингредиентов и созданию модификаторов.

В последние годы проведен ряд работ по ремонту региональных дорог, теряющих свои экплуатационные свойств из-за быстро меняющихся погодных условий, с применением полимер-битумных покрытий, устойчивых к холоду, жаре, трению, растяжению и изгибу [4].

В данной работе представлена информация о физико-химических свойствах органо-минеральных ингредиентов, выбранных на основе местного сырья и методов. их модификации. Известно, что стремительно меняющиеся погодные условия в республике приводят к быстрому износу асфальтобетонных покрытий на горных и пустынных дорогах. Это связано с тем, что битум, являющийся основой используемого в них состава, не устойчив ко всем действиям холода и тепла (табл. 1).

Таблица 1.

Основные показатели качества дорожного битума

Для повышения термостойкости, морозостойкости и износостойкости дорожных битумов и покрытий на их основе были выбраны ингредиенты на основе местного сырья и изучены их физико-химические свойства.

Углеродсодержащий материал. Углеродсодержащий материал представляет собой хрупкое вещество с сероватым запахом, содержащий металлические добавки, которые после охлаждения измельчали в дисмембраторе и определяли гранулометрический состав.

На основании исследований показано, что на частицы углеродсодержащего материала приходилось 63,0% фракции 0,063 нм, 24,0% фракции 0,25 нм, 9,0% фракции 0,5 нм и 3,0% фракции 0,045 нм и более мелких металлических частиц. Были изучены его физические свойства такие как насыпная плотность, кислотность, влажность, зольность (табл. 2).

Таблица 2.

Физико-химические свойства измельченного углеродсодержащего материала

Где: A^d – зольность на сухую массу,

W^a – содержание влаги аналитической.

Рентгеноструктурный анализ показал, что в составе углеродсодержащего материала имеется 88,24% аморфного углерода, 7,59% кальцита, 1,14% оксида цинка, 1,21% анкерита и других компонентов. Его термостабильность изучалась дериватографическим методом и первая стадия проходила в интервале температур 150-640 °С и при этом потеря массы составила 3,46%, а во вторая стадии – в интервале температур 650-900 °C а потеря массы составила 15,7%. Структура углеродсодержащего материала исследована ИК-спектроскопическим методом. В его ИК-спектре линии поглощения с очень низкой интенсивностью наблюдались в области > 3600 см^-1. Показало, что на сухой поверхности адсорбировались некоторые органические спирты, вода и влажный воздух. Линии поглощения, принадлежащие связи C≡C, также принадлежат группе –CH₂, которая представляет собой очень слабую линию поглощения в этой области и в области 2916 см^-1, кроме того, поглощение углеводородов в образовавшиеся структура наблюдалась. Области низкоинтенсивного поглощения, принадлежащие к группе ненасыщенных углеводородов (-CH = CH-), обычно показаны в областях 693 см^-1, 600 см^-1, а линии поглощения, характерные для групп CH₂ и CH₃, в области 2372 см^-1. и площади 2345 см^-1, 1720- Ароматические углеводороды в области 1684 см^-1, CH₃C, (CH₃)₂C- группы в области 1458-1543 см^-1, линии поглощения шириной 1100-1000 см. см^-1 (SiO₄)₄- и SiO₂, при этом в 800 см^-1 появляются соответствующие линии поглощения. Белый сухой n-SiO2 ∙ nH₂O (BS-50) используется в качестве наполнителя в автомобильных шинах, а линии поглощения Me-O оксидов металлов наблюдались в диапазоне колебаний 400 см^-1 – 500 см^-1. Это означает, что удерживающий углерод материал можно использовать в качестве активного ингредиента для полимерно-битумной композиции.

Газопиролизная смола. Совместное предприятие Uz-Kor Gas Chemical производит в год 10 тыс. тонн смоль (ГПС - газопиролизная смола) в качестве отходов, которые представляют собой твердое вещество черного цвета без запаха (табл. 3).

Как видно из таблицы, состав ГПС состоит в основном из алканов, диенов, олефинов, циклоалканов и аренов, образующихся при пиролизе природного газа, с молекулярной массой 1000-1200 и температурой плавления 180 °С.

Таблица 3.

Химический состав газопиролизной смолы, (%)

Измельченный порошок шин. Известно, что проблема повторного использования устаревших шин актуальна и сегодня. Поэтому в качестве основного ингредиента полимерно-битумных композиций был выбран измельченный шинный порошок. (табл. 4).

Таблица 4.

Свойства измельченного порошка шин

Как видно из таблицы, свойства выбранного ингредиента достаточны для использования в составе композиций и его рекомендуется использовать в составе полимерного битума.

Базальтовое волокно. Цель использовании базальтовых волокон заключалась для придания полимерно-битумной композиции стойкости к истиранию и предотвращения скольжения покрытия. Производство базальтовых волокон налажено в г.Алмалык, Наманганской и Джизакской областях страны (табл. 5).

Таблица 5.

Химический состав базальтового волокна

Длина базальтового волокна до 5 мм, диаметр в пределах 0,01-0,1 мм. Эластичный, хорошо адсорбирует жидкости и, как следствие, повышает эластичность.

Результаты эксперимента показали, что смешение углеродного материала, полученного на основе изношенной шины, с битумом, составляющим основу полимерно-битумной композиции, вызвало некоторые технологические проблемы. То есть из-за низкой плотности углеродного материала в композиции и большого геометрического объема их было трудно смешивать для получении гомогенной композиции. Для достижения поставленной цели предлагалось загрузить и расплавить углеродный материал в битум. Было изучено влияние времени, температуры и соотношения битума и углеродного материала на процесс плавления углеродного материала на основе шин в битуме (рис. 1).

1-время; 2-температура; 3 соотношение материалов

Рисунок 1. Влияние времени, температуры и соотношения битума и углеродсодержащего материала на процесс его плавления в битуме

Как видно из рисунка, температура технологического процесса плавки углеродсодержащего материала 180 °С, время 6-8 часов, соотношение битума и углеродсодержащего материала 1:3. В этом процессе углеродсодержащего материала на основе активных органических соединений битума при высоких температурах набухает в течение первых четырех часов, затем в течение трех часов процесс девулканизации происходит в сетках вулканизации, содержащих углеродный материал. В этом случае активные центры образуются в результате разрыва вулканических сетей.

Для повышения термостойкости композиции в ее состав добавляли ГПС и исследовали влияние ее количества (рис. 2).

Рисунок 2. Влияние количества газовой пиролизной смолы на температуру плавления композиции

Как видно из рисунка, оптимальное количество ГПС составляло 3-5% от общего объема и при этом термостойкость композиции увеличилась с 60 до 120 °C. Это состояние известно выше, поскольку температура размягчения ГПС на 180 °C выше. Уменьшение его плавления связано с повышением температуры плавления композиции, в которой определенное количество углеродного материала могло прореагировать с активными центрами, образовавшимися в результате разрыва вулканизационных сеток [5-6].

Известно, что одним из основных недостатков полимерно-битумных композиций является их хрупкость в холодных условиях и их проскальзывание при движении большегрузных автомобилей в жарких условиях. Для улучшения этого состояния в композицию были добавлены изопреновый и бутадиенстирольный каучуки (рис. 3). На основании полученных результатов наблюдалось 50% -ное увеличение эластичности композиции при добавлении в ее состав 5% изопренового каучука. Однако, добавление бутадиенстирольного каучука привело к увеличению ее сопротивления к истиранию и сдвигу на 63%.

Выводы

Предложены модификаторы для производства полимерно-битумных композиций автомобильных дорого и аэродромов, устойчивых к нагреву, холоду, трению, удлинению и сжатию, используемых в резкоконтинентальных условиях на основе отходов нефтегазоперерабатывающей промышленности.

Рекомендованы состав и технология модификации дорожных битумов на основе разработанных модификаторов и ингредиентов.

Показано, что разработанные модификаторы и ингредиенты повышают тепло-морозостойкость, изностойкость, устойчивость на удлинение и сжатие, реологические, технологические, физико-механические, динамические свойства полимерно-битумных композиций.

Рекомендованы на основе разработанных ингредиентов состав и технология получения и применения тепло-морозостойких, изностойких полимерно-битумных композиций для автомобильных дорог устойчивых к резкоконтинентальным условиям.

Список литературы:

1. Битумно-полимерные вяжущие для дорожного строительства / А.Ф.Кемалов, Т.Ф.Ганиева, Р.З.Фахрутдинов, Р.А.Лутфуллин. // Наука и техника в дор. oтрасли, 2001. T.4. C.27-28.
2. Строительство автомобильных дорог: учебник / под ред. В.В. Ушакова, В.М. Ольховикова. Москва, 2013. - 576 с.
3. Р.Г. Житов, В.Н. Кижняев, В.В. Алексеенко, А.И. Смирнов, Битумно-резиновые композиционные связующие для производства асфальтобетонов / // Журн. прикл. химии. 2011. Т. 84, №11. С.1898-1902.
4. Патент № 2394852 РФ. Способ переработки резиносодержащих отходов / В.В. Алексеенко, В.Н. Кижняев, Л.И. Верещагин, Р.Г. Житов, А.И. Смирнов; ГОУВПО «Иркутский государственный университет». -№ 2009102782; Заявка. 28.01.2009; Опубл. 20.07.2010.
5. Juraev V.N., Teshabaeva E.U., Akhmadjonov S.A., Phosphated alkhylamides of fat acids-effective accelerators of the of vulcanization by polyfunctional action for resin-textile materials // Europäische Fachhochschule. European Applied Sciences. Germany, 2016. № 3. Р.24-26.
6. Juraev V.N., Boborajabov B.N., Vapaev M.D., Ibadullaev A.Modification of bitumen bu waste of gas-processing, gaso-chemical and rubber industries // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, Austria, 2019. № 5-6. P.32-36.