Курсовая работа - Изучение технологии производства экономичных и высококачественных связующих материалов при переработке тяжелых. Курсовая работа. Изучение и проектирование процессов производств. 1. Битум. Общие представления. Функциональность битума 2 Состав и структура нефтяных битумов
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
1.8 Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих Эксплуатационные свойства конечного продукта, асфальтобетона, в большей мере определяется битумным вяжущим, которое является конструктивным компонентом асфальтобетонной смеси [2, 3]. Прочность асфальтовых покрытий для дорог, мостов и аэродромов напрямую связана с используемой технологией и, прежде всего, с использованием битума в качестве основного компонента вяжущего. Низкая долговечность дорожных покрытий - это плохая адгезия битума к минеральным материалам (особенно кислым породам), низкое термическое сопротивление, высокое содержание парафиновых углеводородов, относительно небольшой диапазон упругости, тенденция битума становиться хрупким под воздействием интенсивности транспортного потока и температуры [1, 2]. В связи с вышеизложенным была сформулирована основная цель работы - создать вяжущее для дорожных покрытий, которое обеспечит надежную эксплуатацию в асфальтобетонных смесях. Развивающимся направлением модификации свойств битума является использование резинового крошки, полученного в результате переработки изношенных автомобильных шин, шлангов и других резинотехнических изделий, содержащих в составе антиоксиданты, придающие высокую термостойкость [1-4]. Необходимость аналогичного направленности использования резиновой крошки ориентируется желанием не только гарантировать вероятность утилизации довольно больших размеров отходов переработки автопокрышек, но и повторно применить своеобразные свойства (эластичность) резины. Экспериментальная часть В работе был использован битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 60/90. В состав битумных вяжущих вводят полимерные модификаторы различной природы для модификации битумных вяжущих с целью увеличения температуры размягчения, снижения температуры хрупкости, совершенствования адгезии, морозо- и износостойкости, придания вяжущим гибкости, а, значит, возможности к большим эластичным деформациям [3-8]. Полимерные модификаторы битума предполагают создание в нем над молекулярных структур в виде физической или химической сетки [9-12]. В качестве активных добавок в работе были использованы кремнийорганические блоксополимеры – полисилоксан-полиоксиалкиленовые блок-сополимеры, молекулы которых включают гидрофобные полиорганосилоксановые и гидрофильные полиоксиалкиленовые блоки, а также глицидилсодержащие полиэфиры. Для наполнения битумного вяжущего использовали резиновую крошку дисперсности до 0,5 мм. Полимерные модификаторы битума приводят к образованию в нем молекулярных структур в виде физических или химических сетей [9-12]. В качестве активных добавок использовали кремнийорганические блоксополимеры - блок-сополимеры полисилоксан-полиоксиалкилен, молекулы которых содержат гидрофобные полиорганосилоксановые и гидрофильные полиоксиалкиленовые блоки, а также глицидилсодержащие полиэфиры. Для заполнения битумного вяжущего использовался резиновая крошка дисперсности до 0,5 мм. Для повышения термостойкости и равномерного распределения резиновой крошки в битумном вяжущем использовалась модифицированная алюмосиликатная глина - органобентонит. Оптимизация составов велась с внедрением надлежащих характеристик: - температура размягчения по кольцу шару (КиШ) – охарактеризовывает дееспособность вяжущего предохранять собственные качества при завышенных температурах (ГОСТ Р 52056-2003); - глубина проникания иглы (пенетрация) при 25˚С и 0˚С – свойство, характеризующая пластичность материала (ГОСТ Р 52056-2003); - перемена пластичности материала впоследствии выдержки при 160˚С в течение 5 ч – охарактеризовывает стабильность материала к термоокислительной деструкции; - остаточная деформация – параметр, характеризующей способность материала к релаксации; - адгезия к минеральному наполнителю – охарактеризовывает сцепление битумного вяжущего к минеральному наполнителю (ГОСТ 11508); - однородность вяжущего (ГОСТ Р 52056-2003). Результаты и их обсуждение В процессе изготовления резино-битумного вяжущего набухание, диспергирование и растворение резины проводили в битуме при температуре 140˚С. При контакте с легкими масляными фракциями битума происходило набухание резины, сопровождающееся наращиванием её массы, и вымывание из резины растворимых в среде ингредиентов с уменьшением ее массы. Наряду с процессом набухания при производстве резинобитумного вяжущего происходит процесс термодеструкции резинового порошка в битумной среде. Внедрение резиновой крошки, глицидилсодержащего полиэфира, кремнийорганических блоксополимеров и органобентонита в качестве модификаторов битума БНД 60/90, позволило получить гомогенные, не расслаивающиеся, наполненные резиной битумные вяжущие. Однородность битумного вяжущего с увеличением содержания в нём резиновой крошки снижался, собственно что связано с наличием твердых включений резины. Присутствие твердых включений вызывает определенные трудности при работе с такими вяжущими, но проблема равномерного распределения резиновой крошки полностью решаема с использованием кремнийорганического блок-сополимера, повышающего гомогенность системы. Использование глицидилсодержащего полиэфира в качестве модификатора повысило устойчивость резинонаполненного вяжущего к термоокислительной деструкции, что отражается в малозначительном изменении пенетрации впоследствии термостатирования образцов при 160ºС в течение 5 ч. Битумные вяжущие с резиновым наполнителем впоследствии термостатирования образцов при 160ºС в течение 5 ч снижали собственную пластичность при 25ºС на 10%, при 0 ºС – на 12%. При использовании глицидилсодержащего полиэфира в качестве модификатора резинонаполненных битуменых вяжущих в количестве от 1% до 3% после термостатирования образцов при 160ºС в течение 5 ч наблюдалось понижение пластичности при 25 ºС на 2 %, при 0 ºС – на 8% . Воздействие компонентов резинобитумного вяжущего на пенетрацию и сопротивление деформации при повышении температуры приведено в таблице 1. Таблица 1 – Воздействие компонентов резинобитумного вяжущего на его свойства
Комплексный модификатор на основе резиновой крошки, глицидилсодержащего полиэфира, органобентонита и кремнийорганического блок-сополимера делает битумное вяжущее эластичным при невысоких температурах и увеличивает его деформационную устойчивость (КиШ). Результаты испытаний показаны на рис. 1 Как видно из рис. 1, образцы битума, глицидилсодержащим полиэфиром, модифицированного резиновой крошкой и органобентонитом обладали повышенной эластичностью (их удлинение было наибольшим), но через 7-13 дней пленки разрывались. Кремнийорганический блок-сополимер также увеличила гибкость вязующего.  На рис. 2 показано влияние глицеридилсодержащего полиэфира, а также комплексных модификаторов на его основе на остаточную деформацию при растяжении образцов на основе битумных вяжущих с резиновым наполнителем.  Из представленных данных видно, что высокие остаточные деформации при удлинении (43-45%) в битумных вяжущих с резиновым наполнителем могут возникать в результате слабых межмолекулярных взаимодействий в системе. Введение комплексного модификатора приводит к значительному понижению остаточных деформаций (75% по сопоставлению с битумным вяжущим, наполненным немодифицированной резиной). Кроме того, релаксационные процессы усиливаются при применении сложного модификатора, способного создавать сеть химических связей. Органобентонит, благодаря своей большой площади поверхности, также является структурным и способствует снижению остаточных деформаций при растяжении образцов. Наилучшие результаты получены при использовании резинобитумного вяжущего со сложным модификатором. При его применении наблюдалась длительная прочность под нагрузкой. Таким образом, на основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. По результатам исследования глицидилсодержащий полиэфир можно отнести к полимерной структуре и адгезионной добавке к битуму. При использовании глицидилсодержащего полиэфира адгезия каучуко-битумного вяжущего к минеральному наполнителю и пластичность битумных вяжущих с резиновым наполнителем значительно улучшались. 2. Кремнийорганический блок-сополимер представляет собой активную адгезионную добавку и эффективную компатибилизатор, позволяющую повысить индекс однородности битумных вяжущих с резиновым наполнителем. 3. По результатам исследования органобентонит можно отнести к структурной полимерной добавке к битуму, которая может быть применена для создания материалов на базе резинонаполненных битумных вяжущих с высоким сопротивлением деформации, работающих при высоких температурах. 1.9 Способ получения нефтяного битума с добавлением органической фракции природного битума Сегодня на мировом рынке представлены два основных класса этих материалов: модифицированные атактическим полипропиленом (АПП) и модифицированные бутадненстирольным каучуком (СБС). Следует отметить, что материалы, модифицированные атактическим и стирол-бутадиенстирольным каучуком, отличаются от окисленных битумов высокой теплостойкостью, прочностью, эластичностью, удовлетворительной гибкостью на холоде (до минус 20 °C), высокой устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, повышенной адгезией к основаниям, долговечностью покрытий [4]. Однако обеспечение этих преимуществ требует усложнения технологической подготовки вяжущих, приводит к удорожанию битумов из-за высокой стоимости полимеров. При этом неизбежен значительный дополнительный расход энергоресурсов, необходимых для применения всех технологических процессов. В результате, повышение качества битумов, модифицированных полимерами, связано с дополнительными затратами при низком экономическом эффекте. В Казахстане, особенно в регионах с резко-континентальным климатом, природные условия выдвигают особые требования к дорожным покрытиям, для которых повышення морозостойкость должна сочетаться с достаточной теплостойкостью. Одним из факторов, в наибольшей мере определяющим указанное свойство дорожных одежд, в особенности верхних слоев, является особое качество нефтяного вяжущего, входящего в состав асфальтобетона. Следует отметить, что дорожные вяжущие традиционно производимые на павлодарском НПЗ по обычной технологии окисления, в силу ряда причин становятся все более малопригодными для строительства долговечных дорожных покрытий. Они характеризуются недостаточной устойчивостью к процессам окислительного старения обладают невысокими значениями показателя растяжимости (до и после старения), плохо сцепляются с минеральными материалами кислого характера, что приводит к выщелачиванию отдельных частиц дорожного покрытия под действием нагрузок [5, 6]. Если говорить относительно модифицированных полимерных добавок, то, к великому сожалению, Казахстан на сегодняшний день не обладает ни атактическим полипропиленом, ни стирол-бутадиенстирольным каучуком. Экспериментальная часть Исходным сырьем для получения битума нефтяного был использован вакуумный остаток нефти месторождения Северное Бузачи (>450 °C), физико-химическая характеристика которой представлена в таблице 1. Таблица 1 - Физико-химическая характеристики нефти - исходного сырья для разработки рецептуры битума нефтяного
В качестве пластифицирующей и структурообразующий добавки к вакуумному остатку нефти месторождения Северное Бузачи была использована органическая фракция битума месторождения Койкара, физико-химические характеристики которого представлены в таблице 2. Таблица 2 – Физико-химические характеристики природного битума месторождения Койкара
При разработке битума нефтяного использовалась миниокислительная термостойкая стеклянная установка с емкостью 250 мл. Объем полученного битума является достаточным для определения основных технологических параметров битума. В свою очередь, миниреактор очень удобен и экономически выгоден. В течение рабочего дня с его помощью можно получить 5-6 образцов битума. Из этих разработанных образцов битумов легко выбрать тот состав, который соответствует требованиям ГОСТ. Окисление проводили при атмосферном давлении в вышеописанном реакторе емкостью 250 мл. В реактор загружали расчетное количество исходного сырья и органическую фракцию природного битума Койкара, нагревали со скоростью 2 °С/мин до 105 °С, после чего начинали подавать воздух (0,6 - 3,0 л/мин*кг), постепенно увеличивая скорость подачи. После достижения заданной температуры окисления (210 °C) начинали отсчет времени. Физико-химические характеристики битума нефтяного (БН) представлены в таблице 3. Таблица 3 - Физико-химические параметры битума нефтяного (БН), полученного из вакуумных остатков (>450 °C) нефти месторождения Северное Бузачи с добавлением органической фракции природного битума месторождения Койкара
Таким образом, полученный битум нефтяной (БН) может найти применение в качестве вяжущего при разработке асфальтобетонного дорожного покрытия. |