При необходимости хранения ПБВ в нагретом состоянии более 8 ч во избежание расслоения необходимо обеспечить его механическое перемешивание или эффективную циркуляцию с периодичностью не более 2 ч, которые следует начинать не позднее чем через 3 ч после начала хранения. Тема магистерской диссертации направлена на получение составов, которые сохраняют равновесное состояние при длительных повышенных температурах без механического перемешивания.
Степень разработанности
Начиная со второй половины 20-го века, получение битумполимерных композиций стало предметом исследования многих советских и зарубежных учёных (Колбановская А.С., Розенталь Д.А., Руденская И.М., Кисина А.М., Куценко В.И., Дж. Пфейфер). Однако их больше интересовало влияние полимерных модификаторов на основные свойства битумов. Широкое применение битумполимерных вяжущих началось в начале 2010-х годов, в связи с чем обнаружились описанные выше проблемы хранения и транспортировки битумполимерных композиций.
Впервые получением нерасслаивающихся систем занялся Межиковский С.М., связывая это с явлением «временной пластификации», однако получающиеся композиции были недостаточно деформативными. Американский химический концерн «Дюпон» разработал химически подшивающийся модификатор «Элвалой 4170», не улучшающий, однако, температуры хрупкости битумов. Наибольший вклад в теорию расслоения битумполимерных вяжущих внесла группа украинских учёных во главе с Золотарёвым В.А. Однако их исследования касались лишь битумполимерных вяжущих с концентрациями полимеров не более 4-х процентов.
Целью работы является установление ясных закономерностей связывающих термостабильность модифицированных битумных вяжущих с типом и концентрацией модификаторов. Это позволит в будущем при получении битумполимерных композиций прогнозировать возможность и длительность их хранения и транспортировки.
Задачи работы:
- Подбор полимерных модификаторов, исходя из их химической структуры, применяемости, крупнотоннажности и цены;
- Оценка концентрационного влияния полимерных модификаторов на основные физико-технические свойства вяжущих, регламентированные нормативными документами;
- Определение термостабильности битумполимерных вяжущих в зависимости от концентрации в них полимерных модификаторов;
- Выявление оптимальных концентраций с точки зрения расслаиваемости и других свойств, а также инверсионных количеств полимера в битуме.
Научная новизна
Установлено, что менее склонные к кристалличности полимеры образуют в битуме перколяционную сетку при более низких концентрациях, чем кристаллические.
Практическая значимость исследования
Разработаны оптимальные рецептуры нерасслаивающихся битумполимерных вяжущих, которые могут быть применены для получения асфальтобетонных смесей.
Рассмотренная в работе расслаиваемость промышленно применяемых составов может быть использована для прогнозирования возможности длительного их хранения и транспортировки при повышенных температурах.
Объект исследования – битумполимерное вяжущее с высоким содержанием полимера.
Предмет исследования – свойства и структура нерасслаивающихся высоконцентрированных битумполимерных вяжущих
Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных данных, полученных современными методами испытаний и исследований.
На защиту выносятся:
- Результаты исследований эксплуатационных и физико- технических свойств битумполимерных вяжущих с различной концентрацией полимера.
- Результаты исследований битумполимерных вяжущих на расслаиваемость.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на на 68 и 69 Международных научных конференциях КГАСУ (2016, 2017 г.г.);
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 70 страницах машинописного текста, включает 1 таблицу, 32 рисунка, библиографию из 49 наименований.
Первая глава является литературным обзором, в которой рассматриваются виды полимерных добавок, совместимых с дорожным битумом и влияние их на свойства. Рассмотрено использование в качестве модификатора вторичного материала. Особое внимание уделено расслоению битумполимерного вяжущего при длительном хранении в нагретом состоянии. Дано обоснование выбору данной темы, сформулированы цели и задачи, поставленные в работе.
Вторая глава содержит описание методов исследования. Свойства разрабатываемых вяжущих оценивались по ГОСТ 11501, 11506, 11505, 11507, 18180, 22245, 52056, EN 13399-2013, для изучения структуры вяжущих применялась оптическая микроскопия.
Третья глава содержит экспериментально – теоретическую часть. В ней описано влияние различных концентраций полимера в битуме на физико- технические свойства и расслоение. Исследована структура распределения модификатора в вяжущем. Показана эффективность добавления большого количества полимера как на улучшение свойств, так и на снижение расслаиваемости.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В качестве объекта модификации был выбран нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 как наиболее популярной в полосе Среднего Поволжья.
В качестве модификаторов были выбраны следующие полимеры:
1. Полиэтилены низкого (ПЭНД) и высокого (ПЭВД) давления. Их выбор обусловлен близостью параметров растворимости Гильдебрандта (насыщенные мальтены битума 14,3 (МДж/м3)0,5 и ПЭ 14,9 (МДж/м3)0,5). Кроме того, поиск оптимального полимерного модификатора битума логично начинать с полимера, имеющего простую линейную структуру, чтобы в дальнейшем, изучив недостатки получающихся битумполимерных вяжущих, при подборе полимера двигаться в сторону усложнения его структуры. ПЭНД имеет меньшую молекулярную массу (200 000), чем ПЭВД (300 000) и более высокую степень кристалличности – 80% против 55% у ПЭВД.
2. Дивинилстирольный термоэластопласт марки ДСТ-30-01. Его выбор обусловлен наибольшим распространением среди всех битумных модификаторов. Его эффективность обусловлена наличием в его структуре жёстких стирольных блоков и эластичных бутадиеновых.
3. Резиновая крошка фракции менее 1-го мм, которая вводилась двумя способами: перемешиванием в течение 1,5 часа в открытом лопастном смесителе и девулканизацией в течение 1,5 часа в вакуумном реакторе.
Структура каждого образца была изучена при помощи оптического микроскопа. Этим методом невозможно изучать образцы, в которых в качестве модификатора использовалась резиновая крошка, так как сажа препятствует светопропусканию препарата. Наиболее показательным является распределение ПЭНД в битуме.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Увеличение концентрации модификатора с 5% до 20% последовательно приводит сначала к глобулярному распределению полимера, появлению зародышей сетки, образованию этой сетки и инверсии фаз. Влияние других модификаторов аналогично представленному выше, различаются лишь абсолютные значения концентраций.
Изучались также основные физико-технические свойства.
С повышением количества полимера в битуме показатели свойств улучшаются. Наиболее эффективными модификаторами проявили себя ДСТ и девулканизированная резиновая крошка. ДСТ целесообразнее использовать для улучшения высокотемпературных свойств битумов, а девулканизованную резиновую крошку для улучшения температуры хрупкости.
Наиболее твёрдым получился образец с добавлением дивинлстирольного термоэластопласта. Наиболее приближенной к этому образцу показала себя композиция с девулканизировыанной резиновой крошкой.
По показателю дуктильности наилучший результат, с точки зрения дорожного строительства, получился у состава с девулканизированной резиновой крошкой, в то время как композиция ДСТ имеет невысокую растяжимость.
Самым эластичным является состав с ДСТ. Близкие показатели имеют композиции с резиновой крошкой.
По показателям температурного интервала пластичности наиболее широкий диапазон использования имеет образец с полимером ДСТ. Вторым по широте использования является состав с девулканизированной резиновой крошкой.
Таким образом, битум, модифицированный дивинилстирольным термоэластопластом в концентрации 20%, имеет наиболее высокий комплекс свойств, однако высокая стоимость данного полимерного модифиактора не позволяет применять его в таких количествах. Соизмеримыми по цене являются композиции с 4% ДСТ и 20% девулканизованной резиновой крошки. При этом характеристики вяжущего со вторичным полимером выше целевого аналога.
Расслаиваемость вяжущих оценивалась по европейской методике. Сущность метода определения стабильности вяжущего, согласно ГОСТ EN13399-2013 «Битумы и битуминозные вяжущие», заключается в следующем: образец битума массой 100 г высотой 110 мм выдерживают в вертикальной трубке диаметром 30 мм в течении 72 часов при температуре 180 0С. После охлаждения образец разрезают на 3 ровные части и изучают свойства верхней и нижней частей, отбрасывая середину.
Введение полимерного модификатора в битум поначалу приводит к повышению расслаиваемости вяжущего. Дальнейшее повышение концентрации модификатора приводит к перегибу кривой, после чего разность показателей между верхней и нижней частями начинает падать. Это объясняется, вероятно, тем, что образующаяся при модификации битума полимерная сетка более равномерно распределена в объёме битума, чем полимерные глобулы, соответствующие низкоконцентрированным модифицированным составам.
Экстремум для ДСТ составляет 5%, ПЭНД — 10%, ПЭВД — 10%, резиновая крошка – 5-10%, девулканизированная резиновая крошка – 10- 15%.
Изучались также другие свойства битумполимерных вяжущих, которые приведены в табл. 1.
В табл. 2 приводится расслаиваемость битумполимерных композиций
Таблица 1 – Свойства битумполимерных вяжущих в инверсионных концентрациях
Таблица 2 – Расслаиваемость битумполимерных композиций
Общие выводы:
1. В связанно-дисперсных системах агрегатирование частиц приводит к развитию сплошной пространственной сетки частиц, заполняющей весь объём и может не сопровождаться видимым седиментационным расслоением системы.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
2. Инверсионные концентрации рассмотренных модификаторов:
ПЭНД –20%, ПЭВД -10-15%, ДСТ – 15%, резиновая крошка (РК) – 10%, РК+неозон – 15%
3. Применяемые концентрации целевых полимеров ограничены их стоимостью.
4. При введении равных концентраций ДСТ и РК+неозон свойства композиций с ДСТ выше, однако по экономическим причинам сравнивать нужно композиции с 5% ДСТ и 20% РК+неозон. В этом случае композиция с отходами эффективней аналога.
5. Расслаиваемость вяжущих увеличивается с ростом концентрации модификатора до некоторой концентрации, после которой происходит резкое увеличение стабильности системы.
6. Комозиции с РК+неозон при любых концентрациях модификатора достаточно стабильны.
7. Необходимые для достижения стабильности вяжущих концентрации экономически целесообразно достигать лишь в случае с отходами.