РЕФЕРАТ
Расчетно-пояснительная записка содержит 131 стр., 25 рисунков, 16 таблиц, 252 источника.
ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОЕ ВЯЖУЩЕЕ, ПОЛИМЕР, АДГЕЗИОННАЯ ДОБАВКА
Цель работы - разработка рецептур и создание полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на основе региональных источников нефтехимического сырья.
В процессе выполнения дипломной работы была проведена выборочная паспортизация предприятий нефтехимического комплекса региона и подобраны реагенты для создания полимер-битумных вяжущих для дорожного строительства, разработаны новые составы ПБВ с участием различных полимеров. Проведены исследования, в результате которых установлены характеристики ПБВ и влияние компонентов на конечные свойства ПБВ. Разработаны составы ПБВ с характеристиками существенно лучшими, чем у используемых в данное время ПБВ.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ: СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИТУМОВ
.1 Битум. Общие представления
.2 Групповой и химический состав битумов
.3 Битум как специфическая нефтяная дисперсная система. Коллоидно-химические свойства битума
.4 Физико-химические свойства битумов
ГЛАВА 2. ПОЛИМЕР-БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ
.1 Введение
.2 История применения полимер-битумных вяжущих
.3 Полимеры, используемые для модификации битума
.4 Технические разработки для удаления недостатков ПБВ
.5 Перспективы развития
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
.1 Объекты исследования
.2 Оборудование для исследования
.3 Методики исследования
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
.1 Выборочная паспортизация нефтехимических предприятий региона
.2 Выбор компонентов для создания ПБВ
.3 Способ приготовления ПБВ
.4 Исследование физико-механических свойств ПБВ
.5 Полимер-битумные вяжущие полученные на основе смесевых каучуков
.6 Введение адгезионной добавки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Автомобильные дороги имеют стратегическое значение для Российской Федерации. Они связывают обширную территорию страны, обеспечивают жизнедеятельность всех городов и населенных пунктов, во многом определяют возможности развития регионов, по ним осуществляются самые массовые автомобильные перевозки грузов и пассажиров. Сеть автомобильных дорог обеспечивает мобильность населения и доступ к материальным ресурсам, позволяет расширить производственные возможности экономики за счет снижения транспортных издержек и затрат времени на перевозки. В настоящее время протяженность автомобильных дорог общего пользования составляет 947,3 тыс. километров, в том числе автомобильных дорог федерального значения - 50,1 тыс. километров.
Имеется несколько процессов, комплексно влияющих на качество дорожных покрытий из асфальтобетонов. Непосредственно сам процесс получения сырья для изготовления дорожного битума. В странах с дорогами высокого качества основным материалом для изготовления дорожных битумов служит остаток перегонки нефти, полученный при достаточно высоком вакууме. В нашей стране повсеместно реализуется процесс окисления гудронов, причем этому процессу подвергаются нефти различного состава.
Процесс получения битума, являющийся с химических позиций процессом окислительного дегидрирования радикального типа, неминуемо ведет в большей или меньшей степени к процессу образования пачечных структур (графитоподобные кристаллические структуры с электронами проводимости). Данные структуры являются основными негативными компонентами дорожного битума, быстро старящими его, имеющими крайне слабую адгезию к минеральному наполнителю любого типа, что неминуемо вело и ведет к короткоживущим и (или) не выдерживающим необходимых нагрузок дорогам.
Процесс приготовления асфальтобетонной смеси также привносит свою лепту в процесс старения дорожного битума и образованию дефектов в асфальтовом покрытии дороги. Известно, что при смешении с минеральным материалом битум переводится в пленочное состояние и распределяется по большой поверхности. Следовательно, в асфальтосмесителе создаются все условия для окисления битума и удаления летучих компонентов, т. е. для химического старения битума уже на стадии приготовления. С повышением температуры скорость реакции окисления соединений, входящих в состав битума, возрастает.
Введение модификаторов и стабилизаторов способно ингибировать процессы старения и деструкции в асфальтовом покрытии дороги. В странах Запада, несмотря на высокую стоимость полимеров, уже давно считается экономически оправданным применение модификаторов битума в дорожном строительстве. Улучшение адгезии битума к минеральному наполнителю, повышение качества асфальтобетона в целом - сцепление с колесами транспортных средств, усталостные свойства, автовосстановимость в благоприятных условиях и т. д. - это то, что удается добиться применением модификаторов.
Одна из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий заключается в качестве дорожных битумов. Битумы не обладают требуемыми адгезионными свойствами, так как склеивают только минеральные частицы основной породы, и, кроме того, становятся хрупкими при наступлении зимы практически на всей территории России. Это предполагает образование трещин на покрытиях, которые ввиду малой прочности асфальтобетона быстро превращаются в выбоины. В общей доле деформаций, которые претерпевает битумная пленка в результате движений автомобилей по покрытию или под действием температурных напряжений, превалирует пластическая, т.е. идет накопление дефектов.
Уникальной особенностью территорий России является рекордное количество «переходов через ноль», отчего тающая и вновь застывающая в небольших трещинах вода буквально разрывает полотно. Летом асфальтобетон, нагреваясь до 50-60 градусов, теряет свои прочностные свойства. А зимой, при низких температурах, асфальт растрескивается.
Наиболее распространенным типом усовершенствованных дорожных покрытий в России и за рубежом являются асфальтобетонные покрытия, устраиваемые с применением нефтяных дорожных битумов. Увеличение грузонапряженности и интенсивности движения автомобилей приводит к преждевременному разрушению дорожных покрытий, срок службы которых составляет в среднем по России около 6 лет. В результате, несмотря на незавершенность сети автомобильных дорог с твердым покрытием в России, более 90 % материальных, трудовых и энергетических ресурсов выделяется дорожной отраслью на ремонт и реконструкцию асфальтобетонных покрытий.
Одним из важнейших условий повышения долговечности асфальтобетонных покрытий является улучшение свойств битумов и правильный выбор их с учетом условий эксплуатации. Однако углубление переработки нефти в целях увеличения объемов выхода топливных и масляных компонентов приводит к ухудшению качества битумов. Отечественные дорожные битумы марок БНД и БН (по ГОСТ 22245-90) не отвечают требованиям дорожного строительства по показателям низкотемпературной трещиностойкости, теплоустойчивости, эластичности, адгезионным свойствам, особенно по отношению к поверхности минеральных материалов из кислых горных пород, устойчивости к старению.
Эффективным способом повышения качества дорожных битумов является регулирование их свойств путем применения различных модифицирующих добавок (полимеров, резиновой крошки, серы, адгезионных добавок и др.). Применение полимеров для модификации битумов относится к одной из наиболее активно внедряющихся технологий строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог.
Наибольшее распространение, в качестве модифицирующего агента, получили полимерные материалы или отходы их производства. Последние 15-20 лет полимерные битумы стали применяться особенно широко, по причине того, что полимерные материалы производят десятки тысяч тонн в год и они стали более доступны, во-вторых, при их производстве образуется значительные количества некондиционных материалов, которые не находят квалифицированного использования.
При введении в битум даже небольших их количеств полимеры оказывают влияние на параметры, характеризующие качество. Добавки полимеров позволяют снизить температуру хрупкости и одновременно увеличить теплостойкость битумов. Использование таких модифицированных полимерами материалов повышает сроки службы покрытий. В настоящее время имеются многолетние наблюдения за покрытиями разного рода с использованием многих видов полимеров. Общим для них является удлиненный срок службы. Наряду с этими свойствами улучшаются, как правило, деформативная способность во всем интервале эксплуатационных температур, водостойкость, прочность и другие характеристики.
На сегодняшний день актуальным
является вопрос создания комплексных битумных вяжущих, содержащих в своем
составе полимер и адгезионную добавку.
ГЛАВА 1. БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ: СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИТУМОВ
Нефтяной битум впервые был получен с 1898 г. из нефтяных остатков путем окисления их воздухом при высоких температурах (300-320° С).
Нефтяные битумы относятся к одним из самых многотоннажных видов нефтепродуктов в России и за рубежом. Они широко применяются в дорожном строительстве, при ремонте дорог, аэродромов, в дорожном и промышленном строительстве (для изготовления кровельных материалов, для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии и для приготовления лакокрасочных материалов).
Основным потребителем нефтяных битумов является дорожное строительство, в настоящее время до 90% производимого во всем мире объема товарных битумов потребляется дорожной отраслью. Доля дорожных покрытий с применением битума в России составляет 93-95% от всех усовершенствованных покрытий.
В нашей стране исторически сложилось, что нефтеперерабатывающая промышленность в основном заинтересована в углублении процесса переработки и максимального отбора светлых фракций, однако полностью отсутствует база нефтепереработки, которая целенаправленно занималась бы производством высококачественных дорожных битумов.
Дорожные битумы, выпускаемые отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями, принципиально отличаются по своему качеству от битумов, производимых за рубежом, где в качестве исходного сырья используются нефти только определенного группового химического состава и где практически отсутствует твёрдый парафин.
Для производства дорожных битумов созданы специальные нефтебитумные заводы, поставку сырья для которых обеспечивают водным путем из Венесуэлы и Ливии. Качество нефтяных битумов служит определяющим фактором в обеспечении долговечности дорожных покрытий. На сегодняшний день до 70 % выпускаемых в России и странах СНГ битумов не соответствуют по ассортименту и качеству требованиям современного рынка, и в первую очередь это касается битумов дорожного, строительного и специального назначений. В результате срок службы дорог в России составляет в среднем 6-7 лет, в то время как в развитых зарубежных странах этот показатель достигает 10-15 лет. Указанная проблема вызывает необходимость поиска новых материалов для получения битумных вяжущих заданного качества. Поэтому все большее распространение в последнее время получают модифицированные битумные вяжущие, позволяющие расширить температурный интервал работоспособности за счет повышения теплостойкости и морозостойкости, обеспечить надежность и долговечность сооружений.
Постоянный интерес в повышении качества как самих товарных битумов, так и в расширении перечня материалов, используемых в композитах на основе битума, объясняется широким спектром их практического применения.
.1 Битум. Общие представления
Битумы благодаря ряду ценных свойств нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства в качестве связующего, водонепроницаемого, тепло- и звукоизолирующего материала в различных битумных композиционных материалах [1,2].
Битумы (от лат. bitumen - горная смола) - твердые или смолообразные, водонерастворимые (преимущественно черного цвета) вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов метанового C2H2n+2, нафтенового C2H2n и ароматического рядов и их кислородных, сернистых и азотных производных.
Различают природные и искусственные нефтяные битумы. Применение находят как одни, так и другие [3,4], однако наибольшее распространение приобрели нефтяные окисленные битумы [5].
Природные битумы это вязкие жидкости или твердообразные вещества, получившиеся в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.
Природные битумы в чистом виде встречается редко. Чаще встречаются пропитанные битумом горные породы (известняки, доломиты, песчаники, грунты). Залежи природных битумов разрабатывают открытыми (карьерными) и подземными (шахтными, скважинными) методами. Извлечение битума из пород выполняется тремя способами[6]:
водой с добавлением поверхностно-активных веществ;
экстракцией органическими растворителями;
тепловым воздействием.
Скважинные методы добычи осуществляются с применением паротеплового воздействия, внутрипластового горения или других источников воздействия на пласт: вибрационных, акустических, электромагнитных [7].
Природные битумы и битуминозные породы относятся к категории комплексного сырья. Наличие в природных битумах реакционноспособных кислородсодержащих групп предопределяет их более высокую силу сцепления с породой (адгезионные свойства) по сравнению с искусственными композициями на основе продуктов нефтепереработки [8].
Ученые рассматривают два варианта использования природных битумов:
. Комплексное сырье для строительства дорог получают без отделения углеводородной составляющей от породы.
. Разделение органической (продукция химической промышленности) и минеральной (строительные материалы) составляющих битуминозных пород.
Нефтяные (искусственные) битумы получают путем переработки нефти. По консистенции (при температуре 18 0С) битумы могут быть: твердыми - обладают упругими, а иногда хрупкими свойствами; вязкими - обладают вязкопластичными свойствами; жидкими - обладают легкотекучими свойствами [9].
Для современного производства нефтяных битумов наиболее характерными являются следующие способы получения битумов:
. Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме в присутствии водяного пара или инертного газа.
. Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации гудрона, экстрактов селективной очистки масел, крекинг-остатков или их смесей).
. Компаундирование различных нефтяных остатков с дистиллятами, с окисленными или остаточными битумами [6,7,10].
В зависимости от способа производства получаемые битумы подразделяются на три основные группы [7]:
. Остаточные битумы.
. Окисленные битумы.
. Компаундированные битумы.
1.2 Групповой и химический состав битумов
Битумы - это твердые, полутвердые или жидкие водонерастворимые материалы, представляющие собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, азот, серу и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.) Средняя молекулярная масса битумов равна 600-1000 а.е.м., что соответствует углеводородам, содержащим от 40 до 70 атомов углерода. Битумы содержат до 80-85 % углерода, 8,0-11,5 % водорода, 0,2-4 % кислорода, 0,5-7,0 % серы и 0,2-0,5 % азота. Основная масса азота включена в соединения порфиринового ряда. Сера входит в состав циклических структур типа тиофена. Максимальное содержание азота и серы наблюдается в асфальтеновой фракции, а кислорода - в смолах. Максимальное содержание гетероатомов в асфальтенах и смолах достигает 10 % и более [8].
Химический состав, в общем, достаточно стабильный для различных битумов, не дает возможности судить об их свойствах. Битумы принято характеризовать по количественному содержанию в них определенных групп химических соединений. Основные группы соединений различаются по молекулярной массе и растворимости в селективных растворителях.