Казанский государственный технологический университет, г. Казань
Научно-технологический центр «Природные битумы»
Нефтяные битумы относятся к одному из самых многотоннажных продуктов нефтепереработки. Одновременно являясь и дефицитным, поскольку качество битума служит определяющим фактором в обеспечении долговечности материалов на их основе.
Особенно это актуально в связи с резко обострившимися в последнее время проблемами битумного производства в России. Это существующая система ценообразования, при которой цена полученного битума составляет 60 – 80% от цены сырья (нефть); сезонность выработки битумов дорожного назначения, связанная с чётко определёнными периодами выполнения дорожно-строительных работ порождает проблемы для непрерывно функционирующих нефтеперерабатывающих предприятий; неконтролируемый разброс показателей качества поступающего на переработку сырья, известно, что даже небольшие колебания его состава – содержания парафиновых и ароматических углеводородов, асфальтенов и других компонентов оказывают огромное влияние на качество получаемых битумов.
Положение усугубляется непрерывным увеличением грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств, приводящим к значительному росту динамических нагрузок на дорожное покрытие и тем самым к повышению требований к качеству битума.
На наш взгляд, в сложившейся ситуации, для увеличения срока службы дорожных покрытий необходима не только корректировка (повышение) нормативных требований к физико-химическим свойствам битумов, но и разработка, внедрение в практику дорожного строительства модифицированных битумов улучшенного качества способных обеспечивать более высокую прочность и долговечность дорожных покрытий.
Поводом разработки серии модификаторов для битумов дорожного назначения послужили данные, свидетельствующие о том, что многочисленные попытки улучшения битумов, не дают устойчивых результатов, либо по качеству, либо по экономической эффективности.
Накопленный богатый научно-практический опыт в области модификации нефтяных и природных битумов с целью улучшения их низкотемпературных, адгезионных, упруго-деформационных и др. эксплутационных свойств, а также в технологии приготовления асфальтобетонных смесей на их основе, позволил нам разработать серию универсальных полифункциональных модификаторов представляющих собой многокомпонентные системы и сочетающих в себе свойства как адгезивов, так и модификаторов упруго-деформационных свойств, улучшая основные физико-химические показатели битума (таблица 1).
Таблица 1
Физико-химические свойства модифицированных битумов
Наименование показателей
Битум ЕНПУ
Битум ННПЗ
Модифицированный битум ЕНПУ
Модифицированный битум ННПЗ
Требования
ГОСТ
22245-90
БНД 90/130
Требования
Росавтодора
Глубина проникания иглы, 0,1 мм, не менее
при 250С
120
95
95
110
91-130
91-130
при 00С
20
30
30
36
28
28
Растяжимость, см, не менее
при 250С
100
100
88
95
65
65
при 00С
4,5
6,0
4,3
5,0
4,0
4,0
Температура размягчения по КиШ, 0С, не ниже
45
45
46
45
43
45
Температура хрупкости, 0С, не выше
минус 15
минус 18
минус 25
минус 25
минус 17
минус 20
Температура вспышки, 0С, не ниже
230
230
260
260
230
230
Изменение температуры размягчения после прогрева, 0С, не более
5
5
1,5
2
5
5
Индекс пенетрации
-0,2
-1
-0,6
-0,4
от -1,0 до +1,0
от -1,0 до +1,0
Сцепление со щебнем Павловскгранит
Контр. обр. №3
Контр. обр. №3
Контр. обр. №1
Контр. обр. №1
не нормируется
Не ниже
Контр. обр. №2
Сцепление со щебнем Первоуральским
Контр. обр. №3
Контр. обр. №2
Контр. обр. №1
Контр. обр. №1
не нормируется
Сцепление
с эталонным песком
Контр. обр. №3
Контр. обр. №3
Контр. обр. №1
Контр. обр. №1
не нормируется
Битум ЕНПУ – битум, производимый Елховским НПУ ОАО «Татнефть», г. Альметьевск, Республика Татарстан.
Битум ННПЗ – битум, производимый Нижнекамским НПЗ ЗАО «ТАИФ-НК», г. Нижнекамск, Республика Татарстан.
Действие модификатора заключается в необратимых реакциях его компонентов в условиях модификации тяжёлых нефтяных остатков, вовлекая последние в эти превращения. Таким образом, улучшение физико-химических свойств обеспечивается не только вовлечением в битум дополнительных активных функциональных групп и полимерного составляющего, которые со временем претерпевают изменения (старение) и теряют свои положительные свойства, а главным образом за счёт изменения непосредственно группового химического состава битума (таблица 2).
Таблица 2
Групповой химический состав модификации битума ЕНПУ
Время модификации, мин.
Групповой химический состав, % масс.
Содержание парафина, % масс.
по ГОСТ 17789-72
Масла
Смолы
Асфальтены
0
40,47
42,68
16,85
12,10
10
38,20
45,30
16,50
6,54
20
35,60
48,60
15,80
1,13
30
35,69
48,71
15,60
0,68
40
35,34
48,91
15,75
0,72
50
35,22
48,99
15,64
0,67
60
35,28
48,98
15,74
0,81
Уникальность полифункционального модификатора заключается в превращении не желательных твёрдых парафинов в желательные полярные соединения с функциональными группами.
Физико-механические свойства приготовленных асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические свойства приготовленных асфальтобетонных смесей на основе модифицированных битумов
Технические условия ГОСТ 9128-97
Методы испытания ГОСТ 12801-98
Наименование показателей
Битум ЕНПУ
Битум ННПЗ
Модифицированный битум ЕНПУ
Модифицированный битум ННПЗ
Требования ГОСТ для мелкозернистой тип Б марки II
Предел прочности при 00С, МПа
7,0
7,5
7,64
7,5
не более 12,0
Предел прочности при 200С, МПа
3,0
3,34
3,04
4,24
не менее 2,2
Предел прочности при 500С, МПа
0,6
1,15
1,1
1,40
не менее 1,0
Средняя плотность смеси, г/см3
2,45
2,50
2,46
2,51
не нормируется
Водонасыщение, %
1,8
3,22
2,62
1,75
1,5-4.0
Водостойкость
0,87
0,94
1,0
0,96
не менее 0,85
Необходимо отметить, что асфальтобетонные смеси приготовлены на битумах, в том числе модифицированных, марки БНД 90/130. Тем не менее, с применением модификатора, свойства асфальтобетонной смеси значительно улучшается, особенно прочность при 500С.
В настоящий момент на заключительной стадии находятся испытания в независимых лабораториях (Центральная дорожно-строительная лаборатория ОАО «СМП Нефтегаз», Техническая инспекция ОАО «ТРЕСТ КАМДОРСТРОЙ») на соответствие качества модифицированных битумов заявленным требованиям, результаты положительные (рисунок 1).
Рисунок 1 – Акты испытаний в независимых лабораториях
Отличительными особенностями и преимуществами разработанной серии полифункциональных модификаторов по сравнению с известными аналогами (серии "АМДОР", "WETFIX N", "DIAMINE OLBS" и российскими марками адгезивов серии БП-3 (М, КСК и др.)) являются их:
- высокая адгезионная способность, обеспечивающая сцепление битума с минеральным материалом не ниже 1 балла;
- термоустойчивость и стабильность при температурах 250-2700С в течение 4-х часов;
- высокая температура вспышки 250-2700С;
- высокая технологичность с возможностью модификации на разной стадии производства битума.
Среди основных преимуществ следует отметить: универсальность модификатора; при необходимости минимальные изменения в технологической линии производства битумов (обогреваемый насос-дозатор в линию откачки битума из окислителя в товарную емкость); перевод изначально некондиционных высокопарафинистых битумов в товарные формы, соответствующие по своим характеристикам отечественным и зарубежным стандартам качества.
Главным инструментальным методом анализа в работе был выбран импульсный ядерный магнитный резонанс (рисунок 2), представляющей внутримолекулярное видение нативной структуры исследуемого объекта.
Отличающийся от аналоговых инструментальных методов не разрушающим химическую структуру методом исследования, и экспрессностью анализа. На его основе разработаны экспресс методы определение группового состава, термодинамических параметров тяжелых нефтяных остатков, а также определение температуры размягчения и хрупкости битумов, определение содержание воды в водобитумных эмульсиях (таблица 4).
Таблица 4
Образец
Групповой состав нефтяных остатков, % мас.
Метод ВНИИ НП
Метод импульсного ЯМР
Асфальтены
Смолы
Масла
Асфальтены
Смолы
Масла
1
6
50
44
7
50
43
2
12
50
38
13
48
39
3
8
51
41
9
50
41
4
7
43
50
8
43
49
5
6
32
62
7
30
63
6
7
53
40
8
53
39
Образец
Определение физико-химических свойств битумов
Температура размягчения по КиШ, 0С
ГОСТ 11506-73
Метод импульсного ЯМР
Температура хрупкости, 0С
ГОСТ 11507-78
Метод импульсного ЯМР
1
42,5
42,0
-15,4
-15,0
2
57
58,0
-16,0
-16,5
3
62
62,0
-19,4
-19,2
4
35,5
35,0
-14,3
-14,8
5
39,6
40,0
-25,0
-25,4
6
48,8
49,0
-24,5
-25,0
Образец
Определение содержания воды в битумных эмульсиях
Содержание воды, % мас.
Метод импульсного ЯМР
1
85.54
88.89
2
73.49
76.54
3
61.20
63.82
4
49.16
50.74
5
37.11
35.03
6
25.06
22.24
Сопоставление результатов анализа определения группового химического состава образцов, определенных методом адсорбционно-жидкостной хроматографии (метод ВНИИНП) и методом импульсного ЯМР, а также сопоставление результатов определение физико-химических свойств битумов, определение содержания воды в модельных смесях битумных эмульсий позволили сделать вывод о достаточно хорошей сходимости полученных данных.
Одним из эффективных устройств гомогенизации, равномерного распределения модификатора в битуме является роторно-пульсационный акустический аппарат (РПАА)
Технические характеристики РПАА
Наименование
Значение
Максимальное давление в РПАА; кгс/ см2
3
Производительность по воде; м3/ час
20
Максимальная потребляемая мощность; кВт
120
Удельные энергозатраты; Вт/л
2-100
Диаметр ротора; мм
200
Частотный диапазон акустического излучения; кГц
0,001-63
Интенсивность акустического излучения; Вт /см2
до 105
Габариты без электродвигателя; мм х мм х мм
800х800х1200
Масса без электродвигателя; кг
120
Рисунок 3 – Роторно-пульсационный акустический аппарат (РПАА)
Равномерное распределение модификатора осуществляется в аппарате следующим образом. Под действием насосного эффекта, создаваемого упругими лопатками и стенками проточных каналов ротора, смесь в радиальном направлении проходит последовательно через проточные каналы, выполненные в коаксиальных цилиндрах статоров и ротора. Здесь она подвергается механическому воздействию со стороны элементов ротора и статоров, что приводит к интенсивному перемешиванию, гомогенизации смеси. Наряду с этим в РПАА возникают комбинированные колебания плоскости диска вращающегося ротора (частота этих колебаний 74 кГц и выше). Воздействия акустического поля на модифицируемый битум заключается в образовании акустических волн "сжатие - разряжение-сжатие", которые образуются в результате колебания стенки ротора.
Разработана принципиальная технологическая схема производства модифицированных битумов (рисунок 4).
Рисунок 4 – принципиальная технологическая схема производства модифицированных битумов
В обогреваемый смеситель поступает гомогенизированная смесь битума с модификатором из РПАА, в заданном соотношении, где происходит интенсивное перемешивание при температуре 2500С. Затем модифицированный битум поступает в товарную емкость или асфальтобитумный завод. Входной и выходной контроль битумных материалов дополнительно осуществляется импульсным ядерным магнитным резонансом.
Ориентировочная себестоимость 1 тонны модификатора «ПФМ» составляет порядка 26 – 27 тыс. рублей, тогда как рыночная стоимость 1 тонны адгезива составляет 60 – 150 тыс. рублей, модификатора типа СБС – порядка 75 – 80 тыс. рублей. Таким образом, ориентировочная рыночная стоимость модификатора «ПФМ» составит 35 тыс. рублей/тонна. И, следовательно, ориентировочная прибыль составит, из расчета годового объема производства 5 тыс. тонн/год, 40 млн. рублей.
Дополнительно необходимо отметить, что отсутствие азотсодержащих соединений и легкокипящих компонентов в составе разработанного модификатора позволяет существенным образом улучшить экологичность производства, как самого модификатора, так и битумных материалов на его основе.
Библиографическая ссылка
Кемалов А.Ф., Кемалов Р.А., Петров С.М.
Муллахметов Н.Р., Фаттахов Д.Ф., Галиев А.А., Идрисов М.Р.
Бадретдинов Р.Ш., Файзрахманов А.Т. РАЗРАБОТКА ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО МОДИФИКАТОРА
ДЛЯ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ
// Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/4544 (дата обращения: 25.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
