Влияние минеральных наполнителей на свойства и состав битума тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.13, кандидат технических наук Левченко, Екатерина Сергеевна

• Левченко, Екатерина Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Левченко, Екатерина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор

1.1. Общие представления о химической природе высокомолекулярных компонентов нефти.

1.2 Компонентный состав нефтяных битумов.

1.3 Структурно-групповой анализ ВМС нефти.

1.3.1 Химический состав масляных фракций.

0 1.3.2 Химический состав смол.

1.3.3 Химический состав асфальтенов.

1.3.4 Генетическая связь между групповыми компонентами

ВМС нефти.

1.4 Дисперсная структура битума.

1.5 Формирование дисперсной системы битума.

1.6 Производство нефтяных битумов.

1.6.1 Производство остаточного битума.

1.6.2 Производство окисленного битума.

1.6.3 Производство битума деасфальтизацией.

1.7 Взаимодействие битума с минеральными наполнителями.

1.8 Сцепление битума с минеральным материалом.

1.9 Старение дорожного битума.

ГЛАВА 2. Методические вопросы исследования 2.1 Характеристика исходных материалов

2.1.1 Битумы.

2.1.2 Минеральные наполнители.

2.2. Методы определения количеств адсорбированного битума на минеральной поверхности

2.2.1 Метод «В одной выварки».

2.2.2 Метод «Горячего центрифугирования».

2.2.3 Метод «Свободно вытекающего битума из БМС».

2.3 Определение товарных характеристик битума.

2.3.1 Определение плотности битума.

2.4 Метод термостатирования битума в среде воздуха и среде инертного газа.

2.5 Метод количественного определения массовых концентраций основных компонентов битума.

2.6 Метод приготовления БМС на длительное хранение.

2.7 Методы определения относительной поверхности минеральных наполнителей.

ГЛАВА 3. Формирование структуры битума

3.1 Формирование дисперсной структуры битума.

3.2 Термоокислительная стабильность битума.

ГЛАВА 4. Влияние минерального наполнителя на изменение свойств битума в асфальтобетоне.

4.1 Влияние времени термостатирования БМС на сорбционные свойства битума.

4.2 Влияние гранулометрического состава минерального наполнителя на изменение свойств битума в БМС.

4.3 Влияние природы минерального наполнителя на свойства битума в БМС.

4.4 Влияние минерального наполнителя на изменение свойств битума при повышенной температуре.

4.5 Изменение компонентного состава битума при термостатировании БМС.

4.6 Изменение свойств битума при длительном хранении БМС при комнатной температуре.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние минеральных наполнителей на свойства и состав битума»

Нефтяной дорожный битум широко применяется при строительстве и ремонте автомобильных дорог. Основное его назначение - образовывать с минеральным материалом единое целое, чтобы обеспечить технологические и эксплуатационные характеристики дорожного полотна при воздействии на него физических нагрузок и климатических факторов.

Высокие температуры, при которых происходит приготовление асфальтобетона, условия погоды, в которых работает битум в дорожном покрытии, вызывают изменения его состава и свойств, т.е. старение битума.

Считается, что доминирующей причиной старения битума, является окисление, и практически не принимается во внимание возможность структурных преобразований.

Экспериментальные данные показывают, что битум, как любая система, стремится к термодинамическому состоянию равновесия в данных условиях. Для наступления термодинамического равновесия требуется определенное время и тем большее, чем ниже температура. Это, к сожалению, как правило, не учитывается, а так называемое старение битума относятся исключительно к окислительным процессам.

Для оценки термоокислительной стабильности битума в российских нормативных требованиях существует ГОСТ 18180-72, за рубежом ASTM D 1754-97. Данные стандарты основаны на определении изменений свойств битума при действии на его поверхность кислорода воздуха и температуры. Поэтому, считают, что изменения свойств битума являются следствием термоокисления. Однако экспериментальные данные показывают, что при термоста-тировании битума в среде кислорода и среде инертного газа (без доступа кислорода), изменения свойств битума наблюдаются в том и другом случае. Причем разница в изменениях между ними при температурах 140-160°С не значительная. Следовательно, можно говорить о том, что повышение жесткости в дисперсной системе битума вызвано не только окислением, но и структурными изменениями.

Одним из важных факторов, определяющих долговечность дорог, является сцепление (адгезия) битума с минеральным материалом в асфальтобетоне.

Недостаточные адгезионные свойства битума приводят к шелушению и быстрому износу дорожного покрытия. В российских нормативных требованиях на дорожные битумы не учитываются изменения свойств битума при взаимодействии с минеральными материалами. В ГОСТ 22245-90. Нефтяные дорожные битумы присутствует показатель сцепления битума с мрамором и песком. Однако метод, заложенный в ГОСТ 11508-74, является условным и не позволяет изучить свойства битума.

В процессе приготовления битумо-минеральных смесей (БМС), под действием энергетического поля минерального наполнителя, происходит избирательная адсорбция определенных компонентов битума. Это приводит к существенной перестройке дисперсной структуры битума и изменению его состава и свойств. Поэтому при приготовлении асфальтобетона необходимо учитывать влияние поверхности минерального материала, времени его контакта с битумом, природы битума.

До настоящего времени в литературе не учитывается влияние временного фактора на состояние дисперсной системы битума. Изучение изменений свойств битума в контакте с минеральным материалом от продолжительности хранения (времени контакта) позволит в определенной степени прогнозировать долговечность асфальтобетонного покрытия.

При приготовлении БМС на АБЗ и их укладке следует заранее знать, каким образом ведет себя битум в контакте с данным минеральным материалом. Поэтому предварительно необходимо определять степень сцепления и изменение свойств битума. Для этого необходимы методики, на основании которых будут определяться данные показатели. На основании полученных зависимостей можно будет судить о степени повышения жесткости в дисперсной системе битума, времени наступления адсорбционного равновесия и количестве адсорбированного битума.

Таким образом, исследования изменений свойств нефтяных дорожных битумов при приготовлении и укладки асфальтобетона являются актуальными.

Заключение диссертации по теме «Нефтехимия», Левченко, Екатерина Сергеевна

выводы

1. Битумы, полученные окислением гудрона, представляют собой нестабильную дисперсную систему вследствие того, что образовавшиеся при окислении молекулы асфальтенов не успевают ассоциировать в надмолекулярные образования - зародыши твердой фазы.

2. Период стабилизации состава и свойств окисленных битумов зависит от температуры, состава и марки битума. При комнатной температуре битумы со значениями пенетрации от 40 до 60 дмм достигают термодинамического равновесия за 10-30 дней, со значениями пенетраций от 70 до 100 дмм за 2 месяца.

3. В процессе производства асфальтобетона происходит адсорбция части ароматических масел на поверхности минерального материала. Если содержание ароматических масел в битуме будет меньше необходимого для образования адсорбционного слоя на всей поверхности минерального наполнителя, то сцепление битума с ним будет ослаблено, что приведет к преждевременному разрушению асфальтобетона.

4. Для достижения сорбционного равновесия в БМС требуется определенное время, которое зависит от температуры, природы битума и удельной поверхности минерального наполнителя, но не зависит от природы последнего.

При использовании битума марки БДУС 70/100 адсорбционное равновесие при 160°С в смеси с гранитом фракции:

- 3-4мм наступает к 4 часам термостатирования, при этом количество адсорбированного битума составляет - 17%мас;

- 2-Змм наступает к 3 часам термостатирования, при этом количество адсорбированного битума составляет - 26%мас.

5. При достижении адсорбционного равновесия свойства битума значительно изменяются. При наступлении адсорбционного равновесия к 3 часам термостатирования БМС, приготовленной из битума марки БДУС

70/100 и гранита фракции 1-2мм свойства изменяются следующим образом:

- пенетрация битума уменьшается с 90 дмм до 36 дмм;

- температура размягчения возрастает с 45°С до 63°С;

- температура хрупкости увеличивается с -23°С до -18°С; о п

- плотность возрастает с 962 кг/м до 984 кг/м .

6. Специальными опытами установлено, что вклад окислительных процессов в изменение свойств битума составляет около 5% при температурах 140-160°С. Таким образом, основной причиной старения битумов является адсорбция части ароматических масел на поверхности минерального материала и формирование термодинамического равновесия в системе. Эти явления не нашли отражения как в отечественных, так и в зарубежных стандартах на дорожные битумы, в то время как определение сорбционной способности и изменений свойств битума может позволить прогнозировать долговечности асфальтобетона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Левченко, Екатерина Сергеевна, 2005 год

1. Сергиенко С.Р.Высокомолекулярные соединения нефти. М.: Гостоп-техиздат, 1959. - 412с.

2. Камьянов В.Ф. Высокомолекулярные гетероатомные компоненты неф-тей. Дис.докт.хим.наук. М.:Институн химии нефти, 1992. - 444с.

3. Сергиенко С.Р. Нефтехимия, 1977, т.17, №6, С.809-819.

4. Камьянов В.Ф., Аксенов B.C., Титов В.И. Гетероатомные компоненты нефтей. Новосибирск: Наука, 1983. - 238с.

5. Аксенов B.C., Камьянов В.Ф. Состав и строение сернистые соединений * нефти.// Нефтехимия. 1980. - т.20, №3. - С.323-345.

6. Поконова Ю.В. Химия высокомолекулярных соединений нефти. JL: ^ Изд-во Ленингр.ун-та, 1980. - 172с.

7. Ивченко Е.Г., Глущакова Т.Ф., Гарипова Л.З. Распределение азота в нефтях и их фракциях // Химия и технология топлив и масел. -1980, №6. С.36-38.

8. Аксенова B.C., Титов В.И., Камьянов В.Ф. Азотистые соединения нефтей. // Химия гетероциклических соединений. 1979. -№2. -С.147-165.

9. Химический состав гудронов смолистых нефтей / О.Г.Попов, И.А.Посадов, Д.А.Розенталь, Л.А.Корнилова // Нефтехимия. 1984.-т.24,№3-С,319-325.

10. Аксенов B.C., Сагаченко Т.А., Камьянов В.Ф. Кислородсодержащие соединения нефтей. // Нефтехимия. 1983. - т.23, №1. - С.3-19.

11. Гуревич И.Л., Пажитнова Н.П. Кислородсодержащие функциональные группы в окисленных битумах. // Нефтепереработка и нефтехимия. -1969, №7 С.8-10.

12. Бейко О.А. Азотистые соединения. / Химический состав нефтей Западной Сибири. Новосибирск: Наука, 1988. - С.114-117.

13. Ф 13. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распространение нефти. -М.: Мир, 1981.-501с.

14. Новые нефти Казахстана и их использование: Металлы в нефтях. / Надиров Н.К., Котова А.В., Камьянов В.Ф. и др. Алма-Ата:Наука, 1984. -448с.

15. Jen T.F., Erdman J.G., Saraceno A J. Analyt. Chem., 1962, vol.34, N6, p. 694-700.

16. Битумные материалы (асфальты, смолы, пеки). Под ред. А. Дж. Хойбер-га. Пер.с англ. М., «химия», 1974. 248с.

17. Паукку А.Н., Посадов И.А., Розенталь Д.А., Проскуряков С.В., Попов О.Г., Васильева И.Н. В кн.: Исследования в области химии и технологии продуктов переработки горючих ископаемых. Межвузовский сборник научных трудов - Л.:ЛТИ им.Ленсовета, 1980. - 24с.

18. Попов О.Г., Посадов И.А., Розенталь Д.А., Проскуряков С.В., Лопатнева Е.Н. Нефтехимия, 1981, №6 - С.913.

19. Посадов И.А., Попов О.Г., Розенталь Д.А.Интегральный структурный анализ высокомолекулярных соединений нефти // Нефтехимия. 1984. т.24 - С.300-304.

20. Битумы. Получение и способы модификации / Д.А.Розенталь, А.В.Березников, И.Н. Кудрявцева и др. // Учебное пособие. Л.: ЛТИ им.Ленсовета, 1979. - 30с.

21. Методы определения и расчета структурных параметров фракций тяжелых нефтяных остатков / Д.А.Розенталь, И.А.Посадов, О.Г.Попов, А.Н.Паукку // Учебное пособие.- Л.:ЛТИ им.Ленсовета, 1981. 84с.

22. Сергиенко С.Р.Высокомолекулярные соединения нефти. М.: Химия, 1964-544с.

23. Сергиенко С.Р., Таимова Б.А., Талалаев Е.И. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. М.: Наука, 1979. - 298с.

24. Pfiffer J.P. The Properties of Asphaltic Bitumens. London: Elsevier Pub. Co., 1950. -285p.

25. Jen T.F., Erdman J.G., Investigation of the Struchere of Petroleum Asphalte-nes be X-Ray Diffraction // Analyt. Chem., 1961, vol.33, p. 1587-1594.

26. А.Н.Хрящев и др. Определение слоисто-пачечных ассоциатов нефтяных асфальтенов методом Фурье-спектроскопии ЯМР1 НУ/Нефтехимия.т.31, №4,1991.-0.466-469.

27. Посадов И.А., Попов О.Г., Проскуряков С.В., Розенталь Д.А. и др. Структурно-молекулярные аспекты генетической взаимосвязи высокомолекулярных соединений нефти // Нефтехимия. т.25, №3, - 1985. - С. 412-416.

28. Бодан А.Н. Поликвазисферическая структура нефтяных битумов // Химия и технология топлив и масел. 1982, №2. - С.22-24.

29. Камьянов В.Ф., Елисеев B.C., Кряжев Ю.Г. и др. Исследование структуры нефтяных асфальтенов и продуктов их озонолиза // Нефтехимия. Т.23, 1978. - С. 138-143.

30. Елисеев B.C., Камьянов В.Ф., Нуманов И.У. Структура природных асфальтенов нефти южного Таджикистана // Нефтехимия. Т.20, 1980. -С.277 -284.

31. Посадов И.А., Трофимов В.Н., Поконова Ю.В., Проскуляков В.А. Элек-тронномикроскопические исследования нефтяных асфальтенов // ЖПХ. 1974, №12. -С. 2702-2705.

32. Глушик JI.A., Бодан А.Н.Фракционное распределение по молекулярной массе асфальтено-смолистых веществ нефтей разной природы // Нефте-химия.т.20, 1980. - С.768-773.

33. Nellensteyn F.J., J.Inst.Petrol.Techn., 10, 311 1924.

34. Mack., J.Phys.Chem., 36, 2901 1932.

35. Колбановская А.С.Пути направленного структурообразования дорожный битумов.// Труды СОЮЗДОРНИИ.- М.: 1971, вып.49. С.21 - 39.

36. Колбановская А.С.Исследование дисперсных структур в дорожных битумах для выбора оптимальной структуры.// Труды СОЮЗДОРНИИ.-М.: 1968, вып.27. С.120 - 125.

37. Нефтяные дисперсные системы / З.И.Сюняев, Р.З.Сафиева, Р.З.Сюняев. -М.: Химия, 1990.-223с.

38. Ребиндер П.А.Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. М.: Наука, 1978. - 368с.

39. Сюняев З.И. Прикладная физико-химическая механика нефтяных дисперсных систем. М.: МИНГ и ГП им. Губкина, 1982. - 99с.

40. Мухаметзянов И.З. Структурная организация макромолекулярных ассо-циатов в нефтяных средах. М.: Химия, 2003. - 156с.

41. Посадов И.А., Поконова Ю.В. Структура нефтяных асфальтенов. JL: ЛГУ, 1977.-76с.

42. Хайрутдинов И.Р., Унгер Ф.Г., Сюняев З.И. Оценка компонентного состава сложных структурных единиц нефтяных дисперсных систем. // ХТТМ. 1987. №6. - С.36 - 38.

43. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. -256с.

44. Печеный Б.Г. Исследование структуры битумов с помощью диэлектрических измерений // Структурообразование. Методы испытаний и улучшения технологии получения битумов. М.: 1971, с.123-126.

45. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы. М.:Транспорт, 1973.-261с.

46. Traxler R.N. Asphalt its Composition Properties. 1961, New -York.

47. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. М.: Химия, 1983. -192с.

48. Фрязинов В.В., Ахметова Р.С. Труды БашНИИ НП, вып.8, Изд. «Химия», 168. С.167 - 170.

49. Шабалина JI.H., Дроздова М.А., Коган B.C. и др.//Нефтепереработка и нефтехимия. 1980. №5. - С. 12-14.

50. Рудакова Н.Я., Тимошина А.В., Кочева З.В. Новые пути улучшения качества сырья для производства битумов из парафинистых нефтей. //Нефтепереработка и нефтехимия. 1978. №6. - С.11-13.

51. Грудников И.Б. К вопросу о производстве дорожных битумов из высоко парафинистых нефтей на НПЗ топливного профиля.//ХТТМ. -1976.№12. С.16-18.

52. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. М., Химия, 1983. -192с.

53. Гуревич И.А., Гунн Р.Б., Хавкина О.Д. и др.//Нефтепереработка и нефтехимия. -1966. №9,. с.24.

54. Сергиенко С.Р., Гарбалинский В.А., Чмырь И.М. и др., Изв. АН Туркм. ССР, сер.физ.-техн. Наук. 1960. №6. - С.46.

55. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М., «Химия», 1973. 432с.

56. Кутьин Ю.А., Теляшев Э.Г., Нигматуллин В.Р., Викторова Г.Н. Битумы окисленные, неокисленные и компаундированные и асфальтобетоны на их основе// Междунар. Конф. «Битум в дорожном строительстве». -М.: МАДИ, 2005. -С.29 38.

57. Худякова Т.С., Розенталь Д.А., Машкова И.А., Коршунова Е.В. Влияние минерального материала на адгезионную прочность битумно-минеральных смесей //ХТТМ. 1990, №12. - С. 28 -29.

58. Колбановская А.С., Шимулис С.П. Влияние природы битума и каменного материала на их сцепление. В кн.: Исследование битумов и битумно-минеральных смесей. М., транспорт, 1967. с.47.

59. Розенталь Д.А., Сыроежко A.M. Изменение свойств дорожных битумов при контактировании с минеральным наполнителем //ХТТМ. 2000, №4. - С.41-43.

60. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М., «Химия», 1696.-с.319.

61. Иванов Н.Н., Гезенцвей Л.Б., Королев И.В. и др. Дорожный асфальтобетон. -М.: Транспорт, 1976-с.158.

62. Смирнов В.М. Структура и механические свойства асфальтового бетона. Харьков. Изд-во ХГУ, 1954. С.59 -68.

63. Романенко Н.И. К вопросу структурообразования в асфальтовых смесях. Труды ХИИКС. Вып.7. Киев, Изд-во Академии архитектуры и строительства, 1956.-С.103.

64. Дерягии Б.В., Страховский Т.И., Малышева Д.С. Измерение вязкости граничных слоев жидкости методом сдувания. Журнал экспериментально-теоретической физики. Изд-во АН СССР, 1946, 16, вып.2, С. 171-178.

65. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Адгезия. Исследования в области прилипания и клеящего действия. М. JL, Изд-во АН СССР, 1949, С.244.

66. Кац.М.Н. Структурообразование граничных слоев битума по поверхности минерального материала.: Дис. канд. техн. наук. Л., 1987.

67. Королев И.В. Модель строения битумной пленки на минеральных зернах в асфальтобетоне.//Строительные материалы.- 1981, №8 С.63 - 67.

68. Голованова Т.А. Изменение свойств битума при контакте с минеральным наполнителем.: Дис. канд. техн. наук. СПб., 1996. - 126с.

69. Королев И.В., Батраков О.Т. О толщине битумной пленке в асфальтобетоне // Труды СОЮЗДОРНИИ.- М.: 1970, вып.46. С.201 - 206.

70. Файнгар М.М., Браудо Е.М. Применение парафинистых битумов в дорожном и кровельном деле. М., ГОНТИ, 1935.- С.49.

71. Abraham Н. Asphalt and allied Substances. 1929.

72. Колбановкая А.С.Метод красителей для определения сцепления битума с минеральными материалами. М., Автотрансиздат, 1959. 32с.

73. Худякова Т.С., Розенталь Д.А., Машкова И.А., Березников А.В. Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральным материалом // ХТТМ. 1987. №6 - С.35 - 36.

74. Порадек С.В. Приемлемая технология хранения и применения битума на АБЗ// Междунар. Конф. «Битум в дорожном строительстве». -М.: МА-ДИ, 2005. -С.52 57.

75. Б.М.Рыбак. Анализ нефти и нефтепродуктов. Гос. Научно-техничическое изд-во нефтяной и горно-топливной литературы: М, 1962 -С.58.

76. Розенталь Д.А., Левченко Е.С. Формирование дисперсной структуры битума. Москва, 2005. 2с. - Деп. В ОАО «ЦНИИТЭнефтехим» 30.09.05, № 62 - НХ - 05.

77. Левченко Е.С., Розенталь Д.А., Залищевский Г.Д. Дисперсная система битума и ее изменение при приготовлении асфальтобетона // ЖПХ. -2004. Т.77. Вып.З С.521 - 522.

78. Левченко Е.С., Розенталь Д.А. Влияние минерального наполнителя на свойства битума в асфальтобетоне //Тезисы докладов. Междунар.форум. Топливно-энергетический комплекс России. СПб, 2005. С.245-251.

79. Розенталь Д.А., Левченко Е.С., Залищевский Г.Д. Изменение свойств битума при контакте с минеральным наполнителем в асфальтобетоне. Москва, 2005. 2с. - Деп. В ОАО «ЦНИИТЭнефтехим» 30.09.05,№ 62 -НХ-05.

80. Розенталь Д.А., Иванова Е.С. Прогнозирование свойств битума в асфальтобетоне // ЖПХ. 2002. Т.75.Вып.7 - С. 1221-1222.