Добавки в битум. Модифицированные битумы

Добавки в битум Модифицированные битумы

Содержание

1. Введение

Битум был первым продуктом из нефти, которым пользовался человек: уже за 3800 лет до н.э. его применяли как строительный материал. Битумы и асфальты, добываемые в районах нефтяных месторождений, использовали в качестве связывающих, антисептических, противокоррозионных и водонепроницаемых материалов, для строительства зданий и башен, водопроводных и сточных каналов, туннелей, зерно- и водохранилищ, дорог, в судостроении, медицине и мумификации трупов. С развитием нефтяной промышленности возросла переработка асфальто-смолистых нефтей, увеличилось производство и улучшилось качество битумов, которые вытеснили природный асфальт, но добыча последнего продолжается до сих пор.

В настоящее время битум широко применяют в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и реактивной технике , а также для защиты от радиоактивных излучений. Ведущей областью применения битумов являются строительство и ремонт дорог, жилых домов, промышленных предприятий и аэродромов.

Ниже приведены данные о потреблении нефтяных битумов в различных областях за последнее десятилетие (в %):

Из этих данных видно, что в США и западноевропейских странах более 70% битума используется для строительства и ремонта дорожных покрытий. Такое распределение в потреблении битумов объясняется разветвленностью сети дорог США и большой нагрузкой автотранспорта. В СССР доля потребления битумов в промышленном в гражданском строительстве и в других областях народного хозяйства наибольшая . Доля дорожных покрытии с применением битума в СССР составляет 93—95% от всех усовершенствованных покрытий и лишь 3 - 5% падает на покрытия с применением цементо-бетона. Производство нефтяных битумов в СССР достигло значительного развития: по сравнению с 1938 г. оно увеличилось в 1958 г. в 10, в 1965 г. почти в 20, а в 1970 г. в 30 раз. В соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС на 1971- 1975 гг. объем переработки нефти возрастет в 1,5 раза по сравнению с 1970 г. и соответственно увеличится объем производства нефтяных битумов. Производство нефтяных битумов во всем мире в 1970 г. составило более 50 млн. т, в том числе в США 32.6 млн. т. Обращает на себя внимание тенденция к увеличению мощности и выхода битумов па перерабатываемую нефть.

Выход битума на нефть составляет 2—5%, в США 4,5%, что объясняется большей долей выработки там остаточных и компаундированных битумов; в ФРГ 4.85%;в Англии 2,2—2.4%; в Румынии 3.8%. За последние 15 лет резко (в 1,6 раза) возросла общая мощность процессов производства битумов в капиталистических странах, в том числе: в CШA в 1,2; в Англии в 1,45; во Франции в 2.1; в ФРГ в 5,75; в Канаде В 1,1 И в Венесуэле в 4,85 раза . На 1 январи 1971 г. мощности процессов по производству нефтяных битумов (в тыс. т/год) составили: всего в капиталистических странах 69 451; в том числе в Северной Америке 41791 (в США 32 604); в Центральной и Южной Америке 2 914; в Западной 5 Европе 16 426; на Ближнем и Среднем Востоке 1 489; в Африке 622; на Дальнем Востоке и в Океании 6 209 (в том числе в Японии 2 198) .

Столь значительный рост производства и потребления битумов, а также повышение требований к их качеству настоятельно требуют более глубокого и всестороннего изучения состава и свойств битумов, влиянии параметров технологического режима, кинетики и гидродинамики процессов и природы сырья на эти показатели. Применение новых схем и средств автоматизации позволит комплексно автоматизировать и интенсифицировать процессы производства битумов. Анализ технико-экономических показателей работы битумных установок определит наиболее рациональный способ их производства.

2. Виды и применение битумов

Битум – это продукт переработки нефти и составная часть полезных ископаемых. В его состав входят углероды, кислородные, азотистые, серные и металлосодержащие производные. Существует несколько разновидностей этого материала, отличающихся по свойствам, составу и применению.

Битумы классифицируются по нескольким признакам. Первый критерий – происхождение и состав.

1.                 Природные битумы получают при добыче нефтяных полезных ископаемых. Их основной состав – углеводороды и производные, которые получаются при активном окислении нефтяных веществ в недрах земли. Природный углеводород может быть твердым или вязким. В привычном виде вещество получают на производстве, отделяя нужные фракции.

2.                 Битумы для укладки асфальта получают при добыче пористых полезных ископаемых, залегаемых глубоко в недрах земной коры. Породу измельчают вместе с углеводородным веществом, получается материал для дорожных работ.

3.                 Строительный битум – это синтетический продукт, получаемый из нефти промышленным путём. Материал используют для гидроизоляции конструкций и производства кровельных рулонных материалов и мягкой черепицы. Синтетический углеводород твердой структуры, для применения его растапливают до жидкого состояния, после чего он снова фиксирует свою форму уже на рабочей поверхности.

В строительных битумах, которые используют для гидроизоляции и изготовления кровельных материалов, состав приблизительно одинаковый. Его составляют:

·                     Углерод – около 80%;

·                     Водород – приблизительно 15%;

·                     Сера – 2…9%;

·                     Кислород – до 5%;

·                     Азот – до 2%.

Основные фракции внутри материала:

1.                 Твердая часть – асфальтены – высокомолекулярные углеводороды, их дополняют парафины.

2.                 Смолы тёмно-коричневого окраса, придающие битуму насыщенный цвет.

3.                 Консистенцию в расплавленном состоянии обеспечивают масляные фракции углеводородов.

Разное сочетание компонентов определяет разные характеристики, например, плотность битума кг/м3 может быть от 100 до 1400, в зависимости от марки.

Большое разнообразие битумов привело к необходимости к разделению материала на группы. Так появилась маркировка строительного вещества. Она включает в себя происхождение и назначение материала, температуру его нагрева и пенетрации. Рассмотрим пример БНК 90/30:

·                     БНК – битум нефтяной кровельный;

·                     90 – оптимальная температура нагрева твердого вещества для плавления;

·                     30 – величина пенетрации, то есть размер проникновения иглы пенетрометра в битум при 25°С в мм.

Битум нефтяной общего назначения

Марки битума строительного, который используют для гидроизоляции конструкций обмазочным методом – БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Стоит отметить: чем выше числитель дроби-обозначения, то есть температура размягчения, тем ниже пенетрация.

Подвид строительного битума – изоляционный: БНИ-IV-3, БНИ-IV. Таким обрабатывают подземные трубопроводы для защиты их от коррозии.

Удельный вес битума – 0,95…1,50 г/см3.

3. Улучшение битума путем ведения специальных добавок

Нефтяные битумы находят едва ли не самое широкое распространение в строительстве. Это обусловлено универсальностью применения данного материала. Он с успехом может использоваться при укладке дорожных покрытий, кровле, гидроизоляции, герметизации, для защиты трубопроводов, облицовок каналов и др.

При эксплуатации в районах с суровым климатом битумам присущ один недостаток – материал становится хрупким на морозе, что приводит к быстрому выходу из строя покрытий, устроенных на его основе. Такое положения дел опасно перерасходом битумного сырья. Кроме того, процессы старения битумов интенсифицирует солнечное излучение и большие перепады температур.

Выходом из ситуации может быть введение в дорожный битум специальных добавок, которые способны улучшить эксплуатационные свойства материала. Например, добавление в битум каучука позволяет снизить температуру хрупкости и одновременно увеличить теплостойкость.

Применение полимеров для модификации битумов повышает срок службы дорожных покрытий. Многолетние наблюдения за дорожным полотном, устроенным на основе модифицированных битумов, позволяет сделать именно такой вывод. Также модифицированные битумы улучшают деформативную способность во всем интервале эксплуатационных температур, водостойкость, прочность и другие характеристики.

Вначале использования полимерных добавок улучшения свойств модифицированных битумов пытались объяснить появлением химических связей между битумом и полимерами. С появлением метода инфракрасной спектроскопии было показано отсутствие каких-либо новообразований в полимербитумных композициях.

Новый материал для анализа дали электронномикроскопический и оптический методы. С их помощью было показано распределение битума и полимера в композиции по размерам частиц. Отмечалось, что небольшая часть полимера (не более 1-2%) может растворяться в маслах, которые являются низкомолекулярной частью битума.

В случае увеличения количества добавки ее распределение в битуме происходит в виде отдельных не связанных между собой частиц. В случае 5-10%-ой добавки имеет место увеличение частиц в размерах за счет агрегации. При  10-15%-ой концентрации образуется рыхлая сетчатая структура. Когда содержание полимера превышает отметку 25%, битум включается в структурные ячейки полимера и происходит обращение фаз.

Кроме упомянутых добавок с целью повышения трещиностойкости применяют морозостойкие масла или олигомеры, которые при снижении теплостойкости увеличивают низкотемпературный предел применения битумов. Такие добавки получили названия пластифицирующих.

Также используются стабилизирующие добавки – минеральные порошки, которые снижают текучесть битума.

4. Модифицированный битум

Строительство новых объектов и сооружений требует применения качественных материалов, таких как модифицированный битум. Это одно из обязательных условий получения прочных строений, которые будут не один год верой и правдой служить человечеству.

Но реалии таковы, что далеко не все строительные материалы в полной мере соответствуют выдвигаемым требованиям. Касается это и дорожного строительства. Общая протяженность автомобильных дорог в мире составляет около 64 285 000 км (по данным на 2013 год). Но развитие многих стран сопровождается улучшением транспортной инфраструктуры и, как следствие, строительством новых дорог. Поэтому данная цифра постоянно растет.

Увеличение интенсивности дорожного движения и сложные климатические условия привели к тому, что традиционные вяжущие материалы, использующиеся для приготовления асфальтобетонных смесей, уже не могут обеспечивать необходимую долговечность дорожного полотна. Во многих случаях последняя в два-три раза меньше нормативного значения. А все это дополнительные финансовые расходы на выполнение внеплановых ремонтов, не предусмотренные в бюджете.

4.1 Модификаторы для улучшения свойств битума

Намного дешевле обойдется изначальное применение качественного материала, способного гарантировать необходимые сроки эксплуатации объекта. За последние десятилетия было проведено множество исследований, направленных на повышение качества дорожных покрытий. В результате был сделан вывод, что отказываться от традиционного битума вовсе не обязательно, но его характеристики необходимо подкорректировать с помощью введения специальных добавок – модификаторов.

Они придают будущему дорожному покрытию те характеристики, которых ему так недостает в современных условиях. В частности, можно говорить о трещино- и морозостойкости, усталостной выносливости, прочности и т.д. Главное достоинство модифицированных битумов состоит в расширении рабочего температурного интервала дорог. В качестве добавок могут использоваться резиновая крошка, сера и каучук. В дорожном строительстве широкое применение нашли различные полимеры.

Модифицированные битумы достаточно быстро доказали свою конкурентоспособность, поэтому охотно начали использоваться строителями и в других отраслях – кровли и гидроизоляции.

Модифицированных полимерами, базируются на поддержании повышенной температуры процесса (150-200ºС) и интенсивном перемешивании компонентов.

При нагревании имеет место размягчение битума и переход термопластичных полимеров в вязко-текучее состояние. Поэтому процесс смешивания битума с полимерами при высоких температурах обычно протекает в две стадии: эмульгирование размягченного полимера в жидком битуме и его последующее частичное или полное растворение. Характер диспергирования полимера зависит от его химической природы и молекулярной массы, химического состава битума, а также исходного соотношения компонентов в смеси.

На сегодняшний день основным способом получения модифицированных битумов кровельного и гидроизоляционного назначения является введение полимерных добавок. Такой подход позволяет существенно улучшить гибкость материала при отрицательных температурах, повысить теплостойкость, эластичность, стойкость к старению, а также сопротивляемость усталостному напряжению. В большинстве случаев для модификации битума достаточно до 30% полимера.

В качестве модификаторов могут использоваться:

·  атактический полипропилен (АПП);

·  стирол-бутадиен-стирол (СБС);

·  этилен-пропилен-бутен (ЭПБ),

Результирующее качество получаемого продукта определяется рядом факторов, среди которых необходимо выделить:

·  однородность смеси;

·  изначальную совместимость битума с модификатором;

·  количество модификатора.

По цене битумно-полимерные кровельные и гидроизоляционные материалы в несколько раз дороже обычных битумных изделий. Но срок их службы может достигать 15-20 лет, а количество укладываемых слоев не превышает двух (при четырех-пяти слоях битумных материалов).

4.2 Свойства модифицированного битума

Традиционно в дорожном строительстве в качестве связующего материала использовался нефтяной битум. До определенного момента он давал удовлетворительные характеристики покрытий. Но с ростом интенсивности движения срок службы дорог перестал отвечать нормативным требованиям.

Стало понятно, что необходим или поиск принципиального нового материала, способного давать качественные характеристики дорожного полотна, или же улучшение характеристик существующего (битума). Ученые сделали ставку на второй путь, и это позволило добиться определенных успехов.

Улучшение свойств дорожных битумов можно добиться путем совершенствования технологии его производства или путем введения специальных добавок (модификаторов). Проведенные исследования показали, что улучшение технологии окисления гудрона является недостаточным условием для полного соответствия выдвигаемым требованиям. А вот введение добавок определенной природы и количества позволяет улучшить и закрепить достигнутые результаты.

Модифицированные битумы в отличии от немодифицированных отличаются рядом положительных свойств, к которым можно отнести повышение теплостойкости и морозостойкости, а также обеспечение надежности и долговечности строительных сооружений.

В большинстве случаев повышения качественных характеристики дорожных битумов добиваются за счет введения разного рода полимерных материалов. Кроме них в битум добавляются также и твердые модификаторы (минеральные порошки). Последние способствуют снижению текучести вяжущего материала.

Битумы, модифицированные полимерами, не стоит рассматривать как панацею от некачественных дорог. Но также неоспоримым является тот факт, что такие вещества способны улучшать свойства и сроки эксплуатации дорожных покрытий.

На протяжении десятилетий как в России, так и за рубежом для решения задач строительства и ремонта дорог использовались нефтяные битумы. Но с ужесточением требований к прочности покрытий обойтись только природными свойствами нефтяного битума становилось все сложнее. Самые большие проблемы возникали на автострадах, автобанах и мостовых сооружениях. Именно там покрытие подвергается наибольшей нагрузке.

Выход был найден во второй половине прошлого столетия. Научные поиски и испытания подтвердили увеличение срока службы битума при помощи введения в него полимеров. Они позволяют предотвратить накопление остаточных деформаций и повысить износостойкость дорожного полотна.

5. Заключение

На территории России битумы, модифицированные полимерами, уже успели из разряда новинки перейти в разряд обыденного строительного материала. Ушло на это каких-то 10-15 лет. В наиболее распространенном случае полимерно-битумное вяжущее – это дорожный битум с примесью полимеров типа стирол-бутадиен-стирол (СБС-полимеры). Проводятся также исследования в направлении применения для модификации и других типов полимеров.

Часто в качестве растворителя в полимерно-битумных вяжущих применяется пластификатор. Его добавляют также для понижения температуры хрупкости. Существует и альтернативное мнение, которое не одобряет введение пластификаторов, считая его недопустимым. Особенно это касается индустриального масла. Добавление в полимерно-битумные вяжущие последнего приводит к разбалансировке внутренних связей в структуре битума, далее масляные компоненты просто выпотевают из асфальтобетона.

Но справедливости ради отметим, что среди производителей полимерно-битумных вяжущих единого мнения по данному вопросу не существует.

Еще совсем недавно задача производства полимерно-битумных вяжущих возлагалась на дорожников, а сам процесс происходил непосредственно на месте строительства. Среди преимуществ такого подхода стоит отметить отсутствие затрат на транспортировку вяжущих и снижение вероятности их расслоения. Но особенности рынка постепенно изменяются. Сейчас полимерно-битумные вяжущие все чаще выпускаются нефтеперерабатывающими предприятиями или их филиалами. Это позволяет дорожникам получать продукт, обладающий прогнозируемым набором свойств.

Дорожники все же полностью не отказались от самостоятельного производства полимерно-битумных вяжущих. Многие дорожно-строительные и ремонтные организации уже обзавелись установками модификации битумов полимерами, оснащенными коллоидной мельницей. К таким относится оборудование типа УСБ-2 торговой марки GlobeCore.

Наиболее часто полимерно-битумные вяжущие применяются при выполнении комплексных проектов дорожного строительства или так называемых проектов жизненного цикла. В их состав входят кадастровые и проектные работы, реконструкция, строительство и содержание объекта. В большинстве случаев в документации заказчика указывается тип дорожного покрытия и полимерно-битумного вяжущего. Также такие проекты предусматривают мероприятия по замене и ремонту покрытия. Если договор рассчитан на 20-30 лет, то он может включать 2-3 замены.

При выполнении дорожно-ремонтных работ преимущественно заменяется только верхний слой покрытия, остальные же остаются нетронутыми. Учеными доказано, что максимальные сдвигающие напряжения возникают в нижних слоях. Вполне логично, что использование полимерно-битумных вяжущих было бы более эффективным именно там, но существующие нормы регламентируют обратное.

Есть также и другие особенности. Например, соответствующий ГОСТ говорит о том, что полимерно-битумные вяжущие должны решать задачу эластичности и понижения температуры хрупкости. Большинство строительных нормативных документов были разработаны еще 20-30 лет назад, и они не могли прогнозировать будущее изменение климата или состава транспортного потока. В наше время температура дорожного полотна может достигать 60-70 градусов по Цельсию. Старые нормативные акты ничего «не знают» о таких показателях. Поэтому существует необходимость в обновлении нормативных документов в соответствии с вызовами современности.

Даже несмотря на все очевидные преимущества модифицированных битумов, их распространение в России пока оставляет желать лучшего. Многие дорожные организации отказываются от применения данного строительного материала исключительно по незнанию, хотя впервые модифицированные битумы были применены еще 20 лет назад. В некоторых случаях использование вяжущих сталкивается с административными проблемами.

В любом случае, надлежащий толчок развитию индустрии модифицированных битумов может дать только грамотная государственная политика и актуализация производственных норм и требований.

6.Список использованной литературы

1. Большая советская энциклопедия. т. 3. Изд-во: «Советская энциклопедия», 1969 — 1978.

2.Гун Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун . — М.: Б.и., 1973. - 432 с.

3.Битумы. Получение и способы модификации : учеб. пособие / Д. А. Розенталь, А. В. Березников, И. Н. Кудрявцева и др.; под ред. Д. А. Розенталя . — Л.: Б.и., 1979. — 80 с.

4. Грудников И. Б. Производство нефтяных битумов. — M.: Химия, 1983 — 192 с.

5. Состояние и перспективы развития производства дорожных вяжу-щих материалов в России / А. А. Гуреев, А. А. Коновалов, В. В. Самсонов // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний .- 2008 .- N1 .- С. 12-16.

6. Зельманович, Я. И. Рынок битумных и битумно-полимерных материалов : итоги и перспективы / Я. И. Зельманович // Строительные материалы .- 2006 .- N1 .- С. 64-66.

7. Худякова, Т. Загадки российского битума, или в поисках истины / Т. Худякова // Автомобильные дороги .- 2005 .- N2 .- С. 72-77.

8. Гохман, Л. М. Все начинается с битума / Л. М. Гохман, Е. М. Гурарий // Автомобильные дороги .- 2005 .- N5 .- С. 34-37.

9. Ащепков, А. И. Реконструкция установки АВТ-1 с получением неокисленных битумов в ООО "ЛУКОЙЛ-Ухтанефтепереработка" / А. И. Ащепков, М. М. Королева, Е. Н. Забелинская. - (По проектам института) // Химия и технология топлив и масел .- 2009 .- N 1 .- С. 44-45.

10. Котов, С. В. Апробация технологии получения битума повышенной долговечности в условиях Сызранского НПЗ / С. В. Котов // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт .- 2006 .- N 6 .- С. 32-34.

11. Битумный бизнес - приоритет для ТНК-ВР. - (Партнеры) // Автомобильные дороги .- 2008 .- N 9 .- С. 34-35.