Энергоэффективные
Битумные
Технологии
г. Москва, ул. Мытищинская 3-я, д.16, стр.5, помещение 11
Меню
Заказать звонок
Поиск по сайту

Оценка устойчивости битума нефтяного дорожного вязкого в процессе его термостатирования в тонких пленках на минеральных подложках различного химико-минералогического состава

Свойства битумов нефтяных дорожных вязких на технологических этапах их подготовки, производства асфальтобетонных смесей с последующей их эксплуатацией в дорожных и аэродромных покрытиях, как известно, не остаются постоянными. Под влиянием различных факторов, к числу которых следует отнести повышенную температуру, кислород воздуха, химико-минералогический состав применяемых минеральных заполнителей, интенсивности и степени  воздействия нагрузок, происходят необратимые изменения свойств битумов, как говорят, они «стареют».
Результатом старения битума является изменение внутренней структуры битумов (компонентного состава) и, как следствие, ухудшение его физико-механических свойств.
Исследованиями по проблемам изменения свойств битумов под действием внешних факторов посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей: Лысихина А. И, Колбановская А. С, Руденский А. В, Печеный Б. Г, Фрязимов В. В, Бахрах Г. С, Золотарев В. А, Довыдова А. Р, Романов С. И, Королев И. В, Гезенцвей Л. Б, Фрязимов В. В, Железко, Худякова Т. С, Ахметова, Л. С. Губач, Арамбид Ж, Доза М, Андерсон М.
В статье [1] были рассмотрены вопросы изменения компонентного состава и физико-механических свойств битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД 90\130 в процессе его термостатирования при различных условиях, когда он находился в объеме.
Известно, что процессы старения битумных вяжущих наиболее активно протекают на технологических этапах приготовления асфальтобетонных смесей и устройстве из них покрытий. В данный временной промежуток битум в тонкой пленке находится на поверхности каменных материалов при высоких температурах (100-1600С) и при свободном доступе к нему кислорода воздуха [2].  В таких условиях возникают наиболее благоприятные возможности для протекания как химических процессов на поверхности каменного зерна, так и проникновению легких фракций битума в поры минерального материала. Подтверждением этого являются исследования, проведенные компанией Shell Bitumen U.K, которые показали, что на технологических этапах приготовления асфальтобетонных смесей, хранения, транспортировки и устройстве покрытий  индекс старения   битума (отношение вязкости состарившегося битума (ηа) к вязкости исходного битума  (η0)) увеличился на пять единиц, в то время как после восьми лет эксплуатации асфальтобетона в покрытии всего лишь на одну [3].
С целью выявления устойчивости битума к процессам старения, а так же влияния вида минерального материала на ее интенсивность было выбрано вяжущее марки БНД 90\130 производства ОАО «Газпромнефть ОНПЗ», отвечающее требованием  ГОСТ 22245-90. Анализу подвергался компонентный состав и его изменение под действием температурно-временных факторов. Для этого битум распределялся по поверхности пластинки (подложки) толщиной 50 мкр, что  примерно соответствует средней толщине битумной пленки на щебеночном зерне в составе асфальтобетонной смеси. В качестве материала подложки использовалось стекло – нейтральная среда, базальт – минеральный материал среднего химико-минералогического состава и мрамор – основного. После выдерживания образцов при температурах (100-160) 0С в течение (1-6) часов определялся его состав.
Определение компонентного состава битумов осуществлялось методом тонкопленочной хроматографии с ионизационным детектором (далее метод «Ятроскан») [1, 4-8].
Преимущество метода «Ятроскан» заключается в простоте подготовки и  быстром получении результатов, характеризующихся хорошей воспроизводимостью. За два часа можно испытать три пробы битума. Система очень чувствительная, нижний предел чувствительности находится в диапазоне 1*10-9 (нанограмм). Функционирование прибора, фиксирование полученных данных и количественная их обработка осуществляется в автоматическом режиме.
Дополнительное оборудование к анализатору тонкослойной хроматографии (TLC) и системы пламенной ионизации (FID) марки «JTROSKAN MK-5» представлено прибором для нанесения проб модели SES 3200/IS02, проявочными камерами TLS, набором кварцевых стержней (хромародов), сушильной камерой, кассетой для удерживания стержней SD-5. Оценка и обработка полученных результатов производится с помощью программного обеспечения SES – Chromstar.
На основании разработанных методик измерений и поверок, а так же положительных результатов испытаний, проведенных в ЗАО «НОМБУС», «Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии» утвержден тип средства измерений – анализатор тонкой хроматографии «Ятроскан» под №30494-05 и допущен к применению в Российской Федерации.
Результаты исследований представлены в таблицах 1-4.

Таблица 1
Изменение компонентного состава битума в тонкой пленке (50мкр) в процессе термостатирования при температуре 160°С на подложках различного химико-минералогического состава

Время термостатирова-ниия Компонентный состав
Асфальтены Смолы Ароматические УВ Насыщенные УВ
1 Подложка Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мрамор
2 0 час   19,02    19,02    19,02    29,15    29,15     29,15   43,31  43,31  43,31    8,52    8,52    8,52
3 1 час   19,31    19,24    20,78    43,86    39,23     42,03   28,02  34,54  30,51    8,81    6,99    6,68
4 2 часа   21,62    22,57    24,24    49,10    46,03     49,01   23,51  24,29  20,07    5,77    7,11    6,68
5 3 часа   22,01    22,54    26,51    50,01    45,95     53,62   21,19  24,72  13,99    6,79    6,79    5,88
6 4 часа   24,36    25,85    27,37    55,33    52,71     55,34   14,56  14,38  11,36    5,75    7,06    5,93
7 6 часов   26,99    26,49    30,64    51,89    51,58     60,48   14,03  15,43    2,74    7,09    6,50    6,14

Таблица 2
Изменение компонентного состава битума в тонкой пленке (50мкр) в процессе термостатирования при температуре 140°С на подложках различного химико-минералогического состава

Время термостатированиия Компонентный состав
Асфальтены Смолы Ароматические УВ Насыщенные УВ
1 Подложка Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мрамор
2 0 час 19,02 19,02 19,02 29,15 29,15 29,15 43,31 43,31 43,31 8,52 8,52 8,52
3 1 час 20,37 21,25 24,56 37,05 34,38 36,35 37 37,32 32,69 5,58 7,05 6,4
4 2 часа 21,03 23,04 26,76 45,12 37,28 45,91 28,58 33,13 21,09 5,27 6,55 6,24
5 3 часа 24,22 24,8 26,77 40,85 40,14 42,08 26,36 25,66 24,37 8,57 9,4 6,78
6 4 часа 23,85 25,14 27,9 40,21 41,99 43,86 28,42 23,47 21,89 7,52 9,4 6,35
7 6 часов 26,15 26,28 28,54 44,09 44,33 44,87 21,35 20,31 18,68 8,41 9,08 7,91

Таблица 3
Изменение компонентного состава битума в тонкой пленке (50мкр) в процессе термостатирования при температуре 120°С на подложках различного химико-минералогического состава

Время термостатированиия Компонентный состав
Асфальтены Смолы Ароматические УВ Насыщенные УВ
1 Подложка Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мрамор
2 0 час  19,02    19,02    19,02 29,15  29,15  29,15 43,31 43,31 43,31 8,52 8,52 8,52
3 1 час  18,53    21,51    21,54 33,81  32,66  32,58 38,56 35,36 37,46 9,1 10,47 8,42
4 2 часа  20,97    22,93    25,86 38,27  34,81  39,11 32,54 34,27 26,7 8,22 7,99 8,33
5 3 часа  21,93    25,00 23,94 40,03  37,97  41,09 29,83 28,79 26,33 8,21 8,24 8,64
6 4 часа 23,57    24,46 25,03 35,82  37,14  36,86 32,32 31,08 31,08 8,29 7,32 7,03
7 6 часов  24,98    25,31    26,98 45,6  38,42  40,80 21,35 29,37 24,61 8,07 6,9 7,61

Таблица 4
Изменение компонентного состава битума в тонкой пленке (50мкр) в процессе термостатирования при температуре 100°С на подложках различного химико-минералогического состава

Время термостатированиия Компонентный состав
Асфальтены Смолы Ароматические УВ Насыщенные УВ
1 Подложка Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мра-мор Стек-ло Базальт Мрамор
2 Исходный битум 19,02 19,02   19,02 29,15 29,15  29,15 43,31 43,31 43,31 8,52 8,52 8,52
3 1 час 18,77 19,71   18,92 29,46 33,78  30,48 44,76 37,58 42,69 7,01 8,93 7,91
4 2 часа 22,78 21,73   20,23 35,73 31,74  32,75 33,07 39,49 39,68 8,42 7,04 7,34
5 3 часа 23,2 21,79   22,83 35,63 31,26  34,04 34,09 38,07 35,91 7,08 8,88 7,22
6 4 часа 23,47 21,68   24,36 36,83 37,16  39,24 31,62 33,39 27,81 8,08 7,77 8,59
7 6 часов 24,2 25,66   26,73 37,98 40,32  39,05 29,83 26,5 26,43 7,99 7,52 7,79

Анализ полученных данных свидетельствует об интенсивном изменении компонентных составов битума при воздействии на него температурно-временных факторов. Вне зависимости от температур и времени термостатирования наблюдается общая закономерность – увеличение асфальто-смолянистых веществ при уменьшении маслянистой составляющей. В первую очередь это относится к ароматическим углеводородам.
Следует обратить внимание, что наиболее интенсивно процессы происходят на подложке из материала основного химико-минералогического состава,  наименьшее на стекле (нейтральная подложка).
Для комплексной оценки характера изменения компонентного состава битума выбран колоидный индекс устойчивости, или коэффициент дисперсности (Ics) определяется следующим соотношением [9-13]:
Ics= смолы + ароматика / асфальтены + насыщенные                (1)

Этот показатель используют для структурной характеристики битумов и называют показателем дисперсности битума. Физический смысл данного показателя заключается в следующем.
Результат старения битумов является совокупность химических и физических превращений, то есть изменению внутренней структуры и, как следствие, приводящие к изменению физико-механических свойств вяжущего. При большом содержании асфальтенов и насыщенных углеводородов показатель дисперсности уменьшается и асфальтены плохо диспергируются, дисперсная система становится более неустойчивой. Как отмечалось выше, на интенсивность изменения компонентного состава битума оказывают результаты не только комплексного воздействия температурно-временных факторов, но и химико-минералогический состав минеральной подложки. Следовательно изучения характера изменения коэффициент дисперсности позволит выявить общую тенденцию влияния вышеназванных факторов на негативные процессы старения битума в тонкой пленке.
С использованием данных таблиц 2, 4 в качестве примера приведены результаты расчетов значений колоидного индекса устойчивости (Ics) при температурах термостатирования 1400С и 1000С  (таблица 5,6).

Таблица 5
Изменение коллоидного индекса устойчивости битума в процесс его термостатирования при температуре 140°С в тонкой (50мкр) пленке

Время термостатирования Значение коллоидного индекса (Ics) для битума на подложке
Стекло Базальт Мрамор
0 час 2,63 2,63 2,63
1 час 2,85 2,53 2,23
2 часа 2,60 2,38 2,03
3 часа 2,05 1,92 1,98
4 часа 2,19 1,89 1,92
6 часов 1,89 1,83 1,74

         

Таблица 6

Изменение коллоидного индекса устойчивости битума в процесс его термостатирования при температуре 100°С в тонкой (50мкр) пленке

Время термостатирования Значение коллоидного индекса (Ics) для битума на подложке
Стекло Базальт Мрамор
0 час 2,63 2,63 2,63
1 час 2,88 2,49 2,73
2 часа 2,21 2,48 2,63
3 часа 2,30 2,26 2,33
4 часа 2,17 2,04 2,03
6 часов 2,11 2,01 1,90

 Анализ представленных в таблицах 5, 6 данных свидетельствует, что наибольшие изменения, а, следовательно, дисперсная фаза битума становится неустойчивой при воздействии температуры 1400С.  Особенно эта закономерность проявляется при продолжительности прогрева 3 и более часа, что соответствует среднему времени технологического процесса приготовления, временного хранения, транспортировки и устройстве слоев покрытий из асфальтобетонных смесей. Менее интенсивно данные процессы протекают при температуре 1000С.
Соответственно при температурах 1600С интенсивность процесса изменения компонентного состава битума выше, чем при 1400С, а значения при 1200С занимают промежуточное положение между сопредельными температурами термостатирования.
Обращает на себя факт влияния вида минеральной подложки. Так применение пород основного химико-минералогического состава, в нашем случае мрамора, приводит к более существенным изменениям в структуре битумного вяжущего.

Старков Г. Б., зам. ген. директора по качеству ООО «Стройсервис», к. т. н.,

Скрипкин А. Д., генеральный директор ООО «НОМБУС, к. т. н.,

Вагнер Я. А., генеральный директор ООО «Стройсервис»