Альтернативные материалы дорожного назначения

«Альтернативные материалы дорожного назначения»

Иванова Т.В.

преподаватель

ГАПОУ СО «Саратовский областной химико-технологический техникум»

Структурное подразделение «Отделение нефтегазохимической отрасли»

г. Саратов

Дополнительная информация

- контактный номер телефона 8-917-216-00-41

- почтовый адрес: 410022, г. Саратов, ул. Азина, дом 65 кв.37

- E-mail: [e-mail]

Аннотация. Весьма актуальной в наше время является проблема защиты окружающей среды. В связи с истощением запасов полезных ископаемых, возникает проблема поиска альтернативных источников топлива и экономии нефти. Одним из способов экономии является создание эмульсий, в том числе и для дорожного строительства, являющегося одной из самых востребованных отраслей народного хозяйства России. Поэтому значительную актуальность приобретает альтернативная технология устройства дорожных покрытий и их поверхностная обработка, основанная на применении битумных эмульсий, получаемых путем диспергирования битума в воде с помощью эмульгаторов.

Ключевые слова: защита окружающей среды, экономия ресурсов, дорожное строительство, отрасли народного хозяйства, битумные эмульсии.

Alternative materials of road appointment

Ivanova T.V.

teacher

GAPOU SO "The Saratov regional chemical and technological technical school"

Structural division "Office of petrochemical branch"

Saratov

Summary. The problem of environment protection is very actual presently. Due to exhaustion of reserves of minerals, there is a problem of search of alternative sources of fuel and economy of oil. One of ways of economy is creation of emulsions, including for the road construction which is one of the most demanded branches of a national economy of Russia. Therefore considerable relevance is gained by the alternative technology of the device of pavings and their surface treatment based on application of the bituminous emulsions received by dispergating of bitumen in water by means of emulsifiers. 

Keywords: environment protection, economy of resources, road construction, branches of a national economy, bituminous emulsions.

Постоянный рост уровня автомобилизации в Российской Федерации обострил внимание к качеству асфальтобетонных покрытий как в целом, так и к их компонентам, одним из которых являются нефтяные дорожные вяжущие – битумы. По данным ФДА «Росавтодор» сегодня в РФ более 30% грузовых автомобилей передвигаются по дорогам со средним «перегрузом» около 45%, что приводит к преждевременному разрушению последних.

 По предварительной оценке объем наносимого ущерба составляет сегодня около 2,6 трлн рублей в год. Для сравнения общий объем инвестиций государства (из федерального и региональных дорожных фондов) в дорожную сеть страны составляет около 1 трлн руб. в год [1].

Основным (по объемам производства и потребления) вяжущим материалом, применяемом в дорожном строительстве Российской Федерации, являются битумы нефтяные дорожные (БНД), из которых примерно 95% - это окисленные битумы [1, с. 10-13].

Основными недостатками этого типа вяжущих являются достаточно узкий интервал пластичности (около 65-75⁰С) и низкая способность к обратимым деформациям (показатель эластичности не превышает 10-15%), что существенно сказывается на долговечности асфальтобетонных покрытий [1, с. 10-13].

Для создания и ремонта автомобильных дорог с увеличенным сроком эксплуатации необходимы компоненты, обладающие упругопластичными свойствами, и применение вяжущих материалов с высокой долей обратимых деформаций [1, с. 10-13].

Одним из возможных решений вопроса по продлению срока службы дорожного покрытия является применением современных дорожно-строительных материалов и вяжущих, которые способны обеспечить долговечность асфальтобетонных покрытий [1, с. 10-13].

Другими словами, необходимо модифицирование состава, структуры и свойств дорожных вяжущих полимерами для придания им требуемых физико-химических свойств, что даст возможность обеспечить такие характеристики вяжущих, как обратимая деформация под действием механических нагрузок и широкий интервал пластичности [1, с. 10-13].

В настоящее время дорожное строительство и качество дорожных покрытий является весьма актуальной проблемой, и целью моей работы является исследование альтернативного дорожного вяжущего.

Нефтяной битум является общепринятым вяжущим для строительства и ремонта автомобильных дорог. Однако, с технологической точки зрения, его следует применять при минимально возможной вязкости, что может быть достигнуто тремя принципиальными способами:

 - разогревом битума до технологических температур (горячий способ);

- разжижением вязких битумов специальными легкими растворителями;

- эмульгированием битума в воде в присутствии специальных веществ (битумные эмульсии) [2].

Первый способ используется обычно для производства горячих смесей с предварительным нагревом до 100-200⁰С, пока он не станет достаточно жидким для перемешивания с сухим и нагретым каменным материалом. Перемешанные в горячем виде материалы должны сохраняться, транспортироваться и применяться в горячем состоянии для поддержания их удобоукладываемости [3].

Основным недостатком такого способа являются затраты энергии, ограниченный период времени на устройство дорожного покрытия и отрицательное воздействие на окружающую среду в процессе всего цикла производства работ [2].

Второй способ дороже из-за дорогостоящих растворителей, которые за относительно короткий период времени должны испариться, что приводит к загрязнению окружающей среды и к повышенной пожароопасности при производстве работ [2].

Использование битумных эмульсий позволяет избежать некоторых сложностей, с которыми приходится сталкиваться при использовании разогретого битума (повышенная вязкость и, следовательно, повышенный расход битума, загрязнение атмосферы и расход энергии на разогрев битума). В России применение битумных эмульсий для дорожного строительства недостаточно распространено. Связано это, в первую очередь, с недостатком недорогих отечественных эмульгаторов [5].

В настоящее время в мировой практике строительства дорог и в промышленном строительстве горячие битумы все более вытесняются битумными эмульсиями. Применением эмульсий позволяет повысить производительность труда, качество покрытий, кроме того, появляется возможность использовать и в случае невозможности или нецелесообразности применения горячего битума [4, с.3-5].

Битумные эмульсии являются инновационным материалом и обеспечивают альтернативный подход, при котором битум разжижается путем диспергирования в воде. Эмульсии могут использоваться с холодными и мокрыми каменными материалами. Набор окончательной прочности дорожного материала происходит, когда эмульсии распадаются – возвращаются в непрерывную битумную фазу – и вода исчезает [3].

Применение битумной эмульсии обеспечивает более безопасную и более экологичную систему, чем горячий битум, поскольку устраняется вероятность пожара, ожогов и вредных выбросов [3], и снижается расход энергоносителей до 40%, по сравнению с традиционными «горячими» технологиями [2].

Эмульсия – неоднородная, термодинамическая неустойчивая система с двумя или несколькими жидкими фазами, представляющими одну постоянную жидкую фазу (дисперсионную среду) и вторую жидкую фазу, рассеянную в первой в форме мелких капелек (дисперсная фаза). В зависимости от формы, битумные эмульсии классифицируются на прямые и обратные [2].

Прямые эмульсии – это когда битум (30-80%) в виде мелких капелек (от 1 до 20 мк) находится в водной среде.

Обратная эмульсия – когда вода в виде мелких капелек находится в битуме[2].

С позиций охраны труда дорожных рабочих и охраны окружающей среды в дорожной практике наибольшее применение находят прямые битумные эмульсии, представляющие собой коричневые жидкости с наличием водной среды от 31 до 50%, что обеспечивает хорошую способность обработки каменных материалов без их сушки и нагрева [2].

Главной целью эмульгирования битума является его перевод в жидкотекучее состояние при температуре окружающей среды (т.е. снижение вязкости). Эмульсия должна быть стабильной при хранении и транспортировке, но при нанесении на минеральный заполнитель или поверхность дорожного покрытия она должна разрушаться с установленной для данного вида работ скоростью [2].

Битумные эмульсии для дорожного применения классифицируются в зависимости от их реакционной способности:

- быстрораспадающиеся эмульсии распадаются при контакте с чистым каменным материалом с низкой площадью поверхности, таким как каменная мелочь, применяемая при устройстве замыкающих слоев (поверхностная обработка);

- среднераспадающиеся эмульсии распадаются значительно медленнее, так что они могут быть перемешаны с каменными материалами с низкой площадью поверхности;

- медленнораспадающиеся эмульсии будут перемешиваться с каменными материалами, имеющими высокую площадь поверхности [3].

Битум обычно содержится в эмульсии 30-80% масс. Наиболее распространены вязкие дорожные битумы с пенетрацией при 25⁰С от 60 до 200х0,1 мм (глубина проникновения иглы). Возможно применение модифицированных полимерами битумов и битумов в смеси с гудроном [2].

Вода присутствует в эмульсии в количестве 15-70% масс. Главное требование – это жесткость и отсутствие механических примесей. Жесткость не должна превышать 6 мг-экв/л [2].

Эмульгатор представляет собой катионо- или анионоактивные поверхностно-активные вещества (ПАВ), с содержанием в эмульсии от 0,15 до 3,0% масс. [2].

Стабилизатором в большинстве случаев используют хлорид кальция в виде 30-35%-ного водного раствора в количестве 0,05-0,5% масс. [2].

Нейтрализация эмульгатора соляной кислотой необходима для перевода ПАВ в форму соли. Это повышает стабильность эмульсии. рН водной фазы рекомендуется 1,5-3,5 [2].

Для повышения клейкости образующейся при распаде пленки в водную фазу или в битум добавляют нефтяную фракцию, выкипающую в пределах 140-220⁰С в количестве 0,5-3,0% масс. [2].

Разжижитель используется для повышения пенетрации битума для необходимого значения. Используют вакуумные газойли, масляные фракции и т.п. разжижитель вводится в широких пределах от 5 до 30% масс. [2].

За рубежом технологии с использованием катионоактивных воднобитумных эмульсий давно получили широкое распространение в дорожном строительстве. Одним из сдерживающих факторов для применения подобных технологий в России является отсутствие эффективных отечественных катионактивных эмульгаторов и высокая стоимость импортных[2].

Однако, в условиях импортозамещения, для производства эмульгатора возможно использовать достаточно дешевое и доступное сырье: полиамины и продукты, содержащие жирные кислоты. В качестве последних могут использоваться отходы пищевой промышленности (отработанное фритюрное масло, некондиционное растительное масло и т.п.). Преимущества отечественных эмульгаторов в том, что они дешевле в 1,5-2 раза, способны значительно снизить вязкость битумных эмульсий и способствуют повышению адгезии битумных пленок к поверхности щебня и бетона. Наиболее существенным преимуществом применения таких эмульгаторов для российского рынка является сохранение высокого качества покрытий при использовании известнякового щебня, наиболее распространенного в России. Тогда как, импортные эмульгаторы ориентированы на гранитный щебень [2].

Битумная эмульсия может производится в установке периодического или непрерывного действия. Периодический процесс включает не менее двух этапов – приготовление водной фазы (мыльного раствора) и фактическое производство эмульсии. Водная фаза приготавливается в расходном баке, в который дозируется нагретая вода, эмульгатор и другие химикаты для эмульсии, и этот раствор тщательно перемешивается. В процессе производства эмульсии битум и подготовленная водная фаза дозируются в коллоидную мельницу. В установке периодического действия непосредственно производство эмульсии включает несколько потоков материалов, что позволяет осуществлять управление процессом вручную [3].

 В непрерывном процессе нагревание воды и дозировка всех материалов выполняется непрерывно с помощью отдельных закрытых дозирующих насосов для каждого материала. Это процесс управляется полностью автоматически с использованием расходомеров для дозирования всех материалов [3].

По моему мнению, наиболее предпочтительнее является непрерывный процесс приготовления эмульсии, так как управление полностью автоматизировано, что делает производство более эффективным, позволяет уменьшить ошибку операторов. Кроме того, используемые химикаты могут быть опасными и коррозионными. Поэтому используемые закрытые дозирующие системы являются наиболее приемлемыми для обеспечения безопасной работы и экологических требований.

Подводя итоги, делаем выводы, что битумные эмульсии призваны улучшить качество, повысить технологичность и скорость проведения дорожно-строительных и ремонтных работ. Основными конкурентом битумных эмульсий является дорожный битум, разогретый до высоких температур. При использовании такого битума в дорожном строительстве и ремонте невозможно достичь достаточного качества ввиду следующих причин:

- низкая сцепляемость битума с поверхностью основания (плохая адгезия);

- плохое и неравномерное распределение по поверхности;

- необходимость полного отсутствия влаги на очищенной поверхности;

- невозможность варьирования качественными параметрами битума в зависимости от проведения работ;

- высокая энергоемкость;

- повышенная опасность производства работ [2].

В отличие от дорожного битума, использование битумных эмульсий обеспечивает:

- полное сцепление с основанием вследствие положительной заряженности катионной эмульсии и отрицательного заряда поверхности основания дороги;

- по текучести эмульсия близка к воде, поэтому она растекается по поверхности, заполняя все поры и неровности;

- допускается разлив битумных эмульсий на увлажненную поверхность;

- технология производства позволяет варьировать качественными показателями эмульсии, необходимыми для каждого отдельного вида работ;

- более низкая энергоемкость из-за отсутствия необходимости поддержания высокой температуры;

- использование битумных эмульсий при довольно низких температурах (30-70⁰С) делает ее применение безопасным [2];

- возможность производить работу в условиях низких температур и высокой влажности окружающей среды за счет сил сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов;

- экономия топлива при производстве эмульсионно-минеральных смесей вследствие отказа от нагрева каменных материалов;

- сокращение вредных выбросов в окружающую среду [4, с.3-5].

Недостатком битумных эмульсий является использование ее на наклонных поверхностях. Решение данной проблемы возможно путем повышения вязкости с помощью введения в эмульсию электролита в виде изоморфных соединений 20-25% CuSO₄  и 75-80% MgSO₄ в виде смешанных кристаллов [2].

Современное состояние производства нефтяных битумных эмульсий показывает, что в нашей стране имеются реальные возможности, перспективы развития и реализации технологий получения современного экологически и технологически безопасного вяжущего для строительства и ремонта автомобильных дорог на основе отечественного сырья.

Список использованных источников

1.     Гуреев, А.А. О модификации свойств дорожных вяжущих полимерами [Текст] / А.А. Гуреев // Мир нефтепродуктов. – 2015. № 9. – с. 10-13.

2.     Будник, В.А. Битумные эмульсии. Особенности состава и применения [Текст] / В.А. Будник, Н.Г. Евдокимова, Б.С. Жирнов // Нефтегазовое дело. – 2006. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ogbus.ru.

3.     Битумная эмульсия : технический бюллетень : AkzoNobel / Tomorrows Answers Today

4.     Абдуллин, А.И. Битумные эмульсии на основе неионогенных ПАВ / А.И. Абдуллин, М.Р. Идрисов // Экологические пробелмы горнопромышленных регионов : сб. науч.докл. / Издетельтво КНИТУ. – Казань, 2012. – с.3-5.

5.     Будник, В.А. Исследование битумных эмульсий. Применение «синтерола» в качестве эмульгатора [Текст] / В.А. Будник, Н.Г. Евдокимова, Б.С. Жирнов // Нефтегазовое дело. – 2006. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ogbus.ru.