Перспективные эмульсионные вяжущие для дорожного строительства
Автор: Федотова Наталья

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное увеличение темпов развития автодорожной сети и реализация целого ряда масштабных проектов в дорожной сфере сформировали в нашей стране устойчивый спрос на качественные материалы для дорожного строительства, в том числе на битумные эмульсии. Одна из стратегических целей амбициозного национального проекта «Безопасные и качественные автомобильные дороги» - технологический рост дорожной отрасли за счет создания и внедрения инновационных битумных материалов. Обеспечить дорожников необходимыми объемами качественного и конкурентоспособного вяжущего материала - задача нефтяных компаний.

Транспортная инфраструктура – одна из основных составляющих экономического и социального развития государства.

Перспективными технологиями, которые обеспечивают экономию битума при одновременном получении высококачественных битумо-производных продуктов являются технологии, связанные с применением битумных эмульсий.

 Битумная эмульсия – искусственный строительный материал, получаемый путем диспергирования в специальных установках дисперсной битумной фазы и дисперсионной водной среды. Битумные эмульсии обладают клеящей способностью, легко наносятся на различные поверхности, вследствие невысокой вязкости частицы эмульсии проникают в самые мелкие неровности материала, смешиваются с минеральными материалами, тесно связывая их друг с другом. За счет данных свойств битумная эмульсия зарекомендовала себя как хороший связующий материал в дорожном строительстве.

Можно сказать, что битумная эмульсий – это достаточно «молодой» строительный материал. Начало его активного внедрения в дорожную отрасль приходится  лишь на начало 20-го столетия. Научные исследования в данной отрасли дорожного строительства лишь набирают обороты: разрабатываются новые составы эмульсионных вяжущих, внедряются новые и совершенствуются существующие технологии их производства. Уже на  данном этапе битумные эмульсии зарекомендовали себя как высококачественные и  экологичные продукты. Может быть именно за  ними стоит будущее дорожного строительства?

Применение битумных эмульсий возможно во многих технологических направлениях дорожно-строительной отрасли:

  • Поверхностная обработка. Состоит в распределение вяжущего сверху щебня, вплоть до того пока никак не случится затвердевания вяжущего. Поверхностную обработку проводят даже для дорог с интенсивным движением, используя полимербитум, что гарантирует надежность покрытия. Применяя катионные быстрораспадающиеся эмульсии, возможно достигнуть лучших результатов в поверхностной обработке дорожного полотна.
  • Покрытие типа сларри. Мелкоразмолотый неподвижный использованный материал перемешивается с эмульсией и водой, создавая смесь сларри, которая распределяется по поверхности дорожного покрытия. Этот процесс осуществляется с помощью специального агрегата, смесителя-укладчика. Оптимальный итог добивается в таком случае, если реакционная способность эмульсии отвечает реакционной способности неподвижного использованного материала. С целью регулировки периода разрушения эмульсии в укладчик могут добавляться специализированные химикаты.
  • Укрепление грунта. Для укрепления грунта обычно используются катионные медленнораспадающиеся эмульсии.
  • Подгрунтовка. Подгрунтовка предотвращает попадания воды, потерю мелких частиц вследствие ветровой и водной эрозии, а также для обеспечения передвижения строительных машин без захвата материала шинами.
  • Соединительные слои. Соединительные слои устраиваются путем применения некоторого количества битума между слоями горячей смеси для предотвращения скольжения.
  • Герметизирующий состав тонкого распыления. Легкое распределение разбавленной эмульсии восстанавливает битум состарившихся поверхностей и продлевает срок службы покрытия при низких расходах.

На сегодняшний день основным конкурентом битумных эмульсий является дорожный битум, разогретый до высоких температур. Но использование такого битума в дорожном строительстве и ремонте не позволяет достигать достаточного качества ввиду низкой сцепляемости битума с поверхностью основания и плохого и неравномерного распределения по поверхности. Помимо этого использование битума требует полного отсутствия влаги на очищенной поверхности минерального материала и характеризуется высокой энергоемкостью и повышенной опасностью производства, обусловленной поддержанием высоких температур.

Одной из наиболее остро стоящих «мировых» вопросов на сегодняшний день и  на ближайшие 25 лет являются вопросы экологии. Как говорил советский писатель Виталий Бианки: «Человек может развиваться только в контакте с природой, а не вопреки ей». Но к сожалению, люди начали забывать, что с природа – это друг человека, что ее нужно беречь…

Каждый день с экранов телевизоров доносятся призывы к спасению природы, заголовки газет кричат о чудовищных последствиях уничтожения окружающей среды. И это не  может не пугать…

К сожалению, и  дорожная отрасль имеет непосредственное отношение к данной проблеме, в частности и природа используемого для дорожного строительства вяжущего материала. Наиболее применяемый на данный момент вяжущий компонент – классический битум, разогревается при эксплуатации до достаточно высоких температур. В результате чего происходит испарение легкокипящих составляющих. Все эти вредные компоненты поступают непосредственно в атмосферу. Мы дышим этим воздухом, этим воздухом дышат наши дети, наше будущее поколение! Разве такое наследство мы  должны оставить своим детям? Я считаю, что нет. Если есть возможность сделать что-то эффективное здесь и сейчас – то нужно это делать!

Поэтому в данном проекте предлагается разработать составы эмульсионных вяжущих, являющихся перспективными продуктами дорожной промышленности в первую очередь с точки зрения экологии, а затем и экономики. Водо-битумные эмульсии при нормальных температурных условиях являются жидкими материалами, что не требует их разогрева до высоких температур. Следовательно, нет и выбросов от испарения, отсутствует вредное воздействие на природу. Помимо этого битумные эмульсии почти что не имеют запаха, не опасны и не горючи , что увеличивает безопасность его использования

Все это говорит  в пользу того, что использование водо-битумных эмульсий в качестве связующего материала более эффективно по сравнению с классическими битумами. Применение ВБЭ сопряжено с рядом положительных сторон: снижение расхода битума из-за извлечения наиболее тонкой пленки вяжущего на поверхности каменного материала; экономичность и защищенность применения; увеличение сезона строительства и ремонта дорог.

Именно поэтому, исследования, связанные с разработкой составов водо-битумных эмульсий, актуальны на сегодняшний день и будут актуальны в будущем.

Целью научно-исследовательской работы является разработка составов водо – битумных эмульсий на основе нефтяных дорожных битумов и исследовании их свойств, а также разработка технологии производства ВБЭ и 3Д – модели установки производства ВБЭ.

Задачи научно-исследовательской работы:

1. Оценка эмульгируемости битумов с использованием катионных ПАВ;

2. Исследование основных свойств, полученных ВБЭ;

3. Исследование битумных вяжущих, выделенных после распада катионных эмульсий;

4. Оценка эмульгируемости битумов с использованием ПАВ различных классов;

5. Исследование основных свойств, полученных ВБЭ;

6. Выбор оптимальных составов ВБЭ;

7. Исследование битумных вяжущих, выделенных после распада ВБЭ;

8. Оценка старения битумных вяжущих, выделенных после распада ВБЭ;

9. Выбор технологии производства.

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

Для решения поставленных задач  были приготовлены водо-битумные эмульсии на основе битумов нефтяных окисленных дорожных марок БНД 60/90, БНД 90/130 и эмульгаторов различного класса.

Первым этапом данной работы является определение эмульгируемости битумов с использованием катионных ПАВ. Для приготовления ВБЭ использовали вышеперечисленные марки битумов и катионные эмульгаторы ДОРОС – ЭМ (производитель ООО «Предприятие ДОРОС», г. Ярославль) и МД-4 (аналог Redicote EM44).

Рабочая концентрация применяемых эмульгаторов была выбрана исходя из технических документов самих эмульгаторов.

Рецептура исходных смесей и эмульгируемость битумов, в зависимости от количественного содержания ПАВ, представлена в таблице 1.

На основе представленных в таблице 1 данных можно сделать следующий вывод, что с эмульгаторами катионного типа (МД – 4 и Дорос ЭМ) битумы марок БНД 60/90 и БНД 90/130 эмульгируются при всех концентрациях эмульгатора. Эмульгаторы катионного типа являются универсальными для приготовления водо-битумных эмульсий, применяемых в дорожном строительстве.

Таблица 1 – Эмульгируемость битумов с использованием катионных ПАВ

Эмульгатор

Содержание, % мас.

Эмульгируемость

Битума

Воды

Эмульгатора

БНД 60/90

БНД  90/130

МД – 4

50

49,85

0,15

+

+

50

49,8

0,2

+

+

50

49,75

0,25

+

+

50

49,7

0,3

+

+

50

49,6

0,4

+

+

50

49,5

0,5

+

+

50

49,4

0,6

+

+

Дорос ЭМ

50

49,8

0,2

+

+

50

49,6

0,4

+

+

50

49,4

0,6

+

+

50

49,2

0,8

+

+

50

49

1

+

+

50

48,8

1,2

+

+

 

Полученные составы катионных водо - битумных эмульсий были испытаны в соответствии с ГОСТ Р 55420-2013. В ходе исследований были изучены их физико-химические и эксплуатационные свойства, такие как устойчивость при хранении, условная вязкость, адгезия к минеральному материалу, скорость распада, содержание вяжущего с эмульгатором, а также остаток на сите до и после расслоения.

Основные свойства исследованных катионных ВБЭ  с использованием в качестве эмульгаторов Дорос-ЭМ и МД-4 в зависимости от их количественного содержания представлены в таблице 2.

На основании данных таблицы 2 нами были отобраны оптимальные составы ВБЭ. В качестве таких оптимальных составов были выбраны эмульсии с концентрацией 0,5% МД – 4 и 0,6% Дорос ЭМ, позволяющие получить наиболее устойчивые битумные эмульсии с оптимальным сочетанием эксплуатационных свойств.

 

Таблица 1 – Составы и основные характеристики ВБЭ на основе катионных ПАВ

Концентрация ВБЭ, %

Соответствие ГОСТ

Остаток на сите, %

Индекс распада, г/100г

Условная вязкость, с

Расслоение в течение 7 суток, %

Остаток на сите после 7 суток, %

Содержание вяжущего,%

Адгезия, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

ВБЭ на основе битума марки БНД 60/90; ПАВ – МД-4

0,15

+

0,01

340

11,78

4,29

0,01

58

60

0,2

+

0,02

365,3

13,07

4,29

0,01

56

55

0,25

+

0,002

408,85

11,56

4

0,001

56

70

0,3

+

0,002

359,1

11,6

4,57

0,17

55

75

0,4

-

0,03

352,8

13,16

5,14

0,14

55

75

0,5

+

0,09

347,9

12,63

2,85

0,15

54

70

0,6

-

0,14

326,2

13,58

5,42

0,18

54

70

ВБЭ на основе битума марки БНД 60/90; ПАВ – Дорос ЭМ

0,2

-

0,25

277,3

10,78

8

0,3

65

75

0,4

-

0,25

292,2

11,98

8,57

0,3

65

80

0,6

+

0,01

312,2

12,04

3,71

0,01

64

80

0,8

+

0,01

348,1

12,34

2

0,01

64

80

1,0

+

0,01

350,4

11,15

1

0,01

64

75

1,2

+

0,01

351,4

12,2

1,71

0,01

63

75

ВБЭ на основе битума марки БНД 90/130; ПАВ – МД-4

0,15

+

0,05

270,35

11,43

2,57

0,01

60

75

0,2

+

0,002

271,25

11,39

4,85

0,02

60

75

0,25

-

0,009

272,15

11,37

5,14

0,2

59

70

0,3

-

0,14

331,3

12,53

5,71

0,01

57

70

0,4

+

0,15

336,2

12,44

4,85

0,02

55

70

0,5

+

0,03

302,4

12,41

0,28

0,2

53

70

0,6

+

0,07

320,9

12,4

0,57

0,02

53

70

 

ВБЭ на основе битума марки БНД 90/130; ПАВ – Дорос ЭМ

0,2

-

0,02

231,8

11,63

6,1

0,3

65

70

0,4

-

0,3

308,7

10,82

5,8

0,3

64

75

0,6

+

0,01

337,4

12,15

3,71

0,01

63

80

0,8

+

0,01

356,6

12,38

1,71

0,01

63

80

1,0

+

0,3

296,3

12,46

1,14

0,01

62

80

1,2

+

0,01

346,2

11,89

1,14

0,01

60

85

 

Помимо катионных эмульгаторов. в работе оценена возможность применения анионных и  амфотерных эмульгаторов.

Для приготовления эмульсий анионного типа использовались следующие компоненты: Фосфол (ООО Шебекинская индустриальная химия, Россия, Белгородская область, Шебекино); Натрий лаурил сульфат (ООО «НПК «Изомер», Нижегородская обл, г. Дзержинск).

Рецептура исходных смесей и характер изменения основных свойств приготовленных анионных водо-битумных эмульсий в зависимости от количественного содержания компонентов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Составы и основные характеристики ВБЭ на основе анионных ПАВ

Концентрация ВБЭ, %

Соответствие ГОСТ

Остаток на сите, %

ИР, г/100г

УВ, с

Расслоение в течение 7 суток, %

Остаток на сите после 7 суток, %

Содержание вяжущего,%

Адгезия, %

ВБЭ на битуме 90/130; ПАВ – Фосфол

0,4

Расслоение эмульсии на 2 сутки

0,6

-

0,02

201,6

11,34

8,6

0,01

74

70

0,8

-

0,01

230,2

11,34

8,4

0,01

67

70

1,0

+

0,01

278

11,83

4,71

0,01

60

75

1,2

+

0,01

278,6

12,23

2,29

0,01

66

75

ВБЭ на битуме 90/130; ПАВ – Натрий лаурил сульфат

0,2

+

0,04

271,1

11,46

1

0,01

49

55

0,4

+

0,03

321,3

11,71

0,9

0,01

61

55

0,6

+

0,01

312

11,68

4,14

0,01

60

55

0,8

-

0,01

342,2

12,01

7,81

0,01

65

55

1,0

-

0,01

397,4

11,98

7,86

0,01

55

55

1,2

+

0,01

460,9

12

2,29

0,01

57

55

 

Для приготовления водо-битумных эмульсий амфотерного  типа использовали следующие компоненты: Оксамин (ООО РусХимТрейд, Нижегородская обл, г. Дзержинск ); Аминокс-К (производитель «РусХимСинтез», г. Москва).

Рецептуры приготовленных амфотерных водо-битумных эмульсий и характер изменения их основных свойств в зависимости от количественного содержания эмульгатора представлены в таблице 4.

В работе осуществлен сравнительный анализ по дозировке и показателю цены за 1 кг предлагаемых в работе ПАВ и промышленно применяемых эмульгаторов. Результаты анализа представлены в таблице 5

 

 

Таблица 4. - Составы и основные характеристики ВБЭ на основе амфотерных ПАВ

Концентрация ВБЭ, %

Соответствие ГОСТ

Остаток на сите, %

Индекс распада, г/100г

Условная вязкость, с

Расслоение в течение 7 суток, %

Остаток на сите после 7 суток, %

Содержание вяжущего,%

Адгезия, %

ВБЭ на битуме 90/130; ПАВ – Оксамин

0,4

-

0,03

365,4

10,94

22,8

0,01

64

50

0,6

-

0,04

417,4

11,78

22,8

0,01

70

50

0,8

-

0,01

427,8

10,73

22,8

0,01

68

55

1,0

+

0,01

429,6

11,61

2,57

0,01

51

55

1,2

+

0,01

425,8

11,19

2,29

0,01

52

55

ВБЭ на битуме 90/130; ПАВ – Аминокс – К

0,4

+

0,3

402,7

10,87

2,86

0,01

61

85

0,6

-

0,05

405,4

11,6

16,29

0,01

63

90

0,8

+

0,2

406

10,97

2,57

0,01

45

85

1,0

+

0,01

406,5

10,67

0

0,01

57

80

1,2

+

0,02

409,1

10,98

0

0,01

58

80

 

Таблица 5 – Сравнительная характеристика эмульгаторов

Название эмульгатора

Производитель

Назначение эмульгатора

Дозировка в эмульсии,%

Цена за кг, руб

1

2

3

4

5

6

Катионные ПАВ

1

МД – 4

 

г.Казань

Используется в качестве катионного эмульгатора для водо – битумных эмульсий быстрого и среднего распада.

0,15 – 0,6

150

2

Redicote EN44

Импортный эмульгатор

Аkzonobel

Используется в качестве катионного эмульгатора для водо – битумных эмульсий быстрого и среднего распада.

0,25-0,6

412

3

Амдор – ЭМ

Промышленно применяемый эмульгатор

ЗАО «Амдор», г. Санкт – Петербург

Используется в качестве катионного эмульгатора для водо – битумных эмульсий быстрого, среднего и медленного распада

 

 

 

 

 

 

 

 

0,15 – 0,5

410

Продолжение таблицы 5

1

2

3

4

5

6

Анионные ПАВ

4

Фосфол

 

АО «ИВХИМПРОМ», г.Иваново

Используется в качестве анионактивного эмульгатора для ВБЭ среднего и медленного распада

0,6 – 1,2

150

5

Азол 1021

Промышленно применяемый эмульгатор

 ОАО “Котласский химический завод”

Используется в качестве анионактивного эмульгатора для ВБЭ среднего и медленного распада

0,5-0,7%

190

Амфотерный ПАВ

6

Аминокс – К

ООО «РусХимСинтез», г. Москва

Используется в качестве амфолитного эмульгатора для ВБЭ среднего и медленного распада

0,4 – 1,2

85

 

По данным таблицы видно, что исследованные в данной работе эмульгаторы, обладают ценовой конкурентоспособностью по сравнению с импортными аналогами и промышленно применяемыми эмульгаторами.

Для разработанных составов предложена технология производства водо-битумных эмульсий.

Установка производства битумной эмульсии предполагает установку непрерывного действия и включает в себя коллоидную мельницу. Установка состоит из блока подготовки водной фазы и блока приготовления ВБЭ и предназначена для производства эмульсий с производительностью 10 тонн в час. Установка блочного исполнения, непрерывного действия, с комбинированной системой дозирования компонентов и полуавтоматической системой управления.

Основное оборудование установки включает: блок приготовления водной фазы, блок дозирования эмульгатора и кислоты, коллоидную мельницу, емкость битума, которая оснащена перемешивающими устройствами и теплоизолированным корпусом, емкость хранения готовой ВБЭ. Установка оснащена системой пожаротушения и системой автоматизированного контроля, которая отражает мгновенные и временные параметры работы установки. Также предусмотрена пожарная вышка с лафетным стволом, с пенной системой пожаротушения.

Контроль за процессом приготовления водной фазы, за подачей битума в коллоидную мельницу и за выгрузкой готового продукта осуществляется автоматической системой контроля.

Для блоков установки разработаны P&ID схемы (рисунок 1 и 2). Выполнение схем реализовано в программном пакете AutoCAD 3D Plant Design.

Блок подготовки водной фазы содержит емкости для хранения эмульгатора и кислоты. Из этих емкостей эмульгатор и кислота с помощью центробежного насоса нагнетаются в дозирующие емкости, которые оборудованы датчиками уровня, по достижению необходимого уровня срабатывает клапан и эмульгатор и кислота, соответственно, поступают в емкость подготовки водной фазы.

Емкость подготовки водной фазы оснащена датчиками температуры и уровня жидкости. Водная фаза перемешивается с помощью электропривода. Приготовленная таким образом водная фаза, с температурой 70 градусов идет на смешение с битумом в коллоидную мельницу.

Блок приготовления готового продукта включает в себя резервуар битума, оснащенный перемешивающими устройствами и электронагревающим оборудованием. Температура в резервуаре контролируется датчиками температуры.

Битум, нагретый до 150 градусов, из резервуара с помощью поршневого насоса поступает в коллоидную мельницу, где происходит смешение с водной фазой.

Приготовленная, таким образом, ВБЭ поступает в емкости для готового продукта, откуда и можно производить отгрузку готовой продукции.

Продукт представляет собой катионную битумную эмульсию от быстрораспадающихся битумных эмульсий до медленнораспадающихся. Сферами применения получаемого продукта являются: устройство тонкослойных шероховатых слоев износа, приготовление плотных эмульсионно-минеральных смесей.

В проекте осуществлен расчет технико-экономических показателей. При себестоимости единицы продукции 13 418 рублей, показатель NPV составил 408 млн.рублей. Коэффициент рентабельности инвестиций 5,93. Внутренняя норма доходности составила 91%. Срок окупаемости проекта 3 года.

 

 

 

Заключение

В ходе выполнения научно-практической работы разработаны перспективные эмульсионные вяжущие для дорожного строительства.

Применение разработанных составов позволит сократить негативное воздействие дорожной отрасли на окружающую среду, в частности на атмосферу за счет применения так называемой «холодной» технологии. Преодоление экологических проблем – одна из важнейших задач человечества на ближайшие 25 лет. Предложенные в данном проекте разработки могут стать частью решения данных проблем.

В проекте также предложена технология производства ВБЭ с разработкой P&ID схем блоков установки.

Произведен расчёт технико – экономических показателей установки производства водо-битумных эмульсий. Рассчитана  себестоимости единицы продукции, которая составила 13 418 рублей, показатель NPV равен 408 млн.рублей. Коэффициент рентабельности инвестиций - 5,93. Внутренняя норма доходности составила 91%. Срок окупаемости проекта 3 года.