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.