161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Технологія бітумних матеріалів з функціональними властивостями(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Мардупенко, Олексій ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2020. Дисертаційна робота направлена на розробку технології отримання бітумних матеріалів за функціональними властивостями. Об’єкт дослідження – процес формування структури і властивостей в’яжучого бітумного матеріалу при його модифікації полімерними добавками. Предметом дослідження є вплив хімічного складу сировини, способу її підготовки та модифікування на властивості в’яжучого бітумного матеріалу. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача створення на базі нафтової сировини та модифікуючих полімерних добавок, композицій в’яжучого бітумного матеріалу з поліпшеними функціональними властивостями. Дослідження здійснені за допомогою теоретичних та емпіричних методів досліджень. Серед теоретичних методів застосовувався системний аналіз і синтез, узагальнення, формалізація, класифікація, аналогія. Серед емпіричних застосовувались стандартизовані (визначення елементного складу, фізико-хімічних і захисних властивостей) та не стандартизовані (визначення адгезійних властивостей і захисних властивостей та структурно-груповий аналіз – ІЧ-спектроскопія) методи дослідження бітумного матеріалу. Обробка отриманих експериментальних даних здійснювалася первинними та вторинними методами математичної статистики з використанням програми MS Excel. У вступі обґрунтована актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета та основні задачі, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація результатів роботи. В першому розділі здійснений аналітичний огляд джерел інформації. Розглянута актуальність теми на рівні не тільки країни, а й закордонних шкіл. Розглянуті різні способи отримання бітумних матеріалів, вибрані модифікуючи добавки, та розглянуті різні схеми виробництва полімервмістних бітумних матеріалів. На підставі результатів аналізу літературних даних обраний напрям досліджень і сформульовані основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі була вибрана сировина та модифікуючи добавки, вибрана схема отримання полімервмісних бітумних матеріалів, визначалися з використанням стандартизованих та не стандартизованих методів аналізу для оцінки показників якості вихідної сировини і зразків ПВБМ. До числа стандартизованих методів відносилися: масова доля води; масова доля механічних домішок; фракційний склад; температуру розм’якшення; дуктильність; пенетрація; зміна маси після прогрівання; температура крихкості; температура спалаху; зчеплення з мінеральними матеріалами; розчинність у органічному розчиннику; захисні властивості; елементний склад. Не стандартизовані методи представлені: ІЧ- спектроскопія; визначення захисних властивостей з використанням потенціостату Р-45Х; адгезійних властивостей у полі дії центробіжної сили; визначення діелектричних властивостей резонансним методом вимірювання. Обробку отриманих експериментальних даних здійснювалася методами статистичної обробки, які складалися з математичних прийомів, формул, способів кількісних розрахунків та були реалізовані завдяки використанню програми Excel, яка використовується для економіко-статистичних розрахунків, роботи з графічними інструментами та мовою макропрограмування VBA (Visual Basic for Application). У третьому розділі сформульовано основні вимоги, з урахуванням яких, необхідно здійснювати підбір сировини для технологічного процесу виробництва ПВБМ для дорожнього будівництва. Запропоновано замість мазуту і гудрону - основної сировини технологічного процесу, використовувати нафтові шлами, які мають у своєму складі продукти окиснення вуглеводнів, що будуть зумовлювати високі функціональні властивості кінцевого продукту та на сьогоднішній день, є найдешевшою сировиною. З урахуванням основних завдань виробництва запропоновано спрощену та більш дешеву технологію отримання ПВБМ для дорожнього будівництва, при реалізації якої, процес окиснення сировини, замінено на її попередню підготовку, концентрування при температурі до 360°С та компаундування з полімерними добавками. Розглянуто вплив групового складу ПВБМ на його властивості, які виражені у числовому значенні показників якості (ПЯ), визначення яких, регламентовано вимогами нормативно технічної документації: ДСТУ та ТУ. Встановлено, що асфальтени які містяться у ПВБМ будуть зумовлювати їх температуру розм’якання та пенетрацію, смоли – зчеплення з поверхнею мінеральних матеріалів, а оливи - дуктильність та низькотемпературні властивості (температуру крихкості). Теоретично сформульовано принцип формування властивостей ПВБМ, який поєднує стадії визначення сировини (за фракційним складом, наявністю сірковмісних сполук та асфальтенових речовин), її попередньої підготовки (концентрування при р ≥0,1 МПа до 360°С або при р <<0,1 МПа до 395°С ) та ініціювання хімічної взаємодії між активними радикалами полімерної добавки, які утворюються під час її механодеструкції при компаундуванні, з молекулами вуглеводневої фракції нафтового шламу. Наведено графічну інтерпретацію зміни основних ПЯ ПВБМ, у відповідності до ДСТУ 4279:2004 «Бітуми нафтові. Номенклатура показників якості», від концентрації полімерної добавки. Обґрунтовано існування та межі певної зони раціональних значень концентрації полімерної добавки (х, %), при перевищенні значень якої, виникає ризик інверсії фаз у ПВВМ, що сприяє або зниженню рівня ПЯ, або/та ускладненню технології використання такого ПВБМ. Наведено асортимент та межі області раціональних значень концентрацій (від 2,0 до 7,0 %) полімерних добавок, які на сьогоднішній день найчастіше використовуються при модифікації ВБМ для дорожнього будівництва. Запропоновано, замість наведених полімерних добавок, використовувати тверді побутові відходи, представлені подрібненими поліпропіленом (ПП) та пінополістиролом (ППС). Такий підхід, по-перше, дозволить знизити собівартість ПВВМ при одночасному підвищенні рівня його функціональних властивостей, по-друге – знизити екологічне навантаження на навколишнє середовище. В четвертому розділі були проведені мікроскопічні дослідження, які підтвердили гіпотезу про участь активних радикалів частинок полімерної добавки у формуванні структури ПВБМ, зокрема по їх взаємодію з асфальтеновими речовинами КВФ. Середній розмір частинок полімерних добавок в ПВБМ становить від 20 мкм до 40 мкм для ПП та від 10 мкм до 20 мкм для ППСГ. Наведені результати визначення адгезійних властивостей ПВВМ у відповідності до ДСТУ Б В.2.7-81-98 які показали, що усі досліджувані зразки у діапазоні концентрацій полімерної добавки від 3 до 7%, незалежно від її типу, витримали випробування. При визначенні адгезійних властивостей за методом, заснованим на дії на досліджуваний зразок сил гравітації, незалежно від методу отримання КВФ, встановлено, що максимальні адгезійні властивості проявляються у зразків при концентрації полімерної добавки ПП на рівні 5% мас. та ППСГ, на рівні 7% мас. Використання центробіжної сили для визначення адгезійних властивостей ПВБМ показало, що при використанні для оцінки адгезійних властивостей показник цілостності покриття (φ, %), можна встановити раціональний діапазон величини х, який складає 3,0-5,0% (для КВФ№1+ПП); 7,0-10,0% (для КВФ№1+ППСГ); 3,0-5,0% (для КВФ№2+ПП); 3,0-7,0% (для КВФ№2+ППСГ). Застосування для оцінки адгезійних властивостей показника зміщення пластин у полі дії центробіжної сили (χ, %), дозволило встановити раціональний діапазон величини х, який складає 5,0-10,0% (для КВФ№1+ПП); 7,0-10,0% (для КВФ№1+ППСГ); 3,0-5,0% (для КВФ№2+ПП); 5,0-10,0% (для КВФ№2+ППСГ). Проведені імітаційні дослідження по визначенню захисних властивості ПВВМ, нанесених на металеві пластини зі сталі марки Ст3 в середовищах водних розчинів 10% NaCl і 3% Na2SO3 які показали, що на поверхні сталевих пластин, не залежно від типу полімеру (ПП/ППСГ), повністю відсутні осередки корозії. Встановлено, що ПВВМ в умовах виникнення електрохімічного руйнування металевої поверхні робочого електроду зі сталі марки Ст3 (Sел. = 0,14 см2) у 0,5М розчині NaCl, запобігають розчиненню металу робочого електроду у 0,5М розчині NaCl, що свідчить про їх високі захисні властивості. Проводилось визначення швидкості формування захисного твердого шару (ν, м/с), шляхом встановлення залежності між товщиною захисного шару (δ, м) зразків ПВВМ та часом формування цього шару (τ, с). Так, зі збільшенням величини δ відбувається збільшення величини τ за лінійним законом, що свідчить про регулярний режим охолодження зразків. При цьому, зі збільшенням величини х полімерної добавки, спостерігається зростання величини ν: на 0,15×10-5 м/с (для КВФ№1+ПП); 0,17×10-5 м/с (для КВФ№1+ППСГ); 0,45×10-5 м/с (для КВФ№2+ПП); 0,54×10-5 (для КВФ№2+ППСГ). В п’ятому розділі приведено що попередня підготовка основних сировинних компонентів, які використовуються при виробництві ПВБМ, по запропонованим схемам, дозволяє отримати з нафтового шламу, з глибиною вилучення 90-98% очищену ВФ (масова доля води ≤ 0,5%; масова доля механічних домішок ≤ 0,1% ) та отримати тверду подрібнену до 2 мм полімерну добавку з вологістю до 5% мас. Отримані, ПВБМ, незалежно від напрямку отримання, виду і концентрації полімерної добавки, володіють ліпшими експлуатаційними властивостями, вираженими у значеннях хпен, Δm, tсп, tроз, tкр ніж бітум нафтовий дорожній в’язкий, марки БНД-90/130. Але за хдук та хр в наслідок властивостей полімерної добавки не відповідають вимогам до БНД-90/130, встановлених ДСТУ 4044-2001. «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия». ПВВМ отримані з використанням блоку окиснення та компаундування окисненої КВФ при меншій концентрації полімерної добавки, за показниками хпен , Δm, tсп та tроз перевищують ПВВМ, отримані за рахунок лише компаундування КВФ, але за хдук , хр та tкр є дещо гіршим за них. Це, насамперед, пов’язано зі зменшенням вмісту олив та відповідно збільшення смол і асфальтенів після окиснення КВФ, що зумовлює погіршення пластичності та низькотемпературних властивостей, виражених у значеннях відповідних ПЯ. Використання у складі асфальтобетону ПВБМ, замість нафтового окисненого бітуму має ряд суттєвих переваг, до яких можна віднести: зменшення виробничих витрат за рахунок використання компонентів, отриманих з вторинної сировини; відсутня необхідність технічного переоснащення існуючого виробництва; отриманий асфальтобетон характеризується значною міцністю на стискання (2,5-3,5 МПа), низьким значенням залишкової пористості (~1%), водонасиченості (0,5-1,5%) та високим коефіцієнтом водостійкості (0,95-1,00).