CC BY
98
Оригинальная статья / Original article УДК 691.16
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-3-105-111
НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ДОРОЖНОГО НЕФТЯНОГО БИТУМА
© Ле Чан Минь Дата, М.Ю. Проценкоь
аКомпании BGC Contracting,
6009, Австралия, г. Перт, ул. Капорн, 25.
ьИркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Строительство автомобильных дорог сопряжено со значительным материалопот-реблением, в частности, с использованием большого количества битума. Увеличение использования отходов производства и потребления в изготовлении дорожно-строительных материалов может способствовать снижению стоимости дорожно-строительных материалов и сохранению природных ресурсов. Перспективным направлением поиска альтернативных материалов является оценка возможности замены традиционно применяемых в асфальтобетонах битумов на модифицированное битумное вяжущее. Рассматривается влияние низкомолекулярного полиэтилена на свойства дорожного нефтяного битума как эффективный метод повышения физико-механических показателей органического вяжущего при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ. Низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - побочный продукт производства полиэтилена высокой плотности низкого давления. Битум нефтяной дорожный (БНД) - продукт переработки нефти. Изучены результаты лабораторных исследований влияния добавления низкомолекулярного полиэтилена на свойства битума нефтяного дорожного марки 90/130, проведен сравнительный анализ его подобранного содержания. РЕЗУЛЬТАТЫ. Изучение результатов представленных лабораторных исследований позволило сделать вывод, что применение подобранного содержания низкомолекулярного полиэтилена в составе органического вяжущего битума нефтяного дорожного марки 90/130 приводит к улучшению физико-механических показателей: увеличению пенетрации, растяжимости, а также к снижению температур хрупкости и размягчения битума. ВЫВОДЫ. Подобранное содержание низкомолекулярного полиэтилена в составе органического вяжущего битума нефтяного дорожного марки 90/130 позволит увеличить сроки эксплуатации дорожного полотна, а также снизить стоимость при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог. Ключевые слова: низкомолекулярный полиэтилен, отходы промышленного производства, битум нефтяной дорожный, модификация битума, автомобильные дороги, асфальтобетонное покрытия.
Информация о статье. Дата поступления 19 июня 2018 г.; дата принятия к печати 03 августа 2018 г.; дата онлайн-размещения 26 сентября 2018 г.
Формат цитирования. Ле Чан Минь Дат, Проценко М.Ю. Низкомолекулярный полиэтилен и его влияние на свойства дорожного нефтяного битума // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 3. С. 105-111. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-3-105-111
LOW-MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE AND ITS EFFECT ON THE PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETE
Le Chan Min Dat, M.Yu. Protsenko
Company BGC Contracting,
аЛе Чан Минь Дат, кандидат технических наук, инженер-конструктор в компании BGC Contracting, e-mail: [email protected]
Le Chan Min Dat, Candidate of technical sciences, Engineer in the Company BGC Contracting, e-mail: [email protected]
ьПроценко Максим Юрьевич, аспирант кафедры автомобильных дорог, e-mail: [email protected] Maksim Yu. Protsenko, Postgraduate of the Department of Automobile Roads, e-mail: [email protected]
25, Caporn St., Perth, 6009, Australia
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. AIM. Road construction is associated with significant consumption of raw materials, in particular, with the large amount of bitumen used. Increasing the use of production and consumption waste in the manufacture of road-building materials can reduce the material costs and contribute to the preservation of natural resources. A promising direction of searching for alternative material is to evaluate the possibility of replacing bitumen, traditionally used in asphalt concrete, with a modified bitumen binder. Hereafter, the effect of low molecular weight polyethylene on the properties of asphalt concrete used in road construction is considered as an effective method of increasing the physical and mechanical indicators of organic binder in the construction, reconstruction and maintenance of highways. MATERIAL AND METHODS. Low Molecular Weight Polyethylene (LMWPE) is a by-product in the production of high-density low-pressure polyethylene, while road bitumen (RB) is a product of the oil refining industry. The effect on the properties of oil road bitumen (grade 90/130) of the addition of low molecular weight polyethylene is studied under the laboratory conditions. A comparative analysis of its selected concentrations is carried out. RESULTS. The results of represented laboratory studies led to the conclusion that the use of selected concentration of low molecular weight polyethylene as a part of organic binder in oil bitumen (grade 90/130) improves the physical and mechanical properties of the latter, such as an increase in penetration, tensile strength, as well as a decrease in brittle-ness temperature and the softening of bitumen. CONCLUSIONS. The selected concentration of low molecular weight polyethylene in the composition of organic binder of oil bitumen (grade 90/130) increases the service life of the roadway, as well as reduces the cost of construction, reconstruction and overhaul of highways.
Keywords: low molecular polyethylene, industrial waste, bitumen petroleum road, bitumen modification, highways, asphalt concrete pavement
Information about the article. Received June 19, 2018; accepted for publication August 03, 2018; available online September 26, 2018.
For citation. Le Chan Min Dat, Protsenko M.Yu. Low-molecular weight polyethylene and its effect on the properties of asphalt concrete. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2018, vol. 8, no. 3, pp. 105-111. (In Russian). DOI: 10.21285/2227-2917-2018-3-105-111
Введение
Автомобильные дороги являются крупным строительным комплексом, обеспечивающим связь между субъектами Российской Федерации и тем самым во многом определяющим развитие регионов.
Основу дорожной сети составляют федеральные дороги, по которым осуществляются, в том числе, и международные транспортные перевозки. Несмотря на то, что протяженность федеральных автомобильных дорог составляет приблизительно 10% от общей протяженности дорог, на них приходится практически половина всей интенсивности движения [1].
Транспортно-эксплуатационные характеристики покрытия напрямую зависят от качества строительных материалов.
Ежегодное увеличение транспортного потока, нагрузок на дорожное
полотно, агрессивные условия окружающей среды приводят к поиску новых дорожно-строительных материалов.
Традиционно в конструктивных слоях дорожной одежды из асфальтобетонных смесей применяется битум нефтяной дорожный, качество которого отвечает за долговечность дорожных покрытий.
Соотношение его физико-химических показателей обеспечивает наибольшую сдвигоустойчивость, тре-щиностойкость, длительную водо- и морозостойкость
В настоящее время актуальна проблема повышения качества дорожных битумов, решение которой позволит обеспечить соответствующее эксплуатационное состояние на установленный срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий.
В связи с этим производство модифицированного битума для дорожного строительства становится перспективным направлением при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог [2]. Его применение позволит уменьшить толщину верхнего слоя покрытия, увеличить срок службы дорожного полотна и тем самым значительно снизить затраты на ремонт асфальтобетонного покрытия.
В настоящее время как в Российской Федерации, так и за рубежом представлен широкий перечень полимеров для дорожного строительства.
Наибольшее применение получили модификаторы, позволяющие менять структуру битума, улучшать его физико-механические свойства, пластичность, водостойкость, температуру хрупкости и размягчения [3].
В данном контексте наибольший интерес представляет низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ), а также его влияние на свойства дорожного нефтяного битума.
Материал
На сегодняшний день около 80% битума от общего объема производства применяется в дорожно-строительной отрасли.
Битум (от лат. bitumen - горная смола) - это твердый или смолоподобный продукт, представляющий собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металло-содержащих производных. Битум не растворим в воде, но полностью или частично растворим в органических растворителях, например, бензоле, хлороформе, сероуглероде. Элементный состав: углерода 80-85%; водорода 8-11,5%; кислорода 0,2-4%; серы 0,5-7%; азота 0,2-0,5%.
Плотность битума составляет 0,95-1,50 г/см3. Отсутствует пористость, поэтому битумы водонепроницаемы и морозостойки, именно эта характеристика обеспечивает их практи-
ческое применение в гидроизоляции, строительстве.
Битумы стареют под воздействием кислорода воздуха, света и тепла.
Кислород окисляет составляющие части битума, а под воздействием тепла из него испаряются мягкие составляющие нефти. Это приводит к отвердению поверхности битума, которое мало распространяется в глубину
[4].
Битум нефтяной дорожный, согласно требованиям ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия», применяется в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий определенных марок, в зависимости от дорожно-климатической зоны. В среднем содержание органического вяжущего при производстве асфальтобетонной смеси составляет 5%
[5].
Основные характеристики, по которым можно оценить качество битума: растяжимость, показатели температуры по хрупкости, показатели температуры по размягчению, уровень пенетрации.
НМПЭ представляет собой нетоксичный побочный продукт производства полиэтилена высокого давления, рис. 1. Это гидрофобное вещество от белого до серого цвета, обладающее высокой адгезией к различным материалам - бумаге, дереву, металлу, керамике; низкомолекулярный полиэтилен относится к наиболее реак-ционноспособному классу полиолефи-нов. Состоит в основном из олефинов с прямой цепью из 10-20 атомов углерода. Устойчив к воздействию химически агрессивных сред; имеет высокую (для углеводородных продуктов) температуру вспышки (выше 250°С) и низкую зольность (менее 0,1% мас.); состоит из линейных и разветвленных молекул, содержащих ненасыщенные связи, с бимодальным молекулярно-
массовым распределением в интервале от 50 до 5250.
Молекулы НМПЭ, кроме скелетных СН2-групп, содержат ненасыщенные связи (карбонильные, винилено-
вые и др.) и концевые СНЗ-группы, рис. 2. НМПЭ можно модифицировать в продукты, пригодные для применения поверхностно-активных веществ, путем прямой сульфоэтерификации [6].
Рис. 1. Низкомолекулярный полиэтилен Fig. 1. Lowmolecular polyethylene
Рис. 2. Молекулярный состав НМПЭ Fig. 2. Molecular content of LMWPE
НМПЭ производится согласно ТУ 6-05-1837-82 трех марок: НМПЭ-1, 2, 3. Их средняя молекулярная масса находится в интервале от 1080 до 4380, а консистенция - от жидкой до воскообразной.
Свойства НМПЭ трех марок приведены в табл. 1.
Низкомолекулярный полиэтилен при взаимодействии с битумом заполняет поры в асфальтобетонных покрытиях и основаниях, препятствуя попаданию в них воды, которая является одним из основных источников разрушения дорожного покрытия.
Таблица 1
Свойства низкомолекулярного полиэтилена трех марок
Table 1
Qualities of low molecular polyethylene of three types
Свойства Марки НМПЭ
Жидкость или воскообразная Воскообразная Воскообразная масса или литые
Внешний вид масса, от серого масса, от серого до блоки, от серого
до коричневого коричневого цвета до коричневого
цвета цвета
Динамическая вязкость расплава, МПа, в пределах 4-750 20-400 320-7400
Температура каплепадения, °С, в пределах от минус 5 до плюс 105 55-90 90-105
Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,5 0,5 0,5
Температура плавления, °С, в пределах 25-90 35-90 90-105
Результаты бавления НМПЭ на свойства битума
На сегодняшний день существу- нефтяного дорожного марки 90/130, ют результаты изучения влияния до- приведенные в таблице 2.
Таблица 2
Результаты лабораторных испытаний комплексного вяжущего
Table 2
_Results of laboratory researches of a complex binding_
Показатели Содержание образца НМПЭ в смеси, % по массе
0 0,5 1 2 5
Температура размягчения по методу кольцо и шар, °С 51 50 50 49 50
Глубина проникновения иглы при 25°С 92 94 96 98 114
Температура хрупкости по Фраасу, °С минус 17 минус 18 минус 18 минус 19 минус 20
Растяжимость при 25°С, см 85 90 92 более 100 более 100
Установлено, что добавление к битуму НМПЭ приводит к повышению его пенетрации и растяжимости при 25°С. При этом наблюдается снижение температур хрупкости и размягчения битума, в результате чего интервал его пластичности - разность между упомянутыми показателями - не изменяется и составляет 68°С. Рост интервала пластичности до 70°С наблюдается только после добавления к битуму 5% мас. НМПЭ [7].
В результате исследований установлено, что введение НМПЭ в количестве до 3% мас. в исходное органическое вяжущее с температурами размягчения 68 и 78°С приводит к пластификации дисперсной структуры
битума, при этом происходит увеличение значений температуры размягчения битума, повышается пенетрация при 25°С. Исходя из зависимостей, представленных на рис. 3, можно установить концентрационный порог (минимальная или максимальная концентрация НМПЭ в битуме) введения НМПЭ для пластификации или структурирования дисперсной системы битума. При концентрациях меньше «пороговой» происходит частичная пластификация дисперсной системы, приводящая к повышению эластичности битума, а при концентрации более «пороговой» наблюдается структурирование битума [8].
Содержание НМПЭ, % мае.
Рис. 3. Зависимости температуры размягчения и пенетрации при 25°С битумов с температурами размягчения 68 и 78°С, модифицированных низкомолекулярным
полиэтиленом (НМПЭ) Fig. 3. Dependences of softening and penetration temperature at 25°С of bitumens with softening temperatures of 68 and 78°C, modified low molecular
weight polyethylene (LMWPE)
В процессе добавления к битуму низкомолекулярного полиэтилена образуется структурная сетка, которая сохраняет прочность и эластичность при высоких и низких температурах.
Выводы
При анализе представленных результатов можно сделать вывод, что подобранное процентное содержание НМПЭ и битума нефтяного дорожного является перспективным направлением в сфере производства модифици-
рованного битума в дорожном строительстве. Полимерно-битумное вяжущее обладает физико-механическими показателями, соответствующими современным эксплуатационным требованиям дорожного полотна, что в свою очередь увеличивает его долговечность, а также имеет относительно невысокую стоимость по сравнению с существующими органическими вяжущими.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Экономические проблемы регионов и отраслевых комплексов. Современные проблемы развития дорожной сети России [Электронный ресурс]. URL: http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=1905 (22.05.2018).
2. Research of Oil Road Bitumen Modification with Low Density Polyethylene. Available at: http://www.orientjchem.org/vol33no1/research-of-oil-road-bitumen-modification-with-low-density-polyethylene (accessed on May 21, 2018).
3. Swapan Kumar Bagui, Ambarish Ghosh. Malaysian Journal of Civil Engineering 24(1):96-106 (2012), pp. 1-10.
4. Битум. Определение, свойства, применение [Электронный ресурс]. URL: http:// economic-definition.com/ Construc-tion/Bitum_Asphalt_eto.html (26.05.2018).
5. Nalini Thakre, Dipak Mangrulkar, Mahesh Janbandhu, Jaya Saxena. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, Volume 13, Issue 6, Ver. VI (Nov.-Dec. 2016), pp. 120-128.
6. ТУ 6-05-1837-82 Полиэтилен низкомолекулярный производства полиэтилена высокого давления [Электронный ресурс]. URL: http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/tu/502/info/95591 (22.05.2018).
7. Павлов А.В., Ермак А.А. Основные направления использования низкомолекулярного полиэтилена и его влияние на свойства нефтепродуктов // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. 2008. № 2. С.123-127.
8. Евдокимова Н.Г. Разработка научно-технологических основ производства современных битумных материалов как нефтяных дисперсных систем. Салават: Изд-во Уфимского государственного нефтяного технического университета, 2015. 296 с.
REFERENCES
1. Ehkonomicheskie problemy regionov i otraslevyh kompleksov. Sovremennye problemy razvitiya dorozhnoj seti Rossii [Economic problems of regions and branch complexes. Modern problems of development of a road network of Russia]. Available at: http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=1905 (accessed on May 22, 2018).
2. Research of Oil Road Bitumen Modification with Low Density Polyethylene. Available at: http://www.orientjchem.org/vol33no1/research-of-oil-road-bitumen-modification-with-low-density-polyethylene (accessed on May 21, 2018).
3. Swapan Kumar Bagui, Ambarish Ghosh. Malaysian Journal of Civil Engineering 24(1):96-106 (2012), pp. 1-10.
4. Bitum. Opredelenie, svojstva, primene-nie [Bitumen. Definition, properties, application]. Available at: http://economic-definition.com/ Con-
struction/Bitum_Asphalt_eto.html (accessed on
May 26, 2018).
5. Nalini Thakre, Dipak Mangrulkar, Mahesh Janbandhu, Jaya Saxena. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, Volume 13, Issue 6, Ver. VI (Nov.-Dec. 2016), pp. 120-128.
6. TU 6-05-1837-82 Poliehtilen nizko-molekulyarnyj proizvodstva poliehtilena vysokogo davleniya [TU 6-05-1837-82 Low-molecular polyethylene of high-pressure polyethylene production]. Available at: http://www.1bm.ru/techdocs/kgs/tu/502/info/95591 (accessed on May 22, 2018).
7. Pavlov A.V., Ermak A.A. Osnovnye napravleniya ispol'zovaniya nizkomolekulyarnogo poliehtilena i ego vliyanie na svojstva nefteproduk-tov [The main directions of using low-molecular polyethylene and its influence on the properties of petroleum products]. Vestnik Polockogo gosu-darstvennogo universiteta. Seriya V [Bulletin of Polotsk State University. Series V], 2008, no. 2, pp. 123-127. (In Russian)
8. Evdokimova N.G. Razrabotka nauchno-tekhnologicheskih osnov proizvodstva sovremen-nyh bitumnyh materialov kak neftyanyh dis-persnyh system [Development of scientific and technological foundations for the production of modern bitumen materials as oil disperse systems]. Salavat, Ufa State Oil Technical University Publ., 2015, 296 p. (In Russian)
Критерии авторства
Ле Чан Минь Дат доработал и утвердил окончательный вариант статьи. Проценко М.Ю. внес основной вклад в концепцию и анализ данных исследования. Проценко М.Ю. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution
Le Chan Min Dat finalized and approved the final version of the article. Protsenko M.Yu. made a major contribution to the concept and analysis of research data. Protsentko M.Yu. is responsible for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
