Vollis O. Road cationic bitumen emulsions on orthophosphoric acid with improved properties

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0825U000563

Thesis Registration Form

0825U000563.pdf

Applicant for

Oliksyy Vollis

Specialization

192 - Будівництво та цивільна інженерія

Date of defense

03-07-2023

Specialized Academic Board

PhD 1535

Lviv Polytechnic National University

Essay

The dissertation work is devoted to solving the urgent problem of developing special compositions of cationic bitumen emulsions with orthophosphoric acid, which are characterized by improved properties in the context of the needs of road bitumen emulsion technologies. Due to the correct selection of the composition of the emulsion on orthophosphoric acid, it is possible to achieve a safer and less corrosive technological process of manufacturing the emulsion and improving the properties of the emulsion itself for a specific bitumen emulsion technology. Replacing traditional hydrochloric acid with orthophosphoric acid in the emulsion composition can provide improved properties of bitumen emulsions without the use of modifiers or special additives of different action. The properties of raw materials, as well as the physical and mechanical properties of bitumen emulsions, were investigated. Five bitumen binders were selected, which differed in origin, raw oil (light, heavy). It was found that the production of stable emulsions is not possible with technical orthophosphoric acids of 75% concentration, regardless of their production. It was established that the adhesion of emulsions with hydrochloric and orthophosphoric acids and widely used granite aggregates is similar, but when using Mokryan stone material, which is not optimal according to the adhesion criterion, the higher adhesion index is demonstrated by the emulsion with orthophosphoric acid. It was found that an emulsion with orthophosphoric acid in the absence of Portland cement in the road mixture will demonstrate very slow disintegration (superstable emulsions), which will allow to extend the time frame until the disintegration (setting) of the mixture itself. This will provide a reserve of time for transporting such mixtures. It was determined that the use of Portland cement with an emulsion with orthophosphoric acid in road mixtures will allow to reduce the disintegration of the mixture and, as a result, to accelerate the rate of gaining cohesive strength of the mixture. The compositions of cast mixtures with different contents of the mixture components on different emulsions were designed to determine the influence of each of the components of the emulsion and the mixture on the time of the mixture disintegration and its cohesive strength. It was determined that the inclusion of 85% orthophosphoric acid and a special emulsifier in the emulsion composition makes it possible to use non-optimal oxidized light petroleum bitumens and aggregates for cast mixtures regardless of the values of the methylene blue index according to the criteria of cohesive strength and material loss during wet wear. The required cohesive strength of the cast emulsion-mineral mixture on an emulsion with orthophosphoric acid is achieved in 30 min, and material loss during wet wear is no more than 100 g/m2 compared to a cast mixture with an emulsion on hydrochloric acid and an optimal binder up to 30 min and up to 50 g/m2, respectively, with a non-optimal binder more than 420 min (7 hours) and 1066 g/m2, respectively. It was found that the adhesion at high temperatures in the emulsion with orthophosphoric acid and carbonate aggregate is 0.5 points higher than in the emulsion with hydrochloric acid. As for the mechanical adhesion at operating temperatures with granite rubble, it is quantitatively and by mass somewhat higher in the emulsion with orthophosphoric acid than with hydrochloric. It was found that, according to the characteristics of the strength and water resistance of the samples of the mixture, the emulsion on orthophosphoric acid is expedient to be used in the cold recycling technology using aggregates from igneous and carbonate rocks. However, the use of the latter filler is more effective, since the strength limit at 20°C and 50°C for 28 days is 10% higher in two cases, and the water resistance under prolonged water saturation is 9.3% higher than that of samples with hydrochloric acid. The results of the industrial implementation of the use of emulsions on orthophosphoric acid for the technology of cast emulsion-mineral mixtures, according to which 1863.67 tons of bitumen emulsion were produced, are presented. The results of the dissertation work are used and implemented in the educational process of the Department of Highways and Bridges of the National University "Lviv Polytechnic". The economic efficiency of the developed compositions of bitumen emulsions with orthophosphoric acid compared to those based on optimal distillation bitumen from heavy oil and traditional hydrochloric acid for cast mixtures is presented. The calculation of the cost of bitumen emulsion compositions for surface treatment and cold recycling technology is presented. General recommendations for the manufacture, transportation and use of bitumen emulsions, and in particular emulsions with orthophosphoric acid, are given.

Thesis supervisor

Yurii Sidun

Official opponents

Volodymyr Ilchenko
Viktor Zolotarev
Igor Gamelyak

Reviewers

Yurii Hrynchuk

Research papers

1. Pyshyev S., Grytsenko Yu., Solodkyy S., Sidun Iu., Vollis O. Using bitumen emulsions based on oxidated, distillation and modified oxidated bitumens for Slurry Seal production // Chemistry & Chemical Technology. 2015. Vol. 9, № 3. P. 359–366.

2. Sidun I., Solodkyy S., Gunka V., Vollis O. Cohesion of slurry surfacing mix with slow setting bitumen emulsions // Lecture Notes in Civil Engineering. 2020. Vol. 47: Proceedings of CEE 2019. Advances in resourcesaving technologies and materials in civil and environmental engineering. P. 420–427.

3. Sidun I., Vollis O., Gunka V., Ivasenko V. Hydrochloric and orthophosphoric acids use in the quick-traffic slurry surfacing mix // Chemistry & Chemical Technology. 2020. Vol. 14, № 3. P. 380–385.

4. Sidun I., Solodkyy S., Gunka V., Vollis O. Cohesion of slurry surfacing mix on bitumens of different acid numbers at different curing temperatures // Lecture Notes in Civil Engineering. – 2020. – Vol. 100: Proceedings of 2nd International scientific conference on EcoComfort and Current issues of civil engineering EcoComfort, Lviv; Ukraine, 16–18 September 2020. – P. 429–435.

5. Sidun I., Vollis O., Hidei V., Bidos V. Quick-traffic slurry surfacing mix with orthophosphoric acid // Production Engineering Archives. 2021. Vol. 27, iss. 3. P. 191–195.

6. Sidun I., Vollis O., Bidos V., Turba Y. Versions of orthophosphoric acids for slurry surfacing mix // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Vol. 290: Proceedings of the 3rd International scientific conference EcoComfort and current issues of civil engineering. EcoComfort 2022, Lviv,14–16 September 2022. P. 399–407.

7. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Шляхи підвищення швидкості набору когезійної міцності литих емульсійно-мінеральних сумішей // Автомобільні дороги і мости. 2016. № 1 (17). С. 55–61.

8. Solodkyy S., Sidun Iu., Vollis O. Acids in bitumen emulsions // Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury. 2018. T. 35, z. 65, № 3. S. 83–90.

9. Vollis O. Cold recycling with Redicote E-11 and E-4875 NPF emulsions - a big success in Ukraine // Asphalt Matters. 2020. № 1. P. 4–5.

10. Череватюк В. А., Кушнір І. М., Волліс О. Є. Система антикорозійного покриття на основі бітумно-полімерної композиції // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Серія: Хімія, технологія речовин та їх застосування. 2013. № 761. С. 261–264.

11. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Кінетика набору когезійної міцності холодних литих емульсійно-мінеральних сумішей на бітумах різного походження // Автошляховик України. 2013. № 3. С. 36–40.

12. Сідун Ю. В., Волліс О. Є., Солодкий С. Й. Підбір оптимального складу литої емульсійно-мінеральної суміші за критерієм її розпаду // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Серія: Теорія і практика будівництва. 2013. № 755. С. 406–410.

13. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Вплив складу холодної литої асфальтобетонної суміші на її розпад і початок набору когезійної міцності // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. 2014. Вип. № 53. С. 347–354.

14. Солодкий С. Й., Волліс О. Є., Сідун Ю. В. Можливості використання фосфорних кислот в технологіях ЛЕМС // Наукові нотатки: міжвузівський збірник (за галузями знань "Технічні науки"). 2014. – Вип. 45. С. 529–534.

15. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Прискорювачі швидкості набору когезійної міцності для литих емульсійно-мінеральних сумішей // Наукові нотатки: міжвузівський збірник (за галузями знань "Технічні науки"). 2014. Вип. 46. С. 516–521.

16. Солодкий С. Й., Волліс О. Є., Сідун Ю. В. Визначення швидкості набору когезійної міцності литої емульсійно-мінеральної суміші на ортофосфорній кислоті // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Серія: Теорія і практика будівництва. 2015. № 823. С. 293– 297.

17. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Вплив складових литої емульсійно-мінеральної суміші на кінетику її когезійної міцності // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2016. Вип. 98. С. 256–265.

18. Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Надстійкий емульгатор для катіонних бітумних емульсій // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 2017. Вип. 79. С. 62–65.

19. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Вплив температурного режиму на процес твердіння литої емульсійно-мінеральної суміші // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. 2017. Вип. 100. С. 85–90.

20. Sidun I., Solodkyy S., Vollis O., Gunka V., Pyryk R., Shits I. Оrto-phosphoric acid as an alternative to hydrochloric acid – for cationic bitumen road emulsions. Review // Theory and Building Practice. 2020. Vol. 2, № 1. P. 88–93.

21. Sidun I., Solodkyy S., Vollis O., Bidos V. Adhesion of bituminous binders with aggregates in the context of surface dressing technology for road pavements treatment // Theory and Building Practice. 2021. Vol. 3, № 1. P. 92–99.

22. Sidun I., Vollis O., Bidos V., Helon D., Stanchak S. Adhesion of road bitumen emulsions on both hydrochloric and orthophosphoric acids for the technology of surface dressing // Theory and Building Practice. 2022. Vol. 4, № 1. P. 27–34.

23. Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Гідрофільні речовини в бітумі та їх вплив на дорожні бітумні емульсії // Дорожня галузь України. – 2016. – № 2. – С. 36.

24. Солодкий С. Й., Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Когезійна міцність литих емульсійно-мінеральних сумішей на окислених бітумах // Сучасні технології будівництва й експлуатації автомобільних доріг: матеріали міжнародної науково-технічної конференції, Харків, 14-16 листопада 2013 р. – 2013. – C. 282–286.

25. Сідун Ю. В., Волліс О. Є., Савицький А. В. Вимоги до кам’яного матеріалу для литих холодних емульсійно-мінеральних сумішей // Покращення конструктивних, технологічних та експлуатаційних показників автомобільних доріг і штучних споруд на них в дослідженнях студентів і молодих науковців: матеріали міжнародної науково-практичної конференції, Харків, 17-18 травня 2014 р. – 2014. – C. 288–291.

26. Сідун Ю. В., Волліс О. Є. Підвищений вміст гідрофільних речовин в бітумах та їх негативний вплив на бітумні емульсії // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції за участю студентів та молодих вчених: Сучасні геоінформаційні та комп'ютерно-інноваційні технології дорожньої галузі, аеродромного будівництва та землевпорядкування, 2016. - С.51-53

27. . Демчук Ю. Я., Гунька В. М., Пиш'єв С. В., Сідун Ю. В., Волліс О. Є., Пирик Р. В., Шіц І. І. Бітумні емульсії для литих емульсійно-мінеральних сумішей на основі бітумів, модифікованих феноло-крезолоформальдегідною смолою // Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості: матеріали Х Міжнародної науковотехнічної конференції, Львів, 18–23 травня 2020 р. – 2020. – C. 77–79.

28. Сідун Ю. В., Гунька В. М., Демчук Ю. Я., Волліс О. Є., Пирик Р. В., Шіц І. І. Використання ортофосфорної кислоти в дорожніх катіонних бітумних емульсіях // Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості: матеріали Х Міжнародної науково-технічної конференції, Львів, 18–23 травня 2020 р. – 2020. – C. 88–90.

29. Сідун Ю. В., Гунька В. М., Демчук Ю. Я., Волліс О. Є., Пирик Р. В., Шіц І. І. Варіанти підвищення швидкості твердіння литої емульсійномінеральної суміші // Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості: матеріали Х Міжнародної науково-технічної конференції, Львів, 18–23 травня 2020 р. – 2020. – C. 91–94.

30. Сідун Ю. В., Бідось В. М., Волліс О. Є., Станчак С., Гунька В. М. Надстійкі катіонні бітумні емульсій − новий вид емульсій для України // Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості: матеріали XI Мiжнародна науково-технічної конференції (Львів, 16–20 травня 2022 21 р.). – 2022. – C. 91–93.

31. Сідун Ю. В., Волліс О. Є., Бідось В. М., Бокійчук М. Б. Швидкість формування литих емульсійно-мінеральних сумішей за системою «Redipave» на бітумах різного походження // Впровадження інноваційних матеріалів і технологій при проектуванні, будівництві та експлуатації об’єктів транспортної інфраструктури в рамках програми «Велике будівництво»: міжнародна конференція, 24-25 листопада 2022 р.: тези доповідей. – 2022. – C. 429–432.

Files

autoreferat-Анотація дисертації_Волліс.pdf

evolution-rishennya-svr-Vollis-oe.pdf

Дисертація Волліс.pdf

Similar theses

0825U000565

Volodymyr Hidei

Composite systems using thermally activated wastepaper for road construction

0825U000575

Oksana Rykhlitska

Concretes with enhanced performance properties based on recycled concrete aggregates

0825U000571

Vasylyna Hula

Load-bearing capacity, deformability and durability of bending glass plates

0825U000564

Iryna Vengryn

Energy efficient solar systems integrated into translucent building facades

0824U003561

Serhii Hrybeniuk

Rationalization of a unified constructive pedestrian safety system