Способ получения жидких битумно-каучуковых вяжущих для приготовления холодных асфальтобетонных смесей

 

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления составов органических вяжущих материалов, и может быть использовано в промышленности строительных материалов. Технический результат: повышение прочности асфальтобетона из холодных смесей. В способе получения жидких битумно-каучуковых вяжущих используют вязкий нефтяной дорожный битум и разжижитель - сланцевое масло и раствор каучука СКС-30 АРКМ-15 в керосине. Сланцевое масло 10-15 мас. % вводят в битум при температуре 170-190^oС с последующей продувкой воздухом в течение 40-80 мин, с дальнейшим разжижением композиции 10%-ным раствором каучука в керосине из условия содержания каучука в битуме 2,5-3,5 мас.%. 5 ил., 3 табл.

Способ получения жидких битумно-каучуковых вяжущих для приготовления холодных асфальтобетонных смесей относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления составов органических вяжущих материалов, и может быть использован в промышленности строительных материалов.

В дорожном строительстве известны способы приготовления жидкого битума путем разжижения вязких битумов различными разжижителями - лигроином, керосином прямой гонки (Шестоперов С.В. Дорожно-строительные материалы. -М.: Высшая школа, 1969). Для приготовления жидких битумов применяются: битумохранилище и заборная насосная установка или агрегат с системой обогрева до рабочей температуры 60-90^oС; расходная емкость типа Д-335А или типа Д-594 с паровыми трубами, с насосной установкой производительностью 500-1000 л/мин (типа Д-379 или Д-171 А), парообразователь передвижного типа (Д-563). При приготовлении жидких битумов в открытой системе температура вязкого битума, поступающего на смешение с разжижителем, не должна превышать 100^oС для классов БГ и 120^oС для классов СГ и МГ. Перемешивание вязкого битума с разжижителем проводят инертным газом или циркуляцией при соответствующих (разных) пропорциях (Грушко И. М. и др. Дорожно-строительные материалы. -М.: Транспорт, 1983). Для приготовления жидких битумов класса МГ наиболее эффективны разжижители в виде тяжелых нефтепродуктов (беспарафинового мазута), солярового масла и др. Снижение стоимости жидких битумов может быть обеспечено применением кубовых остатков нефтепереработки. С целью расширения ресурсов разжижителей было предложено масло, полученное из шин термическим их разложением при температуре 350-800^oС, и отработанное трансформаторное масло.

Общим недостатком получаемых жидких битумов является недостаточное сцепление их с минеральной частью, малая прочность и теплоустойчивость холодного асфальтобетона в начальный период формирования его структуры, малая устойчивость к старению.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения жидкого битумно-каучукового вяжущего для холодных асфальтобетонных смесей, включающий смешивание при температуре 140-150^oС вязкого нефтяного дорожного битума и разжижителя, состоящего из масляного раствора каучука, триэтаноламина и нефтяного гудрона (RU 2148063 С1, С 08 L 95/00, 27.04.2000, 5 с.).

Задачей, решаемой изобретением, является повышение прочности асфальтобетона из холодных смесей.

Сформулированная задача решается за счет того, что в способе получения жидкого битумно-каучукового вяжущего для изготовления холодных асфальтобетонных смесей путем объединения вязкого нефтяного дорожного битума и разжижителя, включающего раствор каучука, в качестве разжижителя используют раствор каучука СКС-30 АРКМ-15 в керосине и сланцевое масло, а при объединении разжижителя и битума сланцевое масло 10-15 мас.% вводят в битум при температуре 170-190^oС с последующей продувкой воздухом в течение 40-80 минут с дальнейшим разжижением композиции 10%-ным раствором каучука в керосине из условия содержания каучука в битуме 2,5-3,5 мас.%.

Пример. Для исследования были использованы битум нефтяной дорожный вязкий, отвечающий требованиям ГОСТ 22245-90, сланцевое масло С-2, отвечающее требованиям ТУ 38-10957-80, раствор каучука в керосине, отвечающий требованиям ТУ 2294-001-41201704-97, сырая каменноугольная смола высокотемпературного коксования Новолипецкого металлургического завода, соответствующая ОСТ 1462-80 или ТУ 14-6-171-80 марки Б, сорт 1, 2; нефтяное сырье для производства вязких битумов, отвечающее требованиям ТУ 38-101582-75.

В процессе разработки способа получения жидкого битума, позволяющего производить холодные асфальтобетонные смеси, с повышенными физико-механическими свойствами рассматривалось 3 варианта разжижения битума БНД-60/90.

Первый - путем объединения битума БНД-60/90 с 10 мас.% раствором каучука в керосине и сланцевом масле в мешалке при температуре 100^oС. В качестве разжижителя выступали керосин и сланцевое масло, а каучук - как структурообразующая добавка. Критерием качества жидкого битума были приняты - сцепление с минеральной частью и прочностные показатели холодного асфальтобетона. Исследования показали, что битумно-каучуковые вяжущие, полученные по данной технологии, характеризуются неудовлетворительным сцеплением с минеральной частью.

Второй вариант приготовления жидкого битума заключался в разжижении вязкого битума при температуре 190^oС 10%-ным раствором каучука в керосине и сланцевом масле с одновременной прокачкой композиции воздухом с расходом 1 л/кг•мин в течение 40 минут. Условная вязкость полученного битума составила П₂₅=240 дм.

Для разжижения до условной вязкости С₅ ⁶⁰ - 70/130 потребовалось ввести 10 мас.% керосина. Полученный жидкий битум характеризовался высоким сцеплением с минеральной частью, а асфальтобетонная смесь, приготовленная на этом битуме, - высокими прочностными показателями. Однако данный способ связан с большими потерями керосина и с усложнением технологии разжижения вяжущего и был отвергнут.

Третий вариант приготовления жидкого битума состоит из 2-х операций. Первоначально приготавливается битум с высокими адгезионными свойствами, а затем он разжижается до требуемой условной вязкости раствором каучука в керосине. В качестве поверхностно-активного вещества выступает сланцевое масло, характеризующееся высокой химической активностью вследствие большого количества би- и полициклоароматических углеводородов. При окислении сланцевого масла в композиции с битумом в этот процесс вовлекаются наиболее реакционноспособные элементы битума, что приводит к получению вяжущего с высокой устойчивостью к старению, а наличие большого количества кислородсодержащих типа СО-СН₂-ОН- к отличному сцеплению вяжущего с минеральной частью.

Указанные процессы будут иметь место только при оптимальной величине добавки сланцевого масла и при оптимальном температурном режиме. С этой целью проведены исследования влияния добавки сланцевого масла, а также температуры и продолжительности окисления сцепления битума с минеральной частью. Величина сцепления определялась весовым методом по потере битума после кипячения черного щебня в течение 30 минут.

Приготовление жидких битумно-каучуковых битумов проводилось на лабораторной окислительной установке компрессорного типа СИ-204 с реактором емк. 4 л. Расход воздуха составил 1,5 л/кг•мин. Обезвоженный битум, нагретый до требуемой температуры, помещали в реактор. Включался компрессор. После начала работы компрессора в течение 10-15 минут вводилось необезвоженное масло непосредственно в реактор на поверхность битума. Время совместного окисления принято в минутах.

На фиг.1 представлены зависимости сцепления от величины добавки сланцевого масла - 5, 10, 15, 20 мас.% к битуму и от температуры окисления - 140, 170, 200^oС (фиг.1, кривые 1, 2, 3 соответственно). Продолжительность окисления 80 минут. Исходный битум имел удовлетворительное сцепление с минеральной частью. Потери битума после 30 минут кипячения черного щебня составили 19%.

Из представленных данных на фиг.1 видно, что температура окисления 140^oС не обеспечивает нормального процесса образования кислородсодержащих групп при добавках сланцевого масла 5, 10, 15, 20 мас.% к битуму, а следовательно, мало влияет на величину сцепления битума с минеральной частью.

При температуре 170^oС наилучшее сцепление битума с минеральной частью обеспечивается при 10-15 мас.% добавке сланцевого масла к битуму. При 200^oС сцепление битума с минеральной частью несколько уменьшается при 5 и 20 мас.% сланцевого масла к битуму и при 10-15% остается на уровне сцепления при 170^oС. Итак, из представленных данных следует, что оптимальная добавка сланцевого масла к битуму составляет 10-15 мас.%, а оптимальный температурный режим - 170-200^oС.

На фиг.2 представлена зависимость сцепления битума с минеральной частью при 10 мас. % добавке сланцевого масла от температуры и продолжительности окисления.

Кривая 4 фиг.2 - продолжительность окисления 40 минут.

Кривая 5 фиг.2 - продолжительность окисления 80 минут.

Кривая 6 фиг.2 - продолжительность окисления 120 минут.

Из приведенных данных видно, что температурный режим окисления 140^oС не обеспечивает необходимых процессов, приводящих к высокому сцеплению битума с минеральной частью.

При температурах 170-200^oС идет нормальный процесс окисления сланцевого масла с вовлечением в него реакционноспособных элементов битума, при этом достигается наилучшее сцепление вяжущего с минеральной частью. Оптимальное время окисления составляет 40-80 минут. Затем в 10%-ный раствор каучука в керосине подается приготовленное вяжущее при температуре 80^oС из условия содержания каучука в битуме 2,5-3,5 мас.% и достижения условной вязкости жидкого битума С₅ ⁶⁰ - 70/130; С₅ ⁶⁰ - 130/200.

В лабораторных условия по вышеописанной технологии было приготовлено жидкое битумно-каучуковое вяжущее путем объединения битума с 10 мас.% сланцевым маслом и 10 мас. % раствором каучука в керосине. Для сравнения был приготовлен жидкий битум окислением нефтяного сырья с 10 мас.% каменноугольной смолы при 150^oС с условной вязкостью С₅ ⁶⁰. Полученные вяжущие были испытаны в соответствии с ГОСТ 11955-82. Результаты представлены в табл. 1.

Из приведенных в табл. 1 видно, что ЖБКВ отличается высокой температурой размягчения остатка, т.е. 45^oС, а также высоким сцеплением с минеральной частью.

Физико-механические показатели холодного асфальтобетона, приготовленного с применением указанных выше вяжущих, определялись на зерновом составе табл. 2, который подбирался по фракциям, ранее рассеянного щебня и отсева щебня, представлены в табл. 3.

Из приведенных данных видно, что прочность холодного асфальтового бетона, смесь которого приготавливалась с применением жидкого битумно-каучукового вяжущего, превышает прочность холодного асфальтового бетона - на жидком битуме, приготовленном окислением нефтяного сырья с добавкой каменноугольной смолы, на 49%.

Таким образом, предлагаемый способ приготовления жидкого битумно-каучукового вяжущего позволяет повысить прочность холодного асфальтобетона в сухом и водонасыщенном состоянии, при этом слеживаемость холодных асфальтобетонных смесей не ухудшается в сравнении с прототипом.

Технология получения жидкого битумно-каучукового вяжущего (ЖБКВ) в производственных условиях требует окислительную установку типа СИ-204 либо Т-308 и битумный котел для объединения полученного битума с раствором каучука. При отсутствии окислительной установки в качестве таковой может быть использован обычный битумный котел (фиг.3), снабженный барботером (поз. 7) для подачи воздуха и распределительной системой для подачи в него сланцевого масла (поз. 8). Обустроенный битумный котел заполняется битумом с помощью насоса (поз. 9) на 2/3 его объема, после чего кран (поз. 10) закрывается. Температура битума в котле поднимается до 190^oС и включается компрессор с расходом воздуха 1 л/кг•мин. После этого в котел на поверхность битума подается сланцевое масло в течение 10-15 минут из расчета 10 мас.% от битума. Происходит окисление сланцевого масла с вовлечением в этот процесс наиболее реакционноспособных элементов битума и образованием кислородсодержащих типа СО-СН₂-ОН. Время окисления зависит от химического состава битума и сланцевого масла и составляет 40-80 минут. Выделяющиеся при этом газы подаются на очистку либо в печь дожига (поз. 11). По окончании указанного процесса улучшенный битум, с позиции сцепления с минеральной частью и термоокислительной устойчивости, охлаждается до температуры 80^oС.

Второй котел необходим для получения жидкого битумно-каучукового вяжущего (фиг. 4). Насосом (поз. 9) 10%-ный раствор каучука в керосине подается в битумный котел из дозатора в расчетном количестве (200-250 кг на 1 т битума). Температура раствора составляет 40-50^oС. После подачи раствора каучука в котел в него подается битум с температурой 80±5^oС из первого котла насосом (поз. 9) по битумопроводу (поз. 12). При заполнении котла на 1/3 расчетного объема включается битумный насос (поз. 9), работа которого заключается в обеспечении равномерного перемешивания битума с раствором каучука. После подачи расчетного количества битума насос (поз. 9) первого котла выключается, а насос (поз. 9) второго котла работает (примерно 30-40 минут) до получения однородной композиции, т.е. получения жидкого битумно-каучукового вяжущего.

Для поддержания рабочей температуры ЖБКВ котел оборудуется закрытыми тенами (поз. 13).

Для обеспечения ритмичной работы базы необходимо организовать прирельсовый склад хранения раствора каучука (фиг.5, поз. 14) и сланцевого масла (фиг. 5, поз. 15). Указанные выше материалы поступают в железнодорожных цистернах (фиг.5, поз. 16). Подача сланцевого масла и раствора каучука в котлы осуществляется насосом через дозатор (поз. 17).

Формула изобретения

Способ получения жидкого битумно-каучукового вяжущего для изготовления холодных асфальтобетонных смесей путем объединения вязкого нефтяного дорожного битума и разжижителя, включающего раствор каучука, отличающийся тем, что в качестве разжижителя используют раствор каучука СКС-30 АРКМ-15 в керосине и сланцевое масло, а при объединении разжижителя и битума, сланцевое масло 10-15 мас. % вводят в битум при температуре 170-190^oС с последующей продувкой воздухом в течение 40-80 мин, с дальнейшим разжижением композиции 10%-ным раствором каучука в керосине из условия содержания каучука в битуме 2,5-3,5 мас. %.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8