Технологическая система модификации асфальта и способ введения асфальтовых добавок
Владельцы патента RU 2610087:
ХЕРИТИДЖ РИСЕРЧ ГРУП (US)
Изобретение относится к асфальтовым изделиям, включая модифицированные асфальтовые композиции. Описан способ изготовления модифицированных асфальтовых связующих композиций, который включает перемешивание асфальтового связующего материала и по меньшей мере одной асфальтовой добавки и/или асфальтового модификатора в шаровой мельнице-мешалке, что вызывает перемешивающее, сдвигающее, ударное и измельчающее воздействие на смесь. Также изобретение относится к композициям для дорожного покрытия, которые включают указанную модифицированную асфальтовую связующую композицию и заполняющий материал. Техническим результатом является получение асфальтовой композиции, которая имеет улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичной смесью асфальта и добавки, изготовленной не в шаровой мельнице-мешалке. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к асфальтовым изделиям, включая модифицированные асфальтовые композиции. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способам и устройствам для изготовления модифицированных асфальтовых композиций, включая перемешивающие системы и технологические способы создания асфальтовых композиций с улучшенными эксплуатационными характеристиками для использования в асфальтовых изделиях.
Асфальтовые композиции для дорожного покрытия традиционно изготавливают, используя асфальтовое вяжущее, которое получают из сырой нефти. В последнее время цены на асфальт и сырую нефть быстро увеличиваются. Помимо роста цен на эти основные компоненты, произошло также значительное повышение производственных расходов, связанных с введением добавок в асфальтовые связующие материалы вследствие стоимости добавок, а также времени и энергии, которые требуются для введения этих добавок в асфальтовые связующие материалы.
Использование асфальтового связующего материала в композициях для дорожного покрытия должно соответствовать эксплуатационным критериям и техническим условиям, чтобы считаться целесообразным для изготовления дорожных покрытий. Традиционные асфальтовые композиции, как правило, не способны соответствовать всем эксплуатационным критериям и техническим условиям. В результате несоответствия данным эксплуатационным критериям и техническим условиям могут получаться дорожные покрытия, которые являются чрезмерно мягкими при высоких температурах и чрезмерно хрупкими при низких температурах.
Традиционные асфальтовые связующие материалы представляют собой чистые связующие материалы, в которых не содержатся добавки. Модифицированные асфальтовые связующие материалы могут содержать разнообразные добавки, в том числе полимеры, измельченную резину, гильсонит, сланец, щебень и другие модификаторы. Эти добавки вводят на заводе по производству асфальта или на установке для изготовления горячей асфальтовой смеси, и в настоящее время для введения всех добавок разработаны собственные уникальные способы.
Патент США № 4145322 (Maldonado и др.) описывает способ изготовления битумно-полимерных композиций, которые содержат блок-сополимеры, включающие диеновые и стирольные группы, и проявляют превосходные механические свойства даже при низких температурах.
Патент США № 6972047 (Butler и др.) описывает способ улучшения асфальтовых композиций, который включает введение в асфальт синтетического разбавителя битума, который включает, по меньшей мере, один асфальтит, и масла-носителя, включающего нафтеновое или парафиновое углеводородное масло.
Публикация патентной заявки США № 2011/0049275 (Zickell и др.) описывает способ переработки асфальтово-щебеночного материала, который включает криогенное измельчение асфальтово-щебеночного материала в тонкий порошок или материал, включаемый в асфальт. Для измельчения этих материалов используют мельницу тонкого помола.
Публикация патентной заявки США № 2010/0129667 (Kalkanoglu и др.) описывает кровельные изделия, которые изготавливают из переработанных кровельных материалов. Переработанные кровельные материалы можно измельчать, используя мельницу тонкого помола или другое смесительное устройство, для уменьшения размеров кровельных гранул, и в результате этого предотвращается низкая прочность на разрыв кровельных изделий.
Сущность изобретения
Согласно разнообразным отличительным особенностям, характеристикам и вариантам осуществления настоящего изобретения, которые становятся очевидными из представленного ниже описания, настоящее изобретение предлагает способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции, который включает:
приготовление шаровой мельницы-мешалки;
введение асфальтового связующего материала в шаровую мельницу-мешалку, причем вышеупомянутый асфальтовый связующий материал включает натуральный асфальт;
введение, по меньшей мере, одной асфальтовой добавки в шаровую мельницу-мешалку;
введение массы мелющей среды в шаровую мельницу-мешалку;
последующее перемешивание асфальтового связующего материала, по меньшей мере, одной асфальтовой добавки и мелющей среды в шаровой мельнице-мешалке в условиях нагревания, что вызывает перемешивающее, сдвигающее, ударное и измельчающее воздействие на смесь; и
извлечение модифицированной асфальтовой композиции, которая имеет улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичной смесью асфальта и добавки, изготовленной не в шаровой мельнице-мешалке.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает модифицированную асфальтовую связующую композицию, изготовленную данным технологическим способом, и композицию для дорожного покрытия, которая включает модифицированную асфальтовую композицию и заполняющий материал.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые представлены исключительно в качестве неограничительных примеров, в числе которых:
фиг.1 представляет схематическое изображение мельницы тонкого помола, в которой осуществляют способ изготовления модифицированных асфальтовых композиций согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание чертежей и предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления.
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для изготовления модифицированных асфальтовых композиций, включая перемешивающую систему и технологический способ изготовления асфальтовых композиций, имеющих улучшенные эксплуатационные характеристики и используемых в асфальтовых изделиях.
Кроме того, настоящее изобретение предлагает технологическую систему перемешивания асфальтовых добавок и способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции.
Данный технологический способ является пригодным для перемешивания асфальтовых добавок, такие как сланцевая добавка, кровельный щебень, гильсонит, переработанное асфальтовое дорожное покрытие или другие растворимые в растворителях материалы, с натуральным асфальтом. Настоящее изобретение предлагает модифицированные асфальтовые связующие материалы, которые можно использовать для асфальтового дорожного покрытия и других применений. Данный способ совместной переработки асфальта и добавок неожиданно обеспечивает улучшенные высокотемпературные эксплуатационные характеристики получаемого в результате асфальтового связующего материала.
Технологический способ согласно настоящему изобретению включает комбинированное перемешивающее, сдвигающее, ударное и измельчающее воздействие на асфальт и добавки.
Это перемешивающее, сдвигающее, ударное и измельчающее воздействие на асфальт и добавки осуществляют, используя для измельчения мельницу, в которой содержится осуществляющая внутреннее перемешивание мелющая среда; такие устройства обычно называются термином «шаровая мельница-мешалка». Мельница тонкого помола представляет собой пример такого устройства; мельница тонкого помола состоит из резервуара, мелющей среды и ручки для перемешивания. Когда ручка для перемешивания вращается с высокой скоростью, она образует вихри в среде и силы, которые воздействуют на материал внутри резервуара. Патенты США № 5464163 (Zoz) и № 58144 (Lessells и др.) представляют примеры традиционных мельниц тонкого помола. Согласно настоящему изобретению можно использовать шаровую мельницу любого типа, в том числе, но не ограничиваясь этим, шаровые мельницы, которые являются горизонтальными или вертикальными, а также мельницы, в которых вращаются внешние стенки и/или внутренние валы (или одна из этих частей является неподвижной).
Фиг.1 представляет схематическое изображение мельницы тонкого помола, в которой осуществляют способ изготовления модифицированных асфальтовых композиций согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Мельница тонкого помола, представленная на фиг. 1, включает резервуар 1, который имеет нагревательную рубашку или другое приспособление, которое нагревает содержимое резервуара 1, и перемешивающий стержень 2, который проходит внутри резервуара и который, согласно иллюстрации, включает множество ручек 3, которые выходят наружу от центрального вращающегося вала перемешивающего стержня 2.
Условный номер 4 обозначает мелющую среду, которая находится в резервуаре 1, и, для целей настоящего изобретения, ее подогревают вместе с перемешивающим стержнем 2 и стенками резервуара 1, по меньшей мере, до температуры на уровне или выше температуры размягчения материалов, подлежащих переработке в мельнице тонкого помола.
Согласно иллюстрации, асфальтовый связующий материал 5 (например, натуральный асфальт) и желательные добавки 6 вводят (раздельно или совместно) в резервуар 1. После переработки модифицированный асфальт 7 можно извлекать из резервуара 1.
Добавки, которые можно использовать для изготовления модифицированных асфальтовых композиций согласно настоящему изобретению, включают, но не ограничиваются этим, полимеры, измельченную резину, гильсонит, сланец, щебень и другие модификаторы. Предпочтительно добавки имеют растворимость в асфальте на уровне от приблизительно 1 до приблизительно 99%.
Примеры
В следующих примерах использовали мельницу тонкого помола, которая включала резервуар, имеющий нагревательную рубашку, через которую циркулировало горячее масло, чтобы поддерживать смешиваемые вещества выше их температуры размягчения. Мелющая среда представляла собой твердые нержавеющие стальные шарики, диаметр которых составлял от 1/4 до 3/8 дюйма (от 6,35 до 9,525 мм). Смесь для обработки в резервуаре вводили до тех пор, пока резервуар не заполнялся приблизительно на три четверти. Перемешивающий стержень внутри резервуара имел несколько ручек на различных уровнях вращающегося вала, который проходил вдоль центральной оси резервуара. Когда перемешивающий стержень вращался с высокой скоростью, составляющей приблизительно 450 об/мин или более, он образовывал вихри в смеси и производил сдвиговое и ударное воздействие на материал внутри резервуара. Натуральный асфальт и добавки вводили в мельницу тонкого помола раздельно или совместно в форме объединенной суспензии. После обработки в мельнице тонкого помола полученный в результате материал, который представлял собой однородную смесь исходных материалов и, согласно настоящему изобретению, составлял модифицированный асфальтовый связующий материал.
В данных примерах асфальтовые связующие композиции изготавливали, используя следующий способ. Добавки смешивали с натуральным асфальтом. Все части мельницы тонкого помола, включая резервуар, мелющую среду и перемешивающий стержень, подогревали до температуры, составляющей приблизительно 350°F (176,7°C). Подлежащую обработке смесь вводили в мельницу тонкого помола, в которой создавали атмосферу азота, чтобы предотвратить окисление в процессе перемешивания. Перемешивающий стержень вращался со скоростью, составляющей от 400 до 500 об/мин. Смесь мелющей среды и асфальтовой добавки перемешивали в вихревом режиме в течение от 7,5 до 12 минут. В течение данного процесса мелющая среда производила сдвиговое и ударное воздействие, которое уменьшало размер частиц асфальтовой добавки. В процессе измельчения внутренние компоненты добавки измельчались и равномерно перемешивались с натуральным асфальтом. Мельница тонкого помола не только обеспечивает более полное перемешивание, но также удаляет внешнее покрытие на частицах некоторых добавок, что повышает совместимость с асфальтом вводимых в него добавок.
Количество добавки (добавок) для введения в натуральный асфальт изменяется в широком интервале от 2 до 90% в зависимости от характеристик добавок и желательных критериев, которым должны соответствовать эксплуатационные характеристики. Оптимальный интервал содержания добавки составляет от 5 до 28% по отношению к массе асфальта.
Результаты данных примеров представлены в таблице 1 следующим образом:
| Таблица 1 | |||||||
|
|
Способ введе-ния добавки | Исходная темпера-тура разруше- ния при исследо-вании на динами-ческом сдвиговом реометре (DSR), °C |
Температура при исследовании в испытании на реометре с изгибающейся балкой (BBR), °C |
Модуль упру-гости E* при 10 Гц и 30°C | Модуль упру-гости E* при 1 Гц и 30°C |
Степень разде-ления | Температура размягчения, °F |
| Добавка № 1 | Диспергирова-ние | 74 | -20 | 3851 | 1714 | 1,7 | 129,6 |
| Добавка № 1 | Тонкий помол | 81 | -19 | 4369 | 2359 | 0,5 | 134,1 |
| Добавка № 2 | Диспергирова-ние | 70 | -21 | 3930 | 2080 | 2,2 | 125,3 |
| Добавка № 2 | Тонкий помол | 74 | -21 | 4309 | 2068 | 0,4 | 130,6 |
| Добавка № 3 | Диспергирова-ние | 81 | -20 | 4025 | 2060 | -0,4 | 145,0 |
| Добавка № 3 | Тонкий помол | 80 | -19 | 4408 | 2368 | 0,1 | 143,4 |
| Добавка № 4 | Диспергирова-ние | 72 | -21 | 2854 | 1390 | 0,4 | 129,1 |
| Добавка № 4 | Тонкий помол | 76 | -19 | 3275 | 1628 | 1 | 136,3 |
| Добавка № 5 | Диспергирова-ние | 75 | -20 | 3470 | 1836 | 10 | 132,1 |
| Добавка № 5 | Тонкий помол | 77 | -20 | 4294 | 2296 | 4,4 | 136,6 |
| Основной асфальт 64-22 | Не определено | 66 | -23 | 1624 | 425 | Не определено | 110 |
Добавки, используемые в примерах и перечисленные выше в таблице 1, представлены в таблице 2 следующим образом:
| Таблица 2 | |
| Номер добавки | Добавка |
| Добавка № 1 | Китайский смешанный сланец |
| Добавка № 2 | Сланец Байгуо (Baiguo) |
| Добавка № 3 | Сланец Суйгуаньин (Shuiguanyin) I |
| Добавка № 4 | Сланец Суйгуаньин (Shuiguanyin) II |
| Добавка № 5 | Сланец Хуоси (Huoshi) |
Представленную в таблице 1 исходную температуру разрушения при исследовании на динамическом сдвиговом реометре (DSR) измеряли в соответствии с руководством AASHTO T315. Степень разделения измеряли в соответствии со стандартом ASTM D-7173. Температуру размягчения измеряли в соответствии с руководством AASHTO T53. Исследование на реометре с изгибающейся балкой (BBR) осуществляли в соответствии со стандартом ASTM D 6648. Исследование при переменной величине деформации (Гц) измеряли в соответствии с руководством AASHTO TP 62-03, используя перечисленные значения температуры и частоты.
В случае диспергирования образцы изготавливали, объединяя добавки с натуральным асфальтом при различном процентном содержании по отношению к суммарной массе образца. В случае добавки, вводимой в количестве 5%, использовали 5% добавки, которую вводили в связующий материал. В 100 г связующего материала масса добавки составляла 5 г. Натуральный асфальт (PG 64-22) нагревали до температуры, составляющей от 165°C до 175°C. Добавку объединяли с асфальтом и перемешивали лопастью винта в течение 1 часа. После перемешивания образец выдерживали в печи при 163°C в течение 1 часа. Затем образец извлекали из печи и снова перемешивали лопастью винта в течение 30 минут. В каждом исследовании отбор проб осуществляли немедленно после перемешивания в течение 30 минут. Немедленный отбор проб важен для обеспечения однородности образцов.
Как можно видеть из результатов, представленных в таблице 1, модифицированные асфальтовые композиции, изготовленные технологическим способом согласно настоящему изобретению, имеют свойства и характеристики, которые отличают данные модифицированные асфальтовые композиции от модифицированных асфальтовых композиций, изготовленных традиционными способами, которые представляют собой простое диспергирование добавок в асфальтовом связующем материале.
Модифицированные асфальтовые связующие материалы, изготовленные согласно настоящему изобретению, являются особенно полезными для изготовления дорожных покрытий. Данные дорожные покрытия могут включать, но не ограничиваются этим, автомобильные дороги, аэропортовые взлетно-посадочные полосы, пешеходные дорожки, временные дороги, пути машинок для гольфа, противофильтрационные облицовки водоемов, покрытия захоронений отходов, асфальтовые основания и проезжие части мостов. Кроме того, модифицированные асфальтовые связующие композиции согласно настоящему изобретению целесообразно использовать для изготовления других асфальтовых изделий, помимо дорожных покрытий. Например, эти модифицированные асфальтовые связующие композиции можно использовать в кровельных приложениях.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, из представленного выше описания один специалист в данной области техники может легко оценить основные характеристики настоящего изобретения, а также разнообразные изменения и модификации, которые можно внести в соответствии с разнообразными применениями и характеристиками без отклонения от идеи и выхода за пределы объема настоящего изобретения, которое описано выше и определено в прилагаемой формуле изобретения.
1. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции, который включает:
выбор шаровой мельницы-мешалки;
введение асфальтового связующего материала в шаровую мельницу-мешалку, причем вышеупомянутый асфальтовый связующий материал включает натуральный асфальт;
введение по меньшей мере одной асфальтовой добавки в шаровую мельницу-мешалку;
введение массы мелющей среды в шаровую мельницу-мешалку;
последующее перемешивание асфальтового связующего материала, по меньшей мере одной асфальтовой добавки и мелющей среды в шаровой мельнице-мешалке в условиях нагревания, что вызывает перемешивающее, сдвигающее, ударное и измельчающее воздействие на смесь; и
извлечение модифицированной асфальтовой композиции, которая имеет улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичной смесью асфальта и добавки, изготовленной не в шаровой мельнице-мешалке.
2. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.1, в котором шаровая мельница-мешалка представляет собой мельницу тонкого помола.
3. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.1, в котором по меньшей мере одна асфальтовая добавка включает по меньшей мере один из материалов, таких как полимеры, гильсонит, сланец, щебень.
4. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.2, в котором по меньшей мере одна асфальтовая добавка включает по меньшей мере один из материалов, таких как полимеры, гильсонит, сланец, щебень.
5. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.2, в котором мельница тонкого помола включает перемешивающий стержень, который вращается со скоростью, составляющей от приблизительно 400 до приблизительно 500 об/мин.
6. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.2, в котором мельница тонкого помола включает перемешивающий стержень, который вращается со скоростью, составляющей по меньшей мере приблизительно 400 об/мин.
7. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.1, в котором суммарное количество асфальтовой добавки составляет от приблизительно 2 до приблизительно 90 мас.% по отношению к суммарной массе асфальтового связующего материала и асфальтовой добавки.
8. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.1, в котором суммарное количество асфальтовой добавки составляет от приблизительно 5 до приблизительно 28 мас.% по отношению к суммарной массе асфальтового связующего материала и асфальтовой добавки.
9. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.2, в котором суммарное количество асфальтовой добавки составляет от приблизительно 2 до приблизительно 90 мас.% по отношению к суммарной массе асфальтового связующего материала и асфальтовой добавки.
10. Способ изготовления модифицированной асфальтовой связующей композиции по п.2, в котором суммарное количество асфальтовой добавки составляет от приблизительно 5 до приблизительно 28 мас.% по отношению к суммарной массе асфальтового связующего материала и асфальтовой добавки.
11. Модифицированная асфальтовая связующая композиция, изготовленная способом по п.1.
12. Модифицированная асфальтовая связующая композиция, изготовленная способом по п.2.
13. Композиция для дорожного покрытия, которая включает модифицированную асфальтовую связующую композицию по п.1 и заполняющий материал.
14. Композиция для дорожного покрытия, которая включает модифицированную асфальтовую связующую композицию по п.2 и заполняющий материал.
