способ получения жидких битумов для приготовления холодных асфальтобетонных смесей

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ БИТУМОВ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ путем окисления продувкой воздухом нагретого нефтяного сырья с разжижителем, отличающийся тем, что в качестве разжижителя используют древесную смолу в количестве 3,0 - 4,5% от массы нефтяного сырья, которую вводят в нефтяное сырье непосредственно после начала его продувки воздухом, и окисление проводят при 150 - 165^oС в течение 60 - 90 мин.

Описание изобретения к патенту

Способ получения жидких битумов 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 [1].

Для приготовления жидких битумов применяются: битумохранилище и заборная насосная станция или агрегат (как для вязких битумов) с системой обогрева до рабочей температуры 60-90^оС; расходная емкость (типа Д-335А или типа Д-594) с насосной установкой производительностью 500-1000 л/мин (типа Д-379 или Д-171А), парообразователь передвижного типа (Д-563) [3]. Для приготовления жидких битумов класса МГ наиболее эффективны разжижители в виде тяжелых нефтепродуктов (беспарафинистого мазута), солярового масла и др.) [4] . Снижение стоимости жидких битумов может быть обеспечено применением кубовых остатков нефтепереработки [5]. Дефицит разжижителей - керосина, лигроина, солярового масла и др. резко ограничивает использование жидких битумов. С целью расширения ресурсов разжижителей было предложено масло, полученное из шин термическим их разложением при 350-800^оС, и отработанное трансформаторное масло [6].

Предлагаемые способы получения жидких битумов включают производство вязких битумов с последующим их разжижением различными разжижителями. Они весьма трудоемки, энергоемки и требуют дополнительного оборудования.

Общими недостатками получаемых жидких битумов кроме сказанных являются недостаточное сцепление их с минеральными материалами и малая устойчивость к старению.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения жидкого битума окислением нефтяного сырья с 10-15 мас.% долей каменноугольной смолы при 145-150^оС в течение 100-120 мин. Данный способ позволяет уменьшить трудоемкость и энергооемкость производства жидких битумов, улучшить сцепление с минеральными материалами, повысить устойчивость к старению, уменьшить слеживаемость холодных асфальтобетонных смесей. Однако рассматриваемый способ имеет и ряд недостатков - существенный расход каменноугольной смолы, к тому же перешедший в разряд дефицитных материалов, жидкий битум, полученный по этой технологии имеет все же недостаточное сцепление с минеральной частью, а холодный асфальтобетон - недостаточную водостойкость.

Достоинством изобретения является расширение ресурсов органического вяжущего, снижение массовой доли добавки в нефтяном сырье, повышение сцепления жидкого битума, полученного по предлагаемой технологии, с минеральной частью и водостойкости холодного асфальтобетона. Это достигается тем, что в способе получения жидких битумов для приготовления холодных асфальтобетонных смесей, включающем окисление продувкой воздухом нагретого нефтяного сырья с разжижителем, согласно изобретению в качестве разжижителя используют древесную смолу в количестве 3,0-4,5% от массы нефтяного сырья, которую вводят в нефтяное сырье сразу после начала его продувки воздухом, а окисление проводят при 150-165^оС в течение 60-90 мин.

На фиг. 1 представлена кинетика окисления нефтяного сырья с добавками древесной смолы в зависимости от времени окисления; на фиг.2 - зависимость прочности холодного асфальтобетона с применением жидкого битума с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с, от отношения щебня к высевкам и массовой доли битума; на фиг.3 - зависимость слеживаемости холодных асфальтобетонных смесей от отношения щебня к высевкам и массовой доли битума; на фиг.4 - зависимость прочности холодного асфальтобетона с применением жидкого битума с условной вязкостью, С₅⁶⁰ = 200 с, от отношения щебня к высевкам и массовой доли битума; на фиг.5 - зависимость слеживаемости холодных асфальтобетонных смесей от отношения щебня к высевкам и массовой доли битума.

П р и м е р. Для исследования были приняты: нефтяное сырье для производства вязких битумов, отвечающее требованиям ТУ 38-101582-75, древесная смола осадочная вареная Верхнесинячихинского лесохимзавода, соответствующая ТУ 13-4000177-67-85, марки Б, каменноугольное масло (ГОСТ 2770-59).

Приготовление жидких битумов производилось на лабораторной окислительной установке компрессорного типа СИ-204, с реактором емк. 4 л. Расход воздуха 1,5 л/кгмин. Обезвоженное нефтяное сырье, нагретое до 160^оС, помещалось в реактор. Включался компрессор. После начала работы компрессора в течение 10-15 мин вводится необезвоженная древесная смола непосредственно в реактор на поверхность нефтяного сырья. Время совместного окисления принято в минутах.

Интенсивность окислительных процессов зависит от двух факторов - температуры окисления и массовой доли древесной смолы в нефтяном сырье. Поисковыми исследованиями установлено, что минимальной температурой окисления является 150^оС. При данной температуре начинают проявляться окислительные процессы при наличии в нефтяном сырье древесной смолы. Эта температура, при которой наблюдается рост условной вязкости, обеспечивающий возможность получения жидкого битума. Также установлено, что 3% массовая доля древесной смолы в нефтяном сырье является минимальной добавкой, при которой наблюдается ощутимый эффект, как в получении необходимой условной вязкости жидкого битума, так и в улучшении его качества и холодного асфальтобетона.

Максимальная температура окисления - 180^оС принята из условия протекания минимальных окислительных процессов в нефтяном сырье. Ибо наша задача "выбрать" реакционноспособные элементы в нефтяном сырье древесной смолой, при этом температура не должна провоцировать интенсивное образование новых реакционноспособных элементов. Максимальная доля древесной смолы в нефтяном сырье принята 6%. Увеличение этой доли приводит к настолько бурному росту вязкости, что получить жидкий битум не представляется возможным. Если прервать процесс окисления на более ранней стадии, то жидкое вяжущее будет перенасыщено реакционноспособными элементами древесной смолы, которые будут "работать" и в покрытии, вызывая тем самым преждевременное его старение.

Таким образом, принято:

Z₁ - температура окисления композиции - нефтяное сырье + древесная смола;

Z₁^min = 150^оС; Z₁^max = 180^оС;

Z₂ - массовая доля древесной смолы в нефтяном сырье, %.

Z₂^min = 3%; Z₂^max = 6%.

Для проведения эксперимента было принято 2-х факторное планирование эксперимента.

Центр плана

Z₁= = = 165C

Z₂= = = 4,5%

Интервал варьирования

Z₁= = = 15C

Z₂= = = 1,5%

Закодированные переменные

X₁= =

X₂= =

Матрица эксперимента приведена в табл.1.

В соответствии с матрицей эксперимента проведены 5 окислений нефтяного сырья с добавками древесной смолы. Кинетика их окисления приведена на фиг. 1. Номера кривых соответствуют номерам опыта. Для обоснования нижнего предела температуры окисления было проведено окисление нефтяного сырья при 150^оС (кр.6 фиг.1).

Характеры кривых 1, 6 практически идентичны. Из них следует, что 3%-ная добавка древесной смолы оказывает незначительное влияние на скорость окисления нефтяного сырья, т.е. та минимальная добавка, с величины которой изменяется скорость окисления нефтяного сырья. Увеличение массовой доли древесной смолы в нефтяном сырье в 2 раза (с 3 до 6%) при температуре окисления 150^оС изменяет характер кривой. За период 30-60 мин окисления наблюдается падение условной вязкости за счет разжижающего воздействия древесной смолы; за период 60-90 мин - некоторая интенсификация процесса, а по истечении 90 мин происходит существенное ускорение его. Последнее свидетельствует о наличии большого количества реакционноспособных элементов, нейтрализация которых достигается по истечение 150 мин окисления. Далее кривая более полога. Прервать процесс окисления ранее 150 мин, значит оставить "работать" реакционноспособные элементы древесной смолы уже в покрытии, что вызовет преждевременное его старение, а позже получить битум с повышенной условной вязкостью.

Кривая 2, 4 (фиг.1) свидетельствует об интенсивных процессах окисления, что приводит к резкому росту условной вязкости, и затруднению получения жидкого битума. Ибо древесная смола при 180^оС существенно инициирует процесс окисления нефтяного сырья и прервав на ранней стадии приведет к продолжению его при приготовлении смеси и в покрытии. Поэтому верхним пределом массовой доли жидкого битума будет 4,5% при 165^оС (кр.5). Именно при этом режиме достигается максимально возможная условная вязкость жидкого битума С₅⁶⁰ = 200 с. Большая массовая доля древесной смолы или повышение температуры окисления неминуемо приведет к росту условной вязкости и она выйдет за пределы ГОСТа. Таким образом, для производства жидких битумов оптимален температурный режим 150-165^оС, а массовая доля древесной смолы 3-4,5%. Исследование влияния каменноугольной и древесной смол на показатель сцепления жидких битумов, полученных по предлагаемой технологии и имеющих примерно одинаковую условную вязкость, проводились по методу, основанному на способности некоторых красителей избирательно адсорбироваться из водных растворов на минеральной части поверхности, не адсорбируясь на битуме. В качестве красителя принят метиленовый голубой.

В табл.2 приведены показатели сцепления жидких битумов, содержащих различное количество добавок, с минеральными материалами:

а) мрамор карьера Зестофони карьероуправления Грузии, характеризующийся следующим составом: М_д = 0,47%, С_оО - 98,85%, нерастворимый осадок - 0,68%;

б) гранит составил: О₂ - 37%, калий - 51%, Х - 12%.

Показатель сцепления жидкого битума с минеральной частью приведен в табл.2.

Как видно из табл.2, жидкие битумы полученные с древесной смолой имеют более высокий показатель сцепления, чем жидкие битумы с каменноугольной смолой.

Исследование физико-механических свойств холодных асфальтобетонов проводилось с применением местных материалов Екатеринбургской области.

Наименование материалов и гранулометрический состав представлен в табл. 3.

Подбор составов холодной асфальтобетонной смеси приведен с использованием метода математического планирования. Наиболее приемлемым для наших исследований являются В_п планы. В качестве переменных двухфакторного эксперимента приняты:

Z₁ - отношение щебня к высевкам;

Z₁^min = 40/60; Z₁^max = 70/30;

Z₂ - массовая доля жидкого битума в асфальтобетонной смеси.

Для исследования были приняты два битума с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с (инд.1) и С₅⁶⁰ = 200 с (инд.5).

Принимаем нижний уровень 3,5%, верхний - 6,5%.

Матрица эксперимента приведена в табл.4.

В соответствии с матрицей эксперимента были изготовлены образцы из холодной асфальтобетонной смеси на жидком битуме (инд.1) и испытаны в соответствии с частью требований ГОСТ 9128-84. Результаты испытаний приведены в табл.5.

Физико-механические свойства холодного асфальтобетона, приготовленного на жидком битуме (инд. 1) с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с приведены в табл.5.

Установлена зависимость между составом асфальтобетонной смеси с пределом прочности асфальтобетона при сжатии при +20^оС (R₂₀) с помощью уравнения регрессии

Y = В_о + В₁Х₁ + В₂Х₂ + В₁₁Х₁² + В₂₂Х₂²+

+ В₁₂Х₁Х₂ (1)

Расчетные значения R₂₀ представлены на фиг.2 в виде зависимостей от минерального состава и массовой доли жидкого битума с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с.

На фиг. 3 представлена зависимость слеживаемости холодного асфальтобетона от гранулометрического состава минеральной части и массовой доли жидкого битума (инд. 1) с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с. Таким образом, при использовании жидкого битума, полученного окислением нефтяного сырья с 3% добавкой древесной смолы, с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 150 с возможно получение холодного асфальтобетона, отвечающего требованиям ГОСТ 9128-84 для I и II марок по прочности, водостойкости, слеживаемости, водонасыщению и набуханию при расходе битума в пределах 3,5-4%.

Проведено исследование физико-механических свойств холодного асфальтобетона, полученного на жидком битуме, окислением нефтяного сырья с 4,5% добавкой древесной смолы при 165^оС в течение 90 мин. Условная вязкость жидкого битума С₅⁶⁰ = 200 с, т.е. верхний предел условной вязкости по требованию ГОСТ 22245-76. В соответствии с матрицей эксперимента, табл.4, были изготовлены образцы из холодной асфальтобетонной смеси и испытаны в соответствии с требованиями ГОСТ 9128-84.

Результаты испытаний приведены в табл.6.

Установлена зависимость между составом смеси, расходом жидкого битума и пределом прочности (R₂₀) с помощью уравнения регрессии (1). Полученные расчетные значения R₂₀, выступающие, как функция отклика двух переменных - отношения щебня к высевкам и массовой доли жидкого битума, полученного окислением нефтяного сырья с 4,5% древесной смолы в течение 90 мин при 165^оС представлены на фиг.4.

Физико-механические свойства холодного асфальтобетона, приготовленного на жидком битуме с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 200 с приведены в табл.6.

Графическая зависимость слеживаемости холодных асфальтобетонных смесей от их грансостава и массовой доли жидкого битума (С₅⁶⁰ = 200 с) представлена на фиг.5.

Из приведенных данных следует, что при использовании жидкого битума, полученного окислением нефтяного сырья с 4,5% добавкой древесной смолы, с условной вязкостью С₅⁶⁰ = 200 возможно получение холодного асфальтобетона, отвечающего требованиям ГОСТ 9128-84 для I и II марок.

Таким образом, определялись оптимальные области составов холодных асфальтобетонных смесей при различных условных вязкостях жидких битумов.

С целью проверки полученных данных и сопоставления их с холодными асфальтобетонами, приготовленными на жидких битумах с использованием каменноугольных смол, были приготовлены холодные смеси на разных жидких битумах, но на одинаковых гранулометрических составах. Результаты испытаний представлены в табл.7.

Из приведенных в табл.7 данных видно, что водостойкость асфальтобетона, приготовленного на жидком битуме, полученном окислением нефтяного сырья с добавкой древесной смолы, выше, чем у холодного асфальтобетона приготовленного на жидком битуме, полученном окислением нефтяного сырья с добавкой каменноугольной смолы.

Таким образом, предлагаемый способ получения жидкого битума позволяет расширить ресурсы органического вяжущего, вовлечь в производство отходы лесохимических заводов - древесную смолу. Уменьшается ее расход в сравнении с каменноугольной смолой более, чем в 3 раза. Существенно возрастает сцепление жидкого битума, полученного с древесной смолой, с минеральной частью в сравнении с аналогичным показателем жидкого битума полученного по сопоставимой технологии. Возрастает и водостойкость холодного асфальтобетона.