способ приготовления смеси измельченного минерального материала с битуминозным вяжущим

Формула изобретения

Способ приготовления смеси измельченного минерального материала с битуминозным вяжущим, включающий вспенивание нагретого вяжущего путем введения вспенивающего агента и последующее смешение вспененного вяжущего с измельченным материалом, отличающийся тем, что в качестве вспенивающего агента используют выделяющие при нагревании газы карбонат или гидрокарбонат аммония или натрия в количестве 0,1 3,0% от массы вяжущего или его водный раствор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии смешивания твердых материалов и вязких жидкостей, таких как битумы или пеки, и может быть использовано для приготовления битумоминеральных смесей при дорожном строительстве, смесей для получения брикетов и электродов.

Для получения качества смесей измельченных материалов с битумами и пеками /вяжущими/, сокращения энергозатрат и времени перемешивания измельченные материалы смешивают со вспененным вяжущим. Вспенивание увеличивает объем вяжущего, снижает его вязкость, что приводит к повышению эффективности процесса смешивания. Вспенивание производят путем введения в вяжущее вспенивающих агентов, в качестве которых предложено использовать воду, легколетучие жидкости, водяной пар, различные газы. На практике используют лишь воду и насыщенный водяной пар, так как продувание через нагретое вяжущее перегретого водяного пара и различных газов /N₂, CO₂, воздуха/ не вызывает образование пены.

Известен способ приготовления битумоминеральной смеси, заключающийся в том, что минеральный материал увлажняется до 12-14% и смешивается с горячим битумом. Вода, содержащаяся в минеральном материале, попадает при этом в горячий битум, испаряется и образовавшийся пар вызывает вспенивание битума.

Недостатком известного способа является то, что вспенивается лишь часть битума, а образовавшаяся пена быстро гаснет, так как при контакте с холодным материалом вяжущее остывает и не может обеспечить интенсивного испарения воды и, следовательно, хорошее смешивание вяжущего с измельченным материалом.

Известен способ приготовления смеси минерального наполнителя со вспененным битумом, по которому вспенивание битума производят насыщенным водяным паром. Горячий битум и насыщенный водяной пар одновременно подают в распыляющую форсунку, где битум при контакте с паром вспенивается. Вспененный битум из наконечника форсунки подается на минеральный материал и перемешивается с ним.

Для вспенивания битума по известному способу необходим насыщенный водяной пар, так как пар, не содержащий конденсад /воду/, не вызывает вспенивание битума. Равномерная подача конденсата с потоком пара низкого давления затруднена, что приводит к неравномерному вспениванию битума и вследствие этого к низкому качеству смеси.

Известен способ, по которому нагретый битум и воду в соотношении 50/1 одновременно подают в форсунку специальной конструкции. Вода при контакте с горячим битумом испаряется и образовавшийся водяной пар вспенивает битум. Вспененный битум подают в мешалку с минеральным материалом и смешивают их.

Использование в качестве вспенивающего агента воды обеспечивает равномерное вспенивание битума, благодаря чему повышается качество смешивания, однако битумная пена, в ячейках которой находится водяной пар, полностью гаснет при охлаждении ее ниже 100^oC за счет конденсации пара, что затрудняет использование способа для смешивания с холодными материалами. Кроме того, известный способ не может быть использован в технологиях, не допускающих увлажнение материалов смеси.

Описан способ, согласно которому битум, нагретый до 120 -160^oC,вспенивают 4-8 мас. воды, подвергают воздействию электростатического поля напряженностью 400 1000 В/см и перемешивают с минеральным материалом.

Недостаток известного способа заключается в использовании электростатического поля с высокой напряженностью 400 1000 В/см, что увеличивает расход электроэнергии и значительно удорожает технологию получения асфальтобетонной смеси. Кроме этого, при использовании электродов повышается пожароопасность производства.

Согласно другому известному способу, принятому за прототип, гудрон нагревают до 200 300^oC и вспенивают путем введения отхода производства фосфорной кислоты влажного фосфогипса в количестве 5 12% от массы гудрона.

Недостаток известного способа /прототипа/ связан с применением высоких температур /200 300 ^oC/, что значительно повышает энергетические затраты. Испарение связанной кристаллизационной воды в фосфогипсе происходит неравномерно и это существенно понижает кратность и стабильность пены.

Задачей предлагаемого способа является повышение эффективности при смешивании с холодными материалами за счет обеспечения пенообразования при более низких температурах и увеличении стабильности пены.

Задача решается за счет того, что в способе приготовления смесей измельченного минерального материала с битуминозным вяжущим, включающим вспенивание нагретого вяжущего путем введения вспенивающего агента и последующее смешение вспененного вяжущего с измельченным материалом, в качестве вспенивающего агента используют выделяющие при нагревании газы карбонат или гидрокарбонат аммония, или натрия в количестве 0,10 3,0% от массы вяжущего, или его водный раствор.

В качестве газообразователей используют недорогие доступные вещества, разлагающиеся при нагревании с выделением значительных объемов газа, не причиняющего вреда обслуживающему персоналу и окружающей среде. Этим требованиям удовлетворяют карбонаты и гидрокарбонаты аммония щелочных и щелочно-земельных металлов. При нагревании эти вещества разлагаются с образованием газов по следующим реакциям:



В водных растворах параллельно с этими реакциями протекает гидролиз, в результате которого выделяются также аммиак и углекислота:



Аммиак и углекислота не конденсируется /в отличие от паров воды/ при снижении температуры ниже 100 ^oС, что позволяет многократно увеличить время жизни пены и за счет этого повысить эффективность ее использования.

Разложение таких газообразователей, как карбонат и гидрокарбонат аммония, начинается при 40 60 ^oС, поэтому их использование обеспечивает вспенивание вяжущего при более низких температурах, что приводит к повышению качества /равномерности/ смешивания с холодным наполнителем вяжущего материала.

Использование растворов газообразователей обеспечивает технологичность введения их в вяжущее и некоторое замедление начала газовыделения, что предотвращает преждевременное вспенивание вяжущего. Преждевременное интенсивное вспенивание может привести к резкому повышению давления в аппарате для смешивания воды /водного раствора/ с вяжущим и забиванию вследствие этого линии подачи воды /раствора/ вяжущим. Следует отметить, что водные растворы карбонатов и гидрокарбонатов достаточно стабильны и могут храниться без нагревания в течение нескольких дней.

Количество газообразователя /вспенивателя/ определяется в каждом случае отдельно взависимости от условий производства и свойств газообразователя. Так, при использовании в качестве газообразователя карбоната аммония, для 2 3-х кратного увеличения объема вяжущего в соответствии с уравнением /1/ достаточно ввести в него 0,1 мас. /от массы вяжущего/ этого вещества; 5-кратного 0,5 мас. В целом, верхний предел может быть ограничен количеством, обеспечивающим 15 30-кратное увеличение объема вяжущего, т.е. 1,5 3,0 мас. газообразователя. При введении газообразователя в летучей жидкости и воде в виде раствора количество газообразователя может быть уменьшено.

Для экспериментальной проверки заявляемого способа было проведено смешивание битума марки БНД 90/130 с измельченным минеральном материалом. В качестве минерального материала использовали дробленый щебень размером частиц 0 25 мм и влажностью 4% Количество битума во всех опытах составляло 5,6 мас. в расчете на сухой материал.

Для опытов использовали лабораторный смеситель, представляющий собой емкость объемом 5 л, снабженную наружным электрообогревом и электромеханической мешалкой со скоростью 30 об./мин.

Оценку качества смешивания проводили путем сравнения значений средних отклонений результатов пяти определений количества вяжущего в каждой смеси.

где

-средние отклонение;

_i-количество вяжущего в каждой пробе смеси, мас.

Чем меньше значение отклонения, тем более равномерно распределено вяжущее в смеси, т.е. тем выше качество смешивания.

Содержание вяжущего в смеси определяли по ГОСТ 12961-84.

Пример 1 /известный способ/. В смеситель загружали 2460 г минерального материала /температура материала 20 23 ^oC/. В металлический стакан заливали 150 г расплавленного битума, нагревали его до 160^oC, после чего в него добавляли 4,5 мл воды /3% от вяжущего/, перемешивали в течение 2 3 с. Одновременно включали мешалку смесителя и медленно вливали в него /в течение 15 20 с/ 144 г вспенивающегося битума /5,6% вяжущего в расчете на сухой минеральный материал/ и перемешивали еще 5 мин. Из полученной смеси методом квартования отбирали 5 проб по 100 г для определения содержания битума. Результаты определения приведены в табл. 1 /опыт 1/.

Пример 2 /заявляемый способ/. В смеситель загружали 2400 г минерального материала /температура материала 20 23 ^oC/, в металлический стакан заливали 150 г /3% от массы битума/ карбоната аммония, перемешивали в течение 2 3 с и выливали 144 г вспенивающей массы на перемешиваемый минеральный материал. Через 5 мин перемешивание прекращали и из смеси отбирали 5 проб для определения содержания битума.

В условиях примера 2 меняли количество газообразователя до 1,5 г /1% от массы битума/. Результаты определений приведены в табл. 1 /опыты 2 и 3/.

Пример 3 /заявляемый способ/. В смеситель загружали 2460 г минерального материала. В стакан заливали 160 г расплавленного битума, нагретого до 160^oC, добавляли 4,5 мл 5% -ного водного раствора гидрокарбоната натрия /0,15% от массы вяжущего/ и далее поступали, как описано в примере 2. Результаты определений представлены в табл. 1 /опыт 4/.

Пример 4 /заявляемый способ/. В смеситель загружали 2460 г минерального материала комнатной температуры, добавляли 80 мл 5%-ного водного раствора гидрокарбоната аммония /3% гидрокарбоната от массы битума /, смешивали и нагревали минеральный материал до 35 ^oC. Затем к минеральному материалу добавляли 140 г битума, нагретого до 160 ^oC, и перемешивали их в течение 5 мин, после чего отбирали 5 проб смеси /по 50 г/ и определяли содержание в них битума, табл. 1 /опыт 5/.

Из табл. 1 видно, что по сравнению с известным способом при использовании в качестве вспенивающих агентов газообразователей качество смешивания при прочих равных условиях значительно улучшается / 1,85, известный способ/, / 0,38 0,96, заявляемый способ/.

Пример 5. В смеситель загружали 970 г угольной шихты, содержащей угля марки СС 80% K₂ 20% класс 0 3 мм 100% W^a 5% зольность 9,5% выход летучих 23% В металлический стакан заливали 30 г нефтяного связующего, имеющего следующую характеристику: температура 45^oC, плотность при 20^oC 1,021 г/см ³, вязкость при 100^oC 25 пуаз, выход летучих 88 содержание серы 2,8% зольность 0,1% температура самовоспламенения 280 ^oC. Связующие нагревали до 160^oC и добавляли 0,9 г /3% от массы связующего/ карбоната аммония, перемешивали в течение 2 3 с и выливали вспенивающую массу на угольную шихту. Через 5 мин перемешивание прекращали и полученную смесь пресcовали на гидравлическом прессе под давлением 20 МПа/см². Брикеты имеют гидравлическую форму с площадью поперечного сечения 19,6 см², масса брикета 100 г. Полученные брикеты подвергали испытанию на сжатие и сбрасывание.

Аналогично получали брикеты при различном расходе связующего /3 5%/ и газообразователя /0,1 3% от массы вяжущего/ карбоната аммония и натрия. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Как видно, прочность брикетов увеличивается с повышением кратности пены и расхода газообразователя. Характеристика брикетов приведена ниже.

Кажущийся удельный вес 1,19 1,20 г/см³

Влажность 2,5 3,0%

Водопоглощение 1,2 1,5%

Теплотворная способность /на горячую массу/ 7320 7680 ккал/кг

Пример 6. В смеситель загружали 1000 г угольной шихты, состав которой приведен выше /пример 5/. В металлический стакан заливали 31 г нефтяного связывающего, характеристика которого приведена в примере 5, нагретого до 160 ^oC, добавляли 0,65% мл 5%-ного водного раствора /0,1% от массы вяжущего/ и далее получали брикеты, как в примере 5. Результаты получения брикетов при различном содержании связующего в шихте и расходе гидрокарбоната натрия сведены в табл. 3. Из табл. 3 следует, что прочность брикетов понижается с уменьшением кратности пены и расхода газообразователя и несколько ниже по сравнению с использованием безводного газообразователя, табл. 2.

Пример 7. В смеситель загружали 2400 г минерального материала при 20^oС, а в металлический стакан заливали 150 г битума БНД 60/90, нагревали его до 160^oС и добавляли 4,5 г /3% от массы битума/ карбоната аммония, перемешивали в течение 2-3 с и выливали вспенившуюся массу на перемешиваемый минеральный материал. Через 5 мин перемешивание прекращали и полученную смесь для испытаний формовали при температуре смешивания минерального материала со вспененным битумом. Полученную асфальтобетонную смесь испытывали по ГОСТ 12801-83. Температуру наполнителя перед смешиванием с битумом изменяли от 50 до 160^oС. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Как видно, предел прочности при сжатии асфальтобетонной смеси со вспененным битумом выше, чем с невспененным, и несколько увеличивается при повышении температуры смешивания минерального материала со вспененным битумом.

Пример 8. В смеситель загружали 2460 г минерального материала. В стакан заливали 150 г расплавленного битума, нагревали до 160^oС, добавляли 4,5 мл 5% -ного водного раствора гидрокарбоната натрия /0,15% от массы вяжущего/ и далее испытания проводили, как в примере 7. Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Как видно, предел прочности при сжатии асфальтобетонной смеси со вспененным битумом при температуре смешивания 90^oС и ниже выше, чем с вспененным битумом, а при температуре смешивания выше 90^oС, напротив, ниже. Кроме того, показатель прочности при сжатии при температуре 90^oС и ниже при добавке в вяжущее водного раствора газообразователя выше, чем при добавке к нему тонкодисперсного порошка этого же газообразователя.

Предлагаемый способ имеет преимущества по сравнению с известным способом /прототипом/, заключающиеся в возможности пенообразования при более низких температурах, увеличения стабильности и кратности пены, в более высоком качестве /равномерности/ смешивания вспененного битума с твердыми материалами, возможности смешивания битума с холодными твердыми материалами, что значительно уменьшает энергетические затраты и повышает эффективность способа. Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет устранить возможности выброса реакционной массы /битума/ из аппарата за счет равномерности вспенивания и уменьшить выбросы загрязнений в окружающую среду и увеличить безопасность производства.