твердый состав, содержащий твердые частицы и связующее вещество, способ его получения, элемент конструкции и конструкция

Формула изобретения

1. Твердый состав, имеющий сопротивление изгибу, по меньшей мере, 0,5 Н/мм², который содержит 70-99 мас. % твердых частиц и 30-1 мас. % углеводородного связующего, включающего в расчете на все связующее (i) 15-95 мас. % асфальтенов, которые содержат, по меньшей мере, 60 мас. % ароматического углерода и (ii) 5-85 мас. % дополнительных углеводородов, при условии, что твердые частицы являются не только частицами углерода.

2. Состав по п. 1, который имеет сопротивление изгибу, по меньшей мере, 3 Н/мм².

3. Состав по п. 1 или 2, в котором углеводородное связующее имеет проницаемость самое большое 10 дмм.

4. Состав по любому из пп. 1-3, в котором углеводородное связующее состоит из продукта, полученного в результате термического крекинга углеводородов.

5. Состав по любому из пп. 1-4, в котором углеводородное связующее состоит из продукта, полученного путем предварительного нагревания углеводородного масла до температуры 350-500^oС, выдерживания предварительно нагретого масла в таких условиях, которые вызывают термический крекинг, с последующим отделением одной или нескольких легких фракций.

6. Состав по любому из пп. 1-5, который включает 1-100 мас. % кремния в расчете на количество твердых частиц.

7. Состав по любому из пп. 1-6 для создания конструкций.

8. Способ получения твердого состава по любому из пп. 1-6, включающий смешивание 70-99 мас. % твердых частиц и 30-1 мас. % расплавленного углеводородного связующего, содержащего в расчете на общее количество связующего (i) 15-95 мас. % асфальтенов, которые содержат, по меньшей мере, 60 мас. % ароматического углерода и (ii) 5-85 мас. % дополнительных углеводородов и затвердевание образующейся смеси, при условии, что твердые частицы являются не только частицами углерода.

9. Элемент конструкции, включающий состав по любому из пп. 1-6.

10. Элемент конструкции по п. 9, который имеет наибольшие размеры 1 м на 1 м на 2 м.

11. Конструкция, содержащая элементы конструкции по п. 9 или 10.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к твердым составам, содержащим твердые частицы и углеводородное связующее. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения такого состава, к его применению в конструкции, в элементе конструкции, содержащем такой состав, и к конструкции, содержащей такие конструкционные элементы.

Известно, что для того, чтобы смешать частицы углерода, такие, как нефтяной кокс, технический углерод или антрацит, со связующими материалами, такими, как каменноугольный пек и нефтяной пек, используют формование таких смесей или прессование и спекание смесей в печах при температурах в диапазоне 8-1400^oС (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,3 rd. edition, volume 4, page 557).

Патент США А-4961837 описывает нефтяной пек для связывания технического углерода в производстве электродов для алюминиевой и сталелитейной промышленности, нефтяной пек, который был получен предварительным нагреванием исходного сырья, его загрузкой в нагревательный колодец таким образом, чтобы активировать конденсацию и полимеризацию, и отделением нефтяного асфальтового пека такого качества, которое пригодно для применения его в качестве связующего вещества в производстве электродов.

Информация, содержащаяся в обоих документах, ограничена применением этих связующих с частицами углерода.

Патент США А-5759250 описывает применение очень твердого битумного связующего для нижних слоев дорожных покрытий. Битум предпочтительно является смесью, полученной из твердой битумной основы, получаемой прямой перегонкой и имеющей проницаемость от 15 до 25, и тяжелой фракции, получаемой перегонкой сырой нефти, или продуктов, получаемых каталитическим или термическим крекингом. Констатируется, что эти битумные связующие могут использоваться только для нижних слоем дорожных покрытий, поскольку они не обладают достаточными связующими свойствами, и асфальт, полученный из них, не представляет собой замкнутую гладкую поверхность без отверстий и неровностей. Кроме того, описывается, что эти лежащие в основании слои должны быть покрыты верхним слоем для того, чтобы обеспечить хорошую термическую защиту.

Неожиданно заявители нашли связующие вещества, которые могут быть твердыми и в то же время иметь хорошие адгезионные свойства.

Выложенная заявка на патент Японии 61-89215 описывает метод селективного отделения высокомолекулярного полициклического ароматического полимера от нефтяного остатка, полученного термическим крекингом нафты. Указывается, что полученный полимер применим в качестве вспомогательного материала для прессовочного песка, чтобы преодолеть недостатки существующего кварцевого порошка.

Лучшей моделью связывающего действия при прессовании песка является модель связывания "заклинивание-и-блокирование" на поверхности частиц. Связывающее действие не является склеивающим или адгезивным, заставляющим частицы сцепляться друг с другом (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3nd edition, v. 6, p. 213). Следовательно, сопротивление изгибу прессовочного песка достигает 0 Н/мм². Составы согласно настоящему изобретению отличаются от прессовочных песков тем, что они имеют сопротивление изгибу, по меньшей мере, 0.5 Н/мм².

Твердые составы согласно настоящему изобретению имеют сопротивление изгибу, по меньшей мере, 0.5 Н/мм² и включают от 70 до 99 мас.% твердых частиц и от 30 до 1 мас.% углеводородного связующего, содержащего в расчете на общее количество связующего (i) от 15 до 95 мас.% асфальтенов, которые содержат, по меньшей мере, 60 мас.% ароматического углерода и (ii) от 5 до 85 мас. % дополнительных углеводородов, при условии, что твердые частицы являются не только частицами углерода.

Количества твердых частиц и углеводородного связующего приведены в расчете на общее количество состава.

Углеводородные связующие согласно настоящему изобретению, как правило, считаются отходами. Полагают, что обычно они непригодны для какого-либо иного применения, чем связующий материал анода или часть жидкого топлива.

Неожиданно было обнаружено, что составы согласно настоящему изобретению имеют хорошее сопротивление изгибу. Кроме того, обнаружено, что составы согласно настоящему изобретению относительно хорошо сохраняют свое сопротивление изгибу после воздействия воды, необязательно, содержащей соль и/или кислоту.

Более того, было найдено, что составы согласно настоящему изобретению могут быть выполнены более твердыми путем их выдерживания при повышенных температурах или путем специальной тепловой обработки или содержанием их при повышенной температуре в процессе производства и/или хранения в горячем состоянии. Более того, было найдено, что это повышает сопротивление составов изгибу.

Сопротивление изгибу измеряют в соответствии с NEN 7014, "Nederlands Normalisatie Instituut", 2^nd edition, 8/1974.

Количество асфальтенов в углеводородном связующем определяют в соответствии с IP 143/96.

Процент ароматического углерода, присутствующего в асфальтенах, измеряют отделением асфальтенов, как описано в IP 143/96, растворяя образец асфальтенов в дисульфиде углерода или в хлороформе, и оценивая процент ароматического углерода с помощью ¹Н- и ¹³С-ЯМР.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения состава согласно настоящему изобретению, который включает смешивание от 70 до 99 мас. % твердых частиц и от 30 до 1 мас.% расплавленного углеводородного связующего, содержащего в расчете на общее количество связующего: (i) от 15 до 95 мас. % асфальтенов, которые содержат, по меньшей мере, 60 мас.% ароматического углерода и (ii) от 5 до 85 мас.% дополнительных углеводородов, при условии, что твердые частицы являются не только частицами углерода, давая возможность образующейся смеси затвердеть.

Кроме того, настоящее изобретение относится к применению состава согласно изобретению в конструкции, к элементу конструкции, содержащему такой состав и к конструкции, содержащей такие элементы конструкции.

Твердый состав согласно настоящему изобретению включает углеводородное связующее, которое содержит от 15 до 95% асфальтенов в расчете на общее количество связующего, как определено в соответствии с IP 143/96. Асфальтены включают атомы водорода, углерода и, возможно, другие атомы. Асфальтены могут содержать до 15 мас.% атомов, отличных от атомов водорода и углерода, в частности - атомы серы, азота и кислорода, предпочтительно до 12 мас.%, наиболее предпочтительно до 10 мас.% в расчете на количество асфальтенов.

Углеводородное связующее включает от 5 до 85 мас.% дополнительных углеводородов. Дополнительными углеводородами являются иные, чем асфальтены, соединения, определяемые в соответствии с IP 143/96. Дополнительные углеводороды содержат атомы водорода, углерода и, возможно, другие атомы. Как правило, дополнительные углеводороды могут содержать до 15 мас.%, атомов отличных от атомов водорода и углерода, в частности - атомы серы, азота и кислорода, предпочтительно до 12 мас.%, наиболее предпочтительно до 10 мас.% в расчете на количество дополнительных углеводородов.

Предпочтительно связующее содержит, по меньшей мере, 20 мас.% асфальтенов в расчете на общее количество связующего. Более предпочтительно углеводородное связующее содержит, по меньшей мере, 25 мас.% асфальтенов. Количество асфальтенов достигает до 95 мас.%, предпочтительно до 70 мас.%, более предпочтительно, до 60 мас.%, наиболее предпочтительно, до 50 мас.%, еще более предпочтительно до 45 мас%., самое предпочтительное до 40 мас.%. Остальную часть углеводородного связующего составляют дополнительные углеводороды.

Углеводородное связующее состоит не только из углерода, получаемого после полной карбонизации, например, путем тепловой обработки каменноугольной смолы или остаточной фракции термического крекинга.

Каменноугольный пек отличается от данного углеводородного связующего тем, что он содержит ограниченное количество асфальтенов. Количество асфальтенов в каменноугольном пеке обычно составляет менее чем 10 мас.%. Кроме того, каменноугольный пек включает значительные количества вредных полиароматических соединений, содержащих 4 или 5 ароматических колец. Связующее согласно настоящему изобретению, как правило, будет включать очень ограниченное количество полиароматических соединений, содержащих 4 или 5 ароматических колец. Как правило, связующее согласно настоящему изобретению будет включать менее чем 2 мас.% вредных полиароматических соединений, содержащих 4 или 5 ароматических колец, в частности менее чем 1 мас.%, предпочтительно менее чем 0.5 мас.%. Количество этих полиароматических соединений определяют по количеству связующего и измеряют газовой хроматографией высокого разрешения, как описано в статье J. Blomberg et al.. Journal of Chromatography A, 849 (1999), 483-494.

Углеводородное связующее присутствует в количестве от 1 до 30% масс. Предпочтительно оно присутствует в количестве, по меньшей мере, 2 мас.%, более предпочтительно в количестве по меньшей мере, 3 мас.%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 4 мас.%. Предпочтительно углеводородное связующее присутствует в количестве до 15 мас.%, более предпочтительно до 10 мас.%, наиболее предпочтительно до 8 мас.%.

Желательно, чтобы углеводородное связующее было твердым при 20^oС и ниже. Как правило, оно имеет вязко-эластичный характер, такой, который позволяет измерить его проницаемость в соответствии с ASTM (американским стандартным методом испытаний) D5 при 25^oС. Предпочтительно углеводородное связующее имеет проницаемость до 30 дмм при 25^oС, более предпочтительно до 20, наиболее предпочтительно до 15, еще более предпочтительно до 10 дмм, самое предпочтительное менее чем 10 дмм. Кроме того, углеводородное связующее предпочтительно имеет проницаемость, по меньшей мере, 0.1 дмм при 25^oС, более предпочтительно, по меньшей мере, 1 дмм, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 2 дмм, самое предпочтительное, по меньшей мере, 4 дмм.

Значения проницаемости ниже 2 дмм могут быть оценены измерением при 40^oС и последующей экстраполяцией результатов.

Углеводородное связующее согласно настоящему изобретению предпочтительно имеет точку размягчения, измеряемую в соответствии с методом кольца и шара ASTM D36, до 160^oС, более предпочтительно до 150^oС, еще более предпочтительно до 120^oС и самое предпочтительное до 100^oС.

Углеводородное связующее может быть получено любым способом, очевидным для специалиста в этой области и обеспечивающим соответствие полученного связующего требованиям, предъявляемым к нему.

Углеводородное связующее может быть получено термическим крекингом углеводородов. Предпочтительно остаточную углеводородную фракцию подвергают термическому крекингу. Продукты термического крекинга могут использоваться как таковые или в комбинации с любой другой углеводородной фракцией до тех пор, пока они соответствуют предъявляемым к ним требованиям.

Предпочтительно углеводородное связующее состоит, по меньшей мере, частично из продукта, полученного термическим крекингом углеводородов. Наиболее предпочтительно углеводородное связующее состоит из продукта, полученного термическим крекингом углеводородов. Несмотря на то, что в таком случае может быть использована часть продукта термического крекинга, связующее содержит только подвергнутый термическому крекингу продукт.

Термический крекинг предпочтительно проводят путем предварительного нагревания углеводородной фракции до температуры от 350^oС до 500^oС, выдерживания предварительно нагретого масла при этих условиях, чтобы вызвать термический крекинг, и последующего отделения одной или нескольких легких фракций. Термический крекинг остаточных фракций обычно проходит при температуре между 300^oС и 600^oС. Давление может изменяться в диапазоне от 1 до 10010⁵ Н/м² (бар), предпочтительно в диапазоне от 2 до 2010⁵ Н/м² (бар). Термический крекинг предпочтительно осуществляют в реакционной камере. Продукт термического крекинга как таковой может применяться в качестве связующего или связующим может быть только часть продукта термического крекинга. В последнем случае связующее отделяют от продукта крекинга любым подходящим способом. Предпочтительно связующее получают отделением легких фракций с помощью перегонки, более предпочтительно с помощью вакуумной перегонки.

Другой способ, которым может быть получено углеводородное связующее, заключается в гидроконверсии остаточной фракции при температуре в диапазоне от 200^oС до 450^oС и давлении в диапазоне от 50 до 20010⁵ Н/м² (бар), которой необязательно предшествует гидродеметаллизация. Предпочтительно гидроконверсия представляет собой гидродесульфоризацию.

Кроме того, углеводородное связующее может быть получено путем смешивания различных углеводородных фракций. Заманчивый метод включает смешивание состава, содержащего твердые частицы и углеводороды, например нефтепродукты, загрязненные грунтом, или твердые вещества, содержащие битуминозные пески, с дополнительными углеводородами, такими, что конечный состав является составом согласно настоящему изобретению. Допускается, что нефтепродукт, загрязненный грунтом, содержит песок, камни и/или древесину.

В принципе любые пригодные твердые частицы могут использоваться в составе согласно настоящему изобретению. Твердые частицы могут отличаться от углеводородного связующего. Кроме того, твердые частицы являются не только частицами углерода.

Не исчерпывающий перечень твердых частиц, которые могут использоваться, включает минеральные частицы, цемент, бетонную пыль, повторно используемый асфальт, повторно используемые автопокрышки, глину, старый песок, пористые частицы, такие, как цеолит и перлит, оболочки (shells), дробленые оболочки (crushed shells), отработанный катализатор, органические отходы, такие, как листья и кости, зольная пыль, резина, полимеры и древесные частицы, такие, как стружка, хлопья и/или волокна, и частицы металла, такого, как алюминий. Твердыми частицами, которые дают особенно хорошие результаты, являются оболочки, минеральные частицы и/или древесные частицы.

Предпочтительно твердые частицы включают, по меньшей мере, 5 мас.% неорганических соединений, не содержащих углерод, в расчете на количество твердых частиц, предпочтительно, по меньшей мере, 10 мас.%. Наиболее предпочтительно твердыми частицами являются неорганические соединения.

Предпочтительно твердые частицы представляют собой смесь частиц с размером до 63 мкм (так называемый, наполнитель), частиц с размером в диапазоне от 63 мкм до 2 мм (так называемый, песок) и частиц с размером в диапазоне от 2 до 8 мм, предпочтительно от 4 до 8 мм (так называемые, камни), возможно, в сочетании с частицами, имеющими большие размеры. Размеры частиц измеряют путем просеивания с использованием сит, имеющих отверстия определенного размера. Предпочтительно количество каждого из наполнителей, песка и камней находится в диапазоне от 10 до 50 мас.% (смесь до общих 100 мас.%) в расчете на общее количество твердых частиц. Твердые частицы, имеющие размер более чем 8 мм, присутствуют предпочтительно в случае большего объекта.

Особенно хорошие результаты получены с составами, включающими твердые частицы, содержащие кремний и/или алюминий. Было найдено, что твердые частицы, содержащие кремний, образуют составы с высокой прочностью изгибу. Было найдено, что составы, включающие твердые частицы, содержащие алюминий, обладают высокой прочностью на сжатие. Предпочтительно составы включают от 1 до 100 мас.% кремния и/или алюминия в расчете на количество твердых частиц, более предпочтительно от 1 до 100 мас.% кремния, еще более предпочтительно от 5 до 90 мас.% кремния, самое предпочтительное от 10 до 70 мас.% кремния.

Особо предпочтительным является то, что твердые частицы содержат кварц. Кварц состоит из кремния. Предпочтительно составы включают от 20 до 95 мас.% кварца в расчете на количество твердых частиц, более конкретно от 30 до 90 мас.%.

Для того, чтобы сделать состав электропроводным, он должен дополнительно содержать электропроводящие твердые частицы, предпочтительно частицы графита, такие, как чешуйки или волокна. Предпочтительно состав может включать от 0 до 40 мас.% от общего состава электропроводящих твердых частиц, более предпочтительно от 5 до 20 мас.%. Регулируя количество электропроводящего материала в составе, можно создавать составы, изменяющиеся от неэлектропроводящих до электропроводящих.

Кроме того, составы согласно настоящему изобретению могут включать магнитные материалы, такие, как частицы железа. Таким путем можно получать магнитный состав.

Если состав должен быть применен для теплоизоляции, он может содержать твердые частицы, усиливающие его теплоизоляционные свойства. Если состав должен быть применен для теплопроводности, он может содержать твердые частицы, усиливающие его теплопроводящие свойства. Если состав должен быть применен для звукоизоляции или ослабления звука, состав должен содержать твердые частицы, усиливающие его звукоизоляционные и/или ослабляющие звук свойства.

Если древесина присутствует в составе согласно настоящему изобретению, состав предпочтительно включает древесные частицы в диапазоне между 1 и 97 мас. % в расчете на общий состав. Древесные частицы могут присутствовать в виде обработанных или необработанных волокон, щепы, пластинок и/или порошка. Такие составы особенно подходят для изготовления досок. Предпочтительно состав включает, по меньшей мере, 5 мас.% древесных частиц, предпочтительно волокон, в расчете на общий состав, более предпочтительно, по меньшей мере, 10 мас. %. Состав включает предпочтительно до 80 мас.% древесных частиц, предпочтительно волокон, более предпочтительно до 70 мас.% в расчете на общий состав.

Состав согласно настоящему изобретению является твердым при температуре окружающей среды. Смесь твердых частиц и углеводородного связующего предпочтительно становится жидкой при температуре 80^oС или выше, более предпочтительно при 110^oС или выше.

Составы согласно настоящему изобретению имеют сопротивление изгибу, по меньшей мере, 0.5 Н/мм². Хорошее сопротивление изгибу является преимуществом при использовании составов в элементах конструкций. Предпочтительно сопротивление изгибу составляет, по меньшей мере, 3 Н/мм², более предпочтительно, по меньшей мере, 4 Н/мм², наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 5 Н/мм², еще более предпочтительно, по меньшей мере, 6 Н/мм². Сопротивление изгибу измеряют в соответствии с NEN 7014, "Nederlands Normalisatie Instituut", 2^nd edition, 8/1974. Для многих применений низкое сопротивление изгибу, по меньшей мере, 0.5 Н/мм² является достаточным.

Было найдено, что надлежащая прочность на сжатие может быть получена при использовании состава согласно настоящему изобретению. Это является преимуществом при использовании состава в элементах конструкции. Прочность на сжатие, которая может быть достигнута, составляют 5 н/мм² или более, предпочтительно 10 Н/мм² или более, в частности 15 Н/мм² или более, измеряемые в соответствии с ISO/R 836 (R 836 Международной организацией по стандартизации) Европейской федерации производителей огнеупорных продуктов, как пересмотрено в 1990 году, PRE/R 14-1. Было найдено, что присутствие графита повышает прочность на сжатие. Однако для многих применений такая высокая прочность на сжатие не являются необходимой.

Составы согласно настоящему изобретению предпочтительно имеют пористость до 3%, более предпочтительно до 2.5%, наиболее предпочтительно до 2.0%. Пористость определяют в соответствии с "Standaard Regelgeving Advisering Wegenbouw", 1995, тест 67. Однако для многих применений такая низкая пористость не является необходимой. Одно из применений, в котором составы согласно настоящему изобретению могут иметь высокую пористость, является использование составов с низкой плотностью. Эти специфические составы имеют плотность до 1000 кг/м².

Было замечено, что составы согласно настоящему изобретению могут быть изготовлены более твердыми путем выдерживания их при повышенной температуре или путем специализированной тепловой обработки, или выдерживанием их при повышенной температуре при производстве и/или хранением в горячем состоянии. Тестом для этого специфического типа затвердевания является RTFOT (ASTM D 2872). В некоторых тестах проницаемость состава согласно настоящему изобретению была такой низкой, как 50% или менее от исходного значения проницаемости. Кроме того, было замечено, что сопротивление изгибу повышается при тепловой обработке.

Тепловая обработка может включать нагрев составов до температуры, по меньшей мере, 70^oС, предпочтительно, по меньшей мере, 100^oС, более предпочтительно, по меньшей мере, 130^oС, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 150^oС, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 200^oС в течение, по меньшей мере, 0.25 часа, более предпочтительно, по меньшей мере, 0.5 часа, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 1 часа. Наибольшей температурой предпочтительно является температура 300^oС и наибольшим предпочтительным временем является 3 часа. Несмотря на то, что могут применяться более высокие температуры и более продолжительное время, обычно это не устраивает по экономическим причинам.

Для того чтобы дополнительно усовершенствовать свойства углеводородного связующего, состав согласно настоящему изобретению обычно может содержать традиционные добавки для повышения твердости, сопротивления изгибу и/или адгезии. Предпочтительно состав согласно настоящему изобретению включает до 3 мас. % железа и/или одного или нескольких содержащих железо соединений в расчете на количество углеводородного связующего, более предпочтительно от 0.001 до 1 мас.%. Наиболее предпочтительным соединением железа является оксид железа. Железо и/или содержащее железо соединение одновременно могут действовать в качестве пигмента.

Кроме того, для того, чтобы ускорить затвердевание, в состав согласно настоящему изобретению могут быть включены соединения, образующие радикалы. Соединения, которые могут быть включены, представляют собой полимеры, такие, как полиэтилен и (отработанная) мелкая фракция катализатора.

Состав согласно настоящему изобретению может включать дополнительные соединения с целью изменения свойств конечного продукта и/или облегчения производства состава и/или конечного продукта. Далеко не исчерпывающий список дополнительных соединений, которые могут присутствовать, включает тяжелые парафины, серу, полиэтилен, полипропилен, этиленвинилацетат, эластомеры и полимеры, содержащие доступные эпоксигруппы, как описано в международной заявке 96/28513.

Внешний вид состава согласно настоящему изобретению при необходимости может быть изменен в зависимости от его применения. Для того чтобы изменить цвет состава, может быть использован любой из обычных пигментов. С целью получения более гладкой поверхности, можно обработать поверхность состава пламенем или регулировать размеры твердых частиц таким образом, как это известно любому специалисту в данной области. Для того чтобы улучшить внешний вид составов, в частности элементов конструкции, поверхность может быть обработана воском или воскоподобными материалами, такими, как пчелиный воск, нефтяной воск, синтетический воск или силиконы, содержащие политуру.

Состав согласно настоящему изобретению может быть получен любым подходящим способом. Возможно, углеводородное связующее может быть приготовлено в виде суспензии или эмульсии, которую затем смешивают с твердыми частицами. Предпочтительно твердые частицы смешивают с расплавленным углеводородным связующим, например, углеводородное связующее, содержащее требуемые асфальтены, расплавляют и смешивают или с холодными, или с теплыми твердыми частицами, или горячие твердые частицы смешивают с горячим или холодным углеводородным связующим. Кроме того, расплавленное углеводородное связующее может быть смешано с твердыми частицами, и необходимые асфальтены могут образоваться in situ в ходе термической обработки смеси.

Преимущественный способ получения составов или элементов конструкции согласно настоящему изобретению включает применение углеводородного связующего, необязательно, вместе с твердыми частицами в форме связующего, содержащего частицы, в частности в форме связующего, содержащего гранулят или порошок. В связующем веществе, содержащем частицы, могут присутствовать или все твердые частицы, или часть, или несколько. Связующее, содержащее частицы, легко применять в транспортных средствах и в ходе производства. Применение связующего, содержащего частицы, имеет особое преимущество, если связующее относительно твердое, т.е. имеет относительно низкую проницаемость, в этом случае частицы не будут слипаться. Такое связующее, содержащее частицы, может содержать дополнительные добавки, такие, как пигменты.

Состав согласно настоящему изобретению особенно удобен для применения в конструкциях, включая строительные. Следовательно, дополнительно настоящее изобретение относится к элементам конструкций, включающим состав согласно настоящему изобретению. Состав согласно настоящему изобретению особенно подходит для замены бетона. Элемент конструкции представляет собой автономный элемент определенных размеров, который используется в конструкции. Элементы конструкции включают строительные элементы. Предпочтительными строительными элементами являются трубы, плиты, кровельная черепица, камень для мощения (брусчатка), тротуарные плиты, кирпичи, фундаменты, пиломатериалы, водоводы и/или трубопроводы. Дорожные поверхности, полы и крыши не являются элементами конструкций. Предпочтительно элемент конструкции имеет наибольшие размеры, составляющие 5 м на 5 м на 40 м, в частности 1 м на 1 м на 2 м. Предпочтительно элемент будет иметь размеры 1 м на 1 м на 0.5 м. Наиболее предпочтительно элемент будет иметь размеры 20 см на 20 см на 10 см. Элементом конструкции предпочтительно является блок. Составы согласно настоящему изобретению особенно подходят для применения в брусчатке с точки зрения хорошего сопротивления составов изгибу, особенно хорошего сопротивления изгибу, сохраняющегося после выдержки в воде, возможно, содержащей соль и/или (сильную) кислоту, особенно выдержки при повышенной температуре.

Элементы конструкции, содержащие состав согласно настоящему изобретению, обладают дополнительным преимуществом, заключающемся в том, что они могут быть возвращены в технологический процесс.

Настоящее изобретение дополнительно относится к конструкциям, включая строительные, состоящие из элементов конструкции согласно настоящему изобретению.

Благодаря своей стабильности составы и элементы конструкций согласно настоящему изобретению являются особенно подходящими для применения вне помещения.

Для того, чтобы повысить грузоподъемные свойства, составы могут содержать арматуру, такую, как стальные балки, стальные сетки, полимеры, стекловолокно, углеродное волокно, углеродные пластинки и/или углеродные сетки.

Примеры

Во всех примерах сопротивление изгибу (прочность на изгиб) измеряли в соответствии с тестом NEN 7014 из "Nederlands Normalisatie Instituut" 2^nd edition, 8/1974.

Сопротивление сжатию (прочность на сжатие) измеряли в соответствии с ISO/R 836 Европейской федерации производителей огнеупорных изделий, пересмотренным в 1990 году, PRE/R 14-1.

Пористость определяли в соответствии со "Standaard Regelgeving Advisering Wegenbouw", 1995, тест 67.

Используемый метод Маршалла описан в "Standaard Regelgeving Advisering Wegenbouw", 1995, тест 47 (страницы 111-119) с тем отличием, что, вместо разделения минерального наполнителя на отдельные фракции, в каждой серии измеряли распределение частиц по размеру и различные серии объединяли, чтобы получить желаемое распределение частиц по размеру.

Асфальтены отделяли, как описано в IP 143/96.

Количество ароматического углерода в асфальтенах определяли с помощью данных ¹H- и ¹³С-ЯМР-спектроскопии.

Проницаемость измеряли в соответствии с ASTM D 5 при 25^oС.

Пример 1

Углеводородное связующее получали термическим крекингом остаточной фракции нефти средневосточного происхождения, имеющей точку кипения 520^oС или выше, с последующим удалением легких фракций, подвергая продукт вакуумному испарению. Полученное связующее вещество имело точку кипения 520^oС и выше при атмосферных условиях.

Углеводородное связующее содержало 24.9 мас.% асфальтенов, содержащих 64.6 мас. % атомов углерода в ароматических кольцах, и 75.1 мас.% дополнительных углеводородов. Углеводородное связующее имело проницаемость 7 дмм.

Углеводородное связующее (7.68 мас.%) расплавляли и нагревали до температуры 180^oС и смешивали с 20.27 мас.% наполнителя (частицы размером менее чем 63 мкм), 39.86 мас. % песка (частицы размером между 63 мкм и 2 мм) и 39.87 мас. % камней (частицы размером между 4 и 8 мм, толченый голландский речной гравий), все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц. Минеральные частицы предварительно нагревали до температуры 180^oС.

Смешивание осуществляли с использованием аппарата для смешивания образца Hobart в течение 3 минут при 180^oС.

1.1 кг вышеуказанной смеси, имеющей температуру 180^oС, помещали в предварительно нагретую (180^oС) форму высотой 8 см и диаметром 10.5 см, и в соответствии с методом Маршалла получали цилиндрические блоки.

Для тестирования использовали диски толщиной 8 мм, отпиленные от этих цилиндрических блоков.

Сопротивление диска изгибу составило 7.4 Н/мм². Пористость была 2.3%.

Далее диски подвергали старению, выдерживая их в течение 1-9 недель в 1 М растворе НСl или в 1М растворе NaCl.

После 3-недельной выдержки в 1 М растворе НСl при температуре окружающей среды сопротивление изгибу составило 4.7 Н/мм².

После 9-недельной выдержки в 1 М растворе НСl при температуре окружающей среды сопротивление изгибу составило 4.3 Н/мм².

После 1-недельной выдержки в 1 М растворе NaCl при 60^oС сопротивление изгибу составило 4.7 Н/мм².

Пример 2

Углеводородное связующее смешивали с предварительно нагретыми минеральными частицами, как описано в примере 1, за исключением того, что смесь имела температуру 210^oС.

Блоки получали в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу составило около 4 Н/мм².

Сопротивление блоков сжатию составило 19 Н/мм².

Пример 3А

4 кг cмеси углеводородного связующего и минеральных частиц, полученной, как описано в примере 1, и имеющей температуру 180^oС, помещали в обычную для цементной бетонной черепицы (плитки) форму (200х200х80 мм), которая находилась при температуре окружающей среды. Черепицу получали с использованием обычной машины для производства черепицы при времени прессования 12 секунд.

Сопротивление черепицы изгибу составило 8.1 Н/мм², и пористость была 2.4%.

Пример 3В

4 кг смеси углеводородного связующего и минеральных частиц, полученной, как описано в примере 1, за исключением того, что смесь имела температуру 200^oС, помещали в обычную для цементного бетонного камня для мощения (брусчатки) форму (200х100х80 мм), которая находилась при температуре окружающей среды. Камень для мощения получали с помощью обычной машины для производства камня для мощения при времени прессования 12 секунд.

Сопротивление изгибу составило 6.1 Н/мм².

Пример 3С

Камень для мощения, полученный, как описано в примере 3В, снова нагревали до 200^oС и помещали в форму, чтобы снова получить камень для мощения в соответствии с методом, описанном в примере 3В. Было найдено, что сопротивление изгибу составляет 6.3 Н/мм².

Эту процедуру повторяли дважды, получая дважды переработанный камень для мощения с сопротивлением изгибу 6.7 Н/мм².

Пример 4 (сравнительный)

Битумное связующее получали, подвергая сырую нефть средневосточного происхождения перегонке при атмосферном давлении, затем полученный остаток подвергали перегонке при пониженном давлении. Остаток, полученный после перегонки при пониженном давлении, имел точку кипения 520^oС или выше при атмосферных условиях, проницаемость 80-100 дмм и содержание асфальтенов 11%. Асфальтены содержали 53% ароматического углерода. Это связующее расплавляли и использовали для получения смеси при температуре 150-160^oС. Смесь содержала 7.1 мас. % наполнителя, 36.8 мас. % песка, 56.1 мас.% камней и 5.8 мас.% связующего, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц.

1.1 кг этой смеси использовали для получения цилиндрических блоков по методу Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из блока, составило 1.3 Н/мм².

Сопротивление блока сжатию составляет 3.7 Н/мм².

Пример 5 (сравнительный)

Битумное связующее получали, подвергая сырую нефть американского происхождения перегонке при атмосферном давлении, с последующей перегонкой полученного остатка при пониженном давлении. Полученный в результате остаток имел точку кипения при атмосферных условиях 520^oС или выше, проницаемость 23 дмм и содержание асфальтенов 11%. Содержание ароматических атомов углерода в асфальтенах составляло 53%.

Это связующее расплавляли и использовали для получения смеси, как описано в примере 1, за исключением того, что температура смеси была 170^oС. 1.1 кг полученной смеси использовали для стандартного изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из этого блока, составило 3.2 Н/мм². Пористость - 2.8%.

Пример 6 (сравнительный)

Сырую нефть средневосточного происхождения подвергали перегонке при атмосферном давлении с последующей перегонкой полученного остатка при пониженном давлении и получением в результате остатка, имеющего точку кипения при атмосферном давлении 520^oС или выше, который затем экстрагировали пропаном. Полученное связующее имело проницаемость 7 дмм и содержание асфальтенов 13.2 мас. %. Связующее расплавляли и использовали для получения смеси, содержащей 7.1% масс. наполнителя, 36.8 мас.% песка, 56.1 мас.% камней и 5.8 мас. % связующего, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц.

1.1 кг полученной смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла. Блок использовали для измерения сопротивления сжатию, получая значение 11.6 Н/мм².

Для тестирования использовали диски толщиной 8 мм, вырезанные из полученных цилиндрических блоков.

Сопротивление диска изгибу составило 7.5 Н/мм².

Пористость - 5.6%.

Далее диски подвергали старению, выдерживая их в течение 1-9 недель в 1 М растворе НСl или в 1М растворе NaCl.

После 3-недельной выдержки в 1 М растворе НСl при температуре окружающей среды сопротивление изгибу составило 2.9 Н/мм².

После 1-недельной выдержки в 1 М растворе NaCl при 60^oС сопротивление изгибу составило 3 Н/мм².

Пример 7 (сравнительный)

7.68 мас.% связующего, как описано в примере 6, 20.4 мас.% наполнителя, 40.11 мас. % песка и 39.5 мас.% кварцевых камней (4-8 мм), все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц.

1.1 кг полученной смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 7 Н/мм².

Другой диск толщиной 8 мм выдерживали в течение 24 часов в морской воде при температуре 60^oС, после чего сопротивление изгибу составило 3.7 Н/мм².

Пример 8

Углеводородное связующее, как описано в примере 1, использовали для получения смеси, как описано в примере 7.1.

1 кг этой смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 7 Н/мм², пористость - 1%. Сопротивление блока сжатию составило 12.8 Н/мм².

Другой диск толщиной 8 мм выдерживали в течение 24 часов в морской воде при температуре 60^oС, после чего сопротивление изгибу составило 6.4 Н/мм².

Пример 9 (сравнительный)

Битумное связующее получали, подвергая сырую нефть американского происхождения перегонке при атмосферном давлении, с последующей перегонкой полученного остатка при пониженном давлении. Полученный в результате остаток имел точку кипения при атмосферных условиях 520^oС или выше, проницаемость 6 дмм и содержание асфальтенов 22%. Содержание ароматических атомов углерода в асфальтенах составляло 53.6%. Связующее расплавляли и использовали для получения смеси с наполнителем, песком и камнями, как описано в примере 1.

1.1 кг этой смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 5.6 Н/мм², пористость 2.6%.

Пример 10 (сравнительный)

Битумное связующее получали, подвергая сырую нефть дальневосточного происхождения перегонке при атмосферном давлении, с последующей перегонкой полученного остатка при пониженном давлении. Полученный в результате остаток имел точку кипения при атмосферных условиях 520^oС или выше, проницаемость - 5 дмм и содержание асфальтенов - 10.3 мас.%. Содержание ароматических атомов углерода в асфальтенах составляло 57.9%.

1.1 кг этой смеси расплавляли и использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла, как описано в примере 1.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 2.4 Н/мм², пористость - 3.3%.

Пример 11

Углеводородное связующее, как описано в примере 1, использовали для получения смеси, содержащей 7.5 мас.% связующего, 7 мас.% красного порошка (оксида железа), 15.15 мас.% наполнителя, 38.92 мас.% песка и 38.93 мас.% камней, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц, описанных в примере 1.

1.1 кг смеси использовали для изготовления блоков по методу Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 7.3 Н/мм², пористость - 1.8%.

Пример 12

Углеводородное связующее, как описанное в примере 1, использовали для получения смеси, как описано в примере 1, в которой наполнитель заменяли красным порошком (20.27 мас.%).

1.1 кг смеси использовали для изготовления блоков по методу Маршалла.

Сопротивление изгибу составило примерно 4 Н/мм².

Сопротивление сжатию составило 20 Н/мм².

Пример 13

Углеводородное связующее, как описано в примере 1, использовали для получения смеси, состоящей из 7.97 мас.% углеводородного связующего, 37.6% повторно переработанного асфальта, 21 мас.% наполнителя и 41.4 мас.% песка, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц. Смесь получали в соответствии с методикой, описанной в примере 1.

1.1 кг смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 7.2 Н/мм²; пористость - 1.2%.

Пример 14

Углеводородное связующее, описанное в примере 1, использовали для получения смеси, имеющей следующий состав: 7.95 мас.% углеводородного связующего, 17.4 мас. % графитовых пластинок (чешуек), 41.3 мас.% песка и 41.3 мас.% камней, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц. 1.1 кг смеси, полученной в соответствии с методикой, описанной в примере 1, использовали для изготовления блоков по методу Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 3.5 Н/мм².

Электрическое сопротивление составило 20 Ом.

Пример 15

Углеводородное связующее, описанное в примере 1, использовали для получения смеси, имеющей следующий состав: 7.8 мас.% углеводородного связующего, 8.5% графитовых чешуек, 10.29 мас.% наполнителя, 40.61 мас.% песка и 40.58 мас. % камней, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц. 1.1 кг смеси, полученной в соответствии с методикой, описанной в примере 1, использовали для изготовления блоков по методу Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 6.2 Н/мм²; пористость - 3%.

Электрическое сопротивление составило 200 Ом.

Пример 16

Углеводородное связующее, как описано в примере 1, использовали для получения очень доступного состава, включающего 6.43 мас.% связующего, 5.8 мас. % наполнителя, 10.13 мас.% песка и 84.07 мас.% камней, все количества приведены в расчете на общую массу твердых частиц. 1.1 кг смеси, полученной по методике, описанной в примере 1, использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу составило 2 Н/мм².

Сопротивление на сжатие составило 7.6 Н/мм².

Пример 17 (сравнительный)

Углеводородное связующее получали термическим крекингом остаточной фракции нефти средневосточного происхождения, имеющей точку кипения 520^oС или выше, с последующим удалением легких фракций, подвергая продукт вакуумному испарению. Полученное связующее имело точку кипения при атмосферных условиях 520^oС или выше.

Углеводородное связующее имело проницаемость 47 дмм и содержало 12.6 мас.% асфальтенов. Связующее использовали для получения смеси, как описано в примере 1.

1.1 кг этой смеси использовали для изготовления блоков в соответствии с методом Маршалла.

Сопротивление изгибу диска толщиной 8 мм, вырезанного из изготовленного блока, составило 3.6 Н/мм.

Сопротивление блока на сжатие составило 5.9 Н/мм².

Примеры, иллюстрирующие изобретение, показывают, что составы согласно настоящему изобретению имеют хорошее сопротивление изгибу.

Сопоставление примера 1 с примером 6 (сравнительным) и сопоставление примера 7 (сравнительного) с примером 8 показывает, что составы согласно настоящему изобретению сохраняют свое сопротивление изгибу после выдерживания их в водном растворе, содержащем NaCl, и после выдерживания их в водном растворе, содержащем НСl, лучше, чем составы не по изобретению.

Примеры 3В и 3С показывают, что сопротивление изгибу составов согласно настоящему изобретению повышается при тепловой обработке.