Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения горячей асфальтобетонной смеси

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления асфальтобетонных смесей на основе нефтяных органических связующих и может быть использовано при строительстве, ремонте и эксплуатации дорожных покрытий во всех дорожно-климатических зонах.

Известен классический способ приготовления асфальтобетонной смеси для дорожных покрытий по ГОСТ 9128-2013, по которому в нагретом состоянии перемешивают смесь минеральных материалов (щебня/гравия и песка с минеральным порошком или без него) с окисленным нефтяным дорожным битумом по ГОСТ 22245-90.

Однако, недостатком большинства окисленных битумов, полученных из российской нефти, является слабое сцеплению с основными минеральными материалами и тем более с кислыми породами, что неизбежно приводит к снижению водостойкости, прочности асфальтобетона и выкрашиванию щебня из дорожного покрытия под действием автомобильного колеса.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является способ приготовления асфальтобетонной смеси, включающий нагрев и разделение щебенисто-песчаной смеси (заполнителя) на фракции, перемешивание крупной фракции заполнителя с разжижителем (мазутом, гудроном), а затем - с нагретым битумным связующим с последующим введением в полученную смесь мелкой фракции заполнителя и минерального порошка [Патент RU №2186746, кл. С04В 26/26, C08L 95/00, Е01С 7/18, опубл. 10.08.2002].

Недостатком данного способа является низкая адгезия органического связующего с минеральным материалом, низкая водостойкость и прочность асфальтобетона, использование только в районе с резко-континентальным климатом.

Целью предлагаемого изобретения является повышение адгезионных свойств органического связующего с минеральной частью асфальтобетонной смеси, увеличение водостойкости и прочности асфальтобетона, технологической подвижности, использование асфальтобетонных смесей для дорожного строительства во всех дорожно-климатических зонах.

Указанная цель достигается тем, что в способе получения горячей асфальтобетонной смеси, включающем нагрев минерального материала, перемешивание до полного обволакивания минерального материала с нагретым нефтяным связующим, введением пластификатора, согласно изобретению, в качестве связующего используют остаток висбрекинга с температурой размягчения по КиШ 60-69°С с содержанием асфальтенов 30-36%, а в качестве пластификатора - гудрон, с условной вязкостью при Ву₅ 80°С в интервале 20-161 сек., при следующем соотношении компонентов, мас. %:

остаток висбрекинга - 3,5-4,0

гудрон - 2,0-2,5

минеральные материалы - остальное.

Способ получения горячей асфальтобетонной смеси осуществляют следующим образом.

Минеральные материалы: щебень, песок, нагретые до 160-170°С, смешивают в смесителе с холодным минеральным порошком затем перемешивают в течение 15-20 сек. с разогретым до 160-170°С остатком висбрекинга с температурой размягчения по КиШ 60-69°С.

В полученную смесь добавляют в качестве пластификатора гудрон и перемешивают в течение 10 сек.

Согласно предлагаемого способа были получены асфальтобетонные смеси по примерам 1-8 и для сравнения получены асфальтобетонные смеси по ГОСТ 9128-2013 (пример 9) и по прототипу - (пример 10). Данные по примерам 1-10 сведены в таблицу №3 и №4

В качестве минерального материала были использованы:

-Щебень, песок (отсев от дробления) - порфиритовые изверженных пород Аб-заковского месторождения Абзелиловского района Республики Башкортостан с маркой по дробимости 1200, маркой морозостойкости F-300, маркой истираемости - И 1;

- Минеральный порошок МП 1 - (известняк карьера Мурсалимкино) - производства ОАО «Башкиравтодор», - соответствующие ГОСТ 9128-2013.

В качестве связующего:

- Остаток висбрекинга установки Уфимского НПЗ «Новойл» с температурой размягчения по «КиШ» 60°С и 69°С;

В качестве пластификатора - Гудрон высоковакуумной перегонки нефти Грозненского НПЗ с условной вязкостью By⁵ при 80°С 105 секунд;

- Гудрон высоковакуумной перегонки нефти Московского НПЗ с условной вязкостью By⁵ при 80°С 161 секунд;

- Гудрон высоковакуумной перегонки нефти Омского НПЗ с условной вязкостью By⁵ при 80°С 77 секунд;

Полученные по примерам 1-10 асфальтобетонные смеси были испытаны согласно ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимер-асфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов». Соотношение компонентов асфальтобетонных смесей и результаты испытаний приведены в таблице №3 и №4

Полученные результаты испытания горячих асфальтобетонных смесей свидетельствуют о том что:

- физико-механические показатели качества асфальтобетонной смеси приготовленной на дорожном битуме марки БНД 60/90 по ГОСТ 9128-2013(образец №9) и прототипа (образец №10) уступают показателям качества такой же смеси приготовленной на остатке висбрекинга и гудроне (образец №1 - №8)

- при одном и том же количественном соотношении остатка висбрекинга и гудрона в смеси показатели прочности асфальтобетона возрастают с увеличением вязкости гудрона;

- при увеличении температуры размягчения остатка висбрекинга с 60°С таблица №3 до 69°С таблица №4 прочности возрастают;

- при увеличении содержания остатка висбрекинга и снижении содержания гудрона в смеси прочности асфальтобетона возрастают.

- предельные содержания остатка висбрекинга и гудрона в смеси определены требованиями ГОСТ9128-2013 по пределу прочности при 0°С для каждой дорожно-климатической зоны;

- количество вводимого остатка висбрекинга в 3,5% является граничной и минимальным для полного обволакивания минеральной части смеси;

- количество вводимого остатка висбрекинга в 4,0% является граничной и максимальным по пределу прочности при 0°;

- оптимальное содержание остатка висбрекинга в смеси 3,5-4,0%;

- предельная температура размягчения по КиШ остатка висбрекинга в смеси определены требованиями ГОСТ 9128-2013 по пределу прочности при 0°С для каждой дорожно-климатической зоны и соответствует не более 70°С.

- количество вводимого гудрона зависит от вязкости и требований по пределу прочности при 0° к асфальтобетону для каждой дорожно-климатической зоны и является оптимальным в пределах от 2,0 -2,5%

- содержание остатка висбрекинга 3,5-4,0% и гудрона 2,0-2,5% с вязкостью не более 77 секунд является оптимальным для асфальтобетона первой дорожно-климатической зоны;

- содержание остатка висбрекинга 3,5-4,0% и гудрона 2,0-2,5% с вязкостью не более 105 секунд является оптимальным для асфальтобетона второй - пятой дорожно-климатической зоны;

- содержание остатка висбрекинга 3,5-4,0% и гудрона 2,0-2,5% с вязкостью не более 161 секунд является оптимальным для асфальтобетона четвертой - пятой дорожно-климатической зоне.

Полученные по примерам 1-10 асфальтобетонные смеси №8, №9, №10 были испытаны на технологические свойства; а именно на удобоукладываемость (подвижность) по ТУ 5718-002-04000633-2006 «Смеси асфальтобетонные литые и литой асфальтобетон» Результаты испытаний представлены в таблице №8

Примечание: В числителе величина осадки, в знаменателе диаметр осадки

Сравнительные испытания образцов №8 и №9, №10 проводились при одинаковом времени остывания на воздухе. Подвижность оценивали по вертикальной осадке и диаметру образовавшегося конуса по истечении трех секунд после снятия формы. За потерю подвижности смеси считается температура, при которой усеченный конус сохраняет первоначальную высоту и диаметр более трех секунд после снятия формы. Из результатов испытания видно, что потеря подвижности смеси №9 приготовленной по традиционной технологии на вязком битуме марки БНД 60/90 наступает при 80°С, потеря подвижность смеси №10 - прототип наступает при 70°С, а потеря подвижности смеси №8 приготовленной по заявленному способу наступает при 60°С. Кроме этого при одинаковой температуре испытания осадка и диаметр конуса имеют лучшие значения у смеси №8 приготовленной по заявленному способу.

Таким образом, технологические свойства смеси по удобоукладываемости (подвижности) образцов изготовленных по ГОСТ и прототипа уступают смеси приготовленной по заявленному способу.

Химизм заявленного способа приготовления горячей асфальтобетонной смеси Органическое вяжущее в асфальтобетонной смеси может находиться, как в объемном состоянии, так и в структурированном. Основополагающее значение в составе асфальтобетона отводится не свободному битуму, а микроструктуре, которая вносит наибольший вклад в формирование свойств асфальтобетона. Для повышения прочности и водостойкости дорожного покрытия выполненного из асфальтобетонной смеси, необходимо, чтобы максимальное количество органического вяжущего было адсорбировано минеральным материалом, а содержание свободного битума сведено к минимальному значению. Исследования химического состава структурированного битума показало его значительное отличие от химического состава свободного битума. При контакте минерального материала и битума имеет процесс химической и физической абсорбции. Воздействие поверхности минерального материала на битум может распространяться на определенную толщину битума, что в свою очередь, зависит от природы минерального материала, химического состава битума и содержания в нем собственных поверхностно-активных веществ. На поверхности каменного материала образуются структурированные оболочки битума, плотность и вязкость которых имеют максимальное значение у границы раздела битум-минеральный материал. При удалении от этой границы вязкость и плотность битума уменьшаются и достигают минимальных значений в зоне перехода структурированной оболочки в объемный битум. При объединении минерального материала с вяжущим, параллельно с адсорбционными процессами, может иметь место и капиллярная диффузия более легких компонентов битума в зерна минерального материала. Наибольшую активность при этом проявляют высокомолекулярные соединения вяжущего - смолисто-асфальтеновые составляющие, содержащие активные функциональные группы (ОН, СООН, NH₂), а наименее активны -масла. Также принято считать, что битумы, имеющие в своем составе ненасыщенные углеводородные соединения, обладают хорошими адгезионными свойствами. Однако, асфальтеновые составляющие, химически активные функциональные группы, входящие в состав смолисто-асфальтеновых комплексов способны полностью вступать в реакцию лишь при отсутствии закрывающей их масляной пленки и частично в зависимости от толщины масляной пленки. Химически активные компоненты битума, способные обеспечить надежное сцепление с минеральным материалом, блокированы масляной оболочкой. Следовательно, чем выше содержание смолисто-асфальтеновых компонентов и ненасыщенных углеводородов в битуме, тем лучше его адгезионные свойства. Отсюда, качество органического вяжущего, как в структурированном, так и в свободном виде наиболее рационально связывать с его групповым химическим составом, что значительно упростит целенаправленное получение требуемых свойств асфальтобетона. Обладая эффективным методом регулирования микроструктуры, можно существенно менять свойства асфальтобетона.

Для решения вышеперечисленной проблемы заявляется способ нанесения на минеральный материал не менее двух слоев органического вяжущего разного химического состава, обеспечивающие требования для ориентировочного слоя и свободного битума, используя при этом в качестве органического вяжущего остаточные продукты нефтепереработки.

Способ базируется на применении остаточного продукта процесса висбрекинга в качестве основного органического свяжущего для создания ориентировочного слоя на минеральном материале, а в качестве свободного битума использовать остаточный продукт высоковакуумной переработки нефти (гудрон).

Остаток висбрекинга изготовленный по определенной технологической схеме и режиме работы установки, с температурой размягчения от 60 до 69°С, с содержанием асфальтенов от 30 до 36% имеет благоприятный химический состав, который обеспечивает 100% сцепление с минеральным материалом основных пород и не менее 80% с кислыми породами. Остаток висбрекинга обладает уникальными физико-химическими свойствами для ориентировочного слоя и достижения поставленной задачи по повышению адгезии с минеральным материалом и теплостойкости асфальтобетона. Это объясняется тем, что остаток висбрекинга, кроме повышенного содержания асфальтенов, в сравнении с окисленными дорожными битумами, содержит малостабильные, непредельные углеводороды и минимально необходимое количество ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов для смачивания и абсорбции. Окисление непредельных углеводородов остатка висбрекинга, при попадании на минеральный материал, протекает, в первую очередь, по С-Н связи с образованием гидроперекисей (соединений типа R-O-O-H и R-O-O-R.). Например: CH₂=CH-CH₂-CH₂-R-CH, =CH-CH-OH₂-R I ООН Распад гидроперекисей сопровождается образованием сложной смеси продуктов окисления (спиртов, альдегидов, кислот и т.д.), которые являются наиболее активными компонентами в адгезионной связи, а в дальнейшем подвергаются превращениям, приводящим к образованию смолистых веществ. Комплекс вышеперечисленных отдельных физико-химических свойств остатка висбрекинга имеет преимущество над окисленным дорожным битумом и позволяет достигать хорошего сцепления остатка висбрекинга со щебнем, песком и минеральным порошком в течение 10-15 секунд их контакта на первом этапе смешивания. Гудрон высоковакуумной перегонки нефти, с содержанием масляной части более 60%, является пластификатором. Наносится вторым слоем и выполняет функции объемного органического вяжущего в пленке на минеральных материалах асфальтобетонной смеси, а также выполняет охранную функцию против старения органического вяжущего ориентированного слоя, образовавшегося после смешивании минеральных материалов с остатком висбрекинга.

Таким образом, как видно из представленных данных заявленный способ изготовления асфальтобетонных смесей на основе нефтяного остатка процесса висбрекинга с температурой размягчения от 60 до 69°С и остатков высоковакуумной перегонки нефти (гудрона) позволяет улучшить:

в 1,5-2 раза сцепление связующего с минеральными материалами асфальтобетона;;

- на 10°С технологическую подвижность асфальтобетонной смеси;

в 2 раза прочность и теплостойкость дорожного покрытия, при повышенной температуре летом;

-- на 10% водостойкость асфальтобетона:

За счет двухэтапного дозирования компонентов органических вяжущих разного химического состава, обеспечивает возможность регулировать и выбирать наиболее важные, показатели качества асфальтобетонной смеси при устройстве дорожного покрытия, в конкретной климатической зоне и условий эксплуатации дорожного покрытия.

Восполнить дефицит промышленного производства высококачественного дорожного битума;

Снизить себестоимость асфальтобетонной смеси.