СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО БИТУМНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к производству жидких битумных материалов, которые могут найти широкое применение в качестве вяжущих для выполнения строительных, ремонтных, гидроизоляционных, монтажных и других видов работ.

Улучшение качества нефтяных вяжущих является первостепенной задачей для обеспечения рационального природопользования, сокращения затрат на проведение работ, связанных с дорожным строительством, улучшения качества дорожного полотна, расширения межремонтных интервалов его эксплуатации и повышения эффективности экономики страны в целом.

Из уровня техники известен способ получения жидкого битума путем смешения вязких битумов, отвечающих требованиям ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие», с жидкими нефтяными продуктами (разжижителями) установленного фракционного состава в соответствии с ГОСТ 11955-74 и добавлением ПАВ [Руководство по строительству дорожных асфальтобетонных покрытий. - М.: «Транспорт», 1978, найдено в интернете http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/45/45153 /1/]. В известном способе жидкие битумы класса СГ готовят смешением вязких битумов с разжижителями, имеющими следующие характеристики: начало кипения не ниже 145°С, 50% продукта испаряется при температуре не выше 215°С, 96% выкипает при температуре не выше 300°С, которым могут отвечать арктическое дизельное топливо А по ГОСТ 305-73, зимнее дизельное топливо 3 по ГОСТ 305-73, керосин для технических целей по ГОСТ 18499-73. Кроме того, в известном способе жидкие битумы класса МГ готовят смешением вязких битумов с разжижителями, 50% массы которых испаряется до температуры 280°С, а 96% массы - до температуры 360°С, которым могут отвечать топливо дизельное летнее Л по ГОСТ 305-73, топливо для быстроходных дизелей ДЗ, ДА, ДС по ГОСТ 4749-73, масло зеленое по ГОСТ 2985-64. Недостатком данного способа является то, что использование летнего, зимнего, арктического дизельного топлива, топлива для быстроходных дизелей, масла зеленого в качестве разжижителей не обеспечивает степени гомогенизации смеси, достаточной для ее длительного хранения без расслоения, сопровождающего ухудшение предъявляемых к смеси эксплуатационных свойств. Перечисленные недостатки затрудняют применение известного способа в условиях широкого вовлечения в народнохозяйственную деятельность.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного способа является способ получения жидкого битума путем смешивания исходного битума, нагретого до температуры 130-140°С, и разжижителя, в качестве которого используют тяжелую фракцию - вакуумный газойль (см. патент RU 2131896, 20.06.1999 /2/). Недостатком известного способа является невозможность обеспечить гомогенизацию жидкого битума, достаточную для его длительного хранения без расслоения, сопровождающего ухудшение предъявляемых к смеси эксплуатационных свойств. Кроме того, при использовании вакуумного газойля достижение необходимой гомогенизации жидкого битума возможно только при высокой температуре, необходимой для снижения вязкости вакуумного газойля до допустимых значений смешения. Это приводит к значительному увеличению энергозатрат по сравнению с предлагаемым способом. Также жидкий битум, полученный согласно известному способу, является технологически более сложным в применении, поскольку испарение вакуумного газойля в естественных условиях при проведении работ, связанных с дорожным строительством, происходит очень медленно, что значительно увеличивает срок твердения битумного вяжущего и ограничивает возможность его применения без дополнительной предварительной подготовки.

Задачей изобретения является разработка способа получения жидкого битумного материала, лишенного указанных недостатков аналогов.

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении стойкости смеси к расслоению в процессе длительного хранения за счет оптимизации подбора ее компонентов по их совместимости и условий смешивания.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения жидкого битумного материала, включающем смешивание исходного битума и разжижителя, в качестве которого применяют газойлевую нефтяную фракцию, используют разжижитель с температурой конца кипения 385-400°С и температурой застывания не выше 0°С, при этом смешивание проводят при температуре битума не менее 130°С и разжижителя не более 40°С в поточном статическом смесителе при встречной подаче компонентов с обеспечением механоактивации смеси и при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Кроме того, указанный технический результат достигается в частных вариантах заявленного способа за счет того, что:

- используют разжижитель с температурой вспышки в закрытом тигле 61-70°С и кинематической вязкостью при 40°С 1-10 мм²/с;

- используют исходный битум с температурой размягчения, определенной по методу «Кольца и Шара» (КиШ), не менее 30°С и пенетрацией при 0°С не менее 10×0,1 мм;

- смешивание проводят при температуре исходного битума 130-140°С и разжижителя 30-40°С;

- смешивание проводят при скорости потока исходного битума до 200 м³/ч и разжижителя до 150 м³/ч.

В отличие от аналогов заявленный способ предполагает смешивание исходного битума и разжижителя в статическом смесителе (без использования мешалок, газов и т.д.) путем направления встречных потоков компонентов смеси, что обеспечивает механоактивацию смеси и тем самым обеспечивает лучшее смешивание, позволяет достичь высокой степени гомогенизации компонентов смеси при использовании разжижителя с более высокой вязкостью, сократить энергозатраты на осуществление технологических процессов получения жидкого битума.

Кроме того, заявленный способ позволяет получать более высокую температуру отгружаемой потребителям смеси 90-100°С (в аналогах температура составляет 70-80°С), что облегчает ее последующее практическое применение.

Авторами изобретения было установлено, что при получении жидкого битума с использованием статического смесителя наиболее оптимально применять газойлевую фракцию с температурой конца кипения 385-400°С и температурой застывания не выше 0°С (по свойствам данную фракцию можно считать «дизельно-газойлевой») по причине ее лучшей совместимости с исходным битумом.

Указанный разжижитель имеет следующие преимущества:

- по сравнению с летним дизельным топливом (имеющим температуру конца кипения около 360°С) разжижитель, используемый в заявленном способе, имеет более близкую плотность к исходным битумам, что в комбинации с использованием статического смесителя обеспечивает лучшую гомогенизацию смеси и позволяет получить более стойкую к расслоению смесь;

- данный разжижитель, по сравнению с более легкими фракциями (в т.ч. летним дизельным топливом), обладает уменьшенным испарением в процессе хранения и транспортировки, что обеспечивает повышение стабильности и срока хранения смеси;

- смесь, полученная по предлагаемому способу, более удобна в подготовке к применению, чем жидкий битум известных составов, так как при подготовке смеси к применению нередко осуществляется вакуумная отгонка разжижителя, а использование в качестве разжижителя более тяжелой газойлевой фракции позволяет обеспечить стабильный режим работы вакуумной колонны, сопровождающийся более качественной отгонкой разжижителя;

- по сравнению с газойлевой фракцией, используемой в наиболее близком аналоге (имеющей температуру застывания более 0°С и более широкий диапазон температуры конца кипения от примерно 360 до 530°С), разжижитель, используемый в заявленном способе, обеспечивает лучшее смешивание компонентов, а также оптимальное время твердения битума;

- предлагаемый разжижитель более безопасен и экологичен в применении.

Приведенное количественное соотношение компонентов получаемого жидкого битума в сочетании с условиями их смешения является оптимальным и носит взаимно усиливающий характер, вследствие чего выход за заявляемые диапазоны соотношений экономически и технологически не обоснован, поскольку декларируемый выше технический результат не будет достигаться.

Конкретное содержание каждого компонента внутри заявленного диапазона выбирается эмпирическим путем в зависимости от назначения смеси (строительные, ремонтные, гидроизоляционные, монтажные работы) и отвечает в каждом отдельном случае предъявляемым к смеси требованиям по таким показателям качества, как кинематическая вязкость при 60°С, мм²/с; пенетрация (определяется при 25°С), 0,1 мм; пенетрация остатка после перегонки при пониженном давлении (определяется при 25°С), 0,1 мм; температура вспышки в открытом тигле, °С.

Заявленный способ получения жидкого битумного материала осуществляется следующим образом.

Компоненты, применяемые при производстве битумного материала (исходный битум и разжижитель), подвергаются тщательным лабораторным испытаниям для обеспечения стабильности физико-химических и эксплуатационных свойств смеси. Перед смешиванием компонентов приемные емкости проходят тщательную подготовку по ГОСТ 1510, а именно освобождаются от воды, механических примесей, иных органических и неорганических загрязнений, способных оказать влияние на стабильность физико-химических и эксплуатационных свойств смеси. Контроль за количеством (объемом, массой) поступивших компонентов смеси осуществляется по показаниям учетных устройств, установленных на потоках компонентов смеси.

Для осуществления смешивания исходный битум, нагретый до температуры не менее 130°С, и разжижитель в виде газойлевой фракции с температурой конца кипения 385-400°С и температурой застывания не выше 0°С, нагретый до температуры не более 40°С, подают во встречном режиме в установленный горизонтально поточный статический смеситель. Скорость потока исходного битума составляет до 200 м³/ч, разжижителя - до 150 м³/ч. Подачу компонентов осуществляют не менее чем в одну, но не более чем в пять стадий равными или неравными порциями до полной гомогенизации состава, контролируемой аналитическими методами в специально отобранных для анализа пробах смеси в лабораторных условиях, исключающих влияние внешних факторов на результаты испытаний. Для заявленного способа могут быть использованы поточные смесители различной конструкции. Полученная смесь - жидкий битум имеет температуру примерно 90-100°С.

Примеры

Приготавливали битумные материалы согласно заявленному способу, а также способу-аналогу /1/ и прототипу /2/.

Сравнительная оценка заявленного способа с аналогом и прототипом осуществлялась с использованием положений ГОСТ EN 13399-2013 «Битумы и битумиозные вяжущие. Определение стабильности модифицированных битумов при хранении». Для этих целей были приготовлены по три состава согласно заявленному способу, аналогу и прототипу (см. /2/ примеры 5-7 таблицы 2).

В соответствии с требованиями ГОСТ EN 13399-2013 однородный образец испытуемого материала без посторонних включений выдерживают в трубке (вертикальном резервуаре) в течение трех дней при температуре 180°С. Трубка выполнена из тонкого нелакированного алюминия высотой 160 мм и диаметром 25 мм. Образец из трубки извлекают следующим образом: его помещают в морозильную камеру на 1 час при температуре минус 40°С, затем быстро размещают алюминиевую трубку горизонтально на чистую плоскую поверхность и после охлаждения образец разрезают на равные части, которые помещают в жестяные сосуды с маркировкой «верхний» и «нижний», вмещающие совмещенные верхние и нижние части образца из разных трубок, после чего оценивают изменения свойств верхней и нижней частей.

В качестве основных свойств сравнения образцов смеси приняты:

1) кинематическая вязкость при 60°С, мм²/с (измерение проводится по ГОСТ 33-2000 «Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической и расчет динамической вязкости»);

2) пенетрация после перегонки при пониженном давлении (измерение проводится при 25°С в соответствии с ГОСТ 11501-78 «Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы»).

Состав №1-С (заявленный способ)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- исходный битум - 40,

- разжижитель - 60,

смешанных в поточном статическом смесителе при следующих условиях:

- температура битума 130°С, максимальная скорость потока 100 м³/ч,

- температура разжижителя 40°С, максимальная скорость потока 150 м³/ч.

Состав №2-С (заявленный способ)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- исходный битум - 98,

- разжижитель - 2,

смешанных в поточном статическом смесителе при следующих условиях:

- температура битума 145°С, максимальная скорость потока 200 м³/ч,

- температура разжижителя 35°С, максимальная скорость потока 4,1 м³/ч.

Состав №3-С (заявленный способ)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- исходный битум - 50,

- разжижитель - 50,

смешанных в поточном статическом смесителе при следующих условиях:

- температура битума 140°С, максимальная скорость потока 100 м³/ч,

- температура разжижителя 30°С, максимальная скорость потока 100 м³/ч.

Состав №1-А (аналог)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум БНД марки «60/90» - 96,

- разжижитель - дизельное топливо марки «3» - 4.

Состав №2-А (аналог)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум БНД марки «60/90» - 94,

- разжижитель дизельное топливо марки «Л» - 6.

Состав №3-А (аналог)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум БНД марки «60/90» - 80,

- разжижитель зеленое масло - 20.

Состав №1-П (прототип)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум - 66,2,

- СРДМФА - 5,4,

- сополимер - 9,0 (СКЭПТ),

- растворитель - 14,0 (тяжелый вакуумный газойль),

- лигнин - 5,4.

Температура смешения СРДМФА, сополимера и растворителя 120°С. Температура смешения смеси всех добавок с битумом 130°С.

Состав №2-П (прототип)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум - 58,5,

- СРДМФА - 6,5,

- сополимер - 10,5 (СКЭПТ),

- растворитель - 17,0 (тяжелый вакуумный газойль),

- лигнин - 7,5.

Температура смешения СРДМФА, сополимера и растворителя 120°С. Температура смешения смеси всех добавок с битумом 130°С.

Состав №3-П (прототип)

Состав готовился при соотношении компонентов, мас. %:

- битум - 66,0,

- СРДМФА - 6,5,

- сополимер - 10,5 (СКЭПТ),

- растворитель - 17,0 (тяжелый вакуумный газойль).

Температура смешения СРДМФА, сополимера и растворителя 120°С. Температура смешения смеси всех добавок с битумом 130°С.

Изменение свойств образцов «верхней» и «нижней» частей, полученных заявленным способом при различном сочетании компонентов и условиях смешения, составляет:

Состав №1-С: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%;

Состав №2-С: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%;

Состав №3-С: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не более 5%.

Изменение свойств образцов «верхней» и «нижней» частей, полученных способом-аналогом при различном сочетании компонентов, составляет:

Состав №1-А: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%;

Состав №2-А: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%;

Состав №3-А: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%.

Изменение свойств образцов «верхней» и «нижней» частей, полученных способом-прототипом при различном сочетании компонентов, составляет:

Состав №1-П: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%;

Состав №2-П: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%;

Состав №3-П: изменение кинематической вязкости верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%; изменение пенетрации после перегонки при пониженном давлении верхнего по отношению к нижнему образцу сравнения не менее 7%.

Приведенные примеры доказывают практическую применимость предлагаемого способа, его превосходство над составами аналогов при различных вариантах смешения компонентов, а также подтверждают, что отраженное в тексте качественное и количественное соотношение компонентов жидкого битума в сочетании с условиями их смешения является оптимальным.

Полученный жидкий битум имеет сроки хранения не менее 15 месяцев. При этом аналог и прототип имеют срок хранения, не превышающий 12 месяцев с момента изготовления в зависимости от класса.

Таким образом, заявленная технология имеет следующие преимущества по отношению к аналогам и прототипу:

- высокая степень гомогенизации смеси, достаточная для ее длительного хранения без расслоения, сопровождающего ухудшение предъявляемых к смеси эксплуатационных свойств;

- более длительные сроки хранения;

- более высокая технологичность при использовании и меньшая энергоемкость технологических процессов подготовки компонентов смеси для смешения;

- большая безопасность и экологичность.