Способ производства концентрата полимерно-битумного вяжущего

Изобретение относится к области получения битумно-полимерных композиций, используемых в дорожном строительстве.

Уровень техники

Существует полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), широко применяемое при строительстве автомобильных дорог. ПБВ – это модифицированное вяжущее, смесь битума (около 93%), пластификатора (около 3%) и СБС-полимера (стирол-бутадиен-стирол) (около 3%). Точный состав подбирается в зависимости от качества (параметров) исходных компонентов, так, чтобы ПБВ в готовом виде соответствовало ГОСТ Р 52056-2003.

ПБВ улучшает качество и долговечность автомобильных дорог, но обладает радом недостатков в части технологичности применения. Все недостатки связаны с тем, что ПБВ производится, транспортируется, хранится и применяется в жидком виде и в нагретом состоянии. Основные недостатки:

• Особые условия к транспортировке и хранению ПБВ, предъявляемые ГОСТ 1510 для вязких дорожных нефтяных битумов.

Температура нагрева ПБВ при транспортировании и хранении не должна превышать 160 °С. Время хранения ПБВ без перемешивания при температуре не выше 160 °С не должно превышать 8 ч. При необходимости хранения ПБВ в нагретом состоянии более 8 ч во избежание расслоения необходимо обеспечить его механическое перемешивание или эффективную циркуляцию с периодичностью не более 2 ч, которые следует начинать не позднее чем через 3 ч после начала хранения.

ПБВ транспортируют к месту применения в битумовозах, автогудронаторах или обогреваемых цистернах.

Транспортирование ПБВ длительностью более 3 ч в нагретом состоянии следует производить в битумовозах, оборудованных элементами нагрева вяжущего и обеспеченных битумными насосами, при этом не позднее чем через 3 ч после начала транспортирования битумовоз следует останавливать через каждые 2 ч и перемешивать ПБВ с помощью битумного насоса циркуляцией на себя.

После длительного хранения или транспортирования ПБВ допускается к применению только после перемешивания при 160 °С до однородного состояния и при соответствии показателей его свойств требованиям настоящего стандарта.

Максимальный срок хранения ПБВ при этом не превышает двух недель.

• Малое транспортное плечо. Так как максимальная температура хранения и транспортировки ПБВ ограничена 160 °С, а температура при разгрузке не должна быть ниже 140 °С – это накладывает ограничение на дальность перевозки (обычно не более 1000 км.).

• Ограниченность дальности перевозки требует строительства локальных заводов по производству ПБВ. При этом цикл изготовления партии ПБВ составляет порядка 8 часов.

КПБВ – это концентрат полимерно-битумного вяжущего в сухой гранулированной форме, предназначенный для модификации битумов и асфальтобетонных смесей, применяемый в дорожной отрасли на автомобильных дорогах федерального, регионального и муниципального значения.

Из уровня техники известен способ получения полимерно-битумных композиций по патенту RU2522618, включающий нагревание при перемешивании битума и полимер-модификатора, причем полимер-модификатор получают непосредственно в среде битума путем радикальной полимеризации виниловых мономеров при температуре 60-80°С в присутствии инициатора радикальной полимеризации. Процесс получения композиции ведут в течение 2-4 часов при этой же температуре. При этом в качестве битума используют нефтяной битум. Соотношение компонентов следующее, мас.%: виниловый мономер - 2-10; инициатор, мас.% от массы мономера - 0,5-4; нефтяной битум - остальное. Результатом является расширение ассортимента полимерно-битумных композиций с улучшенными эксплуатационными характеристиками при упрощении технологии приготовления композиции, обеспечение возможности проведения процесса приготовления композиций в непрерывном режиме и отсутствие дорогостоящих ингредиентов при их получении.

Также известен способ получения битумно-полимерной композиции по заявке на изобретение RU 200819888 заключающегося в смешении при нагревании термоэластопласта, битума и минерального наполнителя, подача измельченного битума и термоэластопласта осуществляется в разогретую смесь жидкого продукта пиролиза с углеводородным маслом до 80°С, после чего подаются минеральные наполнители, полученная композиция взбивается в течение 30 мин.

Недостатки данных способов производства являются низкая производительность, увеличенные энергозатраты и короткий срок хранения полученных веществ.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения битумно-полимерной композиции по патенту RU 2177969, заключающемся в том, что смешивают 100 мас. ч. термоэластопласта на основе сопряженного диена и винилароматического мономера, 70-200 мас. ч. предварительно нагретого до температуры 90-110°С битума, 30-250 мас. ч. минерального наполнителя и ведут перемешивание при температуре 70-100°С в течение 10-15 мин, полученную смесь гомогенизируют при температуре 130-160°С в течение 10-15 мин в шнековом экструдере, снабженном гранулирующим устройством, охлаждаемым водой, имеющей температуру 20-40°С, через которое проходит композиционная масса, затем полученные гранулы композиции сушат и упаковывают.

Недостаток данного способа заключается в повышенных энергозатратах, и низкой производительностью, обусловленных сложностью способа, в частности наличием предварительного нагрева битума, продолжительности перемешивания смеси, необходимости поддержания высокой температуры при перемешивании, а также наличии отдельного этапа гомогенизации, короткий срок хранения.

Техническая проблема заключается в устранении указанных недостатков с достижением технического результата, заключающегося в повышении производительности изготовления концентрата полимерно-битумного вяжущего благодаря сокращению производственного цикла с одновременным увеличением срока хранения концентрата.

Указанный технический результат достигается в способе производства концентрата полимерно-битумного вяжущего, включающего дозирование исходного сырья, его смешение и гомогенизацию, гранулирование смеси на экструдере, опудривание гранул, их просев и упаковку. Исходное сырье включает термоэластопласт на основе блок-сополимеров-бутадиена и стирола линейного и\или радиального типа, пластифицирующий компонент, битум нефтяной. Смешение исходного сырья осуществляют до образования гомогенной среды. Полученную гомогенную смесь профилируют и подают на экструдер для последующего гранулирования на устройстве торцевой резки гранул, представляющим собой гранулирующее устройство. Упомянутый экструдер оборудован системой охлаждения рабочих зон экструдера, а также выполнен с возможностью поддержания заданной температуры гранулирующего устройства. В процессе резки гранул на гранулирующем устройстве производят их опудривание минеральным порошком. Полученные гранулы транспортируются на вибросито для просева.

Дополнительной особенностью является то, что смешение сырья осуществляется не более 6 минут при температуре не выше 90°С.

Дополнительной особенностью является то, что смесь профилируют в полосу или жгут.

Дополнительной особенностью является то, что содержит термоэластопласт на основе блок-сополимеров - бутадиена и стирола линейного и\или радиального типа - 30 частей, пластифицирующего компонента – 32 части; битума нефтяного – 38 частей.

Дополнительной особенностью является то, что исходное сырье дополнительно содержит целевые добавки, в качестве которых применяются компоненты, обеспечивающие технологичность изготовления концентрата полимерно-битумного вяжущего и не влияющие на его функциональные свойства.

Дополнительной особенностью является то, что исходное сырье дополнительно содержит поверхностно-активные вещества и/или стабилизирующие добавки, улучшающие эксплуатационные свойства асфальтобетонов.

Дополнительной особенностью является то, что в качестве пластифицирующего компонента используется минеральное масло.

Дополнительной особенностью является то, что дозирование исходного сырья производится в автоматическом режиме с помощью дозаторов сыпучих и жидких материалов, управляемых автоматической системой управления технологическим процессом.

Дополнительной особенностью является то, что смешение компонентов производится в резиносмесителе периодического действия закрытого типа быстроходном или тихоходном.

Дополнительной особенностью является то, что резиносмеситель содержит камеру, два ротора, помещенные в указанную камеру, и выполнены с возможностью вращения навстречу друг другу, при этом в указанной камере выполнены окна для загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси, которые закрываются защитными механизмами во время работы.

Дополнительной особенностью является то, что экструдер содержит как одну, так и несколько зон охлаждения в диапазоне 30-100 градусов, оборудованную датчиками температуры.

Дополнительной особенностью является то, что гранулы дополнительно опудриваются устройством дополнительного опудривания гранул, в количестве, не превышающем 3% от массы гранул.

Дополнительной особенностью является то, что в качестве резиносмесителя и экструдера используется эструдер-компаундер.

Раскрытие изобретения

Заявленный концентрат применяется непосредственно на асфальтобетонном заводе, не требует модификации завода и установки дополнительного оборудования. Использование КПБВ - это альтернативная технология получения асфальтобетонных смесей на ПБВ (полимер-асфальтобетонов), которая лишена недостатков и ограничений традиционной технологии (малый срок жизни ПБВ, малое транспортное плечо, старение битума во время его модификации СБС полимером, необходимость строительства заводов ПБВ, неудобство хранения готового продукта и пр.).

Существует два способа ввода КПБВ в асфальтобетонную смесь – сухой и мокрый:

При сухом способе КПБВ вводится в асфальтобетонную смесь непосредственно в момент ее приготовления на АБЗ для этих целей, как правило, используется линия подачи стабилизирующей добавки.

При мокром способе – КПБВ вводится в битум с приготовлением модифицирующего вяжущего, которое в свою очередь используется для приготовления асфальтобетонных смесей на АБЗ.

Применение КПБВ позволяет получить асфальтобетонную смесь идентичную по составу и параметрам смеси с применением ПБВ, меняется только способ ввода модифицирующей добавки в асфальтобетонную смесь: в случае с ПБВ – это мокрый способ модификации, в случае с КПБВ – возможен и сухой и мокрый способ модификации.

Так в случае применения КПБВ сухим способом: при приготовлении полимер-асфальтобетонных и ЩМА смесей, модификация производится непосредственно при приготовлении асфальтобетонных смесей путем добавления КПБВ через линию подачи стабилизирующей добавки. Время модификации соизмеримо со временем приготовления асфальтобетонных и щебеночно-мастичных смесей и составляет порядка 20-30 секунд. Это наиболее предпочтительный и востребованный метод модификации вяжущего.

При мокром способе: модификация нефтяного дорожного битума может производится путем добавления КПБВ непосредственно в битумное хранилище, оборудованное механической мешалкой или циркуляционным насосом. Полное растворение КПБВ происходит за время, не превышающее 60 мин в диапазоне температур 170-180 °С. В дальнейшем хранение вяжущего, модифицированного КПБВ не отличается от хранения ПБВ. Данный метод обладает гораздо меньшими преимуществами и может быть использован, например, для оценки в лабораторных условиях вяжущего на соответствие требованиям действующих стандартов.

КПБВ представляет собой смесь:

- блок-сополимеры бутадиена и стирола линейного и/или радиального типа;

- компонент пластифицирующий;

- битума нефтяной;

Дополнительно КПБВ может содержать:

- Целевые добавки – компоненты, обеспечивающие технологичность изготовления концентрата полимерно-битумного вяжущего и не влияющие на его функциональные свойства, например – минеральный порошок.

- Функциональные добавки – поверхностно-активные вещества (ПАВ), стабилизирующие добавки или другие компоненты, улучшающие эксплуатационные свойства асфальтобетонов.

Все компоненты взяты в определенных пропорциях. После смешения, готовый продукт представляет собой материал тёмного цвета, плотностью 0,7-0,8, по твердости напоминает резину средней жёсткости, однородный в объеме, подверженный слипанию особенно при повышенных температурах (50 градусов и более), при температуре около 80 градусов значительно размягчается.

Стадии технологического процесса:

• Складирование исходного сырья;

• Дозирование исходных материалов;

• Смешение исходных материалов с получением смеси;

• Профилирование смеси;

• Гранулирование смеси;

• Опудривание и охлаждение, просев и аспирация гранул;

• Тарирование и упаковка.

Осуществление изобретения

Исходное сырье поступает на склад сырья где проходит входной контроль на соответствие паспортам данным и требованиям завода изготовителя.

Компоненты концентрата полимерно-битумного вяжущего взяты в следующем соотношении:

- термоэластопласт на основе блок-сополимеров - бутадиена и стирола линейного и\или радиального типа - 30 частей,

- пластифицирующего компонента – 32 части;

- битума нефтяного – 38 частей.

В частных случаях, в зависимости от рецептуры и требуемых свойств готового продукта, может быть иной состав и соотношение компонентов, а также иная последовательность загрузки и их перемешивания.

Дозирование исходного сырья в простейшем случае представляет собой ручное или автоматическое дозирование каждого компонента в количестве необходимом для одного замеса. Для автоматизации процесса можно предусмотреть дозаторы сыпучих и жидких материалов, которые управляются автоматической системой управления технологическим процессом (АСУТП) и обеспечивают требуемый состав КПБВ. Дозатор и АСУТП – это элементы технологической линии, направленные на автоматизацию процесса. Данные элементы могут быть исключены (оба или по отдельности) и это никак не повлияет на конечный результат (продукт), просто добавится ручной труд.

После дозирование (из дозаторов), сырье в необходимом количестве поступает в резиносмеситель, где происходит смешение и гомогенизация компонентов. Смешение компонентов возможно в резиносмесителе периодического действия, закрытого типа, тихоходном или быстроходным. Рабочими органами таких смесителей являются два ротора, помещенные в камеру и вращающиеся навстречу друг другу. Камера имеет окна для загрузки компонентов и выгрузки готовой смеси. Во время приготовления смеси окна закрываются защитными механизмами. Объем резиносмесителя – 70-90 литров. Цикл смешения – не более 6 минут при температуре не выше 90°С.

Для подачи смеси в линию гранулирования, необходимо готовую смесь из резиносмесителя спрофилировать в полосу иди жгут. Конкретный профиль и размеры зависят от конструкции и производительности линии гранулирования. Имеется опыт профилирования в полосу размером 120х15 мм.

Для профилирования могут быть использованы резиносмесительные вальцы или червячный экструдер холодного типа действия. Производительность линии профилирования должна быть равной или кратной производительности резиносмесителя. Конструктивное выполнение линии профилирования — не влияет на конечный результат (продукт).

После профилирования смесь поступает на экструдер, имеющий одну или более зон охлаждения в диапазоне 30-100 градусов, оборудованную датчиками температуры с возможностью поддержания заданной температуры в зонах экструдера. Экструдер также имеет устройство торцевой резки гранул на фильере с системой охлаждения и нагрева, с возможностью поддержания заданной температуры.

Гранула в процессе резки на фильере слипается, для исключения слипания – необходимо в камеру резки подавать гашеную известь. Далее гранула должна транспортироваться пневмотранспортом на вибросито. Рабочие органы воздуходувки и циклона разбивают слипшуюся, опудренную гранулу. Длина линии пневмотранспорта должна быть подобрана таким образом, чтобы обеспечить остывание гранулы до попадания на вибросито закрытого типа с устройством дополнительного опудривания гранул. Гранулы дополнительно опудриваются в количестве, не превышающем 3% от их массы.

Дополнительное опудривание гранул необходимо для исключения слеживания материала в биг-бэгах. Вибросито должно отфильтровывать слипшуюся гранулу. Процент непрошедших фильтр гранул не превышает 10%.

Дальнейшая транспортировка опудренных гранул должна осуществляться по транспортерной ленте на станцию тарирования и упаковки.

Вся система транспортировки герметична и имеет фильтры на циклонах. Попадание гашеной извести в окружающий воздух исключено.

Готовая гранула поступает на станцию тарирования и упаковки, затем помещается на склад готовой продукции где проходит приемочные испытания.

В качестве резиносмесителя и экструдера может использоваться экструдер-компаундер.

Время приготовления ПБВ с использованием КПБВ не превышает времени приготовления асфальтобетонной смеси, в результате чего битум не подвергается длительному температурному воздействию, а значит снижается его окисление, уменьшается старение битума. Короткий производственный цикл предотвращает расслоение ПБВ.

КПБВ поставляется в мягких контейнерах «биг-бэгах», транспортируется обычным грузовым транспортом и не требует специальных условий хранения. Срок хранения КПБВ – 1 год.

Нормы расхода КПБВ для модификации битумов и асфальтобетонных смесей:

• Расход КПБВ для приготовления ПБВ составляет 7-12% от массы вяжущего.

• Расход КПБВ (без стабилизирующей добавки) для приготовления асфальтобетонных смесей типа А и Б составляет 0,4 – 0,7% от массы минеральной части.

• Расход КПБВ (со стабилизирующей добавкой) для смесей ЩМА составляет 0,6 – 0,9% от массы минеральной части.

Точное количество КПБВ определяется по результатам подбора состава ПБВ или асфальтобетонной смеси, удовлетворяющих заданным требованиям.

Производство КПБВ отличается низким энергопотреблением, невысокой стоимостью основного оборудования, простотой эксплуатации и обслуживания.

Технология производства модификатора является уникальной, не имеет аналогов, при этом технологическая линия может быть построена на базе серийно выпускаемого отечественного или импортного оборудования с модификацией и доработкой по дополнительному техническому заданию за 4-6 мес.