Некоторые показатели качества битума, используемого в дорожной отрасли как вяжущее при производстве асфальтобетонных смесей или для приготовления битумных эмульсий, а также для устройства поверхностной обработки, даже в случае его соответствия требованиям стандарта, по ряду причин требуют улучшения. Битум, полученный окислением сырья при температуре 230–240°С (а иногда и более), склонен к старению, быстро теряет пластичность при понижении температуры и обладает недостаточной адгезией к каменным материалам кислых пород, которые как раз наиболее приемлемы по причине их прочности.
В то же время быстро нарастают осевые и динамические нагрузки, а отсюда и требования к несущей способности дорог и, соответственно, к качеству асфальтобетонных смесей, которое в значительной степени зависит от качества вяжущего. По этой причине дорожникам на своих базах приходится улучшать качество битума добавками поверхностно-активных веществ и полимерных материалов.
Технология улучшения битума добавками давно и широко используется в зарубежной практике, несмотря на то, что там применяют значительно более качественные битумы, а уж тем более эта технология показана для нас и не только по причине недостаточного качества исходного битума. К сожалению, в России все еще сохраняется практика длительного хранения битума и делается это не лучшим образом, преимущественно в хранилищах ямного типа, где он окисляется при длительном контакте с воздухом и обводняется, причем не только просачивающимися грунтовыми водами, протечками осадков через неплотности укрытия, но также сорбцией влаги из воздуха.
Представляется, что битум вообще нельзя хранить. Во всяком случае, таким образом, когда прежде, чем подать битум из хранилища в расходную емкость асфальтосмесительной установки, его приходится выпаривать. При длительном нагреве в котлах с открытой крышкой люка-лаза (а как иначе наблюдать за процессом выпаривания и не допустить вскипания и выброса пены?) битум в значительной степени теряет полезные свойства вяжущего.
Однако широкое использование технологии улучшения битума или приготовления эмульсий на асфальтобетонных заводах затрудняют некоторые проблемы, которые необходимо решить, а в противном случае качество улучшенного битума может оказаться хуже исходного. Такие случаи нередки.
Одна из проблем — нестабильность состава и свойств битума, поступающего на обработку. Ошибка считать, что для любого битума применим один и тот же рецепт композиции, например, когда приготавливается полимерно-битумное вяжущее или битумная эмульсия. Некоторые скажут, что это очевидно. А между тем до последнего времени действует распоряжение руководства дорожной отрасли, по которому подрядные организации обязаны до начала строительного сезона согласовывать рецепт ПБВ с ФГУ «Росдорконтроль». Это, конечно, недоразумение, на которое уже давно обращают внимание специалисты, но которое все еще действует. Например, в весьма содержательной статье все же содержится вывод (пункт 1, с. 50) о необходимости «запретить» применение ПБВ без предварительного согласования их составов с ФГУ «Росдорконтроль». Мало того, что по арбитражной пробе ПБВ, поступившей на контроль, определить соответствие реализованного рецепта утвержденному невозможно, что делает согласование состава бессмысленным, состав ПБВ к тому же может быть техническим секретом фирмы-производителя. Дело упомянутого Управления — проконтролировать качество продукта, и, если оно соответствует требованиям, удостоверить это.
Однако разработка рационального рецепта композиции в дорожной лаборатории в лучшем случае занимает полную рабочую смену, а иногда и не одну. Если мы забираем битум из приямка битумного хранилища, куда он подтекает из ямы, где накапливался в зимнее время поставками с разных НПЗ слоями, иногда из разных нефтей и разной предыстории, в случайном соотношении, то каждая заполненная емкость или битумовоз, по существу, является партией, для которой нужно разрабатывать рецепт, что вряд ли выполнимо.
Для решения этой проблемы на АБЗ необходимо иметь накопительную емкость, теплоизолированную и с элементами нагрева, достаточными, чтобы нагреть всю накопленную порцию до температуры 110–120°С и, например, барботажем воздуха от компрессора перемешивать c целью усреднения. Тогда партией можно будет считать весь битум в этой накопительной емкости, а ее вместимость должна определяться программой производства модифицированного битума или битумной эмульсии.
В этом случае разработка рецепта будет регулярной операцией, например, раз в две или три недели, что приемлемо. Очевидно, что во время заполнения такой накопительной емкости и перемешивания, а также подбора рецепта композиции модифицированный битум или битумная эмульсия не производятся.
Если проблема нестабильных свойств битума, поступающего на технологическую переработку из своего хранилища, дорожники могут как-то решить, то другая проблема пока не находит решения. Дорожникам нужны разные битумы. Для производства горячих асфальтобетонных смесей нужен битум БНД (а лучше БДУ) в основном марки 60–90 и иногда 90–130. Для устройства поверхностной обработки применяют битум с глубиной проникания иглы при 25°С порядка 110–140×0,1 мм. Иногда битум марки 90–130 подходит, но нередко битум приходится разбавлять гудроном. И при этом качество вяжущего ухудшается. Ведь гудрон — не битум.
То же самое происходит при модифицировании битума полимерами, которые заметно повышают вязкость композиции и часто приходится применять пластификаторы, например, тот же гудрон или индустриальное масло. Ранее дорожники не понимали, что использование пластификаторов затрудняет получение ПБВ высокого качества, а, соответственно, и смеси с их применением. В зарубежной практике пластификаторы при производстве ПБВ не применяют. Приготовляя, например, ПБВ для устройства поверхностной обработки, используют битум марки 140–160, а приготовляя ПБВ для горячих смесей — марки 100–120. Тогда, растворив в битуме полимер, получают ПБВ соответственно марок 100–120 и 60–80, что и требуется. Но это все же битумы упомянутых марок: 140–160 и 100–120, а не смеси битума и гудрона, которые нам предлагают НПЗ, применяющие технологию компаундирования.
Сырьем для получения битумов служат гудроны первичной перегонки нефти и другие продукты вторичных процессов переработки нефтяных остатков (экстракты масляного производства, экстракты процесса деасфальтизации, крекинг — остатки и др.), в которых концентрируются высокомолекулярные ароматические соединения, смолы и асфальтены. Известен способ получения битума из утяжеленного гудрона, включающий вакуумную перегонку мазута при остаточном давлении верха колонны 30–50 мм. рт. ст. с получением утяжеленного гудрона, 70 % которого смешивают с органическими добавками до достижения условной вязкости 40–120 с при 80°С и глубины проникновения иглы при 25°С 400–480⋅0,1 мм и последующего окисления подготовленной смеси в окислительной колонне, с получением целевого продукта. При необходимости возможно введение в целевой продукт до 30 масс. % утяжеленного гудрона. В качестве упомянутых выше органических добавок, вводимых в гудрон до окисления, заявлены концентраты полиароматических углеводородов, такие как экстракты селективной очистки масляных фракций, крекинг-остатки, смола пиролиза, затемненный вакуумный газойль, асфальтиты от процесса деасфальтизации и др. Окисление подготовленного утяжеленного гудрона осуществляют кислородом воздуха в окислительной колонне и стандартных условиях: температуре 240–270°С и избыточном давлении 0,005–0,3 МПа.
Недостатками данного способа является дополнительная операция получения утяжеленного гудрона и введение органических компонентов различных классов на стадии, предшествующей окислению, что значительно усложняет работу окислительной колонны (на неоднородном сырье) и производство в целом.
Наиболее близким по существенным признакам предлагаемому является способ получения битума путем окисления утяжеленного гудрона с условной вязкостью при 80°С не менее 60 с без предварительного его разбавления с получением в качестве целевого продукта строительного битума с температурой размягчения не ниже 90°С. Для получения дорожного битума окисленный компонент — строительный битум с температурой размягчения не ниже 90°С — компаундируют с разбавителем и пластификатором (в одном смесителе все компоненты — одновременно) с получением дорожного битума. В качестве разбавителя используют асфальт пропановой деасфальтизации, в качестве пластификатора могут быть использованы различные продукты нефтепереработки, например нефтяная фракция, выкипающая в пределах 450–520°С, и экстракт селективной очистки масел. Компаундирование проводят при следующем соотношении компонентов, масс. %: асфальт пропановой деасфальтизации — 25–40, пластификатор — 10–20, строительный битум с температурой размягчения не ниже 90°С — остальное.
Известный способ решает проблему получения качественного дорожного битума лишь из утяжеленного сырья. Способ предлагает использовать для получения дорожных битумов утяжеленный гудрон с вязкостью более 60 с, что ограничивает сырьевую базу для получения качественных дорожных битумов. Кроме того, недостатком известного способа является необходимость получения переокисленного битума (на стадии окисления в окислительной колонне) с высокой температурой размягчения, не ниже 90°С, что осложняет работу колонны окисления вследствие повышенного коксообразования.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение сырьевой базы для битумного производства, повышение качества битумов, повышение морозостойкости битума при одновременном сохранении показателей пластичности и устойчивости к процессам термоокислительного старения, повышение надежности работы реакторного оборудования.
Поставленная задача решается тем, что прямогонный гудрон окисляют до переокисленного битума с температурой размягчения 60–90°С. Такой переокисленный битум получают из стандартного сырья по существующей на ОНПЗ технологии прямого окисления прямогонного гудрона в реакторе колонного типа с последующим доокислением в ректорах трубчатого типа.
Переокисленный битум, является как бы структурным каркасом будущего дорожного битума — концентратом смол и асфальтенов. Далее переокисленный битум, с температурой размягчения по КиШ 60–90°С, компаундируют с исходным неокисленным прямогонным гудроном, асфальтом пропановой деасфальтизации и экстрактом селективной очистки масел. Окисление до КиШ более 90°С с использованием заявляемого способа нецелесообразно в связи с ростом закоксовывания трубчатой реакторной системы. Степень разбавления базового битума зависит от глубины окисления сырья, от вязкости исходного сырья и от заданной марки дорожного битума. Благодаря заложенным техническим решениям на установке можно из одной марки базового битума в поточном узле смешения одновременно вырабатывать несколько марок дорожных битумов.
Компаундирование производится в 2 этапа: на первом этапе переокисленный битум смешивается с неокисленным прямогонным гудроном и/или асфальтом пропановой деасфальтизации (создается структурная основа товарного битума), при компаундировании которой, на втором этапе, с остаточным экстрактом селективной очистки масел, получается дорожный битум требуемой марки. Компаундирование проводят при следующем соотношении компонентов, масс. %: асфальт пропановой деасфальтизации 0–25 %, неокисленный прямогонный гудрон 0–20 %, экстракт селективной очистки масел 0–15 %, переокисленный битум с температурой размягчения 60–90°С — остальное.
Отличие заявляемого технического решения от известного состоит, во-первых, в том, что сырьем для процесса окисления является товарные прямогонные гудроны с минимальными требованиями к нормированию качества и не ограниченными требованиями по показателю условной вязкости при 80°С (ВУ80), что позволяет независимо от структурно-группового состава прямогонного гудрона после окисления и компаундирования окисленного продукта получать товарный битум с улучшенной растяжимостью и повышенными показателями качества после старения.
Другое отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что в заявляемом способе глубина окисления ограничена интервалом температур размягчения перекисленного битума 60–90°С, более глубокое окисление сопровождается процессами деструкции и уплотнения с образованием излишних количеств карбенов и карбоидов, существенно ухудшающих качество битума, особенно его долговечность, при этом значительно снижается также выход битума за счет образования больших количеств черного соляра.
В заявляемом способе также ограничена концентрация асфальта пропановой деасфальтизации в товарном битуме менее 25 % (в прототипе 25–40 %), а также регламентирован порядок смешения компонентов.
Химический состав гудрона весьма сложен, его индивидуальные компоненты не поддаются идентификации. Традиционно принятым является анализ гудрона на содержание в нем масел, смол и асфальтенов. Группы соединений, содержащиеся в них, определяют, какие продукты образуются в процессе окисления при получении товарного битума. Последние, в свою очередь, определяют физико-химические, реологические, и, в конечном итоге, эксплуатационные свойства битума. Имеются сведения о влиянии той или иной углеводородной добавки в исходный гудрон на качественные показатели окисленного битума. Однако, систематические исследования, направленные на количественную оценку влияния содержания тех или иных компонентов гудрона на свойства окисленного продукта, не проводились. Приводятся лишь качественные сведения о влиянии масел, смол и асфальтенов на условную вязкость гудрона и на физико-химические свойства окисленного дорожного битума в зависимости от уровня вязкости гудрона. Установление количественных зависимостей между групповым углеводородным и химическим составом сырья окисления — гудрона и качественными показателями окисленного битума представляет собой весьма интересную задачу в научном и практическом отношении.
Литература:
- Абдуллин, А. И. Использование технического углерода в качестве добавки к дорожным битумам / А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева // Вестник Казанского технологического университета. -2014,-№ 2.-С. 275–278.
- Абдуллин, А. И. Модифицированные битумы для дорожного строительства / А. И. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. — 2014. — № 4. — С. 185–188.
- Ахметов, С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа: учебное пособие для вузов / С. А. Ахметов. — Уфа: Гилем, 2002. — 672с.
- Вахьянов, Е. М. Обоснование оптимального содержания пластификатора в битумах модифицированных резиновой крошкой / Е. М. Вахьянов, С. Н. Шабаев // Вестник Казанского технологического университета. -2014.-№ 4.-С. 113–114.
- Григорьева, И. Г. Химия и инженерная экология: учебник / И. Г. Григорьева, Ю. А. Тунакова. — Казань: Отечество, 2015–242с.
- Елаголева, О. Ф. Технология глубокой переработки нефти: учебное пособие для вузов / О. Ф. Елаголева, В. М. Капустина. — Москва: КолосС, 2007, — 400 с.
- https://asfaltmash.ru/nekotorye-tehnologicheskie-problemy-primenenija-bituma-v-dorozhnom-stroitelstve/
