10 - 08 - 2020
SOFiSTiK – универсальный программный комплекс, использующий метод конечно-элементного анализа
Сбор нагрузок и расчет по грунту фундаментов опор автодорожных, железнодорожных и пешеходных мостов
ООО Малое инновационное предприятие Технопарк МАДИ

Материалы

Холодный регенерированный асфальт с дисперсным сланцевым битумом

С. М. Евтеева

Перспективы развития дорожного строительства требуют огромного количества дорожно-строительных материалов, в том числе и остродефицитных нефтяных битумов, производство которых с годами неуклонно сокращается. Это обязывает научно-технических работников дорожной отрасли изыскивать возможности экономии нефтяных битумов, замены их альтернативными органическими вяжущими, используя различные побочные продукты и отходы промышленного производства. Одним из таких вяжущих являются сланцевые битумы, производство и применение которых до настоящего времени не получило широкого распространения.

Проблемы энергетики требуют освоения и разработки месторождений горючих сланцев, запасы которых только в Поволжье исчисляются миллиардами тонн. По некоторым оценкам, разведанных сланцев может хватить на 150-170 лет в нефтяном эквиваленте, что в несколько раз превышает потенциальные запасы нефти и газа [1]. В 1983 году Государственный комитет СССР по науке и технике принял решение о необходимости увеличения объёмов добычи горючих сланцев с целью получения чистых энергоносителей [2]. Учитывая это, в Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) была разработана комплексная научно-техническая программа «Сланцы Поволжья», в соответствии с которой предусматривалась разработка безотходной технологии переработки горючих сланцев, с целью получения прежде всего энергоносителей, а также применения получающихся при этом в больших количествах побочных продуктов и, в частности, сланцевых смол и битумов [3]. Однако в связи с произошедшими изменениями в экономике нашей страны запланированные научно-технической программой исследования не были выполнены в полном объеме.

Интерес к применению продуктов переработки горючих сланцев в настоящее время возрастает. Подтверждением этого является решение совета экономического развития при губернаторе Саратовской области от 1 декабря 2004 г. об инвестиционной и технологической стратегии освоения месторождений горючих сланцев, комплексная добыча и переработка которых даст возможность получения широкого спектра продуктов для многих отраслей народного хозяйства [4].

Применение сланцевых вяжущих для производства асфальтовых смесей изучено недостаточно. Путем окисления смол получают вязкие и жидкие сланцевые битумы [5]. Вязкие дорожные битумы выпускают двух марок: 250/330 и 160/250, жидкие имеют четыре марки: 20/35, 35/70, 70/130 и 130/200. Большинство исследователей считают, что по своим свойствам они занимают промежуточное положение между нефтяными битумами и каменноугольными дегтями. Наличие в сланцевых битумах большого количества фенолов, кислот, альдегидов, кетонов и других кислородных составляющих предопределяет их реакционную способность и высокую поверхностную активность, что  обеспечивает хорошую адгезию к минеральным материалам. Однако сланцевые битумы по сравнению с нефтяными обладают недостатками, к которым относятся повышенная скорость старения, пониженная водоустойчивость, меньший интервал пластичности, что обусловлено особенностями химического состава, их структурой. Кроме того, сланцевые битумы пожароопасны, температура вспышки составляет 120-140оС, что затрудняет работу с ними при производстве асфальтовой смеси по традиционной горячей технологии. В результате длительного нагрева сланцевых битумов в процессе подготовки их к производству асфальтовой смеси и после смешения с минеральными составляющими происходят интенсивные процессы старения, снижающие качество битума и получаемых материалов. Существенным недостатком сланцевых битумов является их высокая токсичность. Известно, что в сланцевых битумах содержится канцерогенных углеводородов в сто и более раз больше, чем в нефтяных [6]. При нагревании из них выделяются фенолы, окислы азота, серы, углерода, что делает их особо опасными в отношении охраны окружающей среды, вероятности возникновения профессиональных заболеваний рабочих (таких как рак, астма, бронхит и др.) [7].

Исследованиями Ленинградского филиала СоюздорНИИ  установлено, что на вязком сланцевом битуме получаются эмульсии, не устойчивые при хранении [8]. Уже на другой день после изготовления они расслаиваются, битум выпадает в осадок. Битумные эмульсии на твердых эмульгаторах (БЭТЭ), обычно называемые пастами, из сланцевых битумов получаются только с высокогидрофильными минеральными порошками (глина, асбест, суглинок). С известью БЭТЭ не образуются, так как при взаимодействии с находящимися в сланцевом битуме фенолами образуются водонерастворимые соединения в виде фенолятов кальция.

Дорожно-исследовательской лабораторией СГТУ была установлена принципиальная возможность получения холодных асфальтовых смесей с дисперсным сланцевым битумом [9]. При этом были использованы следующие материалы: битум, полученный в лабораторной окислительной установке из сланцевой смолы Сызранского сланцеперерабатывающего завода марки БСД 60/90 и порошок из сланца Перелюб-Благодатовского месторождения Саратовской области. Свойства такого асфальта, за исключением водонасыщения, достаточно высокие. Гидрофильный сланцевый порошок позволяет получить высокую степень дисперсности, однако расход битума при этом увеличивается.

Актуальной проблемой современного дорожного строительства является применение регенерированного асфальта. В нашей стране наибольшее распространение получила горячая регенерация. Современные технологии горячей регенерации являются сложными и трудоемкими, имеют существенные недостатки: большой расход тепловой и электрической энергии, нанесение ущерба окружающей среде, вредные условия труда на АБЗ, необходимость специального оборудования и др.

В развитие ранее разработанной технологии асфальта с дисперсным битумом [10] в СГТУ была исследована технология производства холодных регенерированных асфальтов с вязкими нефтяными дисперсными битумами [11]. В отличие от технологии горячей регенерации она имеет существенные достоинства:

-  энергосберегающая, поскольку отпадает необходимость в сушке и нагреве старого асфальта и добавляемых минеральных материалов;

- экологически безопасная, так как практически полностью исключаются выбросы вредных веществ в атмосферу в виде минеральной пыли, окислов азота, углерода и канцерогенных углеводородов;

-  трудосберегающая, поскольку отпадает необходимость обслуживания сушильного барабана, пылеуловительной установки, форсунки, топочного хозяйства и грохота;

-  материалосберегающая, так как снижается металлоемкость асфальтобетонного завода, сокращается расход минеральных материалов и битума за счет использования старого асфальта;

-  готовая регенерированная смесь холодная (температура до 35о С), что позволяет транспортировать ее на значительное расстояние;

-  себестоимость регенерированной смеси с дисперсным битумом ниже себестоимости горячих регенерированных смесей и др.

Одним из способов снижения дозировки вяжущего и улучшения деформативных свойств асфальта является применение составленных вяжущих из нефтяных и сланцевых битумов [8]. Однако горячая технология их приготовления и применения связана с трудоемкостью операций, перерасходом энергии и нанесением экологического ущерба. В СГТУ предложена технология, исключающая необходимость заблаговременного приготовления составленных вяжущих обычным горячим способом [12]. В увлажнённые составляющие асфальтовой смеси одновременно, раздельно, в любом соотношении вводятся сланцевый и нефтяной битумы. В процессе перемешивания происходит раздельное независимое диспергирование их твёрдым эмульгатором (минеральным порошком). В объёме асфальтовой смеси образуется смешанная, медленнораспадающаяся эмульсия, дисперсной фазой которой является отдельно существующие глобулы сланцевого и нефтяного битумов. При использовании вязкого нефтяного битума и до 60% сланцевой смолы (остаточного жидкого сланцевого битума) обеспечивается достаточно высокая степень их дисперсности. Результаты исследований позволяют сделать вывод, что замена части нефтяного битума сланцевой смолой приводит к некоторому снижению прочностных свойств, однако водные свойства остаются достаточно высокими и отвечают требованиям ГОСТ 9128-97 для горячего плотного асфальта I марки.

Проблема производства и применения холодных регенерированных смесей с вязкими дисперсными сланцевыми битумами требует решения целого ряда задач:

1. Теоретическое обоснование процессов структурообразования в регенерированном асфальте с дисперсным сланцевым битумом.

2. Исследование процессов диспергирования и степени дисперсности сланцевого битума в регенерированных асфальтовых смесях при использовании различных минеральных порошков.

3. Исследование технологии производства регенерированных асфальтовых смесей с составленными вяжущими.

4. Исследование дорожно-технических свойств регенерированных асфальтов со сланцевыми дисперсными битумами.

5. Технико-экономическое обоснование эффективности применения регенерированных асфальтов с дисперсными сланцевыми битумами.

6. Опытное применение регенерированного асфальта для строительства и ремонта асфальтовых покрытий и др.

Одним из наиболее важных вопросов является изучение характера взаимодействия сланцевого битума с зернами старого асфальта и нефтяным битумом в регенерированных смесях с дисперсным сланцевым битумом и составленными вяжущими. Можно предположить, что в результате испарения из смеси воды будут иметь место диффузионные процессы. При этом, кроме физического процесса диффузии, не исключена возможность реакционного взаимодействия за счет наличия функциональных групп в молекулах сланцевого битума (фенольные группы, карбоновые кислоты и др.) с образованием новых водонерастворимых соединений. Таким образом, следует ожидать, что в результате структурных изменений составленное вяжущее вещество будет обладать улучшенными свойствами, отличающимися от исходных материалов.

Большое практическое значение для регенерированного асфальта имеет качество вводимого в смесь сланцевого битума. Анализ доступной литературы показал, что вопрос получения сланцевых дорожных битумов изучен недостаточно.  До настоящего времени отсутствует оборудование, специально предназначенное для их производства, и практически не сформулированы технические требования к ним.

Схема окислительной установки

Схема окислительной установки:

1 – подставка; 2 – электроплитка; 3 – котел для окисления; 4 – реле;

5 – компрессор; 6 – воздухопровод; 7 – контактный термометр;

8 – обычный термометр; 9 – мешалка; 10 – теплоизоляция

В СГТУ разработана и изготовлена лабораторная установка (рисунок), позволяющая приготавливать дорожные битумы путем окисления сланцевых смол и масел продувкой воздухом в интервале температур от 100 до 180оС. Для проведения исследований используется масло, полученное на сланцеперерабатывающем заводе «Сланцы-хим» Ленинградской области из горючего сланца Гдовского месторождения.   Установка позволяет в широких пределах изменять параметры получения сланцевых битумов, исследовать технологии, процесс и свойства получаемых битумов.

 

Литература

 

  1. Гельфгат Я. А. Добыча нефти и газа в России: неиспользованные резервы / Я. А. Гельфгат // Энергия: экономика, техника, экология. 2004.  № 3. С. 25-31.
  2. Постановление Государственного комитета СССР по науке и технике от 29.08.83 г. № 483 «О проведении в 1983-1985 годах дополнительных научно-исследовательских работ с целью обеспечения выполнения заданий научно-технической программы О.Ц.008».
  3. Научно-техническая программа «Сланцы Поволжья». Саратов: СПИ, 1984.  32 с.
  4. Постановление Правительства Саратовской области от 01.12.04 г. № 303-п о проекте комплексной программы «Развитие и использование углеводородной сырьевой базы для газоснабжения потребителей Саратов-ской области» на 2005-2007 годы.
  5. РСТ ЭССР 82-79. Битумы сланцевые жидкие и вязкие. Технические условия.  Введ. 1980-01-01.  Таллин: Изд-во. ЭССР, 1980. 12 с.
  6. Евгеньев И.Е. Автомобильные дороги в окружающей среде / И.Е. Евгеньев, Б.Б. Каримов. М.: ООО «Трансдорнаука», 1977. 287 с.  Библиогр.: С. 283-285.
  7. Сергиенко С. Р. Высокомолекулярные соединения нефти / С.Р. Сергиенко.  М.: Химия, 1964.  541 с.
  8. Сланцевые вяжущие в дорожном строительстве / М.Н. Першин, М.Ф. Никишина, А.П. Архипова, Е.Н. Баринов, С.А. Козлов, Г.В. Коре-новский, Л.Р. Шверова.  М.: Транспорт, 1981. 151 с.
  9. Горнаев Н.А. Холодный асфальт с дисперсным сланцевым битумом / Н.А. Горнаев, Л.В. Никифорова // Проблемы транспорта и транспортного строительства: cб. науч. тр.  Саратов: СГТУ, 2005. Ч. 1.
    С. 90-93.
  10. Рекомендации по технологии производства и применения холодных асфальтобетонных смесей с диспергированным битумом / Министерство автомобильных дорог РСФСР. М.: Главдортех, 1987.  16 с.
  11. Горнаев Н.А. Технология регенерации асфальта / Н.А. Горнаев, А.Ф. Иванов, В.Е. Никишин // XXIX науч.-техн. конф.: тез. докл.  Пенза: ПГАСА, 1997.  Ч. 2.  С. 22.
  12. Горнаев Н. А. Регенерированный асфальт с составленными дисперсными вяжущими / Н.А. Горнаев, В.Е. Никишин // Актуальные проблемы транспорта России: тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. / СГТУ.  Саратов, 1999.  Вып.3.  С. 107-109.

 

Метки:     холодный асфальт      битум

Новости ФОРУМА
 
 

 

Транспортные сооружения - научный журнал

Кафедра Транспортное строительство СГТУ

Блог о расчeтах мостов Портал мостостроителя

Ingener.kz: Всё для инженеров

СК Стройкомплекс-5