СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННО-МИНЕРАЛЬНОЙ СМЕСИ Российский патент 2007 года по МПК C08L95/00 C04B26/26 

Изобретение относится к технологии производства дорожно-строительных материалов и может быть использовано для приготовления складируемых эмульсионно-минеральных смесей для среднего и ямочного ремонта дорожных покрытий.

Известен способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси для устройства дорожных покрытий, включающий смешивание битумной катионной эмульсии с минеральным заполнителем и минеральным порошком, предварительно обработанным поверхностно-активным веществом катионного типа - алкилтриметиламмонийхлоридом (авт.свидет. СССР №654654, кл. C08L 95/00, опубл. 1979 г.).

Недостатком данного способа является высокая стоимость получаемой смеси и сложность его осуществления, обусловленные соответственно необходимостью использования дорогостоящего минерального порошка и наличием дополнительных операций по введению минерального порошка при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси. Однако основным недостатком данного способа является высокая слеживаемость получаемой эмульсионно-минеральной смеси и невозможность ее складирования и хранения длительный период времени.

Известен способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающий обработку минерального материала - доменного шлака усилителем адгезии к битуму на основе кремнийорганических производных при повышенной температуре в среде органического растворителя, и последующее смешивание минерального материала с катионной битумной эмульсией. Битумная эмульсия, приготавливается на алкоксилированном битуме, полученном путем обработки в автоклаве при температуре 200°С окисью этилена в присутствии гидроксида щелочного металла в среде органических растворителей таких как толуол, ксилол в течение часа (см.патент США №4170484, кл. С08L 95/00, 1979 г.).

Недостатком этого способа является высокая токсичность и стоимость используемых реагентов для увеличения адгезии минерального материала к битуму, а также высокая энергоемкость процесса получения и возможный экологический ущерб, поэтому применение таких реагентов для производства эмульсионно-минеральных смесей является нецелесообразным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающий обработку минерального материала (смесь гранита, песка и минерального порошка) составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу, и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией (Пособие по устройству поверхностных обработок на автомобильных дорогах к СНиП 3.06.03-85 М., 1990 г., с.14-18)) - принято за прототип.

Недостатками данного способа приготовления эмульсионно-минеральной смеси является ее повышенная стоимость и недостаточные эксплуатационные характеристики покрытия, полученного из этой смеси. Повышенная стоимость указанной смеси вызвана использованием больших количеств дорогостоящих реагентов, например, первичных алифатических аминов; алкилтриметиламмонийхлорида, сланцевого масла и т.д., применяемых в составах для увеличения адгезии битума к минеральному материалу, в качестве которого используют щебень из изверженных и метаморфических горных пород, таких как граниты, диариты, габбро, базальты, диабазы и другие. Для того чтобы избежать быстрого неконтролируемого распада битумной эмульсии в результате использования минерального материала с высоким содержанием мелкозернистых фракций (песок, минеральный порошок), требуется обработка его стабилизаторами скорости распада, в состав которых входят реагенты с высокой токсичностью (алифатические амины, кубовые остатки жирных кислот, сланцевое масло и т.п.). Использование минерального материала непрерывного зернового состава при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси влечет частичную слеживаемость смеси и ухудшает ее удобоукладываемость. Вследствие этого, указанные смеси не нашли применения в дорожном строительстве.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эксплуатационных характеристик эмульсионно-минеральной смеси, возможности ее складирования на длительный период, повышения срока службы устроенных покрытий и снижения стоимости при производстве.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающем обработку минерального материала составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией, в качестве минерального материала используют узкофракционированный щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19,0-32,0%, при этом обработку щебня ведут составом, увеличивающим адгезию битума к щебню, представляющим собой раствор производных аминов в нефтепродуктах, в количестве 0,3-0,5 вес. частей в зависимости от указанного содержания гематита в щебне.

Кроме того, в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к щебню, используют реагенты, выбранные из группы производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов, при этом указанные реагенты применяют в виде 0,5-10% раствора в светлых нефтепродуктах, а в качестве узкофракционированного щебня используют щебень фракций 3-5 мм, или 5-8 мм, или 5-10 мм, или 10-15 мм.

За счет применения адгезионной добавки и узкофракционированного щебня, из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32%, достигается создание на поверхности щебня структурированных пленок эмульгированного битума равномерно распределенных по всему объему смеси. Это происходит за счет увеличения адгезионно-когезионного взаимодействия на границе щебень-эмульгированный битум, что связано с присутствием трехвалентного железа на поверхности гематита и протеканием хемосорбционных процессов при контакте его с адгезионной добавкой и битумной эмульсией.

Использование такого минерального материала при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси позволяет одновременно снизить количество адгезионной добавки, обеспечивающей повышение адгезионно-когезионного взаимодействия эмульгированного битума со щебнем. Это обеспечивает более низкую стоимость по сравнению с прототипом за счет снижения удельного расхода дорогостоящих зарубежных и отечественных ПАВ, входящих в состав адгезионной добавки и оптимального подбора ее концентрации в зависимости от содержания гематита, что позволит значительно сократить расход и сэкономить битумное вяжущее. Использование в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к минеральному материалу реагентов на основе производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов в виде 0,5-10% раствора в светлых нефтепродуктах улучшает условия приготовления и степень обволакиваемости битумом зерен минерального материала, снижает слеживаемость смеси и улучшает ее удобоукладываемость. Кроме того, создание на поверхности щебня структурированной пленки эмульгированного битума позволяет повысить эксплуатационные характеристики эмульсионно-минеральной смеси и, прежде всего, подвижность при хранении, что позволяет ее использовать без подогрева в течение нескольких месяцев.

Таким образом, полученные по предлагаемому способу эмульсионно-минеральные холодные смеси на битумных эмульсиях с использованием узкофракционированного щебня из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32% имеют следующие преимущества:

- допускают использование влажного каменного материала за счет вытеснения водных пленок адгезионной добавкой и хемосорбционного взаимодействия ее с поверхностью гематита;

- позволяют экономить до 10-30% битума за счет улучшения обволакиваемости щебня в результате образования структурированной пленки эмульгированного битума;

- приготовление и укладка смесей может выполняться при неблагоприятных климатических условиях, так как вязкость эмульгированного битума с понижением температуры возрастает медленнее и смесь не теряет удобоукладываемость;

- применение складируемых эмульсионно-минеральных смесей упрощает технологию производства работ и расширяет сроки проведения ямочного и среднего ремонта дорожных покрытий.

Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси осуществляется следующим образом.

В качестве минерального материала используют щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, непригодных для дальнейшего применения в металлургической промышленности, имеющий следующий химический состав, %:

Fe общ. - 22,0-28; Fe mqt 4-5; FeO 4-5;

Fe₂О₃ 19-32; AL₂О₃ 0,1-1,0;

MqO 0,1-1,5; CaO 1,0-2,1; S 0,06-0,08;

P 0,045-0,06; P₂О₅ 0,121-0,129; С 0,55-0,65, nnn 2,69;

K₂О 0,51-0,53; Na₂O 0,41-0,44; MnO 0,031-0,033; SiO₂ - остальное до 100%

Щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд имеет следующие показатели качества:

- марка по пределу прочности на сжатие -1200

- марка по истираемости - И1

- насыпная плотность - 1660 кг/м³

- значение удельной эффективной активности естественных радионуклидов - до 370 Бк/кг

- качество по морозостойкости не ниже марки F50

- содержание зерен пластинчатой и игловатой формы - не более 35%

- содержание пылевидных и глинистых частиц - не более 1%.

Битумные эмульсии производят путем смешения битума при температуре 130-150°С, эмульгатора, неорганической кислоты и воды, нагретой до 35-60°С, при этом эмульгатор вводят в количестве 0,17-0,22 кг/т в зависимости от массы содержания гематита в щебне. Для приготовления битумной эмульсии используют пластифицированный битум. В качестве пластификатора применяют светлые нефтепродукты, например нефрас С4 150/200 и др., - продукты с интервалом кипения 150-200°С. Водная фаза содержит катионный эмульгатор, выбранный из группы диаминов, жирного ряда алкиламидоимидазолинов, четвертичных аммониевых оснований.

Битумные эмульсии получали на лабораторной установке «Emulbitume» (Франция). Температура битумной фазы 130-160°С, водной 40-50°С, Рн=1,8-2,5. Необходимое значение Рн создавалось добавлением соляной кислоты. Водная и битумная фазы подавались в диспергатор установки с таким расчетом, чтобы соотношение их в эмульсии составляло 30-40:60-70 соответственно.

Эмульсионно-минеральные смеси получали путем предварительного смешения дозированных количеств щебня сухой магнитной сепарации с содержанием гематита 19-32% фракции 5-10 мм с адгезионной добавкой и последующего смешения с битумной эмульсией до полного и равномерного объединения всех компонентов.

В качестве реагента, увеличивающего адгезию битума к минеральному материалу, использовали 5%-ный раствор в нефрасе С4 150/200 производных полиаминов.

Перемешивание считали законченным, если все зерна минерального материала равномерно покрыты вяжущим и в готовой смеси не наблюдается его отдельных сгустков.

Рецептура эмульсии для производства складируемых эмульсионно-минеральных смесей, кг/т:

Битум БНД 90/130630,5Пластификатор19,5HCL (плотность 1,17 г/см³)1,5Эмульгатор на основе производных алкилдиаминов2,0Вода346,5

Результаты подбора компонентов складируемой эмульсионно-минеральной смеси приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1.Подбор компонентов эмульсионно-минеральной смеси для ямочного ремонта на щебне из хвостов сухой магнитной сепарации фракции 5-10 мм содержание гематита 22%№Адгезионная добавка, вес. частейБитумная эмульсия, вес. частейПримечание1-10покрытие поверхности щебня плохое20,310Неполное покрытие поверхности щебня30,410Избыток эмульсии40,49Небольшой избыток эмульсии50,48Хорошее покрытие60,47,5Хорошее покрытие70,47Хорошее покрытие80,57Хорошее покрытие

Определение сцепления битумной пленки с поверхностью щебня проводили при кипячении смеси в дистиллированной воде в течение 5 минут. Установлено, что адгезия битума для образца №1 составляет 65% и увеличивается для образца №6 до 90-100%, №7 8-85-90%, т.е. оптимальное содержание битумной эмульсии и адгезионной добавки для данного минерального материала составляет 7,5 и 0,4 вес. ч. соответственно.

Таблица 2.Подбор компонентов эмульсионно-минеральной смеси для ямочного ремонта на щебне из хвостов сухой магнитной сепарации фракции 5-10 мм при расходе битумной эмульсии 7,5 вес. частей№Адгезионная добавка, вес. частейСодержание гематита, %Примечание1.0,717Избыток адгезионной добавки, формирование структурированной пленки не происходит, покрытие поверхности щебня плохое10.618Формирование структурированной пленки не происходит, покрытие поверхности щебня плохое20,519Хорошее покрытие30,520Хорошее покрытие40,422Хорошее покрытие50,430Хорошее покрытие60,332Хорошее покрытие70,333Неполное покрытие поверхности щебня

Из приведенных данных видно, что составы полученных эмульсионно-минеральных смесей, приготовленных на минеральном материале фракции 5-10 мм с использованием щебня из железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32% и с использованием адгезионной добавки в количестве 0.3-0,5 характеризуется высокими качественными показателями. Как видно из данных, представленных в таблице 2, обработка щебня с содержанием гематита менее 19% адгезионной добавкой в количестве больше 0,5 вес. частей нецелесообразно. Так как это приводит к неоправданному увеличению концентрации реагентов для адгезионного состава при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси, увеличению ее стоимости, а также к ухудшению покрытия щебня в результате замедления формирования структурированной пленки битума на щебне. Использование щебня с содержанием гематита более 32% ведет к недопустимому снижению концентрации реагентов адгезионного состава, что ведет к ослаблению прочности сцепления битумной эмульсии со щебнем, а также к повышению интенсивности влияния окислов железа на старение битума и снижению срока службы, такого материала. Использование фракционированного щебня, предварительно обработанного адгезионной добавкой, позволяет равномерно распределить на его поверхности битумную эмульсию, а в результате содержания в смеси близких по размеру зерен (практически одинакового размера), скорость образования структурированной пленки битума протекает одновременно во всем объеме, что улучшает условия приготовления и степень обволакиваемости эмульгированным битумом зерен минерального материала. Это придает смеси подвижность, устойчивость к слеживаемости при хранении длительный период. В процессе уплотнения использование при приготовлении узкофракционированного щебня позволяет не только создать однородный каркас, обеспечивающий прочностные характеристики материала, но и использовать такие смеси для ремонта ям и выбоин различной глубины, что расширяет область их применения.

Применение предлагаемого способа позволит повысить эксплуатационные характеристики дорожного покрытия из приготовленной эмульсионно-минеральной смеси за счет повышенного сцепления вяжущего с минеральным материалом, а также получить смеси с низкой слеживаемостью в течение длительного хранения на складах за счет улучшения обволакиваемости каменного материала и высокой адгезии битумной эмульсии к щебню.

Таким образом, использование такого минерального материала позволяет получить покрытие с более низкой стоимостью по сравнению с прототипом за счет снижения удельного расхода реагентов, входящих в состав адгезионной добавки и оптимального подбора их концентрации, применяемой для обработки щебня. Это позволит значительно сократить расход дорогостоящих реагентов адгезионного состава и сэкономить битумное вяжущее. Использование предлагаемого материала в составе эмульсионно-минеральной смеси в устройстве дорожного покрытия одновременно повышает адгезионное взаимодействие битума с фракционированным щебнем, обеспечивая в целом увеличение водостойкости, прочности и долговечности покрытия при одновременном удешевлении как эмульсионно-минеральной смеси, так и стоимости выполнения ямочных и средних ремонтов, устройства дорожного покрытия

Изобретение относится к технологии производства дорожно-строительных материалов и может быть использовано для приготовления складируемых эмульсионно-минеральных смесей для среднего и ямочного ремонта дорожных покрытий. Описывается способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси, который включает обработку минерального материала составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией. В качестве минерального материала используют узкофракционированный щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19,0-32,0%, при этом обработку щебня ведут составом, увеличивающим адгезию битума к щебню, в количестве 0,3-0,5 вес. частей в зависимости от указанного содержания гематита в щебне. Техническим результатом является повышение адгезионного взаимодействия битума с фракционированным щебнем, что обеспечивает в целом увеличение водостойкости, прочности и долговечности покрытия при одновременном удешевлении как эмульсионно-минеральной смеси, так и стоимости выполнения ямочных и средних ремонтов, устройства дорожного покрытия. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси для устройства дорожных покрытий, включающий обработку минерального материала составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу, и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией, отличающийся тем, что в качестве минерального материала используют узкофракционированный щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, при этом обработку щебня ведут составом, увеличивающим адгезию битума к щебню, представляющим собой раствор производных аминов в нефтепродуктах, в количестве 0,3-0,5 вес. ч. в зависимости от указанного содержания гематита в щебне.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к щебню, используют реагенты, выбранные из группы производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов в виде 0,5-10%-ного раствора в светлых нефтепродуктах.3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве узкофракционированного щебня используют щебень фракций 3-5 мм, или 5-8 мм, или 5-10 мм, или 10-15 мм.