Нефтяной кокс для асфальтобетонной смеси Российский патент 2021 года по МПК C04B26/26 C08L95/00 C08K3/04 

Изобретение относится к строительным составам, конкретно - к порошкам для асфальтобетонной смеси, и может найти применение в дорожном строительстве.

В настоящее время в качестве порошков для асфальтобетонных смесей традиционно используются минеральные порошки, имеющие недостаточно высокие показатели по адгезии и прочностным характеристикам.

В последнее время ведутся разработки по получению порошка для асфальтобетонных смесей из других видов сырья, в частности, высокоуглеродистых материалов в виде нефтяного кокса, который выгодно отличается от традиционно используемых видов минеральных порошков более высокими потребительскими качественными показателями, среди которых наиболее важными являются адгезия и высокие прочностные характеристики.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту RU 2568620 «Способ получения и состав активированного армированного минерального порошка». Сущностью является активированный армированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси, характеризующийся тем, что он содержит однородную смесь из измельченных минерального компонента в виде карбонатной породы, преимущественно кубовидной формы, армирующей добавки в виде распушенных волокон и гидрофобизатора в виде жирной кислоты, равномерно распределенного по поверхности минерального компонента и армирующей добавки, при следующем соотношении компонентов, %:

указанный гидрофобизатор 0,1-5,0;

волокна 0,5-15,0;

карбонатная порода остальное.

Активированный армированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси по п. 6, отличающийся тем, что в качестве армирующей добавки содержит волокна целлюлозы, или асбеста, или базальта. Активированный армированный минеральный порошок для асфальтобетонной смеси по п. 6, отличающийся тем, что в качестве армирующей добавки содержит смесь волокон.

К недостаткам известного изобретения следует отнести использование жирных кислот, которые подвержены процессу окислительного старения, что, как следствие, приводят к преждевременному старению асфальтобетонной смеси при длительной его эксплуатации. Недостатком известного технического решения является также то, что необходимо в процессе помола вводить ряд других активирующих агентов.

Целью заявленного технического решения является получение нового высокоэффективного вида порошка для асфальтобетонных смесей на основе товарного нефтяного кокса и его нецелевых фракций, обладающие повышенной водостойкостью, адсорбционной активностью и низкой себестоимостью, которые могут более эффективно заменить известные минеральные порошки.

Техническим результатом заявленного технического решения является коксовый порошок с размерами частиц (дисперсностью) 1–5 микрометров (мкм), добавляемый в асфальтобетонные смеси дорожных покрытий и обеспечивающий повышенные эксплуатационные свойства, дорожного покрытия, например – водостойкость, износостойкость, адсорбционную активность и низкую себестоимость, а также могут более эффективно заменить известные минеральные порошки.

Сущностью заявленного технического решения является нефтяной кокс для асфальтобетонной смеси, отличающийся тем, что состоит из коксового порошка с размерами частиц 1–5 мкм, механоактивированного при температуре 30-70 °С.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.4.

На Фиг.1 представлена схема лабораторной дезинтеграторной установки, где:

1 – электродвигатели; 2 – диск; 3 – приемный бункер; 4 – шнек; 5 – палец; 6 – накопительный бункер.

На Фиг.2 приведена Таблица 1, в которой представлены физико-химические показатели кокса нефтяного анодного.

На Фиг.3 приведена Таблица 2, в которой представлены сравнительные физико-химические показатели заявленного коксового порошка и минерального порошка по аналогу.

На Фиг.4 приведена Таблица 3, в которой представлены физико-механические показатели асфальтобетонной смеси.

Поставленная цель и заявленный технический результат достигается за счет того, что нефтяной кокс подвергают механоактивации в интервале температур 30-70 °С до достижения размеров частиц 1-5 мкм.

Механоактивация способствует решению поставленной задачи. Механоактивацию проводят в измельчительных устройствах при свободном ударе или при стесненном ударе с истиранием, например:

- в струйной мельнице измельчение проводят при давлении 0,4 - 1,0 МПа,

- в дезинтеграторе измельчение проводят при скорости соударения частиц 60 - 250 м/с,

- в шаровой мельнице измельчение проводят на протяжении 5 - 60 минут,

- в дисковой мельнице измельчение проводят на протяжении 5 - 60 минут,

- в планетарной мельнице измельчение проводят в течение 1 - 5 минут.

Нефтяной кокс (углерод нефтяного происхождения) представляет собой пористую твердую неплавкую массу от темно-серого до черного цвета. Он состоит из высоко-конденсированных и высоко-ароматизированных полициклических углеводородов с небольшим содержанием водорода, а также других органических соединений.

Элементный состав сырого (не прокаленного) нефтяного кокса, % мас.: C: 91-99,5; H: 0,035-4; S: 0,5-8; (N+O): 1,3-3,8; редкоземельные металлы – остальное.

Известно, что на установках замедленного коксования накапливается значительное количество тонкодисперсных отходов кокса с размерами частиц от нескольких микрон до 6 мм – так называемой коксовой мелочи, которая не находит квалифицированного применения и требует дополнительных затрат на утилизацию. Однако такие отходы могут служить сырьем для получения ценных продуктов и топлива с высоким содержанием углерода, в частности для добавки в роли минерального порошка в асфальтобетонную смесь.

В результате применения механоактивации при измельчении получается активированный коксовый порошок, обладающий повышенной водостойкостью, адсорбционной активностью и, что очень важно, низкой себестоимостью.

Принцип механоактивации в дезинтеграторной установке (Фиг.1) заключается в следующем: после подачи напряжения на электродвигатели 1 их роторы и соединенные с ними диски 2 дезинтегратора начинают вращаться в разные стороны, затем нефтяной кокс засыпается в приемный бункер 3, откуда он шнеком 4 подается в рабочее пространство мельницы. Далее частицы материала, попав на первый круг пальцев 5, получают скорость, соответствующую скорости пальцев 5, и с этой скоростью вылетают из круга. При этом их путь направлен в одну сторону с вектором скорости тех пальцев 5, от которого они ушли, и пересекают траекторию движения второго ряда пальцев 5 (движущегося в противоположном направлении). После многократного соударения с пальцами 5 частицы размалываемого материала, вылетев из внешнего круга пальцев 5, ударяются о внутреннюю часть кожуха и самотёком опускаются в нижнее его отверстие, попадая затем в накопительный бункер 6.

Физико-химические показатели товарного и измельченного кокса нефтяного анодного приведены в Таблице 1 на Фиг.2.

Сравнительная характеристика полученного коксового порошка и традиционного минерального порошка приведены в Таблице 2 на Фиг.3.

Как видно из Таблицы 2, заявленный коксовый порошок для асфальтобетонных смесей имеет следующие преимущества по сравнению с известным аналогом:

- не требует активации, в частности, совместным помолом с другими активизирующими ингредиентами по сравнению с аналогом;

- коксовый порошок с участием битума обладает повышенной водостойкостью;

- более низкий показатель битумоемкости;

- снижение себестоимости за счет использования нецелевых фракций нефтяного кокса;

- расширение сырьевой базы получения коксового порошка за счет местных сырьевых ресурсов.

Заявленный коксовый порошок был испытан в соответствии с ГОСТ 9128-2013 «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия» [105] в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации. Результаты представлены в Таблице 3 на Фиг.4.

Пример 1. Получение асфальтобетонной смеси с содержанием коксового порошка 8% мас.

Товарный нефтяной кокс и его исходную мелочь с размером частиц менее 30 мм измельчают в лабораторном дезинтеграторе при 50 °C и скорости соударения частиц 200 м/с. В результате получают активированный коксовый порошок с размером частиц в интервале от 1 до 5 мкм.

Полученный таким образом коксовый порошок направляют без подогрева в асфальтосмесительное устройство через дозатор. Одновременно в этот аппарат в нагретом состоянии (180 – 200 °C) загружают песок, щебень и горячий битум (160 °C) в заданных соотношениях. Полученную смесь перемешивают в нагретом состоянии в течение 3 минут. Затем готовую смесь выгружают и приготавливают образцы для дальнейший физико-механических испытаний по стандартной методике. Состав асфальтобетонной смеси: щебень 48%, коксовый порошок 8%, песок 38%, битум 6% на минеральную смесь. Результаты показателей свойств асфальтобетона, приготовленного с заявленным активированным коксовым порошком по сравнению с аналогом, представлены в Таблице 3 на Фиг.4.

Далее в Примерах 2-4 показана взаимосвязь количества коксового порошка и дисперсии с физико-механическим характеристикам асфальтобетонной смеси.

Пример 2. Получение асфальтобетонной смеси с содержанием коксового порошка 10% мас.

Содержание коксового порошка в асфальтобетонной смеси составляет 10%. Измельчение проводят при 50 °C в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 150 м/с. В результате получают порошок с размером частиц 6-10 мкм. Состав асфальтобетонной смеси: щебень 48%, коксовый порошок 10%, песок 36%, битум 6% в расчете на минеральную смесь.

Пример 3. Получение асфальтобетонной смеси с содержанием коксового порошка 6% мас.

Содержание коксового порошка в асфальтобетонной смеси составляет 6%. Измельчение проводят при 50 °C в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 150 м/с. В результате получают порошок с размером частиц 6-10 мкм. Состав асфальтобетонной смеси: щебень 48%, коксовый порошок 6%, песок 40%, битум 6% в расчете на минеральную смесь.

Пример 4. Получение асфальтобетонной смеси с содержанием коксового порошка 12% мас.

Содержание коксового порошка в асфальтобетонной смеси составляет 12%. Измельчение проводят при 50 °C в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 200 м/с. В результате получают порошок с размером частиц 1-5 мкм. Состав асфальтобетонной смеси: щебень 46%, коксовый порошок 12%, песок 36%, битум 6% в расчете на минеральную смесь.

Из приведенных Примеров можно сделать вывод, что снижение содержания в асфальтобетонной смеси коксового порошка менее 8% приводит к ухудшению качества по показателям: предела прочности и сцепления с битумом. Увеличение количества коксового порошка выше 8% от общей массы ведет к снижению таких показателей, как водонасыщение и водостойкость.

Заявитель поясняет, что измельчение следует проводить при температурах 30-70 °C, оптимально 50 °C, поскольку измельчение при температуре ниже 30 °C связано с техническими трудностями подачи коксовой мелочи в измельчительные устройства, а выше 70 °C может привести при выбросе коксовой пыли к созданию взрывоопасной среды.

Как видно из Таблицы 3, все показатели коксового порошка удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-2013* «Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов».

Основываясь на приведенных выше экспериментальных данных, можно сделать заключение о том, что заявленное техническое решение обеспечивает лучшие физико-механические характеристики при содержании коксового порошка в асфальтобетонной смеси 8% от общей массы, при котором размеры частиц находятся в интервале от 1 до 5 мкм. Полученные показатели характеризуют повышение основных характеристик асфальтобетонной смеси при использовании коксового порошка по сравнению с аналогом. Таким образом, преимуществами заявленного технического решения являются:

• Существенное улучшение физико-механических показателей - значения пределов прочности при 20 °С улучшились с 4,3 до 4,6, а при 50 °С – с 1,5 до 1,7.

• Улучшение показателя водонасыщения - при использовании коксового порошка показатель водонасыщения составил 1,5, что значительно превосходит показатель по аналогу, равный 3,6.

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат, а именно - получен новый высокоэффективный вид порошка для асфальтобетонных смесей на основе товарного нефтяного кокса и его нецелевых фракций, обладающий повышенной водостойкостью, адсорбционной активностью и низкой себестоимостью, которые могут более эффективно заменить известные минеральные порошки.

Коксовый порошок с размерами частиц (дисперсностью) 1–5 микрометров (мкм) возможно добавлять в асфальтобетонные смеси дорожных покрытий, что обеспечивает повышенные эксплуатационные свойства дорожного покрытия – водостойкость, износостойкость, адсорбционную активность и низкую себестоимость, а также можно более эффективно заменять известные минеральные порошки.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.

Изобретение относится к строительным составам, конкретно - к порошкам для асфальтобетонной смеси, и может найти применение в дорожном строительстве. Технический результат заключается в повышении эксплуатационных свойств дорожного покрытия: водостойкости, износостойкости, адсорбционной активности и низкой себестоимости, а также могут более эффективно заменить известные минеральные порошки. Нефтяной кокс для асфальтобетонной смеси, отличающийся тем, что состоит из коксового порошка с размерами частиц 1–5 мкм, механоактивированного при температуре 30-70 °С. 4 ил.

Нефтяной кокс для асфальтобетонной смеси, отличающийся тем, что состоит из коксового порошка с размерами частиц 1–5 мкм, механоактивированного при температуре 30-70 °С.