Виготовлення бітумів

1. Асфальтова крихта

Асфальтова крихта (асфальтобетонна  крихта) - вторинне будівельна сировина, утворене в процесі фрезерування (розробки) застарілого асфальтобетонного  покриття, а також отримується  шляхом дроблення асфальтового відколу (великихфрагментів демонтованого дорожнього покриття).  

  Технологічна цінність асфальтової крихти як дорожньо-будівельного матеріалу, обумовлена присутністю в її складі залишкової частки бітумного в'яжучого, що сприяє посиленню зв'язків між окремими компонентами суміші і підвищує кінцеву міцність готової дорожньої конструкції.

 

  При використанні відходів дорожнього будівництва (що виникають у процесі асфальтування, ремонту та будівництва доріг) для отримання асфальтової крихти, допускається попадання до її складу незначної кількості сторонніх включень (бетонна крихта, гумова крихта та ін.) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Способи отримання асфальтової крихти

Фрезерування асфальтобетонного  покриття - процес пошарової розробки (зрізання) верхніх шарів дорожньої  конструкції шляхом механічної дії  на поверхню. Виконується спеціальної  дорожньо-будівельною технікою - планувальником холодного типу (дорожньої фрезою), з метою ремонту і подальшого асфальтування дефектної ділянки дороги.

  Освіта асфальтової крихти відбувається внаслідок обертання фрезерного барабана (робочий орган планувальника) руйнівної монолітну структуру дорожнього покриття. Розмір фракції отриманого матеріалу залежить від типу вихідної асфальтобетонної суміші: крупнозернистою, дрібнозернистою або піщаної.

  Дроблення асфальтового відколу - процес механічного подрібнення великих асфальтобетонних фрагментів (до 2 м по діагоналі) за допомогою спеціальних механізмів - валкових дробарок або асфальтових грануляторів. З метою підвищення однорідності складу і загальної стабільності матеріалу, отриману асфальтову крихту розсіюють по декількох фракцій.

У процесі регенерації (відновлення) дорожніх покриттів відбувається фрезерування асфальтобетону, в результаті чого утворюється асфальтова крихта, яка  в подальшому змішуючись з цементом, вапном, спіненим бітумом або бітумною емульсією, утворює новий матеріал під назвою «асфальтогранулобетон». Після цього здійснюється укладання оновленої суміші на дорожнє полотно та її ущільнення. Вся етапи холодного ресайклінгу виконуються в один прохід спеціальної дорожньо-будівельною машиною з однойменною назвою «холодний ресайклер».

Крім створення нових  сумішей безпосередньо на місці  проведення робіт (ресайклінг), асфальтова крихта використовується також як вторинної  сировини при виробництві традиційних  і модифікованих асфальтобетонних сумішей на асфальтобетонних заводах. Так, при додаванні асфальтової крихти в холодному вигляді її частка в новій суміші може досягати 25%, а в гарячому 60%, що дозволяє значно скоротити витрату матеріалів і вартість виробництва асфальтобетонних сумішей.

2. Фізико-механічна властивість бітумів, модифікованих комплексним модифікатором полідом

З усіх компонентів асфальтобетону бітуми найбільш чутливі до дії транспорту та температури. Тому поліпшення їх міцності та деформативних характеристик шляхом модифікації  полімерами дозволяє суттєво подовжити строк служби дорожніх покриттів.

Однією з основних перешкод широкого застосування модифікованих  бітумів є їх висока вартість. Так  модифікація бітумів ефективними, але дорогими термоеластопластами  або термополімерами підвищує вартість в’яжучого  в 1,5 – 2,5 рази.

Приготування модифікованого бітуму здійснювали шляхом його перемішування  з полідомом за допомогою лабораторної мішалки протягом 2 годин за температури 195 – 200 ⁰ С.

Результати випробувань  свідчать, що характеристики бітумів, які вмішують  полідом, є типовими для бітумів, модифікованих термоеластопластами і відповідають вимогам ДСТ Б 2.7-135 на бітуми дорожні модифіковані полімерами.

Враховуючи, що основою полідому є дешевий вторинний поліетилен, а необхідний вміст латексу в 4 рази менший, ніж його потрібно при  використанні окремо і зважаючи на практично однаковий з іншими полімерами оптимальний вміст у  бітумі, використання полідому дозволить  суттєво знизити вартість модифікованих  бітумів і сприятимє більш широкому їх застосування.

 

3. Технологія виробництва бітумів 

Бітуми -  органічні речовини чорного або темно-бурого кольору, які складаються із суміші порівняно високомолекулярних вуглеводнів та            неметалевих похідних, тобто з'єднань вуглеводнів з сіркою, азотом або киснем. При кімнатній температурі  бітуми знаходяться в твердому, в'язкому, в’язко пластичному і рідкому станах. Вони повністю розчиняються в бензолі, толуолі,  ксилолі, хлороформі, сірковуглеці та деяких інших органічних розчинниках. При нагріванні переходять в  легко рухливі рідини, при охолоджені – знову застигають. Їх густина близько 1 г/м³.

Бітуми є природні і  штучні, тобто отримані з нафти  в заводських умовах і іменовані як нафтові .

Природні бітуми утворилися в природних умовах з нафти  в результаті дуже тривалого впливу на неї кліматичних і геологічних  чинників, протікання процесів окислення  і полімеризації вуглеводнів, випаровування  легких нафтових фракцій. Природні бітуми залягають у верхніх шарах  земної кори або скупчуються у  вигляді поверхневих озер.

При пластовій формі залягання  природним бітумом просякнуті вапняки, доломіт, пісковики та інші пористі  гірські породи. У них бітум  міститься в кількості 5-20% за масою  і більше, а породи носять назву  бітумінозних, або асфальтових. При  вмісті бітуму в породах більше 10% доцільно його вилучати, щоб використовувати  в технології як сполучний компонент. Найбільш поширені  способи вилучення  бітуму в гірських порід – виварка  у воді і екстрагування органічними  розчинниками.

По першому способу  асфальтову гірську породу дроблять на частинки розміром 6-10 мм і занурюють  у казан з водою. У воду додають  соляну кислоту для кращого відділення бітуму від мінеральних частинок. Суміш подрібненої гірської породи з підкисленою водою кип'ятять  при постійному перемішуванні. Бітум  спливає на поверхню зазвичай у вигляді  піни, яку вичерпують, а у відстійниках відокремлюють від води. Нагріванням природний бітум підсушують і, якщо потрібно, згущують продувкою повітря. Повністю видалити бітум з гірської породи не вдається.

За другим способом подрібнену породу обробляють в котлах або спеціальних  ємкостях органічним розчинником, в  якому бітум розчиняється. При  цьому зручніше і вигідніше застосовувати  негорючу і дешевшу рідину, наприклад, трихлоретилен. Бітум з розчину  легко видаляється випаровуванням розчинника. При температурі близько 100⁰С видаляють останні частинки розчинника, а при більш високій температурі бітум згущують продувкою повітря до бажаної в'язкості. Перший спосіб економічніше другого, але значна частина бітуму втрачається. Другий  спосіб найвигідніший.

При малому вмісті бітуму в  породах, видаляти його непродуктивно: такі породи подрібнюють до порошкоподібного стану; отриманий асфальтовий порошок  використовують як високоякісної добавки  в асфальтових бетонах, мастиках, антикорозійних покриттях.

Нафтові бітуми отримують  з нафти.  Шляхом її нагрівання виділяють  рідкі горючі компоненти – бензин, нафту, гас. Далі, при температурі 300-400⁰С, відганяють машинні, веретенні, трансформаторні та інші мастильні масла. Виділення цих масел з нафти ведеться під вакуумом. В результаті поділу (розгонки) нафти на горючі і мастильні речовини в ємкості залишається густий смолистий залишок, що містить тверді частки,  - гудрон. Він є вихідною сировиною для отримання напівтвердого і твердого бітуму, але може використовуватися і без переробки, як рідкий бітум. Економічно вигідніше отримувати бітум з важких нафт, в яких маса залишку (гудрону) становить до 7-8%, тоді як в нефтяних легенях – не більше 1%.

Розроблено ряд способів отримання нафтобітуму: атмосферно-вакуумної  перегонки (залишкові бітуми); окисленням гудрону киснем повітря (окислені нафтобітуми); окислення способом продування повітрям крекінг-залишків, що утворюються при переробці мазуту способом крекінгу, - при високих температурах і великих тисках (крекінгові бітуми); осадженням асфальтно-смолистої частини гудронів пропаном (бітуми деасфальтизації); переробкою кислих гудронів (кислотні бітуми).

Найбільш поширений спосіб отримання окислених нафтових бітумів  з гудрону. На процес окислення впливають  вихідна в'язкість гудрону, витрата  повітря, тривалість і температура  окислення, яка зазвичай знаходиться  в межах 250-280⁰С. Бітуми отримують періодичним або безперервним окисленням. На рис.3.1. показана технологічна схема виробництва окисленого бітуму періодичним способом, який здійснюється в бітумних (асфальтових) кубах. Ця установка може працювати також і безперервним способом, при якому гудрон продувається повітрям одночасно в декількох кубах, які  розташовуються послідовно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1.  Технологічна схема окислення бітуму на безперервно-діючій трубчастій установці:

Реактор; 2- циклонна піч для спалювання газу; 3- сепаратор; 4- продуктивний бак; 5- продуктивний насос; 7- насос циркуляційний  парової.

Бітуми деасфальтизації отримують з гудрону, обробленого попередньо пропаном або дихлоритиловим ефіром (хлорексом). За  допомогою такої обробки з масляного гудрону витягують додаткову кількість паливно-мастильних фракцій, тоді як асфальтени і важкі смоли осідають, утворюючи екстракт з малим вмістом  масел. З цього екстракту випаровують розчинник і отримують бітум, іменований екстрактивним (або бітумом деасфальтизації). Він відрізняється невисокою якістю. Має підвищену крихкість при низьких температурах. Для зменшення в'язкості цих бітумів доводиться перед вживанням змішувати їх з гудроном.

Склад, структура та властивість  бітумів (природних і нафтових) мають  деякі непринципові відмінності. Разом  з тим, вони характеризуються складним і різноманітним складом основних вуглеводнів, головним чином металевого (СШЛ +г), нафтенової (СпНш) і ароматичного (СНЬл-б) рядів. До складу основних вуглеводневих сполук бітуму зазвичай входять також кисень, нікель та інші елементи. Основна частина молекул бітуму складається з 25-150 атомів вуглецю. В залежності від числа атомів в молекулах та їх взаємного розташування змінюються властивості речовини. Наприклад. Чим більша молекулярна маса одного і того ж з'єднання, тим сильніше в ньому міжмолекулярної взаємодії. Молекулярна маса молекул бітумів становить 400-5000. Ароматичні вуглеводні мають підвищену стійкість при впливі тепла, кисню та ультрафіолетових променів; їх окислення супроводжується утворенням смол. Метанові вуглеводні (парафіни) є прямі ланцюга, що складається з багаторазово повторюваних ланок _СНг – з метальними групами – СН₃, при негативних температурах здатні викристалізовуватися, погіршуючи властивості бітумів. Нафтенові вуглеводні при окисленні частково переходять в смоли.

Елементарний склад бітумів  коливається в межах: C – 70-80%, H – 8-12%, O – 0,2-12%, S – 0,5-7%, N – до 1%. У нафтових бітумах вміст кисню менше (до2%), ніж в природних, а вміст вуглецю змінюється в межах (84-87%); кисень, сірка, азот входять до складу активних функціональних груп: OH, N₂H, SH, COOH.  В цілому, однак, елементарний склад дає лише дуже наближене уявлення про властивості бітумів, тому частіше користуються груповим складом. Поділ бітуму на окремі групи сполук, близьких за будовою і властивостями, заснований на неоднаковій розчинності їх розчинника (бензолі, сірковуглеці та ін..), а також різних виробничих адсорбованих силікагелем, флоридин та іншими адсорбентами.

У груповий склад бітуму входять масла, які добуваються  розчиненням їх в петролейному ефірі  або легкому бензині. Масла складаються  з вуглеводнів парафінового, нафтенового  і ароматичного рядів. Вони мають ясно-жовтий колір і додають бітуму рухливість і плинність. Справжня щільність менше 1г/см³. Зміст масел у бітумах 35-60% (за масою). Відношення кількості С : Н характеризує ступінь ароматичності і становить для групи масел 0,55 – 0,60.

 

 

 

Рис. 3.2.  Технологічна схема виробництва окисленого бітуму:

а – в установках періодичної  дії: 1 – бітумний куб; 2- труба для проведення відпрацьованого повітря та газу; 3 – труба для подачі повітря; 4 – компресор; 5- повітряна магістраль; 6- насоси; 7- магістраль для подачі бітуму; 8- холодильник для охолодження бітуму; 9- маточник; 10- газосборник; 11- димова труба; 12- теплообмінник (ємність) для важкого нафтового залишку; 13- магістраль для подачі гудрону; 14- раздаточнік; б- в установках безперервної дії: 1- ємність для сировини; 2- компресорна установка; 3- повітряна магістраль; 4- парова магістраль; 5- зворотна повітряна магістраль з пастками; 6- бітумні куби; 7- насос; 8- аварійна ємкість; 9- парообразователь; 10- раздаточнік; 11- магістраль подачі; 12- звоторна магістраль; 13- насос; 14- куб.

Гази і пари викидаються  в атмосферу, а окислений бітум  стікає в прийомний бак. Тривалість окислення набагато скорочується порівняно  з іншими способами виробництва, а якість бітуму вище, ніж при  окисленні в кубах.

Виробництво крекінгових  бітумів, які теж можуть бути остаточними  та окисленими, засноване на розщепленні  сировини при високих температурах (до 450^оС) і тиску (до 5 МПа). Мазут розпадається на більш легкі і стійкі вуглеводні і на менш легкі і нестійкі вуглеводні на їх похідні. Нестійкі вуглеводні в процесі полімеризації утворюють асфальтно-смолисті речовини.  Залишкові крекінг бітуми отримують шляхом перегонки під вакуумом крекінг-залишків; окислені – окисленням тих же залишків в кубових або трубчастих установках повітрям за технологічними схемами, прийнятими для виробництва звичайних нафтових бітумів.