Способ получения вяжущего для дорожного строительства

 

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЙОТЦЕГО ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА путем смешения нагретого таллового пека с окислителем с последующей ; вьщержкой полученной смеси при 200-220°С, отличающийся тем, что, с целью повьшения качества целевого продукта и упрощения технологии процесса, в качестве окислителя используют моногидрат серной кислоты, взятый в количестве 3-12% от массы пека. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, в пек при окислении дополнительно вводят мелкодисперсный лигнин в количестве 10-60% от массы пека. 3.Способ по пп. 1 и 2,о тли чающийся тем, что, с целью повьшения пластичности вяжущего, полученный целевой продукт смешивают с исходным пеком, взятым в количестве 20-50% от массы исходного пека, взятого на окисление.

COOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 3 (5D

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

- К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьппения пластичности вяжущего, полученный целевой продукт смешивают с исходным пеком, взятым в количестве 20-50Х от массы исходного пека, взятого на окисление.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3509044/23-04 (22) 07.09.82 (46) 15. 12. 84. Бюл. Р 46 (72) Н.И. Богданович, Т.А. Гурьев, А.Ф. Личутин, В.Н. Пиялкин, В.Н. Пономарев, E Ã. Карзин и Е.А. Сваткова (71) Архангельский ордена Трудового

Красного Знамени лесотехнический институт им. В..В. Куйбышева (53) 665.637.8(088.8) (56) 1. Лесохимия и подсочка. Реферативная информация ВНИПИЭИЛеспрома.

M., 1977, Ф 6, с. 4-5.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 878773, кл. С 10 С 3/04, 1979.

3. Лесохимия и подсочка. Реферативная информация ВНИПИЗИЛеспрома.

М, 1980, В 5, с. 10 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА путем смешения нагретого таллового пека с окислителем с последующей выдержкой полученной смеси при о

200-220С, отличающийся тем, что, с целью повышения качества целевого продукта и упрощения технологии процесса, в качестве окислителя используют моногидрат серной кислоты, взятый в количестве 3-12Х от массы пека.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, в пек при окислении дополнительно вводят мелкодисперсный лигнин в количе" стве 10-60Х от массы пека.

1 1129

Изобретение относится к способам получения вяжущего для дорожного строитель тва на основе таллового пека и может быть использовано при приготовлении термопластичных асфальтобетонов. Одновременно решается вопрос квалифицированного применения многотоннажного отхода целлюлознобумажной промышленности — таллоного пека. t0

Талловый пек следует относить к местным материалам. В соответствии с классификацией талловый пек при строительстве дорог находит приме.нение почти исключительно для при- 15 ,готовления асфальтобетонов.

Недостатком пека как материала для приготовления асфальтобетонных композиций является низкая температура размягчения (низкая вязкость) что практически исключает воэможность его использования в качестве няжущего беэ специальной обработки.

Известен способ получения вяжущего путем введения таллового пека в .качестве пластифицирующей добавки к нефтяным дорожным битумам f1) .

Известен также способ получения вяжущего путем окисления кислородом о воздуха расплавленного до 180-230 С таллового пека в течение 4-6 ч 12) .

Недостатком способа является незначительное повьппение температуры размягчения пека, что не позволяет использовать его в качестве вяжущего без добавления нефтяных дорожных би35 тумов, кроме того, практическая реализация процесса в промьппленных масштабах требует значительных затрат электрической энергии на продув40 ку воздуха через. слой вязкой массы и затрат тепла на нагрев этого воздуха до 180-230 С.

Наиболее близким к изобретениюявляется способ получения вяжущего 45 путем смешения нагретого до 140 С

0 таллового пека с сухой молотой известью в количестве 5Х СаО от массы пека и выдерживания полученной смеси при 200-220 С втечение 4 ч. По0 лученное вяжущее имеет температуру 1 размягчения 48 С, пенетрацию 47 10 мм дуктильность 9 см, температуру хрупкости минус 11 С, содержание водоО растворимых веществ О,SX (3j .

Недостатки способа заключаются в следующем. Получаемый продукт отличается высокой жесткостью. Так, 221 глубина проникновения иглы н 2-2,5 раза ниже требований к битумам марки БНД 60/90. В процессе эксплуатации асфальтобетона, приготовленного иэ пека, модифицированного известью, выявляется его невысокая износостойкость (подверженность шелушению и трещинообразованию), Кроме того, учитывая взаимную нерастворимость извести и пека, организовать процесс модификации в производственных условиях оказывается весьма сложно.Известь, вводимая н пек, даже при интенсивном перемешивании постепенно осаждается и как более тяжелый компонент скапливается внизу реактора. Таким образом, в конце обработки имеет .место образование двух слоев: верхнего пека, почти не содержащего извести, и нижнего — извести, пропитанной пеком. Использование подобной двухслойной композиции н качестве вяжу- щего значительно затруднено.

Цель изобретения — повышение качества получаемого вяжущего на основе таллоного пека и упрощение технологии процесса.

Поставленная цель достигается способом получения вяжущего для дорожного строительства путем смешения нагретого таллового пека с моногидратом серной кислоты, взятым в количестве 3-12Х от массы пека с последующей выдержкой полученной смеси при

200-220 С.

Предпочтительно, с целью увеличения выхода целевого продукта, в пек при окислении вводить мелкодисперсный лигнин н количестве 10-607 от массы пека.

Предпочтительно, с целью повышения пластичности целевого продукта, полученное вяжущее смешивать с исходным пехом, взятым в количестве 20-507 от массы исходного пека, взятого на окисление.

Для обработки пека требуется концентрированная серная кислота.

Использование разбавленной кислоты не влияет на конечный результат, но усложняет технологию процесса, так как дополнительно введенная с кислотой вода требует дополнительных затрат тепла на ее испарение. В процессе испарения воды наблюдается, кроме того, нспенивание пека. Поэтому лучше всего

1129

3 использовать кислоту концентрацией

98,37, т.е. моногидрат кислоты.

Применение серной кислоты позво ляет получить высокую температуру размягчения вяжущего при сохранении на достаточно высоком уровне остальных структурно-механических показателей (дуктильности, пенетрации) ° При необходимости еще большего улучшения этих показателей предлагается полученное вяжущее вещество смешивать с исходным пеком.

Для практической реализации предлагаемого способа требуется несложное аппаратурное оформление. Так, при организации процесса на предприятиях, производящих пек, потребуется лишь реактор с мешалкой, снабженной паровой рубашкой. В этом случае горячий пек после отгонной ванны с темпео ратурой 220-230 С сливается в реактор

r куда сразу же при непрерывном перемешивании начинают постепенно подавать концентрированную серную кислоту.

Количество вводимой кислоты, составляющее 3-12 от массы пека, зависит от требуемых структурно-механических показателей вяжущего и асфальтобетона. Если требуется получить прочный асфальтобетон на маловяэком вяжущем, дозировку кислоты увеличивают.

По окончании ввода кислоты смесь выдерживают при слабом перемешивании .2-8 ч. Продолжительность выдержки зависит от дозировки кислоты, а также

35 температуры термообработки. С повы,шением дозировки и температуры термообработки продолжительность умень- шается °

Контроль за процессом модификации осуществляется периодически отбором проб пека из реактора и определением их температуры размягчения.

При необходимости определяют дуктильность и пенетрацию. Готовое вяжущее сливают и в горячем состоянии направ- ляют на приготовление асфальтобетона.

Для уменьшения расхода кислоты, 50 повышения выхода вяжущего и/или повышения его температуры размягчения в талловый пек после ввода кислоты вводят при интенсивном перемешивании измельченный гидролизный и/или 55 сульфатный лигнин. Количество вводимого лигнина определяется требуемыми структурно-механическими свой221 4 ствами получаемого вяжущего. С увелй чением дозировки лигнина до 607 от массы пека температура размягчения вяжущего возрастает. с

При необходимости получения вяжущего, отличающегося высокими пластичными свойствами, в реактор после проведения модификации дополнительно вводят при перемешивании горячий талловый пек в количестве до 503 от массы вяжущего. Особенно это целесообразно при способе модификации, отличающимся вводом лигнина, тогда вяжущее получается с высокой температурой размягчения (выше

70 С) и относительно невысокими о пластичными свойствами. Смешение вяжущего с исходным пеком приводит к некоторому уменьшению температуры размягчения и к резкому росту пенетрации и дуктильности, характеризую. щих пластичность.

В случае реализации предлагаемого способа на асфальтобетонных заводах и битумных базах талловый пек разогревают в колоннах для окисления битума до 110-140 С, о после чего вводят в него серную кислоту, лигнин (при необходимости) и полученную смесь греют дольше до 200-220 С. Начиная с момента вводи кислоты и до окончания повьппения температуры смесь необходимо перемешивать. Перемешивание возможно осуществлять как с помощью воздуха, так и специальйых перемешивающих устройств. В остальном процесс аналогичен осуществляемому на предприятиях, производящих пек.

Учитывая, что серная кислота в выбранных пределах дозировок хорошо растворяется в талловом пеке, автоматически исключается возможность расслаивания полученной композиции.

Кроме того, необходимо учитывать, что дозирование жидкой кислоты тех1нологически осуществить значительнд проще, чем доэирование сухой известй.

Применение кислоты создает поэтому предпосылки для автоматического регу» лирования процесса;

Ввод измельченного гидролизного лигнина в смесь пека и кислоты наряду с уменьшением дозировок кислоты (а при сохранении.дозировок на прежнем уровне - с повыпением температуры размягчения) приводит, во-первых, к частичной утилизации многотоннаж1129221 ных отходов промышленности, во-вторых, позволяет увеличивать количество получаемого продукта на 25-30%. Учитывая масштабы дорожного строительства сложившийся дефицит на нефтяные 5 битумы, предлагаемое решение может значительно улучшить экономические показатели процесса.

Ввод гидролизного лигнина в пековую композицию при модификации становится возможным и целесообразным только при условии дополнительной обработки серной кислотой. Термообработка пека с лигнином без кислоты, также как и обработка с другими реагентами, в том числе с известью, не только не улучшаЕт качество получаемого целевого продукта, но значительно их ухудшает.

Состав и свойства исходного пека и лигнина, Исходный пек имеет температуру б размягчения 26,5 С, пенетрацию (П ) больше 300 10 мм, дуктильность

17 см, температуру хрупкости о минус 25 С, содержание водорастворимых соединений 2 3Х. Химический состав исходного таллового пека: кислотное число 25 мг КОН, содержание смоляных кислот 6,47, содержа- ЗО ние таллового лигнина 3,37.

Исходный гидролизный лигнин представляет собой дисперсный порошок коричневого цвета, размер частиц менее 0,25 мм, химический состав гид-

35 ролизного лигнина: зольность 2,47, содержание смолистых веществ 10,47,, содержание трудногидролизуемых полисахаридов 15,3Х, содержание меток40 сильных групп 10,8Х.

Пример 1. Талловый пек с температурой размягчения 26,5 С, о

У У пенетрацией при 25 С больше 300-10 мм нагревают в стеклянном стакане до

140 С и обрабатывают серной кислотой о в количестве 9% от массы пека. После продолжительного перемешивания и полного растворения кислоты в пеке температуру постепенно поднимают до

210 С и выдерживают в течение 4 ч.

Расслаивания смеси по окончании перемешивания не наблюдается. Дуктильность 17 см, температура хрупо кости минус 19 С, содержание водорастворимых веществ 0,37, температура размягчения 49 С, пенетрация о

190i10 мм.

Пример 2. В у< ловнях пример J

1 талловый пек с: темп..ратурой раз,о, мягченчя 18-19 С, пенетрацией при о о

25 С более 360 О, 1 мм, растяжимостью о при 25 С более 100 см нагревают до о

140 С и обрабатывают серной кислотой в количестве 9 мас.7 на исходный талловый пек. После непродолжительного перемешивания и полного растворения кислоты в исходном пеке темо пературу поднимают до 210 С и продукт выдерживают в течение 4 ч.

Основные физико-механические показатели целевого продукта после обработки серной кислотой представлены в табл. 1.

Из данных табл. 1 следует, что целевой продукт, полученный при обработке исходного таллового пека серной кислотой, го своим физико-механическим свойствам соответствует нефтяному битуму марки БНД 200/300

ГОСТ 22245-76.

Возможность использования полученного вяжущего для дорожного строительства оценивается по результатам испытаний образцов асфальтобетона, приготовленных и испытанных. согласно

ГОСТ 12801-77.

Основные физико-механические показатели асфальтобетона, приготовленного на основе таллового пека, обработанного серной кислотой, представлены в табл. 2.

Из данных табл. 2 следует, что асфальтобетон на основе таллового пека, обработанного серной кислотой, удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-76, предъявляемым к асфальтобетону марок III-IV по пределу прочности при сжатии при 20, О С, водонасыо щению, набухание II-III марок.

Пример 3. (сопоставительный).

В условиях примера 1 талловый пек обрабатывают гидроокисью кальция, взятой в количестве 57. от массы пека. По окончании перемешивания наблюдается постоянное расслаивание смеси. Дуктильность 9 см, температура хрупкости минус 11 С, соо держание водорастворимых веществ о

0,87, температур» размягчения 48 С, ! пенетрация 47 ° 10 мм.

Пример 4. В условиях примера 1 варьируют количество вводимой кислоты. Значение температуры раз мягчения и пенетрация при этом изменяются следующим бравом:

1129221 8 механическим показателям (пенетрао, цни при ?5 С и растяжимости при о

25 С), соответствует нефтяному битуму марки БНД 40/60, температуре размяг1 5 чения — БНД 60/90.

Основные физико-механические показатели асфальтобетона, приготовленного на основе таллового пека, обработанного кислотой и лигнином, 10 представлены в табл. 4. ра размяг— чения, С 30;35;44;48;49;50;51;5 пенетра-1 ция, мм 16 300;290;266;232;198;

156; 102; 53.

Из данной серии опытов следует, что увеличивать дозировку кислоты свыше 127. не имеет смысла ввиду резкого снижения пенетрации, а уменьшать ниже 37 нецелесообразно ввиду уменьшения температуры размягчения. 15

Пример 5. (сопоставительный) .

В условиях примера 3 пек подвергают

I термообработке без ввода реагентов.

При этом температура размягчения о

29 С. Пенетрация остается на преж- 20 нем уровне.

Пример 6. В условиях примера 1 в пек сразу после ввода кислоты дополнительно вводят измельченный лигнин в количестве 307. от массы пека. Температура размягчения вяжущего при этом поднимается до

0 (64 С, пенетрация 170 10 мм. Дуктильность 22,8 см, температура хрупо кости минус 1.7 С, содержание водо- Зр растворимых веществ 0,37.. Варьирование дозировок лигнина приводит к максимуму дуктильности (28,6 см) при дозировке лигнина 407 (23,4 см при

607), к повышению температуры хрупо

35 кости до 14 С при дозировке 607 и практически не изменяется содержание водорастворимых веществ.

Таким образом, количество полученного вяжущего возрастает на 307 с 40 одновременным улучшением структурно-механических показателей.

Пример 7. В условиях примера 6 в исходный талловый пек сразу после ввода кислоты дополнительно вводят измельченный лигнин, массовой. долей 307 от.массы исходного таллового пека. После непродолжительного перемешивания температуру о поднимают до 210 С и выдерживают в 50 течение 4 ч. Основные физико-механические показатели исходного таллового пека и целевого продукта на

его основе представлены в табл. 3.

45 дозировка кислоты,7. 2;3;5;7;9;11;12;13; температу Из данных табл. 4 следует, что асфальтобетон на талловом пеке, обработанном серной кислотой и лигнином, по основным физико-механическим показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-76 для асфальтобетонов 1-III марок.

Пример 8. В условиях примера 6 варьируют количество введенного лигнина и получают при этом следующие результаты: дозировка лигнина,7 10;15;25;35;40;45; температура размягчения, С 54;56;61;68;72;77; пенетрация, мм .10 121;143;167; 164;90;44.

Анализируя данные, характеризующие изменения пенетрации, можно сделать вывод, что количество вводимoгo лигниoа следует ограничить на уровне 25-357. Однако и образцы с более высоким содержанием лигнина, отличающиеся низким значением пенетрации, можно значительно улучшить смешением их с иеходным пеком.

Пример 9. В условиях примера 6 варьируют количество вводимой кислоты. Выходные параметры при этом изменяются следующим образом: дозировка кислоты,X 2;3;4;7;10; 12; температура размягчения, С 40;49;52;58;71;79; о .пенетра-1 ция,мм 10 140; 163; 182; 180; 159; 76.

Таким образом, введение лигнина приводит к снижению дозировки кислоты в 3 раза (см. пример 1), при достижении тех же результатов по температуре размягчения.

Из табл. 3 следует, что целевой продукт, полученный при обработке исходного таллового пека серной кислотой и лигнином, по своим физико11 р и м е р 10 (сопоставителыъ(й) .

В условиях примера 6 термообработку проводят беэ кислоты с одним лигнином.

Температура размягчения пека после

1 29221

Таблица 1

Метод испыВяжущее на основе талло.Нормы по марке

БНД 200/300

ГОСТ 22245-76

Показатели тания вого пека, обработанного кислотой

Глубина проникания иглы при 25 С 0,1 мм

ГОСТ 11501-73

222-225

201-300

Температура размягчения по кольцу и mapy, С, не ниже о

35

ГОСТ 11506-73

Растяжимость, см при 25РС, не менее

Более 100

ГОСТ 11505-75

9 термообработки 31 С, пенетрация

300 10 мм.

Пример 11. В условиях приме\ ра 6 полученное вяжущее смешивают с исходным талловым пеком, взятом в ко личестве 307 от массы вяжущего. Темо пература размягчения 45 С, пенетра1 ция 220 16 мм, дуктильность воз- . растает до 39,4 см (по сравнению с

22,8 см в примере 6). 1О

Пример 12. В условиях примера 8 одновременно варьируют дозировки лигнина в процеесе модификации и дозировки таллового пека при последующей пластификации полученно- 15

ro вещества. Результаты экспериментального исследования сведены в табл. 5..

Как следует из табл. 5, при увеличении доэировок лигнина темпера- рб туры размягчения вяжущего проходят" через максимум в области дозировок 50-607. Внутренняя вязкость приэтом (характеризуемая пенетрацией).постоянно снижается. При дозировках выше

60Х опускается ниже допустимых пределов. Последующая пластификация вяжущего исходным пеком приводит к повышению пенетрации, однако при этом резко снижается температура размягчения композиции.

П р и и е р 13. Вяжущее, полученное в условиях примера 11, используют для приготовления горячего асфальтобетона. Состав минеральной части асфальтобетона принят следующим: дробленый щебень фракции 5-2,5 мм

627, дробленный песок 30X., мине-. ральный порошок 8Я. Вяжущее вводят из расчета 77. от массы минеральной части. Прочность на сжатие полученных образцов асфальтобетона практически не изменяется в течение 1-14 сут и составляет при 220 С 60,4.10 Па, о а при 50 С 20i10 Па. о 3

Пример 14. В условиях примера 12 вместо вяжущего на основе таллового пека используют битум марки

БНД 200/300; Прочность на сжатие полученных образцов асфальтобетона на о четырнадцатые сутки при 20 С

39,7 10 Па, а при 50 С 20,1 10 Па.

Таким образом, из примеров следует, что вяжущее, полученное из пека по предлагаемому способу, позволяет получить асфальтобетон, имеющий прочность на сжатие в 1,5 раза более высокую, чем асфальтобетон с использованием нефтяного битума марки БНД 200/300.

1129221

Таблица 2

Асфальтобетон

Показатели

ГОСТ 9128-76 (для марок) на талловом пеке, обработанном серной кислотой

Предел прочности при сжатии (10 Па) при, С

20,0-24,0 (f) 6,0-8,0 (IV) 50

Не более 120 (I IV) 0

Коэффициент водостойкости

6,0-0,8 (III-IV) .1,5-3,0 (I-IV) Водонасыщение, об.Х

0,5-1,5 (IIV) Набухание, об. Х

Сцепление битума с минеральной частью асфальтобетона

Выдерживают

Выдерживают

П р и м е ч а н и е. Состав асфальтобетонной смеси: гранитные высевки

100Х (зерновой состав гранитных высевок по

ГОСТ 9128-76 приближается к непрерывной гранулометрии песчатого асфальтобетона типа Д).

Массовая доля вяжущего 8 5Х (сверх 100X).

Таблица 3

Исходный талловый

Метод испытания

Показатели пек

Глубина проникновения иглы при 250С 0,1 мм

40-60 ГОСТ 11501-73 (БНД 40/60

48-54

Более 360

Температура размягчения по кольцу а и шару, С, не ниже

18-19

Растяжимость, см, б при 25 С, не менее

42-45

Более 100

27,0-29,5

7,0-8,5

85,5-90,5

0,6-0,75

1,83-2,71

0,57-0,81

Вяжущее на основе таллового пека, обработанного серной кислотой и лигнином

Нормы по марке

ГОСТ

22245-76

47 ГОСТ (БНД 69/90) 11506-73 .

48 ГОСТ (БНД 40/60) 11505-75

14

Таблица 4

1129221

Асфальтобетон на талловом пеке, обработанном серной кислотой и

Показатели лигнином

Предел лрочности при о ° у сжатии при,.; 20 С, 10 Па

50 С. 10 Па

20,0 — 24,0 (1) 38,0-39,02

9,0-12,0 (11) 12,5-16,0

I) С 10 Па

He (I-ТЧ) 100, 5-107, 5

Коэффициент водостойкости

0,70-0,80 (II-IV) 0,70-0,80

Водонасыщение,X по объему

1,5-3,0 (I-III) 1, 29-1, 42

Набухание,7 по объему

0,5 (1) О, 27-0, 3 О

Сцепление битума с минеральной частью асфальтобетона

Выдерживает (Т-IV) Выдерживает

П р и м е ч а н и е. Состав асфальтобетонной смеси: гранитные высевки

1007 (зерновой состав гранитных высевок по

ГОСТ 9128-76 приближается к непрерывной гранулометрии песчаного асфальтобетона типа Д) .Массовая доля вяжущего 9,57 (сверх 1007).

Таблица 5 о

Температура размягчения, С, при дозировке. пека при пластификации полученного вяжущего, г/100 r исходного пека

-1

Пенетрация, мм .10, при дозировке пека при пластификации полученного вяжущего, г/100 r исходного пека

0 20 30 40 50 60 65 О 20 I 30 40 50 60 65

1 1

49 43 40 37 34 30 28 190 232 246 259 288 300 300

64 54 48 42 38 34 32 166 188 204 220 241 273 290

72 58 55 51 41 37 33 90 145 170 196 210 228 261

50

80 62 59 55 52 43 40 30 101 124 161 188 199 215

82 60 56 52 48 44 37 18 50 62 90 152 174 186

80 56 57 50 45 42 37 14 29 41 55 75 140 162

65

ВИИИПИ Заказ 9301/19 Тираж 488 Подписное

Филиап ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Дозировка лигнина,г/100 r исходного пека

Асфальтобетон, требования ГОСТ 912876 (для марок)