Способ получения гранулированного асфальтовяжущего на основе фосфогипса

Название	Способ получения гранулированного асфальтовяжущего на основе фосфогипса
Разработчик (Авторы)	Голиков Игорь Витальевич, Готовцев Валерий Михайлович, Игнатьев Алексей Александрович, Герасимов Денис Владимирович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2701007
Дата регистрации	24.09.2019
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ярославский государственный технический университет" ФГБОУВО "ЯГТУ"
Область применения (класс МПК)	C04B 26/26 (2006.01) C08L 95/00 (2006.01) C04B 18/04 (2006.01) B09B 3/00 (2006.01) C04B 111/20 (2006.01) C04B 111/27 (2006.01)

Описание изобретения

Область техники

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления асфальтобетонных смесей для проведения ямочного ремонта дорожного полотна, а также устройства оснований и покрытий автомобильных дорог. Одновременно с этим решается проблема утилизации крупнотоннажных промышленных (фосфогипса) и бытовых отходов (пластиковая посуда из полиэтилентерефталата).

Уровень техники

Основные положения теории строения композиционных материалов были сформулированы в начале прошлого века разработчиком нового научного направления физико-химической механики, академиком П.А. Ребиндером. Он утверждал: «Самый простой путь повышения прочности любого твердого тела почти до идеального потолка состоит в измельчении его до частиц, по порядку величины соответствующих расстояниям между опасными слабыми местами. Если такие частицы плотно упаковать или склеить тончайшими, а потому тоже высокопрочными после затвердевания прослойками, полученный материал будет плотным, непроницаемым для жидкостей и газов, макрооднородным, высокопрочным и долговечным» (Ребиндер П.А.. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Ч. Физико-химическая механика. - М.: Наука, 1979. - 469 с.).

Таким образом, для получения качественной асфальтобетонной смеси необходимо, чтобы каждая частица минеральной части была смочена битумом, а толщины жидкостных прослоек между частицами были бы минимальны. В конечном счете, это условие сводится к равномерному распределению малых объемов битума в массе минерального порошка, так как на его смачивание потребляется наибольшее количество связующего. По данным, приведенным в работе (Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. - М.: Изд-во по строительству, 1971. - 255 с.), в бинарной системе «минеральный порошок - битум» при содержании битума не более 13% по массе при равномерном распределении битума по поверхности частиц минерального порошка прочность материала возрастает в несколько раз в сравнении с традиционными асфальтобетонными смесями, а коэффициент водостойкости принимает значение близкое к единице и даже превышающее ее.

Способ, обеспечивающий полное смачивание поверхности всех частиц минеральной части, реализован в литой асфальтобетонной смеси (национальный стандарт РФ ГОСТ Р 54401-201). Эта смесь характеризуется повышенным содержанием минерального порошка (до 60%) и битума (до 15%), обладает минимальным водонасыщением, что определяет ее устойчивость при работе в области низких температур. Укладка материала в дорожное полотно не требует уплотнения и осуществляется при высокой температуре (порядка ), когда асфальтобетонная смесь с высокой текучестью под собственным весом заполняет пространство обрабатываемого дефекта дорожного полотна.

Основным недостатком литой асфальтобетонной смеси являются ее высокая стоимость в несколько раз превышающая стоимость типовых смесей. После укладки смеси необходима выдержка для полного застывания материала, во время которой движение на отремонтированном участке перекрывается. Кроме того, литая смесь, как правило, расслаивается с оседанием каменных фракций на дно и выделением битума с частицами минерального порошка на поверхность обработанного участка. При указанном выше содержании битума и минерального порошка толщины прослоек связующего между частицами избыточны и не обеспечивают необходимой прочности покрытия.

Частицы минерального порошка плавают в связующем, а связь между ними реализуется посредством объемного битума, прочностные показатели которого весьма невелики. При низких температурах эффект расслаивания смеси слабо сказывается на перемещении транспорта, но в летнее время материал на поверхности восстановленного участка размягчается и уносится на колесах автомобилей, создавая дефекты дорожного полотна.

Другим способом получения асфальтобетонной смеси, обеспечивающим полное смачивание поверхности всех частиц минеральной части является способ получения щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). ЩМА представляет горячую асфальтобетонную смесь, состоящую из щебеночного каркаса, в котором все пустоты между крупными частицами заполнены смесью битума с дробленым песком и минеральным порошком. Получение ЩМА нормируется требованиями ГОСТ 31015-2002 "Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные". Производство асфальтобетонной смеси осуществляется по типовой технологии на стандартном оборудовании асфальтобетонного завода (АБЗ). Щебеночно-мастичная асфальтобетонная смесь (ЩМАС) - рационально подобранная смесь минеральных материалов (щебня, песка из отсевов дробления и минерального порошка), дорожного битума (с полимерными или другими добавками или без них) и стабилизирующей добавки, взятых в определенных пропорциях и перемешанных в нагретом состоянии.

Основное отличие ЩМА от обычных асфальтобетонов заключается в его жесткой каркасной структуре в слое покрытия. Такая структура обеспечивает передачу нагрузки с поверхности в нижележащие слои через непосредственно контактирующие друг с другом отдельные крупные частицы каменного материала. Тем самым достигается существенное снижение деформаций слоя покрытия, как в продольном, так и в поперечном направлениях. В ЩМА основную структуру составляет крупный щебень (до 80%), а мелкий служит только для образования мастики, заполняющей межкаменное пространство в щебеночном каркасе.

Другой характерной особенностью ЩМА является повышенное (до 8,5%) содержание битума в смеси, что обусловливает необходимость использования стабилизирующей добавки, предотвращающей стекание связующего с поверхности частиц минеральной части. В качестве стабилизирующей добавки используют пропитанные битумом и спрессованные гранулы из волокон целлюлозы. При перемешивании смеси гранулы разрушаются, а волокна равномерно распределяются в объеме битума, создавая своеобразную сетку, предотвращающую вытекание битума из оболочек вокруг крупных минеральных частиц.

Применение щебеночно-мастичного асфальтобетона на высоконагруженных дорогах обеспечивает ряд эксплуатационных и функциональных преимуществ по сравнению с большинством существующих покрытий из асфальтобетона. Существенно более высокая устойчивость к разрушениям под воздействием транспортного потока и климатических условий. Высокая сдвигоустойчивость существенно снижает возможность возникновения сдвиговых дефектов при высоких нагрузках (неровности и колееобразование) и повышает долговечность покрытия в 2-3 раза. Более высокие эксплуатационные характеристики покрытия (высокий и стабильный коэффициент сцепления, повышение обзорности и снижение эффекта аквапланирования и т.п.). Снижение уровня шума от движения транспорта.

Однако достижение указанных преимуществ возможно только при правильном подборе состава смеси, строгом обеспечении технологических требований при ее изготовлении и укладке. Особенности структуры щебеночно-мастичного асфальтобетона требуют обязательности выполнения определенных требований к исходным материалам и их соотношению в смеси: каменного материала - его физико-механических свойств, формы, размера, способа получения, шероховатости поверхности; требований текстуры поверхности покрытия; обеспечения гранулометрической пропорции каменного материала в смеси; объема битума в смеси; применение наиболее эффективного стабилизатора и т.п.

Следует отметить, что необходимо выполнение всех перечисленных требований одновременно. Невыполнение хотя бы одного из них, как правило, приводит к браку. К сожалению, техническое оснащение большинства наших асфальтобетонных заводов не позволяет получить качественную асфальтобетонную смесь. Кроме того, процесс производства щебеночно-мастичных смесей и их укладка в дорожное полотно связаны с высокими температурами, что практически исключает возможность перевозки материала на удаленные от места производства расстояния.

Известен способ получения асфальтобетонной смеси по патенту РФ №2182136 (МПК С04В 26/26, опубл. БИ №13, 10.05.2012), выбранный в качестве прототипа. Основная идея способа состоит в том, что производство асфальтовяжущего вещества составляет самостоятельный этап технологического процесса получения асфальтобетонной смеси. Смесь битума с минеральным порошком гранулируют методом окатывания с дальнейшим введением полученных гранул в асфальтосмеситель. В процессе перемешивания гранулы разрушаются, а асфальтовяжущее равномерно распределяется в массе материала, обеспечивая его однородность. Гранулы асфальтовяжущего обладает повышенными прочностными показателями и коэффициентом водостойкости, что позволяет снизить водонасыщение асфальтобетона и повысить долговечность дорожного покрытия. Такие свойства материала обусловлены созданием упорядоченной структуры системы при гранулировании окатыванием.

Гранулированное асфальтовяжущее вещество в этом случае является носителем битума и минерального порошка необходимого для получения асфальтобетонной смеси. В типовых технологиях производства эти компоненты асфальтобетонных смесей вводятся в асфальтосмеситель по отдельности и связаны с целым рядом проблем, связанных с использованием минерального порошка в сыпучем состоянии. Такой материал склонен к слеживанию, что приводит к его зависанию в емкостях для хранения. Гранулированный продукт таких свойств не проявляет, что обеспечивает его более высокую технологичность в сравнении с минеральным порошком.

Отличительная особенность рассматриваемого способа состоит в том, что матрицей композита в этом случае является асфальтовяжущее вещество, в отличие от битума в типовых структурах асфальтобетона. Асфальтовяжущее распределяется между частицами крупных фракций смеси, заполняя пространство между ними и обеспечивая их прочную связь между собой. Гранулы асфальтовяжущего играют роль гранулированных волокон в структуре ЩМА, предотвращающих стекание битума с поверхности частиц минеральной части смеси.

Основным недостатком рассмотренного способа является достаточно высокая себестоимость гранулированного продукта. Битум и минеральный порошок являются наиболее дорогостоящими компонентами асфальтобетонной смеси, в связи с чем, использование гранулированного асфальтовяжущего в качестве готовой асфальтобетонной смеси, несмотря на высокие эксплуатационные показатели, оказывается нерентабельным. В описании патента прототипа рассматривается применение гранулированного асфальтовяжущего для создания оболочек связующего на поверхности более крупных частиц минеральной части смеси по аналогии с ЩМА. Содержание асфальтовяжущего в такой смеси составляет, как правило, не более 30% от массы смеси, что позволяет обеспечить рентабельность продукта. Отметим, что такое использование гранулированного асфальтовяжущего не отражено в формуле изобретения, но содержится в материалах заявки.

Другим возможным способом снижения себестоимости материала является поиск более дешевых компонентов асфальтобетонной смеси, пригодных для использования в технологии производства асфальтовяжущего вещества. При этом желательно, чтобы замена не отразилась на свойствах конечного продукта, а используемый материал был бы дешев, т.е. являлся бы отходом производства.

Таким материалом является фосфогипс - многотоннажный отход производства экстракционной фосфорной кислоты, получаемой при разложении фосфатного сырья или апатитового концентрата смесью серной и фосфорной кислот дигидратным способом. На предприятиях по производству минеральных удобрений на 1 т полезного продукта приходится от 4 до 7 т фосфогипса (http://makulaturi.net.ua/utilizaciya-promyshlennyh-othodov/406-utilizaciya-fosfogipsovyh-othodov.html) в зависимости от вида перерабатываемого сырья. Фосфогипс представляет собой тонкодисперсный порошок белого или серого цвета, в связи с чем не возникает проблемы с его предварительным измельчением при его использовании в качестве минерального порошка в асфальтобетоне. Проблема использования фосфогипса в качестве вторичного сырья для производства ликвидных продуктов актуальна еще с 60-х гг. XX века.

Результаты многочисленных исследований и практики убедительно доказали техническую возможность и целесообразность использования фосфогипса в народном хозяйстве вместо традиционных видов природного сырья. Однако предлагаемые варианты утилизации фосфогипса не позволяют кардинально решить эту проблему. Использование фосфогипса в качестве минерального порошка в производстве гранулированного асфальтовяжущего способствует решению как проблемы дорожного строительства в Российской Федерации, так и глобальной экологической проблемы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение гранулированного асфальтовяжущего вещества на основе фосфогипса для производства высокопрочного и долговечного асфальтобетона, не уступающего по свойствам материалу, произведенному по способу прототипу, но обладающему более низкой себестоимостью. Одновременно с этим решается проблема утилизации крупнотоннажных промышленных отходов фосфогипса.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ получения гранулированного асфальтовяжущего, включающий гранулирование минерального порошка со связующим методом окатывания, последующее введение гранулированного асфальтовяжущего в разогретую крупнодисперсную минеральную часть смеси и перемешивание. В качестве минерального порошка используют предварительно высушенный фосфогипс, в качестве связующего дорожный битум с добавкой полиэтилентерефталата в количестве 15-20% от массы связующего, вводимой в битум при температуре плавления пластика, гранулирование проводят при температуре 130-150°C, а содержание связующего в асфальтовяжущем составляет 16-20% от его массы.

Предварительные исследования возможности получения гранулированного асфальтовяжущего по способу прототипу с использованием фосфогипса вместо минерального порошка МП-1 показали, что фосфогипс обладают удовлетворительными адгезионными свойствами необходимыми для создания структуры с требуемой прочностью. Однако гранулированный продукт, полученный таким образом, не выдерживал контакта с влагой и рассыпался после нескольких дней выдержки в воде. В связи с этим возникла необходимость повышения водостойкости получаемого материала, которая, как правило, реализуется использованием различных добавок (присадок) для битума.

Большинство присадок, используемых для этих целей, являются дорогостоящими химическими продуктами, применение которых даже в небольших количествах может существенно отразиться на стоимости конечного материала. В практике дорожного строительства в последние годы для модификации битума применяется широкий круг полимерных добавок (см., например: https://studfiles.net/preview/957466/page:14/). В ходе исследований влияния различных полимеров на водостойкость гранулированного асфальтовяжущего установлено, что наиболее рациональным является использование в качестве присадки для битума полиэтилентерефталата (ПЭТ) - материала для изготовления бытовой тары (см. патент №2573012 2016 г.). Из него производятся пластиковые бутылки, составляющие значительную долю твердых бытовых отходов. Время естественного разложения такого пластика составляет срок около ста лет, в связи с чем, накоплено огромное количество этих отходов, составляющее серьезную экологическую проблему.

Установлено, что пластиковая тара гомогенизируется в битуме при температуре плавления пластика (около 250°C), причем около 18% введенного полиэтилентерефталата растворяется в битуме, а остальная часть диспергируется в нем, образуя эмульсию. Показано, что гранулированное асфальтовяжущее, полученное на фосфогипсе в качестве минерального порошка и битуме, модифицированном полиэтилентерефталатом, позволяет получить продукт с повышенными показателями водостойкости. Прочностные показатели материала также как в способе прототипе обеспечиваются способом гранулирования окатыванием.

Таким образом, реализация предлагаемого способа производства асфальтовяжущего вещества позволит получить асфальтобетонную смесь с высокими эксплуатационными показателями, а также способствует решению глобальной экологической проблемы, связанной с утилизацией промышленных и бытовых отходов.

Результаты проведенных исследований отражены в примерах реализации способа.

Пример 1.

Влияние содержания пластика (ПЭТ) на водонасыщение, прочность на сжатие при Т=20°C и водостойкость образцов асфальтовяжущего

Испытания проводились с гранулированным асфальтовяжущим следующего состава:

- массовое содержание фосфогипса в смеси - 84%;

- содержание модифицированного битума - 16%;

- температура гранулирования - 150°C;

- прочность образца определялась при температуре 20°C.

Пример показывает, что повышение содержание пластика в асфальтобетонной смеси не оказывает существенного влияния на показатели прочности образцов, но приводит к повышению коэффициента водостойкости материала. Под коэффициентом водостойкости понимают отношение прочности образца из водонасыщенного материала к прочности сухого образца. Формование образцов асфальтобетона и проведение их испытаний проводилось по ГОСТ 12801-98. Отметим, что прочность образцов асфальтобетона при температуре 20°C для плотных асфальтобетонных смесей по ГОСТ 9128-2013 составляет 2,5 МПа. Из таблицы 1 видно, что этот показатель для испытуемого материала более чем в три раза превышает требования ГОСТ, т.е. имеется значительный запас по прочности материала.

В этих условиях выбор технологических параметров процесса в большей мере определяется значением коэффициента водостойкости материала. При отсутствии ПЭТ в битуме этот показатель имеет неприемлемо низкое значение даже при кратковременном водонасыщении, а при длительном - образец буквально расползается. Введение 10% полиэтилентерефталата приводит к упрочнению материала под действием влаги (коэффициент водостойкости больше единицы) при кратковременном водонасыщении. Однако для длительного водонасыщения это свойство материала сохраняется только при содержании ПЭТ≥30%.

Пример 2.

Влияние температуры гранулирования на водонасыщение, прочность на сжатие при Т=20°C и водостойкость образцов

Исследовалось гранулированное асфальтовяжущее с параметрами:

- массовое содержание фосфогипса в смеси - 84%;

- содержание модифицированного битума - 16%;

- содержание пластика (ПЭТ) в битуме - 20%.

Температура проведения процесса гранулирования играет существенную роль в получении продукта. Как указывалось в материалах заявки, температура плавления полиэтилентерефталата составляет 250°C, т.е. только при достижении этой температуры возможно получение однородной системы пластика в битуме. Однако, как следует из данных таблицы 2, получение работоспособного продукта оказывается возможным даже при температуре 100°C. Причиной такого неожиданного результата может межмолекулярное взаимодействие составляющих систему компонентов.

Пример 3.

Проводились испытания гранулированной асфальтобетонной смеси, полученной накатыванием оболочки асфальтовяжущего на частицы щебня. Состав смеси:

- гранитный щебень фракции 5-10 мм - 66,0% от массы смеси;

- фосфогипс - 28,3% от массы смеси;

- модифицированный битум - 5,7% от массы смеси;

- состав модифицированного битума:

- битум БНД 60/90 - 82%;

- полиэтилентерефталат - 18%.

В таблице 3 приведены данные независимых испытаний материала в ГКУ ЯО «Ярдорслужба». В таблице приводится сопоставление результатов испытаний с требованиями ГОСТ 9128-2013 для плотных асфальтобетонных смесей.

Как видно из данных таблицы 3, материал на основе фосфогипса в асфальтобетонной смеси существенно превышает требования ГОСТ по большинству показателей. Исключением являются: сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения; предел прочности при сжатии при температуре 0°C. Снижение предела прочности при сжатии при температуре 0°C возможно введением в битум пластификатора, в качестве которого могут быть использованы отработки моторного масла. Повышение коэффициента внутреннего трения возможно уменьшением содержания асфальтовяжущего в смеси.

Формула изобретения

Способ получения гранулированного асфальтовяжущего, включающий гранулирование минерального порошка со связующим методом окатывания, отличающийся тем, что в качестве минерального порошка используют предварительно высушенный фосфогипс, в качестве связующего дорожный битум с добавкой полиэтилентерефталата 15-20% от массы связующего, вводимой в битум при температуре плавления пластика, гранулирование проводят при температуре не менее 130°С, но не более 150°С, а содержание связующего в асфальтовяжущем составляет 16-20% от массы смеси.

Изобретение " Способ получения гранулированного асфальтовяжущего на основе фосфогипса" (Голиков Игорь Витальевич, Готовцев Валерий Михайлович, Игнатьев Алексей Александрович, Герасимов Денис Владимирович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога