14.3.3. Каменноугольные вяжущие

Химический состав и структура каменноугольных дегтей определяют их показатели, регламентируемые ГОСТ 4641-80 (табл. 14.5.). Сопоставление требований, предъявляемых стандартами к качеству каменноугольных дорожных дегтей в странах СНГ и в дальнем зарубежье (табл. 14.6.), показывает, что они, в основном, идентичны. Исключение составляет метод определения условий вязкости, определяемой в большинстве зарубежных стран по температуре равновеликой вязкости , при которой 50 мл дегтя вытекает через сточное отверстие 10 мм за 50 с.

Качество каменноугольных дегтей можно характеризовать показателями, предусмотренными нормами на вязкие и жидкие дорожные битумы (табл. 14.7.).

Каменноугольные вяжущие включают большое количество веществ с функциональными группами. В каменноугольной смоле их количество достигает 7%. Вследствие этого полярность дегтя, определяемая по его растворимости в полярном (метиловом спирте) и неполярном (бензоле) растворителях, составляет 45-95%, тогда как для нефтяного битума - 5-35% . Это обусловливает высокую сорбционную способность каменноугольных вяжущих (каменноугольная смола, каменноугольный деготь) к поверхности минеральных материалов различного петрографического состава.

В связи с тем, что в состав каменноугольных вяжущих входят легкоиспаряющиеся углеводороды с малой молекулярной массой и ненасыщенные соединения ароматического ряда, дегти стареют более интенсивно, чем нефтяные битумы. Об этом свидетельствуют значительные потери массы дегтей (до 20%), при нагревании их при 110°С в пленке толщиной 10^-3 м в течение 4 ч (табл. 14.7.).

Каменноугольные дегти, по сравнению с нефтяными битумами, имеют узкие интервалы превращения, высокую температурную чувствительность, склонность к интенсивному старению. Следовательно, чтобы повысить их качество, материал необходимо подвергнуть структурной модификации путем улучшения дисперсионной среды или дисперсной фазы, либо одновременным их улучшением. В зависимости от способа обработки дорожных покрытий, применяют дегти следующих марок: Д-I - для обработки грунтово-гравийных и щебеночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии; Д-3 и Д-4 - для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии; Д-5 и Д-6 - для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дегтебетона и щебеночных смесей в смесительных установках; Д-6 - для глубокой пропитки щебеночных дорожных покрытий, изготовления горячего дегтебетона. Применять дегти в городских условиях для устройства дорожных покрытий запрещено санитарными нормами.

14.4. Производство нефтяных битумов.

Существующие технологии производства битумов основаны на воздействии на нефтепродукт высокой температуры, разрежения воздуха, кислорода, пара, различных растворителей, поверхностно-активных веществ, с помощью которых происходит формирование химического состава и структуры битума, а, следовательно, его физико-механических свойств.

Наибольшее распространение получили технологии производства битума, основанные:

а) на окислении гудрона или смеси гудрона с другими нефтепродуктами в кубах периодического или непрерывного действия (старое оборудование) или в трубчатых реакторах, окислительных колоннах, бескомпрессорных установках (новое оборудование). По этой технологии получают окисленные битумы;

б) на глубоком отборе от мазута масляных фракций на вакуумных установках, в результате чего внизу колонны образуется тяжелый нефтяной остаток - остаточные битумы;

в) на использовании асфальто-смолистых веществ, полученных при деасфальтизации масел. При необходимости уменьшить вязкость, продукты деасфальтизации объединяются с остаточными экстрактами или гудронами. Эти битумы принято называть битумы деасфальтизации;

г) на компаундировании (смешении) различных нефтепродуктов, имеющих различные химический состав и свойства, с целью получения битума в соответствии с заданными требованиями. Чаще всего по этой технологии производится глубокое окисление гудрона до получения битума с высокой вязкостью, а затем разжижение переокисленного битума более легким нефтепродуктом, например, экстрактом селективной очистки или гудроном.

Нефть, нагретая в трубчатой печи до 330-335°С, направляется в ректификационную колонну, где происходит ее разделение на фракции и их переработка (рис. 14.4.). Исходным сырьем для производства битума является гудрон. Если по показателям качества он соответствует требованиям, предъявляемым к битумам - это остаточный битум.

При получении окисленных битумов гудрон пропускают через холодильник, где температура его снижается до 210-220°С, а затем он поступает на окислительную установку (трубчатый вертикальный реактор, куб периодического действия, реактор колонного типа, бескомпрессорный реактор).

Таблица 14.5. Требования к качеству дорожных дегтей (ГОСТ 4641-80)

Марка	Вязкость			Содержание, % по массе, не более				Фракционный состав при перегонке до температуры, °С			Температура размягчения остатка после отбо-
				воды	фрак-ции	фено-лов	нафта-лина	170	270	300	ра фракций до 300°С
Д-1	5-70	-	-	3	18	5	5	3,0	20	35	45
Д-2	-	5-20	-	1	20	3	4	2,0	20	30	65
Д-3	-	20-50	-	1	20	2	3	1,5	15	25	65
Д-4	-	50-120	-	1	20	2	3	1,5	15	25	65
Д-5	-	120-150	-	1	20	2	3	1,5	15	25	65
Д-6	-	-	10-80	1	20	2	3	1,5	10	20	75

Таблица 14.6. Требования к качеству дорожных дегтей по В76: 1974 (Великобритания)

Марка	Вязкость	Содержание во-ды, % по массе,	Фракционный состав, %			Температура ра-змягчения оста-			Плотность при 20°С, кг/м3
	°С +/- 1,5	не более	до 200°С	200-270 °С	270-300°С		тка по КиШ, °С
С-30	30	0,5	0,5	4-11	16		35-46	1105-1245
С-34	34	0,5	0,5	3-10	15		35-46	1110-1250
С-38	38	0,5	0,5	1-8	13		35-47	1115-1255
С-42	42	0,5	0,5	1-6	12		35-48	1115-1260
С-46	46	0,5	0,5	1-5	11		35-49	1120-1266
С-50	50	0,5	0,5	0-4	10		35-40	1130-1270
С-54	54	0,5	0,5	0-3	10		52	1130-1275
С-58	58	0,5	0,5	0-3	8		56	1135-1275

Таблица 14.7.

Д-4	55	-	23	14,81	4,03	81,16	1231	8	-20	1	0	300	18,62	36	Выдерживает
Д-4	103	-	30	16,55	5,82	77,63	1234	12	-17	1	0	300	19,11	36	Выдерживает
Д-5	150	-	38	17,49	6,23	76,28	1236	14,5	-16	1	0	300	19,12	36,5	Выдерживает
Д-5	208	-	43	18,79	8,16	73,05	1240	16,5	-15	1	0	300	19,15	40	Выдерживает
Д-6	251	-	47	19,21	8,91	71,88	1242	18	-14	1	0	300	19,11	40	Выдерживает
Д-6	-	10,5	47	19,21	8,91	71,88	1242	18	-14	1	0	300	19,07	40	Выдерживает
Д-6	-	29	122	20,13	9,55	70,32	1251	24	-13	0,5	0,38	300	19,08	40	Выдерживает
Д-6	-	75	310	20,34	10,23	69,43	1256	31	-8	-	0,67	300	19,08	40	Выдерживает
Д-6	-	100	422	20,64	10,23	69,03	1257	33	-5	-	0,54	270	19,10	40	Выдерживает

Температура гудрона от 240 до 180°С. Время окисления от 3 до 50 ч. Окисляется кислородом воздуха, который нагнетается в гудрон либо с помощью компрессора через маточник (горизонтальная труба с многочисленными отверстиями для пропуска воздуха), либо диспергатором, обеспечивающем самовсасывание и диспергирование воздуха из атмосферы и развивая при этом большую поверхность контакта гудрона с воздухом и высокую скорость ее обновления.

В начальный момент обработки воздухом гудронов небольшое количество термически активированных углеводородов распадается на свободные радикалы. Последние, объединяясь с молекулярным кислородом, образуют продукты присоединения перекисного характера, которые инициируют дальнейший процесс. Арильные радикалы связываются друг с другом, образуя молекулу, способную к дальнейшему росту, т. е. Происходит полиоксиконденсации нафтеновых и ароматических углеводородов. Атомы водорода после соединения в молекулу дают с молекулярным кислородом воду. Характер протекания реакции цепной.

В процессе деасфальтизации (извлечение смолисто-асфальтовых веществ из нефтепродуктов сжиженным пропаном) смолисто-асфальтовые вещества, нерастворимые в пропане, отстаиваются внизу деасфальтизационной колонны, откуда непрерывно отводятся в однотопочную печь, где нагреваются до температуры 200-220°С.

Из печи нагретый раствор асфальто-смолистых веществ в пропане поступает в эвапаратор, где под давлением происходит испарение основной части пропана. Остатки пропана отпариваются при помощи открытого пара в атмосферной отпарной колонне, из низа которой откачивается остаточный продукт - битум деасфальтизации.

Технологический процесс получения битумов смешением (компаундированием) получил большое распространение в США, Франции, Германии и др. странах. В вязкие нефтепродукты (переокисленные битумы, битумы деасфальтизации и др.) вводятся более легкие нефтяные фракции, полимеры, каменноугольные дегти и поверхностно-активные вещества. С помощью этих добавок можно значительно повысить сцепление битума с поверхностью каменных материлов, его теплоустойчивость и прочность при высоких, а эластичность и пластичность - при низких температурах.