способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси

Формула изобретения

1. Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси для устройства дорожных покрытий, включающий обработку минерального материала составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу, и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией, отличающийся тем, что в качестве минерального материала используют узкофракционированный щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, при этом обработку щебня ведут составом, увеличивающим адгезию битума к щебню, представляющим собой раствор производных аминов в нефтепродуктах, в количестве 0,3-0,5 вес. ч. в зависимости от указанного содержания гематита в щебне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к щебню, используют реагенты, выбранные из группы производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов в виде 0,5-10%-ного раствора в светлых нефтепродуктах.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве узкофракционированного щебня используют щебень фракций 3-5 мм, или 5-8 мм, или 5-10 мм, или 10-15 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии производства дорожно-строительных материалов и может быть использовано для приготовления складируемых эмульсионно-минеральных смесей для среднего и ямочного ремонта дорожных покрытий.

Известен способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси для устройства дорожных покрытий, включающий смешивание битумной катионной эмульсии с минеральным заполнителем и минеральным порошком, предварительно обработанным поверхностно-активным веществом катионного типа - алкилтриметиламмонийхлоридом (авт.свидет. СССР №654654, кл. C08L 95/00, опубл. 1979 г.).

Недостатком данного способа является высокая стоимость получаемой смеси и сложность его осуществления, обусловленные соответственно необходимостью использования дорогостоящего минерального порошка и наличием дополнительных операций по введению минерального порошка при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси. Однако основным недостатком данного способа является высокая слеживаемость получаемой эмульсионно-минеральной смеси и невозможность ее складирования и хранения длительный период времени.

Известен способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающий обработку минерального материала - доменного шлака усилителем адгезии к битуму на основе кремнийорганических производных при повышенной температуре в среде органического растворителя, и последующее смешивание минерального материала с катионной битумной эмульсией. Битумная эмульсия, приготавливается на алкоксилированном битуме, полученном путем обработки в автоклаве при температуре 200°С окисью этилена в присутствии гидроксида щелочного металла в среде органических растворителей таких как толуол, ксилол в течение часа (см.патент США №4170484, кл. С08L 95/00, 1979 г.).

Недостатком этого способа является высокая токсичность и стоимость используемых реагентов для увеличения адгезии минерального материала к битуму, а также высокая энергоемкость процесса получения и возможный экологический ущерб, поэтому применение таких реагентов для производства эмульсионно-минеральных смесей является нецелесообразным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающий обработку минерального материала (смесь гранита, песка и минерального порошка) составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу, и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией (Пособие по устройству поверхностных обработок на автомобильных дорогах к СНиП 3.06.03-85 М., 1990 г., с.14-18)) - принято за прототип.

Недостатками данного способа приготовления эмульсионно-минеральной смеси является ее повышенная стоимость и недостаточные эксплуатационные характеристики покрытия, полученного из этой смеси. Повышенная стоимость указанной смеси вызвана использованием больших количеств дорогостоящих реагентов, например, первичных алифатических аминов; алкилтриметиламмонийхлорида, сланцевого масла и т.д., применяемых в составах для увеличения адгезии битума к минеральному материалу, в качестве которого используют щебень из изверженных и метаморфических горных пород, таких как граниты, диариты, габбро, базальты, диабазы и другие. Для того чтобы избежать быстрого неконтролируемого распада битумной эмульсии в результате использования минерального материала с высоким содержанием мелкозернистых фракций (песок, минеральный порошок), требуется обработка его стабилизаторами скорости распада, в состав которых входят реагенты с высокой токсичностью (алифатические амины, кубовые остатки жирных кислот, сланцевое масло и т.п.). Использование минерального материала непрерывного зернового состава при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси влечет частичную слеживаемость смеси и ухудшает ее удобоукладываемость. Вследствие этого, указанные смеси не нашли применения в дорожном строительстве.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эксплуатационных характеристик эмульсионно-минеральной смеси, возможности ее складирования на длительный период, повышения срока службы устроенных покрытий и снижения стоимости при производстве.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе приготовления эмульсионно-минеральной смеси, включающем обработку минерального материала составом, увеличивающим адгезию битума к минеральному материалу и последующее смешивание его с битумной катионной эмульсией, в качестве минерального материала используют узкофракционированный щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19,0-32,0%, при этом обработку щебня ведут составом, увеличивающим адгезию битума к щебню, представляющим собой раствор производных аминов в нефтепродуктах, в количестве 0,3-0,5 вес. частей в зависимости от указанного содержания гематита в щебне.

Кроме того, в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к щебню, используют реагенты, выбранные из группы производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов, при этом указанные реагенты применяют в виде 0,5-10% раствора в светлых нефтепродуктах, а в качестве узкофракционированного щебня используют щебень фракций 3-5 мм, или 5-8 мм, или 5-10 мм, или 10-15 мм.

За счет применения адгезионной добавки и узкофракционированного щебня, из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32%, достигается создание на поверхности щебня структурированных пленок эмульгированного битума равномерно распределенных по всему объему смеси. Это происходит за счет увеличения адгезионно-когезионного взаимодействия на границе щебень-эмульгированный битум, что связано с присутствием трехвалентного железа на поверхности гематита и протеканием хемосорбционных процессов при контакте его с адгезионной добавкой и битумной эмульсией.

Использование такого минерального материала при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси позволяет одновременно снизить количество адгезионной добавки, обеспечивающей повышение адгезионно-когезионного взаимодействия эмульгированного битума со щебнем. Это обеспечивает более низкую стоимость по сравнению с прототипом за счет снижения удельного расхода дорогостоящих зарубежных и отечественных ПАВ, входящих в состав адгезионной добавки и оптимального подбора ее концентрации в зависимости от содержания гематита, что позволит значительно сократить расход и сэкономить битумное вяжущее. Использование в качестве состава, увеличивающего адгезию битума к минеральному материалу реагентов на основе производных полиаминов, диаминов, оксиэтилированных аминов в виде 0,5-10% раствора в светлых нефтепродуктах улучшает условия приготовления и степень обволакиваемости битумом зерен минерального материала, снижает слеживаемость смеси и улучшает ее удобоукладываемость. Кроме того, создание на поверхности щебня структурированной пленки эмульгированного битума позволяет повысить эксплуатационные характеристики эмульсионно-минеральной смеси и, прежде всего, подвижность при хранении, что позволяет ее использовать без подогрева в течение нескольких месяцев.

Таким образом, полученные по предлагаемому способу эмульсионно-минеральные холодные смеси на битумных эмульсиях с использованием узкофракционированного щебня из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32% имеют следующие преимущества:

- допускают использование влажного каменного материала за счет вытеснения водных пленок адгезионной добавкой и хемосорбционного взаимодействия ее с поверхностью гематита;

- позволяют экономить до 10-30% битума за счет улучшения обволакиваемости щебня в результате образования структурированной пленки эмульгированного битума;

- приготовление и укладка смесей может выполняться при неблагоприятных климатических условиях, так как вязкость эмульгированного битума с понижением температуры возрастает медленнее и смесь не теряет удобоукладываемость;

- применение складируемых эмульсионно-минеральных смесей упрощает технологию производства работ и расширяет сроки проведения ямочного и среднего ремонта дорожных покрытий.

Способ приготовления эмульсионно-минеральной смеси осуществляется следующим образом.

В качестве минерального материала используют щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд Курской магнитной аномалии Михайловского ГОКа с содержанием гематита 19-32%, непригодных для дальнейшего применения в металлургической промышленности, имеющий следующий химический состав, %:

Fe общ. - 22,0-28; Fe mqt 4-5; FeO 4-5;

Fe₂О₃ 19-32; AL₂О₃ 0,1-1,0;

MqO 0,1-1,5; CaO 1,0-2,1; S 0,06-0,08;

P 0,045-0,06; P₂О₅ 0,121-0,129; С 0,55-0,65, nnn 2,69;

K₂О 0,51-0,53; Na₂O 0,41-0,44; MnO 0,031-0,033; SiO ₂ - остальное до 100%

Щебень из хвостов сухой магнитной сепарации железосодержащих руд имеет следующие показатели качества:

- марка по пределу прочности на сжатие -1200

- марка по истираемости - И1

- насыпная плотность - 1660 кг/м ³

- значение удельной эффективной активности естественных радионуклидов - до 370 Бк/кг

- качество по морозостойкости не ниже марки F50

- содержание зерен пластинчатой и игловатой формы - не более 35%

- содержание пылевидных и глинистых частиц - не более 1%.

Битумные эмульсии производят путем смешения битума при температуре 130-150°С, эмульгатора, неорганической кислоты и воды, нагретой до 35-60°С, при этом эмульгатор вводят в количестве 0,17-0,22 кг/т в зависимости от массы содержания гематита в щебне. Для приготовления битумной эмульсии используют пластифицированный битум. В качестве пластификатора применяют светлые нефтепродукты, например нефрас С4 150/200 и др., - продукты с интервалом кипения 150-200°С. Водная фаза содержит катионный эмульгатор, выбранный из группы диаминов, жирного ряда алкиламидоимидазолинов, четвертичных аммониевых оснований.

Битумные эмульсии получали на лабораторной установке «Emulbitume» (Франция). Температура битумной фазы 130-160°С, водной 40-50°С, Рн=1,8-2,5. Необходимое значение Рн создавалось добавлением соляной кислоты. Водная и битумная фазы подавались в диспергатор установки с таким расчетом, чтобы соотношение их в эмульсии составляло 30-40:60-70 соответственно.

Эмульсионно-минеральные смеси получали путем предварительного смешения дозированных количеств щебня сухой магнитной сепарации с содержанием гематита 19-32% фракции 5-10 мм с адгезионной добавкой и последующего смешения с битумной эмульсией до полного и равномерного объединения всех компонентов.

В качестве реагента, увеличивающего адгезию битума к минеральному материалу, использовали 5%-ный раствор в нефрасе С4 150/200 производных полиаминов.

Перемешивание считали законченным, если все зерна минерального материала равномерно покрыты вяжущим и в готовой смеси не наблюдается его отдельных сгустков.

Рецептура эмульсии для производства складируемых эмульсионно-минеральных смесей, кг/т:

Битум БНД 90/130	630,5
Пластификатор	19,5
HCL (плотность 1,17 г/см 3)	1,5
Эмульгатор на основе производных алкилдиаминов	2,0
Вода	346,5

Результаты подбора компонентов складируемой эмульсионно-минеральной смеси приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1.
Подбор компонентов эмульсионно-минеральной смеси для ямочного ремонта на щебне из хвостов сухой магнитной сепарации фракции 5-10 мм содержание гематита 22%
№	Адгезионная добавка, вес. частей	Битумная эмульсия, вес. частей	Примечание
1	-	10	покрытие поверхности щебня плохое
2	0,3	10	Неполное покрытие поверхности щебня
3	0,4	10	Избыток эмульсии
4	0,4	9	Небольшой избыток эмульсии
5	0,4	8	Хорошее покрытие
6	0,4	7,5	Хорошее покрытие
7	0,4	7	Хорошее покрытие
8	0,5	7	Хорошее покрытие

Определение сцепления битумной пленки с поверхностью щебня проводили при кипячении смеси в дистиллированной воде в течение 5 минут. Установлено, что адгезия битума для образца №1 составляет 65% и увеличивается для образца №6 до 90-100%, №7 8-85-90%, т.е. оптимальное содержание битумной эмульсии и адгезионной добавки для данного минерального материала составляет 7,5 и 0,4 вес. ч. соответственно.

Таблица 2.
Подбор компонентов эмульсионно-минеральной смеси для ямочного ремонта на щебне из хвостов сухой магнитной сепарации фракции 5-10 мм при расходе битумной эмульсии 7,5 вес. частей
№	Адгезионная добавка, вес. частей	Содержание гематита, %	Примечание
1.	0,7	17	Избыток адгезионной добавки, формирование структурированной пленки не происходит, покрытие поверхности щебня плохое
1	0.6	18	Формирование структурированной пленки не происходит, покрытие поверхности щебня плохое
2	0,5	19	Хорошее покрытие
3	0,5	20	Хорошее покрытие
4	0,4	22	Хорошее покрытие
5	0,4	30	Хорошее покрытие
6	0,3	32	Хорошее покрытие
7	0,3	33	Неполное покрытие поверхности щебня

Из приведенных данных видно, что составы полученных эмульсионно-минеральных смесей, приготовленных на минеральном материале фракции 5-10 мм с использованием щебня из железосодержащих руд с содержанием гематита 19-32% и с использованием адгезионной добавки в количестве 0.3-0,5 характеризуется высокими качественными показателями. Как видно из данных, представленных в таблице 2, обработка щебня с содержанием гематита менее 19% адгезионной добавкой в количестве больше 0,5 вес. частей нецелесообразно. Так как это приводит к неоправданному увеличению концентрации реагентов для адгезионного состава при приготовлении эмульсионно-минеральной смеси, увеличению ее стоимости, а также к ухудшению покрытия щебня в результате замедления формирования структурированной пленки битума на щебне. Использование щебня с содержанием гематита более 32% ведет к недопустимому снижению концентрации реагентов адгезионного состава, что ведет к ослаблению прочности сцепления битумной эмульсии со щебнем, а также к повышению интенсивности влияния окислов железа на старение битума и снижению срока службы, такого материала. Использование фракционированного щебня, предварительно обработанного адгезионной добавкой, позволяет равномерно распределить на его поверхности битумную эмульсию, а в результате содержания в смеси близких по размеру зерен (практически одинакового размера), скорость образования структурированной пленки битума протекает одновременно во всем объеме, что улучшает условия приготовления и степень обволакиваемости эмульгированным битумом зерен минерального материала. Это придает смеси подвижность, устойчивость к слеживаемости при хранении длительный период. В процессе уплотнения использование при приготовлении узкофракционированного щебня позволяет не только создать однородный каркас, обеспечивающий прочностные характеристики материала, но и использовать такие смеси для ремонта ям и выбоин различной глубины, что расширяет область их применения.

Применение предлагаемого способа позволит повысить эксплуатационные характеристики дорожного покрытия из приготовленной эмульсионно-минеральной смеси за счет повышенного сцепления вяжущего с минеральным материалом, а также получить смеси с низкой слеживаемостью в течение длительного хранения на складах за счет улучшения обволакиваемости каменного материала и высокой адгезии битумной эмульсии к щебню.

Таким образом, использование такого минерального материала позволяет получить покрытие с более низкой стоимостью по сравнению с прототипом за счет снижения удельного расхода реагентов, входящих в состав адгезионной добавки и оптимального подбора их концентрации, применяемой для обработки щебня. Это позволит значительно сократить расход дорогостоящих реагентов адгезионного состава и сэкономить битумное вяжущее. Использование предлагаемого материала в составе эмульсионно-минеральной смеси в устройстве дорожного покрытия одновременно повышает адгезионное взаимодействие битума с фракционированным щебнем, обеспечивая в целом увеличение водостойкости, прочности и долговечности покрытия при одновременном удешевлении как эмульсионно-минеральной смеси, так и стоимости выполнения ямочных и средних ремонтов, устройства дорожного покрытия