Водно-емульсійне в’яжуче

Запропонований винахід відноситься до галузі нафтохімії та шляхового будівництва і може бути використаним у виробництві вугільних брикетів чи для влаштування основ та покриттів автомобільних доріг. Відомо використання як в'яжучого для брикетування вугілля композиції на основі кам'яновугільного пеку та нафтового бітуму [1]. Недоліками цього в'яжучого є його велика витрата (15% на масу брикетів) та значні експлуатаційні витрати, викликані необхідністю нагріву в'яжучого та шихти до температури 150 - 160°C. Відома також емульсія для брикетування вугілля, що має в своєму складі нафтовий бітум, кам'яновугільний пек та воду [2]. До недоліків винаходу відноситься використання токсичних речовин, забруднення навколишнього середовища канцерогенами, використання як сировини дефіцитного товарного бітуму. Крім того, відома емульсія [3] для шляхового будівництва, що складається, мас. частки у %: Нафтовий бітум 30 - 35 Таловий пек 15 - 20 NaOH 0,5 - 1,1 Вода Решта Недолік емульсії - її значна вартість, обумовлена значним вмістом товарного бітуму та талового пеку та обмежена галузь застосування. Найбільш близька за складом до запропонованого технічного рішення є емульсія [4], що складається, мас. частки у %: В'яжуче 40 - 65 NaOH 0,07 - 0,18 Емульгатор 0,87 - 1,8 Вода Решта Як в'яжуче використовують суміш нафтового (30 - 50%) та сланцевого бітумів чи нафтового гудрону та сланцевого бітуму (20 - 60%). Як емульгатор використовують омилений таловий пек. Сланцевий бітум має в своєму складі токсичні сполуки фенольного типу. Одержана емульсія характеризується повільним розпадом, що призводить до повільного збільшення міцності брикетів і обмежує можливості її використання, при існуючій технології брикетування шихти, у коксохімічному виробництві та для виготовлення паливних брикетів. В основу винаходу покладено завдання створити водно-емульсійне в'яжуче з малим терміном розпаду при використанні, високою стійкістю при зберіганні та підвищеною міцністю при застосуванні для виготовлення вугільних брикетів та в шляховому будівництві. Для виконання поставленого завдання до складу емульсії крім нафтового гудрону, талового пеку, лугу та води додатково вводять відходи нафтопереробки - асфальто-екстрактну суміш та кислий гудрон при слідуючому співвідношенні компонентів, мас. частки у %: Асфальто-екстрактна суміш (АЕС) 20 - 40 Нафтовий гудрон 10 - 40 Кислий гудрон 0,4 - 1,8 Таловий пек 0,4 - 1,2 Гідроксид лужного металу 0,1 - 0,4 Вода Решта Одержують водно-емульсійне в'яжуче з однорідністю (залишок на ситі 0,14 в %) від 0,2 до 0,6, а після 7 діб зберігання від 0,5 до 0,9. Час розпаду після змішування з цементом від 1,5 до 6 хвилин. Міцність брикетів з використанням нового в'яжучого 26 - 35кг/см2, тобто на 6 - 17кг/см2 більша від прототипу, а після 2 годин знаходження у воді 22 - 34кг/см2, чи на 7 - 20 кг/см2 вища від прототипу. В'яжуче при низькій умовній в'язкості (3 - 8 град) має досить високу температуру розм'якшення залишку (40 - 43°C) та низьку (температуру крихкості (-22) - (32)°C, що дозволяє одержувати якісні холодні асфальтобетони. Зіставлення з прототипом показує, що запропоноване технічне рішення відрізняється від відомого введенням нових компонентів: асфальто-екстрактної суміші, кислого гудрону та неомиленого талового пеку замість омиленого. Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "новизна". Аналіз відомих водно-емульсійних, в'яжучих виявляє, що використання деяких інгредієнтів композиції відомо, наприклад, нафтовий гудрон, таловий пек, гідроксид натрію, але в технічній та патентній літературі не знайдено відомості про введення асфальто-екстрактної суміші та кислого гудрону для одержання емульсійного в'яжучого. Тому запропоноване технічне рішення відповідає критерію "суттєві відмінності". Використані для приготування емульсійного в'яжучого компоненти мають слідуючі характеристики. Кислий гудрон - це побічний продукт очищення нормальних парафінів олеумом у процесі "Парекс", а також в інших процесах очищення нафтопродуктів сірчаною кислотою і має слідуючий склад, мас. частки у %: Сірчана кислота 68 - 78 Сірчистий ангідрид 1-2 Сульфокислоти 6 - 11 Смоли 9 - 13 Асфальтени 5 - 12 Парафіни 1-2 Пек таловий - суміш жирних та смоляних кислот (13) має кислотне число в мг KOH на 1г не менше 20 та температуру розм'якшення не нижче 19°C. Гудрон - кінцевий продукт первинної переробки нафти, залишок вакуумної ректифікації, має слідуючий склад, мас. частки у %: Смоли 16 - 30 Асфальтени 10 - 16 Метано-нафтенові вуглеводні 24 - 38 Ароматичні вуглеводні 30 - 51 Асфальто-екстрактна суміш, що створюється внаслідок фенольного очищення масел, складається, мас. частки у %: Смоли 40 - 50 Асфальтени 30 - 40 Масла 12 - 20 і характеризується слідуючими якісними показниками: Температура розм'якшення, °C 35 - 60 Температура спалаху, °C 230 - 250 Густина, г/см3 0,95 - 1,1 Суттєвість пропонуємого винаходу пояснюють слідуючі приклади. Приклад 1. До 200г розплаву асфальто-екстрактної суміші при температурі 180°C додають 12г кислого гудрону, перемішують їх при цій температурі протягом 20хв. Потім вводять 240г нафтового гудрону, 8г талового пеку і змішують ще 10 хвилин. Після цього температуру знижують до 95 - 100°C. Окремо готують розчин гідроксиду калію. Для цього в 1л води з жорсткістю не більше 3мг екв/л розчиняють 5,6г гідроксиду калію та нагрівають розчин до 90 - 95°C. До 460г нагрітого в'яжучого додають 540г розчину гідроксиду калію, змішують та емульгують суміш пропелерною, чи турбінною мішалкою протягом 5 - 10 хвилин. Випробування емульсій проводили згідно з [5 6]. Для визначення характеристик залишку випарювання води з емульсії здійснювали згідно з [5]. Глибину проникнення голки та дуктильність залишку вимірювали за [7, 8], температуру розм'якшення за [9], крихкість за [10], зчеплення з мінеральним матеріалом згідно [11]. Характеристики емульсії наведені в табл.2. Приклади 2 - 7. Зразки емульсійного в'яжучого за прикладами 2 - 7 готували та аналізували згідно прикладу 1. Склад в'яжучих та їх властивості наведені відповідно в табл.1 та 2. Температура спалаху залишку після випаровування води для всіх наведених емульсій перевищує 220°C. Всі зразки емульсій, крім приготованого за прикладом 6, що має знижений вміст асфальто-екстрактної суміші, при випробуванні у відповідності з ГОСТ 18659 - 79 п.4.6 створюють на поверхні щебню водостійку плівку. Ця емульсія (зразок 6) має також зменшену однорідність та адгезію залишку до мармуру. Зменшення вмісту талового пеку та лугу при підвищеній концентрації гудрону (зразок 7) також призводить до зменшення однорідності, підвищення в'язкості та температури крихкості залишку. Зразки емульсій 1-5 цілком відповідають вимогам до бітумних емульсій [5], для приготування яких використовують дефіцитні дорожні бітуми БНД. Одержані емульсії використовувались для приготування вугільних брикетів. Брикети готували з антрациту фракції 0 - 3мм шахти "Червона зірка". Вологість штибу перед брикетуванням складала 3,5%. Його змішували при температурі 90 ± 5°C з 10% емульсії та брикетували під тиском 200кгс/см2 в циліндричні брикети діаметром 50мм. Часову міцність на стиск а, визначали через 5 годин, водостійкість брикетів, як міцність після 2 годин витримки їх у воді. Одержані результати наведені в табл.3. Для порівняння наведені результати брикетування емульсіями, одержаними згідно прототипу, мас. частки у %: Емульсії готували відповідно до прикладу 1. Характеристики одержаних емульсій достатньо близькі до наведених в табл.2, крім розпаду при змішуванні з цементом, що складає 15 та 18хв відповідно для зразків 8 та 9. При збільшенні вмісту асфальто-екстрактної суміші у в'яжучому зростає міцність брикетів, проте погіршення якості емульсії при збільшенні концентрації АЕС більше 40% робить нераціональним використання таких емульсій. Застосування для брикетування в'яжучих згідно з прототипом (зразки 8, 9) призводить до зменшення міцності брикетів та їх водостійкості внаслідок більшого часу розпаду емульсій. Крім того, в умовах України цілком відсутнє виробництво сланцьових бітумів. Література: 1. Ольферт. Ю.І., Значення в'яжучих речовин при коксуванні брикетованих шихт. - М., Металургія, 1984. С.85. 2. Брикетування кам'яновугільної та антрацитової дрібноти / Л.В. Корчагін, А.Г. Шпахлер, В.І. Плужник, Б.Б. Зельдін // Вугілля України. - 1958. - №6. - С.22 - 25. 3. Авторское свидетельство СССР №933857, кл. E01C7/24, опубл. 1982. 4. Авторское свидетельство СССР №948945, кл. C04B13/30, опубл. 1982. 5. ГОСТ 18659 - 73. 6. Указания по приготуванню, випробуванню та застосування бітумних емульсій. - К.: Оргавтошляхбуд, 1963. - С.34. 7. ГОСТ 11501 - 78. 8. ГОСТ 11505 - 78. 9. ГОСТ 11506 - 78. 10. ГОСТ 11507 - 65. 11. ГОСТ 11508 - 74. 12. Крейцер Г.Д. Асфальти, бітуми та пеки. Державне видавництво літератури по будівельним матеріалам. - М., 1952. - С.400. 13. ТУ 13 - 4000177 - 184 - 84.