RU2769049C1 - Use of petroleum coke as a bitumen modifier - Google Patents

Use of petroleum coke as a bitumen modifier Download PDF

Info

Publication number
RU2769049C1
RU2769049C1 RU2021126883A RU2021126883A RU2769049C1 RU 2769049 C1 RU2769049 C1 RU 2769049C1 RU 2021126883 A RU2021126883 A RU 2021126883A RU 2021126883 A RU2021126883 A RU 2021126883A RU 2769049 C1 RU2769049 C1 RU 2769049C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bitumen
petroleum coke
coke
asphalt concrete
powder
Prior art date
Application number
RU2021126883A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Баженов
Виталий Иванович Кузик
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «Транзитсервисресурс» (ООО «Транзитсервисресурс»)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «Транзитсервисресурс» (ООО «Транзитсервисресурс») filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Транзитсервисресурс» (ООО «Транзитсервисресурс»)
Priority to RU2021126883A priority Critical patent/RU2769049C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769049C1 publication Critical patent/RU2769049C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L95/00Compositions of bituminous materials, e.g. asphalt, tar, pitch

Abstract

FIELD: construction.
SUBSTANCE: invention relates to the field of construction. The use of petroleum coke powder with a particle size of 0.055-0.075 mm as a bitumen modifier in an amount of 5-15% of the total mass of petroleum coke powder and bitumen in the composition of an asphalt concrete mixture is described.
EFFECT: use of an alternative modified bitumen-based binder with improved properties, inexpensive and effective for use.
5 cl, 2 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области строительства, в частности дорожного строительства, и используется для создания новых модифицированных вяжущих на основе битума с улучшенными свойствами для изготовления асфальтобетонных смесей.The invention relates to the field of construction, in particular road construction, and is used to create new modified binders based on bitumen with improved properties for the manufacture of asphalt mixtures.

Распространенным методом улучшения свойств асфальтобетонной смеси является добавление различного вида добавок.A common method for improving the properties of an asphalt mix is to add various types of additives.

К добавкам, еконечной функцией которых является улучшение качества дорожного полотна, относятся следующи типы материалов:Additives whose ultimate function is to improve the quality of the roadway include the following types of materials:

1. модификаторы битума;1. bitumen modifiers;

2. адгезионные присадки к битуму;2. adhesive additives to bitumen;

3. стабилизаторы ЩМАС (щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси);3. Stabilizers SCHMAS (crushed stone-mastic asphalt mix);

4. модификаторы асфальтобетонной смеси;4. asphalt concrete mix modifiers;

5. структурирующие добавки в асфальтобетонную смесь.5. Structuring additives in asphalt mix.

При низких температурах битум становится твердым и хрупким, при высоких- мягким и текучим. Битум модифицируют различными эластомерами, применение которых имеет цель улучшить эксплуатационные характеристики битума при экстремальных температурах. При модификации битума стирол бутадиен стиролом полимербитумная смесь становится мягкой и более гибкой при низкой температуре, и более вязкой при высокой температуре.At low temperatures bitumen becomes hard and brittle, at high temperatures it becomes soft and fluid. Bitumen is modified with various elastomers, the use of which is intended to improve the performance of bitumen at extreme temperatures. When bitumen is modified with styrene butadiene styrene, the polymer bitumen mixture becomes soft and more flexible at low temperature, and more viscous at high temperature.

Применение различных присадок к битуму направлено на улучшение отдельно взятого свойства битума: адгезии с минеральной составляющей асфальтобетонной смеси или пластической текучести при низких температурах. Существует присадка, предотвращающая окисление битума и, как следствие, образование микротрещин на поверхности.The use of various bitumen additives is aimed at improving a particular property of bitumen: adhesion with the mineral component of the asphalt concrete mixture or plastic fluidity at low temperatures. There is an additive that prevents bitumen oxidation and, as a result, the formation of microcracks on the surface.

Добавки, улучшающие прилипание (адгезию) битума, вводят непосредственно в битум и в минеральную смесь. При измельчении на их поверхности образуется сложное электрическое поле, знак и величина потенциала которого определяются свойствами ионов и характером их расположения на поверхности. Большинство основных карбонатных пород (известняки, доломиты) имеют положительный заряд, кислые (гранит, кварц) - отрицательный. В сложном составе битума преобладают анионактивные вещества. С точки зрения электростатической теории адгезии, нам необходимо провести исследования сцепление битума с размолотым порошком из кокса, что объясняется разноименными зарядами поверхности материала и компонентов битума.Additives that improve the adhesion (adhesion) of bitumen are introduced directly into the bitumen and into the mineral mixture. When grinding, a complex electric field is formed on their surface, the sign and magnitude of the potential of which are determined by the properties of the ions and the nature of their location on the surface. Most of the basic carbonate rocks (limestones, dolomites) have a positive charge, while acidic rocks (granite, quartz) have a negative charge. The complex composition of bitumen is dominated by anionic substances. From the point of view of the electrostatic theory of adhesion, we need to study the adhesion of bitumen to ground coke powder, which is explained by the opposite charges of the surface of the material and bitumen components.

Таким образом введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, будет способствовать повышению его адгезии к коксу.Thus, the introduction of additives into bitumen containing polar groups and increasing the mobility of links of high-molecular compounds will increase its adhesion to coke.

В связи с недостаточным качеством нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, а также для улучшения их свойств, в последнее время предложены различные добавки. Добавки, вводимые в относительно большом количестве, существенно влияющие на структуру и свойства получаемых вяжущих, называют композиционными, или комплексными. Наиболее распространенными комплексными вяжущими являются битумо-дегтевые, битумо-полимерные, дегте-битумо-полимерные.Due to the insufficient quality of petroleum bitumen suitable for road construction, as well as to improve their properties, various additives have recently been proposed. Additives introduced in a relatively large amount, which significantly affect the structure and properties of the resulting binders, are called composite, or complex. The most common complex binders are bitumen-tar, bitumen-polymer, tar-bitumen-polymer.

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов и цепей), повышения их прилипания к материалам (адгезии), пластичности при низких температурах, тепло и погодоустойчивости, снижения вязкости в их состав вводят соответствующие добавки в количестве до 20%.To improve the properties of organic binders (bitumen and chains), increase their adhesion to materials (adhesion), plasticity at low temperatures, heat and weather resistance, and reduce viscosity, appropriate additives are introduced into their composition in an amount of up to 20%.

Как известно, наиболее интенсивное старение битума происходит в процессе приготовления, асфальтнобетонной смеси. При этом тонкая пленка битума подвергается одновременному воздействию высоких температур и кислорода. В результате окисления битум быстро теряет свою пластичность. Далее, с течением времени, пластичность битума продолжает снижаться, но этот процесс идет значительно медленнее, т.к. он происходит при температурах окружающей среды. Уменьшение степени окисления битума для российских условий особенно важно, т.к. качество исходных битумов в России неудовлетворительно, и нет никаких надежд на его улучшения в будущем.As is known, the most intensive aging of bitumen occurs in the process of preparing an asphalt concrete mixture. In this case, a thin film of bitumen is exposed to the simultaneous effects of high temperatures and oxygen. As a result of oxidation, bitumen quickly loses its plasticity. Further, over time, the plasticity of bitumen continues to decline, but this process is much slower, because. it occurs at ambient temperatures. Reducing the degree of bitumen oxidation for Russian conditions is especially important, because. the quality of initial bitumen in Russia is unsatisfactory and there are no hopes for its improvement in the future.

В настоящее время существует множество разработок в области создания эффективных модификаторов битума, в том числе и защищенных патентами Российской Федерации.Currently, there are many developments in the field of creating effective bitumen modifiers, including those protected by patents of the Russian Federation.

Из патента RU 2355655 с датой публикации 20.05.2009 известно вяжущее для приготовления горячих и холодных асфальтобетонных смесей включает нефтяной битум и разжижитель. В качестве разжижителя используют нефтесодержащие флюиды - естественные поверхностные нефтепроявления, являющиеся отходом производства подземных рудников при добыче алмазов, включающие 10-12 мас.% минерализованной воды, содержащей 39,4 г/л минеральных солей, преимущественно хлоридов калия и кальция, при следующем соотношении компонентов вяжущего, мас.%: нефтяной битум 50-95, указанные нефтесодержащие флюиды 5-50. Вяжущее готовят обычным перемешиванием в лопастном смесителе битума с t=90-100°C с нефтесодержащими флюидами с t=20°C в течение 3 минут.Технический результат: на предлагаемом вяжущем возможно получение асфальтобетона для автомобильных дорог I и II категории, а использование нефтесодержащих флюидов позволит решить проблему экологической безопасности региона.From patent RU 2355655 with a publication date of 05/20/2009, a binder for the preparation of hot and cold asphalt concrete mixtures includes petroleum bitumen and a thinner. As a thinner, oil-containing fluids are used - natural surface oil shows, which are a waste from the production of underground mines during diamond mining, including 10-12 wt.% of mineralized water containing 39.4 g / l of mineral salts, mainly potassium and calcium chlorides, in the following ratio of components binder, wt.%: oil bitumen 50-95, these oil-containing fluids 5-50. The binder is prepared by conventional mixing in a paddle mixer bitumen with t=90-100°C with oily fluids with t=20°C for 3 minutes. fluids will solve the problem of ecological safety of the region.

Из патента RU 2484109 с датой публикации 10.06.2013 известно изобретение, которое относится к способам получения органического связующего материала, используемого в брикетном производстве, строительстве, в частности при строительстве дорог, при возведении зданий и сооружений. Способ получения вяжущего материала включает перемешивание тяжелых остатков переработки нефти и каменноугольной смолы высокотемпературного коксования в присутствии кислорода, при этом перед перемешиванием в смолу добавляют поверхностно-активное вещество, содержащее карбоксильную группу. Технический результат - расширение сырьевой базы для получения связующего материала, утилизация отходов коксохимических производств, в частности каменноугольной смолы.From patent RU 2484109 with a publication date of 06/10/2013 an invention is known that relates to methods for obtaining an organic binder material used in briquette production, construction, in particular in the construction of roads, in the construction of buildings and structures. The method for obtaining a binder material includes mixing heavy residues of oil processing and high-temperature coking coal tar in the presence of oxygen, while a surfactant containing a carboxyl group is added to the resin before mixing. The technical result is the expansion of the raw material base for the production of a binder, the disposal of waste from coke production, in particular coal tar.

Также известна асфальтобетонная смесь по ГОСТ 9128-84, приготовляемая смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня, природного дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиями указанного стандарта (см. пункт 3 стандарта). Также стандартом допускается использование адгезионной добавки для улучшения сцепления битума с каменным материалом.Also known is an asphalt concrete mix according to GOST 9128-84, prepared by mixing crushed stone, natural crushed sand, mineral powder and petroleum road bitumen in mixing plants in a heated state, taken in proportions determined by the requirements of this standard (see paragraph 3 of the standard). Also, the standard allows the use of an adhesive additive to improve the adhesion of bitumen to stone material.

Известна также модифицированная асфальтобетонная смесь (патент RU 2466161, опубл. 10.11.2012 г.), которая может быть принята в качестве ближайшего аналога, содержащая щебень, отсев щебня, нефтяной битум, в которой модификатором служит резиновая крошка размером 0,75 мм, механоактивированная совместно с наношпинелью магния. Эта добавка добавляется при изготовлении горячего асфальтобетона в соотношении по процентному составу: битум марки БНД 90/130 в количестве 100%, резиновая крошка в количестве 7% от массы битума, шпинель магния в количестве 0,5% от массы битума. В данной смеси в качестве добавки, улучшающей взаимодействие на границе раздела фаз «битум - резиновая крошка», применялась нанодисперсная шпинель магния. Полученный асфальтобетон обладает улучшенным комплексом прочностных свойств. Повышенные прочностные свойства полученного модифицированного асфальтобетона в широком интервале температур могут предотвратить трещинообразование и повысить долговечность дорожного покрытия, что может компенсировать затраты на дополнительные технологические операции (механоактивация и добавление резиновой крошки в асфальтобетон).Also known is a modified asphalt concrete mixture (patent RU 2466161, publ. 11/10/2012), which can be taken as the closest analogue, containing crushed stone, screenings of crushed stone, oil bitumen, in which rubber crumb with a size of 0.75 mm, mechanically activated together with magnesium nanospinel. This additive is added during the manufacture of hot asphalt concrete in the ratio by percentage composition: bitumen grade BND 90/130 in the amount of 100%, rubber crumb in the amount of 7% by weight of the bitumen, magnesium spinel in the amount of 0.5% by weight of the bitumen. In this mixture, nanodispersed magnesium spinel was used as an additive that improves the interaction at the interface "bitumen - rubber crumb". The resulting asphalt concrete has an improved set of strength properties. The increased strength properties of the obtained modified asphalt concrete in a wide temperature range can prevent cracking and increase the durability of the road surface, which can compensate for the costs of additional technological operations (mechanoactivation and the addition of crumb rubber to asphalt concrete).

Основные недостатки известного решения - значительные затраты на диспергирование резиновых отходов, сложность замешивания и равномерного распределения по объему полимерного компонента в битумном вяжущем и по объему асфальтобетонной смеси, что приводит к снижению качественных показателей вяжущего и получаемого асфальтобетона. Также в источнике не исследованы другие немаловажные свойства битумного вяжущего.The main disadvantages of the known solution are the significant costs of dispersing rubber waste, the difficulty of mixing and uniform distribution of the polymer component in the bituminous binder by volume and by the volume of the asphalt concrete mixture, which leads to a decrease in the quality indicators of the binder and the resulting asphalt concrete. Also, other important properties of the bituminous binder are not investigated in the source.

Таким образом, задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является создание альтернативного модифицированного вяжущего на основе битума с улучшенными свойствами, недорогого и эффективного для использования.Thus, the object to which the present invention is directed is to provide an alternative modified bitumen-based binder with improved properties, inexpensive and effective for use.

Поставленная задача решается применением порошка нефтяного кокса с размером частиц 0,055-0,075 мм в качестве модификатора битума в количестве 5-15% от суммарной массы кокса и битума в составе асфальтобетонной смеси.The problem is solved by using petroleum coke powder with a particle size of 0.055-0.075 mm as a bitumen modifier in the amount of 5-15% of the total mass of coke and bitumen in the composition of the asphalt concrete mixture.

Предпочтительным является применение порошка нефтяного кокса в количестве 6-12%, в частности 10% от суммарной массы кокса и битума в составе асфальтобетонной смеси.It is preferable to use petroleum coke powder in an amount of 6-12%, in particular 10% of the total mass of coke and bitumen in the composition of the asphalt concrete mixture.

Нефтяной кокс в предпочтительном варианте предварительно подвергают термообработке при температуре 250-1550°С до достижения влажности не более 1 мас.%.Petroleum coke in the preferred embodiment is preliminarily subjected to heat treatment at a temperature of 250-1550°C until a moisture content of not more than 1 wt.%.

Для получения порошка нефтяной кокс с влажностью не более 1 мас.% измельчают до размера частиц 0,055-0,075 мм.To obtain a powder, petroleum coke with a moisture content of not more than 1 wt.% is crushed to a particle size of 0.055-0.075 mm.

С позиции закона сродства структур материалов модификатор по своему химическому составу должен быть близок к химическому составу битума. С позиции улучшения свойств модификатор должен обладать сходными размерами с теми компонентами битума, которые в наибольшей степени определяют его свойства. Нами было обнаружено, что материалом, удовлетворяющим этим требованиям, является кокс.From the standpoint of the law of affinity of the structures of materials, the modifier in its chemical composition should be close to the chemical composition of bitumen. From the standpoint of improving properties, the modifier should have similar dimensions to those bitumen components that determine its properties to the greatest extent. We have found that the material that meets these requirements is coke.

Технический результат заявленного изобретения заключается в следующем.The technical result of the claimed invention is as follows.

Введение кокса в битум дает стабильность поверхностного слоя на укладываемом дорожном покрытии, повышает вязкость, прочность, замедление процессов старения, на его поверхности формируется слой, образованный из масел и смол, а также заполняются пустоты и в целом повышаются эксплуатационные характеристики дорожного полотна. Позволяет достигнуть максимальной сдвигоустойчивости пластической текучести при низких температурах, обладает большей сопротивляемостью разрушающей нагрузке. Также использование нефтяного кокса с размером частиц 0,055-0,075 мм в качестве модификатора битума позволяет уменьшить количество минерального порошка в составе асфальтобетонной смеси без ухудшения свойств получаемого асфальтобетонного покрытия.The introduction of coke into bitumen gives the stability of the surface layer on the pavement being laid, increases viscosity, strength, slows down the aging process, a layer formed from oils and resins is formed on its surface, and voids are also filled and, in general, the performance of the roadway is increased. Allows you to achieve maximum shear resistance of plastic flow at low temperatures, has a greater resistance to breaking load. Also, the use of petroleum coke with a particle size of 0.055-0.075 mm as a bitumen modifier makes it possible to reduce the amount of mineral powder in the composition of the asphalt concrete mixture without deteriorating the properties of the resulting asphalt concrete pavement.

Влияние кокса на модифицируемую среду зависит от размера, формы, свойств поверхности и наличия на ней функциональных групп. Методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что структурными элементами частиц углерода в коксе, являются плоские кристаллические решетки. Они состоят из шестичленных углеродных циклов (аналогичных бензольным по расположению углеродных атомов). Атомы углерода образуют слои сконденсированных кольцеобразных систем с межатомным расстоянием 0,142 нм. Эти слои (решетки) располагаются параллельно на строго определенном расстоянии, равном 0,365 нм. Частицы углерода, преобладающие в коксе, состоят из отдельных первичных образований - кристаллитов.The influence of coke on the medium being modified depends on the size, shape, properties of the surface and the presence of functional groups on it. It has been established by X-ray diffraction that the structural elements of carbon particles in coke are flat crystal lattices. They consist of six-membered carbon cycles (similar to benzene in the arrangement of carbon atoms). Carbon atoms form layers of condensed ring-like systems with an interatomic distance of 0.142 nm. These layers (lattices) are arranged in parallel at a strictly defined distance equal to 0.365 nm. The carbon particles prevailing in coke consist of separate primary formations - crystallites.

Таким образом, частицы углерода в коксе обладают размерностью, относительно близкой к размерам асфальтенов. Частицы углерода представляют собой сферические глобулы и обладают большой удельной поверхностью.Thus, carbon particles in coke have a dimension relatively close to that of asphaltenes. Carbon particles are spherical globules and have a large specific surface area.

Между асфальтенами и углеродом в коксе существует генетическая связь. При переходе от масел к смолам и асфальтенам увеличивается количество конденсированных циклов, гетероатомов. Поэтому при смешивании частиц углерода, находящегося в коксе с битумом, на его поверхности формируется слой, образованный из масел и смол, образуя структуру в виде «ежа», а также заполняются пустоты. Результатом является перераспределение компонентов битума между молекулярными структурами и образование новых ассоциатов. Образование дополнительных дисперсных частиц усиливает матрицу материала, повышаются вязкость и прочность. Кроме того, связывая легкие компоненты битума, кокс замедляет процессы старения.There is a genetic link between asphaltenes and carbon in coke. When moving from oils to resins and asphaltenes, the number of condensed cycles, heteroatoms, increases. Therefore, when mixing particles of carbon in coke with bitumen, a layer formed from oils and resins is formed on its surface, forming a structure in the form of a “hedgehog”, and voids are also filled. The result is a redistribution of bitumen components between molecular structures and the formation of new associates. The formation of additional dispersed particles strengthens the matrix of the material, increases the viscosity and strength. In addition, by binding the light components of bitumen, coke slows down the aging process.

Экспериментально было установлено, что введение в битум нефтяного кокса с размером частиц 0,055-0,075 мм в количестве 5-15 мас.% от суммарной массы битума и кокса улучшает качественные показатели получаемого битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси.It was experimentally found that the introduction of petroleum coke with a particle size of 0.055-0.075 mm into bitumen in an amount of 5-15 wt.% of the total mass of bitumen and coke improves the quality indicators of the resulting bituminous binder and asphalt concrete mixture.

Это позволяет перевести максимальное количество объемного битума в состояние «тонких пленок», повысить его вязкость и прочность.This allows you to transfer the maximum amount of bulk bitumen to the state of "thin films", increase its viscosity and strength.

Изобретение используется для создания новых модифицированных вяжущих на основе битума с улучшенными свойствами для изготовления асфальтобетонных смесей. Битумные композиции с добавлением кокса согласно предложенному изобретению могут быть добавлены в стандартные асфальтобетонные смеси, такие, как описаны в ГОСТ 9128-84, однако при этом могут не использоваться минеральные порошки.The invention is used to create new modified binders based on bitumen with improved properties for the manufacture of asphalt mixtures. Bituminous compositions with the addition of coke according to the proposed invention can be added to standard asphalt mixes, such as those described in GOST 9128-84, however, mineral powders may not be used.

Для осуществления изобретения могут применяться вязкие нефтяные дорожные битумы, например, марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 70/100, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130, жидкие битумы, кровельных марок и т.п., однако данный список не является исчерпывающим.For the implementation of the invention can be used viscous oil road bitumen, for example, grades BND 40/60, BND 60/90, BND 70/100, BND 90/130, BN 60/90, BN 90/130, liquid bitumen, roofing grades, etc. .p., but this list is not exhaustive.

Для получения порошка нефтяной кокс подвергают предварительной термообработки при температуре 250-1550°С до достижения им влажности не более 1 мас.%. с последующим его измельчением до размера частиц 0,055-0,075 мм.To obtain a powder, petroleum coke is subjected to preliminary heat treatment at a temperature of 250-1550°C until it reaches a moisture content of not more than 1 wt.%. with its subsequent grinding to a particle size of 0.055-0.075 mm.

Термообработка может осуществляться при любых температурах в заявленном диапазоне, ее целью является понижение влажности кокса до значений не превышающих 1 мас.%.Heat treatment can be carried out at any temperature in the stated range, its purpose is to reduce the moisture content of the coke to values not exceeding 1 wt.%.

Это целесообразно для осуществления процесса измельчения кокса до размера частиц 0,055-0,075 мм, указанный помол нефтяного кокса обеспечивает более легкое и однородное перемешивание с битумным вяжущим и большее наполнение (структурирование).This is expedient for carrying out the process of grinding coke to a particle size of 0.055-0.075 mm, the specified grinding of petroleum coke provides easier and more uniform mixing with bituminous binder and greater filling (structuring).

Выбор указанного диапазона размера частиц обусловлен техническими требованиями для минеральных порошков ГОСТ 32761-2014 и позволяет рассматривать возможность замены органоминеральных компонентов в битумном вяжущем для асфальтобетонных смесей на порошок из нефтяного кокса.The choice of the specified particle size range is due to the technical requirements for mineral powders GOST 32761-2014 and allows us to consider the possibility of replacing the organo-mineral components in the bituminous binder for asphalt concrete mixtures with petroleum coke powder.

Осуществление изобретения поясняется следующими примерами.The implementation of the invention is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Для приготовления 1 тонны битумного вяжущего используют 140 кг порошка нефтяного кокса с размером частиц 0,055-0,063 мм и 860 кг битума. В составе данной смеси количество порошка кокса составляет 14 мас.% от суммарной массы кокса и битума. В составе асфальтобетонных смесях указанную композицию модифицированного битума (битум совместно с порошком нефтяного кокса) используют, ориентируясь на содержание битума в асфальтобетонным смесях согласно требованиям ГОСТ Р 58406.2-2020.To prepare 1 ton of bituminous binder, 140 kg of petroleum coke powder with a particle size of 0.055-0.063 mm and 860 kg of bitumen are used. In the composition of this mixture, the amount of coke powder is 14 wt.% of the total mass of coke and bitumen. In the composition of asphalt concrete mixtures, the specified composition of modified bitumen (bitumen together with petroleum coke powder) is used, focusing on the bitumen content in asphalt concrete mixtures in accordance with the requirements of GOST R 58406.2-2020.

Пример 2.Example 2

Для приготовления 1 тонны битумного вяжущего используют 60 кг порошка нефтяного кокса с размером частиц 0,063-0,075 мм и 940 кг битума. В составе данной смеси количество порошка кокса составляет 6 мас.% от суммарной массы кокса и битума. В составе асфальтобетонных смесях указанную композицию модифицированного битума (битум совместно с порошком нефтяного кокса) используют, ориентируясь на содержание битума в асфальтобетонным смесях согласно требованиям ГОСТ_32058-2013.To prepare 1 ton of bituminous binder, 60 kg of petroleum coke powder with a particle size of 0.063-0.075 mm and 940 kg of bitumen are used. As part of this mixture, the amount of coke powder is 6 wt.% of the total mass of coke and bitumen. In the composition of asphalt concrete mixtures, the specified composition of modified bitumen (bitumen together with petroleum coke powder) is used, focusing on the content of bitumen in asphalt mixtures in accordance with the requirements of GOST_32058-2013.

Пример 3.Example 3

Для приготовления 1 тонны битумного вяжущего используют 100 кг порошка нефтяного кокса с размером частиц 0,060-0,070 мм и 900 кг битума. В составе данной смеси количество порошка кокса составляет 10 мас.% от суммарной массы кокса и битума. В составе асфальтобетонных смесях указанную композицию модифицированного битума (битум совместно с порошком нефтяного кокса) используют, ориентируясь на содержание битума в асфальтобетонным смесях согласно требованиям ГОСТ Р 58406.10-20.To prepare 1 ton of bituminous binder, 100 kg of petroleum coke powder with a particle size of 0.060-0.070 mm and 900 kg of bitumen are used. In the composition of this mixture, the amount of coke powder is 10 wt.% of the total mass of coke and bitumen. In the composition of asphalt concrete mixtures, the specified composition of modified bitumen (bitumen together with petroleum coke powder) is used, focusing on the content of bitumen in asphalt mixtures in accordance with the requirements of GOST R 58406.10-20.

Для анализа свойств модифицированного битума для исследований был взят кокс электродный суммарный марки А.To analyze the properties of the modified bitumen for research, electrode coke total brand A was taken.

Данные по характеристикам кокса представлены в Таблице 1.Data on the characteristics of coke are presented in Table 1.

Таблица 1
Паспорт качества на кокс электродный суммарный, марка А
Table 1
Quality certificate for electrode coke total, grade A
Наименование показателяName of indicator Метод испытанияTest method ЗначениеMeaning Массовая доля общей влаги, %, не болееMass fraction of total moisture, %, no more ГОСТ 27588GOST 27588 12,312.3 Массовая доля летучих веществ, %, не болееMass fraction of volatile substances, %, no more ГОСТ 22898 п.4.9GOST 22898 p.4.9 7,87.8 Зольность, %, не болееAsh content, %, no more ГОСТ 22692GOST 22692 0,150.15 Массовая доля серы, %, не болееMass fraction of sulfur, %, no more ГОСТ 1437GOST 1437 1,401.40 Массовая доля мелочи с размером кусков менее *мм, % не болееMass fraction of fines with a size of pieces less than * mm,%, no more ГОСТ 22898 п.4.3GOST 22898 p.4.3 51,451.4 Массовая доля, % не более:
кремния;
железа;
ванадия
Mass fraction, % no more:
silicon;
gland;
vanadium
ГОСТ 22898 п.4.6GOST 22898 p.4.6 0,005
0,007
0,0214
0.005
0.007
0.0214

Влажность нефтяного кокса была доведена до значения не более 1%, а затем кокс был измельчен до мелкодисперсного состояния.The moisture content of petroleum coke was brought to a value of not more than 1%, and then the coke was crushed to a fine state.

Было исследовано влияние добавки мелкодисперсного кокса на свойства битумного вяжущего. В качестве битума использовался битум БНД 70/100.The influence of the addition of finely dispersed coke on the properties of the bituminous binder was studied. Bitumen BND 70/100 was used as bitumen.

Данные исследований приведены в Таблице 2.Research data are shown in Table 2.

Таблица 2
Свойства битумного вяжущего, полученного на основе битума БНД 70/100 с добавкой кокса
table 2
Properties of bituminous binder obtained on the basis of BND 70/100 bitumen with the addition of coke
Кол-во
вводимой
добавки
Qty
introduced
additives
Свойства модифицированного битумаProperties of modified bitumen
T разм, °С
по КиШ
T size, °С
according to kish
Пенетрация
при 25°С,
ед.
penetration
at 25°C,
units
Дуктильность,
см
ductility,
cm
Адгезия, в
баллах*
adhesion, in
points*
БНД 70/100BND 70/100 4646 8686 7878 22 +7+7 48,648.6 7979 7575 44 +10+10 50,1550.15 7676 6262 55 +14+14 63,463.4 5757 6060 44

* Расшифровка баллов при сцеплении вяжущего с поверхностью минерального материала для оценки адгезии:* Explanation of scores when bonding a binder to the surface of a mineral material to assess adhesion:

2 - «неудовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто менее 75% поверхности частиц гравия;2 - "unsatisfactory", less than 75% of the surface of the gravel particles is covered with a binder film;

3 - «удовлетворительно», пленкой вяжущего покрыто 75% поверхности частиц гравия;3 - “satisfactory”, 75% of the surface of gravel particles is covered with a binder film;

4 - «хорошо», пленкой вяжущего покрыто 90% поверхности частиц гравия;4 - “good”, 90% of the surface of gravel particles is covered with a binder film;

5 - пленкой вяжущего покрыто 95% поверхности частиц гравия.5 - 95% of the surface of the gravel particles is covered with a binder film.

Выбор процентного содержания кокса обусловлено следующими причинами.The choice of the percentage of coke is due to the following reasons.

С увеличением количества добавки, происходит увеличение температуры размягчения по КиШ, которая характеризует переход битума из упругопластичного состояния в вязкое.With an increase in the amount of additive, there is an increase in the softening temperature according to R&S, which characterizes the transition of bitumen from an elastic-plastic state to a viscous one.

Это связано с тем, что при введении добавки в битум смолы адсорбируются на поверхности частиц твердой добавки, в результате чего объем дисперсной фазы увеличивается и происходит загущение системы. Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, то есть текучести битумов, принимается условный показатель - глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.This is due to the fact that when the additive is introduced into bitumen, the resins are adsorbed on the surface of the particles of the solid additive, as a result of which the volume of the dispersed phase increases and the system thickens. To characterize the viscosity, more precisely, the magnitude of the reverse viscosity, that is, the fluidity of bitumen, a conditional indicator is adopted - the depth of penetration of the needle into bitumen (penetration). The higher the viscosity, the less penetration of the needle into the bitumen.

В нашем случае среда битумного вяжущего обедняется маслами, израсходованными на дополнительные сольватационные связи с введенными твердыми добавками, поэтому пенетрация, будучи параметром вязкости, начинает снижаться вследствие повышения вязкости всей системы. Дуктильность при 25°С характеризует степень структурированности вяжущего.In our case, the bituminous binder medium is depleted of oils used for additional solvation bonds with the introduced solid additives, therefore, penetration, being a viscosity parameter, begins to decrease due to an increase in the viscosity of the entire system. Ductility at 25°C characterizes the degree of structure of the binder.

Важным эксплуатационным свойством битумных вяжущих является адгезия к минеральным материалам. Адгезия - это межфазное взаимодействие, результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Результаты определения адгезии битумного вяжущего к минеральному материалу, свидетельствует о том, что при добавлении в битумное вяжущее кокса до 14 мас.% увеличивается его адгезия к минеральной части асфальтобетона.An important operational property of bituminous binders is adhesion to mineral materials. Adhesion is an interfacial interaction, the result of the system's desire to reduce the surface energy. The results of determining the adhesion of the bituminous binder to the mineral material indicate that when coke is added to the bituminous binder up to 14 wt.%, its adhesion to the mineral part of asphalt concrete increases.

Это может быть объяснено тем, что на поверхности частиц кокса имеются различные функциональные группы, такие как гидроксильные, карбонильные, хиноидные, способные улучшать адгезионные свойства материала.This can be explained by the fact that there are various functional groups on the surface of coke particles, such as hydroxyl, carbonyl, and quinoid groups, which can improve the adhesive properties of the material.

Использование порошка кокса в количестве до 5 мас.% не дает видимого эффекта. Количество кокса более 14 мас.% не является рентабельным с экономической точки зрения, а также может привести к ухудшению некоторых показателей вяжущего.The use of coke powder in an amount of up to 5 wt.% does not give a visible effect. The amount of coke more than 14 wt.% is not cost-effective from an economic point of view, and may also lead to deterioration of some indicators of the binder.

Уменьшается полярность асфальтенов, ослабляются внутримолекулярные водородные связи, чем нарушают гетерогенную структуру вяжущего, уменьшается плотность межмолекулярных водородных (ассоциативных) связей, которые в данном случае отвечают за адгезию к минеральному материалу. В конечном итоге способствует увеличению пластических деформаций и уменьшению коэффициента водостойкости, в том числе при длительном водонасыщении асфальтобетона.The polarity of asphaltenes decreases, intramolecular hydrogen bonds are weakened, which violates the heterogeneous structure of the binder, and the density of intermolecular hydrogen (associative) bonds decreases, which in this case are responsible for adhesion to the mineral material. Ultimately, it contributes to an increase in plastic deformations and a decrease in the water resistance coefficient, including during long-term water saturation of asphalt concrete.

Порошок из кокса обладает высоким структурирующим воздействием на битум. После взаимодействия с порошком кокса в битуме снижается количество масел, повышается количество асфальтенов, т.е. битум переходит в состояние тонких пленок, характеризуемое повышенной вязкостью и прочностью вяжущего. В процессе данного взаимодействия происходит образование хемосорбционных соединений, которые положительно влияют на прочностные характеристики асфальтовых вяжущих веществ.Coke powder has a high structuring effect on bitumen. After interaction with coke powder in bitumen, the amount of oils decreases, the amount of asphaltenes increases, i.e. bitumen passes into the state of thin films, characterized by increased viscosity and strength of the binder. In the process of this interaction, the formation of chemisorption compounds occurs, which positively affect the strength characteristics of asphalt binders.

Установлено, что вяжущие вещества, полученные с применением порошка из нефтяного кокса, обладают развитым рельефом поверхности с высокой микрошероховатостью. Благодаря этому происходит увеличение не только прочностных характеристик асфальтобетонных образцов, но и повышение показателей коррозионной устойчивости - водостойкости при длительном водонасыщении и морозостойкости асфальтобетонов, что положительно скажется на долговечности асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации.It has been established that binders obtained using petroleum coke powder have a developed surface relief with high microroughness. Due to this, there is an increase not only in the strength characteristics of asphalt concrete samples, but also an increase in corrosion resistance - water resistance during prolonged water saturation and frost resistance of asphalt concrete, which will positively affect the durability of asphalt concrete pavements during operation.

Выявлено, что в результате процессов адсорбции низкомолекулярной части битума зернами углерода кокса и последующим ее «выпотеванием» на поверхность зерен, наблюдается замедление процессов старения вяжущего в асфальтобетоне, благодаря чему ожидается продление срока эксплуатации покрытий автомобильных дорог без необходимости проведения ремонта.It was found that as a result of the adsorption of the low molecular weight part of bitumen by coke carbon grains and its subsequent "sweating" on the surface of the grains, there is a slowdown in the aging of the binder in asphalt concrete, due to which it is expected to extend the life of road pavements without the need for repairs.

Claims (5)

1. Применение порошка нефтяного кокса с размером частиц 0,055-0,075 мм в качестве модификатора битума в количестве 5-15% от суммарной массы порошка нефтяного кокса и битума в составе асфальтобетонной смеси.1. The use of petroleum coke powder with a particle size of 0.055-0.075 mm as a bitumen modifier in an amount of 5-15% of the total mass of petroleum coke powder and bitumen in the composition of the asphalt concrete mixture. 2. Применение по п.1, отличающееся тем, что порошок нефтяного кокса используют в количестве 6-12% от суммарной массы порошка нефтяного кокса и битума в составе асфальтобетонной смеси.2. Use according to claim 1, characterized in that petroleum coke powder is used in an amount of 6-12% of the total mass of petroleum coke powder and bitumen in the composition of the asphalt concrete mixture. 3. Применение по п.1, отличающееся тем, что порошок нефтяного кокса используют в количестве 10% от суммарной массы порошка нефтяного кокса и битума в составе асфальтобетонной смеси.3. The use according to claim 1, characterized in that the powder of petroleum coke is used in an amount of 10% of the total mass of powder of petroleum coke and bitumen in the composition of the asphalt mixture. 4. Применение по п.1, отличающееся тем, что нефтяной кокс предварительно подвергают термообработке при температуре 250-1550°С до достижения им влажности не более 1 мас.%.4. Application according to claim 1, characterized in that the petroleum coke is preliminarily subjected to heat treatment at a temperature of 250-1550°C until it reaches a moisture content of not more than 1 wt.%. 5. Применение по п.4, отличающееся тем, что нефтяной кокс с влажностью не более 1 мас.% измельчают до размера частиц 0,055-0,075 мм.5. Use according to claim 4, characterized in that petroleum coke with a moisture content of not more than 1 wt.% is crushed to a particle size of 0.055-0.075 mm.
RU2021126883A 2021-09-13 2021-09-13 Use of petroleum coke as a bitumen modifier RU2769049C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021126883A RU2769049C1 (en) 2021-09-13 2021-09-13 Use of petroleum coke as a bitumen modifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021126883A RU2769049C1 (en) 2021-09-13 2021-09-13 Use of petroleum coke as a bitumen modifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769049C1 true RU2769049C1 (en) 2022-03-28

Family

ID=81075849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021126883A RU2769049C1 (en) 2021-09-13 2021-09-13 Use of petroleum coke as a bitumen modifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769049C1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU798069A1 (en) * 1979-03-21 1981-01-23 Сибирский Филиал Всесоюзногоордена Трудового Красного Знаменинаучно-Исследовательского Инсти-Тута Гидротехники Им. Б.E. Веде-Heeba Bituminous mineral mixture
WO2002062898A1 (en) * 2001-02-08 2002-08-15 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for joining solid-state compositions
RU2572123C2 (en) * 2014-03-25 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for obtaining nanodisperse ferromagnetic material
CN109081335A (en) * 2018-08-27 2018-12-25 河北博翔特种石墨有限公司 A kind of preparation method of 800~1000mm of φ monocrystalline silicon CZ furnace thermal field graphite material
CN105958072B (en) * 2016-06-20 2019-02-05 傅云峰 A kind of preparation method of natural flake graphite base negative electrode material
RU2748791C1 (en) * 2020-11-18 2021-05-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Modifier of asphalt-concrete mixture and method for its preparation
RU2753763C1 (en) * 2020-11-18 2021-08-23 Общество с ограниченной ответственностью "Транзитсервисресурс" (ООО "Транзитсервисресурс") Use of coke as a bitumen modifier
RU2754902C1 (en) * 2020-10-21 2021-09-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Petroleum coke for an asphalt concrete mixture

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU798069A1 (en) * 1979-03-21 1981-01-23 Сибирский Филиал Всесоюзногоордена Трудового Красного Знаменинаучно-Исследовательского Инсти-Тута Гидротехники Им. Б.E. Веде-Heeba Bituminous mineral mixture
WO2002062898A1 (en) * 2001-02-08 2002-08-15 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for joining solid-state compositions
RU2572123C2 (en) * 2014-03-25 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for obtaining nanodisperse ferromagnetic material
CN105958072B (en) * 2016-06-20 2019-02-05 傅云峰 A kind of preparation method of natural flake graphite base negative electrode material
CN109081335A (en) * 2018-08-27 2018-12-25 河北博翔特种石墨有限公司 A kind of preparation method of 800~1000mm of φ monocrystalline silicon CZ furnace thermal field graphite material
RU2754902C1 (en) * 2020-10-21 2021-09-08 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Petroleum coke for an asphalt concrete mixture
RU2748791C1 (en) * 2020-11-18 2021-05-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Modifier of asphalt-concrete mixture and method for its preparation
RU2753763C1 (en) * 2020-11-18 2021-08-23 Общество с ограниченной ответственностью "Транзитсервисресурс" (ООО "Транзитсервисресурс") Use of coke as a bitumen modifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Colonna et al. Application of bottom ash for pavement binder course
US20060243170A1 (en) Recycling of asphaltic concrete
CA2902610A1 (en) Enhancing properties of sulfur extended asphalt using polyethylene wax
RU2753763C1 (en) Use of coke as a bitumen modifier
Joni et al. Properties of modified asphalt mixtures with additives of fillers materials
WO2023014236A1 (en) Hot asphalt mixture recipe containing used surgical masks
RU2769049C1 (en) Use of petroleum coke as a bitumen modifier
Bautista Experimental evaluation of the effect of coal combustion products on constructability, damage and aging resistance of asphalt mastics
RU2435743C1 (en) Rubberised vibro cast asphalt mix
RU2740062C1 (en) Rubber composite material and method for production thereof
RU2196750C1 (en) Asphalt concrete mix
JP2005048001A (en) Asphalt mixture
Suganpriya et al. Study of behaviour of bitumen modified with crumb rubber
Abdulwahab et al. PALM KERNEL SHELL AS PARTIAL REPLACEMENT FOR FINE AGGREGATE IN ASPHALT
KR100640029B1 (en) Recycled superior hot mix asphalt for paving road
Fontes et al. Performance of wet process method alternatives: terminal or continuous blend
US2629669A (en) Cold-rollable paving mix
US1894630A (en) Process of making bituminous material
Tripathi et al. Optimization of Different Anti Stripping Agents in Construction of Flexible Pavement
Raza et al. Influence of Marble Dust Filler on Marshal Properties of Hot Mix Asphalt
Aljbouri et al. The Effect of Nano-Hydrated Lime on the Durability of Hot Mix Asphalt
Syzdykova et al. Features of using modified bitumen in road construction
Cloutier The effective use of Coal Combustion Products (CCPs) in asphalt pavements
RU2806325C1 (en) Method for producing masted asphalt concrete mixture based on carbon-bitumen composition and heavy oil residues
Sentosa et al. Stiffness Modulus of Warm Mix asphalt (WMA) Using Asbuton and Synthetic Zeolite Additives