Получение вяжущих для дорожного строительства на основе нефтяных остатков и ископаемых углей

В связи с образованием в стране дорожных фондов и изменением системы финансирования в перспективе дорожной отрасли ожидается увеличение объемов работ по строительству, ремонту и содержанию автомобильных дорог и как следствие рост потребности дорожно-строительных материалов, в том числе и нефтяных битумов.

В настоящее время большая часть выпускаемых дорожных битумов по своим свойствам не соответствует изменившимся условиям эксплуатации дорог и во многом является причиной недолговечности асфальтобетонных покрытий. Низкое качество дорожного битума, производимого в России, связано с тем, что российские нефтеперерабатывающие заводы (далее – НПЗ) перерабатывают легкие западносибирские нефти с высоким содержанием светлых продуктов – до 60%, производство которых и определяют экономику НПЗ. Светлые продукты в 4 раза дороже битумов, а повышение качества выпускаемого дорожного битума связано с дополнительными затратами при низком экономическом эффекте. В связи с огромной территорией России и неравномерным размещением на ней нефтеперерабатывающих предприятий (между Ангарском и Хабаровском нет ни одного НПЗ) транспортные расходы составляют значительную долю в стоимости битумов, и без того являющихся наиболее дорогой составляющей в цене готового асфальтобетонного покрытия. Кроме того, по данным СМИ, пик добычи нефти в России уже пройден, и сейчас начинается падение. По различным оценкам, экономически рентабельное производство нефти в России может продлиться еще около 15–20 лет при современном уровне добычи. В настоящее время задачи исследований в дорожной отрасли – изыскание возможностей экономии нефтяных битумов, замена их альтернативными органическими вяжущими.

Из-за недостаточного количества нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства, и с целью улучшения свойств битумов проводятся работы по разработке и внедрению разного рода модифицирующих компонентов в битум.

Наиболее распространенным способом улучшения качественных и эксплуатационных характеристик битумов является модификация добавками термопластичных полимеров, каучуков, а также блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирола (СБС). Полимербитумные вяжущие характеризуются высоким показателем интервала пластичности, но при длительном хранении они теряют свои свойства. Также производство качественного модифицированного полимером битума – чрезвычайно сложный технологический процесс, который значительно удорожает и усложняет процесс приготовления асфальтобетонной смеси.

Для улучшения реологических свойств битумов во многих странах в качестве модификаторов активно используется резиновая крошка, полученная путем переработки изношенных шин. Эффективность использования резиновой крошки определяется ее более низкой стоимостью по сравнению с дающими аналогичный эффект синтетическими каучуками, а утилизация изношенных автомобильных шин решает актуальную экологическую проблему. Резинобитумные вяжущие отличаются более широким интервалом пластичности и высокими показателями деформативно-сти, но их широкое применение ограничивается трудностью обеспечения однородности получаемых вяжущих [1].

Модификация битумов различными добавками поверхностно-активных веществ осуществляется с целью улучшения их адгезионных свойств, следовательно, повышения водостойкости асфальтобетонов и продления сроков службы покрытий. Выбор добавки должен производиться с учетом природы минерального материала [2].

Другим перспективным направлением модификации дорожных битумов является производство серобитумных вяжущих. В основу технологии положен принцип получения активированного коллоидного раствора сера-битум, устойчивого при хранении, переплавке, перевозке и используемого в производстве, так же как и обычный дорожный битум.

Исследователями накоплен значительный опыт по установлению влияния добавки отхода технического углерода на свойства битума, его структуру и процесс старения. Введение добавки практически не меняет групповой состав битума, при этом увеличивает интервал пластичности, сохраняет структуру битума при старении и препятствует образованию асфальтенов [1].

Во всех этих процессах требуется прежде всего качественный битум. Кроме того, разнообразие нефтей и получаемое из них битумное сырье неоднородное, низкодисперсное и нестабильное в процессе получения битума. Безусловно, решением вопроса является облагораживание битумного продукта с применением стабильного углеводородного сырья .

К перспективному для Республики Бурятия направлению в области производства органических вяжущих материалов относится термопластификация, или терморастворение ископаемых углей, мировые запасы которых значительно больше, чем нефти и газа. Учитывая, что увеличение стоимости нефти в стране и истощение ее наиболее богатых источников идет быстрыми темпами, вопрос расширения области использования углей весьма актуален.

По данным Министерства природных ресурсов Республики Бурятия, балансовых запасов 10 месторождений бурого и 4 месторождений каменного угля хватит на сотни лет для обеспечения потребностей топливно-энергетического комплекса Бурятии. В настоящее время особенно интенсивно разрабатываются Окино-Ключевское, Тугнуйское, Гусиноозерское, Сангинское, Дабан-Горхонское месторождения. Общий объем балансовых запасов - 2,4 млрд. т [3].

Переработка углей предполагает в значительной мере сокращение необходимости в дальнепривозных вяжущих для дорожного строительства, а также имеет особое значение в проблеме применения местных материалов.

Битум является важнейшим компонентом асфальтобетона - наиболее распространенного материала, используемого для устройства конструктивных слоев дорожных и аэродромных одежд. Известно, что по химическому составу битумы состоят в основном из смол, масел и асфальтенов и с точки зрения физико-химической механики дисперсных систем представляют собой сложную коллоидную систему, или коллоидный раствор асфальтенов и ассоциированных с ними высокомолекулярных смол в среде, образованной маслами и низкомолекулярными смолами [4]. Качество битума зависит от двух основных факторов: исходного сырья и технологии производства. При получении битума на российских НПЗ имеет место неконтролируемый разброс показателей качества, поступающего на переработку сырья, а именно колебание состава парафино-ароматических углеводородов, асфальтенов и смол, которые оказывают существенное влияние на качество получаемых продуктов. Для того чтобы скоррелировать показатели качества сырья, необходимо предусмотреть введение тех составляющих, которых недостаточно в перерабатываемом сырье.

Перспективным сырьем для облагораживания сырьевого продукта, поступающего на производство битума, являются бурые угли. Один из вариантов покрытия дефицитного сырья - получение дорожного битума на основе термического растворения угля .

Термическое растворение представляет собой мягкую форму химического преобразования угля. При взаимодействии с растворителем - донором водорода, часть органического вещества угля переходит в раствор и после отделения твердого остатка обычно представляет собой высоко- кипящий экстракт угля, освобожденный от минеральных веществ, серо -, кислород- и азотсодержащих соединений и других нежелательных примесей. Известно, что нефтяные остатки содержат гидроароматические и ароматические фрагменты, которые обеспечивают совместимость нефтяных остатков с углем и исполняют роль переносчика водорода. Гидроароматические части нефтяных остатков служат донорами водорода. Содержание асфальтенов, богатых этими фрагментами, служит критерием пригодности нефтяного остатка как растворителя для угля [5].

Исследования процесса термического растворения угля в целях получения дорожного битума проводились в лаборатории НПО «Катализ» (г. Ангарск) с использованием углей двух месторождений Республики Бурятия – Окино-Ключевского и Дабан-Горхонского. До проведения экспериментов выполнены технический и элементный анализы углей, а также определен химический состав золы.

Результаты технического и элементного анализов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты технического и элементного анализа углей