Получение дорожной битумной композиции с улучшенными низкотемпературными характеристиками Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК ПНИПУ

2016 Химическая технология и биотехнология № 3

DOI: 10.15593/2224-9400/2016.3.09 УДК 665.637.8

В.Г. Рябов, А.С. Ширкунов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

В.М. Шуверов

Москва, Россия

ПОЛУЧЕНИЕ ДОРОЖНОЙ БИТУМНОЙ КОМПОЗИЦИИ С УЛУЧШЕННЫМИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Стремительный рост автомобильного парка страны за последние годы приводит к усилению негативного воздействия со стороны последнего на дорожное полотно. С целью обеспечения нормативного срока службы автомобильных дорог государство ужесточает требования как к используемым в их строительстве асфальтобетонам, так и применяемым при изготовлении последних дорожным битумным вяжущим. Введенный в 2014 г. новый стандарт ГОСТ 33133 на битумы нефтяные дорожные вязкие, отличающийся от предыдущих норм повышенными требованиями по целому ряду характеристик, является следствием данной тенденции.

Существенного повышения качественных характеристик выпускаемых нефтяных дорожных вяжущих можно достичь за счет компаундирования окисленных и неокисленных тяжелых продуктов нефтепереработки и нефтехимического синтеза.

Именно поэтому данная работа была направлена на исследование возможности получения высококачественных дорожных битумов компаундированием окисленных битумов с тяжелым газойлем каталитического крекинга (ТГКК).

В ходе исследований были проанализированы характеристики ряда битумных композиций на базе данных компонентов с содержанием ТГКК до 7 мас. %. Было выявлено, что увеличение концентрации ТГКК в композиции существенно увеличивает ее пластичность и растяжимость, улучшаются также и низкотемпературные свойства. Однако в связи с тем, что при высоком его содержании в компаунде ухудшается стабильность против старения, повышение концентрации ТГКК в битумной композиции выше 5-6 мас. % нежелательно.

Параметры качества исследованных композиций полностью удовлетворяют не только требованиям ГОСТ 22245-90 на основ-

ные марки, но и современному стандарту ГОСТ 33133—2014 на марки БНД 70/100 и БНД100/130, находящие наибольшее применение при изготовлении асфальтобетона в РФ. Причем низкотемпературные характеристики (в частности, пенетрация при 0°С и температура хрупкости) удовлетворяют нормам обоих стандартов с существенным запасом.

Ключевые слова: дорожный битум, компаундированный битум, низкотемпературные свойства, тяжелый газойль каталитического крекинга, битумная композиция.

V.G. Ryabov, A.S. Shirkunov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

V.M. Shuverov

Moscow, Russian Federation

PRODUCTION OF PAVING GRADE BITUMEN COMPOSITION WITH IMPROVED LOW TEMPERATURE PROPERTIES

The rapid growth of the number of vehicles in Russian Federation in recent years leads to increased negative impact on the top layer of the road. In order to ensure the required highways service duration the state tightens the requirements for asphalt concrete and paving grade bitumen binder. The new standard GOST 33133 on paving grade bitumen, which was introduced in 2014 and differs from previous standard in high demands on a number of characteristics is a consequence of this trend.

A significant improvement in the road binders characteristics can be achieved by compounding of oxidized and non-oxidized heavy products of oil refining and petrochemical synthesis.

The main goal of present study is to investigate the possibility of obtaining high-quality road bitumen by compounding of oxidized bitumen with catalytic cracking heavy gasoil (CCHG).

Properties of a number of bitumen compositions derived from these components with CCHG content up to 7 wt.% were analyzed. It was found that increasing the concentration CCHG in composition substantially increases its plasticity and ductility, low-temperature properties are also improved. However, due to the fact that high content of CCHG in the compound degrades stability against aging, increase of CCHG concentration in bituminous composition above 5-6 wt. % is undesirable.

Quality of compositions in study fully meet not only the requirements of GOST 22245-90 for the major grades, but also the modern GOST 33133-2014 standard for BND 70/100 and BND 100/130 grades, which finds the widest application in the manufacture of asphalt

concrete in the Russian Federation. Moreover, low-temperature characteristics (in particular, the penetration at 0 °C and Fraas breaking point) meet the requirements of both standards with considerable margin.

Keywords: paving grade bitumen, compounded bitumen, low temperature properties, catalytic cracking heavy gasoil, bitumen composition.

Существенный рост за последние годы автомобильного парка страны и особенно количества большегрузного транспорта с повышенной осевой нагрузкой приводит к усилению негативного воздействия со стороны последнего на дорожное полотно. С целью снижения такого воздействия или его полного исключения государство ужесточает требования как к используемым в строительстве дорог асфальтобетонам, так и применяемым при изготовлении последних битумным вяжущим. В частности, для дорожных битумов сформирован новый стандарт ГОСТ 33133 с повышенными требованиями по целому ряду характеристик, причем данный стандарт будет обязателен к использованию уже с сентября 2016 г.

Существенного повышения качественных характеристик выпускаемых нефтяных дорожных вяжущих можно достичь за счет компаундирования окисленных и неокисленных тяжелых продуктов нефтепереработки и нефтехимического синтеза. Это направление получило свое подтверждение в целом ряде работ [1-10].

Однако в связи с выполнением задачи повышения глубины переработки нефти и использованием практически всех имеющихся на заводе остаточных продуктов переработки нефти на установках крекинга или коксования, существенно сокращается сырьевая база для улучшения качественных показателей дорожных битумов. Особенно остро эта проблема встает на предприятиях, перерабатывающих нефть по топливному варианту, так как на заводах, работающих по топливно-масляному варианту, всегда имеется более широкий выбор высококипящих нефтепродуктов для выпуска компаундированных (окисленно-остаточных) дорожных вяжущих. Именно с подбором рецептуры компаундированных дорожных битумов при ограниченном выборе неокисленных составляющих и связаны данные исследования.

В качестве основных компонентов, на основе которых проводился подбор оптимального состава битумной композиции, выступали окисленные битумы с различной температурой размягчения и тяжелый

газойль каталитического крекинга (ТГКК). Характеристики указанных продуктов приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Фракционный состав тяжелого газойля каталитического крекинга

Температура кипения, °С Доля выкипевшего нефтепродукта, об.% Температура кипения, °С Доля выкипевшего нефтепродукта, об.%

236 Начало кипения 367 60

327 10 374 70

341 20 382 80

350 30 396 90

356 40 450 Конец кипения

360 50

Таблица 2

Показатели качества товарных окисленных битумов

Показатель Битум-1 Битум-2

Температура размягчения по КиШ, °С 48 51

Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм 89 61

Пенетрация при 0 °С, 0,1 мм 43 39

Дуктильность при 25 °С, см 128 88

Дуктильность при 0 °С, см 4,5 4,0

Температура хрупкости, °С -27 -25

После прогрева в тонком слое по ГОСТ 18180

Изменение массы, мас. % 0,0 0,0

Увеличение температуры размягчения по КиШ, °С 4 4

Остаточная пенетрация при 25 °С, % 82 85

Приготовление битумных композиций на основе окисленного битума и ТГКК проводили по следующей методике: предварительно нагревали исходный окисленный битум до 150 °С, вводили в него газойль в необходимом количестве и перемешивали в течение 30 мин лопастной мешалкой на песчаной бане при температуре 130-140 °С.

Для полученных компаундов определяли температуру размягчения по КиШ (ГОСТ 11506), пенетрацию при 25 и 0 °С (ГОСТ 11501), дуктильность при 25 и 0 °С (ГОСТ 11505), температуру хрупкости (ГОСТ 11507). Для всех образцов также выполняли испытание с прогревом в тонком слое по методу ГОСТ 18180 с последующим определением изменения массы, увеличения температуры размягчения по КиШ и остаточной пенетрации.

Результаты анализов исследуемых битумных композиций приведены в табл. 3. По данным табл. 3 видно, что путем введения в исходный окисленный битум тяжелого газойля каталитического крекинга удается получить весь спектр основных марок товарных дорожных битумов по ГОСТ 22245-90, а именно марки от БНД 60/90 до БНД 130/200. При этом содержание ТГКК в смеси необходимое для достижения нормируемого уровня пластичности достигает 5-7 мас.% (при использовании исходного Битума-2 с более высокой температурой размягчения требуемое количество ТГКК также выше).

Увеличение концентрации ТГКК в композиции существенно увеличивает ее пластичность и растяжимость, улучшаются также и низкотемпературные свойства. Однако из-за относительно низких температур выкипания газойля (по сравнению с гудроном или битумом), при высоком его содержании в компаунде ухудшается стабильность против старения - потеря легких фракций при прогреве в тонком слое приводит к возрастанию изменения массы и температуры размягчения, большему падению пластичности. По этой причине повышение концентрации ТГКК в битумной композиции выше 5-6 мас. % нежелательно.

Необходимо отметить, что температура вспышки использованного ТГКК в открытом тигле составляет 198 °С и его добавление в композицию должно ухудшать температуру вспышки получаемого битума (данный параметр нормируется ГОСТ 22245-90 не менее 230 °С). Однако в интервале исследованных концентраций тяжелого газойля в компаунде данного эффекта отмечено не было, и для всех исследованных композиций температура вспышки превышала 270 °С.

Полученные в ходе исследований результаты свидетельствуют о возможности получения на основе окисленного битума и тяжелого газойля каталитического крекинга высококачественных дорожных битумных вяжущих, полностью удовлетворяющих не только требованиям ГОСТ 22245-90 на основные марки, но и современному стандарту

Таблица 3

Показатели качества образцов компаундированных дорожных битумов

Содержание окисленного битума в смеси, мас.% Содержание тяжелого газойля каталитического крекинга в смеси, мас.% Марка битума по ГОСТ 22245-90 Температура размягчения по КиШ, °С Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм Пенетрация при 0 °С, 0,1 мм Дуктильность при 25 °С, см Дуктильность при 0 °С, см Температура хрупкости, °С Показатели после прогрева в тонком слое по ГОСТ 18180

Изменение массы, мас.% Увеличение температуры размягчения по КиШ, °С Остаточная пенетрация при 25 °С

Битумные композиции, полученные на основе Битума-1

100 - 60/90 48 89 43 128 4,5 -27 0,0 4 82

99 1 90/130 48 101 45 140 5,0 -28 0,0 4 79

97 3 90/130 45 124 52 >150 5,5 -30 -0,1 5 64

95 5 130/200 42 142 56 >150 6,0 -30 -0,2 6 60

94 6 130/200 40 157 59 >150 6,5 -30 -0,3 7 58

93 7 130/200 39 169 60 >150 6,5 -31 -0,3 7 57

Битумные композиции, полученные на основе Битума-2

100 - 60/90 51 61 39 88 4,0 -25 0,0 4 85

99 1 60/90 51 76 43 105 4,5 -27 0,0 4 78

Окончание табл. 3

Содержание окисленного битума в смеси, мас.% Содержание тяжелого газойля каталитического крекинга в смеси, мас.% Марка битума по ГОСТ 22245-90 Температура размягчения по КиШ, °С Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм Пенетрация при 0 °С, 0,1 мм Дуктильность при 25 °С, см Дуктильность при 0 °С, см Температура хрупкости, °С Показатели после прогрева в тонком слое по ГОСТ 18180

Изменение массы, мас.% Увеличение температуры размягчения по КиШ, °С Остаточная пенетрация при 25 °С

97 3 90/130 48 106 46 119 4,5 -29 -од 5 60

95 5 90/130 46 122 52 135 5,0 -30 -од 5 57

94 6 130/200 45 131 54 139 5,0 -30 -0,2 6 55

93 7 130/200 44 136 57 147 5,5 -30 -0,2 7 56

Требования ГОСТ 22245-90 на битум марки

БНД 60/90 >47 61-90 >20 >55 >3,5 <-15 - <5 -

БНД 90/130 >43 91-130 >28 >65 >4,0 <-17 - <5 -

БНД 130/200 >40 131-200 >35 >70 >6,0 <-18 - <6 -

Требования ГОСТ 33133-2014 на битум марки

БНД 70/100 >47 71-100 >21 >62 >3,7 <-18 <±0,6 <7 -

БНД 100/130 >45 101-130 >30 >70 >4,0 <-20 <±0,7 <7 -

ГОСТ 33133-2014 на марки БНД 70/100 и БНД 100/130, находящие наибольшее применение при изготовлении асфальтобетона в РФ. Причем низкотемпературные характеристики (в частности, пенетрация при 0 °С и температура хрупкости) удовлетворяют нормам обоих стандартов с существенным запасом.

Таким образом, введение в окисленный битум тяжелого газойля каталитического крекинга позволяет обеспечить получение дорожных битумов нового поколения с улучшенными низкотемпературными свойствами и тем самым дает возможность улучшить характеристики производимых с их применением асфальтобетонов, а значит, и долговечность дорожного покрытия.

Список литературы

1. Дорожные битумы ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсин-тез» - результат инновационного сотрудничества производства и науки / Р.Г. Теляшев, А.Н. Обрывалина, И.Г. Накипова, Г.Г. Васильев, А.Н. Осьмушников // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. - 2011. - № 12. - С. 27-30.

2. Рябов В.Г., Ширкунов А.С. Компаундирование окисленных и неокисленных продуктов переработки нефти - перспективный способ улучшения характеристик дорожных битумов // Химия и технология топлив и масел. - 2011. - № 3. - С. 11-14.

3. Гуреев А. А., Быстров Н.В. Дорожные битумы - вчера, сегодня, завтра // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. - 2013. - № 5. - С. 3-6.

4. Джумаева О., Солодова Н.Л., Емельянычева Е.А. Основные тенденции производства битумов в России // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - № 20. - С. 132-136.

5. Евдокимова Н.Г. Разработка научно-технологических основ производства современных битумных материалов как нефтяных дисперсных систем: дис. ... д-ра техн. наук: 05.17.07. - М., 2015. - 417 с.

6. Пат. 2476580 Рос. Федерация, МПК С10С 3/04. Способ получения битума / Котов С.В., Тыщенко В.А., Погуляйко В.А. [и др.]; -№ 2010104289/05, заявл. 08.02.2010, опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6. - 9 с.

7. Пат. 2552469 Рос. Федерация, МПК С10С 3/04, С08Ь 95/00. Способ получения битумов нефтяных дорожных асфальтитсодержа-щих / Гуреев А. А., Быстров Н.В., Симчук Е.Н. [и др.]; -№ 2014105859/05, заявл. 18.02.2014, опубл. 10.06.2015, Бюл. № 16. - 8 с.

8. Pat. 3019182 IPC Codes C08L-095/00, E01C-007/18. Composition of bases bituminizes for the manufacturing of bitumen including a residue [slurry] / Bolliet C., Vendrell G., Seguela M.; - № 2014FR-0052614, appl. date 27.03.2014, publ. date 02.10.2015.

9. Pat. 104629799 IPC Codes C08L-095/00, C10G-067/02. Method for producing high-grade road asphalt by blending catalytic slurry oil / She Xichun, You Zhouyi, Liu Chengli и др.; - № 2013CN-0572430, appl. date 13.11.2013, publ. date 20.05.2015.

10. Pat. 104592767 IPC Codes C08K-005/01, C08L-095/00, C10C-003/00. Method for producing heavy-duty road asphalt / Cai Zhi, Ling Hao, Wang Jun и др.; заявитель и патентообладатель China Petroleum & Chemical East China University Of Science & Technology. -№ 2013CN-0527029, appl. date 31.10.2013, publ. date 06.05.2015.

References

1. Telyashev R.G., Obryvalina A.N., Nakipova I.G., Vasilev G.G., Osmushnikov A.N. Dorozhnye bitumy OOO «LUKOIL-Nizhegorodnef-teorgsintez» - rezultat innovatsionnogo sotrudnichestva proizvodstva i nauki [Road bitumens of the LUKOIL-Nizhegorodnefteorgsintez Ltd.: a result of innovative manufacture and science cooperation]. Mir nefteproduk-tov. Vestnik neftyanykh kompanij, 2011, no. 12, pp. 27-30.

2. Ryabov V.G., Shirkunov A.S. Kompaundirovanie okislennykh i neokislennykh produktov pererabotki nefti - perspektivnyj sposob uluchsheniya kharakteristik dorozhnykh bitumov [Compounding of oxidized and nonoxidized products of petroleum processing - a promising method of improving the properties of road bitumens]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel, 2011, no. 3, pp. 11-14.

3. Gureev A.A., Bystrov N.V. Dorozhnye bitumy - vchera, segodnya, zavtra [Road bitumens - yesterday, today, tomorrow]. Neftepererabotka i neftekhimiya. Nauchno-tekhnicheskie dostizheniya i peredovoj opyt, 2013, no. 5, pp. 3-6.

4. Dzhumaeva O., Solodova N.L., Emelyanycheva E.A. Osnovnye tendentsii proizvodstva bitumov v Rossii [Main trends in production of bitumen in Russia]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2015, no. 20, pp. 132-136.

5. Evdokimova N.G. Razrabotka nauchno-tekhnologicheskikh osnov proizvodstva sovremennykh bitumnykh materialov kak neftyanykh dis-persnykh system [Development of scientific and technological foundation

for the production of modern bitumen materials as oil disperse systems]. Thesis of doctor's degree dissertation. Moscow, 2015. 417 р.

6. Kotov S.V., Tyshchenko V.A., Pogulyayko V.A. [et al.]. Sposob polucheniya bituma [Bitumen obtaining method]. Patent No. 2476580 RF. 2013.

7. Gureev A.A., Bystrov N.V., Simchuk E.N. [et al.]. Sposob polucheniya bitumov neftyanykh dorozhnykh asfaltitsoderzhashchikh [Method of producing asphaltite-containing road bitumen]. Patent No. 2552469 RF. 2015.

8. Bolliet C., Vendrell G., Seguela M. Composition of bases bitu-minizes for the manufacturing of bitumen including a residue [slurry]. Patent No. 3019182 FR. 2015.

9. She Xichun, You Zhouyi, Liu Chengli [et al.]. Method for producing high-grade road asphalt by blending catalytic slurry oil. Patent No. 104629799 CH. 2015.

10. Cai Zhi, Ling Hao, Wang Jun [et al.]. Method for producing heavy-duty road asphalt. Patent No. 104592767 CH. 2015.

Получено 05.09.2016

Об авторах

Рябов Валерий Германович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор, декан химико-технологического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: rvg@pstu.ru).

Ширкунов Антон Сергеевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры химических технологий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: ashirkunov@ rambler.ru).

Шуверов Владимир Михайлович (Москва, Россия) - кандидат технических наук, заслуженный изобретатель Российской Федерации (127051, г. Москва, 1-й Колобовский пер., 18; e-mail: rvg@pstu.ru).

About the authors

Valerij G. Ryabov (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of Chemical technology faculty, Perm National

Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: rvg@pstu.ru).

Anton S. Shirkunov (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Chemical technology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: ashirkunov@rambler.ru).

Vladimir M. Shuverov (Moscow, Russian Federation) - Ph.D. of Technical Sciences, Honored Inventor of Russian Federation (18, 1st Kolo-bovskiy str., Moscow, 127051, Russian Federation; e-mail: rvg@pstu.ru).