Каменноугольная смола представляет собой сложную смесь ароматических, гетероциклических соединений и их производных, выкипающих в широких пределах температур. Состав каменноугольной смолы разных заводов однотипен, он мало зависит от состава угля, в большой степени от режима коксования. В каменноугольной смоле присутствует более 400 индивидуальных соединений, некоторые из них производятся в промышленном масштабе.
Коксохимическая смола, состоящая в основном из конденсированных ароматических углеводородов и других высокомолекулярных соединений, относится к трудноперерабатываемому сырью. В промышленности смолу подвергают обезвоживанию и дистилляции на отдельные фракции, затем методами щелочной и кислотной экстракции, кристаллизации и гидроочистки получают бензол, нафталин, фенолы, пиридиновые основания и другие химические продукты. При этом каждая стадия выделения данных химических продуктов сопровождается применением повторных дистилляций, большим расходом тепла и реагентов, потерей ценных продуктов, например, нафталина [5].
В ходе выполненной нами ранее экспериментальной работы была получена модифицированная коксохимическая смола, которая представляла собой твердый пластичный продукт, нетоксичный и практически не имеющий специфического запаха фенола. Низкое содержание в нем серы и воды позволяет использовать подготовленную модифицированную смолу во многих процессах органического синтеза [3]. Такой продукт можно легко транспортировать до потребителя, что резко повышает его экспортные возможности при использовании.
Для модификации в смесь каменноугольной смолы с водой и катализатором вводили формальдегид для связывания фенола (в количестве 10–25 % мас. от его общего содержания) и донор водорода (в количестве 1–4 мас. % от количества каменноугольной смолы), проводили гидрогенизацию/термоокисление подготовленной смеси при температуре 100–150 °С и давлении воздуха 2,5–7 МПа и отделяли жидкую фракцию дистилляцией (при необходимости).
Введение формальдегида приводит к образованию фенол-формальдегидных смол, что повышает качественные показатели модифицированной смолы. Техническим результатом является снижение температуры процесса, стабилизация образуемых высокореакционных соединений, повышение эффективности переработки коксохимической смолы в высококачественную малотоксичную (4 класс опасности) модифицированную коксохимическую смолу, исключение образования органических малореакционых продуктов и разрушение комплексов с нехимическими связями, что расширяет область применения полученной смолы.
Продуктом данной переработки является коксохимическая смола модифицированная (КСМ), получаемая из отходов КХП путем дегидратации и окислительным обессериванием с параллельным удалением ароматических углеводородов [3]. Исследования отходов подтвердили возможность получения КСМ со следующими техническими характеристиками: полимеры и коксовое число не менее 68,5 %, низкое содержание серы 0,6 % и др.
Цель дальнейшей работы состояла в оценке возможности практического использования модифицированной коксохимической смолы и заключалась в разработке эффективных пропиточных составов для дорожного строительства, содержащих минимальное количество фенолов, на основе местной сырьевой базы – смолосодержащих отходов коксохимпроизводства АО «АрселорМиттал Темиртау». Одновременно с получением товарного продукта это позволит снизить техногенную нагрузку на окружающую среду региона.
Среди капитальных дорожных покрытий преобладающим типом являются асфальтобетонные покрытия [1]. Они представляют собой многослойную конструкцию, в которой верхние слои должны защищать нижележащие конструктивные слои дорожных одежд от доступа атмосферной влаги, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог.
В настоящее время на рынке строительства дорог в Казахстане предлагаются различные пропитывающие или, так называемые, «омолаживающие» составы. Они предназначены для профилактической защиты и восстановления первоначальных свойств асфальтобетонного и цементобетонного покрытия на начальной стадии шелушения и выкрашивания при неудовлетворительных показателях по водонасыщению, а также на участках дорог с дефектами в виде «мокрых» пятен, волосяных трещин, мелких выбоин, имеющих явные признаки шелушения или выкрашивания.
«Омолаживающие» составы проникают в структуру асфальтобетона, восстанавливают эластичность и повышают упругость асфальтобетонного покрытия, продлевая межремонтные сроки на 2–3 года. По своей природе они представляют собой текучие микробитумополимерные или другие композиции, содержащие ароматические соединения. Омолаживающие составы должны обладать небольшой летучестью, быть хорошо совместимыми с битумом и достаточно стабильными во времени.
Таблица 1
Физико-химические характеристики модифицированной каменноугольной смолы
|
Наименование показателя |
Значения показателя |
|
Плотность при 20 °С, кг/м3 |
975–1140 |
|
Содержание полимеров и коксового масла, % |
68,52 |
|
Коксовое число, % |
16,2 |
|
Нерастворимые в толуоле, % |
12,90 |
|
Нафталин, % |
0,58 |
|
Влажность, % |
1 |
|
Зольность, % |
0,8 |
|
Сера, % |
0,6 |
|
Энергетическая ценность, кДж/кг |
31 507–31 580 |
|
Температура плавления, °С |
67 |
|
Физические свойства при 24 °С |
твердое пластичное вещество |
|
Внешний вид |
продукт черного цвета, маслянистый на ощупь, без запаха |
Для целей восстановления и защиты дорожных покрытий обычно используются нефтехимические и коксохимические продукты: экстракт селективной очистки масляных фракций нефти, креозотовое и антраценовое масла, деготь марок Д-1 и Д-2, битумсодержащие композиции [4]. За рубежом наибольшее распространение получили омолаживающие составы в виде катионных эмульсий, которые не нашли широкого применения в Казахстане из-за климатических условий.
Для обеспечения возможности применения модифицированной каменноугольной смолы, физико-химические характеристики которой представлены в табл. 1, в качестве пропитывающего состава необходимо разжижить её до текучего состояния.
Для этого смола разогревалась, и в нее в теплом состоянии вводился растворитель (каменноугольный сольвент) до достижения текучего состояния получаемого продукта.
Методической основой проводимых лабораторных исследований стал сопоставительный анализ результатов лабораторных испытаний образцов асфальтобетона необработанных (контрольных) и обработанных разжиженной модифицированной каменноугольной смолой (экспериментальных).
Подготовка к проведению испытания
Для проведения испытания готовили образцы асфальтобетона, у которых определяли плотность и водонасыщение. Полученные результаты использовались для сравнительной оценки с образцами после обработки их пропиточным составом.
Подготовка образцов
Образцы, выдержанные при температуре + 20 °С (± 2 °С) в течение суток, испытывают на плотность и водонасыщение по методикам, рекомендованным ГОСТ 12801-84. Затем эти же образцы высушивают до их первоначальной массы. После высыхания, каждый образец обвязывают ниткой, и погружают на 5–10 секунд в разогретый пропиточный состав, затем его достают и дают возможность излишкам жидкости стечь. Обработанные образцы оставляют на воздухе при температуре + 20 °С (± 2 °С) не менее 30 минут и снова испытывают их на плотность и водонасыщение.
Обработка результатов
Плотность асфальтобетонных образцов вычисляется по формуле
,
где g0 – первоначальная масса образца, взвешенного на воздухе, г;
g1 – масса образца, взвешенного на воздухе, после выдерживания в воде в течение 30 минут, г;
g2 – масса образца, взвешенного в воде, г;
ρв – истинная плотность воды, равная 1000 кг/м3.
Водонасыщение асфальтобетонных образцов определяют по формуле
,
где g0 – масса сухого (не насыщенного водой) образца, взвешенного на воздухе, г;
g1 – масса образца, выдержанного в течение 30 мин в воде и взвешенного на воздухе, г;
g2 – масса того же образца, взвешенного в воде, г;
g3 – масса насыщенного водой образца, взвешенного на воздухе, г.
Коэффициент эффективности пропитки асфальтобетонных покрытий вычисляется по формуле
Кэф = W1/W2,
где W1 – водонасыщение образцов до обработки пропиточным составом;
W2 – водонасыщение образцов после проведения работ.
Данный коэффициент определяют как среднее арифметическое значение трех результатов испытаний. Он должен иметь значение не менее 1,2.
а 
б 
в
Изготовление и обработка асфальтобетонных образцов: а – форма для изготовления образцов; б – контрольный образец; в – обработанный образец
Таблица 2
Качественные характеристики пропиточного состава
|
Наименование показателя |
Норма |
|
1. Внешний вид |
Жидкость от коричневого до черного цвета |
|
2. Условная вязкость, с |
27–49 |
|
3. Удельный вес, г/см3 |
от 1,04 до 1,08 |
|
4. Содержание воды, % |
не более 2,0 |
|
5. Однородность |
отсутствие комков и посторонних включений |
|
6. Температура вспышки, °С |
не менее 72 |
|
7. Время отвердения, ч |
не более 3 |
Таблица 3
Результаты определения плотности и водонасыщение образцов
|
№ п/п |
Наименование |
Плотность, г/см3 |
Водонасыщение, % |
|
1 |
Контрольные образцы из асфальтобетона типа Б, не обработанные пропиточным составом ПС-1 |
2,32 |
5,5 |
|
2 |
Экспериментальные образцы из асфальтобетона типа Б, обработанные пропитывающим составом ПС-1 |
2,31 |
4,0 |
Результаты исследования и их обсуждение
Для определения эффективности применения исследуемого пропиточного состава были изготовлены образцы – балочки из асфальтобетона типа Б (рисунок).
Для них были определены плотность и водонасыщение. После этого образцы со всех сторон обработали приготовленным пропиточным составом на основе модифицированной каменноугольной смолы, физико-химические характеристики которого приведены в табл. 2. Затем вновь определены те же показатели в соответствии с приведенной выше методикой. Результаты испытаний, определенные как среднее арифметическое значение нескольких опытов, приведены в табл. 3.
Выводы
Из анализа результатов испытаний следует, что при обработке образцов асфальтобетона предлагаемым пропиточным составом на основе модифицированной каменноугольной смолы коксохимического производства значение показателя водонасыщения экспериментальных образцов снизилось в 1,3 раза. Это свидетельствует об обеспечении гидроизоляции их поверхности, за счет чего и повышается устойчивость дорожных покрытий к выкрашиванию и шелушению. Таким образом, предлагаемый состав создаст профилактический слой, который в плохую погоду будет предохранять основные конструктивные слои дорожных покрытий от преждевременного разрушения.
Следует также отметить, что при обработке поверхности дорожных покрытий данным составом необходимо обеспечить безопасность проезда после высыхания (покрытие не должно быть скользким) [2]. С этой целью в пропиточный состав на стадии приготовления можно добавлять микрокальцит, который обеспечит шероховатость поверхности после высыхания и повысит коэффициент сцепления колеса с покрытием.