Нефть является основным источником энергии и сырья для химической, электротехнической, дорожно-строительной областей промышленности [1]. Высокая битумонасыщенность нефтебитуминозных пород, простота извлечения органической компоненты обуславливают возможность их использования не только теоретический, но и практический интерес при модифицировании дорожного слоя, но и как ценное сырье для химической и нефтехимической промышленности. Применение природных битумов, выделенных из НБП различными активаторами, модификаторами, и смеси НБП с другими полимерными связующими открывает широкие перспективы для использования их в качестве дорожных покрытий.
Проблема разработки антикоррозионных теплогидроизоляционных и эффективных дорожно-строительных покрытий, мастик, герметиков, лакокрасочных материалов имеет большое теоретическое и практическое значение.
Гидроизоляционные антикоррозионные покрытия изучаются во многих странах, но предлагаемые материалы являются дорогостоящими или менее эффективными, состоят из недоступных ингредиентов, синтезируемых в специальных условиях и поэтому не находят широкого применения.
В Западном Казахстане имеются огромные запасы нефтебитуминозных пород (НБП) (950–1000 млн т), содержащие в своем составе природный битум, которые могут найти применение в различных отраслях строительной индустрии и дорожного строительства в качестве вяжущей основы для производства облицовочных плиток, кирпичей, гидрофобных добавок, дорожных покрытий антикоррозионных, тепло- и гидроизоляционных мастик [1].
Битумы находят широкое использование во многих отраслях народного хозяйства, что обусловлено их высокими технологическими, эксплуатационными и экономическими показателями, важнейшими из которых являются: возрастание пластичности при нагревании, быстрое увеличение вязкости при остывании, высокая адгезия к камню, дереву, металлам; гидрофобность; водонепроницаемость; стойкость против действия кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов; электро- и звукоизолирующая способность; малая плотность; низкий коэффициент теплопроводности; погодостойкость и низкая стоимость.
Характеристики образцов пород № 1 и № 2 с различными добавками. Условия: комнатная температура, навеска породы № 1 или № 2 – 10 г; (в скобках – номер породы)
|
№ п/п |
Компоненты |
Состав |
|||||||||||
|
1 (1) |
1 (2) |
2 (1) |
2 (2) |
3 (1) |
3 (2) |
4 (1) |
4 (2) |
5 (1) |
5 (2) |
6 (1) |
6 (2) |
||
|
1 |
646 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
|||
|
2 |
М 1 |
8 |
8 |
||||||||||
|
3 |
М 2 |
4 |
4 |
||||||||||
|
4 |
Т О |
4 0,4 |
4 0,4 |
||||||||||
|
5 |
Клей АПД 1 |
4 |
4 |
||||||||||
|
6 |
ПВА |
4 |
4 |
||||||||||
|
7 |
АПД 2 р-р |
4 |
4 |
||||||||||
|
Твердость по Шору А., усл. ед. |
80 |
78 |
25 |
18 |
36 |
32 |
70 |
31 |
25 |
23 |
69 |
63 |
|
В промышленности строительных материалов битумы широко используются для строительства и ремонта дорожных и аэродромных покрытий и оснований, полов промышленных зданий; стабилизации грунтов; защиты от коррозии металла и бетона; изготовления кровельных, гидро-, тепло- и пароизоляционных покрытий, материалов и изделий, защиты от радиоактивных излучений; в производстве лакокрасочных материалов.
В настоящее время особенно острой становятся вопросы оздоровления экологической обстановки нефтедобывающих регионов, поскольку замазученные грунты, аварийные выбросы и разливы нефти, амбарная нефть, донные отложения, остающиеся после нефтедобычи или отходы сточных вод занимают огромные площади и наносят вред окружающей среде, поскольку они не перерабатываются и эта проблема становится все более угрожающей [1]. В этой связи актуальным вопросом является исследование процессов отверждения (литификации) в твердой фазе (греч. литос – камень, горная порода, почвы) твердых почв, грунтов, в частности, амбарной нефти, замазученных грунтов или разливов нефти, а также нефтебитуминозных пород (НБП), которые занимают огромные территории.
Поэтому актуальной является проблема связывания в твердой фазе отходов нефтешламов, амбарной нефти, а также НБП, и других нефтяных выбросов, загрязняющих землю и прилегающие территории, что значительно оздоровит экологическую обстановку нефтедобывающих регионов Казахстана, поскольку другие способы переработки, в том числе, с использованием бактерий, не приносят должного эффекта.
Целью данной работы является изучение процессов отверждения НБП с различными модифицирующими добавками и в разработке технологии изготовления монолитных покрытий, кровельных гидроизоляционных материалов, мастик, лаков, красок и герметиков, покрытий для строительства автомобильных дорог на основе природных битумов.
Были исследованы следующие нефтебитуминозные породы Западного Казахстана:
1. Проба № 1 месторождения Тюбкараган (скв. 606, интервал 58–105 м), которая включает 5–15 % битума, оксиды металлов. По данным рентгенофазового анализа НБП содержит: оксид кремния – SiO2, полевой шпат, гематит – Fe2O3, примеси слюды и углеводородную фазу.
2. Проба № 46/91. Содержит 5–15 % битума, оксиды металлов, кремния – SiO2.
3. Проба месторождения Мунайлы-Мола.
Образцы НБП измельчали, смешивали с различными добавками. Отверждение составов проводили при комнатной температуре в течение 48 часов [2-7]. В качестве добавок были выбраны Минералы: 1 и 2 (М1 и М2), тиокол (Т) с отвердителем (О), растворы бутилкаучука (БК) в бензине, клея АПД-1, клея поливинилацетатного (ПВА), дихлорэтан (ДХЭ), растворитель 646, а также активных полимерных добавок АПД-1 и АПД-2 в растворе дихлорэтана (ДХЭ) – (АПД-2 р-р). Определяли значения твердости по Шору А, усл. ед. образцов полученных монолитных покрытий.
Для разделения битума из НБП применяли процесс водной экстракции с различными ингредиентами: едким калием, содой кальцинированной (СК) и активной добавки (АД), латекса наиритового (ЛН), клеев: ПАА, резиновым Р, растворы в бензине: СКМС-30 (СКМС 12,5 %, бутилкаучука (БК 10 %), анилин (А),
В таблице приведены свойства монолитных покрытий на основе НБП № 1 и № 2, полученных при комнатной температуре. Как видно, из таблицы, введение клея ПВА увеличивает твердость по Шору А исходных пород № 1 и № 2, находящихся в виде порошков до 23–25 усл. ед., т.е. ПВА является полимерным связующим для НБП.
АПД 1 увеличивает твердость образцов до 31–70 усл. ед., а АПД 2 – до 63–69 усл. ед. Тиокол способствует увеличению твердости по Шору А до 32–36 усл. ед. Твердость отвержденного тиокола составляет 42 усл. ед., а битума – 33 усл. ед.
Минерал 2 увеличивает твердость покрытия на основе породы № 1 до 25, а образца на основе породы № 2 до 18 усл. ед. Наибольшее увеличение твердости по Шору А наблюдается при введении добавки минерала 1 – 78–80 усл. ед. для породы № 2 и № 1, соответственно.
Минералы 1 и 2 взаимодействуют с ненасыщенными смолами и асфальтенами, находящимся в НБП с образованием прочного конгломерата. Это обусловлено протеканием реакции литификации (отверждения) (литос-твердый) нефтесодержащих почв, в частности, нефтебитуминозных пород с неорганическими минералами при комнатной температуре [4]. Такие монолитные покрытия с высокой твердостью 63–80 усл. ед. могут быть применены в качестве полов производственных помещений, беговых дорожек, баскетбольных и волейбольных площадок, что весьма актуально, поскольку не требуют никаких энергозатрат для нагрева и активации ингредиентов, что весьма перспективно, поскольку полимерные связующие очень дорогие и завозятся в Казахстан извне.
Данный способ отверждения впервые применен для НБП и является весьма перспективным, может служить основой для получения монолитных и дорожных покрытий, антикоррозионных гидроизоляционных составов, а также для связывания нефтешламов, отходов нефтей при аварийных выбросах, очистки сточных вод от или, донных отложений и т.д.
Рентгенофазовый анализ продуктов взаимодействия пород № 1 и № 2 с неорганическими минералами, а также активными полимерными добавками (АПД) не позволяет обнаружить образование новой фазы, но появление твердого монолитного покрытия с твердостью по Шоу А 63–80 усл. ед. может служить прямым доказательством протекания реакции литификации (отверждения) силикатов натрия с НБП при комнатной температуре.
Как показано в работе [3, 4] силикат натрия, применяемый для водной экстракции обусловливает химическое взаимодействие с поверхностью частиц кварцевого песка, который приводит к уменьшению поверхностного натяжения водного раствора на границе битум-вода.
Представляет определенный практический и теоретический интерес изучение влияния экстрагирующих агентов и модификаторов на выделение битума и разделение органической и минеральной частей НБП, разработки способов активации и получения монолитных покрытий.
Изучены результаты проведения экстрагирования битума из НБП при 90 °С и модифицирования различными добавками. Показано, что в зависимости от природы НБП № 1 и № 3 и действия различных экстрагирующих ингредиентов, модификаторов образуются порошки, т.е. остаются без изменения, что и характерно для НБП, монолитные покрытия, а также мастики, что само по себе весьма перспективно с целью получения композиционных полимер-битумных составов в качестве антикоррозионных кровельных материалов и строительно-дорожных покрытий с заданными физико-механическими параметрами.
Добавка воды, щелочи, минерала 2, соды кальцинированной способствуют выделению битума в виде маслянистого слоя в породе № 1 и крупных кусков в породе № 3.
Введение минерала 2 в экстрагирующий состав, включающий воду, щелочь и минерал 1 обуславливает появление монолитного покрытия с твердостью по Шору А до 67,0 усл. ед., что характеризует положительно.
По-видимому, это обусловлено взаимодействием минерала 2 с силикатами НБП с понижением поверхностного натяжения. Рентгенография не показало наличие новой фазы, хотя свойства композита изменялись от порошкообразного до твердого. Введение минерала 2 с активной добавкой (АД) несколько понижает твердость образцов до 40 усл. ед. Латекс наиритовый увеличивает твердость до 56 усл. ед, добавка в этот состав талька не меняет значение твердости. Клей ПАА обусловливает повышение твердости до 58, а смесь минерала 2 с каучуком СКМС-30 до 55 усл. ед. Клей ПВА не увеличивает значительно твердость породы № 3 – 22 усл. ед. В породе № 3 м. Мунайлы-Мола композиция остается мягкой в отличие от породы № 1 м. Тюбкараган с содержанием битума 5–15 %.
Анилин способствует повышению клейкости породы № 3 и образованию невысыхающих клеящих мастик для кровли и различных покрытий в присутствии минерала 2 клеящие свойства еще более усиливаются. Бутилкаучук также увеличивает клеящие свойства мастики. Клей резиновый способствует образованию монолитного слоя твердостью 27,0 усл. ед., дополнительное введение минерала 2 упрочняет структуру и твердость возрастает до 52 усл. ед. Таким образом показано, что минерал 2 способствует протеканию реакции литификации (отверждения) твердых битумсодержащих пород с образованием монолитного покрытия для породы № 1 с твердостью 67 усл. ед. и не влияет на твердость исходной породы № 3, что связано с природой и содержание органической и минеральной фаз НБП.
Выводы
1. Изучены порошкообразные нефтебитуминозные породы и установлена возможность получения монолитных покрытий с твердостью по Шору А от 18 до 80 усл. ед и мастичных составов с высокими клеящими свойствами.
2. Показано, что анилин и бутилкаучук способствуют увеличению клейкости модифицированных композиционных материалов.