И Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)» С иб АД К.В. Беляев ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие Омск 2017 1 УДК 625.76 ББК 39.311 Б42 Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит. Рецензенты: канд. техн. наук, доц. С.А. Милюшенко (СибАДИ); канд. техн. наук В.В. Голубенко (ООО «Автомобильные дороги и мосты», г. Омск) Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия. И Беляев, Константин Владимирович. Б42 Технологии и оборудование для приготовления и применения вяжущих материалов в строительстве [Электронный ресурс] : учебное пособие / К.В. Беляев ; кафедра «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве». – Электрон. дан. − Омск : СибАДИ, 2017. – URL: http://bek.sibadi.org/cgibin/irbis64r_plus/cgiirbis_64_ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей. ISBN 978-5-93204-888-7. С иб АД Рассматривается классификация основных свойств битумов. Последовательно рассмотрены основные стадии применения вяжущих материалов, включая их изготовление, хранение, транспортирование и применение. Даются классификация и технологические схемы оборудования для производства битумных вяжущих, а также производных материалов на основе битума – битумных эмульсий и модифицированных битумов. Изложена методика расчёта оборудования для транспортирования битума. Описаны основные направления использования битумных вяжущих в дорожном строительстве. Приведены схемы машин для производства работ. Имеет интерактивное оглавление в виде закладок. Предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся по направлениям «Наземные транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», при проведении лекционных и практических занятий. Может быть полезно для инженеров и механиков дорожных ремонтностроительных организаций, эксплуатирующих дорожно-строительную технику. Текстовое (символьное) издание (11,5 МБ) Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; 1 ГБ свободного места на жестком диске ; программа для чтения pdf-файлов Adobe Acrobat Reader ; Google Chrome Редактор И.Г. Кузнецова Издание первое. Дата подписания к использованию 21.04.2017 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1 © ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2017 1 ВВЕДЕНИЕ С иб АД И Битум с древних пор является одним из наиболее известных строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства привлекли внимание уже на заре развития цивилизации. Отмечены исторические факты применения природного битума в Древнем Вавилоне для укрепления берегов, в Древнем Риме для укрепления дорог и т.д. Однако в течение длительного времени битум не находил широко применения. В XX в. широкое распространение получил автомобильный транспорт, для перемещения которого потребовались дороги с усовершенствованным типом покрытий. Выход был найден в применении асфальтовых бетонов, в которых связующим материалом является битум. Высокие демпфирующие способности асфальтобетонных покрытий выгодно отличают их от цементобетонных покрытий. Применению битумов способствовало развитие нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, т.к. объёмы природных битумов невелики. Основным потребителем нефтяных битумов является дорожное строительство, в настоящее время около 90% производимого во всём мире объёма товарного битума потребляется дорожной отраслью. Назначением вяжущих материалов является соединение каменного материала в единый прочный монолит и обеспечение неизменных эксплуатационных показателей в течение заданного срока службы. Основным сырьём для производства битумов в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки – гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций. Использование природных битумов стало незначительным. Производство нефтяных битумов осуществляют различными способами – окислением воздухом, перегонкой мазута с глубоким отбором дистиллята, деасфальтизацией гудрона пропаном. Для получения требуемых свойств широко применяют компаундирование. Каждый из способов производства имеет свои особенности, к числу которых необходимо отнести различные уровни материальных и энергетических затрат, влияние свойства и качества применяемого сырья на качество получаемого материала. Внедрение новых дорожно-строительных материалов и технологий строительства на основе производных битумных материалов – битумных эмульсий, литых эмульсионно-минеральных смесей, моди- 3 С иб АД И фицированных битумов – привело к развитию оборудования для работы с вяжущими материалами и нового поколения дорожностроительной техники. Применение материалов на основе модифицированных битумов для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов позволяет существенно снизить трудоёмкость производства и упростить технологию работ. Многоступенчатая обработка исходного сырья (переработка нефти с получением остатка, применяемого в качестве сырья для получения битума, производство битума, транспортирование, хранение, модификация или производство продуктов на основе битумов и собственно применение конечного продукта) сопровождается нагревом и остыванием битума, его взаимодействием с окружающей средой. Как следствие, с одной стороны, вяжущий материал приобретает необходимые эксплуатационные и технологические свойства, с другой – происходит его старение, изменение состава и свойств, влияющих на надёжность и долговечность сооружений. По этим причинам для качественной и эффективной организации производства специалистам, занятым в сфере строительства, необходимо обладать комплексом знаний о вяжущих материалах и их модификациях как материалах, обеспечивающих важнейшие эксплуатационные свойства и долговечность, начиная с приготовления и заканчивая применением. 4 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА БИТУМОВ иб АД И Нефтяные битумы – продукты тёмно-черного цвета, обычно твердые при комнатной температуре. Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь высокомолекулярных углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, выкипающую в основном при температурах выше 450–500 °С. Для битумов характерно хорошее сцепление с минеральными материалами, стойкость к воде, растворам кислот и щелочей. При нагревании битумы обратимо переходят в вязкотекучее состояние. Битумы способны разжижаться органическими растворителями и загустевать при их испарении. Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его специфических физико-химических свойствах. Область применения битума достаточно широка: при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений. Главным потребителем битума является дорожное строительство. 1.1. Классификация битумов С Разнообразие способов применений, производства и состава вяжущих материалов на основе битума обуславливает наличие целого ряда способов классифицировать битумы. В классификации, разработанной Р.Б. Гуном [14], по происхождению существуют битумы: природные (в основном это высоковязкие нефти из битуминозных пород); искусственные (полученные различными технологическими приёмами из углеводородного сырья); пиробитумы (продукты высокотемпературного термолиза сланцевого, древесного и другого вида сырья); дёгти и пеки каменноугольного, торфяного, жирового и другого происхождения. В соответствии со способом производства различают три основных типа нефтяных битумов: остаточные, окисленные и компаундированные. Остаточные битумы получают как кубовые остатки (выкипающие выше 450–550 °С) процессов первичной переработки специ- 5 С иб АД И альных тяжелых нефтей. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием CAB (смолисто-асфальтеновых веществ), которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых нефтях. Окисленные битумы получают окислением тяжёлых остатков переработки нефти (выше 400–450 С) или их смесей с различными экстрактами, смолами или другими тяжелыми полупродуктами нефтепереработки кислородом воздуха при 250–280 С. Компаундированные битумы получают смешением различных окисленных и остаточных битумов, битумов деасфальтизации, а также других нефтяных остатков и полупродуктов производства, тяжелых дистиллятов между собой. Битумы деасфальтизации получают в результате извлечения САВ из нефтепродуктов при помощи растворителей. Выбор того или иного способа получения битума определяется возможностями предприятия производить необходимые потребителю продукты стандартного качества из имеющегося в распоряжении сырья. По областям применения битумы классифицируют как дорожные, строительные, кровельные, изоляционные, битумы специального назначения и др. Дорожные – выпускаются в наибольшем объёме (70–80%) и предназначены для производства всех основных видов ремонтностроительных дорожных работ (ГОСТ 22245–90), а также жидкие – для продления сезона дорожных работ (ГОСТ 11955–74). Кровельные – применяют для изготовления кровли и производства различных кровельных материалов (ГОСТ 9548–74). Их, в свою очередь, разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя). Строительные – применяют при выполнении различных ремонтно-строительных работ, в частности для гидроизоляции фундаментов зданий (ГОСТ 6617–76). Изоляционные – используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии (ГОСТ 9812–74) и для приготовления заливочных аккумуляторных мастик (ГОСТ 8771–76). Специальные битумы предназначены для использования в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности (ГОСТ 21822–76). 6 С иб АД И Битумы – высокоплавкие мягчители (рубраксы), их производят для резинотехнической и шинной промышленности (ГОСТ 781–78). Дорожные битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте асфальтобетонных дорожных покрытий. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применяемого битума и его качества. Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие. Вязкие битумы в России вырабатываются в соответствии с ГОСТ 22245–90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие» [10]. Нормы на свойства вязких битумов по ГОСТ 22245–90 приведены в табл. 1.1. Вязкие битумы подразделяются на классы БН и БНД, т.е. битумы нефтяные и битумы нефтяные дорожные. Качество битумов БНД выше, чем БН. Битумы марок БНД характеризуются более широким интервалом пластичности и более высокой теплостойкостью по сравнению с битумами марок БН, обладают лучшими низкотемпературными свойствами и сцеплением с поверхностью минеральных зёрен, но менее устойчивы к старению. Все дорожные битумы маркируются по значениям показателя пенетрации. Рекомендации по применению зависят от типа дорожных битумов и их пенетрации при 25 °С: – в первой дорожно-климатической зоне при среднемесячной температуре наиболее холодного времени года не выше – 20 °С рекомендуется использовать битумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130; – во второй и третьей зонах при температуре в пределах – 10…–20 °С – битумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90; – во второй, третьей и четвертой зонах при температуре –5…–10 С – битумы БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60; – в четвертой и пятой климатических зонах при температуре не ниже + 5 °С – битумы БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60. Жидкие дорожные битумы представляют собой остаточные продукты полутвердой и жидкой консистенций, полученные при первичной переработке иефти и крекинге тяжелых нефтепродуктов. Высокосмолистые тяжелые нефти – это также естественные жидкие битумы. Использование таких битумов дает возможность исключить высокотемпературные процессы, использовать различные способы обработки минеральных материалов и продлить сезон строительных работ. 7 Таблица 1.1 Нормы на свойства вязких битумов БНД 200/300 БНД 90/130 201-300 131-200 45 35 91-130 28 61-90 20 40-60 13 43 47 51 33 40 иб АД 35 БН 90/130 БН 60/90 91-130 15 60-90 10 38 41 45 201-300 131-200 24 18 20 70 6,0 65 4,0 55 3,5 45 - - 80 - 80 - 70 - -20 -18 -17 -15 -12 -14 -12 -10 -6 220 220 230 230 230 220 230 240 240 7 6 5 5 5 8 7 6 6 С 1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С, не менее 2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже 3. Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С 4. Температура хрупкости, °С, не выше 5. Температура вспышки, °С, не ниже 6. Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более 7. Индекс пенетрации БНД 130/200 И Показатель Норма для битума марки БНД БНД БН БН 60/90 40/60 200/300 130/200 От - 1,0 до +1,0 8 От -1,5 до +1,0 С иб АД И Из дорожного покрытия, включающего жидкие битумы, с течением времени под действием кислорода воздуха, солнечных лучей, адсорбции каменным материалом или грунтом и других факторов испаряются низкокипящие фракции и уплотняются высокомолекулярные соединения. В результате этого дорожные покрытия становятся механически прочными и теплостойкими. По ГОСТ 11955–82 «Битумы нефтяные дорожные жидкие» в зависимости от скорости формирования структуры жидкие битумы подразделяются на два класса [11]: 1. Густеющие со средней скоростью, получаемые разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами (СГ) и предназначенные для строительства капитальных и облегченных дорожных покрытий, а также для устройства их оснований во всех дорожноклиматических зонах страны. 2. Медленногустеющие, получаемые разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами (МГ) и получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей (МГО), предназначенные для получения холодного асфальтобетона, а также для строительства дорожных покрытий облегченного типа и оснований во II–V дорожно-климатических зонах и других целей. Жидкие дорожные битумы могут быть получены из вязких путём их компаундирования с разжижающими нефтепродуктами (например, керосин, дизельное топливо) и поверхностно-активными веществами (табл. 1.2). Жидкие битумы марок СК и МГ, получаемые разжижением вязких битумов жидкими нефтепродуктами, по сравнению с марками МГО характеризуются более высокой скоростью формирования структуры, постоянством состава и надёжным сцеплением с поверхностью каменного материала [7]. Жидкие битумы предназначены для продления сезона дорожного строительства. Применение жидких дорожных битумов не соответствует современным требованиям к энергосбережению и защите окружающей среды. Кроме того, низкая температура вспышки изначально предопределяет их пожароопасность [2]. Для жидких битумов основными нормами качества являются: условная вязкость при 60 С, температура вспышки (от 37 С для БГ до 110 °С для МГ). Количество испарившегося разжижителя при 100 С за 1,3 и 5 часов. 9 Таблица 1.2 иб АД И Соотношение вязкого битума и разжижителя Количество разжижителя, % массы исходного битума Требуемая марка Марка исходного жидкого битума битума Технический Дизельное керосин топливо БНД 40/60 14-18 – СГ 130/200 БНД 60/90 12-18 – БНД 40/60 16-20 – СГ 70/130 БНД 60/90 14-17 – БНД 60/90 – 17-28 МГ 130/200 БНД 90/130 – 14-18 БНД 40/60 – 18-28 МГ 70/130 БНД 60/90 – 16-20 БНД 60/90 4-7 5,8 БНД 200/300 БНД 90/130 3-5 4-7 БНД 60/90 4-6 4-8 БНД 130/200 БНД 90/130 3-4 3,5 С В зависимости от марки асфальтобетонной смеси содержание битума в ней составляет 5,5–8% масс. Для большей части покрытий общим является сочетание в них минеральных наполнителей и битума, в которых последний используют в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды [7]. В зависимости от температуры обрабатываемой и укладываемой смеси различают горячий и холодный способы строительства дорожных покрытий. Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что эксплуатационная надёжность дорожных покрытий в значительной степени определяется свойствами битума. Долговечность работы битума в составе асфальтобетонного покрытия связана, прежде всего, с его высокими низкотемпературными, пластичными и адгезионными свойствами. Это должно надёжно обеспечивать выполнение битумами трех основных задач их применения: склеивание между собой частиц минерального материала, релаксирование возникающих температурных и деформационных напряжений и понижение вязкости при температурах 130–160 °С для равномерного смачивания и обволакивания частиц минерального материала. Достижение такого комплекса высоких показателей качества дорожных битумов возможно только за счет оптимизации их компонентного состава (минимизации содержания в составе сырья 10 С иб АД И н-парафиновых углеводородов с одновременным ростом содержания изопарафиновых, нафтеновых и полиароматических углеводородов) или введения специальных полимерных добавок. К сожалению, выпускаемые сегодня дорожные битумы не полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, в том числе и устойчивостью к термоокислительному старению. К числу современных дорожных битумных материалов можно отнести, следуя мировой практике, дорожные битумы с улучшенными эксплуатационными характеристиками и композиции на их основе – полимербитумные вяжущие и битумные эмульсии. Строительные битумы используют главным образом в качестве гидроизоляционной среды (высокая прочность сцепления с различными материалами, стойкость к действию химических веществ и растворов) и выпускают трёх марок: БН 50/50, БН 70/30 и БН 90/10 [18]. Эти битумы менее растяжимы, т.е. более пластичны, чем дорожные. Кровельные битумы. Возросли требования потребителей к качеству кровельных битумов марок БНК, производимых по ГОСТ 9548–90. Это объясняется их использованием в производстве новых рулонных кровельных материалов улучшенного качества (типа изофлекс) и высокоэффективных защитных составов. Нефтяные битумы, применяемые для изоляции трубопроводов (ГОСТ 9812–74) от грунтовой коррозии, выпускают трех марок: БНИ-1У-3, БНИ-1У, БНИ-У. 1.2. Состав битумов По химическому составу битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот, металлы (ванадий, железо, никель и проч.) и др. Основные химические элементы, входящие в состав битумов: углерод (70–87%), водород (8–12%), сера (0,5–7%), кислород (0,2–12%), азот (0–2%). Химический состав, в общем, достаточно стабильный для различных битумов, не дает возможности судить об их свойствах. Группируя химические элементы в различные комбинации, в составе битума принято выделять масла, смолы, асфальтены, карбены, карбоиды, парафины [1, 6, 14]. 11 С иб АД И Применяя различные методы разделения битумов, получают разные результаты по числу групп, их содержанию и структуре. Также пользуются и разделением битумов на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму смол и масел. Групповой состав битума не является стабильным. Под влиянием различных факторов групповой состав может претерпевать существенные изменения за счет частичного превращения масел в смолы, а смол в асфальтены. Такого рода изменения происходят, в частности, при нагреве битума во время приготовления асфальтобетонной смеси, а также в результате воздействия на битум атмосферных факторов. Эти изменения отражаются на основных физических свойствах битума [1, 17, 23]. Соотношения между основными группами, входящими в состав битума, определяют его важнейшие свойства: вязкость, восприимчивость к изменению температуры, хрупкость и эластичность, но не всегда групповой состав дает хорошее представление о свойствах битума. Объясняется это двумя причинами: во-первых, до сих пор не установлена с достаточной четкостью связь между структурно-механическими свойствами битума и его групповым составом; во-вторых, выделяемые из битума тем или иным способом соединения и искусственно объединяемые в одну из трех основных групп (асфальтены, смолы, масла) не всегда имеют одинаковые свойства. Свойства каждого из этих компонентов могут быть различны для различных битумов в зависимости от свойств исходной нефти и способа ее переработки. Это положение пoдтвepждaeтcя тем, что во многих случаях приходится сталкиваться с положением, когда битумы, различающиеся по своим свойствам, имеют одинаковый или почти одинаковый групповой состав, и наоборот. К сожалению, свойства компонентов битумов изучены до сих пор недостаточно [19]. Масла – жидкая часть битума, вязкотекучие вещества. Они легче воды, их относительная плотность менее 1. Масла – это смесь углеводородов: предельных, циклических и ароматических, их молекулярная масса лежит в пределах 300–600. Они растворимы в ацетоне, эфире, бензине, бензоле. Масла придают битумам подвижность и текучесть. Содержание масел в битумах лежит в пределах от 35 до 60%. Элементный состав масел: углерод – 85–88%, водород – 10–14%, сера – до 4,5%, также содержатся небольшие количества кислорода и азота. 12 С иб АД И Смолы при обычной температуре представляют собой твёрдые вещества красновато-бурого цвета плотностью 0,99–1,08 г/см3, их молекулярная масса 600–1000. Смолы являются носителями твёрдости, пластичности и растяжимости битумов. Смолы обеспечивают адгезию битума к различным материалам. Вяжущие свойства и пластичность битума обусловлены именно их наличием. Содержание смол в битуме лежит в пределах от 20 до 40%. Смолы отличаются от асфальтенов меньшей степенью конденсированности, меньшей молекулярной массой и большим содержанием водорода. Основными структурными единицами молекул смол являются конденсированные циклические системы, содержащие ароматические, циклопарафиновые, гетероциклические кольца, которые соединены между собой сравнительно короткими алифатическими мостиками. В их состав входят кроме углерода (79–87%), водорода (8,5– 9,5%), кислорода (1–10%), серы (до 2%) многие другие элементы, включая металлы (Fe, Ni, V, Cr, Mg, Co и др.) [2, 16, 17]. Углеродный скелет молекул смол – полициклическая система, состоящая преимущественно из конденсированных ароматических колец с алифатическими боковыми цепями. Число углеродных атомов в соединениях, составляющих смолы, доходит до 80–100. По сравнению с асфальтенами смолы имеют большое число и длину боковых алифатических цепей [14, 19]. Переход от смол к асфальтенам сопровождается дальнейшим повышением доли атомов углерода в ароматических структурах с увеличением степени конденсированности последних. Это подтверждается понижением содержания водорода и возрастанием соотношения С:Н. Число углеродных атомов в соединениях, из которых состоят смолы, достигает 80–100. По сравнению с асфальтенами смолы имеют большие число и длину алифатических цепей. Температура размягчения смол по методу кольца и шара (КиШ) составляет 35–90 С. Асфалътены представляют собой твёрдые хрупкие вещества чёрного или бурого цвета. В отличие от других компонентов битумов они нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения (С5 – С7), а также смешанных полярных растворителях, но легко растворимы в жидкостях с высоким поверхностным натяжением – бензоле и его гомологах, сероуглероде и четырёххлористом углероде. 13 С иб АД И Плотность асфальтенов – более 1г/см3. Элементный состав: углерод – 80–84%, водород – 7,5–8,5%, сера – 4,6–83%, кислород – до 6%, азот – 0,4–1%. Молекулярная масса асфальтенов – 1700–7500. Асфальтены являются продуктом уплотнения циклических соединений, вплоть до создания пространственной структуры. Степень цикличности асфальтенов и соотношение в них ароматических, нафтеновых и гетероциклических колец, о также степень их конденсированности колеблются в широких пределах для асфальтенов различного происхождения. Атомное отношение С:Н для асфальтенов находится в пределах 0,94–1,3, степень ароматичности равна 2,8–4,7. В отдельных случаях содержание гетероатомов в асфальтенах (на 100 атомов углерода) может достигать: 5 атомов серы, 3,2 атома азота и 5 атомов кислорода. При глубоком окислении молекулы асфальтенов уменьшаются. При этом они теряют гибкость, подвижность и рыхлость, ухудшается их растворимость. Этими химическими превращениями объясняется тот факт, что вторичные асфальтены, выделенные из окисленных битумов, характеризуются большими хрупкостью и отношением С:Н, меньшей молекулярной массой и растворимостью, чем асфальтены, содержащиеся в сырье [1, 2, 14]. Масла, смолы и асфальтены – это основные компоненты, от их соотношения зависят строительно-технические свойства битума. Кроме того, в битумах содержатся карбены и карбоиды в количестве 1–3%. Карбены и карбоиды являются высокоуглеродистыми продуктами высокотемпературной переработки нефти и её остатков. Карбены нерастворимы в четырёххлористом углероде, а карбоиды – в сероуглероде. Другими нежелательными компонентами битума являются парафины, которые не только снижают пластичность, но и ухудшают адгезию. Содержание парафинов в битуме может достигать 6–8%. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды – вещества коричнево-серого цвета, густой смолистой консистенции. Асфальтогеновые кислоты легко растворяются в спирте или хлороформе и трудно в бензине. Их плотность – более 1г/см3. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды стабилизируют коллоидную структуру битума. Состав и качество битума зависят от технологии его производства и природы сырья, которая, в свою очередь, зависит от состава 14 С иб АД И нефти. Он (состав) различен для битумов с одинаковой температурой размягчения, полученных из остатков различных нефтей. Отличаются также структура компонентов и свойства готовых битумов, полученных разными технологическими способами. При получении битумов из нефти сырьём являются гудроны первичной переработки нефти и другие продукты вторичных процессов переработки нефтяных остатков (экстракты масляного производства, смолы пиролиза, крекингостатки и др.), в которых концентрируются высокомолекулярные ароматические соединения, смолы и асфальтены. Пригодность нефти ддя получения из неё битума определяется содержанием в ней смол и асфальтенов, что выражается соотношением [2, 14, 20] А+С–2,5П > О, (1.1) где А, С и П – содержание в нефти соответственно асфальтенов, смол и парафинов, % мас. Если левая часть этого неравенства меньше нуля, то нефть считается неблагоприятной для получения из неё битума хорошего качества, а если больше – благоприятной. Структура асфальтенов играет решающую роль и зависит главным образом от технологии получения битумов и незначительно – от исходного сырья. При увеличении степени окисления битумов размеры частиц, определяемых как асфальтены, увеличиваются от нескольких А до нескольких десятков. На качество битумов существенное влияние оказывает характеристика масляного компонента. С возрастанием вязкости масел повышаются температуры размягчения и хрупкости битума, уменьшается пенетрация, растяжимость проходит через максимум. Большую роль играет ароматичность масел. Увеличение ароматичности масляного компонента битума и уменьшение соотношения асфальтены/смолы ослабляют структурную прочность битума. В результате битум теряет вязкостно-эластические свойства, что приводит к понижению температуры размягчения и пенетрации при 0 °С, увеличению растяжимости и уменьшению индекса пенетрации, т.е. к увеличению вязкостно-температурной кривой, повышению температуры хрупкости. Свойства масел и смол битумов зависят от природы нефти. С увеличением содержания парафина в битуме понижаются плотность и коэффициент рефракции масел и смол. Наиболее простая зависимость прослеживается между температурой размягчения и составом битумов. В первом приближении мож- 15 иб АД И но считать, что температура размягчения повышается с повышением концентрации асфальтенов. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы образуют соответственно золь, золь-гель и гель структуру. Для разрушения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с большим содержанием асфальтенов имеют более высокую температуру размягчения. Пенетрация (глубина проникновения иглы) увеличивается с повышением содержания масел, особенно при увеличении концентрации низкомолекулярных ароматических масел, и почти не зависит от содержания смол. При этом наблюдается понижение температуры хрупкости. Зависимость вязкости от группового химического состава практически аналогична зависимости пенетрации и температуры размягчения: при понижении соотношения масла/асфальтены она увеличивается. Растяжимость битумов при 25 °С обычно выше 100 см при отношении парафино-нафтеновые/асфальтены, равном 2,3. Понижение этого отношения приводит к резкому уменьшению растяжимости до нуля, а повышение – к постепенному уменьшению. 1.3. Структурные типы битумов С По структуре битум представляет собой коллоидную систему: дисперсионной средой являются масла, а дисперсной фазой – мельчайшие коллоидные частицы. Каждая коллоидная частица имеет ядро из асфальтенов размером 18–20 мкм, окруженное тонкой оболочкой смол. Коллоидные частицы взаимодействуют между собой через прослойку масел – чем толще эта прослойка, тем слабее взаимодействие, что отражается на консистенции битумов [5, 19]. Поэтому свойства битума зависят не только от состава, но и от структуры и характера взаимодействия входящих в состав дисперсных частиц. Современные представления о нефтяных дисперсных системах и нефтяных битумах изложены в работах выдающихся российских учёных – П.А.Ребиндера, Г.И. Фукса, З.И. Сюняева, Ф. Варфоломеева, Р.Б. Гуна, А.С. Колбановской, Д.А. Розенталя и др. В битумах дисперсионной средой являются мальтены (сумма масел и смол), дисперсной фазой – асфальтены. Устойчивость системы зависит от степени родства мальтенов и асфальтенов, которое с определенным приближением можно расценить как разность между 16 С иб АД И степенью ароматичности (отношение числа атомов углерода, входящих в ароматические структуры, к общему числу углеродных атомов в молекуле) асфальтенов и мальтенов. Чем меньше эта разность отличается от значения 0,13, тем более устойчива система битума, тем медленнее он стареет. Таким образом, для долговечности битума (устойчивости его коллоидной структуры) необходимо наличие ароматических масел и смол. Поэтому лучшим сырьем для получения окисленных битумов являются гудроны, содержащие небольшое количество парафинонафтеновых углеводородов [14]. Элемент нефтяной дисперсной системы (НДС), образовавшийся в результате межмолекулярного взаимодействия отдельных молекул и способный при заданных условиях к самостоятельному существованию, условно называют сложная структурная единица (ССЕ). ССЕ состоит из ядра и адсорбционно-сольватной оболочки. ССЕ в НДС образуются за счет межмолекуляриых взаимодействий, в основе которых лежат ван-дер-ваальсовые силы [6]. Под воздействием внешних факторов размеры ядра и адсорбционно-сольватного слоя ССЕ могут изменяться. При изменении размеров ядра и адсорбционно-сольватного слоя происходит количественное перераспределение углеводородов между фазами, что оказывает значительное влияние на физико-химические свойства НДС. При температурах, близких к температуре кристаллизации в нефтяных системах, сосуществуют ССЕ смолисто-асфальтеновых веществ и высокомолекулярных алканов. ССЕ могут быть первичными (образовавшиеся из зародыша и покрывшиеся адсорбционно-сольватным слоем в результате явления адсорбции) и вторичными (образовавшиеся в результате слияния первичных ССЕ). В конечном итоге НДС получаются полидисперсными. По отсутствию или наличию взаимодействия между частицами битумы, по мнению А.С. Колбановской [19] (рис. 1.1) по своей структуре делятся на гель (I тип), золь-гель (III тип) и золь (II тип). Гель характеризуется наиболее значительными размерами ССЕ, связанными друг с другом в единый сплошной каркас с иммобилизованной дисперсионной средой. Битумы этой структуры содержат, как правило, свыше 25% масс. асфальтенов, менее 24% масс. смол и более 50% масс. углеводородов. При этом доля асфальтенов в общей сумме смолистоасфальтеновых веществ составляет более 0,5, а соотношение количе- 17 С иб АД И ства асфальтенов к сумме количеств смол и углеводородов – более 0,35. Золь – дисперсная фаза битумов представлена ССЕ с минимальными размерами (наименьшая степень ассоциации асфальтенов), не взаимодействующими друг с другом и хаотически распределенными в сплошной дисперсионной среде. Рис. 1.1. Модели дисперсных структур дорожных битумов Битумы этого типа содержат не более 18% асфальтенов, свыше 36% смол и не более 48% углеводородов. Доля асфальтенов в общей сумме асфальтосмолистых веществ составляет менее 0,34, а по отношению к сумме углеводородов и смол – более 0,22. Золь-гель имеет промежуточные размеры и образует промежуточную структуру (желательно для дорожных битумов). 18 С иб АД И Таким образом, в основе классификации структурных типов нефтяных битумов лежит различие в распределении в них ССЕ по размерам. Структурно-механические свойства дисперсных систем называют ещё и реологическими свойствами. Они определяются характером возникающей деформации под действием приложенного напряжения. Жидкости, вязкость которых не зависит от приложенного напряжения сдвига, называются ньютоновскими. Жидкости, не обладающие при этом постоянной вязкостью, называют неньютоновскими, или аномальными. По реологическим свойствам битумы делят на три типа [19]. К первому типу относят вещества, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняются закону Ньютона. Для таких битумов с момента наступления деформации скорость течения постоянна и пропорциональна напряжению сдвига. После снятия этого напряжения наступает состояние неэластичной упругости (золь). Битумы второго типа – это вещества, у которых при приложенном постоянном напряжении сдвига скорость сдвига после деформации снижается и через некоторое время становится практически постоянной. При удалении напряжения эластичность частично восстанавливается. У битумов третьего типа при постоянном напряжении сдвига в начале деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается, если приложенное напряжение сдвига больше некоторого критического. Основными показателями, определяемыми при исследовании реологических свойств дорожных битумов в диапазоне температур приготовления и укладки смеси, а также эксплуатации покрытия от –60 до +180 С, являются вязкость и такие характеристики битума, как модуль упругости, модуль деформации и др. Поведение битумов под действием внешних деформирующих сил определяется комплексом механических свойств. К этим свойствам относятся вязкость, упругость, пластичность, хрупкость, усталость (изменение свойств под воздействием нагрузки), ползучесть и прочность. 19 С иб АД И Каждое из этих свойств находится в зависимости от температуры и характера напряженного состояния и связано с молекулярными взаимодействиями и наличием структуры. Вязкость определяется методами вискозиметрии, акустики; о ней можно судить по пенетрации, температуре размягчения и температуре хрупкости. Величину вязкости битума необходимо знать при температурах приготовления битумоминеральных смесей и их укладке в покрытие в диапазоне 30–160 °С. Реологические свойства битума не должны значительно изменяться при его разогреве в котлах, приготовлении и укладке смеси, а также в течение длительного срока службы в асфальтобетонных и других покрытиях. Битумы представляют собой специфические нефтяные дисперсные системы. Как реологические тела дисперсные системы могут считаться квазиоднородными, то есть статистически однородными. Это условие связано с предположением, что даже при ничтожных концентрациях число частиц достаточно велико, причем их размеры и распределение в среде постоянны [19]. В результате исследования реологических свойств битумов установлено, что в зависимости от степени теплового воздействия или от величины приложенных напряжений сдвига они обладают различными физико-механическими свойствами. Существует зависимость свойств битумов от температуры. Такая зависимость характерна для удельного объема, теплоемкости, диэлектрической проницаемости и др. Наиболее приемлемыми для дорожных покрытий являются битумы третьего типа. Их физико-химические свойства регламентируются ГОСТ 22245–76. В связи с этим технологический режим производства должен обеспечивать получение улучшенных дорожных битумов, соответствующих третьему типу. Это умеренная подача сжатого воздуха на окисление сырья, температура окисления 230–250 °С, непрерывность процесса, умеренное содержание масляной части в сырье и др. 1.4. Основные свойства битумов Ниже приведены основные физико-химические свойства битумов, необходимые для расчётов оборудования при проектировании технологий их производства [7, 11, 12]. 20 С иб АД И Плотность является одной из важных характеристик битума. Она зависит от химического состава битума: увеличение содержания ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания насыщенных соединений – уменьшает. Плотность при 20 °С битумов составляет 1,00–1,04 г/см3. Плотность битумов определяют по плотности его смеси с равным объемом растворителя известной плотности ареометром или пикнометром. Плотность битума также можно определить методом взвешенных капель и капельно-пикнометрическим методом. Плотность является весьма важной характеристикой битума, так как по ней судят о происхождении битума. Окисленные битумы из остатков высокосмолистых нефтей имеют бóльшую плотность при одинаковой температуре размягчения, чем битумы из высокопарафинистых нефтей. Плотность остаточных битумов возрастает с увеличением отбора масел. Плотность битумов повышается по мере увеличения глубины окисления и повышения температуры размягчения. Плотность битумов зависит от их химического состава: увеличение содержания ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания насыщенных соединений – уменьшает. Температура вспышки битума и гудрона составляет обычно более 230 °С. По этому показателю судят о наличии низкокипящих фракций в сырье и готовом битуме, а следовательно, об их взрыво- и пожароопасности в процессе производства и применения битума. Вязкость более полно характеризует консистенцию битумов при различных температурах применения по сравнению с пенетрацией и температурой размягчения. Желательно, чтобы битум при прочих равных показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной температуре применения и имел как можно более пологую вязкостно-температурную кривую. Повышение температуры влияет на вязкость различных битумов неодинаково, это зависит от происхождения битума и технологии его производства. Важнейшими свойствами дорожных битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости, свойство адгезии, обусловливающее способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей [19]. Основной характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость – сопротивление внутренних слоев 21 С иб АД И битума перемещению относительно друг друга [19]. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Пас) или выразить ее в условных единицах. Вязкость является важнейшей реологической характеристикой, изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава и температуры. Наиболее существенное влияние на вязкость битума оказывает количественное соотношение асфальтенов и масел. С увеличением количества асфальтенов вязкость повышается, и наоборот. Жидкие битумы, характеризующиеся жидкотекучим состоянием при положительных температурах, имеют сравнительно небольшую вязкость, во много раз меньшую, чем у вязких дорожных битумов. Вязкостью битума определяются свойства асфальтобетона, важного композиционного материала на основе битума, в весьма широком температурном интервале. Дня получения долговечного покрытия важно, чтобы вязкость битума в меньшей степени изменялась в интервале температур, при которых протекает работа дорожных покрытий. Коэффициент теплопроводности. Для всех битумов он практически одинаков и незначительно уменьшается с возрастанием температуры. Так, при 0 °С он равен 0,13–0,145 ккал/(мчград), при 20 °С – 0,125–0,135 ккал/( мчград), при 40 °С – 0,12–0,13 ккал/( мчград). Для расчета теплообменной аппаратуры его рекомендуется принимать не более 0,10 ккал/ (мчград). Поверхностное натяжение битумов при температуре 25 °С составляет 24–34 дин/см. Чем больше величина поверхностного натяжения на границе «битум–воздух», тем более крупные пузыри воздуха находятся в реакторе, тем больше скорость их всплывания и, следовательно, тем меньше поверхность контакта воздуха с сырьем, хуже масcопередача и больше продолжительность процесса окисления. Растворимость. Битумы растворяются в большинстве органических растворителей, кроме низкомолекулярных спиртов. Избирательность растворителей влияет на состав извлекаемых асфальтенов, что важно при их разделении на узкие фракции. По рас- 22 С иб АД И творимости в органических растворителях, помимо зольности и температуры вспышки, судят о чистоте битума. К числу основных свойств дорожных битумов, определяющих их поведение в процессе эксплуатации, относят прочностные, пластичные, низкотемпературные и адгезионные. Только уровень и оптимальное сочетание этих свойств позволяют судить об эксплуатационных свойствах этих битумов, степени долговечности и изготавливаемых с их применением асфальтобетонных покрытиях. К числу показателей, характеризующих прочностные свойства твёрдых дорожных битумов, следует, согласно требованиям ГОСТ 22245–90, отнести: глубину проникания иглы (пенетрацию), 0,1мм; температуру размягчения по методу кольца и шара (КиШ), С; индекс пенетрации. Пенетрация (ГОСТ 11501–78) фиксирует глубину проникания стандартной иглы в битум при определенном режиме (температуре и иагруженности усилия). Его значение для конкретного образца дорожного битума является первичным с точки зрения отнесения к той или иной стандартной марке [15]. Пенетрация – условная величина, характеризующая вязкость и твердость битума. Испытание заключается в измерении глубины погружения иглы в образец битума при температуре +25 С в течение 5 с под нагрузкой 100 г. Глубину проникания определяют при помощи прибора пенетрометра. Принцип измерения пенетрации представлен на рис. 1.2. Устройство пенетрометра представлено на рис. 1.3. Масса иглодержателя с иглой и грузом – 1000,25 г. Для проведения испытания расплавленную пробу битума заливают в металлическую чашку на высоту не менее 30 мм и охлаждают на воздухе до температуры 18–20 °С. Затем чашку с битумом выдерживают в течение одного часа в ванне с водой при температуре 25 °С. Индекс пенетрации (расчётный показатель) достаточно точно характеризует структурный тип исследуемого образца битума. Этот показатель в современной научной и производственной практике рассчитывают как величину, определяемую из соотношения ИП=30/(1+50А), (1.2) где А=(2,9031–lgП25 )/(tр –25), здесь П25 – глубина проникания иглы в битум при 25 °С, 0,1мм; tр – температура размягчения битума, С. 23 И Индекс пенетрации характеризует температурную чувствительность битумных вяжущих. Рис. 1.2. Принцип проведения испытания на пенетрацию С иб АД Значение температуры размягчения битума (ГОСТ 11506–73) – это важнейший показатель, определяющий температуру его фазового перехода из связно-дисперсного в свободно-дисперсное состояние [18]. Следовательно, значение температуры размягчения для данного образца дорожного битума можно считать критическим с точки зрения определения верхней границы температурного диапазона сдвигоустойчивости асфальтобетонного покрытия, изготовленного с его использованием в процессе эксплуатации. Температура размягчения определяется на приборе «Кольцо и шар» (КиШ). Схема измерения приведена на рис. 1.4. Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в пределах от 20 до 95 °С. 24 Рис. 1.3. Пенетрометр: 1– металлический штатив; 2 – подставка; 3 – столик; 4 – стопорная кнопка; 5 – верхняя часть штатива; 6 – зубчатая рейка; 7 – нижняя часть штатива; 8 – иглодержатель; 9 – игла; 10 – циферблат С иб АД И Испытание проводят на приборе «Кольцо и шар» (рис. 1.5). Оно заключается в определении температуры, при которой битум, находящийся в кольце заданных размеров, размягчается и под действием веса стандартного металлического шарика выдавливается на определенную глубину. Для проведения испытания расплавленный битум заливается в два кольца прибора. Кольца при заливке устанавливают в горизонтальное положение на стеклянной пластинке, покрытой тонким слоем талька с глицерином. Битум заливают так, чтобы он возвышался над кольцами на 1,5– 2 мм, а после охлаждения до 25 оС излишки битума срезают горячим ножом. Кольца вставляют в гнезда средней полки прибора. В отверстие полки прибора вставляют термометр так, чтобы его нижний конец оказался на уровне колец. В центре каждого кольца с битумом укладывают по одному стальному шарику диаметром 9,5 мм и массой 3,5 г. После такой подготовки подвеску с кольцами и шариками устанавливают в термостойкий стакан с водой (температура воды 5 оС). Стакан помещают на песчаную баню и начинают нагревать со скоростью 5 град/мин. По мере нагревания битум размягчается и продавливается шариком. Рис. 1.4. Принцип проведения испытаний температуры размягчения методом КиШ Для каждого кольца и шарика отмечают температуру, при которой выдавливаемый шариком битум коснется контрольного диска (осно- вания) прибора. Полученные результаты заносят в журнал испытаний. 25 С иб АД И За температуру размягчения битума принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений, округленных до целого числа. Пластичные свойства битумов, т.е. их способность к деформационным изменениям при стандартных нагрузках и напряжениях без разрушения структуры и потери сплошности, определяются значениями их растяжимости или дуктильности. Следует также отметить, что, например, низкие значения этого показателя (менее 50 см при 25 °С) не всегда однозначно свидетельствуют о низких эксплуатационных свойствах данного дорожного битума. Растяжимость битумов при 25 °С (ГОСТ 11505–75) характеризует степень структурированности и, следовательно, тип дисперсной структуры битума. Низкие значения показателя растяжимости при 25 С свидетельствуют об усилении склонности битума к старению в процессе эксплуатации. Таким образом, работоспособность органических вяжущих материалов определяется, с одной стороны, температурой, а с другой – напряженным состоянием, возникающим в тонких пленках вяжущего в процессе приготовления, укладки и уплотнения органоминеральных смесей, а в процессе эксплуатации покрытий – при одновременном воздействии температурных напряжений, динамических (при движении автомобилей) и статических (при торможении автомобилей) нагрузках. Пластичность является важным свойством битумов. Она Рис. 1.5. Прибор для определения повышается с увеличением сотемпературы размягчения битума: держания масел, длительности 1 – термометр; 2 – шарик; действия нагрузки и повышением 3 – стакан с водой; 4 – горелка; 5 – шарик с битумом температуры. Пластические свойства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) – способностью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе при темпера- 26 С иб АД И турах испытания 25 и 0 °С. Показателем растяжимости служит длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содержания смол и асфальтенов пластичность при постоянной температуре битумов возрастает. Дуктильность характеризует степень структурированности битумов. Дуктильность при 0 оС характеризует пластичность при низкой температуре и косвенно устойчивость к образованию температурных трещин. Дуктильность при 25 °С характеризует степень структурированности вяжущих. Низкие значения дуктильности при 25 °С свидетельствуют об их недостаточной устойчивости к старению [18]. Растяжимость зависит от химического состава битума и его температуры. Как уже отмечалось, носителями эластичности битумов являются смолы. Для однородных битумов (по источнику сырья и технологии переработки) существует определенная зависимость между вязкостью и растяжимостью: чем больше вязкость, тем меньше растяжимость. С растяжимостью битума (при низких температурах) тесно связано одно из важнейших свойств асфальтобетона – его деформативная способность при этих температурах, когда асфальтобетонное покрытие испытывает значительные растягивающие усилия. Недостаточная деформативная способность приводит к быстрому разрушению асфальтобетона, в дорожных покрытиях появляются трещины. В связи с этим наиболее показательным является определение растяжимости битумов при низких температурах, например при 0 °С [19]. Для вязких дорожных битумов растяжимость при температуре 25 °С колеблется в пределах от 40 до 65 см и выше. Следует, однако, признать, что сопоставление поведения дорожных покрытий с показателем растяжимости битумов при температуре 25 °С не позволяет с достаточной достоверностью оценивать качество битумов по этому показателю [17]. Товарные свойства битумов определяются концентрацией дисперсной фазы (асфальтенов), компонентным составом дисперсионной среды (мальтенов) и степенью их ароматичности. Температура размягчения повышается с повышением концентрации асфальтенов в битуме [19]. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы образуют соответственно золь, золь-гель или гель-структуры. Для разрушения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с 27 С иб АД И большим содержанием асфальтенов, имеющие гель-структуру, имеют более высокую температуру размягчения. Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости. Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем на латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на тонком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от –20 до +5 °С. Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостойкость и выше качество. Хрупкость битума, следовательно, и хрупкость асфальтобетона отрицательно сказываются на эксплуатационных свойствах дорожных покрытий: повышается склонность к образованию трещин, к деформациям и разрушениям, связанным с выкрашиванием покрытия. Поэтому температура хрупкости является важной характеристикой битумов. Чем ниже температура хрупкости, тем больше температурный интервал, в котором битум находится в вязкопластичном состоянии, а следовательно, тем лучше и его дорожно-эксплуатационные свойства. Температура хрупкости зависит от вязкости битума и свойств исходного сырья. Для битумов, полученных из однородного сырья, увеличение вязкости приводит к повышению температуры хрупкости, и наоборот. Большое влияние на температуру хрупкости оказывает содержание в битуме парафина [1]. Температура хрупкости и пенетрация зависят в большей степени от свойств дисперсионной среды. Температура хрупкости битума, как и температура размягчения, повышается с увеличением дисперсной фазы (асфальтенов), так как их жесткий каркас становится хрупким. С другой стороны, повышается температура хрупкости, потому что уменьшается количество дисперсионной среды и повышается температура перехода ее в твердое состояние. Температура хрупкости характеризует момент, когда вся система теряет пластичность, становясь аморфным твердым телом. Пенетрация, будучи по существу параметром вязкости, также характеризует изменение пластичности среды в зависимости от изменения ее количества и состава. 28 И Существенной особенностью битумов является их достаточно высокая адгезия – прилипание к поверхности различных минеральных и органических материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов [1, 17, 19]. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума (5 баллов) в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в 1 балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды. Весьма важным показателем качества битума является его температурный интервал работоспособности – разность показателей температур размягчения и хрупкости. Для России требуемый температурный интервал работоспособности составляет более 110 °С. иб АД 1.5. Старение битумов С Одной из причин появления в дорожном покрытии трешин, сдвигов, шелушений и выбоин является старение битума. Под старением битума понимают всю совокупность обратимых и необратимых изменений его химического состава и структурно-механических свойств, происходящих в процессе его хранения, технологической переработки и эксплуатации. Различные аспекты старения битумов изучали С.И. Гельфанд, А.С. Колбановская, B.C. Горшков, А.И. Лысихина, И.А. Уск, А.Р. Давыдова и др. Рассматривая изменение свойств битума и битумоминеральных материалов во времени, можно отметить два основных периода. До определенного времени процессы старения могут быть охарактеризованы лишь как процессы упрочнения структуры: улучшается сцепление битума с поверхностью минеральных зерен (кислотное число у битума возрастает), вследствие чего повышается коррозионная устойчивость асфальтобетона. Повышение вязкости битума в этот период приводит к повышению прочности и деформационной устойчивости асфальтобетона. Затем наступает период, к которому уже с полным правом применим термин «старение»: в связи с повышением хрупкости битума, связанным с глубокими изменениями его структуры, наблюдается усиленное разрушение покрытия. 29 С иб АД И Битумы, как и битумоминеральные композиции, различаются по соотношению продолжительности этих периодов. В наиболее устойчивых против старения битумах первый период длится достаточно долго и практически соизмерим со сроками службы асфальтобетонных покрытий. Для покрытий с битумами, не устойчивыми против старения, уже через год-два может наступить период интенсивного старения. Недостаточной устойчивостью к старению отличаются битумы, полученные окислением продуктов термического крекинга нефти. Отмечается влияние на интенсивность старения и температуры, при которой происходит окисление битумов. При прочих равных условиях битумы, окисленные при более высоких температурах, менее устойчивы к процессам старения. Сопоставляя склонность к старению битумов различных структурных типов, А.С. Колбановская отмечает, что наибольшей склонностью к изменению свойств под действием температуры отличаются битумы I структурного типа. К числу основных факторов, вызывающих такое старение, относят [14, 19]: взаимодействие компонентов битума с кислородом воздуха и водой; температурные колебания; каталитическое действие поверхностей минеральных материалов и металлорганических соединений битума; воздействие инфракрасного и ультрафиолетового излучения; механические нагрузки. Таким образом, именно химические процессы, протекающие при старении битумов, и являются основой всего комплекса изменений свойств битумов. Обычно химические превращения в битумах сводятся к образованию высокомолекулярных продуктов конденсации и низкомолекулярных продуктов отщепления радикалов и заместителей в сложных молекулах. Основные процессы, вызывающие необратимые изменения состава и свойств битумов: испарение летучих компонентов в тонком поверхностном слое, определяемое температурой и вязкостью битума; полимеризация, связанная с воздействием катализаторов (металлов и минеральных материалов) и температуры; 30 С иб АД И полимеризация компонентов под действием светового излучения; поликонденсация соединений с отщеплением водорода и образованием виды. Известно, что в битумах любого состава в процессе старения происходит увеличение содержания асфальтенов. Чем выше содержание асфальтенов в битумах, тем меньшим изменениям подвергается их состав в процессе старения при прочих равных условиях. Необходимо также понимать, что на скорость и глубину превращений компонентов битумов в процессе старения значительно влияет их дисперсная структура. Так, в битумах со структурой типа золь рост содержания асфальтенов выше, чем в битумах типа зольгель или гель. В них также наиболее значительно изменение содержания ароматических углеводородов в процессе старения. Изменение содержания парафинонафтеновых углеводородов во всех битумах при старении незначительно. Обобщая происходящие в процессе старения битумов химические изменения, можно отметить ряд общих закономерностей: уменьшение объёма дисперсионной среды за счет уменьшения количества масляной части при практически неизменном количестве смол; увеличение объёма дисперсной фазы за счёт роста концентрации асфальтенов; увеличение содержания ароматических и кислородсодержащих структур (но данным ИК-спектров); происходит частичное превращение асфальтенов в карбены и карбоиды; интенсивность химических превращений со временем ослабевает. Происходящие в процессе старения изменения состава и соотношения объёмов дисперсионной среды и дисперсной фазы битумов приводят к их структурным изменениям. Как правило, эти структурные изменения сопровождаются появлением коагуляционной сетки из вновь образовавшихся из смол асфальтенов, наряду с развитием всей пространственной структуры асфальтенов. При этом структура типа золь переходит сначала в структуру типа золь-гель, а затем – в структуру типа гель. 31 С иб АД И Старение битума в составе асфальтобетонного покрытия неизбежно ставит вопрос о возможности восстановления его эксплуатационных характеристик, т.е. его регенерации. Экономически целесообразным и достаточно эффективным способом регенерации свойств битумов сегодня признан процесс введения в состав отработанных асфальтобетонных смесей специальных регенерирующих добавок. Принцип их действия основан на восстановлении соотношения объёмов и состава дисперсной фазы и дисперсионной среды. Следуя этому принципу, такие добавки представляют собой специальные компаунды, которые содержат как пластифицирующий компонент (например, гудроны или ароматизированные тяжёлые газойли), так и структурирующий (например, крекинг-остатки или резиновая крошка). Большое влияние на свойства битумных композиционных материалов оказывает активность битума, которая в дальнейшем определяет его способность к прочному сцеплению с поверхностью минеральных частиц. Битумы обычно содержат некоторое количество поверхностно-активных соединений, относящихся к группе анионактивных: асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Поверхностноактивные соединения этого типа обеспечивают хорошее сцепление битума с минеральными материалами карбонатных или основных горных пород. В зависимости от количества содержащихся поверхностноактивных соединений (характеризующегося так называемым кислотным числом) битумы могут быть отнесены к активным или неактивным. Битумы марок БНД, отвечающие требованиям ГОСТ 22245, как правило, активны. Недостаточная активность битумов в необходимых случаях, о которых сказано ниже, компенсируется добавками поверхностно-активных веществ. Особого внимания требует обеспечение прочного сцепления битума с минеральными материалами кислых горных пород. Контактные зоны битума с подобными минеральными зернами – наиболее уязвимые места с точки зрения коррозионной устойчивости асфальтобетонных покрытий. Под воздействием атмосферных факторов (температуры, света, воздуха и воды) происходят изменения физических свойств и химического состава битумов. Прежде всего, это касается увеличения количества асфальтенов, сопровождающегося нарастанием вязкости и повышением хрупкости битумов. Степень изменения свойств битумов с течением времени различна и зависит от их природы, вязкости, ком- 32 С иб АД И понентного состава, свойств структурообразующих компонентов (особенно асфальтенов), интенсивности воздействия атмосферных агентов, температурного режима процесса приготовления асфальтобетонных смесей. Старение битума вызывает старение асфальтобетона. Повышенная хрупкость этого материала обусловливает возникновение большого количества трещин в дорожных покрытиях, усиливает процесс их коррозионного разрушения. Влияние нагрева битума. Длительный нагрев или нагрев при высокой температуре может вызвать глубокие изменения структуры битума, нередко сопровождающиеся потерей вяжущих свойств. Такие глубокие изменения связаны преимущественно с происходящими в битуме процессами окисления и полимеризации и в меньшей степени зависят от испарения легких фракций. В результате длительного нагрева наблюдаются значительные изменения свойств у более вязких битумов. Степень изменения свойств битума зависит от ряда факторов: температуры и продолжительности нагрева; отношения объема нагреваемого битума к его свободной поверхности (доступной действию кислорода воздуха); разновидности битума (по вязкости, исходному сырью, технологии получения). При производстве асфальтобетонных смесей должны строго выдерживаться температура и длительность нагрева битума в битумоплавильных котлах, а также температура асфальтобетонных смесей, устанавливаемая в зависимости от особенностей применяемого битума. В этой же связи необходимо отметить следующее. Битумы, подвергавшиеся длительному нагреву при высоких температурах, с одной стороны, претерпевают существенные изменения свойств, регистрируемые непосредственно после этого, а с другой стороны, такие битумы оказываются, как правило, менее стойкими против старения в процессе эксплуатации. Большие изменения свойств битума происходят при его нагреве в присутствии минеральных материалов. В этом случае некоторые минеральные материалы выполняют роль катализаторов, в присутствии которых окислительные реакции протекают более интенсивно. Наряду с созданием битумов, устойчивых против старения, весьма перспективным направлением в этой области является разработка антиокислителей (ингибиторов), способствующих торможению процессов старения битума. Ингибиторы способны обрывать цепи 33 окисления и тем самым придавать стабильность битумам, склонным к старению [7]. Контрольные вопросы С иб АД И 1. Какие материалы называют битумами? 2. Каково происхождение битумов? 3. Из каких химических элементов состоят битумы? 4. Какие группы веществ входят в состав битумов? 5. От чего зависит консистенция битумов? 6. По каким показателям испытывают битум, чтобы установить его марку? 7. Какой показатель характеризует твердость битума? 8. Какой показатель характеризует пластичность битума? 9. Какой показатель характеризует теплостойкость битума? 10. Как изменятся глубина проникания иглы в битум и температура его размягчения с увеличением содержания асфальтенов? 11. Как изменятся глубина проникания иглы в битум и температура его размягчения с увеличением содержания масел? 12. Как изменится растяжимость битума с увеличением содержания смол? 13. Какие факторы вызывают наибольшую скорость старения битума? 14. Какой структурный тип битума лучше подходит для дорожного строительства? 34 2. ПРОИЗВОДСТВО НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ 2.1. Классификация способов производства битумов С иб АД И Нефть – горючее ископаемое, представляет собой маслянистую темно-бурую жидкость с присущим ей запахом керосина. Нефть – это сложная непостоянного состава смесь большого числа углеводородов различных классов, а также их соединений с кислородом, серой, азотом. Плотность нефти колеблется от 0,8 до 1 г/см3. Основными химическими элементами нефти являются: углерод – 84–87%, водород – 12–14%, кислород – до 2%, сера – 0,01–7%, азот – до 0,2%. Нефти различных месторождений неодинаковы по составу и свойствам. В зависимости от содержания основных образующих углеводородов нефти разделяются на метановые, нафтеновые, ароматические и при смешанных составах – метанонафтеновые и нафтеноароматические. Вместе с указанными углеводородами в нефти содержатся их кислородные, азотистые и сернистые соединения. В зависимости от содержания асфальтосмолистых веществ нефти разделяют на высокосмолистые – асфальтосмолистых веществ более 20%, смолистые – 8–20% и малосмолистые – 6–8%. По содержанию твердых парафинов нефти подразделяют на: высокопарафиновые – более 6%, парафиновые – 2–6%, малопарафиновые – менее 2%. Нефти по составу и свойствам применительно к технологии их переработки разделяются на: а) легкие с большим содержанием светлых продуктов; б) тяжелые, высокосмолистые с малым содержанием светлых продуктов. В зависимости от состава нефти (содержания легких и тяжелых продуктов) применяются две схемы (варианта) ее переработки: топливная и масляная [6, 18]. При топливном варианте используется нефть, богатая легкими составляющими, позволяющими получить из нее в большем количестве бензин, керосин, лигроин (рис. 2.1). При масляном варианте применяется тяжелая нефть, содержащая масляные и смолистые компоненты и позволяющая получить масляные продукты. Переработка нефти осуществляется на нефтеперерабатывающих заводах и имеет целью выделить из ее состава топливо, смазочные материалы, а также получить ряд других важных для народного хозяйства продуктов. Технологические процессы переработки нефти осуществляются в трех основных направлениях: 35 иб АД И 1. Фракционирование (дистилляция) нефти на составляющие группы углеводородов по их температуре кипения или конденсации. Фракционная разгонка нефти заключается в том, что при постепенном нагревании испаряются отдельные фракции углеводородов, которые в дальнейшем подвергают раздельной конденсации паров. Этот процесс дает возможность разделять нефть на фракции в зависимости от температуры их кипения (см. рис. 2.1). С Рис. 2.1. Схема переработки нефти 2. Крекирование – химическое расщепление молекул тяжелой части нефти, в результате чего получают более легкие (бензинокеросиновые) углеводороды и смолистые вещества. При нагревании нефтепродуктов до 425–650 °С при избыточном давлении до 50 кгс/см2 (для удержания углеводорода в жидкой фазе) тяжелые молекулы сложных углеводородов распадаются, образуя более простые (легкие) и устойчивые углеводороды и «осколки» распада – неустойчивые вещества. Последние способны к процессам полимеризации, в результате чего образуются сложные (тяжелые) соединения – асфальтосмолистые вещества. После фракционирования продуктов крекинга нефти выделяются бензинокеросиновые продукты и крекинг-остаток, состоящий из асфальтенов, смол и тяжелых масел. Крекинг-остаток используют как жидкий битум (МГ-40/70, 36 С иб АД И МГ-70/130), реже он служит сырьем для изготовления вязких дорожных крекинг-битумов. Выделение масел из нефти ведется под вакуумом. В результате разделения (разгонки) нефти на горючие и смазочные вещества остается смолистый остаток, включающий твердые частицы – гудрон. Он является сырьем для дальнейшего получения вязких битумов, но может использоваться и непосредственно как жидкий битум. Доказано, что эффективнее получать вязкие битумы из тяжелых смолистых нефтей, содержащих остаточную массу (гудрон) 7...8 %, тогда как в легких нефтях – до 1%. 3. Специальные виды переработки отдельных частей фракций нефти с целью получения ряда нефтепродуктов. К специальным видам переработки отдельных частей нефти относится селективная очистка дистиллятного масляного сырья фенолом, фурфуролом, смесью фенола с креозилом. После регенерации растворителя из остатка получают жидкий битум, который в дальнейшем используют как добавку к другим остаткам (битумам деасфальтизации или остаточным битумам), к гудрону при его окислении на битум для получения требуемой вязкости. Производство нефтяных битумов. Существующие технологии производства битумов основаны на воздействии на нефтепродукт высокой температуры, разрежения воздуха, кислорода, пара, различных растворителей, поверхностно-активных и полимерных веществ, с помощью которых происходит формирование химического состава и структуры битума, а следовательно, его физикомеханических свойств. Для получения битумов, отвечающих определенным требованиям, большое значение имеет правильно выбранный технологический процесс производства с учетом свойств нефти. Для производства нефтяных битумов применяют четыре основных способа, отдельно или в сочетаниях [6, 14, 18]: вакуумная перегонка – получают остаточные битумы глубоким отбором от мазута масляных фракций на вакуумных установках, в результате чего внизу колонны образуется тяжелый нефтяной остаток, удовлетворяющий требованиям на некоторые марки вязких битумов; деасфальтизация масел избирательными растворителями; окисление гудрона или смеси гудрона с другими нефтепродуктами; 37 компаундирование (смешение) различных нефтепродуктов, имеющих различные химический состав и свойства, с целью по лучения битума в соответствии с заданными требованиями. Чаще всего по этой технологии производится глубокое окисление гудрона до получения битума с высокой вязкостью, а затем разжижение переокисленного битума более легким нефтепродуктом. Сырьем для вакуумной перегонки обычно служит мазут или гудрон, для деасфальтизации и окисления – гудрон. Товарные битумы получают как непосредственный продукт того или иного процесса или компаундированием продуктов разных процессов либо одного и того же процесса. И 2.2. Получение битумов вакуумной перегонкой С иб АД Основное назначение процесса вакуумной перегонки мазута – получение дистиллятных фракций для установок каталитического крекинга и производства масел. Остаток достаточно глубокой вакуумной перегонки – битум – получается здесь не как целевой, но необходимый продукт [14, 15]. Вакуумная перегонка применяется также при подготовке сырья для других процессов производства битумов. Сырьем для производства остаточных битумов служат мазуты, гудрон, а также другие смолистые остатки, образующиеся при атмосферно-вакуумной перегонке сырой нефти. При атмосферновакуумной перегонке высокосмолистой нефти (как остаток после отбора топливных и масляных фракций) получают остаточный битум. При перегонке нефти с меньшим содержанием смолистых веществ получают менее вязкий остаток по свойствам, отвечающим требованиям на жидкий дорожный битум СГ-70/130, СГ-130/200. Сырье вакуумной перегонки представляет собой сложную смесь органических и гетероорганических соединений разных гомологических рядов [9]. Такое многообразие составляющих компонентов обуславливает практически непрерывное выкипание сырья при повышении его температуры. Обычным сырьем вакуумной перегонки является остаток атмосферной перегонки нефти – мазут. Его нагревают в печи, подвергают однократному испарению и в виде парожидкостной смеси подают на фракционирование в ректификационную колонну. 38 С иб АД И Перегонку в вакууме проводят во избежание разложения сырья из-за воздействия высоких температур. Снижение давления обеспечивает понижение температур кипения всех компонентов мазута. В результате при сравнительно низких температурах процесса перегонки, при которых еще не происходит крекинг, можно отобрать дополнительные количества дистиллятных фракций. Схема и режим процесса вакуумной перегонки. Мазут, нагретый в трубчатой змеевиковой печи, подают в зону испарения вакуумной колонны, а в нижнюю часть колонны и в змеевик печи вводят перегретый водяной пар [9, 14]. Паровое орошение в нижней части колонны создается в результате отпаривающего эффекта водяного пара. Жидкостное орошение в верхней части колонны создается в результате конденсации и рециркуляции части дистиллятов. Выходящая с верха колонны смесь газов и водяных паров поступает в барометрический конденсатор, где за счет конденсации холодной водой водяных паров создается разрежение. Дополнительным оборудованием для создания вакуума являются паровые струйные эжекторы, куда поступают несконденсировавшиеся газы из барометрического конденсатора. Схема процесса вакуумной перегонки мазута представлена на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схема процесса вакуумной перегонки мазута: 1 – трубчатая печь; 2 – вакуумная колонна; 3 – барометрический конденсатор; 4 – паровой эжектор; 5 – колодец 39 С иб АД И Важными параметрами работы вакуумной колонны являются температура и давление. Для повышения эффективности процесса сырье нагревают, как было отмечено, до возможно более высокой температуры. Верхний предел температуры ограничивается опасностью крекинга и зависит от вида перерабатываемой нефти. Обычно температура на выходе из печи не превышает 400 ºC, а доля отгона составляет 50–70%. За счет тепловых потерь и дополнительного испарения в трансферной линии и зоне питания температура в зоне питания снижается примерно на 25 °С. Давление в зоне питания колонны находится в пределах 4,65–9,30 кПа, а в верхней части – около 2,70 кПа. Вакуум в системе зависит от температуры воды, используемой в конденсаторах (барометрических или поверхностных). В указанных условиях отгоняются дистилляты с температурой кипения до 570 ºC. Получающийся при этом битум имеет пенетрацию, зависящую от свойств исходной нефти. Для одновременного обеспечения необходимых показателей качества как дистиллята, так и остатка обычно с тарелок, расположенных над зоной питания колонны, выводят небольшое количество промежуточной фракции. Эту фракцию возвращают в процесс, частично смешивают с остатком или используют в качестве компонента котельного топлива. Водяной пар в процессе вакуумной перегонки не только исполняет роль отпаривающего агента, но и способствует турбулизации потока сырья, нагреваемого в печи. Однако применение водяного пара обусловливает дополнительные затраты на собственно водяной пар, используемый в процессе, и на энергетический водяной пар (для эжекторов), а также на дополнительное количество охлаждающей воды, необходимой для конденсации технологического и энергетического водяного пара, и на топливо, необходимое для перегрева пара. В связи с этим разработан процесс так называемой «сухой» вакуумной перегонки, при которой не используется водяной пар в отличие от традиционной «мокрой» вакуумной перегонки. Двухступенчатая вакуумная перегонка. Для углубления отбора дистиллятов применяется двухступенчатая вакуумная перегонка, причем часто основное назначение второй ступени – получение битумов [9, 14]. В последнем случае вторая ступень может быть запроектирована для переработки только части остатка первой ступени. 40 иб АД И Углубление отбора дистиллятов при сохранении нужной четкости ректификации достигается при уменьшении числа тарелок между зоной испарения и вакуумсоздающей аппаратурой в каждой колонне. В результате уменьшаются потери давления на тарелках и снижается остаточное давление в зоне испарения. В то же время общее число тарелок в двух колоннах оказывается достаточным для разделения. С Рис. 2.3. Схема двухступенчатого процесса вакуумной перегонки: 1, 2 – вакуумные колонны I и II ступеней перегонки; 3 – трубчатые печи; 4 – холодильник; 5 – вакуумсоздающее оборудование; 6 – конденсатосборники В первой вакуумной колонне вакуум относительно невысокий, в зоне испарения остаточное давление составляет 15–25 кПа. Температура, до которой нагревается мазут в печи первой ступени, также невысока – 385 °С. Остаток перегонки, полученный в первой колонне, – гудрон – подвергают дополнительному нагреву до 390–430 °С и направляют на вторую ступень вакуумной перегонки (рис. 2.3). Во второй вакуумной колонне поддерживается глубокий вакуум. Так, давление в зоне питания (испарения) составляет 7–18 кПа, а наверху – около 8 кПа. В связи с высокими температурами в этой колонне во избежание крекирования остатка осуществляют квенчинг – возврат части охлажденного остатка в низ колонны. Расход водяного пара на первой ступени вакуумной 41 перегонки составляет примерно 2,5 %, а на второй – 3,3% в пересчете на исходный мазут. На обеих ступенях перегонки в среднем отбирается одинаковое количество дистиллятов. В целом отбор дистиллятных фракций при использовании двухступенчатой схемы увеличивается по сравнению с одноступенчатой примерно на 2% в пересчете на нефть. Битум при этом получается более твердым. 2.3. Технология производства битумов деасфальтизации С иб АД И Деасфальтизация – извлечение смолисто-асфальтовых веществ из нефтепродуктов при помощи растворителей – получила большое развитие на заводах нефтеперерабатывающей промышленности. Основное назначение процесса деасфальтизации гудрона парафинами (чаще пропаном, иногда бутаном или пентаном) – получение деасфальтизата, являющегося сырьем для производства масел и установок каталитического крекинга и гидрокрекинга. Остаток деасфальтизации в некоторых случаях соответствует требованиям стандарта на битум, а чаще его используют как компонент сырья битумного производства [9, 18, 15]. Для деасфальтизации чаще всего применяется сжиженный пропан. Процесс получения битумов при деасфальтизации нефтепродуктов проводится по следующей схеме (рис. 2.4). Гудрон или полугудрон (при температуре 120–150 °С) прокачивается насосом 4 через паровые теплообменники 5, где он нагревается до требуемой температуры и поступает в деасфальтизационную колонну 1 немного выше ее середины [19]. Сжиженный растворитель-пропан в соотношении 5:1 к гудрону из емкости 1 забирается насосом 2 и после прохождения через другой паровой теплообменник 3 вводится в нижнюю часть деасфальтизационной колонны. Гудрон, перемещаясь сверху вниз, интенсивно обрабатывается на тарелках колонны восходящим потоком пропана, освобождается от масел, которые растворяются в пропане. Собирающийся в верхней части колонны раствор деасфальтизата в пропане нагревается до 75–85 °С в зоне парового подогревателя, отстаивается и выводится из колонны. Собирающийся при температуре 50–65 °С в нижней части колонны деасфальтизации раствор пропана и смолисто-асфальтовых веществ обрабатывается аналогично раствору деасфальтизата в пропане, но для обеспечения отпаривания и необходимой вязкости пото- 42 С иб АД И ков его нагревают в трубчатой печи до более высоких температур – 210–250 °С. После снижения давления примерно до 2,4 МПа, осуществляемого посредством редуктора, нагретый раствор из печи поступает в испаритель 8, где под давлением происходит испарение основной части пропана. Здесь за счет тепла обогрева (например, паром высокого давления) при температуре около 160 °С испаряется основная часть пропана. Отпаривание оставшегося пропана проводится в следующем аппарате – в атмосферной отпарной колонне 9, из низа которой откачивается остаточный продукт, т. е. битум деасфальтизации. Деасфальтизация бензином (начало кипения 22–24 °С, конец кипения 62–65 ºС) принципиально не отличается от деасфальтизации пропаном. Отличия в режиме обусловлены различиями свойств растворителей. При деасфальтизации гудрона получаются битумы с высокой вязкостью (глубина проникания иглы при 25 °С не ниже 40–60 °С). Для получения битумов с меньшей вязкостью принято битум деасфальтизации смешивать с экстрактом селективной очистки масел или гудроном. Рис. 2.4. Схема получения битума деасфальтизацией: 1 – ёмкость с пропаном; 2, 4, 10 – насосы; 3, 5 – паровые теплообменники; 6 – деасфальтизационная колонна; 7 – однотопочная печь; 8 – испаритель; 9 – отпарная колонна Битумы деасфальтизации, а также битумы, полученные разжижением продукта деасфальтизации гудроном или экстрактом селективной очистки, обладают пониженной теплоустойчивостью при тех же значениях глубины проникания иглы при 25 °С и высокой хрупко- 43 С иб АД И стью, что свидетельствует о низкой их морозоустойчивости. Эти битумы имеют также низкие адгезионные свойства. Наряду с этим битумы деасфальтизации характеризуются высокими значениями растяжимости и когезии. Двухступенчатая деасфальтизация гудрона пропаном проводится иногда в две ступени с целью увеличения общего выхода деасфальтизата [14]. Выход асфальта при этом уменьшается, а его температура размягчения повышается. Сырьем колонны первой ступени деасфальтизации является гудрон, второй – асфальтовая фаза из первой колонны. Пропан подается в каждую колонну. Деасфальтизаты выводятся из колонн раздельно и подаются в независимые друг от друга линии регенерации растворителя. Температура во второй ступени деасфальтизации поддерживается примерно на 10 °С ниже температуры первой ступени. Это позволяет извлечь из асфальтовой фазы первой ступени дополнительное количество масляных углеводородов. Выход деасфальтизата второй ступени составляет 20–50% выхода деасфальтизата первой ступени. Температура размягчения асфальта второй ступени на 20–30 °С выше температуры размягчения асфальта первой ступени. Меньшей температуре во второй ступени деасфальтизации соответствует и меньшее давление, поэтому асфальтовая фаза из первой ступени не перекачивается, а передавливается. В остальном работа по двухступенчатой схеме деасфальтизации не отличается от работы по одноступенчатой. 2.4. Производство битумов окислением 2.4.1. Основы процесса окисления воздухом Окисление остатков нефтепереработки воздухом является основным процессом производства битумов в отечественной нефтеперерабатывающей промышленности. В то же время этот процесс в других отраслях нефтепереработки почти не применяется. Теоретические основы окисления битума воздухом заложены в работах Н.Н. Баха, Н.Н. Семёнова, С.Р. Сергиенко, Н.И. Черножукова, С.Э. Крейна, И. Маркуссона и др. 44 И Окисленные битумы получают главным образом на заводах, работающих по топливному варианту, использующих нефти, богатые легкими фракциями. При производстве окисленных битумов имеет место химическая переработка сырья. При этом химическим превращениям подвергается не только асфальтосмолистая, но и углеводородная часть нефти. Исследования влияния природы сырья и продолжительности окисления на состав и свойства окисленных битумов [14, 19, 15] показали, что лучшим сырьем являются высокосмолистые нефти ароматического основания. При окислении тяжелых остатков этих нефтей идут главным образом процессы превращения содержащихся в сырье смол в асфальтены. Упрощенно процесс окисления характеризуется следующими превращениями: Углеводороды→Смолы→Асфальтены. С иб АД Учитывая специфическую роль этих групп, составляющих битум, прогнозируются условия получения и свойства получающихся битумов. При окислении сырья до битума высокомолекулярные соединения образуются в результате дегидрополимеризации, которая протекает в две стадии: 1. Взаимодействие компонентов сырья с кислородом, в результате чего протекает реакция дегидрирования. Одновременно отщепляются атомы углерода. Атомы водорода и углерода, соединяясь с кислородом, дают воду и углекислый газ. Вследствие высокой температуры вода и углекислота находятся в газообразном состоянии и удаляются в процессе окисления. Возрастающая потеря водорода сопровождается полимеризацией и сгущением сырья до заданной консистенции (марки битума). 2. Дегидрированные молекулы уплотняются в соединения с большим молекулярным весом и большей степенью ненасыщенности (ароматичности), чем исходные. Наиболее интенсивно идут химические превращения в начальной стадии окисления, когда наряду с уменьшением содержания углеводородов возрастает суммарное содержание смол и асфальтенов. С углублением окисления содержание асфальтенов продолжает нарастать, а смол – медленно снижаться. Полагают, что сера при ее наличии в нефтяных остатках интенсифицирует процесс окисления. 45 С иб АД И Источником образования асфальтенов и смол служит углеводородная часть гудрона, причем процесс этот идет с образованием смол в качестве промежуточной стадии превращения углеводородов в асфальтены. Этим объясняется то, что содержание смол при окислении практически остается неизменным. Наряду с прочими равными условиями, процесс образования и накопления асфальтосмолистых веществ в нефтяных остатках, полученных при переработке тяжелых ароматических нефтей, будет происходить быстрее, чем при использовании нефтяных остатков из легких нефтей метанонафтенового ряда. При окислении богатых смолами нефтяных остатков идет главным образом процесс превращения уже имеющихся смол в окисляемом продукте в асфальтены, а процесс образования смол из углеводородов имеет второстепенное значение. При использовании для окисления нефтяных остатков, полученных при переработке легких нефтей, основным источником образования смол и асфальтенов является углеводородная часть окисляемого нефтепродукта. Следовательно, на качество битума оказывают влияние химический состав и свойства гудрона, так как гудроны различных нефтей ведут себя различно в процессе окисления. Более глубокий отбор масляных фракций из гудрона изменяет групповой состав окисленного битума в сторону увеличения смол и уменьшения процента асфальтенов, а это, в свою очередь, изменяет его физико-механические свойства [9]. Взаимодействующий с нефтяным сырьем кислород воздуха расходуется в различных реакциях окисления. Часть кислорода образует воду и диоксид углерода, остальное количество химически связывается компонентами сырья; содержание кислорода в битуме составляет 1–2% (масс). Распределение кислорода между битумом и газом зависит от температуры окисления и природы сырья. При повышении температуры процесса и уменьшении ароматизованности гудрона количество кислорода в окисленном битуме уменьшается. 46 2.4.2. Режимы процесса окисления С иб АД И Окисление – процесс экзотермический. Основными факторами, влияющими на процесс окисления гудрона, являются исходная температура размягчения гудрона, а также температура и продолжительность окисления, расход воздуха. Влияние температуры на процесс окисления. Различают два диапазона: I – до 180…200 °С; II – от 200 до 350 °С. Повышение температуры увеличивает скорость окисления, но при этом часто ухудшается качество битума. При температурах окисления 150…200 °С одновременно с дегидрированием нафтеновых структур происходит накопление кислорода в битуме в виде сложноэфирных групп, способствуя повышению активности битума. Повышение температуры окисления ведёт в преобладанию реакций дегидрирования, ускоренному образованию асфальтенов, снижению содержания масел и смол в битумах. При этом отмечается более быстрый переход смол в асфальтены, чем углеводородов в смолы, образованию карбенов и карбоидов, что способствует ухудшению низкотемпературных свойств битумов и повышению их склонности к старению [14, 15]. При повышении температуры меняются свойства битума. Так, при повышении температуры окисления с 210 до 250 °С увеличиваются растяжимость и глубина проникания иглы, а при повышении температуры выше 250 °С соответственно снижаются. Таким образом, изменяя температуру окисления и его продолжительность, можно регулировать свойства получаемого битума. Влияние продолжительности окисления и расхода воздуха. Чем больше по времени и интенсивности подача воздуха и чем выше температура, тем значительнее протекают изменения химического состава и свойств битума. Поток проходящего через сырьё воздуха выполняет функции окисляющего и перемешивающего агентов. Механическое перемешивание может ускорить процесс окисления в 6…7 раз, так как увеличивается поверхность раздела фаз и улучшается распределение воздуха в массе битума [6, 9]. Влияние природы нефти. Исследования, проведенные СоюздорНИИ, БашНИИ, о влиянии природы нефти и технологии ее переработки на свойства битумов показали, что природа нефти и качество промежуточного продукта (смолистого остатка: мазута, гудрона) влияют на химический состав и свойства битумов. Битумы, полученные окислением смолистых остатков из различных нефтей, значи- 47 С иб АД И тельно различаются между собой по компонентному составу, молекулярной массе, кислотному числу и другим физико-химическим свойствам. При окислении смолистых остатков из тяжёлых высокосмолистых нефтей повышение вязкости происходит в основном за счёт превращения смол в асфальтены, а процесс образования смол и углеводородов имеет второстепенное значение. При окислении остатков из лёгких нефтей основным источником образования смол и асфальтенов являются углеводороды. Битумы получаются более жёсткими и хрупкими, так как в них содержатся карбены и карбоиды, а асфальтены представлены более выскоконденсированными ароматическими структурами. Для ускорения процесса окисления применяют различные катализаторы: хлорида цинка, меди, железа, алюминия, пятиокиси фосфора, серной кислоты, сульфидов и ряда других [15]. На интенсивность процесса окисления влияют способ окисления (периодический или непрерывный) и тип окислительного аппарата. Современная технология производства окисленных дорожных битумов состоит в окислении нефтяных остатков кислородом воздуха при температуре 200…300 °С, расходе воздуха 0,8…1,5 м3/мин на тонну сырья и продолжительности окисления от 2 до 20 ч в зависимости от марки битума, сырья и режима окисления. Процесс окисления остаточных фракций нефти воздухом в промышленной практике осуществляется в аппаратах разного типа: кубах периодического действия, трубчатых змеевиковых реакторах и пустотелых колоннах непрерывного действия. Особенности окисления в этих аппаратах рассматриваются ниже. 2.4.3. Окисление в кубе Куб – пустотелый цилиндрический аппарат с небольшой величиной отношения высоты рабочей зоны к диаметру (обычно около 1,5). Окисление в кубе осуществляют на старых установках или при производстве малотоннажных сортов битума [9, 19]. Окислению подвергается гудрон, полученный с вакуумной установки после отбора масляных фракций из мазута, обычно имеющий температуру размягчения по КиШ (кольцо и шар) в пределах 29– 42 °С. Исключение составляют гудроны тяжелых нефтей, имеющих повышенное содержание асфальтосмолистых веществ, которые при 48 С иб АД И том же режиме глубоковакуумной установки могут иметь показатель температуры размягчения в пределах требований для дорожных марок битумов БНД-130/200 и БНД-90/130. Гудрон после отбора в вакуумной установке, нагретый до температуры 430–435 °С, пропускают через холодильник, где температура его снижается до 210–220 °С, а затем он поступает на окислительную установку. Окислительные кубы периодического действия изготавливают емкостью 70–150 т и устанавливают на фундамент (рис. 2.5). В середину каждого куба пропущена до дна труба 6, по которой от компрессора происходит подача воздуха [19]. К вертикальной трубе присоединена горизонтальная труба меньшего диаметра 9 с многочисленными отверстиями для пропуска воздуха. Вся эта система носит название маточника или распылителя. Окислительный процесс продолжается в среднем 10–50 ч. Продолжительность его до получения требуемой марки битума зависит от химического состава и свойств гудрона, интенсивности подачи воздуха, температуры окисляемого гудрона. Процесс проводят периодически [14]. В нижнюю часть куба закачивают сырье до определенной высоты аппарата (не менее 2 м для обеспечения взрывобезопасности в соответствии с правилами техники безопасности) и начинают подачу воздуха. После достижения заданного уровня сырья в кубе постепенно повышают расход воздуха. Расход воздуха в процессе изменяют таким образом, чтобы температура окисления поддерживалась на требуе- Рис. 2.5. Схема окислительного куба периодического действия: мом уровне: при падении 1 – фундамент; 2 – нижний люк; 3 – тептемпературы увеличивают лоизоляция; 4 – предохранительный клапан; расход воздуха, при 5 – шлемовая труба; 6 – подача воздуха; повышении – снижают. 7 – подача сырья; 8 – куб; 9 – маточник; 10 – откачка готового битума 49 С иб АД И Скорость окисления в кубе периодического действия возрастает с повышением температуры, давления и увеличения высоты зоны реакции. Режимы работы кубов зависят от свойств сырья и марки получаемого битума. Расход воздуха на окисление меняется от 600 до 1800 м3/ч, средняя температура окисления при производстве дорожных и строительных битумов 220…280 °С. Для повышения производительности куба сырье предварительно нагревают, что обеспечивает увеличение скорости окисления. Последующее повышение температуры процесса предупреждают подачей контролируемого количества воды в газовое пространство куба. После получения продукта с заданными свойствами его охлаждают за счет подачи воды в газовое пространство или циркуляции битума через холодильник. Подача воды в газовое пространство куба или в поток воздуха является наряду с циркуляцией битума через холодильник обычным приемом для поддержания заданной температуры окисления. Подача воды приводит также к снижению концентрации кислорода в газовом пространстве за счет образования водяного пара, что уменьшает взрывоопасность процесса. Кроме того, наличие водяного пара препятствует отложению коксообразных веществ (способных к самовозгоранию) на стенках газового пространства и в линии отработанных газов. С целью устранения опасности вспенивания и выброса битума воду следует подавать при температуре в кубе не ниже 200 °С, для чего необходимо предусматривать соответствующую блокировку [15]. Кубовые батареи периодического или непрерывного действия имеют крупные недостатки и не обеспечивают получение битумов высокого качества. В связи с этим предложены технологические процессы, основанные на новых принципах воздействия воздуха на окисляемый продукт, и создано новое, более эффективное оборудование для производства окисленных битумов. Основным достоинством новых технологий является то, что процесс окисления осуществляется непрерывно при большом контакте с воздухом и малом времени пребывания окисляемого продукта в реакционной камере. 50 2.4.4. Окисление в трубчатом реакторе С иб АД И В отечественной практике для производства окисленных битумов применяют змеевиковой трубчатый реактор с вертикальным расположением труб. Реактор представляет собой змеевик из труб с условным диаметром 150 или 200 мм и длиной колена от 6 до 12 м, общая длина змеевика 200–250 м или 300–325 м, толщина стенки трубы 6–7 мм. Трубы монтируют горизонтально, объединяя сверху и снизу «калачами» в непрерывный змеевик [9, 14]. Объём тепла, выделяющегося при окислении, отводится воздухом, подаваемым вентиляторами. Для обеспечения направленного движения воздуха трубы реактора помещают в общий металлический кожух (для реактора с трубами диаметром 150 мм) либо каждую трубу отдельно помещают в кожух (для реактора с трубами диаметром 200 мм). Вертикальное расположение труб препятствует расслоению газовой и жидкой фаз, следовательно, улучшает условия их контакта. Чтобы увеличить поверхность теплосъема, к наружной поверхности реакционных труб приваривают продольные или поперечные ребра. Расход воздуха на охлаждение можно автоматически регулировать заслонкой по температуре в реакционных трубах. Окисление происходит в турбулентном потоке воздуха. Движение воздуха и окисляемого сырья, диспергированного в воздухе, – прямоточное. Прореагировавшая газожидкостная смесь поступает из реактора в испаритель, где разделяется на газы и жидкость [6]. Газы уходят с верха испарителя на обезвреживание, жидкая фаза (битум) из нижней части испарителя откачивается в парк. Значения удельного расхода воздуха для производства дорожных и строительных битумов (50–300 м3/т) должны обусловливать содержание сырья в воздухе, равное 0,4–2,0% (об.) (для средних давлений и температур в реакторе). Однако при таком соотношении реагирующих фаз, вероятно, из-за недостаточной поверхности контакта реакция окисления не проходит достаточно полно. Степень полноты реакции повышается при увеличении содержания жидкой фазы в реакционной смеси, что достигается рециркуляцией части продукта. Это подтверждается данными, полученными при производстве дорожных битумов в трубчатом реакторе (Омский НПЗ) при температуре окисления 270 °С и линейной скорости в трубах 7,0– 9,4 м/с. 51 С иб АД И Особенностью производства битумов в трубчатом реакторе является протекание стадии собственно окисления в режиме, близком к идеальному вытеснению (хотя в целом трубчатый реактор, работающий с рециркуляцией, соответствует более сложной модели и при значительных коэффициентах рециркуляции приближается по характеру структуры потоков жидкости к реактору идеального смешения). В этом случае для обеспечения приемлемой скорости реакции необходимо уже на вход в реактор подавать нагретые реагенты. В дальнейшем во избежание перегрева реакционной смеси ее необходимо охлаждать. Таким образом, вначале требуются затраты энергии на нагрев сырья в трубчатой печи, а затем – на охлаждение реагирующих фаз потоком вентиляторного воздуха. При использовании легкого сырья или при сравнительно глубоком окислении (до строительных битумов) нагрев сырья в трубчатой печи можно заменить нагревом в теплообменниках «битум – сырье». Средняя температура в реакторе должна быть не ниже 265 °С, иначе реакция окисления резко замедляется. Производство битумов методом окисления с применением в качестве окислительного аппарата трубчатого реактора осуществляется по схеме [14], представленной на рис. 2.6. Сырье из резервуара 1 забирается сырьевым насосом 2 и прокачивается через змеевик трубчатой печи 3, где нагревается до 180–240 °С. Затем сырье смешивается с рециркулятом и сжатым воздухом, нагнетаемым компрессором 5, и поступает в трубчатый реактор 6. В змеевике реактора протекает реакция окисления с образованием битума и газов окисления. Реакционная смесь после реактора проходит емкость-испаритель 7, в которой газы окисления отделяются от битума. Часть битума (рециркулят) насосом 8 возвращается в процесс на смешение с сырьем. Остальное его количество прокачивается насосом 2 через холодильник 13 и далее направляется в емкости для хранения 14, откуда поступает к потребителям. Газы окисления проходят скруббер 10, в котором за счет орошения и охлаждённым продуктом конденсируется «черный соляр», используемый в дальнейшем в качестве топлива на установке. Несконденсировавшиеся газы направляются в печь 4. Тепло дымовых газов, образовавшихся в результате дожига газов окисления, используется для подогрева сырья в печи. 52 иб АД И Рис. 2.6. Схема установки непрерывного окисления битумов в трубчатом реакторе: 1 – резервуар; 2, 8, 9, 11 – насосы; 3 – трубчатая печь; 4 – печь дожита газов окисления; 5 – воздушный компрессор; 6 – трубчатый реактор; 7 – ёмкостьиспаритель; 10 – скруббер; 12, 13 – холодильники; 14 – ёмкость-битумораздаточник С В зависимости от производительности установки и ассортимента вырабатываемого битума число описанных выше технологических потоков может быть различным. Как правило, установка имеет два потока – для выработки дорожных и для выработки строительных марок битума. Каждый поток, исходя из необходимой мощности установки, включает от 1 до 3 реакторов. Оптимальными параметрами процесса окисления, по которым рассчитывают и конструируют реакторы, являются: скорость движения реакционной смеси около 10 м/с; при меньшей скорости понижается турбулизация потока, а при большей жидкая фаза слишком резко отбрасывается к стенам трубы, особенно в соединительных «калачах». И в том и в другом случае ухудшаются условия контакта газовой и жидкой фаз, замедляется реакция окисления; содержание жидкой фазы в реакционной смеси (8–10% объёма) определяет наиболее выгодную с точки зрения окисления гидродинамическую характеристику потока и составляет 85–90 м3/ч; расход воздуха 2600–2700 м3/ч; содержание кислорода в газах окисления не превышает 3% по объёму, что свидетельствует о высокой эффективности трубчатого реактора как окислительного аппарата; количество тепла, выделяющегося в процессе окисления; 53 температура окисления; в зависимости от состава сырья она колеблется от 250 до 280 °С. Эти рекомендации определяют технические характеристики трубчатых реакторов. 2.4.5. Окисление в пустотелой колонне С иб АД И Наибольший объем окисленных битумов получают в аппаратах колонного типа, которые представляют собой вертикальные пустотелые цилиндрические сосуды, работающие по схеме непрерывного действия [14, 15]. Реактор колонного типа работает по следующей схеме (рис. 2.7). Гудрон, нагретый до температуры 140–180 °С, в кипятильнике 1 подаётся в верхнюю часть колонны 3. В низ колонны через маточник подаётся воздух компрессором 8. В колонне поддерживают определенный уровень окисляемого жидкофазного материала. Барботаж воздуха через слой жидкости приводит к ее практически полному перемешиванию, что подтверждается равенством температур по всей высоте зоны реакции и одинаковыми свойствами продукта. Таким образом, по структуре потока жидкой фазы колонна близка к аппарату идеального смешения. В этих условиях безразлично, как вводить реагирующие фазы – прямоточно или противоточно. Обычно сырье подают под уровень раздела фаз, а битум откачивают с низа колонны, при этом твердые осадки в колонне не накапливаются [14]. Готовый битум откачивается из колонны через уравнительную ёмкость 2, наличие которой облегчает поддержание постоянства откачиваемого потока, что важно для обеспечения работы системы утилизации тепла битума. Во избежание перегрева колонны в результате выделения тепла реакции окисления до безопасной в газовое пространство подают воду, которая, испаряясь, понижает температуру в колонне и разбавляет газы окисления. Если такого разбавления недостаточно для снижения концентрации кислорода до безопасной, в колонну вводят также водяной пар, вырабатываемый в парогенераторе 4 за счет избыточного тепла сырья и продукта. Для поддержания теплового равновесия процесса применяют также циркуляцию части битума через выносные холодильники. Газы окисления с верха колонны поступают в сепаратор 5. Несконденсированные газы из сепаратора через огнепреградитель 6 54 С иб АД И направляются в печь 7 для сжигания. «Чёрный соляр» с низа сепаратора 5 после отделения воды используется как топливо. Режим работы колонн зависит от их размеров, используемого сырья и получаемого продукта. Время пребывания гудрона в зоне реакции при получении марок дорожных битумов составляет 3–5 ч, расход воздуха – от 1200 до 1500 м3/ч, температура окисления – от 210 до 280 °С, содержание кислорода в газах окисления – 3–4%. Производительность колонн обычных размеров (диаметр 3,4 м, высота 15 м) составляет 10–40 т/ч. Рис. 2.7. Схема окисления в колонне с утилизацией тепла: 1 – кипятильники; 2 – уравнительная емкость; 3 – окислительная колонна; 4 – парогенератор; 5 – сепаратор с циклоном; 6 – огнепреградитель; 7 – печь; 8 – компрессор; 9 – насосы Последовательное окисление. Часто процесс окисления осуществляют в последовательно работающих окислительных реакторах. При этом удобнее поддерживать тепловое равновесие процесса рециркуляцией охлажденного потока жидкости, так как охлаждению подвергается не конечный, высоковязкий и легкозастывающий в холодильниках продукт, а промежуточный, менее вязкий. В последовательную цепочку можно объединять как одинаковые, так и 55 С иб АД И разные по конструкции аппараты. Несколько десятилетий назад получила распространение так называемая кубовая батарея непрерывного действия – ряд кубов, в которых проводилось последовательное окисление [14]. Сырье непрерывно закачивается в первый куб, установленный на высоком постаменте, и затем перетекает в следующие кубы, расположенные на менее высоких постаментах. Воздух подается в каждый куб отдельно. Такая схема позволяет проводить процесс окисления непрерывно, что облегчает условия производства. Работа каждого куба в отдельности аналогична работе окислительной колонны, но ввиду меньшей высоты кубов процесс окисления менее эффективен, поэтому схема с последовательным окислением в кубах теряет свое значение. Последовательное окисление осуществляется и в безкомпрессорном реакторе, представляющем собой горизонтально расположенный сосуд, разделенный на секции. Сырье здесь перетекает через переливные устройства из одной секции в другую. По причине небольшой высоты жидкой фазы горизонтальный аппарат характеризуется малым временем контакта кислорода воздуха с окисляемой массой и, как следствие, невысокой эффективностью. Предложено последовательное окисление в системе «трубчатый реактор–испаритель». В отличие от обычной схемы работы трубчатого реактора воздух подается в испаритель, работающий в этом случае как пустотелая колонна. Промышленное испытание такой схемы показало возможность ее осуществления. Однако экономически это нецелесообразно, так как обычная пустотелая колонна, являющаяся менее эффективным аппаратом, чем трубчатый реактор, используется на конечной стадии процесса, где окисление идет труднее. Кроме того, на действующих блоках трубчатых реакторов с определенной пропускной способностью по газовой фазе подача воздуха в испаритель приведет к нарушению режима его работы или потребует ограничения подачи воздуха в трубчатый реактор [9, 15]. Эффективнее иное сочетание трубчатого реактора и колонны. Сырье подается в колонну, а полупродукт из колонны – в трубчатый реактор. По такой схеме трубчатый реактор используется на конечной стадии окисления, когда имеет место недостаточно полное использование кислорода воздуха в колонне. Включение же менее энергоемкой колонны (что рассматривается далее) в схему снижает 56 С иб АД И общие энергетические затраты. Так, при получении дорожных битумов по двухступенчатой схеме затраты пара, электроэнергии и топлива примерно на 25% ниже по сравнению с затратами при одноступенчатой схеме окисления в трубчатом реакторе. Преимущества двухступенчатой схемы еще более заметны при производстве строительных битумов. Предпочтительность объединения в одну цепочку разных по конструкции и принципу работы окислительных реакторов можно показать на примере производства битумов на Сызранском НПЗ. Здесь окисление осуществляется последовательно в колонне, трубчатом реакторе и кубе (рис. 2.8). Использование колонны в начале технологической цепочки позволяет устранить затраты тепла на предварительный нагрев сырья. В колонне получают дорожный битум, часть которого откачивают в товарные емкости, а остальное количество, не охлаждая, направляют на окисление в трубчатый реактор. Рис. 2.8. Схема последовательного окисления в окислительных аппаратах разного типа: 1 – колонна; 2 – трубчатый реактор змеевикового типа; 3 – испаритель; 4 – кубы периодического действия В трубчатом реакторе получают строительный битум четвертой марки, причем вследствие небольшой степени окисления нет необходимости в затратах энергии на обдув реактора охлаждающим 57 С иб АД И воздухом: охлаждение происходит за счет тепловых потерь. Полученный битум в основном выводится из процесса как товарный продукт, а оставшаяся часть направляется в кубы периодического действия для получения строительного битума. Применение кубов здесь оправдывается, несмотря на плохое использование кислорода воздуха, получением малотоннажной продукции. Давление. Повышение давления в зоне реакции способствует интенсификации процесса окисления и улучшению качества окисленных битумов [17]. Снижение содержания масел в сырье и повышение его температуры размягчения позволяет повысить растяжимость битумов, окисленных под высоким давлением, с сохранением достаточно высокими пенетрации и интервала пластичности и низкой температуры хрупкости. Это дает возможность повысить выход масляных фракций на перерабатываемую нефть и еще больше снизить продолжительность окисления сырья в битумы. Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы [14]: 1. С повышением давления в зоне реакции улучшается диффузия кислорода в жидкую фазу, сокращается продолжительность окисления и в результате конденсации части масляных паров из газовой фазы улучшаются тепло- и морозостойкость, увеличивается интервал пластичности окисленных битумов. 2. Соответствующим подбором давления в системе можно регулировать состав и свойства получаемых битумов. 3. Дорожные битумы в реакторе колонного типа получать нецелесообразно при давлении выше 4 атм (3,92105 Н/м2) вследствие резкого понижения растяжимости битумов. 4. Окисление под давлением позволяет использовать сырье с малым содержанием масел и получать при этом битумы, обладающие достаточно высокими растяжимостью, пенетрацией и интервалом пластичности. В результате использования такого сырья достигается больший выход масляных фракций на перерабатываемую нефть, сокращается продолжительность окисления. Интенсивность окисления сырья до битумов на непрерывной установке колонного типа [17] повышается с увеличением температуры, расхода воздуха и давления в реакторе. Наилучшей теплостойкостью обладают битумы, полученные непрерывным окислением сырья при низкой температуре (176 °С), умеренном расходе воздуха – 1,76 л/минкг (2,9210-5 м3/скг) и повышенном давлении – до 4,8 кг/см2 58 С иб АД И (4,707105 Н/м2). Выявленная закономерность взаимосвязи параметров процесса непрерывного получения дорожных битумов в окислительной колонне несколько отличается от результатов исследования процесса в промышленном кубе-окислителе периодического действия. Применение подогретого до 313 – 482 °С сжатого воздуха повышает скорость окисления, особенно при получении высокоплавких битумов, не оказывая существенного влияния на их качество. Увеличение высоты столба жидкости в реакторе значительно повышает температуру размягчения битума, не меняя соотношения между температурой размягчения и пенетрацией [12], что подтверждает преимущество вертикальных окислительных колонн. Увеличение уровня жидкой фазы повышает эффективность процесса потому, что длина пути газовых пузырьков увеличивается. Однако для аппаратов такого типа существует некоторый предел заполнения жидкой фазой, свыше которого эффективность процесса уже не меняется. Этот предел следует находить экспериментально. Так, в окислительной колонне непрерывного действия уровень жидкой фазы должен быть не менее 10 м. Для аппаратов с хорошим перемешиванием и турбулентным потоком и при относительно небольшой высоте уровня кислород используется полностью, поэтому повышение уровня жидкости в таких аппаратах неэффективно. Применение рециркуляции окисленного продукта благодаря улучшению смешения окисленного продукта с сырьем и массообмена несколько улучшает свойства битумов. Исследования [14] на пилотной установке колонного типа непрерывного действия показали, что для строительных битумов одинаковой температуры размягчения из смеси татарских нефтей применение рециркуляции позволяет повысить пенетрацию при 25 °С на 2 – 80,1 мм, понизить температуру хрупкости и повысить интервал пластичности на 1–2 °С. Характерно, что улучшение свойств битумов наступает при коэффициенте рециркуляции, равном 1. Дальнейшее его повышение почти не влияет на изменение свойств битумов. Поэтому, видимо, нецелесообразно коэффициент рециркуляции для реакторов колонного типа поддерживать выше единицы. Практический материальный баланс. Учитывает составы исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения реагентов, потери сырья и готового продукта и т. д. Исходными данными для составления такого баланса являются: 59 С иб АД И технологическая схема, отражающая вид и последовательность стадий производства; годовая производительность по данному продукту или данному спектру продуктов; производственная рецептура загрузки компонентов на каждой технологической стадии; потери сырья и готового продукта на каждой технологической стадии производства. Все эти величины определяются по данным научноисследовательских разработок, по результатам расчетов теоретического материального баланса или же по данным, полученным при обследовании аналогичных производств во время производственной практики. В зависимости от характера требований материальный баланс периодических процессов может составляться в трех вариантах: во-первых, исходя из суточной производительности вещества; во-вторых, на единицу массы готового продукта (чаше всего на 1 т); в-третьих, на количество готового продукта, полученного за один цикл работы. В этом случае наиболее целесообразен суточный материальный баланс. Для непрерывных процессов материальный баланс составляется с учетом выработки в единицу времени (т/год, т/сут, т/ч, кг/ч и т. д.). В любом случае баланс делится на две основные части – это общий и пооперационный (постадийный) материальный балансы. При общем балансе материальные расчеты связаны с определением расходов всех видов сырья [20]. В большинстве случаев такие расчеты завершаются определением расходных коэффициентов всех компонентов процесса на единицу массы готового продукта (например, на 1 т) и сравнением их с расходными коэффициентами аналогичного существующего производства (по материалам производственной практики). Первым этапом будет определение рабочего времени в цехе. Его величина зависит от характера производства. Для периодических процессов Д = 365–(Р + В +З), (2.1) где Д – количество рабочих дней в году; Р – количество дней в году, отведенных на все виды ремонта; З – количество праздничных и выходных дней в году. 60 С иб АД И Для непрерывных процессов Д=365–Р. (2.2) В этом случае величина Р включает в себя и время на все виды ремонтов, и время периодических остановок на чистку оборудования, замену катализатора и т. п. Далее необходимо определить производительность готового продукта. Вначале рассчитывается его производительность без учета потерь: N П сб , (2.3) Д где П сб – суточная производительность готового продукта без учета потерь, т/сут; N – годовой выход готового продукта, т. Производительность с учетом потерь продукта по стадиям П сб п Пс , (2.4) 1 а где а – общая доля потерь продукта на всех стадиях процесса. Общая величина потерь по всем стадиям П П сб П сп . (2.5) Определяя доли потерь по стадиям как ai можем найти их количество из соотношения П iп ai П . (2.6) При этом (2.7) ai 1. Далее определяется расход каждого вида сырья с учетом потерь исходя из рецептуры загрузки компонентов реакционной смеси. При этом предварительно рассчитывается рецептура в процентах на содержание каждого компонента, полагая за 100% всю реакционную смесь. Потери реакционной смеси на каждой стадии в равной степени относятся к каждому из компонентов, если нет отгона одного из продуктов, выделения его в осадок и др. К полученным расходам сырьевых компонентов добавляются их возможные потери до получения реакционной смеси при транспортировке, нагрузке и т. д. Окончательно производят расчет расходных коэффициентов сырьевых компонентов на тонну готового продукта. Кроме расходных коэффициентов сырья рассчитываются аналогичные величины, характеризующие расход воды, пара, топлива, электроэнергии и т. д. 61 Естественно, чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее технологический процесс. 2.5. Получение битумов методом компаундирования С иб АД И В настоящее время этим методом получают большое количество дорожных битумов [6, 14, 19]. Смешение, или компаундирование битумов, – это вторичный процесс их переработки, который производят чаще всего на нефтеперерабатывающих заводах или на месте потребления. Битум, или смолистый остаток, полученный перегонкой, окислением, экстракцией или деасфальтизацией, не всегда удовлетворяет требованиям по всем показателям, предъявляемым к дорожным битумам. В этом случае путем соответствующего смешения битума с другим смолистым остатком можно значительно улучшить его свойства и довести до требуемых. Например, на заводах, работающих по масляному варианту, нефть поступает на атмосферно-вакуумную трубчатую установку, на которой выделяют топливные и масляные дистилляты, в остатке получают гудрон с температурой размягчения 32–48 °С. Масляные дистилляты для удаления смолистых веществ подвергают очистке растворителями (фенолом). В результате очистки получают масляные рафинаты и в качестве отхода – дистиллятный экстракт. Гудрон в атмосферно-вакуумной установке для дополнительного извлечения из него тяжелых масляных составляющих (до 30% от количества гудрона) направляют на деасфальтизацию. Процесс деасфальтизации заключается в обработке гудрона жидким пропаном (пектаном или бутаном). Ввиду того, что высокомолекулярные смолистые и асфальтеновые вещества плохо растворяются в пропане, происходит разделение на деасфальтированный гудрон и битум деасфальтизации. В дальнейшем получение битума может производиться в двух направлениях: смешением битума деасфальтизации с дистиллятами и остаточными экстрактами или дополнительным окислением битума деасфальтизации и смешением его с дистиллятным экстрактом. Для получения битумов требуемых свойств применяют их взаимное смешение или смешение с другими смолистыми остатками, образующимися при переработке нефти и нефтепродуктов. При смешении битумов различных свойств и генезиса необходимо, чтобы смешиваемые компоненты были близки по величине поверхностного 62 С иб АД И натяжения. Смешение битумов с дегтями возможно в ограниченном количестве (15–20%). Равномерность смешения проверяют по температуре размягчения смеси, которая должна соответствовать средневзвешенному значению температур размягчения составляющих компонентов. Технология приготовления смешанных битумов сводится к разогреву их до жидкой консистенции и смешению. Методом смешения приготовляют большинство жидких битумов. В последнее время крупные дорожно-строительные организации в качестве добавок к битумам используют различные отходы при производстве каменноугольных дегтей и других синтетических смол (кубовые остатки полистирольных, кумаронозых смол), синтетических жирных кислот. Большое влияние на свойства битума оказывает технологический процесс его получения. При вакуумной перегонке и глубоком отборе масляных фракций увеличивается содержание смол. Полученный остаточный битум обладает большой растяжимостью при 25 °С, высокой чувствительностью к изменению температуры, малой теплоустойчивостью и пластичностью при отрицательных температурах. Погодоустойчивость битума зависит от природы нефти. Из высокосмолистых нефтей получают погодоустойчивые битумы. При снижении содержания асфальтосмолистых компонентов в исходной нефти погодоустойчивость остаточных битумов снижается и почти всегда ниже, чем в окисленных. При окислении происходит интенсивное образование асфальтенов и меньше смол, это способствует повышению теплоустойчивости битума. При длительном окислении снижаются пластические свойства битума. При применении метода непрерывного окисления получают битумы с большим содержанием смол. Битумы деасфальтизации содержат повышенное количество смол и относительно мало асфальтенов. Повышенное содержание смол способствует высокой когезии и растяжимости при 25 °С. Увеличение содержания асфальтенов повышает теплоустойчивость. Таким образом, при получении битумов необходимо учитывать свойства нефти и смолистых остатков, выбирая технологию их переработки таким образом, чтобы получать битумы требуемых физикохимических и механических свойств. 63 Контрольные вопросы С иб АД И 1. С какой целью составляется материальный баланс окислительной колонны? 2. Из каких элементов состоит установка для получения битума окислением? 3. Что является исходными данными для расчёта окислительной колонны? 4. С какой целью составляется тепловой баланс окислительной колонны? 5. Каковы основные характеристики окислительной колонны? 6. От чего зависит расход воздуха для окисления? 7. На что влияет изменение температуры сырья на входе в колонну? 8. Что относится к режимам окисления? 9. При каком варианте переработки нефти получают битумы? 64 3. ХРАНЕНИЕ ВЯЖУЩИХ 3.1. Битумные и эмульсионные базы С иб АД И Основные органические вяжущие материалы, применяемые для капитальных и облегченных типов покрытий автомобильных дорог, – это нефтяные дорожные и сланцевые битумы, каменноугольные дорожные дегти и эмульсии на их основе. Общая протяженность дорожных покрытий, сооружаемых с применением битума, при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте дорог составляет около 80% от всех усовершенствованных типов твердых покрытий. Битум используют также при текущем ремонте и содержании дорог как вяжущий и обеспыливающий материал, а в небольшом количестве в качестве изоляционного материала искусственных сооружений [23, 24]. Для вяжущих материалов организуют базы и склады, предназначенные для хранения вяжущих и подготовки к использованию. Склады и базы – самостоятельные предприятия или входят в состав асфальтобетонного или эмульсионного завода на правах цеха. При расположении базы (цехи) на территории асфальтобетонного завода обслуживающие и вспомогательные сооружения (лаборатория, РММ, душ и др.) могут быть общими. Базы и склады подразделяют на прирельсовые, расположенные у железной дороги, и притрассовые [4, 24]. При проектировании баз и складов назначают их производительность (производственную мощность), выбирают место, технологический процесс, машины и оборудование, способы производства работ, составляют генеральный план (рис. 3.1, 3.2). На битумных базах или в цехах асфальтобетонных заводов (АБЗ) и эмульсионных баз поступающие вяжущие материалы разных марок и типов претерпевают ряд механических и тепловых воздействий, отражающихся в той или иной степени на их качестве. Так, битум, поданный на АБЗ или базу транспортными средствами, нагревают до состояния текучести и сливают в приемные устройства – битумохранилища. При хранении битума необходимо, прежде всего, не допустить попадания в него влаги ни поверхностной, ни грунтовой воды. В хранилищах битум находится длительное время, при необходимости его вновь подогревают до состояния текучести (90–100 °С) и транспортируют в битумоплавильные установки или на трассу. Из битумоплавильной установки нагретый до рабочей температуры битум пере- 65 качивают в автогудронатор, битумовоз, в расходную промежуточную рабочую емкость или подают к дозаторам установок. иб АД И Рис. 3.1. План прирельсовой битумной базы: 1 – битумохранилища крытого типа с нагревательно-перекачивающими агрегатами; 2 – преобразователь; 3, 8 – шестеренные насосы; 4 – обезвоживающие установки для нагрева битума до рабочей температуры; 5 – пожарный сарай; 6 – парокотельная, душ и гардероб; 7 – туалет; 9 – цистерны с обогревом для хранения битума; 10 – охрана; 11 – контора; 12 – РММ; 13 – лаборатория С Эти процессы должны проходить при соответствующих температурных режимах с соблюдением технологических требований, чтобы избежать нарушения вяжущих и других свойств битума. К этим требованиям относятся в первую очередь допустимый диапазон температуры и продолжительность нагрева битума. Так как для разных видов работ и дорожных конструкций применяют различные типы органических вяжущих материалов, то при проектировании необходимо определять тип базы или цеха и систему организации работ для каждого конкретного объекта [24]. Базы располагают в середине обслуживаемого участка, так как это сократит путь доставки органического вяжущего к месту работы. Если строящаяся дорога значительно удалена от места получения вяжущего, целесообразно иметь две базы: одну вблизи места поступления вяжущего, а другую – у дороги. Вопросы размещения баз решают вариантно, при размещении складов учитывают перспективу их развития. База должна быть расположена в месте, удобном для приема вяжущего, размещения машин и оборудования. Расположение баз и складов обосновывают сравнительными калькуляциями стоимо- 66 С иб АД И сти вяжущего (приведенные затраты) – франко-база в зависимости от способов хранения и подготовки вяжущего для использования. Необходимые вяжущие материалы доставляют железнодорожным или автомобильным транспортом от заводов-изготовителей до дорожных организаций-потребителей. Организация их своевременной приемки в подготовленные склады-хранилища, хранение и приготовление этих материалов являются важными задачами дорожного производства. Экономически выгодная дальность транспортирования автобитумовозами вяжущего на дорогу составляет 20–30 км. По продолжительности работы на одном месте битумные базы могут быть временного или стационарного типа, а в зависимости от места расположения – приобъектные (притрассовые), прирельсовые (при доставке битума по железной дороге) или приречные (при доставке его водным путем, по рекам). Как правило, прирельсовые (приречные) битумные базы служат перевалочным пунктом для поступающего битума с его длительным хранением и выдачей на приобъектные базы или АБЗ. При благоприятных условиях организации производства целесообразно бывает на прирельсовых базах осуществлять при необходимости также обезвоживание и нагрев до рабочей температуры с выдачей битума, готового к употреблению, для тех или иных дорожных работ в битумовозы или автогудронаторы. Постоянные базы оснащают более производительным оборудованием и сооружениями капитального типа. Оборудование и сооружения временных баз обычно монтируют из инвентарных элементов и инвентарных агрегатов и оборудования передвижного типа. Следовательно, на прирельсовых и других стационарных базах целесообразно организовывать, кроме хранилищ, установки для обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры, если дальность транспортирования его к местам потребления не превышает 25–30 км. При большем расстоянии нужно создавать две базы: прирельсовую базу снабжения – для приемки и хранения материалов, где битум целесообразно подогревать только до температуры текучести для погрузки в транспортные средства, и притрассовую вблизи объектовпотребителей, на которой его нагревают до рабочей температуры. При расположении нефтеперерабатывающего завода в радиусе до 300 км от производственного предприятия дорожной организации, потребляющего битум, и при обеспеченности ритмичной доставки 67 С иб АД И битума с завода-изготовителя битум целесообразно доставлять в автобитумовозах преимущественно на приобъектные АБЗ или базы с организацией кратковременного хранения в расходных цистернах, оборудованных устройствами для поддержания рабочей температуры, или прямо принимать в рабочие емкости, из которых битум расходуется в течение суток [4]. В зависимости от выбранного типа битумной базы (или цеха) и в целях обеспечения рациональной организации прежде всего разрабатывают генеральный план базы (цеха). В генеральном плане решают вопросы размещения всех устройств базы (цеха) и определяют расположение приемных устройств, битумохранилищ, битумоплавильных и насосных установок, битумных и других коммуникаций и сетей электроснабжения, складов топлива и масел, поверхностно-активных веществ и разжижителей, парокотельной (в случае ее необходимости), ремонтной мастерской, лаборатории, административных помещений и др., а также проездов и подъездных путей. Рис. 3.2. Генеральный план завода для приготовления дорожных эмульсий: 1 – битумохранилище; 2 – установка для обезвоживания и нагрева битума; 3 – склад дегтя и смолы; 4 – склад антраценового масла; 5 – склад песка; 6 – котельная и душ; 7 – туалет; 8 – лаборатория; 9 – склад едкого натра и поваренной соли; 10 – склад эмульгатора; 11 – склад топлива; 12 – цех подготовки воды; 13 – цех приготовления эмульсии; 14 – склад эмульсии; 15 – противопожарное оборудование Таким образом, при разработке генерального плана базы (цеха) должна быть определена оптимально-необходимая площадь территории с учетом годового объема работы проектируемой базы (цеха) и 68 И видов предстоящих работ на них, т. е. с учетом назначения базы. На прирельсовых базах (цехах) необходимо обеспечивать такой фронт приёма-слива вяжущих и объем хранилища, чтобы можно было одновременно принимать несколько железнодорожных вагонов в установленные сроки простоя под разгрузкой железнодорожного состава. Для этого по всему фронту разгрузки целесообразно предусматривать постоянную пароразводящую систему с отводящими штуцерами, которые обеспечат одновременный обогрев всех поданных на разгрузку вагонов. При размещении оборудования, производственных и хозяйственных сооружений на генеральном плане базы (цеха) необходимо обеспечивать соблюдение правил техники безопасности, пожарной безопасности, противопожарные разрывы и рациональное выполнение всего технологического процесса проектируемого предприятия. 3.2. Классификация битумохранилищ С иб АД На сегодняшний день перевалка, хранение и налив битума являются достаточно сложными и дорогостоящими операциями. Это объясняется рядом причин [23]: физическими и химическими особенностями самого продукта (высокой вязкостью, низкой теплопроводностью, снижением качества при высоких температурах в процессе нагрева и обезвоживания, что приводит к коксованию в зоне нагревателей); сложными климатическими условиями для эксплуатации битумных складов и производства сливоналивных операций (особенно в холодный период года); проблемами обводнения и необходимостью длительного разогрева битума, что может отразиться на качестве продукта; высокими и постоянными энергозатратами на поддержание продукта в рабочем состоянии; отсутствием качественного технологического оборудования для возможности производства операций с битумом без нанесения существенного ущерба его качеству для изготовления асфальта; отсутствием научной литературы по количественной оценке энергозатрат в процессе обезвоживания или разогрева битума. Cохранение качества битума в процессе его хранения в битумохранилище и правильная подготовка в битумоплавильных котлах (расходных емкостях) для подачи на асфальтобетонный завод (АБЗ) 69 С иб АД И являются залогом получения на выходе дорожного асфальта высокого качества. Таким образом, при проектировании и строительстве битумохранилища необходимо руководствоваться рядом основных принципов: 1) энергоэффективностью; 2) сохранением качества битума; 3) снижением количества воды в битумохранилище до минимума при подготовке к производству асфальта; 4) применением современного технологического оборудования для учета и контроля процессов в битумном складском хозяйстве; 5) сокращением времени персонала заказчика на подготовку и разогрев битума в хранилище для запуска работы асфальтобетонного завода и производства асфальта; 6) пожарной безопасностью; 7) соответствием экологическим нормам; 8) индивидуальным подходом при проектировании с учетом имеющихся на объекте у заказчика технических условий. Хранилище представляет собой резервуар вместимостью 100 – 3000 т, который предназначен для хранения битума и его подогрева до температуры 80 – 100 °С, обеспечивающей возможность перекачки его насосами в нагреватель битума, или до рабочей температуры 130– 180 °С. Хранилища должны предохранять битум от обводнения и загрязнения, сводить к минимуму потери при хранении [16, 23]. Битумохранилища вместимостью свыше 500 т выполняют секционными, состоящими из 2–6 отсеков для хранения битума разных марок. Вместимость битумохранилища определяется суточным расходом битума и периодичностью поставок. По конструкции и назначению хранилища бывают постоянного и временного типов, закрытые и открытые (рис. 3.3). В зависимости от положения резервуара относительно поверхности земли различают хранилища подземного, ямного, полуямного и наземного типов. В хранилище подземного типа резервуар находится ниже поверхности земли. Хранилища этого типа устраивают закрытыми. В хранилищах ямного типа резервуар представляет собой котлован. В таких хранилищах постоянного типа стенки устраивают из бетона или железобетона, а дно укрепляют слоем цементного бетона. В хранилищах полуямного типа резервуар частично находится в котловане, а частично в насыпи, образуемой в грунте, вынутом из котлована (рис. 3.3). Такую 70 У к лон 1:1,5 У к лон 1:1,5 г 0,2 До 1,5 м 0,5 С в У к лон 1:1,5 д Рис. 3.3. Битумохранилища различных типов: а – ямного; б – полуямного; в – наземного; г – подземного; д – передвижное инвентарное 71 До 2 м До 3 м 0,5 0,2 б 0,2 а иб АД И конструкцию применяют при близком расположении грунтовых вод и для уменьшения объема земляных работ. В хранилищах наземного типа резервуар находится на поверхности земли. Применяют их при близком стоянии грунтовых вод. По наличию нагревателей битумохранилища могут быть без нагревательной системы, с местным и общим нагревом. В первом случае используются переносные нагреватели. Местный нагрев применяют в битумохранилищах вместимостью до 500 т, общий нагрев – в капитальных и инвентарных. По типу применяемого теплоносителя– это паровые битумохранилища (битум разогревается системой труб, уложенных на дне, по которым пропускается насыщенный пар); с электрообогревом (разогрев осуществляется набором электропакетов или с применением источников инфракрасного излучения); с газовым обогревом (дымовыми газами, получаемыми от сжигания любого вида топлива). Наиболее распространены системы парового и электрического разогрева. С иб АД И В зависимости от наличия подогрева и его устройства различают хранилища без подогрева, с местным подогревом и с общим подогревом. В хранилищах без подогрева для забора битума применяют передвижные устройства – змеевики и парообразователи. В хранилищах с местным подогревом система подогрева состоит из змеевиков, по которым пропускают теплоноситель. Обеспечивается подогрев битума, непосредственно прилегающего к нагревательному устройству. В хранилищах с общим подогревом постоянная система подогрева обеспечивает подогрев всего битума, находящегося в хранилище, до состояния текучести, а части его, стекающей в малый резервуар, до температуры, обеспечивающей перекачивание насосами. Эти хранилища часто имеют две системы змеевиков. В зависимости от вида теплоносителя различают хранилища с паровым, масляным, газовым и огневым подогревом. Получили распространение хранилища линейной планировки с параллельным или последовательным расположением основных и дополнительных отсеков. Выполняют их в основном из сборных железобетонных элементов. Днище основных отсеков имеет уклон в сторону дополнительных отсеков. Перекрытие резервуара должно исключать попадание внутрь осадков. Ямные битумохранилища в нашей стране морально устарели, физически изношены, по этой причине происходит обводнение битума, которое колеблется в диапазоне 5–15% от общей массы. Это, как правило, происходит из-за движения грунтовых вод, поверхностных ливневых вод и некачественной гидроизоляции. Соответственно на подготовку (обезвоживание) битума уходит значительно больше времени, энергии и ухудшаются физико-химические характеристики нефтепродукта [16]. За рубежом не применяют ямные битумохранилища. Это объясняется в основном невыгодностью хранить большие запасы битума, неудовлетворительными условиями его хранения. Необходимый запас битума, как правило, хранят в металлических цистернах или иногда в бочках по 200–300 кг. Основываясь на данном опыте, к эксплуатации рекомендуются наземные вертикальные или горизонтальные битумохранилища. Данный тип хранилища битума также имеет свои недостатки и полностью не избавляет от проблемы обводнения. Обводнение может происходить за счет конденсата пара при сливе из железнодорожных цистерн, за счет образования конденсата внутри хранилища при перепадах 72 С иб АД И температуры в осенне-зимне-весенний период. Тем не менее обводненность битума колеблется в пределах от 0,5 до 1% общей массы продукта, что сокращает издержки на дальнейшую подготовку битума и приводит к получению более качественного дорожного асфальта. Для исключения обводнения битума грунтовыми и поверхностными ливневыми водами необходимо эксплуатировать наземные битумохранилища. Задачей наземных битумохранилищ, кроме исключения обводнения битума поверхностными, ливневыми и грунтовыми водами, является минимизация энергозатрат за счёт локального нагрева битума перед откачкой, а также простота эксплуатации и обслуживания системы нагрева, что достигается разогревом только локальной зоны битума вокруг труб с нагревателями. Рис. 3.4. Схема нагрева битума в хранилище: 1 – воронка; 2 – топливный бак; 3 – верхний топливопровод; 4 – топливный кран; 5 – кровля битумохранилища; 6 – верхний уровень битума; 7 – нижний рабочий уровень битума; 8 – основной отсек; 9 – дополнительный отсек; 10 – змеевик дополнительного отсека; 11 – насосная установка; 12 – заслонка шиберная; 13 – стенка битумохранилища; 14 – изоляционный слой; 15 – жаровая труба; 16 – слой кирпичей; 17 – воздухоподводящая труба; 18 – нижний топливопровод Для забора битума из битумохранилища устраивают приямки сбоку в торце хранилища (рис. 3.4) либо забор осуществляют по центру хранилища; соответственно применяют неподвижную насосную 73 установку, втопленную в нижнюю часть бокового приямка или подвесное заборное оборудование, перемещающееся по стенкам хранилища, по его длине, с забором битума из его средней части, куда битум постоянно стекает. 3.3. Разогрев битума в хранилище С иб АД И Общий подогрев основных отсеков паровой, реже – масляный. Для местного нагрева битума применяют паровой, огневой и электрический нагрев. Обогрев инвентарных хранилищ осуществляется посредством масляного, реже – парового и электрического нагрева. Электронагреватели. Электрические нагреватели применяют только для поддержания рабочей температуры битума [17]. При малой площади нагрева и высокой температуре нагревателей в битуме образуются смолоподобные соединения. Электронагреватели применяют открытого типа. Они состоят из несущего элемента – асбоцементной трубы с навитой по наружной поверхности нихромовой спиралью из ленты. Перед работой нагреватель должен быть погружен в битум, а при работе не должен оголяться. Нагреватели с высокой проводимостью из стальной проволоки диаметром 5 – 6 мм представляют собой спираль, вставленную в асбоцементную трубу; концы проволоки пропущены через стенку трубы и закреплены. Пластинчатые (пакетные) нагреватели изготавливают из листовой гофрированной жести. Коаксиальные (соосные) пакетные нагреватели состоят из отдельных элементов, собранных в ряд по 40 – 50 шт. и соединенных последовательно. Трубчатые электронагреватели (ТЭН) представляют собой трубку из мягкой стали, реже красной меди или латуни, внутри которой находится спираль из нихрома. Пространство между спиралью и трубкой заполнено тонкомолотым электроизоляционным материалом. Затраты на энергию при электрическом нагреве битума больше, чем затраты на огневой нагрев. Электронагреватели просты по конструкции, имеют низкую стоимость, надежны, но ухудшают качество битума при длительном нагреве. Системы огневого нагрева битума. Системы огневого нагрева битума применяют в битумохранилищах для нагрева битума до температуры перекачивания, в битумонагревательных котлах – для обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры, а также в автобитумовозах и автогудронаторах для поддержания рабочей темпера- 74 С иб АД И туры битума. Системы огневого нагрева битума просты по конструкции, надежны в эксплуатации, имеют малый расход металла. Система состоит из горизонтальной жаровой трубы, вертикальных труб – воздухоподводящей и вытяжной, пропущенных через кровлю битумохранилища (см. рис. 3.4). Нагрев битума производится подачей газов от сжигания дизельного топлива по трубам диаметром 400...500 мм, уложенным по днищу битумохранилища. Этот способ применяют для нагрева битума в основных отсеках битумохранилищ до температуры перекачивания (95 °С). Топливная система состоит из бака для топлива с регулировочным краном, малого топливопровода, воронки с нижним топливопроводом. Воздухоподводящая труба должна быть выше кровли битумохранилища на 1,5...2 м, воронка должна быть расположена на 1,5...2 м ниже верхнего края воздухоподводящей трубы. Расстояние между малым топливопроводом и воронкой 0,4...0,5 м, расстояние между нижним топливопроводом и кирпичной кладкой зоны горения 0,5...1 м. Топливо самотеком стекает из малого топливопровода в воронку и по нижнему топливопроводу – в зону горения [17]. Скорость подачи топлива регулируют по числу падения капель из малого топливопровода в воронку. Для нормальной работы системы разогрева битума достаточно 60...100 капель топлива в минуту. В зоне падения капель днище жаровой трубы должно быть выполнено из кирпича. Теплопроизводительность ограничивается подачей воздуха, осуществляемой естественной тягой дымовой трубы. По способу регулирования подачи топлива систему называют капельницей. При достаточном уровне битума над жаровой трубой капельница работает надежно и безопасно. Хотя температура дымовых газов и стенок дымовой трубы не очень велика, однако для исключения возгорания битума от стенок дымовой трубы ее выполняют двойной в зоне от жаровой трубы и высотой 1–1,5 м над самым верхним уровнем битума. Достоинства систем огневого нагрева битума заключаются в простоте конструкции и обслуживания, экономичности. Недостатками систем огневого нагрева битума являются высокая пожароопасность возгорания битума и топлива, применяемого для работы топки. Паровой нагрев. Производится подачей по змеевикам и трубам пара давлением 0,6...1,2 МПа. Достоинство этого теплоносителя – мягкий режим нагрева (максимальная температура теплоносителя 75 С иб АД И 270 °С). Недостатки – большая площадь змеевиков, возможность обводнения битума теплоносителем при нарушении герметичности змеевиков [16]. Масляный нагрев. При масляном (жидкостном) нагреве теплоносителем служат различные минеральные масла с высокой температурой вспышки или специальные высокотемпературные теплоносители. Первые безвредны, но пожароопасны; вторые менее пожароопасны, но очень токсичны. Нагрев теплоносителя производится горячим газом в котлах экранного типа и реже электрическими нагревателями. Недостаток масляного нагрева – возможность коксования масла в теплогенераторе, пожароопасность, необходимость установки дополнительного насоса для принудительной циркуляции масла. Достоинства масляного нагрева – компактность оборудования и мягкий нагрев битума. Наибольшее распространение масляный обогрев находит в передвижных установках. Рис. 3.5. Схема основных этапов нагрева битума в битумохранилище: 1 – основной отсек; 2 – дополнительный отсек; 3 – жаровые трубы битумонагревательного агрегата; 4 – битумонагревательный агрегат; 5 – змеевики нагрева битума в дополнительном отсеке; 6 – змеевики нагрева битума в основном отсеке; t1= 10 °С; t2 = 50 – 60 °С; t3 = 80 – 95 °С; t4= 140 – 150 °С 76 Преимущество масляного и парового нагрева битума состоит в благоприятном режиме разогрева битума. Максимальная температура теплоносителя редко превышает 320 °С, а чаще составляет 270...300 °С, и битум при разогреве и хранении не теряет своих свойств, но ввиду небольшого перепада температур между теплоносителем и битумом (200...150 °С) площадь нагревателей (труб) должна быть 0,5...1 м2 на 1 м3 битума. Битум представляет собой аморфное вещество с плавным изменением вязкости от твердого состояния при t1= 5 °С до жидкотекучего при t4 = 160 °С. В основном отсеке происходит нагрев донными нагревателями битума до состояния текучести при t2= 50 – 60 °С и в дополнительном отсеке нагрева до температуры перекачивания t3= 80 – 100 °С. В битумонагревательном агрегате происходит разогрев до температуры t4= 140 – 150 °С. И 3.4. Битумонагревательное оборудование С иб АД Битумохранилища с местным подогревом оборудуют нагревательно-перекачивающими устройствами. Нагревательно-перекачивающий агрегат (рис. 3.6) имеет возможность передвигаться вдоль битумохранилища. На мосту 1 агрегата установлены лебедки 4 подъема и опускания подогревателя и система битумопроводов 2. Разогреватель имеет набор трубчатых регистров 3, по которым последовательно проходит теплоноситель – воздушный пар. На раме агрегата установлен также битумный насос для перекачивания битума [4]. На многих асфальтосмесительных установках вместо битумохранилищ используют битумные цистерны. Цистерна 1 (рис. 3.7) вместимостью до 30 м3 имеет систему донных горизонтальных змеевиков 8 для общего подогрева битума и двойную систему спиральных змеевиков 4, расположенных в зоне отбора битума. Для перекачивания битума служит шестеренный битумный насос с паровой рубашкой. Обогрев битума производится паром под давлением 0,8 МПа. Пар подводится к теплообменникам по трубопроводам 5. Разогретый битум отводится из цистерны по трубе 6. Внутри вертикального теплообменника установлен фильтр 7, выполненный из металлической решетки. Цистерны оборудованы площадками с ограждениями, площадки соединены переходным мостиком. Работой битумного насоса управляют с пульта управления, расположенного рядом с насосом. Битум- 77 С иб АД И ные коммуникации можно обогревать паром, электричеством и высокотемпературным органическим теплоносителем. Уровень битума в цистерне контролируют с помощью поплавковых указателей. Для загрузки битума служит патрубок 3 с проходным краном. Если имеется битумохранилище, то подающий битумопровод присоединяют к резервному патрубку 2. Для монтажных и ремонтных работ предусмотрены горловины 10 с крышками и люк 9 в задней стенке цистерны. В крышках люков имеются патрубки для визуального наблюдения за состоянием битума, а в отдельных случаях и для загрузки цистерны битумом. Для использования в битумных системах высокотемпературных органических теплоносителей (нефтяных масел и дитолилметана) служат нагреватели, в состав которых входят котел, топливная система, насос для перекачивания теплоносителя, расширительный бак и пульт управления. Котел состоит из плотно навитых внутреннего и наружного змеевиков, соединяемых последовательно. Нижняя камера котла является топкой. Она оборудована форсункой для солярового масла. Рис. 3.6. Нагревательно-перекачивающий агрегат Для подачи теплоносителя к месту использования служит шестеренный насос. Этот же насос заполняет органическим теплоносителем змеевики и нижнюю часть расширительного бака. 78 иб АД И Нагреватель снабжен системой автоматики, отключающей подачу топлива и подающей световой сигнал на пульт управления при отклонении выходных параметров от заданных. Нагреватели битума (битумоплавильни) служат для плавления, обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры 130180 ºС. При этом битум очищается от механических примесей (песка, гравия и т.п.), которые в расплавленном битуме выпадают в осадок [4]. Присутствие в битуме влаги понижает его вяжущие свойства, а наличие механических примесей вызывает изнашивание битумных насосов, кранов и сочленений битумопроводов. Рис. 3.7. Битумная цистерна С Битумоплавильные агрегаты могут быть стационарными и передвижными, периодического и непрерывного действия. Широкое распространение получили битумоплавильные агрегаты периодического действия, состоящие из трех битумных цилиндрических котлов, сваренных из листовой восьмимиллиметровой стали. Котлы заключены в общую кирпичную кладку. Каждый котел имеет индивидуальную топку из огнеупорного кирпича и нагревательные каналы, по которым проходят продукты сгорания, омывая стенки котла. Дымоход выполняют общим для трех котлов с одной дымовой трубой. Обогрев котлов производится газами, получаемыми от сгорания в топке мазута, нефти или газа. Котлы битумоплавильных агрегатов могут быть дополнительно оборудованы жаровыми трубами, вваренными внутрь котла. Это ус- 79 С иб АД И коряет разогрев битума, но затрудняет перемешивание его в котле, а также чистку последнего. Котлы загружают через верхние горловины, а разогретый битум сливается (выдается) через сливную трубу в задней стенке котла. При нагреве сильно обводненного битума происходит обильное пенообразование. Пена заполняет все свободное пространство котла и выливается через край загрузочного отверстия. Для предотвращения этого все три котла в верхней части (в загрузочных горловинах) соединены между собой трубой большого диаметра. Пена, дойдя до уровня трубы, переливается по ней в соседний котел. Часто для борьбы с пеной устанавливают на котлах специальные мешалки – пеногасители, представляющие собой проходящий поперек всех котлов вал с насаженными лопастями, которые, вращаясь, гасят пену (рис. 3.8). Кроме этого, мешалки способствуют более равномерному нагреву битума, уменьшают перегрев возле нагревательных элементов. Рис. 3.8. Битумная цистерна, оборудованная лопастной мешалкой: 1 – корпус цистерны; 2 – жаровые трубы; 3 – лопастная мешалка Для сокращения трудоемкости подогрева и обезвоживания применяют битумоплавильные агрегаты непрерывного действия, работающие на жидком топливе или на электрической энергии. Битумоплавильный агрегат непрерывного действия (рис. 3.9) состоит из котла, выносной топки 17 с форсунками, вентилятора и двух шестеренных битумных насосов 24 и 25. Битумный насос, уста- 80 С иб АД И новленный в битумохранилище или у битумных цистерн, по битумопроводу подает битум к агрегату [17]. При открытом кране 4 и закрытых кранах 23 и 22 битум через теплообменник 5 и влагоотделитель 9 заполняет котел до минимального допустимого уровня, т.е. несколько выше верхней жаровой трубы 20. Во избежание остывания битума его откачивают из теплообменника и трубопроводов путем изменения направления вращения битумного насоса 27. После продувки внутренней полости топки, жаровых труб, всех газоходов и дымовой трубы 16 топку разжигают. По достижении температуры 9598 ºС открывают проходной кран 23, включив циркуляционный насос 25 для подачи битума в теплообменник 5. Рис. 3.9. Битумоплавильный агрегат непрерывного действия: 1 битумохранилище; 2 возвратный битумопровод; 3 предохранительный клапан; 4, 22, 23 – краны; 5 теплообменник; 6 термометры; 7 трехходовой кран; 8 циркуляционный трубопровод; 9 влагоотделитель; 10 испарительная камера; 11 перегородка; 12 дно испарительной камеры; 13, 14 – указатели уровня; 15 выходное отверстие испарительной камеры; 16 дымовая труба; 17 топка; 18 рама; 19 поплавковый датчик уровня; 20 жаровые трубы; 21 выдающая труба; 24, 25 и 27 – битумные насосы; 26 загрузочный битумопровод Битум, проходя через влагоотделитель 9 и разливаясь тонким слоем по дну 12 испарительной камеры 10, постепенно обезвоживается. После достижения температуры 135140 ºС и полного обезвоживания битума, находящегося в котле, приступают к непрерывному 81 С иб АД И обезвоживанию, нагреву до рабочей температуры битума, поступающего из битумохранилища. Для этого включают подающий битумный насос 27 и через открытый кран 4 начинают подавать обводненный битум из битумохранилища. В теплообменнике 5 битум, имеющий рабочую температуру, смешивается с обводненным битумом и нагревает его до температуры 140150 ºС, при которой происходит интенсивное выделение пара. Из теплообменника битум через влагоотделитель 9 поступает в испарительную камеру и по ее дну через отверстие 15 стекает в основной резервуар котла. Здесь он нагревается горячими газами, идущими из топки 17 по жаровым трубам 20, до рабочей температуры и насосом 24 через трубу 21 и кран 22 выдается потребителю. Излишек битума через трехходовой кран 7 и трубопровод 8 возвращается в котел. Чтобы не допускать попадания в асфальтосмеситель не полностью обезвоженного битума, в котле установлена перегородка 11. Контроль за температурой и уровнем битума осуществляется с помощью термометров 6 и поплавкового датчика уровня 19. Топка 17 представляет собой барабан цилиндрической формы, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. На одной раме с топкой установлены вентилятор-воздуходувка с электродвигателем, топливный насос с двигателем, пусковая аппаратура и бак для топлива. Воздух, подаваемый вентилятором в форсунку, предварительно подогревается, проходя под кожухом, которым окружена топка. Отработавшие газы отводятся через дымовую трубу 16. Рис. 3.10. Нагреватель битума 82 С иб АД И Нагреватели битума часто комплектуют из нескольких агрегатов [4]. В состав нагревателя (рис. 3.10) входят: расходная битумная емкость 1, трубчатый нагреватель 2, резервуар обслуживания 3, топливный бак 4 с топливной системой, пульт управления и битумопроводы. Резервуар 3 обслуживания предназначен для непрерывного выпаривания влаги из битума, подаваемого из битумохранилища и подогретого в трубчатом нагревателе. Внутри котла резервуара обслуживания расположены теплообменник, испарительный лоток, пароотделитель, электронагреватели, а на раме – битумный насос с электроприводом. Трубчатый нагреватель (рис. 3.11) предназначен для нагревания битума до рабочей температуры [2]. Он выполнен в виде цилиндрической емкости, между торцовыми внутренними стенками которой установлены битумные трубы. В переднюю торцовую стенку встроена цилиндрическая топка, снабженная форсункой для жидкого топлива. Рис. 3.11. Трубчатый нагреватель: 1 – форсунка; 2 – топка; 3, 10 – передняя и задняя торцовые стенки; 4 – дымовая труба; 5, 6, 12 – кожухи; 7 – вставка; 8 – трубы; 9 – кольцо; 11 – окно; 13 – рама; 14 – соединительный клапан; 15 – дутьевой вентилятор Топочное пространство нагревателя образуется между торцовыми стенками и экраном из битумных труб. Для подачи воздуха к форсунке служит центробежный вентилятор. Расходная битумная ем- 83 кость предназначена для приема обезвоженного и нагретого до рабочей температуры битума. Для хранения, подогрева, поддержания рабочей температуры жидкого топлива и для подачи его к форсункам трубчатого нагревателя предназначен топливный бак. Топливный бак имеет емкости для мазута и дизельного топлива, подогреватель, топливный насос. Все битумопроводы имеют систему обогрева, предотвращающую возможное застывание битума. Обогрев обычно осуществляется циркуляцией пара по трубе, уложенной внутри битумопроводов. В последнее время все чаще стали применять наружный и внутренний электрический обогрев битумопроводов. иб АД В чём заключается сложность хранения битума? От чего зависит кинематическая вязкость битума? Какие типы нагревателей битума существуют? Из-за чего происходят потери тепла в битумохранилище? С какой целью производится тепловой расчёт битумохранилища? По каким причинам происходит обводнение битума? Как производится обезвоживание битума? По какому принципу выбирается расположение битумной базы? С 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. И Контрольные вопросы 84 4. БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ Эмульсиями называют дисперсные системы, состоящие из взаимно нерастворимых жидкостей. Битумные эмульсии – это дисперсные системы, где вода является средой, а диспергированный битум – фазой. В дорожных эмульсиях битум и деготь диспергированы до частиц размером примерно 1 мк. 4.1. Необходимость применения эмульсий С иб АД И Нефтяной дорожный битум широко применяется при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог в качестве вяжущего материала. Основное его назначение – связывание минерального остова смеси в единое целое, чтобы обеспечить технологические и эксплуатационные характеристики дорожной одежды при воздействии на нее движения и климатических факторов [7]. Битумные вяжущие должны удовлетворять основным требованиям [3, 7, 24]: иметь вязкость, которая, с одной стороны, позволит равномерно распределить битум по обрабатываемой поверхности, а с другой – связывать (склеивать) обработанные им материалы в единое целое; хорошо смачивать минеральные частицы и прочно удерживаться на их сухой или увлажненной поверхности, т.е. хорошо прилипать к ней; обладать достаточной стабильностью свойств при воздействии различных климатических, технологических и эксплуатационных факторов. Весь технологический процесс приготовления смесей на основе битумов и устройства (укладки, уплотнения) слоев дорожной одежды из них определяется вязкостью битума. В этом случае чем менее вязким будет вяжущее, тем равномернее оно будет распределено по обрабатываемой поверхности, тем легче будет проникать в поры и мелкие трещины. В то же время долговечность, прочность и водостойкость покрытия, которые обеспечиваются адгезионно-когезионными свойствами вяжущего, увеличиваются с повышением вязкости битумного вяжущего. 85 С иб АД И Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, обычно выбирают битумное вяжущее, исходя из условий эксплуатации покрытия (нагрузки, атмосферных воздействий и т.п.), т.е. с высокими вязкоупругими свойствами, а для обеспечения технологических свойств его переводят в жидкое состояние одним из трех основных способов [24]: нагреванием до высоких температур (применяется для получения горячей асфальтобетонной смеси); разжижением органическими разжижителями (используется для получения некоторых типов холодных и теплых органоминеральных смесей); превращением битума в одну из дисперсных систем – эмульсию, пасту или пену. Все эти способы направлены на достижение удобной для обработки поверхности консистенции битума. Однако после выполнения этой задачи битум должен вновь обрести свои первоначальные вязкоупругопластические характеристики. В случае же использования эмульсии задача заключается в том, чтобы битум как можно скорее и в полном объеме восстановил свои свойства после применения технологического приема, именуемого эмульгированием, который реализуется в три этапа, включая способность: достаточно легко приводить битум в эмульгированное состояние; легко создавать равномерную битумную пленку необходимой толщины на обрабатываемой поверхности; быстро и в полной мере возвращать битумному вяжущему первоначальные свойства или даже улучшать его. Этот процесс обычно называется формированием. Следует заметить, что в характеристику эмульсии, называемую временем формирования, часто включают время формирования и самого битума, выделившегося из эмульсии. Битумная эмульсия должна, будучи жидкой для возможности доставки вязкого битума в поры и мелкие трещины, обеспечивать создание пленки вяжущего заданной толщины. Эмульсия как материал работает в полной мере только на втором этапе. В этом случае она должна обладать следующими основными качествами: быть устойчивой и не распадаться (не расслаиваться на битум 86 иб АД И и воду) в течение времени, необходимого для принятой технологии работ; иметь заданные вязкость и дисперсность; обеспечивать возможность осаждения на обрабатываемую поверхность и сцепления с ней пленки битумного вяжущего; как можно быстрее прекратить свое существование по окончании заданного технологического цикла, т.е. распадаться с выделением воды, оставляя битум на предназначенном ему месте в виде равномерной пленки. Этот процесс характеризуется обычно скоростью распада. На третьем этапе, кроме скорости распада эмульсии, который частично начинается уже на втором этапе, происходит удаление воды с обработанной поверхности и затем формирование битумной пленки, т.е. удаление пластификаторов или разжижителей и «затвердевание» битума. Процессы, происходящие на этом этапе, за исключением удаления воды, зависят только от свойств битума и возможности и скорости удаления из него технологических добавок (пластификаторов или разжижителей). Битумные и дегтевые эмульсии широко применяются в дорожном строительстве за рубежом. Возможность продления строительного сезона при использовании битумных эмульсий для устройства дорожных покрытий особенно актуальна для неблагоприятных климатических условий с повышенной влажностью и пониженной температурой. С 4.2. Классификация эмульсий По характеру взаимодействия с минеральными материалами битумные дорожные эмульсии делятся на быстро-, средне- и медленнораспадающиеся. Согласно ГОСТ 18659–81 скорость распада битумных эмульсий характеризуется возможностью смешивания их с минеральными материалами различного гранулометрического состава. Область применения битумных эмульсий различных классов приведена в табл. 4.1. В России эмульсии классифицируются не по скорости распада, а по устойчивости при перемешивании с минеральными материалами, но увязывается это со скоростью распада: ЭБА(К)-1 и ЭБПА(К)-1 (быстрораспадающиеся); 87 ЭБА(К)-2 и ЭБПА(К)-2 (среднераспадающиеся); ЭБА(К)-3 и ЭБПА(К)-3 (медленнораспадающиеся). Обозначение марки эмульсии, например ЭБПК-1, расшифровывается как катионная, распадающаяся при смешении со смесями минеральных материалов как плотного, так и пористого состава (быстрораспадающаяся), приготовленная с добавками полимера (битумнополимерная). В этом случае остается сомнение, использовано ли битумно-полимерное вяжущее для эмульгирования или полимер добавлен в готовую эмульсию. Таблица 4.1 Применение битумных эмульсий Класс битумной эмульсии ЭБК-2 ЭБК-3 И Устройство поверхностной обработки Ямочный ремонт дорожных покрытий Подгрунтовка Устройство поверхностной обработки Устройство оснований дорожных конструкций способом пропитки Приготовление черного щебня и пористых щебеночных смесей для устройства оснований дорожных одежд Приготовление плотных эмульсионно-минеральных смесей для устройства покрытий и слоев износа Укрепление откосов земляного полотна Приготовление грунтовых смесей Обеспыливание грунтовых дорог иб АД ЭБК-1 Область применения С Классификация битумных эмульсий в зависимости от области их применения в строительстве автодорог [22]: дорожные, обычно содержащие эмульгированные дорожные вязкие нефтяные и сланцевые битумы, каменноугольные или другие дегти, предназначенные для дорожных работ; гидроизоляционные, обычно содержащие эмульгированные высоковязкие строительные и кровельные нефтяные битумы и предназначенные для гидроизоляционных работ, в том числе гидротехнических и кровельных; отделочные, чаще всего содержащие эмульгированные природные и синтетические каучуки (латексы) или поливинилацетат (ПВА) и используемые вместе с наполнителями, стабилизаторами и пигментами как компоненты водно-эмульсионных красок; специального назначения, например, для смазки форм при из- 88 С иб АД И готовлении сборных бетонных и железобетонных изделий или для охлаждения резца при механической обработке и изготовлении металлоизделий. Водорастворимые эмульгаторы могут проявлять свои эмульгирующие свойства в водном растворе с диссоциацией на ионы (ионогенные) или без диссоциации (неионогенные). В зависимости от вида иона (анион или катион), образуемого активной гидрофильной группой молекулы, ионогенные эмульгаторы подразделяют на анионо- или катионоактивные, а соответствующие эмульсии – на анионные с щелочной средой или катионные с кислой средой. В зависимости от природы жидкости в составе фаз эмульсии различаются на: прямого типа – эмульсии масла в воде (М/В), когда капли битума (ДФ) диспергированы в воде (ДС); обратного типа – эмульсии воды в масле (В/М), когда вода (ДФ) диспергирована в битуме (ДС); в иностранной литературе такие эмульсии часто называют инвертными. Следует отметить, что в процессе приготовления могут образоваться оба типа эмульсий одновременно, особенно в случае применения эмульгаторов двойного действия. Какого типа получится эмульсия в итоге, будет зависеть от природы битума, рН водной среды и соотношения объема фаз. Если эмульгатор резко гидрофилен или очень олеофилен, т.е. практически растворим только в одной из фаз, образующих эмульсию, то при любых соотношениях объема фаз эмульсия получится только одного типа. Для некоторых эмульгаторов возможно получение как прямых, так и обратных эмульсий при одинаковом соотношении фаз и без перемены рН среды. Необходимо лишь изменить объем эмульгатора в системе. Так, при небольших количествах эмульгатора, например ЛСТ, образуется обратная эмульсия типа В/М, с его увеличением достигается предельное состояние, которое нарушается при дальнейшем повышении количества эмульгатора и возникает грубая прямая эмульсия типа М/В. При дальнейшем увеличении доли эмульгатора дисперсность эмульсии растет, достигая своего предела при определенном соотношении, после чего вновь может образоваться обратная эмульсия [22]. 89 С иб АД И Битумные эмульсии могут подразделяться на низкоконцентрированные (с концентрацией ДФ до 40%), концентрированные (до 74%) и высококонцентрированные (более 74% битума). В настоящее время в дорожном строительстве используют только первые два типа. Высококонцентрированные эмульсии, применявшиеся короткое время в 60-х гг. прошлого века в России, в настоящее время не производят. Однако они достаточно перспективны для производства, прежде всего там, где необходимо транспортирование эмульсий на дальние расстояния. Эмульсии прямого типа обычно подразделяются в зависимости от природы эмульгатора на классы: анионные; катионные; с эмульгаторами двойного действия (амфотерные); неионогенные; эмульсии на твердых эмульгаторах. В российских стандартах эмульсии подразделяют только на анионные и катионные (обозначены соответственно А и К), а в новом ГОСТ Р 52128–2003 введено также деление эмульсий в зависимости от применения полимерных материалов, причем независимо от способа введения полимера в битум – непосредственное эмульгирование такого полимербитума или введение его в уже приготовленную эмульсию (обозначено П). Эмульсии обратного типа в зависимости от природы эмульгатора делятся на следующие: эмульсии на основе ПАВ; эмульсии на твердых эмульгаторах; эмульсии на эмульгаторах неионогенного типа. Этот вид обратных эмульсий находится еще в стадии разработки, но имеет перспективы, особенно в случае применения эмульгатора, чувствительного к изменению температуры в процессе приготовления или применения эмульсии. В дорожной практике наиболее распространены эмульсии прямого типа, прежде всего анионного и катионного классов. Поэтому в основу классификации этих эмульсий в США положена такая важная характеристика их свойств, как скорость формирования смеси на основе этих эмульсий, т.е. как скоро битум, выделившийся из эмульсии, достигнет своих первоначальных свойств: - быстрораспадающиеся (RS); 90 - среднераспадающиеся (МS); - медленнораспадающиеся (SS); - сверхстабильные (QS). Следует отметить, что эмульсии, классифицируемые как сверхстабильные (QS), в России не используются, хотя смеси типа Сларри Сил, для которых они были специально разработаны, находят применение на территории нашей страны. К сверхстабильным эмульсиям можно отнести эмульсии на твердых эмульгаторах – пасты. Полимермодифицированная (битумно-полимерная) дорожная битумная эмульсия – битумная эмульсия, имеющая в своем составе полимер в виде латекса или модифицирующей добавки к битуму в количестве, необходимом для улучшения свойств остаточного вяжущего. И 4.3. Структурный состав битумных эмульсий С иб АД Битумы, являющиеся неполярными веществами, не растворяются в полярной жидкости (воде), поэтому они могут смешиваться с водой только с образованием коллоидной дисперсной системы – эмульсии. Образование и устойчивость эмульсии достигается путем введения в нее специальных эмульгаторов – поверхностноактивных веществ и тонкодисперсных твердых порошков [22]. Поверхностно-активные вещества, молекулы которых состоят из полярной и неполярной частей, ориентируются на границе раздела «битум–вода» таким образом, что неполярной частью они обращены к битуму, а полярной – к воде. Вследствие такой ориентации поверхностно-активных веществ создается слой, который уравнивает разность полярностей битума (фазы) и воды (среды), снижает поверхностное натяжение на границе их раздела. Вследствие диссоциации полярной группы поверхностно-активного вещества частица фазы приобретает электрический заряд (при анионоактивном эмульгаторе – отрицательный и катионоактивном – положительный). Одноименно заряженные частицы фазы отталкиваются, что препятствует их слипанию и обусловливает большую устойчивость эмульсии. Твердые минеральные эмульгаторы выполняют ту же роль, что и органические, они прилипают к поверхности диспергированных частиц битума и образуют на границе раздела с водой защитные оболочки, препятствующие их соединению (рис. 4.1). 91 С иб АД И Для изготовления дорожных эмульсий применяют главным образом водорастворимые органические эмульгаторы или твердые минеральные порошкообразные вещества. К числу водорастворимых эмульгаторов относятся поверхностно-активные анионоактивные и катионоактивные вещества. Эмульсии с анионоактивными эмульгаторами называют щелочными, с катионоактивными – кислыми. Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии обычно не превышает 3%, твердых эмульгаторов – 15–5% и зависит от дисперсности эмульсии. К твердым эмульгаторам а б относятся тонкоизмельченные порошки глин, извести, цемента, сажи, угля [22] и т. д. При диссоциации этих веществ поверхностно-активным является катион, который понижает поверхностное наРис. 4.1. Структура битумной эмульсии: тяжение воды, растекается по а – на органическом эмульгаторе; б – на порошкообразном твердом битуму и способствует его эмульгаторе; 1 – битумная частица диспергированию при переме(фаза); 2 – вода (среда); шивании. 3 – органический эмульгатор; Адсорбцией называется 4 – порошкообразный эмульгатор явление накопления одного вещества на поверхности другого. Она зависит от химической и физической природы адсорбента (вещества, на поверхности которого накапливается другое вещество) и адсорбтива (вещества, которое накапливается). Накопление же одного вещества внутри объема другого называется абсорбцией. При взаимодействии с минеральным материалом эмульсия должна обладать способностью разрушаться или распадаться в течение определенного промежутка времени с образованием пленки органического вяжущего материала, прочно прилипающей к поверхности заполнителя [18]. Схемы глобул дисперсной фазы и структур битумных и дегтевых дорожных эмульсий приведены на рис. 4.2 [18]. Добавляемый жидкий эмульгатор адсорбируется на поверхности глобул компонентов эмульсии [22] преимущественно за счет сил межмолекулярного притяжения. Аналогичным образом адсорбируются на поверхности 92 глобул частицы твердого эмульгатора из водной суспензии, но за счет сил ван-дер-ваальса. б И а С иб АД Рис. 4.2. Схемы глобул дисперсной фазы с оболочками из адсорбированных ионов водорастворимого эмульгатора: а – катионоактивный; б – анионоактивный Рис. 4.3. Вид эмульсии при большом увеличении Структура битумных и дегтевых эмульсий в основном определяется видами эмульгаторов [22] и поверхностью, на которой образуются глобулы. При этом в прямых эмульсиях (рис. 4.2) твердые частицы эмульгаторов адсорбируются на внешней поверхности глобул, в обратных – на внутренней. На рис. 4.3 представлен вид эмульсии при большом увеличении. 93 4.4. Эмульгаторы для приготовления битумных эмульсий 4.4.1. Типы эмульгаторов иб АД И Эмульгаторы для битумных эмульсий как для прямых, так и для обратных можно разделить по типу применяемого ПАВ на водо- и маслорастворимые. Третий, особый тип эмульгатора, не применяемый в зарубежной дорожной практике, – это твердые эмульгаторы. Классификация эмульгаторов представлена на рис. 4.4. С Рис. 4.4. Классификация эмульгаторов для битумных эмульсий Маслорастворимые эмульгаторы, вводимые в битум, за рубежом не используются. Там в битум могут вводить только ПАВ в виде адгезионных добавок. Для получения прямых эмульсий на маслорастворимых эмульгаторах требуется повышенное его количество по сравнению с водорастворимыми. Такие эмульсии менее технологичны в применении. Кроме того, многие ПАВ при рабочей температуре битума могут разлагаться, а использование битума при более низких температурах, чем рабочая, влечет за собой применение специального оборудования. Возможно использование битумов, содержащих растворители и пластификаторы, широко применяемых за рубежом, особенно для приготовления эмульсий на модифицированных битумах. Однако в России такой практики почти нет. У нас имелся эмульгатор двойного действия (типа БП-3), который вводился в битум и в зави- 94 С иб АД И симости от типа омыляющего раствора позволял получить анионную или катионную эмульсию. Но он разлагался уже при температуре около 90 С, а рабочая температура вязкого битума значительно выше. Поэтому остается наиболее привлекательный вариант водорастворимых ПАВ, в которых намного меньше расход дорогостоящего эмульгатора и которые проще в применении. Необходимо отметить, что в случае производства обратных эмульсий способ введения ПАВ в битум может быть более предпочтителен, особенно если в качестве эмульгатора применяются продукты нефтяного происхождения типа сланцевого масла, имеющие хорошее сродство с битумом. Что касается твердых эмульгаторов, то они очень широко применялись в дорожном хозяйстве России и республик СССР из-за дефицита качественных жидких эмульгаторов и доступности минеральных порошков, но отсутствие необходимого оборудования для приготовления и укладки, а также слишком длительный срок формирования смесей на основе паст (до 5–6 ч) привело к исчезновению этого материала из российских дорожных организаций. Однако длительный срок формирования битумных паст не является главной причиной отказа российских дорожников от этого материала, так как тонкие слои износа (например сларри сил) также формируются от 3 до 6 ч в зависимости от погодных условий и в последние годы они находят всё более широкое применение на наших дорогах. В настоящее время за рубежом разработаны специальные добавки и методы, способствующие значительному ускорению срока формирования эмульсий. Они вполне пригодны и для применения с порошкообразными эмульгаторами. Также стал и более доступен парк специальных машин и оборудования для приготовления и укладки смесей, в том числе и мобильных, который уже давно применяется за рубежом. Это оборудование можно использовать для приготовления паст и смесей на их основе и укладки их на дорогах. 4.4.2. Принцип действия эмульгаторов Для получения и стабилизации битумных эмульсий кроме воды и битума необходим еще один важный компонент – эмульгатор, который способствует диспергированию битума в водной среде и сообща- 95 С иб АД И ет битумным каплям устойчивость, т.е. стабилизирует эмульсию [6, 7, 22]. Так как процессы эмульгирования и стабилизации эмульсий обусловлены, прежде всего, изменением межфазного поверхностного натяжения, то, следовательно, эмульгаторами должны быть выбраны ПАВ, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Устойчивость частицы битума в эмульсии будет зависеть также и от сил смачивания, т.е. от сил, препятствующих отрыву частиц эмульгатора в обе жидкие фазы от поверхности раздела. Поэтому стабилизация межфазной границы может быть увеличена также за счет высокодисперсных твердых веществ, которые называют активными наполнителями [6, 8]. Эмульгирующее действие ПАВ будет тем эффективнее, чем лучше сбалансированы полярные и неполярные части молекулы эмульгатора между обеими фазами эмульсии. Важной характеристикой молекул ПАВ, определяющей их свойства, в том числе и способность эмульгировать и стабилизировать эмульсии, является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ), т.е. соотношение гидрофильной «головы» и гидрофобного «хвоста» молекулы. Однако определение этой важной характеристики ПАВ чрезвычайно сложно. При полной сбалансированности обеих частей молекулы могут быть получены множественные эмульсии (рис. 4.5) [22]. Распределение эмульгатора между двумя жидкими фазами способствует образованию таких эмульсий. Множественные эмульсии могут быть получены и в случае применения двойных эмульгаторов, один из которых стабилизирует эмульсии типа М/В, а другой – В/М. Множественная эмульсия Рис. 4.5. Схема глобулы множественной эмульсии: может быть получена также при увеличении концентрации ДФ 1 – битум; 2 – вода; 3 – гидрофильное ПАВ; 4 – масло (битум); выше критической, так как в 5 – липофильное (гидрофобное) ПАВ этом случае концентрация эмульгатора возрастает из-за уменьшения объема ДС, это сопровож- 96 дается переходом излишка эмульгатора в другую фазу, особенно если он может в ней растворяться в силу своих химических особенностей или изменения внешних условий – температуры и давления. Шарики множественной эмульсии намного больше, чем капельки воды в обратных эмульсиях (типа В/М). При обращении фаз множественные эмульсии образуются не только в результате наличия излишка эмульгатора, но и в том случае, когда зависимость вязкости от объемной доли ДФ резко отличается от такой же зависимости для обычной эмульсии до процесса обращения, т.е. при наличии гистерезиса. 4.5. Приготовление дорожных эмульсий И 4.5.1. Технологический процесс приготовления эмульсий С иб АД Производство дорожных эмульсий состоит в измельчении (диспергировании) битума или дегтя в воде с эмульгатором. Технологический процесс изготовления эмульсий состоит из следующих операций: 1) разогрева вяжущего материала; 2) приготовления эмульгаторов; 3) диспергирования вяжущего и смешения его с водным раствором эмульгатора. Битум или деготь в зависимости от вязкости подогревают до температуры 50–120 °С. Производство битумных эмульсий может осуществляться на установках непрерывного или периодического действия (рис. 4.6). Органические водорастворимые эмульгаторы приготавливаются следующими способами [22]: 1.Эмульгатор предварительно смешивается с нагретым битумом или дегтем и отдельно готовится водный раствор щелочи. 2.Эмульгатор (кислоты или продукты, их содержащие) омыляется в водной среде щелочью. Приготовленные компоненты эмульсии (эмульгатор или водный раствор щелочи, вяжущий материал) содержатся в специальных резервуарах, из которых и подаются в эмульсионную установку. В установке при помощи вращающихся дисков (лопастей) происходит диспергирование (раздробление) битума или дегтя в водной среде. Эмульгатор адсорбируется на поверхности частиц вяжущего материала и придает устойчивость получаемой эмульсии. Качество эмульсии и механическая энергия, затрачиваемая на ее производство, зависят от того, насколько полно будет использована 97 С иб АД И энергия химического и физико-химического взаимодействия компонентов эмульсии: эмульгатора, битума или дегтя и воды. Такими условиями приготовления эмульсии являются предварительное смешивание битума или дегтя с эмульгатором (кислотосодержащими продуктами) и постепенная подача его в водной раствор щелочи или постепенная подача нагретого битума в водный раствор эмульгатора. Эти условия за счет физико-химического взаимодействия компонентов эмульсии способствуют самопроизвольному диспергированию битума или дегтя при меньшей затрате механической энергии. Все это необходимо учитывать при выборе технологии и оборудования для приготовления эмульсий [3]. В установках периодического действия раствор битума и эмульгатор готовятся в необходимых по рецептуре количествах и доводятся до расчетной температуры. При использовании битума БНД 40/60, а также при невозможности повысить качество битумной эмульсии другими способами в битум добавляется растворитель (керосин или дизтопливо) в количестве до 3%. Рис. 4.6. Принципиальная схема установки периодического действия: 1– битумонагреватель; 2 – дозатор битума; 3 – насосы; 4 – дозатор эмульгатора; 5 – диспергатор; 6 – хранилище эмульсии 98 С иб АД И Дозировка компонентов для приготовления эмульсии в установке периодического действия осуществляется с помощью насосовдозаторов объемного дозирования. В установке непрерывного действия не используются объемные дозаторы, и непосредственно в мельницу осуществляется подача битума. Установки непрерывного действия с полностью автоматизированным технологическим процессом, как правило, встраиваются в стандартный контейнер, что упрощает ее монтаж и перебазирование. Основными преимуществами установок непрерывного действия по сравнению с аналогичными заводами периодического действия являются: быстрая перестройка процесса с одного типа эмульсии на другой; снижение затрат на рабочую силу и эксплуатационных расходов; почти полностью исключается опасность для здоровья, связанная с использованием химикалий; повышенный коэффициент использования благодаря исключению дозаторов. Основными недостатками таких установок непрерывного действия являются: незавершенность химических реакций в водной фазе до осуществления процесса эмульгирования; сложность корректировки качества эмульсии по ходу процесса; чувствительность электронной аппаратуры к всевозможным электрическим помехам. 4.5.2. Оборудование для приготовления эмульсий Для приготовления дорожных эмульсий используют разнообразные машины и установки, отличающиеся друг от друга принципом действия, конструкцией и техническими параметрами (производительностью, способом дозирования компонентов, скоростью вращения рабочих органов и др.) [3, 22]. Классификация эмульсионных машин приведена на рис. 4.7. Диспергаторы относятся к оборудованию непрерывного действия. В них происходит измельчение одной жидкости в другой за счет приложения большой удельной механической энергии к жидкостям, находящимся в узком зазоре (0,2 – 0,4 мм) между ротором и статором. 99 И Диспергаторы подразделяют на два типа: роторные и плунжерные. Диспергаторы первого типа имеют значительно меньшее количество трущихся деталей, чем плунжерные, и более просты конструктивно. иб АД Рис. 4.7. Классификация эмульсионных машин С По количеству вращающихся дисков (роторов) диспергаторы подразделяют на одно-, двух- и трёхдисковые. Они также различаются по количеству щелей между ротором и статором и между роторами, например однодисковый трехщелевой. Для создания лучших условий эмульгирования рабочим поверхностям статора и ротора может придаваться различная форма: коническая, цилиндрическая, параболическая, извилистая и др. (рис. 4.8). Использование роторов с извилистой, волнистой или зубчатой поверхностью удлиняет путь движения жидкостей в зазоре между ротором и статором, что облегчает диспергирование и повышает дисперсность эмульсий. Оборудование, реализующее принцип механического эмульгирования с помощью диспергаторов роторного типа (коллоидной мельницы), можно разбить на три группы в зависимости от получаемого размера частиц битума в эмульсии [23]: - мельницы первой группы: пик от 1 до 2 мкм и более 90% частиц менее 5 мкм; - мельницы второй группы: пик 4–5 мкм и более 90% частиц менее 10 мкм; - мельницы третьей группы: пик выше 5 мкм и более 10% частиц крупнее 10 мкм. 100 Области применения эмульсий, приготовленных на коллоидных мельницах первой группы: литые эмульсионно-минеральные смеси, в том числе полимермодифицированные, поверхностная обработка (чип сил), в том числе с использованием полимеров, ресайклинг, укрепление грунтов, подгрунтовка, пропитка и т.д.; второй группы: простые литые эмульсионно-минеральные смеси, поверхностная обработка, ресайклинг, укрепление грунтов, подгрунтовка, пропитка; третьей группы: поверхностная обработка в неответственных случаях, подгрунтовка, пропитка. б в 1 1 2 4 1 3 4 4 1 2 3 1 2 3 4 4 3 иб АД 2 3 г И а 2 ж д е С 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 4 3 5 6 Рис. 4.8. Виды рабочих поверхностей диспергаторов роторного типа: а – конические; б – цилиндрические; в – параболические; г – зубчатые; д – извилистые; е – кулачковые; ж – турбинные; 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вал; 4 – загрузочные или разгрузочные отверстия; 5 – кулачковые била; 6 – турбинные лопатки Первая в СССР эмульсионная установка полустационарного типа бьгла изготовлена по техническому заданию СоюздорНИИ Харьковским и Дарницким заводами Главдорстроя СССР [3]. Она состояла из двух би- 101 С иб АД И тумных котлов емкостью 3000 л каждый, которые служили для приготовления и подогрева раствора эмульгатора, резервуаров для воды, лопастной мешалки, диспергатора для приготовления эмульсии и резервуара готовой продукции. Лопастная мешалка представляла собой цилиндрический бак диаметром 690 мм, высотой 1200 мм, внутри которого располагался вертикальный вал с тремя рядами лопастей. На внутренней поверхности бака были закреплены неподвижные лопасти, расположенные в пространстве между вращающимися лопастями. Для вращения вала мешалки устанавливался электродвигатель мощностью 2,8 кВт [3]. Диспергатор (рис. 4.9) представлял собой корпус, с двух сторон закрытый крышками, в котором на подшипниках вращался горизонтальный вал с двумя дисками [3]. Рабочая поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены коническими с образованием регулируемого рабочего зазора. В верхней части диспергатора установлена воронка, в которую по трубам подавались водный раствор эмульгатора и горячий битум. Рис. 4.9. Внутреннее устройство диспергатора: 1 – корпус; 2 – крышки; 3 – шариковые подшипники; 4 – вал; 5 и 6 – диски ротора; 7 – рабочий зазор; 8 – паровая рубашка; 9 – паровпускные и выпускные пробки; 10 – шкив; 11 – вводный канал; 12 – внутренняя полость ротора; 13– выпускные каналы При изготовлении суспензий на твердых эмульгаторах применяют лопастные мешалки. 102 Мешалки являются оборудованием порционного действия. Известны три основных типа перемешивающих устройств (рис. 4.10): лопастные (частота вращения лопастей от 20–30 до 800–1000 об/мин), винтовые (частота вращения винта 300 – 1000 об/мин) и турбинные (частота вращения турбин 100 – 320 об/мин). По расходу энергии на производство 1 т эмульсии наиболее экономичными являются лопастные мешалки с малым числом оборотов, наименее экономичными – турбинные. Лопастные мешалки по конструкции значительно проще диспергаторов. Их широко используют для приготовления обратных эмульсий с применением жидких вяжущих материалов – каменноугольного дегтя, сланцевого битума или с нефтяным вязким битумом [22]. б в д С г иб АД И а Рис. 4.10. Типы перемешивающих органов в мешалках для приготовления эмульсий: а – лопастные; б – винтовые (пропеллерные); в – турбинные закрытого типа; г – турбинные открытого типа; д – шнековые 103 С иб АД И В акустических эмульсионных установках источниками звуковых и ультразвуковых колебаний являются электромеханические и гидродинамические вибраторы. В качестве источников звуковых и ультразвуковых колебаний в промышленных акустических эмульсионных установках используют преимущественно гидродинамические вибраторы, эффективно диспергирующие жидкость в жидкости. На рис. 4.11 приведена схема установки по производству битумной эмульсии «Катион-10». Рис. 4.11. Состав установки по производству битумной эмульсии: 1 – моторный блок; 2 – блок приготовления водного раствора; 3 – блок охлаждения эмульсии; 4 – блок нагрева воды; 5 – линия ввода разжижителя и эмульгатора добавок; 6 – линия ввода латекса; 7 – дозаторы; 8 – диспергатор Установка смонтирована в металлическом контейнере, где выделены два помещения – помещение оператора и моторный блок с коллоидной мельницей и битумным насосом, оснащенный электронным расходомером и электронным частотным регулятором расхода битума; насос водной фазы, оснащенный электронным частотным регулятором расхода. Блок приготовления водного раствора состоит из двух емкостей, изготовленных из полипропилена, оборудованных лопастными ме- 104 С иб АД И шалками из нержавеющей стали вертикального типа, и дозирующего блока из полипропилена с контрольным экраном из акрилового стекла. Блок оснащен электрическими насосами для дозировки водного раствора кислотой и эмульгатором, визуальными и электронными уровнемерами, датчиками температуры и кранами для отбора проб, сигнальными устройствами при превышении и при достижении нижнего уровня водного раствор. Актуальной проблемой является организация промышленного производства и комплексная поставка дорожным организациям оборудования и высокопроизводительной аппаратуры для приготовления эмульсий различных составов. Для производства дорожных эмульсий применяются различные способы эмульгирования: механический, акустический, химический, кавитационный, барботажный. Универсальным способом эмульгирования является механический, при котором возможно в оптимальном режиме эмульгировать разные битумы на различных по активности эмульгаторах [3]. Действующее в настоящее время эмульсионное оборудование отличается как по конструкции, так и по принципу действия. Такие виды оборудования, как лопастные мешалки и установки для барботирования, обладают ограниченными возможностями для приготовления эмульсий на различных эмульгаторах с разной скоростью распада. Часть оборудования на эмульсионных базах изготовлена кустарным способом дорожно-строительными организациями, как правило, не отвечает предъявляемым требованиям, исключая поставки установок по производству эмульсий западными фирмами [4]. Главной задачей совершенствования технологии устройства поверхностной обработки является повышение точности дозирования битума, которое невозможно обеспечить обычно применяемыми автогудронаторами. Строительство их по способу поверхностной обработки может выполняться с применением различных вяжущих: битумов, дегтей, битумных эмульсий, полимеров, полимерно-битумных композиций и др. Наиболее распространенным органическим вяжущим остается битум. Однако технологические процессы выполнения поверхностной обработки с использованием вязких битумов имеют ряд существенных недостатков: среднесуточная температура окружающего воздуха при производстве работ не может быть ниже 15 °С; на современном оборудовании практически невозможно до- 105 С иб АД И биться равномерного распределения вязкого битума в виде тонкой пленки; необходимость поддержания высокой температуры битума во время производства работ; необходимость использования обезвоженного минерального материала. При неравномерном распределении битум на отдельных участках выступает на поверхности покрытия, придавая ей дополнительную скользкость. Поверхностные обработки на жидких битумах также имеют ряд существенных недостатков: замедленное формирование слоя; диффузия значительной части разжижителя в атмосферу, что оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды; необходимость строгого соблюдения температурного режима для обеспечения безопасности работ; необходимость хранения разжиженных битумов в герметично закрытых емкостях в целях избежания испарения разжижителя. Перечисленные недостатки исключаются при использовании технологии устройства поверхностной обработки с применением битумных эмульсий в качестве вяжущих. Основное достоинство эмульсий, особенно прямых, заключается в том, что они обладают весьма малой вязкостью по сравнению с битумом или дегтем. Это позволяет производить межсезонные работы «холодным способом», исключающим подогрев каменного материала, эмульсии и смесей, что ускоряет строительство и ремонт дорог и упрощает их технологию. Таким образом, строительные работы можно начинать ранней весной, не прерывать их в ненастные и дождливые дни летом и заканчивать поздней осенью при температуре до –5 °С. 106 Контрольные вопросы С иб АД И 1. Что такое битумная эмульсия и для чего она применяется в дорожном строительстве? 2. Каково назначение эмульгатора? 3. Как эмульсии классифицируются по скорости распада и составу фазы? 4. В чём состоит принцип приготовления битумных эмульсий? 5. Какие конструкции диспергаторов получили наибольшее распространение? 6. В чём заключаются преимущества и недостатки диспергаторов и мешалок? 7. Какие виды эмульгаторов вам известны? 8. Какие эмульгаторы предпочтительнее применять? 107 5. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БИТУМЫ 5.1. Общие сведения о модифицированных битумах С иб АД И Улучшение свойств битумов путём совершенствования технологии окисления гудронов является необходимым, но недостаточным для обеспечения требований, предъявляемых к битумным материалам. Изучение свойств модифицированных битумов показывает, что качество последних зависит от природы наполнителя и содержания его в битуме [5]. Модифицированными называют битумы, улучшенные добавками определенных веществ (полимерами, резиновой крошкой, серой, адгезионными добавками и др.). Полимерно-битумными вяжущими (ПБВ) называют битумы, улучшенные добавками полимеров. Битумы с добавками каучуков называют битумно-каучуковыми вяжущими (БКВ), с добавкой резиновой крошки – резинобитумными вяжущими (РБВ) [2, 5]. Рабочий интервал эксплуатации битума характеризуется интервалом его пластического состояния – разницей между температурами размягчения и хрупкости, для его увеличения необходимо понизить температуру застывания и повысить температуру размягчения дисперсионной среды [7]. Этого можно достичь следующими способами: 1) смешением битума, содержащего много асфальтенов (переокислённого), с продуктами, содержащими, в свою очередь, много низкомолекулярных ароматных масел с невысокой вязкостью и низкой температурой застывания (гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масел); 2) окислением расплавленного битума воздухом. При этом молекулы углеводородов «рвутся», к освободившимся химическим связям присоединяются молекулы кислорода. Однако практически всегда получаются «лишние» свободные связи, которые и «ловят» на себя озон, становясь центрами разрушения битумов; 3) окислением в присутствии хлорида железа или окиси фосфора. Эти катализаторы образуют комплексы с полярными веществами, сосредоточенными в смолах и асфальтенах. Эти комплексы имитируют асфальтены – плохо растворяются в битумах, создавая коллоидную структуру; 108 С иб АД И 4) введением в битум модифицирующих добавок: наполнителей, пластификаторов, структурообразователей, синтетических полимеров и их смесей и др. [5]. Первые опытные участки асфальтобетонных покрытий с применением модифицированных битумов были построены в ряде стран Западной Европы в 1930-х гг. Натуральный каучук был первым эластомером, который использовался как модифицирующая добавка к битуму при производстве асфальтобетонных смесей. В США и Канаде в 1950-х гг. для модификации дорожного битума начали применять неопреновый латекс – эмульсию синтетического каучука в воде. Многие участки асфальтобетонных покрытий с использованием модифицированных битумов хорошо зарекомендовали себя в условиях грузонапряженного движения. В 70-х гг. прошлого века в Западной Европе интерес к применению модифицированных битумов значительно возрос. Модифицированные битумы использовали для устройства поверхностных обработок и при приготовлении асфальтобетонных смесей. Для модификации битумов применяют каучуки (полибутадиеновый, натуральный, хлоропреновый, бутилкаучук), термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, этиленвинилацетат), серу, резиновую крошку, органомарганцевые компаунды, термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры, блоксополимеры стирол-бутадиен-стирол). Наиболее широко применяют ПБВ на основе блоксополимеров стирол-бутадиен-стирол. Рост объемов потребления дорожной отраслью полимеров типа стирол-бутадиен-стирол (СБС) обусловлен их способностью не только повышать прочность битума, но и придавать полимерно-битумной композиции эластичность – свойство, присущее полимерам, причем при небольшой концентрации (3 – 5% от массы битума). Использование в асфальтобетонной смеси ПБВ на основе полимера СБС обеспечивает дорожному покрытию способность к быстрому снятию напряжений, возникающих в покрытии под воздействием движущегося транспорта. В настоящее время за рубежом композиции битума с разным содержанием полимера СБС находят широкое применение для устройства дорожных одежд на искусственных сооружениях (мостах, дорожных развязках и пр.) и, как показывает опыт, обеспечивают длительные сроки работы дорожных покрытий, несмотря на особо сложные условия эксплуатации. 109 С иб АД И Кроме того, на основе полимеров СБС изготавливают битумные мастики для разных видов дорожных ремонтных работ (заливки деформационных швов на мостах, трещин на асфальтобетонных покрытиях), а также герметизации площадок, предназначенных для сбора бытовых и других отходов. Опыт применения ПБВ в США и Канаде показал, что, несмотря на более высокую стоимость ПБВ, суммарные расходы на строительство и ремонты снижаются благодаря увеличению межремонтных сроков службы дорожных покрытий [5]. Применение ПБВ относится к одной из наиболее активно внедряющихся технологий строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог России. Начало развитию указанного направления было положено в 1995 г. после принятия распоряжения Федерального дорожного департамента Минтранса РФ об обязательном применении модифицированных битумов при устройстве верхних слоев дорожных покрытий на дорогах I и II технических категорий. За 1995 – 2005 гг. использованием ПБВ с различными модифицирующими добавками в России построено более 3000 км дорожных покрытий. Причина принятия такого решения – несоответствие основных свойств большинства отечественных битумов усложнившимся условиям эксплуатации автомобильных дорог. Основная цель введения полимера в битум – понижение температурной чувствительности вяжущего, т.е. увеличение его твердости летом и уменьшение зимой, а также придание вяжущему эластичности – способности к обратимым деформациям во всем диапазоне эксплуатационных температур. Если эта цель достигнута, то асфальтобетон с применением ПБВ обладает повышенной сдвигоустойчивостью, низкотемпературной трещиностойкостью и усталостной долговечностью. Установлено, что применение ПБВ взамен битумов позволяет повысить трещиностойкость покрытий дорог, мостов, аэродромов и продлить срок их службы в 1,5 – 3 раза [5]. 5.2. Технология приготовления полимерно-битумных вяжущих на основе полимеров Полимерно-битумные вяжущие получают на асфальтобетонных заводах, оснащенных специальными установками. Полимернобитумные вяжущие требуемого качества изготавливают перемешива- 110 С иб АД И нием вязких дорожных битумов с блоксополимерами типа СБС и ПАВ, а при необходимости – с пластификаторами. Реальное оборудование, его производительность и размещение определяются технико-экономическими показателями, обусловленными требуемым объёмом ПБВ. Универсальная технологическая схема приготовления ПБВ приведена на рис. 5.1 [5]. По такой схеме можно получать ПБВ с любым видом полимерной модифицирующей добавки. Рис. 5.1. Технологическая схема приготовления полимерно-битумного вяжущего: 1 и 2 – емкости с мешалками для приготовления раствора полимера или битумосодержащего раствора полимера; 3 и 4 – емкости с мешалками для приготовления ПБВ; 5 и 6 – диспергаторы (марки Sifer); 7 – накопительная емкость с механической мешалкой Универсальность заключается в том, что предусмотрена возможность якорного перемешивания как раствора, так и ПБВ. Это мероприятие распространено за рубежом для гарантированного получения однородного ПБВ во всем объеме ёмкости. Якорное перемешивание предполагает полное опорожнение одной ёмкости, например 1, путём перекачки всего раствора в другую ёмкость, например 2, затем 111 иб АД И наоборот – из 2 в 1 и так до полной однородности. Кроме того, схема предполагает возможности приготовления ПБВ и раствора в любой ёмкости автономно и возможность не останавливать процесс при поломках. Все ёмкости должны быть снабжены механическими мешалками, в том числе ёмкость 7 для побудительного перемешивания, позволяющего избежать расслаивания ПБВ при необходимости длительного сверхнормативного хранения. Разработаны два способа приготовления ПБВ [5]. По первому способу (одностадийному) все компоненты ПБВ, согласно установленному составу, перемешиваются в одной ёмкости. Если в состав ПБВ входит пластификатор, то его вводят в битум в первую очередь, перемешивают до однородного состояния, а затем при постоянном перемешивании порционно добавляют полимер в виде крошки или порошка. Если блоксополимер типа СБС не содержит ПАВ, то на последней стадии изготовления ПБВ в него вводят ПАВ и доводят смесь до однородного состояния. По второму способу (двухстадийному) предварительно готовят раствор полимера (РП) в пластификаторе или битумосодержащий раствор полимера (БРП) в смеси пластификатора и битума той концентрации, которая была установлена при подборе состава ПБВ. Затем раствор вводят в обезвоженный и нагретый битум, после чего в конце процесса – ПАВ и перемешивают смесь до однородного состояния. С 5.2.1. Технология приготовления полимерно-битумных вяжущих одностадийным способом Для приготовления ПБВ по одностадийному способу битум, предварительно обезвоженный и нагретый до 110 – 120 °С, подают в ёмкость 3 (см. рис. 5.1). Затем туда загружают необходимое количество пластификатора, нагретого до 90 – 100 °С и перемешивают до однородного состояния, после чего порционно вводят полимер. Сначала смесь перемешивают (желательно медленно) до полного смачивания и равномерного распределения полимера. Затем включают нагрев ёмкости и начинают интенсивное перемешивание смеси с одновременным постепенным нагревом до 155 – 160 °С. После этого смесь пропускают через диспергатор 6 и перекачивают из ёмкости 3 в ёмкость 4 до полного освобождения ёмкости 3 и обратно для получения однородного ПБВ во всём объёме. 112 И Рабочая температура приготовления ПБВ не должна превышать 160 °С. При применении блоксополимеров марок Enprene 701 и Enprene 611 температура приготовления полимерно-битумного вяжущего может достигать 175 – 180 °С. Если концентрация РП не превышает 20% по массе, то для повышения производительности работ в ёмкость сначала закачивают пластификатор, затем порционно вводят полимер, доводя раствор до однородного состояния, и потом подают горячий обезвоженный битум. На последней стадии приготовления ПБВ в ёмкость 4 вводят ПАВ, нагретое до температуры не выше 50 °С. Время перемешивания ПБВ с ПАВ составляет 20 – 30 минут. Готовое ПБВ перекачивают в рабочий битумный котёл АБЗ, в накопительную (раздаточную) ёмкость 7 либо в автобитумовоз. иб АД 5.2.2. Технология приготовления полимерно-битумных вяжущих двухстадийным способом С По двухстадийному способу ПБВ готовят в такой последовательности (см. рис. 5.1). Для приготовления РП пластификатор нагревают до 90 – 100 °С и подают в ёмкость 1. Туда же поступает полимер со склада. Во время загрузки компоненты механически перемешивают с малой скоростью для смачивания полимера пластификатором и его равномерного распределения в нём [5]. Для полного растворения полимера загруженные компоненты подвергают интенсивному механическому перемешиванию. Затем всю массу пропускают через диспергатор 5. При этом осуществляют циркуляцию, забирая смесь с низа ёмкости, пропуская её через диспергатор и возвращая на верх ёмкости до получения однородной смеси (раствора) с температурой 155 – 160 °С. Если вязкость РП высока и возникают трудности при перемешивании и перекачке в расходные ёмкости (концентрация раствора более 20% по массе), то в него добавляют битум в количестве, равном содержанию раствора в ёмкости. Получается битумосодержащий раствор полимера (БРП), который вводят в битум и перемешивают до однородного состояния. Состав БРП подбирают предварительно в лаборатории. Количество добавляемого битума в БРП должно учитываться при получении ПБВ. 113 С иб АД И РП и БРП готовятся в отдельных ёмкостях и могут транспортироваться в горячем или холодном состоянии на другие объекты для приготовления ПБВ. Для гарантированного получения однородного РП или БРП их перекачивают из ёмкости 1 в ёмкость 2 и обратно, пропуская через диспергатор 5 и систематически контролируя достижение полного слива из соответствующей ёмкости. Одновременно с приготовлением РП или БРП в ёмкость 3 подают предварительно обезвоженный и нагретый до 155 – 160 °С битум в требуемом для приготовления ПБВ количестве. Затем РП или БРП из ёмкости 1 подают в ёмкость 3, механически перемешивая с битумом и пропуская через диспергатор 6 снизу вверх. Для гарантированного получения однородного ПБВ и снижения объёма полимеризата на стенках и мешалках ПБВ перекачивают из ёмкости 3 в ёмкость 4 через диспергатор 6 и обратно. В емкость 4 на последней стадии приготовления ПБВ вводят ПАВ, нагретое до 50 °С. ПБВ перемешивают с ПАВ в течение 20 – 30 минут. Приготовленное ПБВ подают в накопительную ёмкость 7, битумный рабочий котёл на АБЗ либо в автобитумовоз. Необходимо обеспечить весовое дозирование всех компонентов РП или БРП. Следует обеспечить нужную мощность тепловой машины для быстрого нагрева компонентов в ёмкостях 1, 2, 3, 4 от 90 до 160 °С. Дозировочные устройства, битумопроводы, насосы, смесители, используемые для приготовления ПБВ, должны быть обеспечены системой паро- , масло- или электрообогрева. Все системы до начала работы прогревают. Полимерно-битумные вяжущие, РП, БРП считаются однородными, если на стеклянной палочке, извлечённой из горячего материала (при температуре приготовления), не обнаружено комочков, крупинок, сгустков, а материал стекает с неё непрерывной струёй. При этом остаток на сите с металлической сеткой № 07 по ГОСТ 6613 – 86 не должен превышать 0,02% от массы образца. ПБВ, РП и БРП следует отпускать потребителю через съёмное сито с металлической сеткой № 07, вмонтированной в трубопровод накопительной и раздаточной ёмкостей. Допускается применять только однородные материалы. Для приготовления ПБВ можно использовать любую обогреваемую ёмкость, оборудованную механической мешалкой, в том числе битумные котлы и реакторы бескомпрессорных установок типа 114 Т-309. Площадь горловины ёмкостей для приготовления и хранения РП, БРП, ПБВ должна быть не менее 0,3 м2. Крышка ёмкости должна открываться полностью для обеспечения свободной загрузки материалов и возможности осмотра дна и стенок ёмкости. На крышке необходимо предусмотреть небольшие герметично закрывающиеся клапаны для замера уровня и отбора проб сырья, а также готового ПБВ. Пластификатор, битум или сырьё загружают в ёмкость не более чем на 0,7 её объема. 5.3. Технология получения полимерно-битумных вяжущих в смесителе с лопастной мешалкой С иб АД И На производственной базе ООО «Агродорспецстрой» (Иркутская область) смонтирована установка по приготовлению ПБВ на основе полимеров типа СБС [5]. При получении ПБВ в качестве пластификаторов могут быть использованы смесь отработанных автомобильных смазочных масел (СОАМ) или индустриальное масло. Технологическая схема приготовления ПБВ (рис. 5.3) предусматривает получение вяжущих по одно- и двухстадийному способам. В ёмкости 1 битум обезвоживается и нагревается до температуры 150 – 160 °С, затем насосом 2 перекачивается в смеситель 8. Полимер из бункера 3 через дозатор 4 подаётся в смеситель 8 или ёмкость 7 для приготовления раствора с пластификатором. В процессе приготовления раствора полимера с пластификатором происходит частичное набухание полимерной крошки в масляной среде при температуре окружающего воздуха или получении однородной массы при включенном подогреве (температура 140 – 160 °С). Ёмкость 7 снабжена механической мешалкой, которая включается при подогреве смеси и перед дозированием раствора в смеситель 8. При использовании в качестве пластификатора СОАМ необходимо произвести его обезвоживание и отчистку от тяжёлых остатков. Для этого в технологическую схему включена установка 5 для подготовки СОАМ, в которую пластификатор поступает из автоцистерны или ёмкости для пластификатора 6. Обезвоженная и очищенная СОАМ подаётся в ёмкость 7 для приготовления раствора полимера или в смеситель 8. Ёмкость смесителя теплоизолирована и снабжена подогревом, что позволяет сохранить стабильную температуру при перемешивании ПБВ. Циркуляция и перекачивание ПБВ производится насосом 9. 115 И иб АД Рис. 5.2. Технологическая схема получения ПБВ в смесителе с лопастной мешалкой: 1 – емкость для битума; 2 – битумная насосная станция; 3 – бункер для полимера; 4 – дозатор; 5 – установка для подготовки СОАМ; 6 – емкость для пластификатора; 7 – емкости для приготовления раствора пластификатора с полимером; 8 – смеситель; 9 – насосная станция для перекачки ПБВ; 10 – емкости для хранения ПБВ; 11 – автобитумовоз; 12 – переносная тара; 13 – расходная емкость для ПБВ асфальтосмесительной установки; 14 – дозаторы С Температура приготовления ПБВ составляет 140 – 160 °С, время перемешивания 2 ч. Готовое ПБВ поступает в ёмкости 10, в автобитумовоз 11, в переносную тару 12 или в расходную ёмкость 13 асфальтосмесительной установки. 5.4. Технология приготовления резинобитумных вяжущих на основе эластомера дорожного Резинобитумное вяжущее (РБВ) приготавливают на стационарной установке, технологическая схема которой показана на рис. 5.3. Эластомер дорожный приготавливают по следующей технологии. Резиновую крошку из приемного бункера 1 по ленточному транспортеру 2 подают через дозатор 3 в реактор-мешалку 5. Одновременно с резиновой крошкой в мешалку из дозатора 4 подают сланцевое масло. 116 иб АД И Общая масса поданной в реактор-мешалку резиновой крошки и сланцевого масла должна быть не более 4000 кг. С Рис. 5.3. Технологическая схема приготовления резинобитумного вяжущего на основе эластомера дорожного: 1 – бункер резиновой крошки; 2 – ленточный транспортер; 3 – дозатор резиновой крошки; 4 – дозатор сланцевого масла; 5 – реактор-мешалка для девулканизации резиновой крошки; 6 – реактор-мешалка для приготовления резинобитумного вяжущего; 7 – битумный насос; 8 – накопительная емкость Резиновую крошку и сланцевое масло в реакторе-мешалке перемешивают в течение 3–4 ч при температуре 180–210 °С до получения однородной массы. Во время перемешивания смеси (т.е. процесса термомеханической девулканизации резиновой крошки) необходимо строго следить за системой обогрева и не допускать перебоев в ее работе, обеспечивая тем самым указанные пределы температурного режима. После завершения процесса девулканизации резиновой крошки в реактор-мешалку 5 через дозатор 3 подают требуемое количество отвердителя. Смешение компонентов производят в течение 1–1,5 ч при температуре 170–190 °С. При приготовлении РБВ сначала в реактор-мешалку 6 из битумного котла подают обезвоженный и нагретый до температуры 150 – 117 И 160 °С битум. После чего включают мешалку, из реактора 5 в реактор 6 подают требуемое количество эластомера дорожного. Полученную смесь перемешивают в течение 0,5–1 ч при температуре 150–170 °С. Количество битума и эластомера дорожного, необходимого для приготовления РБВ соответствующей марки, контролируют посредством датчика, установленного в реакторе-мешалке 6. Приготовленное вяжущее из реактора-мешалки 6 перекачивают насосом 7 в накопительную емкость 8. Все элементы коммуникаций установки по производству РБВ (битумопроводы, насосы, краны и т.д.) должны быть обеспечены системой обогрева. Если при приготовлении резинобитумного вяжущего часть эластомера окажется неиспользованной, то ее из реактора-мешалки 5 перекачивают в реактор-мешалку 6, после чего производят промывку реактора 5. Реактор-мешалку 5 промывают битумом при температуре 150–170 °С с помощью насоса 7 после завершения каждого цикла приготовления эластомера. иб АД 5.5. Технология приготовления битумов с добавками поверхностно-активных веществ С Активация битумов адгезионными добавками производится в условиях АБЗ. Добавка, отдозированная весовым или объемным способом, вводится в рабочий котел битумоплавильной установки. При этом емкость заполняется битумом не более чем на 0,7 объема. Температура вязких дорожных битумов при введении добавок в зависимости от марки битума должна составлять 110–140 °С, жидких – 80–110 °С [5]. Оптимальное содержание добавок уточняют в лабораторных условиях с учетом особенностей применяемых минеральных материалов и битума. Активацию битума адгезионными добавками можно осуществить одним из следующих способов. Вариант 1 предусматривает возможность получения активированного битума при транспортировке добавки в металлических или полиэтиленовых бочках (рис. 5.4). Бочки с добавкой в количестве 1–3 шт. (в зависимости от емкости бочек) помещают в металлический шкаф 1, обогреваемый паром (давление 1–3 атм, температура 60–70 °С). Допускается простейшая конструкция шкафа, сваренного из листового железа с крышкой и сливом парового конденсата. Обогрев бочек осуществляется паром, 118 иб АД И подаваемым через резиновый шланг, подсоединенный к паровой магистральной линии. При поставке добавки в полиэтиленовых бочках температура при их разогреве не должна превышать 60 °С. Возможен разогрев металлических бочек с помощью специальных теплоэлектронагревателей. С Рис. 5.4. Схема приготовления активированного битума при транспортировке добавки в металлических или полиэтиленовых бочках: 1 – металлический шкаф для разогрева бочек; 2 – металлические или полиэтиленовые бочки; 3 – битумный насос шестеренный; 4 – емкость для приготовления активированного битума Битум из битумохранилища закачивается в емкость для приготовления активированного битума 4, где доводится до рабочей температуры. После разогрева содержимого бочек включается битумный шестеренный насос 3. Гибкий металлизированный шланг 2 длиной 3 – 4 м погружается в бочку с расплавленной добавкой. Вентиль В1, установленный на всасывающей линии, осторожно приоткрывается. Вентили В2 и В4 закрыты, а вентиль В3 открыт. Во избежание попадания воздушных пузырей на всасывающей линии насоса при переносе шланга из одной бочки в другую вентиль В1 закрывается. После перекачивания из бочек необходимого количества добавки в емкость 4 вентиль В1 закрывается, а вентиль В4 открывается. Происходит перемешивание битума с добавкой в течение 5 – 10 ч (не менее 10 циркуляций по объему емкости 4). 119 иб АД И После полного смешения битума с добавкой вентиль В2 открывается. Активированный битум перекачивается в расходную емкость асфальтосмесительной установки для последующего приготовления асфальтобетонной или полимерасфальтобетонной смеси. Затем цикл приготовления активированного битума повторяется. Вариант 2 предусматривает возможность получения активированного битума при транспортировке добавки автобитумовозами или автогудронаторами (рис. 5.5). С Рис. 5.5. Схема приготовления активированного битума при транспортировке добавки автобитумовозами или автогудронаторами Добавка, например, БАП-ДС-3 из автобитумовоза или автогудронатора перекачивается в емкость для хранения, имеющую подогрев. Битум из битумохранилища закачивается в емкость для приготовления активированного битума, где нагревается до рабочей температуры. Разогретая до температуры 60–70 °С добавка из котла для хранения шестеренным битумным насосом через дозатор подается в емкость для приготовления активированного битума. Происходит перемешивание битума с добавкой путем циркуляции с помощью битумного насоса в течение 5 – 10 ч (не менее 10 циркуляций по объему емкости для приготовления активированного битума). После полного смешения битума с добавкой вентиль В2 закрывается, а вентиль В1 открывается. 120 Активированный битум перекачивается в расходную емкость асфальтосмесительной установки для последующего приготовления асфальтобетонной (полимерасфальтобетонной) смеси. Затем цикл приготовления битума повторяется. Разработана технология приготовления активированного битума, основанная на специальной обработке смеси битума и ПАВ в диспергаторе-смесителе (рис. 5.6) [5]. Теплоноситель Битум из окислительной установки ВО Е1 Е2 В2 иб АД Н2 Н1 И Теплоноситель В1 Теплоноситель Е3 В3 Теплоноситель Д С В4 Н3 В5 К потребителю Рис. 5.6. Технологическая схема опытно-экспериментальной установки: Е1 – емкость для исходного битума; Е2 – емкость для ПАВ; Е3 – емкость для активированного битума; Н1, Н2, Н3 – насосы; В1, В2, В3, В4 – вентили; Д – диспергатор-смеситель Схема установки включает следующие основные узлы: емкость с обогревом Е1 для хранения битума; емкость с обогревом Е2 для хра- 121 С иб АД И нения ПАВ; рабочую емкость для получения и хранения активированного битума Е3; насосы Н1 и Н2; диспергатор-смеситель Д с обогревом. Установка работает в следующем режиме. Битум при температуре 150 – 160 °С из окислительной установки или битумохранилища закачивается в емкость Е1, а ПАВ – в емкость Е2 и нагревается до температуры 120 – 130 °С. В качестве ПАВ можно использовать кубовые остатки синтетических жирных кислот, кубовые остатки аминов и другие адгезионные добавки. Затем исходное сырье (битум и ПАВ) с помощью насосов Н1 и Н2 закачивается в соответствующих пропорциях в рабочую емкость Е3. Здесь производится предварительное смешение компонентов сырья. Полученная смесь из емкости Е3 прокачивается насосом Н3 через диспергатор-смеситель Д. При этом смесь битума и ПАВ подвергается активации и диспергации (разбиению на мельчайшие капельки диаметром 0,10–0,05 мм) за счет гидродинамической активации, возникающей в связи с понижением давления в смеси на 0,2–0,3 МПа. Благодаря этому сплошность битума и ПАВ нарушается и они превращаются после диспергации в систему, состоящую из мельчайших дисперсных частиц, равномерно распределенных между собой в единице объема. Частицы, соприкасаясь, создают вязкую гомогенную систему. Полученный таким образом активированный (диспергированный) битум хранится в рабочей емкости Е3, из которой с помощью насоса Н3 подается потребителю. Контрольные вопросы 1. Каковы особенности технологии получения ПБВ на основе полимера СБС в одну стадию? 2. Каковы особенности технологии получения ПБВ на основе полимера СБС в две стадии? 3. Какова технология получения ПБВ с добавкой АПП? 4. Какова технология получения ПБВ с добавкой «Каудест-Д»? 5. Чем различаются смесительные установки для приготовления битумов, модифицированных полимерными добавками и резиновой крошкой? 6. В чём заключаются особенности технологии приготовления битумов с добавками ПАВ? 7. Какое оборудование используют для приготовления битумов с добавками ПАВ? 122 6. ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БИТУМА 6.1. Классификация машин для транспортирования и распределения вяжущих материалов С иб АД И Жидкие вяжущие материалы (битум, деготь) и разжижители, применяемые в дорожном строительстве и ремонте автомобильных дорог, перевозят железнодорожным или автомобильным транспортом. Для некоторых видов разжижителей, поверхностно-активных веществ и в некоторых случаях для битума в качестве тары могут быть использованы металлические бочки и крафт-мешки. Битумы всех марок (как вязкие, так и жидкие) загружают в транспортные средства наливом. Это самый дешевый способ доставки, погрузки и разгрузки вяжущих [4, 24]. Тарный битум вдвое дороже нетарного. Из всех способов доставки битума наиболее массовый это железнодорожный транспорт. От железнодорожных станций битум доставляют автотранспортом потребителю на битумные или эмульсионные базы и заводы. Автотранспорт также используют для доставки битума потребителю с близкорасположенных к объектам строительства нефтеперерабатывающих заводов. Для транспортирования битума по железной дороге применяются цистерны (рис. 6.1) грузоподъемностью 50–60 т и более или бункерные полувагоны (рис. 6.2) грузоподъемностью 40–60 т (4–6 секций по 10 т). Рис. 6.1. Железнодорожная цистерна для перевозки битума 123 иб АД И Железнодорожные и автомобильные цистерны и бункерные полувагоны имеют, как правило, теплоизоляцию и устройства для разогрева битума (паром – змеевиками или острым паром, топочными газами, электроэлементами или масляный подогрев). Бункерные полувагоны разогреваются паром, для пропуска которого имеют двойные стенки с расстоянием между ними 40–50 мм. Рис. 6.2. Бункерный полувагон для перевозки битума С Наполняют железнодорожные цистерны и бункеры полувагонов на нефтеперерабатывающих заводах наливом сверху, через люк (рис. 6.3), а автоцистерны или тоже наливом через верхние люки, или с помощью насоса через приемный патрубок [4]. Битум сливают из железнодорожных цистерн через специальное сливное устройство – клапан, помещенный в днище, к которому прикрепляют отводной шланг, или сливают непосредственно по лотку в хранилище (рис. 6.4, а). Бункерные полувагоны опоражнивают путем опрокидывания отдельно каждого бункера на широкий лоток, по которому содержимое бункера скатывается в хранилище (рис. 6.4, б). Из автотранспортных средств битум сливают либо самотеком через патрубок для прикрепления шлангов ручных распределителей, либо путем перекачки насосом. Для выгрузки битума из железнодорожных цистерн также применяют специальные насосно-перекачивающие установки. Пере- 124 С иб АД И качка битума в хранилища снижает потери при разгрузке и устраняет загрязнение площадки. Приемка вяжущих материалов на битумных базах и на АБЗ является одной из ответственных организационно-технических задач предприятий этого типа. В период разгрузки цистерн или бункерных полувагонов не разрешается их передвигать. Если по прибытии к месту разгрузки температура вязких материалов находится в пределах 80–90 °С, их можно сразу сливать в битумохранилище. Если несмотря на наличие теплоизоляции цистерны (что обычно обеспечивает сохранение температуры около 100 °С в течение 10 суток при наружной температуре до –10 °С) битум все же остыл, то его перед сливом надо подогреть до температуры текучести. Рис. 6.3. Установка для верхнего налива цистерн Жидкие битумы и сырые дегти при температуре воздуха свыше +10 °С сливают без подогрева, а в холодное время подогревают до температуры +40–50 °С. На многих объектах битум при сливе разогревают с помощью пара, который пропускают в паровые змеевики или камеры цистерны и в паровую рубашку бункера, также применяют и электропрогрев битума. Согласно правилам перевозок МПС вяжущий материал из железнодорожных цистерн нужно выгружать полностью с удалением остатков с внутренней стороны поверхности цистерны, слой остатка на дне не должен превышать 1 см [4]. При необходимости и особенно в 125 зимнее время цистерну подогревают паром (5–6 кгс/см2) до текучего состояния остатка, который затем удаляют. Можно остаток откачать насосом или промыть цистерну. б иб АД И а С Рис. 6.4. Схема слива вяжущих при разгрузке: а – из железнодорожных цистерн; б – из бункерных полувагонов; 1 – цистерна-термос; 2 – бункерный полувагон; 3 – битумохранилище; 4 – насосная установка для подачи битума; 5 – слив битума; 6 – подача пара; 7 – передвижной парообразователь; 8 – донный битумонагреватель На слив вяжущих из железнодорожной цистерны и бункерного вагона дается определенное время, но не больше 2 ч. Из бункерных полувагонов вяжущие материалы разгружают опрокидыванием каждого бункера после того, как слой материала у его стенок расплавился от подогрева. При этом по указанию ответственного за разгрузку бункер освобождают от удерживающих его крюков-зацепов. Бункеры опрокидывают последовательно один за другим, чтобы не нарушать устойчивость вагона. После разгрузки бункер самостоятельно возвращается в вертикальное положение (рис. 4.3, б), его закрепляют и запирают крышки бункера. Применяемые для изготовления асфальтобетона марки битума при обычной температуре (около 20 °С) имеют высокую вязкость, по- 126 С иб АД И этому выгрузка битума была и остается сложной инженерной задачей. Для ее решения необходимо разогревать битум до температуры 110– 120 °С. Технологии разогрева паром, разогрев при помощи электрической погружной горелки, комплексы для разогрева и нижнего слива, комплексы для разогрева и верхнего слива нефтепродуктов имеют существенные недостатки [4, 17]: требуется сложная инженерная инфраструктура (обусловлена применением пара в качестве теплоносителя); большие потери тепла через внешние поверхности цистерны; большая длительность процесса разогрева; относительно высокая стоимость оборудования; наличие остатков в цистерне (около 2 т битума); невозможность слива неисправных цистерн; сложность конструкции системы слива нефтепродукта является фактором, повышающим стоимость и снижающим надежность установки. По этим причинам объёмы перевозок в бункерных полувагонах сокращаются с каждым годом, а потребители обращают внимание на менее энергоёмкие и более производительные способы разогрева и слива битума. Российскими специалистами был разработан и применен на практике новый комплекс для разогрева и слива битума, мазута, нефти и других темных нефтепродуктов из ж/д цистерн. Принцип действия комплекса основан на комбинированном использовании конвективного разогрева и струйно-механического перемешивания битума в пределах всего объема ж/д цистерны и дополнительного нагрева битума в системе внешних теплообменников (рис. 6.5). Последовательность работы комплекса разогрева и слива битума и других вязких нефтепродуктов следующая: 1. В ж/д цистерну при помощи специального механизма опускается через верхнюю горловину устройство «игла», подогреваемое контуром горячего термального масла. 2. При температурном воздействии на твердый битум «игла» опускается внутрь цистерны и разогревает вокруг себя необходимый технический объем битума. 3. Разогретый до температуры текучести (100–110 С) битум выкачивается из цистерны и прогоняется через внешний теплообменник (работающий также на горячем термальном масле), в котором 127 С иб АД И температура битума достигает 150–160 С и возвращается по отдельному контуру через форсунки в «игле» обратно в ж/д цистерну. 4. После этого во время процесса циркуляции битума из ж/д цистерны через внешний теплообменник обратно в цистерну устройство «игла» раскрывается внутри разогреваемой емкости, ускоряя процесс разогрева битума и не оставляя застойных зон внутри цистерны. 5. При завершении процесса разогрева битума «игла» в собранном положении извлекается из ж/д цистерны. После этого битум можно либо откачивать, либо сливать, минуя резервуары для обезвоживания битума, в промежуточные емкости или напрямую в автоцистерны битумовозов. Рис. 6.5. Принципиальная гидравлическая схема комплекса разогрева и слива битума из железнодорожных цистерн Данный способ обладает следующими преимуществами: упрощение конструкции; быстрое время разогрева (за счет обеспечения циркуляции разогретого нефтепродукта в ж/д цистерне) и слива по сравнению с применяемыми в настоящее время способами, в т.ч. импортного производства 20–25%; 128 С иб АД И возможность организации слива без инженерных коммуникаций (отсутствие необходимости в строительстве эстакады со всей инфраструктурой, достаточно наличие ж/д тупика); возможность слива продукта через верхний люк цистерны (без установки нижнего слива); обеспечение слива битума с требуемыми температурными параметрами (90–150 °С) напрямую потребителю; минимальное количество обслуживающего персонала (один оператор в смену); возможность автоматизации управления установки; при масляном разогреве теплоноситель обладает постоянными параметрами в отличие от пара, параметры которого могут меняться; использование масла как теплоносителя дает возможность объединять битумное хранилище, битумоплавительные котлы, битумопроводы и другое потребное оборудование в одну систему по теплоносителю и тем самым увеличить КПД системы. Автомобильные перевозки вяжущих материалов производят в горячем или холодном состоянии при помощи автобитумовозов, автогудронаторов или автоцистерн (рис. 6.6). Рис. 6.6. Классификация машин для транспортирования и распределения вяжущих материалов автомобильным транспортом 129 иб АД И Из-за сравнительно небольших расстояний перевозок слив вяжущего в хранилище почти всегда возможен без подогрева. В случае необходимости загрузить цистерны расходных котлов эту операцию производят перекачиванием. Для распределения на поверхности дорожного покрытия битумных вяжущих материалов как горячих (битум, деготь), так и холодных (эмульсии, разжиженные битумы и дегти, мазут, нефть) ровным слоем в определенных количествах (от 0,5 л/м2 и более) предназначены гудронаторы (рис. 6.7, б). С а б Рис. 6.7. Схемы машин для транспортирования и розлива битума: а – автобитумовоз; б – автогудронатор; 1 – базовое шасси; 2 – указатель уровня; 3 – цистерна; 4 – термометр; 5 – люк; 6 – горелка; 7 – сливной трубопровод; 8 – опорное устройство; 9 – огнетушитель; 10 – заливной люк; 11 – топливная система; 12 – стояночный тормоз; 13 – штурвал открытия клапана; 14 – рычаг большого колеса; 15 – рычаг управления правым краном; 16 – двигатель; 17 – распределительная система Для обеспечения достаточного проникания битума вглубь обрабатываемого щебеночного слоя распределение производится под давлением 0,2 – 0,6 МПа, что способствует лучшему сцеплению битум- 130 иб АД И ного материала со щебнем, гудронаторы классифицируются по назначению – гудронаторы строительные и ремонтные. Строительные гудронаторы обычно имеют бак вместимостью 3000 л и выше (до 20 000 л), а ремонтные – бак небольшой вместимостью (до 400 л). Гудронаторы бывают ручными [16, 17], смонтированными на ручной двухколесной тележке (ремонтные); прицепными, смонтированными на автомобильном прицепе или на специальной тележке, присоединяемой к большегрузной цистерне; полуприцепными, смонтированными на полуприцепе седельного типа; самоходными, смонтированными на шасси грузового автомобиля (автогудронаторы). Рабочие операции в автогудронаторе осуществляются с помощью насоса. Компрессорные гудронаторы наполняются в результате разрежения, создаваемого в цистерне с помощью компрессора, а распределение производится под давлением сжатого воздуха в цистерне. Автогудронаторы применяют при постройке щебеночных и гравийных покрытий способами поверхностной обработки, пропитки и смешивания на месте. Они должны обеспечивать: забор материала на битумной базе из нагревателей битума и битумохранилищ; сохранение температуры битумного материала в цистерне при транспортировании его без подогрева и подогрев материала до t=160–180 ºС; возможность транспортирования битумных материалов на значительные расстояния; равномерность распределения битумных материалов с точным регулированием норм разлива на единицу поверхности; распределение материала под давлением. С 6.2. Конструкция машин для транспортирования и розлива битума Основными частями гудронатора являются [16, 17]: цистерны для битумного материала; отопительная система; циркуляционнораспределительная система при подогреве и их распределение; битумный насос с приводом от коробки передач автомобиля или от отдельного двигателя; система управления; шасси, на котором установлены агрегаты (рис. 6.7, б). Цистерна имеет теплоизолирующий слой, проложенный между стенками цистерны и кожухом для предохранения вяжущего материала от остывания. Внутри цистерны имеются перегородки для уменьшения силы удара жидкости о стенки во время движения автогудронатора. Сверху расположен загрузочный люк с фильтром. Цис- 131 С иб АД И терна имеет указатель уровня, термометр с выводом сигнала на панель. Внутри цистерны установлены жаровые трубы и сливная труба. Нагревательная система автогудронатора имеет две форсунки. Для разогрева битума в трубах и в насосе имеется переносная форсунка. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, проходят по жаровым трубам, разогревают вяжущий материал и выходят через дымовую трубу. Распределительная система автогудронатора (рис. 6.8) позволяет выполнять следующие операции: перекачивать горячий или холодный вяжущий материал из котла в цистерну; перемешивать материал во время подогрева; распределять вяжущий материал через сопла распределительных труб; распределять вяжущий материал через ручной распределитель и с перепуском части его в цистерну; отсасывать остатки вяжущего материала из распределительной системы; перекачивать вяжущий материал из одной емкости в другую; освобождать цистерну от остатков вяжущего материала [17]. Распределительные трубы предназначены для равномерного разбрызгивания вяжущего материала по покрытию. В отверстия труб вставлены сопла. Распределительные трубы можно поднимать и опускать на нужную высоту, а также поворачивать соплами вверх по окончании розлива, чтобы битум не затекал в сопла и не застывал в них. Рис. 6.8. Дозировочно-распределительная система автогудронатора: 1 – люк; 2 – краны; 3 – штуцер; 4 – трубопровод соответственно выдачи и приёмный; 5 – циркулярный кран; 6 – система обеспечения расхода на единицу длины; 7 – выходной вал; 8 – солнечные шестерни; 9 – ось сателлитов; 10 – расходометр; 11 – вариатор; 12 – опорное колесо; 13 – распределитель; 14 – битумный насос 132 иб АД И Прицепные гудронаторы позволяют использовать для перевозки битума цистерны более простые, чем у автогудронатора, и обслуживать одним гудронатором несколько цистерн. Прицепной распределитель битума имеет оборудование для розлива вяжущих материалов, двигатель, насос и распределительную систему. Принцип его работы не отличается от работы описанного выше автогудронатора. Распределитель соединен с цистерной гибким рукавом. Автобитумовоз (рис. 6.7, а) предназначен для транспортирования и разогрева битума и своей системы распределения не имеет. Он может работать с прицепным гудронатором. Важным вопросом при конструировании гудронаторов является обеспечение возможности регулирования нормы удельного расхода битума при распределении. Автоматическое устройство контроля удельного расхода битума представляет собой расходометр жидкости объемного типа. Расходометр включен в систему, через которую жидкость протекает из цистерны к распределительным трубам. При вращении ротора счетчика вращается тахогенератор и по шкале логометра, связанного с тахометром, определяют удельные расходы жидкости [16]. 6.3. Расчёт основных параметров автогудронатора С Удельный расход битума qуд (л/м2) зависит от скорости υ (м/мин) движения автомобиля, подачи насоса Qн (л/мин) и длины L (м) распределительной трубы [16]: qуд = Qн/( υL). (6.1) Для увеличения qуд необходимо повысить Qн при сохранении υ и L или при постоянных Qн и L уменьшить υ. Производительность автогудронаторов (л/ч) зависит от удаленности битумной базы от места розлива, а также от организации работ по розливу и набору битума: П = 60Vkв/Т, (6.2) где V – полезная вместимость цистерны гудронатора, л; kв – коэффициент использования по времени, kв=0,85–0,95; Т – время, затраченное автогудронатором на один рейс, мин. Время, затрачиваемое автогудронатором на один рейс, L L T tн 1 60 1 60 t р t м tп , (6.3) г п 133 иб АД И где tн – время, затраченное на набор битумного материала, мин, tн= =10–15 мин; L1 – расстояние от базы до места работ, км; г – скорость движения груженого гудронатора, км/ч, г = 20–25 км/ч; υп – скорость движения порожнего гудронатора, принимают υп = 30–40 км/ч; tр – время, затраченное на распределение материала, tр=V/Qн, при V =3000 л tр=3–5 мин, при V=5000 л tр=4–8 мин; tм – время, затрачиваемое на маневры на базе и у места розлива, tм=4–6 мин; tп – время, затрачиваемое на подготовку к распределению, tп=5–10 мин. Для обеспечения бесперебойной работы автогудронатора число обслуживающих его битумонагревателей должно составлять (при одинаковой вместимости) [16, 17] N = Tн/T, (6.4) где Тн – время на нагрев битума в одном нагревателе, ч; Т – время на один рейс гудронатора, ч. Расчет насосной установки включает в себя определение необходимых наибольшей подачи насоса и мощности двигателя для его привода. Подача насоса (л/мин) для обеспечения работы гудронатора Qн max = qуд maxυLполн, (6.5) С где qудmax – наибольший удельный расход; υ – рабочая скорость гудронатора при распределении, соответствующая qуд max, м/мин; Lполн – полная длина распределительных труб, м. По Qн max подбирают подачу насоса. Мощность двигателя насоса определяют по методике, рассмотренной выше. При этом pр должно быть таким, чтобы после преодоления всех сил, сопротивлений, возникающих в циркуляционнораспределительной системе, разливаемый материал поступал на дорогу под соответствующим давлением. Исходя из наибольшей подачи насоса qнmax (л/с) и трубы наименьшего диаметра dmin из труб, входящих в циркуляционнораспределительную систему, определяют наибольшую скорость движения битума: 2 4qн max (d min ). (6.6) По υ находят число Рейнольдса Re и потерю напора pтр на единицу длины. Коэффициенты местного сопротивления циркуляционнораспределительной системы автогудронатора определяют при входе 134 трубопровода наполнения в насос (ξ1=1); при выходе из насоса в трубопровод (ξ2=1); при проходе через повороты труб (ξ3 =1–3); при проходе через большой и малый трехходовые краны (ξ4 =ξ5 = 1,5); при проходе через сопла распределительной трубы (ξ6 = 1,5). 6.4. Расчет теплоизоляции цистерны И Расчет теплоизоляции цистерны предусматривает определение толщины слоя изоляции по количеству теплоты, выделяемой битумом при его остывании за 1 ч не более чем на 10 °С; по количеству теплоты, которое может быть передано в окружающую среду через наружную поверхность цистерны при заданных условиях. Приравняв количество теплоты, теряемое битумом, и количество теплоты, проходящее через стенку цистерны, определяют толщину слоя изоляции. Количество теплоты (кДж), выделяемое при остывании битума за 1 ч [16, 17], иб АД Qб mб сб (t1 t2 ) , (6.7) где mб – масса битума, кг; cб – удельная теплоемкость битума, кДж/(кгС); t1 – начальная температура битума, t1=180 С; t2 – температура битума через 1 ч транспортирования, t2 =170–175 С. Количество теплоты (кДж), теряемое битумом через внешнюю поверхность в окружающее пространство, Qт 3600Sц ( tб tв ), (6.8) С здесь – коэффициент теплопередачи, кВт/(м2°С); Sц – площадь поверхности цистерны, м2; tб – средняя температура битума, С, t á (t1 t 2 ) / 2 ; tв – температура наружного воздуха, С, tв=10 С. Площадь (м2) поверхности эллиптической цистерны (рис. 6.9) Sц 2 S т Sб , (6.9) где Sт – площадь эллиптических Рис. 6.9. Цистерна автогудронатора торцов цистерны, м2, Sт=ab; Sб – боковая площадь цистерны, м2, 135 ( a b )2 , (6.10) Sб Lц 2( a b ) 4 где Lц – длина цистерны, м; a и b – полуоси эллипса торцовых днищ, м. Коэффициент теплопередачи через трехслойную стенку от горячего битума воздуха (рис. 6.10, б) 1 , (6.11) 1 / 1 l1 / 1 l2 / 2 l3 / 3 l / 2 где 1 – коэффициент теплопередачи от битума к металлической стенке цистерны, 1=0,097 кВт/(м2°С); l1 – толщина стенки цистерны, l1=0,004 м; 1 – коэффициент теплопроводности стали, 1=0,046–0,058 кВт/(м2°С); l2 – толщина слоя теплоизоляции, м (неизвестна); 2 – коэффициент теплопроводности теплоизоляции, для асбеста 2=0,00015–0,002 кВт/(м°С); для стекловаты 2=0,000044 кВт/(м°С); l3 – толщина стенки кожуха, l3=0,001 м; 3 – теплопроводность стали; 2 – коэффициент теплоотдачи от кожуха цистерны наружному воз0,195 духу, кВт/(м2°С); 2= 0,0042 г0,805 / Dср (г – скорость движения гудронатора, м/с; Dср – средний диаметр цистерны, м). 2 С иб АД И 2 а б Рис. 6.10. Схема передачи теплоты: а – через плоскую трехслойную стенку; б – через криволинейную трехслойную стенку Для условий стоянки автогудронатора в безветренную погоду вместо скорости г принимают скорость конвективного движения воздуха вокруг цистерны к=0,5 м/с. Приравняв правые части уравнений 136 для (6.7) и (6.8) и решая их относительно l2, получают толщину теплоизоляции [16, 17] С иб АД И 3600Sц (tб tв ) 1 l1 l3 1 l2 2 (6.12) . m с ( t t ) б б 1 2 1 1 3 3 Отопительная система (рис. 6.11) автогудронаторов, битумовозов и нагревателей битума состоит из двух жаровых труб, горелок, топливного бака, топливопроводов и системы подачи топлива. Система предназначена для нагрева битума до 160 °С и поддержания его рабочей температуры. Расчет отопительной системы включает в себя определение количества теплоты, необходимой для подогрева битума за конкретное время; теплоты сгорания и часового расхода топлива; количества теплоты, передаваемой от горячих газов к битуму через жаровые трубы. Приравнивая количество теплоты, необходимой для нагрева битума, и количество теплоты, проходящей через стенку жаровой трубы, определяют площадь жаровых труб. При известной длине жаровых труб, их форме и площади находят диаметр жаровых труб. Расчет ведут исходя из того, что температура в цистерне гудронатора должна повыситься со 120 до 180 °С за 0,5 ч при вместимости цистерны до 10 000 л или за 1 ч при вместимости цистерны более 10 000 л. Рис. 6.11. Схема отопительной системы с жаровыми трубами: 1 – жаровая труба; 2 – стационарная горелка; 3 – вентиль стационарной горелки; 4 – распределительный вентиль; 5 – переносная горелка; 6 – вентиль переносной горелки; 7 – шланг переносной горелки; 8 – баллон переносной горелки; 9 – вентиль воздухопровода; 10 – тонкий вентиль; 11 – топливный бак 137 Количество теплоты (кДж), необходимой для нагрева битума за 0,5 ч, (6.13) Qп mб сб (t2 t1 ). Количество теплоты, вырабатываемое отопительной системой за 1 ч при тб <10 000 кг Qо.с = 2Qп; при тб 10 000 кг Qо.с = Qп. Расход топлива отопительной системой автогудронатора, кг/ч, Qт.о.с= Qо.с /Qпол , (6.14) иб АД И где Qпол – количество полезной теплоты от сжигания 1 кг топлива, кДж/кг. Количество полезной теплоты зависит от теплоты сгорания топлива и суммы потерь тепла. Теплоту сгорания Qр.н (кДж) легкого жидкого топлива принимают по таблицам. Для бензина удельная теплота сгорания равна 44–47 МДж/кг, для дизельного топлива – 42,7 МДж/кг. Потери теплоты при работе форсунок составляют: от химической неполноты сгорания qx=2–3%; от механической неполноты сгорания qм=5%; потери форсункой в открытое пространство qл=6–8%; потери с дымовыми газами qд.г=15–20%. Общие потери теплоты, %, qп q х q м q л qд.г . (6.15) Полезная теплота (кДж) от сжигания 1 кг топлива 100 q п Q пол Q р.н 100 . (6.16) С Жаровые трубы автогудронаторов имеют U-образную форму. Длину каждой ветви жаровых труб принимают равной 0,8 длины цистерны. Общая длина жаровых труб, м, Lж.т 1,6 Lж .т z , (6.17) где z – число жаровых труб, z = 2. Диаметр жаровых труб автогудронатора Dж.т = 0,120,15 м. 138 Контрольные вопросы С иб АД И 1. Из каких составляющих складываются потери давления в распределительной системе гудронатора? 2. Какое топливо используется в отопительной системе гудронатора? 3. Из-за чего происходят потери тепла в автогудронаторе? 4. Какие меры применяются для равномерного нагрева битума в цистерне? 5. В чём заключаются сложности слива битума различными способами? 6. Какими способами транспортируют битум? 7. Какие факторы влияют на потери тепла во время транспортирования? 139 7. ПРИМЕНЕНИЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ 7.1. Смеси на основе битумных вяжущих материалов 7.1.1. Виды органоминеральных смесей С иб АД И Органоминеральной смесью называется смесь минеральных материалов подобранного состава с органическими вяжущими (битумом, гудроном, тяжелыми нефтями, смолами и т.п.). Этот большой класс смесей подразделяется на [8]: • асфальтобетонные; • органоминеральные. Каждый из этих видов смесей в свою очередь делится на горячие, приготавливаемые и применяемые в горячем состоянии при температуре 100 °С и более, и холодные – приготавливаемые и применяемые при температуре менее 100 °С. Горячие смеси готовят, как правило, на основе вязких органических вяжущих, формирование которых происходит при высоких температурах, а холодные применяют обычно при температуре воздуха. Асфальтобетонные смеси изготавливаются из высококачественных материалов на основе битумных вяжущих или их композициях и не должны содержать в своем составе воду. Органоминеральные смеси можно разделить на два вида: содержащие в своем составе воду; не содержащие воду. Смеси, не содержащие воду, обычно готовятся на жидких или разжиженных органических вяжущих. Органоминеральные смеси чаще всего получают названия по типу применяемого вяжущего или преобладающего минерального материала – битумоминеральные (БММ), эмульсионно-минеральные (ЭМС), влажные органоминеральные (ВОМС), щебеночно-мастичные (ЩМС), черный щебень и т.д. Другая значительно меньшая часть ОМС имеет названия, связанные с областью их применения – microsurfacing (ms), slurry seal – защитные слои или слои износа, материал, полученный методом пропитки, и т.п. В связи со значительным разнообразием ОМС в работе [8] предлагается их классификация по следующим признакам: • наличие или отсутствие в их составе воды; 140 иб АД И • преобладающий тип минерального материала и (или) тип применяемого вяжущего; • область применения и структура материала (рис. 7.1). Рис. 7.1. Классификация ОМС 7.1.2. Органоминеральные смеси, содержащие воду С ОМС, содержащие в своем составе воду, подразделяются на две группы: большую группу эмульсионно-минеральных материалов (ЭМС) и смеси на увлажненных минеральных материалах [8]. В первой группе вода является необходимой составной частью вяжущего и составляет до 50% по массе, а во второй группе вода в незначительном количестве применяется для увлажнения минеральных материалов. В этом случае количество воды составляет величину, близкую или незначительно превышающую значение оптимальной влажности используемых минеральных материалов. Эмульсионно-минеральные смеси (ЭМС) подразделяют обычно по типу эмульсий [8]. Однако этот способ делает классификацию очень громоздкой, поэтому их также классифицируют по структуре получаемого материала на литые и связные. Литые эмульсионно-минеральные смеси представлены ЛЭМС (смеси разработаны в Гипродорнии для условий России [8]) и сларри сил, а 141 С иб АД И связные – плотными эмульсионно-минеральными смесями, черным щебнем и ms. Получившие в последние годы распространение тонкослойные покрытия устраиваются с целью обеспечения требуемой шероховатости, защиты поверхности покрытия от вредного воздействия климатических и эксплуатационных факторов. Обычно такие слои устраиваются из смесей типа ЭМС: сларри сил (ss), ms, ЛЭМС или из смесей, не содержащих воду в своем составе: битумоминеральных открытых (БМО), щебеночномастичного асфальта (ЩМА) и поверхностных обработок различных видов. ЛЭМС состоит из эмульсионного вяжущего, минерального материала, подобранного состава и воды. Количество битума в ЛЭМС обычно содержится в пределах 6–10%, воды – около 20%. При подборе минеральной части смеси регламентируется только содержание самых крупных и самых мелких частиц. ЛЭМС могут быть песчаными и щебеночными. Применяемые за рубежом смеси сларри сил и ms аналогичны ЛЭМС. Необходимо отметить, что смеси сларри сил были основой, на которой разрабатывались ЛЭМС, a ms появились позднее на основе сларри сил. Увлажненные смеси содержат в своем составе воду. Вода в них подается в минеральный материал в небольшом количестве, близком к значению оптимальной влажности используемых материалов. Эту небольшую группу составляют влажные органоминеральные смеси (ВОМС), смеси, получаемые на основе вспененных битумов, и смеси на разжиженных битумах (Naβ-Sand – влажный песок). ВОМС представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из увлажненных минеральных материалов подобранного гранулометрического состава, активатора или поверхностно-активных веществ и жидкого органического вяжущего. Для этих смесей лучше всего применять вяжущие неокисленные, а также разжиженные битумы со специальными добавками. Вязкость вяжущего по истечению в стандартном вискозиметре составляет 5 С 60 = 40–120 с. В Финляндии применяется материал, сходный с ВОМС, – нефтегравий, – который допускает содержание щебня размером частиц 10–20 мм до 60. В этих смесях применяют органическое вяжущее очень малой вязкости, но имеющее хорошие адгезионные показатели, что достигается использованием специальных добавок. 142 7.1.3. Смеси, не содержащие воду С иб АД И Этот класс смесей не содержит воду в своем составе, готовится в основном на жидких органических вяжущих и применяется для усиления дорожных одежд и улучшения фрикционных свойств поверхности покрытия и исправления профиля дороги. Эти материалы можно разделить на две основные группы: материалы битумоминеральные и материалы, полученные способом поверхностной обработки [8]. Возросшее значение профилактических мероприятий на автомобильных дорогах с высокой интенсивностью и скоростью движения привело за рубежом к разработке смесей битумоминеральных и асфальтобетонных на основе чистого битума или смол, укладываемых тонкими слоями толщиной 40 мм и сверхтонкими слоями толщиной 20–25 мм. Содержание вяжущего с глубиной проникания иглы 60–200 мм в тонких слоях может варьироваться в широких пределах от 3 до 12%. Сверхтонкие слои представляют собой промежуточное звено между тонкими слоями БММ и поверхностной обработкой, но требуют очень высокой культуры производства. Общей тенденцией в мире является все более широкое распространение специальных битумных композиций. Материалом такого типа является щебеночно-мастичный асфальт (ЩМА). Другим распространенным способом повышения долговечности покрытий и в первую очередь их трещиностойкости является армирование битумоминерального материала путем введения в его состав волокнистых минеральных добавок. К битумоминеральным материалам относят также черный щебень и материалы, полученные методами пропитки и поверхностной обработки. Обычно битумоминеральные смеси мало отличаются от асфальтобетонных по содержанию щебня и минерального порошка. Черный щебень не имеет в своем составе мелких фракций: щебень предварительно обрабатывают органическими вяжущими (в том числе и битумными эмульсиями). Слой покрытия из черного щебня имеет каркасную пористую структуру. Метод пропитки заключается в послойной укладке щебня слоем расчетной толщины и розливе органического вяжущего, которое проникает в поры щебеночного слоя. Таким образом получается пористый каркасный материал, похожий на слой покрытия из черного щебня. Для защиты от разрушающего воздействия климатических и эксплуатационных факторов на поверхности дорожного покрытия часто ук- 143 ладывается защитный слой, являющийся одновременно и слоем износа. Он может быть устроен методом поверхностной обработки – одиночной или многослойной. Тогда ее можно рассматривать как тонкослойное покрытие. 7.2. Поверхностная обработка дорожных покрытий С иб АД И Поверхностная обработка – технологический процесс устройства на дорожных покрытиях тонких слоев с целью обеспечить шероховатость, водонепроницаемость, износостойкость и плотность покрытий. Слой, устраиваемый этим способом, также называют поверхностной обработкой [8, 24]. Поверхностные обработки используются: как профилактический слой, который закрывает и предохраняет в плохую погоду основные конструктивные слои дорожных покрытий от преждевременного разрушения; как слой износа, подверженный стиранию в процессе движения, предохраняя наилучшим образом структуру дороги. Такому слою требуется только периодическое обновление для придания структуре дороги ее первоначальных качеств; как верхний слой дорожного покрытия с характеристиками шероховатости, обеспечивающими сцепление и хорошее дренирование поверхностных вод, приводящими к значительному понижению порога аквапланирования и создающими, благодаря повышенному удельному давлению, хорошее сопротивление формированию гололеда. Кроме технических преимуществ, поверхностные обработки имеют достаточно конкурентоспособную стоимость по сравнению с комплексом верхних слоев дорожных одежд, используемых в этих случаях. Существует много различных способов устройства поверхностных обработок, из которых в настоящем подразделе рассматривается лишь один – использование для этой цели фракционного щебня и различных органических вяжущих, в том числе эмульгированных. Чтобы создать поверхностную обработку, соответствующую представленным требованиям, необходимо при ее устройстве соблюдать несколько принципиальных положений: использовать вяжущее, которое прочно и надолго соединяется с поверхностью покрытия или основания. Это соединение называется парой «вяжущее – основа»; 144 каменный материал должен быть прикреплен к покрытию или основанию, а каждая щебенка должна быть прочно соединена с соседними. Это взаимодействие называют парой «вяжущее – щебень»; количество вяжущего должно быть достаточным, чтобы покрыть пленкой каждую щебенку на необходимую высоту и заполнить все микротрещины покрытия, но не быть избыточным, чтобы не выступать на поверхность щебеночного слоя. Это основной принцип дозировки и распределения вяжущего; каменный материал должен быть чистым, обладать высокими физико-механическими свойствами (прочностью, морозостойкостью, сопротивлением истиранию и др.), иметь определенные формы и размеры. Основные требования к каменным материалам [21]: количество каменного материала должно быть достаточным, чтобы создать нужную структуру поверхности, но не быть излишним, чтобы избежать необходимости удаления его. Это принцип дозировки и распределения каменного материала; каждая щебенка должна занять наиболее стабильное положение, а все вместе должны создавать сплошной монолитный слой с шероховатой поверхностью. Это основной принцип уплотнения. Таковы основные принципы обеспечения высокого качества поверхностной обработки. Кроме того, есть ряд дополнительных условий: все работы по устройству поверхностной обработки должны быть выполнены в наиболее благоприятных условиях погоды. Это принцип назначения сроков выполнения работ; до начала работ должны быть решены все организационные вопросы, касающиеся поставки материалов, подготовки машин и оборудования. Это принцип организации работ; в процессе работ должны строго выполняться требования к технологии производства работ и качеству применяемых материалов. Это принцип организации контроля качества. Поверхностные обработки с использованием фракционированного щебня устраивают преимущественно на участках дорог с опасными и затрудненными условиями движения – на дорогах I – III категорий. В зависимости от типа и состояния покрытия поверхностные обработки могут быть одиночными и двойными, на цементобетонных покрытиях – только двойными. Щебень поверхностной обработки воспринимает и передает на нижележащие слои нагрузку от автомобилей, служит слоем износа и обеспечивает сцепление между дорогой и колесами автомобилей. С иб АД И 145 С иб АД И Каменный материал, применяемый для устройства поверхностной обработки, должен обладать высокими физико-механическими свойствами, такими как прочность, морозоустойчивость, сопротивление удару и износу (истиранию), хорошей прочностью сцепления с вяжущим и т.д. Соответствие горной породы вяжущему определяют путем испытания в лабораторных условиях на прочность сцепления. Форма щебенок должна быть как можно ближе к кубической, чтобы обеспечить устойчивое положение на поверхности покрытия. Яйцевидная форма щебенок не имеет стабильного положения. Плоские плитки и щебенки в виде вытянутой иглы хрупки и плохо укладываются в покрытие (рис. 7.2). Щебень поверхностной обработки должен быть очень чистым, что обуславливает его тщательную мойку во время производства. Наличие глины, даже в очень слабых пропорциях, весьма нежелательно: глина крайне гидрофильна, и сильное разбухание, которое происходит при наличии воды, приводит к тенденции разрыва связки «вяжущее – щебень». Правильно выбранные форма и размер щебенок формируют шероховатость поверхностной обработки, обеспечивают снижение шума в салоне автомобиля при движении. Важное значение имеет выбор размера щебня. Установлено, что размеры щебня порядка 10–15 и 15–20 мм вызывают Рис. 7.2. Влияние формы щебенок на стабильность их положения довольно высокий уровень шума в салоне автомобиля и мешают прослушиванию музыки при скорости движения более 130 км/ч. Исходя из этого, отдают предпочтение поверхностной обработке из щебня фракций 5–10 мм. Еще один фактор, который необходимо учитывать при назначении требований к размеру щебня, состоит в исключении возможности разбития лобовых стекол автомобилей щебенками, вылетающими из-под колес автомобилей при движении с высокой скоростью. Использование мелкозернистого щебня позволяет почти полностью решить эту проблему. При устройстве поверхностной обработки в качестве вяжущих используют вязкие битумы, битумы с добавками дегтей, битумы и дегти с добавками полимеров, битумные эмульсии. 146 С иб АД И Вяжущее обеспечивает гидроизоляцию покрытия, приклеивание каменного материала к покрытию или основанию и соединение щебенок в единый слой. Марку битума выбирают по ГОСТ 22245–90 с учетом дорожноклиматической зоны: для I – БНД 90/130 и БНД 130/200, для II и III – БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БН 60/90, БН 90/130 и БН 130/200, для IV и V – БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90 и БН 90/130. Битум должен выдерживать испытание на сцепление со щебнем, используемым для устройства поверхностной обработки. При неудовлетворительном сцеплении битума со щебнем следует использовать добавки соответствующих ПАВ или производить предварительную обработку щебня дегтем или смесью битума с дегтем. Применяемые каменноугольные дегти должны иметь марку Д-5, Д-6 или Д-7 по ГОСТ 4641–80 и использоваться на автомобильных дорогах не выше III категории. На участках дорог, проходящих по населенным пунктам, применение каменноугольных дегтей не разрешается. При устройстве поверхностной обработки с использованием эмульсий применяют преимущественно катионные битумные эмульсии классов ЭБК-1, ЭБК-2. В условиях III – IV дорожно-климатических зон и при благоприятных погодных условиях во II зоне допускается применение анионных эмульсий классов ЭБА-1, ЭБА-2. Эмульсии должны выдерживать испытание на сцепление пленки вяжущего со щебнем. При устройстве поверхностной обработки на катионных битумных эмульсиях используют необработанный органическим вяжущим щебень, на анионных эмульсиях – преимущественно черный щебень. При устройстве поверхностной обработки на дорогах с интенсивностью движения свыше 3000 авт./сут, с движением преимущественно грузовых автомобилей, также в районах с резко континентальным климатом применяют битум и деготь с добавками полимеров. Дегтеполимерное вяжущее используют на дорогах не выше II категории. Различают несколько видов поверхностных обработок [21], каждая из которых имеет свою сферу наиболее эффективного применения (рис. 7.3). 1. Однослойная поверхностная обработка с однократным распределением вяжущего и щебня. Применяется для создания шероховатой поверхности и слоя износа дорожной одежды с достаточной прочностью. Это самый распространенный вид шероховатой поверхностной обработки, наиболее подходящий для всех видов движения. Чаще всего она устраивается из щебня фракций 5–10 мм. 147 С иб АД И 2. Однослойная поверхностная обработка с двойным распределением щебня. На слой нанесенного вяжущего сначала рассыпают крупную фракцию щебня (например, 10–15 или 15–20 мм), прикатывают катком, а затем рассыпают более мелкую фракцию щебня (например, 5–10 мм) и уплотняют. Применяется на дорогах с интенсивным движением и высокой скоростью движения. Такая поверхностная обработка способствует улучшенной герметичности покрытия, устранению мелких неровностей и деформаций, лучше распределяет усилия от колес автомобилей. Особенно эффективно такая обработка работает на хорошем жестком основании. 3. Двухслойная поверхностная обработка. На первый слой разлитого вяжущего рассыпают крупную фракцию щебня и уплотняют. Затем разливают второй слой вяжущего, рассыпают более мелкую фракцию щебня и окончательно уплотняют. Применяется на покрытиях с недостаточной прочностью, при наличии сетки трещин, ямочности, колей, при высокой интенсивности движения, т.е. в тех случаях, когда необходимо не только создать шероховатый слой износа и защитный слой, но и улучшить ровность, несколько повысить прочность и сдвигоустойчивость. Применяется также на цементобетонных покрытиях. Рис. 7.3. Виды поверхностных обработок 4. Поверхностная обработка типа «сэндвич». На покрытие рассыпают щебень более крупной фракции, затем распределяют вяжущее, рассыпают щебень мелкой фракции и уплотняют. Структура получаемого слоя поверхностной обработки сравнима с однослойной поверхностной обра- 148 С иб АД И боткой, устроенной путем розлива вяжущего и двойной россыпью щебня. Такая поверхностная обработка рекомендуется при неоднородном по ровности покрытии для его выравнивания и некоторого усиления. Применяется на дорогах второстепенного, местного значения. При выборе способа устройства поверхностной обработки покрытий необходимо учитывать ее назначение, условия движения на дороге, климатические условия района строительства, показатель твердости дорожного покрытия, наличие материалов и средств механизации. Существует два способа устройства поверхностных обработок: традиционный – с раздельным распределением материалов; способ с синхронным распределением вяжущего и щебня. Работы по устройству одиночной поверхностной обработки традиционным способом с использованием битумов, дегтебитумов, битумо- и дегтеполимерных вяжущих производят в следующем порядке: подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и ремонтные работы; розлив вяжущего; распределение щебня; укатка; уход в период формирования. Работы по устройству двойной поверхностной обработки производят в такой последовательности: подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и ремонтные работы; первый розлив вяжущего; первая россыпь щебня; укатка; второй розлив вяжущего; вторая россыпь щебня (между первой и второй россыпью щебня допускается перерыв не более 3–5 суток); укатка; уход в период формирования. Очистку покрытия от пыли и грязи выполняют механическими щетками, наиболее загрязненные участки промывают с помощью поливомоечной машины. Струны щеток, какова бы ни была их природа (нейлон, сталь), должны быть в хорошем состоянии и достаточно жесткими, чтобы обеспечить эффективное соскабливание. В случаях, когда старое покрытие не удается полностью очистить от пыли и грязи, оставшихся в мелких трещинах и впадинах, его необходимо 149 С иб АД И подгрунтовать путем розлива жидкого битума по норме 0,3–0,5 л/м2 или битумной эмульсией с расходом 0,5–0,8 л/м2. Розлив вяжущего производят автогудронатором. Для равномерного розлива вяжущего необходимо обеспечить бесперебойность действия сопел, равномерность работы насоса и требуемую скорость перемещения гудронатора. Сопла должны быть теплоизолированы и оснащены устройством обогрева, позволяющим поддерживать или обеспечивать определенную температуру вяжущего. В зависимости от выбранного вяжущего и от ширины обрабатываемой поверхности водитель определяет, с помощью элементов регулировки гудронатора (номограмма, вычислительный диск, программирование) необходимое соотношение между скоростью передвижения и количеством оборотов насоса, который определяет дозирование вяжущего на покрытии. Во время розлива температура битума марок БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90 и БН 90/130 должна составлять 150–160 °C; марок БНД 130/200 и БН 130/200 – 100–130 °C; температура полимерно-битумного вяжущего – 140–160 °C; дегтеполимерного вяжущего – 100–110 °C. Распределение щебня производят самоходным щебнераспределителем, автомобилем-самосвалом с навесным приспособлением или другим механизмом, обеспечивающим быстрое и равномерное распределение щебня (рис. 7.4 и 7.5). Кузов всех этих механизмов должен быть плоским и без локальных деформаций. Высота сброса щебня должна быть небольшой, чтобы обеспечить более однородное распределение заполнителя на покрытии. Автощебнераспределители могут быть оснащены системой гидравлического расширения, позволяющей изменять без остановки рабочую ширину от 2,50 до 4 м. На дорогах низких категорий допускается использование автогрейдера. Щебень распределяют непосредственно после розлива вяжущего слоем в одну щебенку и укатывают катком 6–8 т за 4–5 проходов по одному следу. Уплотнение поверхностной Рис. 7.4. Битумощебнераспределитель OB-Sealer фирмы Breining обработки покрытий обеспечивает 150 С иб АД И укладку щебня и его закрепление на покрытии. Пневматические шинные уплотнители великолепно обеспечивают эти функции. Они приспосабливаются к неровностям дороги и не дробят щебень. В течение первых дней эксплуатации необходимо осуществлять уход за формирующимися слоями. Незакрепившийся щебень должен быть удален с покрытия не позднее чем через 1 сутки после открытия движения. Скорость движения автомобилей ограничивают 40 км/ч и регулируют по ширине проезжей части. Выброшенный лишний щебень подбирается очистительными машинами-сборщиками, очистительными машинами и втягивающими машинами. Оснащенные различными щетками и всасывающими соплами, они оборудованы сборными емкостями для мелкозернистого материала, который они поднимают. Эти всасывающие механизмы представляют большой прогресс в технологии поверхностных покрытий, поскольку позволяют значительно снизить самый большой вред от загрязнения: битье ветровых стекол автомобилей после возобновления движения. Поверхностную обработку с использованием битумных эмульсий выполняют в следующем порядке: подготовка поверхности (очистка от пыли и грязи) и выполнение в случае необходимости ремонтных работ; смачивание поверхности водой (в жаркую сухую погоду); розлив эмульсии по покрытию в количестве 30% нормы; распределение щебня в количестве 70% нормы; розлив оставшейся эмульсии (70%); распределение оставшегося щебня (30%); укатка; уход в период формирования. Температуру и концентрацию эмульсии устанавливают в зависимости от погодных условий. При температуре воздуха ниже 20 °C рекомендуется применять эмульсию с температурой 40–50 °C и концентрацией битума 55–60%. Подогрев эмульсии до указанной температуры Рис. 7.5. Битумощебнераспределитель следует производить непосредственНР-27 фирмы Savalco но в автогудронаторе в процессе транспортирования к месту работ. При температуре воздуха выше 20 °C эмульсию применяют в холодном состоянии, а концентрацию битума можно снизить до 50%. 151 иб АД И Распределение щебня осуществляют таким образом, чтобы щебень распределялся не далее 20 м от автогудронатора, разливающего эмульсию. Уход за поверхностной обработкой с применением битумных эмульсий выполняется так же, как и при использовании битума. При использовании анионных эмульсий движение автомобилей открывается не ранее чем через 1 сутки после окончания работ [21]. Технология поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня. Основными отличиями новой технологии устройства поверхностной обработки являются синхронное практически одновременное распределение вяжущего и россыпь щебня (рис. 7.6). Рис. 7.6. Поверхностная обработка с синхронным распределением материалов С При устройстве поверхностной обработки традиционными методами разрыв во времени между распределением вяжущего и россыпью щебня лимитируется временем остывания горячего битума и может достигать 1 ч. При синхронном распределении вяжущего и щебня разрыв между этими операциями не превышает 1 с, что существенно сказывается на повышении качества поверхностной обработки как при использовании в качестве вяжущего горячего битума, так и битумной эмульсии. Повышение качества при использовании в роли вяжущего горячего битума объясняется тем, что за столь короткий промежуток времени битум не успевает остыть и сохраняет жидкую консистенцию и высокую клеящую способность. В результате битум хорошо проникает в микропоры щебня и покрытия, обволакивает каждую щебенку и прочно приклеивает их к покрытию и одну к другой. Уплотнение уложенного слоя также происходит при горячем состоянии битума, что обеспечивает максимальный эффект уплотнения. 152 С иб АД И При использовании в роли вяжущего битумной эмульсии высокое качество поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня объясняется тем, что за столь короткий промежуток времени распад эмульсии только начнется, и эмульсия в жидком состоянии заполнит все микропоры щебня и покрытия, покроет каждую щебенку тонким слоем вяжущего и обеспечит возможность хорошего уплотнения слоя поверхностной обработки. Синхронное распределение решает все проблемы организации и координации работ, возникающие при асинхронном распределении, поскольку при каждой остановке в распределении щебня автоматически прекращается и распределение вяжущего. Существенно сокращаются простои из-за климатических условий и повышается производительность работ. Это важно при использовании вяжущих высокой вязкости, но особенно важно при работе в неблагоприятных погодных условиях. Синхронное распределение вяжущего и щебня благоприятно сказывается на формировании сопряжения между вяжущим и щебнем, что гарантирует высокие эксплуатационные характеристики поверхностной обработки, уменьшает риск неудачи работ из-за разницы температур основания и вяжущего, а также из-за наличия сухих тонкодисперсных фракций при устройстве поверхностных обработок с использованием эмульсий. Опыт показывает, что высокий уровень качества поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня позволяет добиться высоких результатов, когда тонкий слой щебня и вяжущего выдерживает интенсивное воздействие колес автомобилей в течение 10–15 лет. Таким образом, синхронное распределение вяжущего и щебня с временем задержки в 1 с является самым важным нововведением в практике поверхностной обработки за последние 20 лет. Для реализации идеи поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и щебня фирма SECMAIR разработала и выпускает широкую номенклатуру битумощебнераспределителей различной производительности, а также других машин для содержания и ремонта дорожных покрытий с использованием щебня, обработанного битумом или битумной эмульсией. Выпускаемые машины могут работать при движении передним ходом или при движении задним ходом (рис. 7.7). Учитывая возросший интерес дорожников к технологии поверхностной обработки с синхронным распределением вяжущего и битума, французская фирма SECMAIR и ГУП Саратовский научно- 153 производственный центр «Росдортех» организовали в г. Саратове производство машин типа Chipsealer (рис. 7.8). Рис. 7.7. Принципы работы машин для поверхностной обработки С иб АД И В 1999 г. начат выпуск следующих машин [21]: Chipsealer-40. Это высокопроизводительное оборудование, предназначенное для устройства шероховатых поверхностных обработок в больших объемах. Оборудование Chipsealer-40 монтируется на базе полуприцепа Caizer и обладает полностью автономной системой энергообеспечения. За один цикл загрузки кузова щебнем позволяет выполнять поверхностную обработку на полосе шириной 3,75 м, длиной до 800 м за 10 мин. Chipsealer-26 выполнен на базе российского полуприцепа СЗАП-9905. В качестве автомобиля-тягача могут использоваться седельные тягачи МАЗ и КамАЗ. Имеет такие же характеристики, как и Chipsealer-40, но меньшие габариты кузова для щебня и резервуара для вяжущего. Chipsealer-19 предназначен для выполнения ремонта дорожных покрытий и устройства шероховатых поверхностных обработок в небольших объемах. Машины типа «Стоппер» применяются для сдерживания эрозии покрытия на ранней стадии путем устройства местной поверхностной обработки на участках шелушения и выкрашивания крытия, появления мелких трещин, сетки трещин, мелких выбоин и Рис. 7.8. Битумощебнераспределитель колей. Машина имеет на одном Chipsealer-19 154 шасси емкость для вяжущего, кузов для щебня, грейферный ковш для загрузки щебня в кузов и распределительные устройства для нанесения битума и щебня (рис. 7.9). И Рис. 7.9. Оборудование машины типа «Стоппер»: 1 – теплоизолированный бак для вяжущего; 2 – грейферный ковш для погрузки щебня; 3 – кузов для щебня; 4 – площадка оператора; 5 – распределитель вяжущего; 6 – распределитель щебня; 7 – пневматический каток; 8 – направление движения С иб АД Еще одним отличием является наличие у «Стоппера» уплотняющего блока из 8 пневматических гладких колес, которые при помощи 4 гидравлических домкратов опускаются на поверхность в рабочее положение и поднимаются вверх в транспортное положение. Это особенно важно для ускоренного формирования ремонтного слоя в холодном и влажном климате. В сухом и жарком климате указанное формирование происходит под действием движущегося транспорта, и необходимость в уплотняющем блоке отпадает. Кроме того, «Стопперы» приспособлены для проведения локального ремонта с применением поверхностной обработки. Машины для устройства поверхностной обработки. Для устройства поверхностной обработки традиционным способом, т.е. с раздельным распределением вяжущего и щебня, используют автогудронаторы и распределители щебня (рис. 7.10). Автогудронаторы различают и выбирают по: вместимости цистерны (грузоподъемности); ширине распределения вяжущего; при этом, как правило, выбирают ширину распределения равной ширине полосы движения дороги или на 5– 10 см меньшую. Распределители щебня различают по: вместимости (емкости) бункера для щебня; ширине распределения щебня; при этом, как правило, ширину распределения щебня принимают равной ширине распределения вяжущего; 155 типу хода (движения): прицепные и навесные базовые машины. Как правило, в качестве базовых машин для прицепных и навесных распределителей щебня используют автомобили-самосвалы. Для устройства поверхностной обработки методом синхронного (одновременного последовательного) распределения вяжущего и щебня используют битумощебнераспределители. Их различают по: ширине обработки, т.е. по соответствию (кратности) этого параметра ширине проезжей части автомобильной дороги; емкости (вместимости) бака для вяжущего и бункера для щебня; методу загрузки щебнем, т.е. использованию специальных загрузочных машин для загрузки щебня в бункер или специального самозагрузочного оборудования. иб АД И Рис. 7.10. Совместная работа автогудронатора и прицепного щебнераспределителя, загружаемого из самосвала С Установлено, что вместимость бака для вяжущего обеспечивает значительно бóльшую выработку, чем вместимость бункера для щебня. Таким образом, бункер для щебня должен быть заполнен несколько раз для обеспечения выработки вяжущего. Соотношение выработок по вяжущему и щебню для различных битумощебнераспределителей колеблется от 2,0 до 9,5, поэтому значительное влияние на сменную выработку (производительность) оказывает метод загрузки щебня. При загрузке щебня в бункер щебнераспределителя (без самозагрузки) на базе с использованием одноковшового фронтального погрузчика или крана с грейфером (челюстным ковшом), т.е. с двойным пробегом от места работы до базы и обратно, затраты времени на одну загрузку составляют от 40 мин до 1 ч 20 мин. При загрузке щебня в бункер битумощебнераспределителя на месте работ с использованием самозагрузки или с использованием автомобиля- 156 самосвала с краном-манипулятором, оснащенным грейфером, затраты времени на одну загрузку составляют от 10 до 15 мин. При загрузке щебня в бункер битумощебнераспределителя с самозагрузкой из приемного бункера, расположенного сзади машины и загружаемого из автомобиля-самосвала, даже при остановке битумощебнераспределителя затраты времени на одну загрузку составляют от 2 до 6 мин. При расчете загрузка вяжущего совмещена с загрузкой щебня, т.е. производится через две-девять загрузок щебня, скорость движения битумощебнераспределителя принята равной 4 км/ч = 1,1 м/с = 66 м/мин, ширина распределения принята равной 3 м, коэффициент использования по времени принят равным 0,8 (при загрузке на базе) и 0,6 (при загрузке на дороге), что связано с необходимостью и большой сложностью ритмичной подачи материалов, применением дополнительных машин (автомобилейсамосвалов, автобитумовозов). иб АД И 7.3. Технология строительства покрытий «сларри сил» и «микросюрфейсинг» С Применение «сларри сил» стало широко использоваться с 1960-х гг. с развитием активных элементов поверхности (эмульгаторов) и механизмов, способных выполнять постоянное рассеивание. Усовершенствования методов перемешивания, эмульсий и оборудования привели к тому, что сегодня «сларри сил» стала наиболее предпочитаемым методом покрытия и текущего ремонта поверхностей за счет прочности и низкой стоимости. Данная технология приготовления и укладки смесей на дороге успешно применяется для содержания и ремонта федеральных автомагистралей, основных и второстепенных территориальных дорог, текущего ремонта городских улиц, подъездов к жилым массивам и устройства тонкослойных покрытий на внутридворовых территориях. Кроме того, такие смеси применяются при устройстве покрытий проезжей части мостов, взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек в аэропортах, при устройстве парковочных площадок супермаркетов, парковых дорожек в зонах отдыха. Однако свое основное применение эта система нашла при продлении срока службы существующих бетонных и асфальтобетонных покрытий [8]. Изначально появление данной технологии было вызвано преимуществами битумных эмульсий перед неэмульгированным битумом, такими как: 157 С иб АД И использование в холодном состоянии, благодаря чему в 2–3 раза по сравнению с «горячими» технологиями замедляется процесс старения битума в цикле приготовления смесей; высокое качество эмульсионно-минеральных смесей, полученных методом смешения в мобильной установке непосредственно на дороге; отсутствие необходимости сушить и нагревать каменные материалы; высокая однородность смесей и материалов за счет лучшего смешения зерен с более жидким по консистенции битумным вяжущим (эмульсией); возможность обработки эмульсиями влажного каменного материала и производство работ при низких, до 5 °С, температурах. В последние годы в дорожной отрасли России проявляется повышенный интерес к использованию битумно-эмульсионных технологий, а с появлением потребности появляются и новые технологии, использующие и развивающие свойства того или иного материала. Одна из групп эмульсионно-минеральных смесей получила название сларри-системы, в которую входят три типа смесей – «сларри сил» (Slurry Seal), «кэйп сил» (Cape Seal) и «микросюрфейсинг» (Micro-surfacing). Сларри – это смесь подобранного состава минерального заполнителя, эмульгированного битума, воды и добавок, регулирующих сроки распада эмульсии, которую распределяют по тщательно подготовленному дорожному покрытию. Группы таких компонентов смешивают в соответствии с определенной формулой, разработанной в лаборатории. В состав более передовых и специализированных смесей могут входить полимеры, например, латекс, волокна или другие материалы. Сларри-системы в основном укладывают слоем, толщина которого равна высоте одного камешка самой крупной фракции, входящей в состав минерального заполнителя. Применение различных фракций минерального материала позволяет устраивать слои износа толщиной 3,5; 6; 9,5 мм (в свежеуложенном состоянии) по технологии «сларри сил», а при применении технологии «микросюрфейсинг» – до 25 мм. Возможно использование многослойных конструкций. Использование полимермодифицированных эмульсий позволяет не только восстановить изношенный верхний слой покрытия, но также выполняет изоляционные функции, предохраняя покрытие от трещинообразования и развития возрастных трещин, защищает верхние слои дорожной одежды от водонасыщения, увеличивает показатели сцепления и ровности. Кроме того, без дополнительных затрат возможно исправление незначительной колейности, продольных и поперечных неровностей. Преимущества ЛЭМС типа «сларри сил» [8]: 158 плотная однородная смесь, нанесенная на покрытие, а не «приклеенный» каменный материал при традиционных поверхностных обработках; холодная технология, не требующая нагрева материалов, в том числе предотвращающая старение битума; возможность использования влажного материала и увлажненного покрытия; возможность «лечения» без специальной подготовки волосяных и средних трещин, недоступная другим технологиям; возможность ремонта разрушений поверхностной обработки; технология, позволяющая улучшить свойства используемого битума в процессе приготовления эмульсии; отсутствие «выноса» каменного материала (эффект разбитых лобовых стекол); отсутствие необходимости перестановки бортового камня на участках дорог, проходящих по населенным пунктам, в заездных карманах автобусных остановок, на мостах и т.д.; возможность устранения колейности покрытия; легкое тонкослойное плотное эластичное водонепроницаемое покрытие идеально для нанесения на искусственных сооружениях; возможность существенного улучшения ровности покрытия без необходимости укладки выравнивающих слоев или фрезерования при традиционных технологиях; возможность существенного улучшения шероховатости покрытия; низкая «шумность» покрытия – востребованность в населенных пунктах и зонах рекреации; возможность устройства покрытия при более низких температурах; повышенная адгезия материала горизонтальной разметки к покрытию и соответствующий повышенный срок эксплуатации горизонтальной разметки; повышенный срок гарантийных обязательств по сравнению с традиционными поверхностными обработками; долговечность покрытия 3–5 лет; высокая производительность укладочных комплексов. Недостатки: более высокая прямая стоимость работ по сравнению с традиционными поверхностными обработками за счет использования более качественных исходных материалов; чувствительная к внешним факторам технология; длительный срок ограничения движения по свежеуложенному слою. Анализ эффективности использования данной технологии ремонта автомобильных дорог по сравнению с традиционным применением горя- С иб АД И 159 С иб АД И чих смесей показывает, что трехкратное применение «сларри сил» для ремонта покрытия за 15-летний срок его службы при обеспеченной прочности конструкции дорожной одежды обойдется в 5 раз дешевле двукратного ремонта верхнего слоя с использованием асфальтобетона. Зарубежный опыт показывает, что при текущем ремонте 1 км городских улиц (при ширине проезжей части 9 м) применение одного слоя смеси «микросюрфейсинг» толщиной 10–12 мм обходится в 2,2 раза дешевле по сравнению с устройством слоя асфальтобетона толщиной 2,5 см и в 3,5 раза дешевле при устройстве асфальтобетонного покрытия толщиной 5 см. При этом применение эмульсионно-минеральной смеси не требует ни фрезерования, ни перестановки бортового камня, ни огромного объема автотранспортных работ. Смесь сларри приготавливается в передвижной смесительной установке, имеющей механизм распределения смеси по покрытию. С добавлением воды смесь приводится в готовое для нанесения состояние. Slurry seal может быть различных типов. Различный размер щебня позволяет получить различную толщину и текстуру покрытия. Эмульсии разного состава и разного времени схватывания смешиваются с одним из трех типов щебня, таким образом, получается смесь с необходимыми характеристиками. Щебень делится на три следующих вида: 1 – мелкий, 2 – средний и Рис. 7.11. Типы сларри сил 3 – крупный. Поэтому и технология слари сил бывает 3 типов: Тип 1– мелкий, это использование мелкого щебня в качестве всепроникающего основного материала. Кладут такое покрытие на асфальт, который подвергается малому износу. Например, автостоянки и проезды. Тип 2 – средний, это самый распространенный вариант укладки слари. При его готовке используют щебень средних размеров, что позволяет добиться консенсуса между прочностью и стоимостью. Такой вид укладки асфальта широко применим на автомобильных дорогах со средней интенсивностью движения. Тип «Средний щебень» используется чаще всего. Широко используется для мест со средним и интенсивным дорожным движением. Этот тип смеси используется для покрытия трещин, предотвращения среднего и сильного стирания, окисления и потери сцепления, для увеличения сопротивления скольжению. Тип 3 – крупный щебень, исправляет серьезные дефекты поверхности, обеспечивает сопротивление скольжению при интенсивном 160 С иб АД И дорожном движении и предотвращает скольжение в воде (гидропланирование). Нанесение смеси сларри сил производится на готовую асфальтовую поверхность распылителем, который подведен к смешивающему блоку. Благодаря этому можно нанести раствор равномерно на одну полосу дороги за один раз. Благодаря распылителю сларри наносится одинаковым по ширине слоем и на дорожные перекосы, и на высокие участки дороги, и на склоны. Щебень должен быть чистым, прочным, измельченным, классифицированным соответствующим образом и одного типа. В большинстве случаев в качестве стабилизатора или модифицирующей добавки в небольшом количестве используется портландцемент, гашеная известь или жидкий сульфат алюминия. Сларри изготавливается в помощью специального оборудования. Оно либо устанавливается на грузовую машину, либо с автономным приводом. Это оборудование перевозит достаточное количество материала в мешалке. Данное оборудование обеспечивает постоянное изготовление смеси одинаковых характеристик на месте производства работ. Перемешивание и распределение обеспечиваются одной операцией, таким образом, дорога готова к повторному использованию уже через несколько часов. Раствор сларри наносится на существующее покрытие поверхности с помощью распылителя, соединенного со смешивающим блоком. Раствор сларри проникает в бункер распылителя, когда смешивающий блок растягивает этот бункер, распылитель накладывает смесь. Распылитель обладает возможностью наносить раствор «Сларри» на одну поРис. 7.12. Принцип работы машины для устройства лосу дороги за один сларри сил 161 б С а иб АД И проход и изготовлен таким образом, чтобы постоянно находиться в контакте с существующей поверхностью. За счет этой особенности распылитель накладывает одинаковый слой раствора на склонах, на высоких участках дороги, на различных перекосах. Операция перемешивания контролируется оператором. Остальные рабочие очищают поверхность перед нанесением сларри, закрывают участок дороги для дорожного движения, проверяют соответствие операции нанесения, после нанесения очищают металлические канализационные люки и наносят раствор сларри в тех местах, куда не проник бункер распыления. Технология покрытия асфальта микросюрфесинг представляет собой усовершенствование технологии слари сил. Отличия между ними заключаются в том, что для изготовления первого варианта используется щебень более высокого качества, смесь быстро твердеет, уровень когезии формирующейся смеси намного выше, чем у его предшественника, разница в ширине слоев – толщина поверхностей технологии микросюрфейсинг достигает 20 мм, когда как 15 мм для сларри – потолок. Машина для микросюрфейсинга может укладывать смесь сларри сил, в то время как машина для сларри сил не всегда способна укладывать микросюрфейсинг. Машины «Минимак» и «Макропэйвер» успешно укладывают оба вида смесей (рис. 7.13). Рис. 7.13. Машины для устройства сларри сил и микросюрфейсинга: а – «Минимак»; б – «Макропэйвер» Микросюрфейсинг – это многослойное поверхностное покрытие, в котором полимерно-модифицированная эмульсия усиливает когезию. Та- 162 С иб АД И кая эмульсия способствует очень быстрому затвердеванию смеси на дороге. Время смешивания компонентов смеси в машине – 1–2 мин. После распада эмульсии в течение 3–5 мин смесь затвердевает через 30–60 мин. Быстрое затвердевание позволяет оперативно открывать движение по вновь уложенному слою. Этими качествами и определяется применение микросюрфейсинга: на дорогах с высокой интенсивностью движения; при ремонте дорог в условиях непрерывного движения автотранспорта; ночью; при исправлении профиля поверхности дороги. Микросюрфейсинг – это специализированная эмульсионноминеральная смесь, включающая дробленый щебень, битумную эмульсию с полимерами и химические добавки. Укладка производится машиной, схожей с машиной для сларри сил. Однако между машинами есть и различие. Это, прежде всего, специальный коробраспределитель. Бункер имеет шнеки для ускоренного распределения быстро застывающей Рис. 7.14. Уложенная смесь смеси и дозирующую систему для химических добавок. Эмульсионно-минеральные покрытия имеют своим базовым элементом воду и укладываются на дорогу в холодном виде. Это делает их экологически чистыми и экономит энергию при их приготовлении. Качественные характеристики сларри сил и микросюрфейсинга регулируются их химическим составом, что делает их многофункциональными смесями для разных типов дорог и климатических условий. Эмульсионно-минеральные смеси укладываются на дорогу более тонким слоем (рис. 7.14), поэтому нет необходимости в разогреве и укатке. 7.4. Устройство покрытий и оснований способом пропитки Покрытие (или основание), построенное по способу пропитки, представляет собой слой из уплотненного сортированного щебня, в котором часть пор заполнена органическим вяжущим материалом [23, 24]. Прочность и монолитность пропитанного слоя обеспечивается заклинкой частиц минерального материала и их сцеплением за счет вяжущих свойств 163 С иб АД И битума или дегтя. Вяжущие материалы самотеком заполняют поры после их розлива по поверхности слоя. Чтобы вяжущие проникали в поры пропитываемых слоев дорожной одежды, используют следующие технологические приемы: подогревают вяжущие с целью временного снижения их вязкости; основной розлив вяжущих проводят на не полностью уплотненный слой щебня одномерной крупной фракции, что сохраняет повышенную пористость слоя на период пропитки. Суммарный расход вяжущего при пропитке ориентировочно равен 1,0–1,2 л/м2 на 1 см толщины пропитываемого слоя. При устройстве покрытий и оснований по способу пропитки расход вяжущего на 1 м2 минеральных материалов больше, чем при других способах. При сухой и жаркой погоде применяют также медленнораспадающиеся эмульсии. При дождливой погоде (осенью) могут быть использованы эмульсии с повышенным содержанием битума: щелочные с 60–65% и кислые с 60–70%. Для повышения текучести битумов и дегтей их разливают в подогретом виде. Эмульсии разливают, как правило, в холодном виде. При работах в холодное и дождливое время осенью кислые эмульсии с повышенным содержанием битума (60–70%) нагревают до 30–40 °С. Для распределения вяжущего применяют автогудронаторы. При этом очень важно обеспечить равномерность распределения вяжущего по поверхности слоя, заливая пропущенные места вручную из шланга, которым снабжен автогудронатор, или из леек. Недостатками устройства оснований по способу пропитки является то, что часть вяжущего расходуется нерационально на заполнение крупных пор минерального остова. В то же время способ пропитки не обеспечивает полного обволакивания всех частиц щебня. Различают два вида пропитки: глубокую (или нормальную) при толщине пропитываемого слоя 6,5–8 см; облегченную (или полупропитку) при толщине пропитываемого слоя 4–6 см. Покрытия, устроенные способом пропитки, рекомендуется подвергать одиночной поверхностной обработке, чтобы повысить их водоустойчивость и уменьшить износ. Покрытия и основания способом пропитки следует строить в сухое время года при температуре воздуха не ниже +10 °С. Осенью работы следует прекращать за 15–20 дней до ожидаемого понижения температуры ниже +10 °С, с тем чтобы обеспечить минимальный период времени, необходимый для формирования покрытия под движением. 164 И иб АД Рис. 7.15. Технологическая схема производства работ при строительстве оснований способом пропитки С Технологический процесс устройства щебеночных покрытий способом пропитки состоит из операций (рис. 7.15): подготовка основания; подсыпка обочин; вывозка, разгрузка и разравнивание крупного щебня для устройства основного слоя (первая россыпь щебня) (автосамосвал и автогрейдер); предварительное уплотнение основного слоя щебня катками; первый розлив вяжущего автогудронатором; вторая россыпь щебня (мелкого); уплотнение щебня второй россыпи; второй розлив вяжущего; третья россыпь щебня (клинца); уплотнение щебня третьей россыпи; третий розлив вяжущего; четвертая россыпь щебня (каменной мелочи); завершающее уплотнение; уход за построенным покрытием и дополнительная поверхностная обработка. С учетом нормы распределения вяжущего, ширины покрытия и необходимости открытия движения розлив производят по всей ширине или по одной половине покрытия. Длину обрабатываемого участка назначают из расчета завершения всех работ в течение одного дня (двух смен). Для устройства покрытий способом пропитки применяют щебень четырёх фракций: крупный – 40–70 мм, мелкий – 20 (25)–40 мм, клинец – 10(15)–20(25) мм и каменная мелочь – 3(5)–10(15) мм. 165 Для облегченной пропитки применяют только три фракции щебня (исключают крупный щебень 40–70 мм). Примерные нормы расхода материалов для устройства покрытий способом пропитки даны в табл. 7.1. иб АД И Таблица 7.1 Примерные нормы расхода вяжущих и минеральных материалов для устройства покрытий по способу пропитки Примерные нормы расхода материала при глубокой пропит- при облегченной Последовательность работ ке и использовании пропитке и исчетырёх фракций пользовании трёх щебня фракций щебня Россыпь щебня фракций 40-70 мм, м3/100м2 5,0–6,0 – 2 – Розлив вяжущего, л/м 3,0–4,0 Россыпь щебня фракций 20-40 мм, 3,0–4,5 м3/100м2 3,0–4,0 2 3,0–4,0 Розлив вяжущего, л/м 2,5–3,0 Россыпь щебня фракций 10-20 мм, 2,0–3,0 м3/100м2 1,0–1,10 2,0-2,5 Розлив вяжущего, л/м2 2,0-2,5 Россыпь щебня фракций 5-10 мм, 0,9–1,1 м3/100м2 0,9–1,1 Примечание. Бóльшие нормы расхода соответствуют большей толщине слоя. С В целях упрощения технологии и сокращения продолжительности всего цикла работ по устройству покрытий и оснований способом пропитки в некоторых случаях сокращают количество используемых фракций (россыпей) щебня и соответственно количество розливов вяжущих материалов. При устройстве глубокой пропитки ограничиваются тремя россыпями щебня и двумя розливами вяжущих, а при устройстве облегченной пропитки – двумя россыпями щебня и одним розливом, не считая поверхностной обработки. Общий расход материалов при этом меняется незначительно. Количество россыпей щебня сокращают за счет объединения двух фракций крупного щебеночного материала. Основания под слоями, подвергаемыми пропитке, должны быть прочными, ровными и достаточно плотными, чтобы вяжущие не впитывались в них. При подготовке к устройству покрытий способом пропитки на пористых основаниях из щебня или гравия устраивают плотные замыкающие слои путем россыпи и уплотнения клинца и каменной мелочи в объёме 1,0–1,5 м3/100 м2. При значительной пористости основания за166 С иб АД И мыкающие слои устраивают в два приема: вначале распределяют и уплотняют клинец, затем каменную мелочь. Технология подготовительных работ аналогична технологии подготовки основания перед поверхностной обработкой. Размеры фракций щебня зависят от проектной толщины покрытия h. Для нормальной заклинки наибольший размер щебня основной россыпи не должен превышать 0,5–0,85 h. Первую россыпь щебня укатывают от краев к середине вначале двумятремя проходами легких катков (6–8 т) по одному следу, затем четырьмяпятью проходами тяжелых катков. Укатку заканчивают, когда щебеночный слой приобретает благодаря заклинке некоторую связность и все щебенки займут в нем устойчивое положение, хотя слой и останется пористым. Уплотняют слой самоходными катками, обычно с гладкими вальцами. После каждого распределения и уплотнения щебня поперечный профиль проверяют шаблоном. Ровность в продольном направлении контролируют трехметровой рейкой, а готового покрытия – многоопорной рейкой. В процессе уплотнения щебень увлажнять не следует, чтобы не снижать сцепление с вяжущим. Это требование не распространяется на случай обработки эмульсией. При уплотнении смежные проходы должны быть перекрыты на 0,25–0,3 ширины укатки. Нельзя допускать излишнего дробления щебня катками. В случае образования мест с порами, заполненными мелочью, слой щебня в этом месте нужно разрыхлить, удалить, заменить новым и уплотнить сначала механическими трамбовками, а затем катками [24]. В процессе уплотнения щебень увлажнять не следует, чтобы не снижать сцепление с вяжущим. Это требование не распространяется на случай обработки эмульсией. При уплотнении смежные проходы должны быть перекрыты на 0,25–0,3 ширины укатки. Нельзя допускать излишнего дробления щебня катками. В случае образования мест с порами, заполненными мелочью, слой щебня в этом месте нужно разрыхлить, удалить, заменить новым и уплотнить сначала механическими трамбовками, а затем катками [24]. Движение на покрытиях, устроенных способом пропитки, следует открывать на другой день после окончания всех работ по устройству замыкающего слоя. Окончательно пропитанный слой щебня уплотняется и формируется под воздействием автомобилей (при интенсивности движения не менее 500 автомобилей в сутки) при сухой и теплой погоде в течение трехчетырех недель. При холодной и влажной погоде формирование затягивается на более длительный срок. 167 С иб АД И В начальный период эксплуатации за покрытиями с пропиткой организуют усиленный уход. Основные мероприятия этого периода: ограничение скорости движения и его регулирование по ширине проезжей части; присыпка каменной мелочью участков с избытком вяжущего; ремонт отдельных мест, разрушающихся под движением. После формирования и дополнительного уплотнения под движением на покрытиях с пропиткой устраивают защитный слой способом поверхностной обработки. Недостаточная плотность покрытия бывает причиной его замедленного подсыхания после дождя. На общей сухой поверхности покрытия долгое время сохраняются темные полосы или пятна. Для исправления этих мест с поверхности покрытия удаляют часть каменной мелочи, разливают вяжущее, рассыпают чистую каменную мелочь и уплотняют ее укаткой, а на малых площадях – трамбованием. Тонкие верхние слои покрытия отслаиваются в результате розлива вяжущего на влажный или загрязненный щебень основной россыпи, а также при плохом распределении щебня последующих россыпей, когда он не заклинивает щебенки основной россыпи, а образует отдельный слой. Для исправления таких мест необходимо удалить весь отслаивающийся материал, очистить от грязи и просушить основной слой щебня, затем в сухую теплую погоду заново выполнить россыпи щебня и соответствующие розливы вяжущего и произвести уплотнение [24]. Постройка покрытий и оснований способом пропитки с использованием дорожных эмульсий имеет некоторые особенности в связи с их малой вязкостью. В результате быстрого проникания эмульсий в пористый щебеночный слой возможно накопление избытка вяжущего в его нижней части и недостаток в верхней. Чтобы предупредить такое неравномерное распределение вяжущего по высоте слоя, вводят следующие изменения в технологический процесс работ: после уплотнения первого слоя щебня перед первым розливом вяжущего для частичного заполнения крупных пор рассыпают часть мелкого щебня (примерно 50% нормы) и укатывают одним-двумя проходами катка; основной розлив эмульсии проводят в два приема, выделяя для первого розлива 50–70% нормы. Общее количество розливов эмульсии во всем цикле работ по пропитке должно быть не менее четырех и количество россыпей щебеночного материала не менее пяти. Общий расход вяжущих материалов при использовании эмульсий составляет 0,7–0,9 л/м2 на 1 см пропитываемого слоя в уплотненном состоянии. Открывать движение автомобилей по покрытиям, построенным способом пропитки с применением щелочных эмульсий, следует не ранее чем через 1–2 суток в сухую теплую погоду и не ранее 2–3 суток при холодной 168 и дождливой погоде. При использовании кислых эмульсий движение можно открывать сразу после окончания работ. Слои из щебня, обработанного вяжущим способом пропитки, применяют также в качестве оснований под усовершенствованные покрытия из асфальтобетонных или плотных битумоминеральных смесей. Так как эти покрытия хорошо защищают нижележащие слои от поверхностной влаги, то нет необходимости устраивать на основании плотный замыкающий слой. Поэтому при устройстве оснований способом пропитки обычно сокращают на один количество розливов вяжущего и не проводят замыкающей россыпи мелкого щебеночного материала. Контрольные вопросы С иб АД И 1. Какие известны виды органоминеральных смесей? 2. В чём заключаются достоинства поверхностной обработки? 3. Какие вяжущие материалы применяются для поверхностной обработки? 4. Какова последовательность производства поверхностной обработки? 5. Какова последовательность устройства оснований по способу пропитки? 6. Чем различаются облегченная и полная пропитки? 7. Какие машины применяются для поверхностной обработки? 8. Из каких компонентов состоят смеси типа слари? 9. Из каких компонентов состоят смеси типа микросюрфейсинг? 10. Что представляет собой технология пропитки? 11. Какие недостатки возникают при устройстве оснований по методу пропитки? 12. Какие недостатки возникают при устройстве поверхностной обработки? 169 Библиографический список С иб АД И 1. Беляев, К.В. Производство, транспортирование и применение вяжущих в строительстве : учебное пособие / К.В. Беляев, В.С. Серебренников. Омск : СибАДИ, 2015. 99 с. 2. Битумные вяжущие : учебное пособие / А.И. Абдуллин, Е.А. Емельянычева, Т.Ф. Ганиева [и др.]/ – Казань : Изд-во КНИИТУ, 2012. – 100 с. 3. Веренько, В.А. Новые материалы в дорожном строительстве : учебное пособие / В.А. Веренько. – Минск : УП Технопринт, 2004. – 170 с. 4. Вейцман, М.И. Битумные базы и цехи / М.И. Вейцман, Б.Н. Соловьев. – М. : Транспорт, 1976. – 106 c. 5. Галдина, В.Д. Модифицированные битумы : учебное пособие /В.Д. Галдина. – Омск : СибАДИ, 2009. – 228 с. 6. Галдина, В. Д. Производство нефтяных дорожных битумов : тексты лекций / В. Д. Галдина. – Омск : СибАДИ, 1996. – 69 с. 7. Горелышев, Н.В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы / Н.В. Горелышев. – М. : Можайск-Терра, 1995. – 176 с. 8. Горелышева, Л.А. Автомобильные дороги. Органоминеральные смеси в дорожном строительстве : обзорная информация / Л.А. Горелышева.– М. : Информавтодор, 2000. – Вып. 3. – 107 с. 9. Грудников, И.Б. Производство нефтяных битумов / И.Б. Грудников. – М. : Химия, 1983. – 192 c. 10. ГОСТ 22245–90. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. – Введ. 1991–01–01. – М. : ИПК «Издательство стандартов», 2005. – 9 с. 11. ГОСТ 11955–82. Битумы нефтяные дорожные жидкие. Технические условия. – Введ. 1984–01–01. – М. : Стандартинформ, 2008. – 10 с. 12. ГОСТ 11501–78. Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы. – Введ. 1980–01–01. М. : Стандартинформ, 2008. – 7 с. 13. ГОСТ 11506–73. Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару. – Введ. 1974–01–07. М. : ИПК «Издательство стандартов», 2003. – 6 с. 14. Гун, Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун. – М. : Химия, 1973. – 311 c. 15. Гуреев, А.А. Производство нефтяных битумов / А.А. Гуреев, Е.А. Чернышёва, А.А. Коновалов [и др.]. – М. : Нефть и газ, 2007. – 102 с. 16. Дорожно-строительные машины и комплексы : учебник для вузов / В. И. Баловнев, А. Б. Ермилов, А. Н. Новиков [и др.]. – М. : Машиностроение, 1988. – 384 с. 17. Дорожные машины. Ч. 2. Машины для устройства дорожных покрытий : учебник для вузов / К.А. Артемьев, Т.В. Алексеева, В.Г. Белокрылов [и др.]. – М. : Машиностроение, 1982. – 397 c. 18. Дорожно-строительные материалы : учебник для вузов / М.И. Волков, И.М. Борщ, И.М. Грушко, И.В. Королев. – 5-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1975. – 527 c. 170 С иб АД И 19. Колбановская, А. С. Дорожные битумы / А. С. Колбановская, В. В. Михайлов. – М. : Транспорт, 1973. – 261 с. 20. Основы проектирования химических производств и оборудования : учебник / В.И. Косинцев, А.И. Михайличенко, Н.С. Крашенинникова [и др.] ; под ред. А.И. Михайличенко. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 397 с. 21. Рвачёва, Э.М. Поверхностная обработка дорожных покрытий / Э.М. Рвачёва, Б.С. Марышев. // Дорожная техника, технология : каталогсправочник. – СПб. : И.А. Партнёр, 2004. С.160–167. 22. Соколов, Ю.В. Дорожные эмульсии : учебное пособие / Ю.В. Соколов. – Омск : СибАДИ, 1998. – 84 с. 23. Технологические машины и комплексы в дорожном строительстве (производственная и техническая эксплуатация) : учебное пособие для вузов (для бакалавров и магистров)/ В.Б. Пермяков, С. В. Мельник, В. И. Иванов [и др.]. – М. : ООО «ИД "БАСТЕТ"» , 2014. – 752 с. 24. Технология и организация строительства автомобильных дорог : учеб. для вузов / Н. В. Горелышев, С.М. Полосин-Никитин, М.С. Коганзон [и др.]. – М. : Транспорт, 1992. – 551 c. 171
