Вступ
Дорожнє будівництво вимагає величезної кількості будівельних матеріалів. Особливі труднощі будівельних організацій пов'язані з отриманням гостродефіцитних органічних в'яжучих матеріалів і перш за все вузьких нафтових бітумів, необхідних для будівництва автомобільних доріг з асфальтобетонним покриттям. Тому в сучасних умовах в області виробництва дорожньо-будівельних матеріалів велике значення має впровадження нових прогресивних способів приготування асфальтобетонних сумішей, що забезпечують необхідну кількість готової продукції при зниженні енергоємності, трудомісткості і матеріаломісткості технологічних процесів.
У сучасних умовах через повсюдне погіршення екологічної ситуацій першочерговим завданням розробників є зниження емісій в атмосферу і скорочення енергоємності технологічних процесів з паралельним збільшенням ефективності.
Для підвищення якості асфальтобетонних сумішей і зниження витрати дефіцитних бітумів відомо багато рекомендацій, які передбачають, зокрема, активацію мінеральних матеріалів, введення до складу в'яжучого поліпшують добавок, комплексне використання різних в'яжучих речовин, застосування більш досконалого обладнання та ін. Однак більшість із запропонованих способів передбачає витрату дефіцитних і відносно дорогих хімічних речовин або істотне ускладнення технології робіт.
Дане дослідження виявило необхідність виробництва теплих асфальтобетонних сумішей за допомогою спінених бітумів.
Було розглянуто процес спінювання бітуму та запропоновано шляхи підвищення його якості.
1. Загальні відомості про вспененном бітумі
Спінені бітуми є в'яжучий, в якому під впливом спеціальних методів обробки утворено велику кількість різних за розміром бульбашок, заповнених повітрям і водяною парою. Процес спінювання супроводжується різким збільшенням сумарної величини поверхні розділу бітум-газ. Як відомо, будь-яке збільшення поверхні призводить до зростання вільної енергії системи. Отже, бітум у міру спінювання набуває все більшої вільну енергію, яка, зокрема, проявляється в підвищенні його смачивающей і адгезійної здатності. Величина поверхневої енергії, пропорційна питомій поверхні, зростає в міру збільшення ступеня спінювання і дисперсності піни. Таким чином, чим більше ступінь спінювання і вище дисперсність піни, тим більше і поверхнева енергія, яка може реалізуватися в процесі змочування мінерального матеріалу, адгезії в'яжучого і коаолісценціі бульбашок піни.
Метою спінювання є збільшення площі поверхні бітуму і зниження його в'язкості в процесі приготування суміші. При цьому способі є реальна можливість істотно зменшити температуру нагрівання в'яжучого і мінеральних матеріалів, що може забезпечити не тільки скорочення витрати палива, але і збільшення тривалості міжремонтних термінів експлуатації доріг з асфальтобетонним покриттям.
В'язкі у спіненому стані характеризуються великою поверхневою енергією, малою в'язкістю і, отже, високою активністю при взаємодії з мінеральними матеріалами. В'яжучий в такому стані особливо активно взаємодіє з найбільш тонкої частиною мінерального матеріалу. Тому спінені в'яжучі являють інтерес для обробки щільних сумішей з великим вмістом мінерального порошку, а також некондиційних мінеральних матеріалів з надлишком тонкодисперсних (забруднюючих) фракцій і отже можливо його застосування з кам'яним матеріалами мають глинисті та інші забруднюючі частки.
У цьому випадку так само цілком перспективним виглядає використання спіненого бітуму з золошлакових відходів промисловості. Так як піски, укріплені стандартної бітумної пастою (4% емульсованого бітуму від маси піску) і попелом виносу (15-20%), характеризуються прискореним формуванням структури, підвищеними густиною, міцністю, морозостійкістю і використання спіненого в'яжучого в цьому випадку теоретичний ефективніше традиційних в'яжучих.
У дорожньому будівництві відомо багато способів використання зольношлакових відходів і враховуючи що на ТОВ «Усть-Кам'яногірська ТЕЦ» встановлена ​​гідроулавлівающая установка золи, завдяки чому є можливість проведення повноцінних експериментальних робіт для наукового обґрунтування застосування спіненого бітуму з зольно-жужільними відходами.
Аналіз сучасного досвіду приготування теплих асфальтобетонних сумішей і зміцнення скелетних матеріалів на основі спінених бітумів свідчить про суттєві переваги такого способу виробництва робіт.
Великою перевагою використання бітумів в пінному стані є і те, що ця технологія може бути впроваджена практично на будь-яких асфальтобетонних заводах і змішувальних (мобільні, стаціонарні) установках без істотного їх переобладнання і розширення площ. Технологічний процес приготування асфальтобетонних сумішей серйозних змін не зазнає. Більш того, установка вспенивающем пристроїв може здійснюватися без демонтажу існуючого обладнання подачі бітуму в змішувач. Відбувається дообладнання системами дозування і введення води в бітум. Отже, після установки додаткових пристроїв для спінювання в'яжучого зберігається повна можливість швидкого переходу від нової технології до традиційної і обратно.2. Фізико-хімічні складові спіненого бітуму З усіх видів спінювання бітуму одним з економічно вигідних і ефективних способом є використання пеногенераторов або спеціальних видів форсунок за коштами додавання невеликої кількості води (2-4%) в гарячий бітум (140-160 ° С). Коли холодна вода стикається з гарячим бітумом, теплова енергія від бітуму передається частинкам води, які перетворюючись на пару, створюють дрібні бульбашки оточені тонкою плівкою бітуму. Відбувається перехід бітуму з об'ємного стану в тонкопленочное з утворенням двофазної гетерогенної дисперсної системи "бітум - газ" Це призводить до розширення бітуму приблизно в 10-20 разів від початкового об'єму. Такий стан зберігається на час від 10 секунд до декількох хвилин в залежності від технічного виконання агрегату для спінювання. При цьому жодної хімічної реакцій не відбувається, а просто на короткий проміжок часу змінюються фізичні властивості бітуму, що виражається в утворень піни. Вимоги до стабільності, т. Е. Стійкості пінного стану бітуму, залежать від призначення в'яжучого в конкретних умовах його застосування і особливостей технологічного процесса.Необходімо враховувати, що за своїм складом бітуми не однорідні. Вспениваться можуть лише в них містяться масла і смоли. Асфальтени в них містяться можуть виконувати роль присадок, що забезпечують прискорення і інтенсифікацію процесів піноутворення. Від їх кількості і ступеня дисперсності залежить в'язкість і теплостійкість бітуму. Малюнок 1. Структура спіненого бітуму: 1-водно-повітряний кишеню; 2-прошарок бітумабітум в'яжучий асфальтобетонний вспеніваніеБлагодаря концентрації асфальтенов на поверхні бітумних плівок адгезія спіненого бітуму з мінеральною поверхнею при інших рівних умовах завжди буде вище адгезії того ж бітуму, що не зазнає вспениванию. Відбувається полегшення (інтенсіфіцірованіе) процесу змочування мінеральної поверхні і за рахунок цього підвищується адгезія. Вспенивание бітуму можна розглядати як спосіб підвищення його активності до взаємодії з поверхнею мінерального матеріалу, як спосіб спрямованого використання ПАР, які є в бітумі. В'яжучий такого роду забезпечує більш високу адгезію бітуму з мінеральною поверхнею при меншій тривалості перемішування суміші і більш низькій температурі, що сприяє зниженню окислення бітуму яке знижує старіння бітума.В разі використання спінених бітумів їх зчеплення з поверхнею мінеральних матеріалів на 3 - 11% завжди вище, ніж при використанні звичайних бітумів марок БНД 60/90 і БНД 90/130 яке показано в зусилля, що виникають в піні при контакті з мінеральної поверхнею і подальшому розпаді, значно рань ше, ніж у випадку використання звичайного бітуму стають порівнянними і починають перевищувати сили адгезії дрібнодисперсних частинок до поверхні крупний заповнювач. При цьому бітум, що виділяється при розпаді найближчого шару піни, змочує поверхню мінеральних зерен тонким шаром, що сприяє поліпшенню фізико-механічних показників асфальтобетону, приготованого на вспененном бітумі, в порівнянні з асфальтобетоном, приготованим на в'язкому бітумі і з використанням катіонактівних емульсії. Таблиця 1МатеріалСодержаніе оксидів, мас. % Показник зчеплення,% SiO 2СaO + MgOВспененний бітумОбичний бітумІзвестняк 13,0238,77 78 69 Мармур 0,19 51,04 89 78 Граніт77,66 2,87 27 24 Песок62,09 19,29 36 31Многочісленнимі дослідженнями доведено, що використання води для спінювання бітуму дозволяє зменшити завдається природі екологічну шкоду. Введення води (жорсткість в межах 6 мг-екв \ л) в в'яжучий призводить до зниження його в'язкості в 2-2,5 рази, що забезпечує якісне і рівне, без розривів, перекриття поверхні дорожнього покриття бітумної плівкою, тобто виключає необхідність застосування розчинників для збільшення плинності бітумів більш вузьких марок..Вспеніваніе бітумів при приготуванні асфальтобетонних сумішей не є самоціллю. Воно проводиться не для отримання спеціальних газонаповнених матеріалів, в яких пориста структура є їх головною особливістю. Вспенивание бітумів при приготуванні асфальтобетонних сумішей в першу чергу має на меті підвищення ефективності змішування компонентів суміші і поліпшення зчеплення в'яжучого з кам'яним матеріалом.Еще однієї основною причиною руйнувань і передчасного виходу з ладу дорожніх покриттів є недостатнє зчеплення в'яжучого з кам'яним матеріалом. Експериментальні дані показників якості зчеплення кам'яного матеріалу з в'язким показують підвищення водостійкості на 8-17% для щебенюя, обробленого спіненим бітумом в звичайному станів, що пояснюється високою адгезією. Мал. 2. Залежність міцності зчеплення в'яжучого зі щебенем від витрати бітуму: 1 - щебінь, оброблений спіненим бітумом; 2 - щебінь, оброблений бітумом в звичайному станів; 3 - щебінь, оброблений спіненим бітумом, після кип'ятіння; 4 - щебінь, оброблений бітумом в звичайному станів, після кип'ятіння Мінеральні складові можуть не піддається сушінню і нагріванню, що значно знижує енерговитрати при приготуванні асфальтобетонних сумішей на АБЗ. Даний метод успішно використовується на ряді асфальтобетонних заводів як ІПК «Ротор» для отримання теплих сумішей. Даний виробник асфальту заявляє про низку переваг :. Зменшення енерговитрат до 25% на виробництво асфальтобетонної суміші за рахунок зниження температури її виробництва .. Економія 2.5-3% палива на кожні 5 градусів зниження температури приготування асфальтобетонної суміші ;. Ефективне заміс інертних матеріалів з бітумом вже при температурах 115-140 С ° ;. Краща уплотняемость асфальтобетонної суміші за рахунок тимчасового зниження в'язкості бітуму ;. Зменшення шкідливих викидів в атмосферу на заводі і під час укладання, як наслідок можливість розташування АБЗ ближче до населених пунктів ;. Зниження окислення бітуму в процесі приготування асфальтобетонної суміші ;. Можливість використання високого процентного вмісту РА (регенерованого асфальту) ;. Можливість укладання при більш низьких температурах, збільшення робочого сезону ;. Швидкий набір міцності матеріалу після укладання і ущільнення. У зв'язку з цим відкриття руху і облаштування захисних шарів може бути вироблено в більш ранні терміни в порівнянні з матеріалом отриманим бітумної емульсій .. Низька вартість матеріалу, для спінювання придатні в'язкі бітуми без добавок, немає необхідності в використань дорогих емульгаторовВишеперечісленное дозволяє розглядати асфальтобетон на вспененном бітумі , як найбільш економічний і ресурсозберігаючий спосіб виробництва теплих асфальтобетонних сумішей для будівництва та ремонту асфальтобетонних покритій.В т про Водночас успішний досвід робіт за кордоном свідчить про доцільність впровадження даної технології, що дозволить знизити витрати на підтримку значної частини дорожньої мережі в нормативному стані і знизити споживання невідновних природних ресурсів без шкоди в техніко-експлуатаційних свойств.Економіческій ефект в дорожньому будівництві досягається за рахунок економії в'яжучих, подовження будівельного сезону, скорочення часу формування шару поверхневої обробки, збільшення змінної продуктивності загону машин і терміну експлуатації шару поверхневої обробки. . Способи приготування асфальтобетонних сумішей з використанням спінених бітумів Застосування спінених бітумів вносить ряд незначних змін в технологічну схему приготування асфальтобетонних сумішей, що стосуються процесів підготовки і подачі бітуму, що забезпечують його введення в мішалку змішувача у спіненому стані. Існують кілька способів спінювання бітумів: вспенивание і розпорошення бітуму гарячою водою або парою, які отримуються в парогенераторах або централізовано по системі теплопостачання; вспенивание і розпорошення попередньо обводненного бітуму за рахунок збільшення тиску при його нагріванні до температури вище 100 ° С в спеціальному герметичному підігрівачі перед подачею в мішалку (в цьому випадку можуть бути використані і незневоднені бітуми); вспенивание і розпорошення бітуму гарячою водою і (або) паром, приготування яких здійснюється паралельно з нагріванням бітуму в бітумоплавильної рахунок скорочення води по трубчастому теплообменніку.Прі диспергування насичення бітуму газом досягається шляхом продування того чи іншого газу через бітум, що знаходиться в рідкому стані. Принципово можливо також безпосереднє збагачення бітуму повітрям або інертним газом при інтенсивному перемішуванні, збиванні, ежектування в інших подібних впливах. Однак в даний час найбільш широке практичне застосування отримав метод, заснований на подачі через спеціальні пристрої гарячого бітуму спільно з водяною парою або водою. Мал. 3 Загальна схема робочого органу вспенивателя бітуму При нагріванні вода переходить із стабільного рідкого стану в пароподібний. До складу бітуму входять ПАР; їх роль виконують асфальтогеновие і карбонові кислоти та їх ангідриди. при утворень піни вони як найбільш активні концентруються на поверхні розділу фаз «бітум-газ» за рахунок дифузії їх з глибини бітуму на міжфазну поверхню. Надалі при взаємодій піни зі щебенем або будь-якої іншої поверхнею (старе покриття, кислими і основними кам'яними матеріалами) вони вступають в контакт з нею. Саме завдяки цьому активного шару орієнтованих молекул ПАР спінений бітум володіє більш високою адгезійною активністю в порівнянні зі звичайним бітумом. Технічний ефект від спінювання бітуму аналогічний введенню в нього додатковеих ПАР. До того ж можна використовувати всілякі марки бітуму. Спінений бітум забезпечує екранування асфальтенами (що знаходиться в ньому спочатку і діффундірущімі з глибини бітуму на поверхню розділу фаз «бітум-газ» в процесі піноутворення) мікротріщин і капілярів. Асфальтени екранують капіляри діаметром до 4,010-9 м, що в 10-15 разів перевищує розмір молекул масел і смол входять до складу бітуму. В результаті цього різко зменшується обирає дифузія молекул масел і смол в щебінь. Завдяки цьому ефекту витрата бітуму для обробки кам'яного матеріалу зменшується на 10-20% в порівнянні з витратою його при традиційному методеКроме цього при необхідності застосування води забезпечує умова для використання в якості добавок водорозчинних хімічних реагентів для введення в в'яжучий з метою поліпшення деяких техніко-експлуатаційних параметрів смесіТехнологія спіненого бітуму менш примхлива в порівнянні з методом, коли застосовується бітумна емульсія. До того ж в Казахстані не так часто зустрічаються емульсійні заводи а на територій ВКО зовсім відсутній. Крім цього, емульсії сильно залежні від складу, вологості і температури, в основному багато з них мають короткий термін зберігання і застосування. . Вплив електрогідравлічного ефекту в процесі спінювання бітуму Пропонується технологія приготування асфальтобетонних сумішей, що передбачає вплив електромагнітних полів на бітум в процесі їх спінювання водою, тобто коли в'яжучий є бітумоводогазовую дисперсію, що складається з бітуму, води і насиченого водяного пара.Под впливом змінних електромагнітних полів відбувається енергетичне збудження компонентів в'яжучого на всіх рівнях: атомарному, молекулярному, надмолекулярному. Особливу значущість має диспергування великих асоціативний асфальтенов і смол на більш дрібні з підвищенням їх енергетичного рівня. Необхідною умовою забезпечення ефективності електромагнітного впливу є попереднє підвищення фізико-хімічної активності в'яжучого за коштами диспергирования, наприклад спінювання з перекладом поверхнево-активних складових на міжфазні поверхності.Прі створення розділу фаз бітум - вода-пар ці активні компоненти, завдяки їх високій полярності концентруються на кордонах розділу, що може не тільки покращувати адгезію в'яжучого до мінерального матеріалу, а й перешкоджати дифузії легких фракцій бітуму в лубь мінерального матеріалу. Вплив електромагнітних полів так само викликає електрогідравлічний ефект на бітум.Електрогідравліческій еффектЕлектрогідравліческій ефект - спосіб перетворення електричної енергій в механічну. Сутність цього способу полягаєв тому, що при здійсненні всередині об'єму рідини, спеціально сформованого імпульсного електричного розряду навколо зони його утворення виникають надвисокі гідравлічні тиску, здатні здійснювати корисну механічну роботу і супроводжуються комплексом фізичних і хімічних явищ. Дане явище пропонується для підвищення ефективності спінювання бітума.Любая рідина, що містить розчинені гази (який і є структура спіненого бітуму холодною водою), піддана дії електрогідравлічних ударів, виявляє здатність інтенсивно расчісляется в рідини Таким чином незначна кількість води знаходиться в вспененном бітумі може з більшою ступенем розсіється з нею, що підвищить ступінь диспергування яке в свою чергу позитивно вплине на адгезійні властивості в'яжучого і на ККД пенообразованія.Действующімі факторами електрогідравлічного ефекту є високі і надвисокі імпульсні гідравлічні тиску, що призводять до появи ударних хвиль; значні імпульсні переміщення об'ємів рідини досягають сотень метрів в секунду; потужні імпульсно що виникають кавитационні процеси, здатні охопити відносно великі об'єми рідини. Так, ударні переміщення рідини, що виникають при розвитку і схлопуванні кавітаційних порожнин, здатні з більшою ефективністю вспінювати бітум з доданою водой.Мощние інфра і ультразвукові коливання, які супроводжують електрогідравлічний ефект, додатково диспергируют вже подрібнені матеріали, викликають резонансне руйнування великих об'єктів на окремі кристалічні частинки, здійснюють інтенсивні хімічні процеси синтезу, полімеризації, обриву сорбційних і хімічних зв'язків на поверхні розділу фаз.Д ля здійснення електромагнітної активацій пропонується дана схема. Мал. 4 1 - лектромагнітная котушка; 2 - діамагнітная труба; 3 - теплоізолююча прокладка; 4 - битумопровод; 5 - змішувач; 6 - водяний насос; 7 - бітумна пастка; 6,9 - кран-заглушка; 10 - зворотний клапан; 11 - форсунка; 12 - водопровід Джерелом теплової енергій для пеногенераторов може служити як власний тепловий вузол асфальтного заводу так і окремий нагревающіі агрегат.Виводи: 1. Водостійкість асфальтобетону на спінених бітумах вище, ніж у асфальтобетону отриманоготрадиційним методом .. Спінений бітум володіє зниженою в'язкістю, більш високою питомою поверхнею і внаслідок цього більш рівномірно розподіляється на мінеральній поверхні. Саме в силу цих причин забезпечується можливість зменшення витрат в'яжучого, зниження температури нагріву матеріалів, зменшення тривалості і полегшення виробництва техпроцесов.3. Визначилися сприятливі умови використання добавок, розчинних у воді застосовуваної для вспеніванія.4. Оброблений спіненим бітумом щебінь має підвищену водостійкість. Так, після кип'ятіння обробленого спіненим в'язким щебеню показник його зчеплення з бітумом був на 8-17% вище, ніж у аналогічного щебеню, обробленого бітумом в звичайному станів .. Внаслідок додавання електромагнітної котушки та діамагнітної труби в технологічну лінію спінювання бітуму теоретичний можна отримати наступний ефект : зниження температури нагріву бітуму, підвищення адгезійних показників і стабільності одержуваної піни .. Виявляється необхідність проведення експериментальних досліджень з метою підтвердження т оретіческіх гіпотез і визначення впливу електромагнітної активацій і електрогідравлічного ефекту на ступінь кратності і стабільності спіненого бітуму. Виявлення оптимальних значень напруженості, частоти електромагнітного поля при активацій. В процесі спінювання бітуму знижується його в'язкість, підвищуються рухливість, поверхнева енергія, що забезпечує йому переваги над бітумом, використовуваним в звичайному состояніі.8. Якість бітумних пен залежить від змісту асфальтенів в в'язкому. Кратність в'язких бітумів завжди вище, ніж менш в'язких, при інших рівних умовах.