Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние в области производства резинобитумных композиций для асфальтобетонных покрытий 12
1.1 Характеристика нефтяных битумов как объекта модификации 12
1.2 Полимерные материалы, применяющиеся для модификации нефтяных битумов 17
1.2.1 Физико-химические процессы, протекающие при модификации нефтяного битума полимерными материалами 26
1.2.2 Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов полимерными материалами 32
1.3 Переработка изношенных шин как комплексное решение проблем экологии и повышения качества дорожных покрытий 33
1.3.1 Физико-химические процессы, протекающие при модификации нефтяного битума резиновой крошкой 39
1.3.2 Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов резиновой крошкой 43
1.4 Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования 46
2. Исследование кинетики процесса получения резинобитумных композиций на основе резиновой крошки из изношенных шин 49
2.1 Экспериментальная установка для получения резинобитумных композиций из резиновой крошки 49
2.2 Исследование влияния фракционного состава, скорости вращения рабочих лопастей и времени смешения на физико-механические показатели резинобитумной композиции
2.3 Исследование процесса набухания резиновой крошки в нефтяном дорожном битуме 60
2.3.1 Набухание резиновой крошки из изношенных шин в нефтяном битуме в статическом режиме 62
2.3.2 Исследование процесса набухания резиновой крошки в смесителе периодического действия 64
2.4 Исследование процесса деструкции резиновой крошки в нефтяном битуме 66
2АЛ Термическая деструкция резиновой крошки в нефтяном битуме 66
2.4.2 Исследование процесса деструкции резиновой крошки в нефтяном битуме в смесителе периодического действия 67
2.5 Выводы из главы 2 69
3. Исследование непрерывного процесса модификации нефтяных битумов продуктами переработки изношенных шин 70
3.1 Экспериментальная установка для исследования непрерывного процесса получения резинобитумных композиций 70
3.2 Исследование влияния геометрии рабочих органов смесителя непрерывного действия на качество получаемой резинобитумной композиции 75
3.3 Исследование влияния технологических параметров непрерывного процесса модификации нефтяного битума на физико механические показатели резинобитумной композиции 81
3.4 Исследование влияния стадии предварительного набухания резиновой крошки в битуме на физико-механические показатели композиции 88
3.5 Исследование коэффициента неоднородности резинобитумной композиции, получаемой по непрерывной схеме
3.6 Исследование процесса расслоения резинобитумной композиции... 96
3.7 Выводы из главы 3 98
4. Математическое описание непрерывного процесса получения резинобитумной композиции 99
4.1 Диффузионная модель смесителя непрерывного действия 99
4.2 Определение значения коэффициента продольного
перемешивания в зависимости от скорости вращения рабочих органов 102
4.3 Проверка адекватности математической модели 104
4.4 Определение технологической мощности процесса получения резинобитумной композиции 105
4.5 Определение реологических характеристик резинобитумной композиции 119
4.6 Методика расчета длины и технологической мощности смесителя для получения резинобитумных композиций с заданными физико-механическими показателями 123
4.7 Выводы из гла.вы 4 125
5. Практическое использование результатов исследований 126
5.1 Технологическая схема производства резинобитумной композиции непрерывным способом 126
5.2 Технико-экономическое обоснование непрерывного процесса производства резинобитумной композиции 129
5.3 Исследование качественных показателей асфальтобетонов, полученных на основе резинобитумных композиций 130
5.4 Выводы из главы 5 137
Основные результаты и выводы работы 139
Список используемых источников
- Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов полимерными материалами
- Исследование влияния фракционного состава, скорости вращения рабочих лопастей и времени смешения на физико-механические показатели резинобитумной композиции
- Исследование влияния геометрии рабочих органов смесителя непрерывного действия на качество получаемой резинобитумной композиции
- Методика расчета длины и технологической мощности смесителя для получения резинобитумных композиций с заданными физико-механическими показателями
Введение к работе
Актуальность работы. Выполненная работа направлена на совершенствование процесса получения резинобитумных композиций (РБК), используемых при изготовлении асфальтобетонных покрытий, путем модификации нефтяных дорожных битумов резиновой крошкой (РК), полученной в результате утилизации изношенных автомобильных шин. Это позволит не только улучшить качественные эксплуатационные характеристики нефтяных битумов, но и продвинуться в решении экологического вопроса, связанного с переработкой изношенных шин. В настоящее время в промышленности большинство технологических процессов, направленных на получение полимерных композиций на основе битума, в том числе и резинобитумных, осуществляется, в основном, по периодической схеме, не позволяющей в полном объеме использовать все технологические и физико-механические свойства модификаторов битума. Особенно остро этот вопрос стоит в дорожном строительстве, где нефтяные битумы, в том числе и модифицированные полимерами, используются как связующие при производстве асфальтобетона. Этим процессам присущи следующие основные недостатки: нестабильность физико-механических показателей получаемых смесей в разных партиях вследствие недостаточно полного исследования влияния параметров процесса на качество получаемой композиции; высокая метало- и энергоемкость; невозможность полной механизации и автоматизации процесса; высокая пожаро- и взры-воопасность; невозможность создания экологически чистых производств. Пере-ход на новые прогрессивные технологии позволит устранить многие из этих недостатков, достигнув при этом высокого качества модифицированных битумов.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (код 201. Производственные технологии), 2001 -2004 гг.
Цель работы - исследование кинетики и аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса получения резинобитумных композиций для дорожных покрытий на основе резиновой крошки, образующейся при утилизации изношенных шин. В соответствии с этим в данной работе поставлены и решены следующие задачи:
проведен анализ современного состояния способов модификации нефтяных битумов полимерами и направлений совершенствования технологического оборудования;
исследована кинетика процесса получения резинобитумных композиций на основе резиновой крошки из изношенных шин и предложены пути интенсификации процесса и повышения качества композиции;
разработана экспериментальная установка, реализующая непрерывную технологию получения резинобитумной композиции, исследовано влияние режимных переменных и технологических параметров на качество композиции;
- разработаны новые рабочие органы смесителя непрерывного действия,
позволяющие существенно повысить интенсивность диспергирования резиновой
крошки и качество получаемых композиций*
| РОС. НАЦИОНАЛЬНА* \
I БИЕЛИОТЕКА 1
предложена математическая модель процесса смешения резинобитум-ных композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, проведена ее параметрическая идентификация и проверена ее адекватность физическому процессу в смесителях;
разработана методика расчета конструктивных и энергосиловых параметров смесителя непрерывного действия для получения резинобитумных композиций;
проведена проверка качества асфальтобетонных дорожных покрытий, произведенных на основе получаемых резинобитумных композиций, и подтверждена эффективность предлагаемой непрерывной технологии получения РБК по сравнению с аналогами
Научная новизна работы заключается в следующем:
экспериментально изучена кинетика и механизмы процессов набухания и деструкции резиновой крошки из изношенных шин в нефтяном битуме;
предложен способ получения резинобитумных композиций по непрерывной схеме на базе двухшнекового смесителя;
экспериментально изучена гидродинамика потоков в смесителе и процесс диспергирования резиновой крошки и предложены новьге рабочие органы двухшнекового смесителя - конические насадки - позволяющие интенсифицировать процесс и повысить качество резинобитумной композиции (получен патент РФ № 2247654);
предложена математическая модель процесса смешения резинобитумных композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, позволяющая рассчитывать конструктивные параметры смесителя.
Практическая ценность. Разработана экспериментальная установка -двухшнековый смеситель непрерывного действия со сменными рабочими органами, - позволяющая определять влияние технологических и конструктивных параметров на качество получаемой резинобитумной композиции.
Предложена компоновка рабочих органов двухшнекового смесителя для непрерывного процесса модификации нефтяного битума, позволяющая интенсифицировать процесс диспергирования резиновой крошки в смесителе и повысить эффективность получения резинобитумной композиции.
Предложена методика расчета смесителя непрерывного действия для производства РБК на основе РК из изношенных шин при условии обеспечения заданного качества смешения и мощности, затрачиваемой на смешение.
Предложена непрерывная технологическая схема производства резинобитумной композиции на основе резиновой крошки из изношенных шин, позволяющая интенсифицировать процесс изготовления резинобитумных композиций и повысить их качество, что приводит к возрастанию прочности асфальтобетона на 15...20 %, повышению трещиностойкости на 25 % и морозостойкости на 15 %.
Рекомендации по конструированию и расчету энергосиловых характеристик основного технологического оборудования при производстве резинобитумной композиции непрерывным способом приняты к использованию в ОАО "НИИРТмаш" (г Тамбов). Государственным учреждением "Дирекция строящих-
і'і'..
2 .-., '
.г *
ся автомобильных дорог" (г. Тамбов) рекомендованы к использованию разработанные технология модификации нефтяного дорожного битума резиновой крошкой и технологическое оборудование, которое внедрено в производственный цикл ОАО "Агропромдорстрой" (г. Тамбов). Результаты работы используются при подготовке студентов в ТГТУ (г. Тамбов) по специальности 261201 и магистрантов по программе 150400.26 и внедрены в МУП "МККУ" (г. Мичуринск).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на всероссийских, межрегиональных и международных научных, научно-практических и научно-технических конференциях: "Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений" (Казань, 2001); "Теплофизические измерения в начале XXI века" (Тамбов, 2001); "Наукоемкие химические технологии-2002" (Уфа, 2002); "Инженерная защита окружающей среды" (Москва, 2002); "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий" (Москва-Воронеж-Сочи, 2002); "Природные ресурсы и учение В.И. Вернадского - основа устойчивого развития цивилизации" (Тамбов, 2003); "Проблемы экологии и ресурсосбережения при переработке и восстановлении изношенных шин" (Москва, 2003); "Полимеры в строительстве" (Казань, 2004); "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004); "Наукоемкие химические технологии - 2004" (Волгоград, 2004); "Международная конференция по каучуку и резине" (Москва, 2004); "Рынок шин, РТИ и каучуков: производство, наукоемкие технологии, сбыт" (Москва, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 104 источника, и 3 приложений. Содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, включая 57 рисунков.
Обзор технологического оборудования для модификации нефтяных битумов полимерными материалами
Битумы — твердые или жидкие водонерастворимые смеси углеводов нафтенового (СпН2п) и ароматического (СпН2п-б) рядов и их кислород-, азот-, и серосодержащих производных. Наибольшее распространение получили битумы, производимые при переработке нефти. Свойства битумов в основном зависят от углеводородного состава нефти и способа получения их. В настоящее время наилучшим сырьем для производства битумов являются высокомолекулярные нефтяные остатки, компоненты и побочные продукты, получаемые при переработке высокосмолистых нефтей ароматического основания [1]. Нефтяные битумы представляют собой дисперсные системы, свойства которых в основном обуславливаются природой сырья и технологией получения. Состав нефтяных битумов характеризуется наличием элементов (С, Н, S, О, N) и наличием функциональных групп (ОН—, —СН=СН—, —COOR, —СОО, —СООН).
В большинстве случаев нефтяные битумы содержат 70-85 % углерода, 10-15 % водорода, 5-10 % кислорода, 1-5 % серы, до 1 % азота и незначительное количество некоторых металлов (ванадий, никель, кобальт, железо, уран) в виде сложных комплексов. В состав нефтяных битумов входят следующие группы углеводородов, образующих его соединения: масла, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, парафины. Молекулы всех компонентов нефтяных битумов состоят из структурных фрагментов, имеющих полициклическую конденсированную систему, состоящую из 1 - 3 ароматических или гетероароматических колец (тиофеновое, пирольное или пиридиновое). Полициклическое ядро фрагмента имеет 1 - 2 метальных заместителя и один алкильный заместитель в 4 - 10 атомов углерода. В целом такой фрагмент содержит 30 - 40 атомов углерода и имеет молекулярную массу около 400 13 500 [2]. Масла - представляют собой смесь углеводородов с молекулярной массой 300-500. С повышением содержания масел в битуме снижается его твердость и температура размягчения, увеличиваются текучесть и испаряемость. По химическому строению масла делятся на 3 типа соединений: парафинонафтеновые; моно- и бициклоароматические. В парафинонафтеновые соединения входят наряду с насыщенными углеводородами нормального и изостроения полициклонафтеновые углеводороды, содержащие 4-6 конденсированных нафтеновых колец. Они составляют от 40 до 60 % этой фракции. Моноциклоароматические соединения отличаются от полициклонафтеновых наличием одного ароматического цикла. Бициклоароматические соединения в основе структуры молекулы имеют полициклический фрагмент, в который входят два ароматических кольца. Молекулы этих соединений могут быть моно- и би фрагментарными [2]. В нефтяных битумах в среднем содержится 45-65 % масел. Смолы - состоят из углеводородов с молекулярной массой 600- 800. По химическому составу смолы относятся к высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят углерод, водород, кислород и сера. Большую их часть составляют химически нейтральные вещества, меньшую часть вещества кислотного характера. Молекулы смол - полярные молекулы, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водостойкие пленки. Чем больше содержится смол, тем выше пластичность и растяжимость битумов. Молекулы смол отличаются от молекул соединений масляной части наличием гетерациклов, которые входят в их состав наряду с ароматическими. В состав молекул смол (толуольных и спирто-толуольных) чаще всего входят два фрагмента, каждый из которых содержит ароматические и гетероциклические кольца. Спирто-толуольные смолы, в отличие от толуольных, имеют функциональные кислородосодержащие группы по периферии молекулы [2]. Структура смол может уплотняться под влиянием адсорбентов, нагрева и окисления с образованием асфальтенов. В нефтяных битумах содержится 15-30 % смол. Асфальтены по химическому составу представляют собой смесь насыщенных гетероциклических соединений. По элементарному составу и строению они близки к смолам, но имеют более высокую молекулярную массу 1000 - 5000 и выше. Асфальтены влияют на процессы структурообразования, определяют термостойкость, вязкость и твердость битума. В нефтяных битумах содержится 10-30 % асфальтенов.
Карбены и карбоиды по составу близки к асфальтенам, но содержат больше углерода. В нефтяных битумах встречаются редко в количестве не более 1 %.
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - наиболее полярный компонент нефтяного битума, а следовательно, и наиболее поверхностно активный. Их наличие и содержание определяет интенсивность прилипания битумов к каменным материалам, особенно к карбонатным породам.
Содержание парафинов в нефтяном битуме колеблется от 0,6 до 4-8 %. При содержании парафина более 4 % ухудшаются свойства нефтяных битумов, т.к. сцепление с поверхностью каменных материалов, уменьшается растяжимость, увеличивается хрупкость при отрицательных температурах. Парафины снижают дисперсность асфальтенов и их растворимость в других компонентах битума, что связано с нарушением структуры битума [1]. По строению нефтяные битумы рассматриваются как мицелярные коллоидные растворы. Согласно этому в битуме различают три компонента: лиофобную часть - асфальтены (слабо взаимодействуют с растворителем), окруженную лиофильными защитными телами - смолами, которые интенсивно взаимодействуют с растворителем, которые вместе образуют мицеллы, суспендированные в маслах. Стабильность системы зависит от поверхностного взаимодействия между мицеллами и масляной средой.
Некоторые исследователи считает битум дисперсной системой [43], основу которой составляют частицы, по своему строению похожие на многомерную мицеллу. -Ядро частицы состоит из относительно высокомолекулярных и потому наиболее трудно растворимых асфальтенов, а также карбенов и карбоидов. Во многих случаях оно имеет кристаллическое строение. Вокруг ядра располагаются адсорбированные низкомолекулярные асфальтены, а вокруг последних — смолы, причем на периферии находятся наиболее растворимые вещества этого типа. Молекулы смол связаны между собой за счет полярных (обычно кислород о содержащих групп). Таким образом, мицеллы битума, в отличие от мицелл типичных поверхностно-активных и коллоидных частиц, не имеют резко выраженной поверхности раздела с дисперсионной средой. В этом отношении они напоминают молекулы высокомолекулярных веществ; с последними их роднит и то, что при течении периферический слой частицы может деформироваться. Вязкое масло (точнее, раствор различных низкомолекулярных продуктов превращения углеводородов, а также парафина в масле) образует дисперсионную среду битума. Концентрация частиц велика, и битум относится к концентрированным дисперсным системам. Стабилизаторами дисперсной системы служат смолы. Они не препятствуют образованию структуры системы, но снижают силу связи между частицами. Деформируемость периферического слоя частиц и слабые связи между ними объясняют эластичность и его способность растягиваться. Свойства исходного сырья и технология получения нефтяных битумов оказывает влияние на количественное содержание компонентов битума, что предопределяет его качественные характеристики и реологические свойства. При перегонке с паром или под вакуумом получают битумы, которые обладают в меньшей степени неньютоновскими свойствами, чем битумы, полученные в процессе окисления. При неньютоновском характере течения битум считается материалом типа «гель». Однако при использовании побочных продуктов селективной очистки в производстве битума, а также при компаундировании с другими продуктами степень гелеобразования степень гелеобразования обычно снижается, что уменьшает степень аномалии течения битума [80].
Исследование влияния фракционного состава, скорости вращения рабочих лопастей и времени смешения на физико-механические показатели резинобитумной композиции
Некоторые исследователи [85] выделили следующие процессы, происходящие при взаимодействии резины и битума. При совместной термомеханической обработке происходит набухание резины в масляных фракциях битума, что ослабляет межмолекулярные и молекулярные связи с последующим их разрывом. Разрыв макромолекул вулканизированного каучука происходит по более слабым двойным углеродным связям С=С, характерным при его полимеризации. Образующиеся радикалы вступают в химическое взаимодействие с радикалами асфальтено-смолистой части битума и кислородом воздуха, а также друг с другом. При этом образуется более крупные агрегаты. Замыкание радикалов приводит к образованию пространственной сетки полимера, механически удерживающей всю дисперсную среду в виде иммобилизированных масел, которые проникли в резину при ее набухании. Полученное таким образом вещество принято называть резинобитумным вяжущим. Оно отличается от исходного битума более низкой температурой хрупкости и в случае применения высокомолекулярных каучуков, повышенной температурой размягчения. А.И. Отмечено [15], что частичное набухание и растворение старой регенерированной резины начинается после двухчасового нагрева с непрерывным перемешиванием. О.А. Красновская, основываясь на данных микроструктурного анализа, совмещает регенерат и битум при температуре 200С в течении 0,5 часа. Она также предположила, что добавление старой вулканизированной резины с большим содержанием серы может привести к обратному результату — затвердеванию и значительному повышению хрупкости битума. Длительный прогрев при высоких температурах отрицательно сказывается на свойствах битума.
Резиновая крошка относится к модификаторам нефтяного битума, имеющим трехмерную структуру. При взаимодействии резиновой крошки и битума наблюдается следующая картина. Ароматические углеводороды битума благодаря присутствию в них полярных соединений увеличивают растворимость пластификаторов в резине. В результате образующиеся пустоты заполняются нафтеновыми и парафиновыми углеводородами, которые легко задерживаются в разветвленных молекулах каучуков [51, 52].
В отличие от полимербитумных композитов образование развитой пространственной сетки из частиц резины в РБК не является результирующей термодинамической равновесной стадией структурообразования в материале. Термодинамическим равновесным состоянием для РБК является глобулярная структура, причем глобулы, имеющие диаметр около 80-100 мкм, включают до 100-1000 микрочастиц резиновой крошки диаметром 5-10 мкм. Характер процессов структур ообразования слабо зависит от содержания крошки, различия в котором сказываются на интенсивности процесса механохимической деструкции [66]. Этой же теории придерживаются и зарубежные исследователи.
Частично деструктированная резиновая крошка не растворяется в битумах, а лишь частично набухает в них. При этом наблюдается уменьшение пенетрации и дуктильности битума, и увеличивается температура размягчения. Это связано с поглощением части масляной фракции битума деструктированной поверхностью частиц резиновой крошки [38].
В процессе смешения при высокой температуре происходит увеличение вязкости резинобитумной композиции. Такое увеличение вязкости соответствует фазе набухания частиц резины. При продолжении процесса смешения происходит уменьшение вязкости, которое постепенно замедляется (фаза девулканизации) [76].
В результате термонабухания в резине происходят деструктивные процессы. Оценить интенсивность процесса деструкции в резине можно по величине хлороформенного экстракта [39].
Установлено [65], что степень растворения резины в битуме с повышением концентрации увеличивается. По мере снижения количества свободных активных компонентов битума она уменьшается и с течением времени затухает. Повышение температуры до 215-230 С приводит к резкому росту степени растворения резины в битуме.
Одновременно с процессом деструкции резиновой крошки, полученной путем измельчения изношенных шин, в объем битума из нее диффундируют и вымываются его легкими фракциями противостарители и антиоксиданты, которые замедляют процесс старения битумной основы. В резиновых смесях, применяющихся в шинной промышленности, используются жидкие органические кислоты (применяются для снижения адгезии резины к металлу при вулканизации), производные теллура используются в качестве добавки к вулканизующей группе. Светофильтрующими свойствами обладают фенолы и крезолы, содержащиеся в шинной резине в виде п- оксидифенила и диоксидифенила, н-аминофенола. Фенилнафтиламины защищают резину от теплового старения. Тепловую защиту резны также обеспечивают: кадмиево бариевые мыла жирных кислот (стеараты и др.), пентаэритрит, пентаэритритовые эфиры насыщенных жирных кислот, полимерные вторичные ариламины. Эффективными стабилизаторами, содержащиеся в шинной резине, являются эфиры фосфорной кислоты. Дезактиваторами УФ излучения в шинных резинах являются 2,4-диоксибензофенон, фенил салицилат, 2-окси-4-алкилоксибензофеноны. Противоозоносторителями, содержащимися в шинных резинах являются воски, церезины и парафины, обеспечивающие физическую защиту путем образования пленок; химическую защиту обеспечивают п-фенилендиамин и хинолин [46].
Исследование влияния геометрии рабочих органов смесителя непрерывного действия на качество получаемой резинобитумной композиции
Любой композиционный материал на основе нефтяного битума, а тем более, представляющий собой не истинный раствор, склонен к расслоению. Процесс расслоения резинобитумной композиции идет, когда битум находится в разогретом состоянии. Это связано, в первую очередь, с тем, что резиновая крошка в структуре битума не образует надмолекулярных связей. Она создает агломераты, но только между частицами резины. Процесс расслоения будет оказывать влияние на технологии производства резинобитумной композиции, т.к. длительное хранение при температуре такой композиции без перемешивания становится невозможным.
В связи с вышеизложенным становится очевидным необходимость исследовать процесс расслоения резинобитумной композиции в зависимости от концентрации резиновой крошки.
Оценку расслоения резинобитумной композиции проводили после выдержки композиции в термошкафу при постоянной температуре 160 С и времени выдержки 8 часов путем определения концентрации резиновой крошки в пробе, взятой с поверхности образца, и сравнения ее с концентрацией резиновой крошки в пробе, взятой в нижней части образца, в %. Расстояние отбора проб постоянно.
Исследование процесса расслоения резинобитумной композиции проводили на композициях, получаемых из резиновой крошки фракции 1-0,8 мм и частоте вращения роторов 50 об/мин. 1. Исследовано влияние различных типов рабочих органов смесителя непрерывного действия на качество получаемой РБК. 2. Предложена новая конструкция рабочих органов - конические насадки, позволяющие интенсифицировать процесс диспергирования резиновой крошки и повысить эффективность получения резинобитумных композиций за счет создания переменного фрикционного воздействия на перерабатываемый материал при его движении, 3. Предложена компоновка рабочих органов смесителя, включающая в себя: червяные подающие и обратные насадки, смесительные калачки, конические валковые насадки, выполненные за одно целое с шестернями. 4. Исследовано влияние технологических параметров на качество резинобитумной композиции и выявлены их рациональные значения для обеспечения качественных показателей РБК при ее минимальной себестоимости. 5. Исследована возможность использования стадии предварительного набухания резиновой крошки в нефтяном дорожном битуме. Экспериментально обосновано, что выделение стадии предварительного набухания не приводит к значительному повышению качества РБК. 6. Проведено исследование процесса расслоения резинобитумных композиций и даны рекомендации по организации технологического процесса с целью его исключения.
В случае, когда гидродинамика аппарата сложна и не поддается разделению на отдельные потоки, а также невозможно определить время пребывания частиц в зонах с различной интенсивностью деформации (при использовании смесительных элементов с различной геометрией), удобно воспользоваться диффузионной моделью аппарата. Данная модель характеризует кинетику процесса смешения в аппарате, в основу, которой положен диффузионный механизм перераспределения частиц в рабочем объеме смесителя. Основное уравнение диффузионной модели можно записать в виде [92, 95]:
Величина 0 является безразмерным временем и определяется исходя из следующего соотношения: 0 = — , где т - среднее время пребывания материала в смесителе. Решение (4.6) дает удовлетворительные результаты в области 0 0,01 и Ре 10 Величина Ре (критерий Пекле) характеризует качество смешения на выходе из смесителя и определяется по формуле: Ре = . Коэффициент продольного перемешивания DL является величиной, учитывающей суммарное перемешивание за счет сдвиговых деформаций, различных перетоков, смешения отдельных потоков при их пересечении и т.д. Коэффициент продольного перемешивания находится экспериментальным путем по кривой распределения времени пребывания [89, 90].
Функция С(0) фактически характеризует однородность получаемой композиции. Зная изменение параметра однородности резинобитумной композиции при определенных гидродинамических режимах переработки, которые характеризуются частотой вращения роторов смесителя и геометрией рабочих органов смесителя по длине смесителя можно, определить расчетным путем из выражения (4.6) оптимальную длину роторов смесителя, с такой же геометрией и при тех же условиях, на которой будет достигаться необходимая однородность резинобитумной композиции. Длина роторов смесителя при этом определяется из величины числа Ре.
Определение значения коэффициента продольного перемешивания в зависимости от скорости вращения рабочих органов
Для оценки коэффициента продольного перемешивания DL был использован метод реакции на возмущение в виде дельта - функции при вводе трассера [93]. Параметр, однозначно описывающий осевое смешение, является комплекс — - - безразмерный параметр реактора. Этот комплекс находится из С - кривой отклика на возмущение в виде дельта функции. В качестве трассера в среде нефтяного битума использовалась резиновая крошка фракции 1-0,8 мм. Отбор проб производился через равные промежутки времени, начиная с момента подачи трассера. Пробы отбирались на выходе из смесителя и в различных точках по длине смесителя. Анализ концентрации трассера в пробах производился весовым методом после его отмывки нефрасом и сушки до постоянной массы. Коэффициент продольного перемешивания определяли для оптимальной геометрии рабочих роторов смесителя.
Характер изменения концентрации частиц резиновой крошки в потоке нефтяного битума на выходе из двухшнекового смесителя при импульсном возмущении потока на входе представлены на рисунке 4.2 для разных частот вращения роторов.
Методика расчета длины и технологической мощности смесителя для получения резинобитумных композиций с заданными физико-механическими показателями
Разработанная резинобитумная композиция применяется в дорожном строительстве в качестве связующего асфальтобетонных покрытий. От свойств резинобитумной композиции будут зависеть долговечность и качество асфальтобетона. Улучшение основных физико-механических показателей дорожного вяжущего - резинобитумных композиций, проверяются косвенными методами. Для повышения достоверности полученных данных о целесообразности использования РБК в дорожном строительстве необходимо исследовать свойства асфальтобетонных покрытий на основе полученного резинобитумного вяжущего и сравнить их с качественными показателями асфальтобетона, полученного на основе немодифицированного нефтяного битума.
Физико-механические испытания асфальтобетонов проводились согласно ГОСТ 12801-98 «Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний», а проверку свойств — согласно ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» и ТУ 5718-043-01393697-00 «Смеси асфальтобетонные горячие и асфальтобетон с применением шлакового песка новолипецкого металлургического комбината».
На основе ГОСТ 9128-97, ТУ 5718-043-01393697-00 для проведения исследований было выбрано содержание битума в асфальтобетонной смеси 6, 7, 8 и 9 %, по массе. (Заметим, что в производственной практике содержание битума в асфальтобетонных смесях доводят до 10-12%, что удорожает асфальтобетон, а необходимых качественных показателей достичь не удается.)
В исследованиях для производства асфальтобетонных образцов были выбраны четыре типа органических вяжущих: - БНД 60/90 - исходный модифицированный битум (все резинобитумные композиции были получены на его основе); резинобитумная композиция с содержанием 3% резиновой крошки размером 1-0,8мм; - резинобитумная композиция с содержанием 6% резиновой крошки размером 1-0,8 мм, полученная при частоте вращения роторов 50 об/мин (композиция была признана оптимальной, удовлетворяющей требованиям рекомендациям РОСАВТОДОР [100] и экономическим показателям, таким как цена резиновой крошки и энергозатраты на единицу продукции); - резинобитумная композиция с содержанием 9% резиновой крошки фракции 1-0,8 мм,
Исследовались асфальтобетонные смеси с различным содержанием вяжущего, что позволило выбрать рациональное содержание вяжущего в асфальтобетоне.
Асфальтобетонные смеси марки Б готовились по ГОСТ 12801-98. Марка асфальтобетонных смесей была выбрана самой распространенной в Центральном федеральном округе.
Асфальтобетонную смесь для образцов готовили согласно ГОСТ 12801-98. В нагретый каменный материал подавали вяжущее при температуре 140-160 С при непрерывном перемешивании. Из приготовленного таким образом асфальтобетона формовали стандартные образцы цилиндрической формы. На каждую точку качественной характеристики асфальтобетона изготавливали не менее 6 образцов.
Основными физико-механическими показателями асфальтобетонов, подлежащими проверке являются: прочность при 20 С, прочность при 50 С, показатели водонасыщения, водостойкости, трещиностойкости. Для оценки возможности работы асфальтобетонов в области отрицательных температур дополнительно определяли показатель морозостойкости.
На рис. 5.3-5.9 В качестве примера приведены зависимости изменения физико-механических свойств асфальтобетонов от содержания вяжущего в асфальтобетонной смеси.
Показатель прочности при 20С позволяет оценить предел разрушения покрытия при средней рабочей температуре в теплое время года. Зависимость изменения предела разрушения при 20С от содержания вяжущего в асфальтобетонной смеси приведена на рис. 5.3.
Показатель прочности при 50 С даёт представление о поведении асфальтовых покрытий при высоких температурах. На рис. 5.4 представлено изменение показателя прочности покрытия после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 50 С в зависимости от содержания вяжущего,
При определении водонасыщения асфальтобетонных образцов определяется количество воды, поглощенное образцом при заданном режиме насыщения. Данный показатель характеризует пористость асфальтобетона. Зависимость параметра водонасыщения от содержания вяжущего в асфальтобетоне представлена на рис. 5.5.
Измеряя прочность после водонасыщения возможно оценить потерю первоначальных свойств асфальтобетоном после водонасыщения (рис. 5.6). Для более полного изучения свойств асфальтобетона после водонасыщения необходимо измерить коэффициент водостойкости, который показывает потерю прочности асфальтобетоном после водонасыщения (рис. 5.7).
Показатель трещиностойкости характеризует способность асфальтобетона сопротивляться появлению трещин в слое асфальтобетона под действием нагрузки. Зависимость параметра трещиностойкости от содержания вяжущего в асфальтобетоне представлена на рис. 5.8.
При определении показателя морозостойкости необходимо оценить потери прочности при сжатии предварительно водонасыщенных образцов после воздействия на них установленного числа циклов замораживания — оттаивания. Перед испытанием на морозостойкость образцы насыщали водой. Водонасыщенные образцы асфальтобетона загружали в морозильную камеру, где поддерживалась температура минус 18±2 С. Образцы выдерживались в течении 4 ч. при постоянной температуре. Оттаивание образцов после их выгрузки из морозильной камеры проводят в течение 4 ч в ванне с водой при температуре 18±2 С. Для каждого образца проводились 5 циклов замораживания - оттаивания. После установленного числа циклов замораживания - оттаивания образцы выдерживали в течение 2 ч в воде при температуре 20±2 С, а затем проверяли на прочность. Изменение прочности по отношению к прочности асфальтобетона при 20 С дает показатель морозостойкости. Зависимость показателя морозостойкости от содержания вяжущего в асфальтобетоне представлена на рис. 5.9.
Похожие диссертации на Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса получения резинобитумных композиций
