автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Гидродинамический способ производства битума и свойства асфальтобетона с его использованием

г и

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ,¿5» МАЛИ'

АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ Т т~~ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

рго од

На правах рукописи

3

ПОЛЯКОВА Светлана Владленовна

ШГОДйЙШЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БИТУМА И СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертанта на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1Э94

J

Работа выполнена на кафедре "Дорожно-строительные материалы" Московского государственного автэмобильно-дорожкого института / технический университет /.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор И.В.Королёв];

доктор технических наук, профессор Н.В.Горелытев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.А.Семенов;

кандидат технических наук Л.М.Гохман

Ведушая организация - РОСДОРШИ.

, Защита состоится 1994 г.

в у / часов на заседании специализированного совета К 053.30.13 ВАК России при Московском государственном автомобильно-дорогном институте /технический университет/ по адресу:

125829, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, аудитория1 42.

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке института.

Автореферат разослан " 1994 г.

Отзывы просик представлять в двух экземпгарах с подписью, заверенной печатыз.

Телефон для справок 155-08-60.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, А/ю В ■

доцент К-^^фЦЦ Л. Л.Бессонова

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш огботн. В настоящее время больную часть нефтяных битумов, используешх в дорсггом строктелъ-стве, получают путем скислснкя нефтяного сырья. Процесс окисления характеризуется большой продолзителыюстьэ и зна?~ чителъными энергетическими затратна. Поэтому возникает необходимость интенсификации процесса окисления с одновременным повышением качества лолучаешх- дорожнкхг бнтуков.

Анализ отечественного и зарубежного опита показал, что ускорение процесса окисления содновременным повышением качества битумов может быть достигнуто, за счет оптимизации режимоз окисления, введения в окисляемое сырье хорректлсую-язос добавок - активаторов, поверкноотно-активных ветеств.

Потребность в дальнейшем совершенствовании производства дорокных битумов вызывает необходимость создания новях окислительных аппаратов, физической основой которых является раскрытие внутренних потенциальных возможностей нефтяного сырья и повышение качества пол/чаемых битумов.

Целью диссертационной работы является обоснование интенсификации процесса окисления гудрона з режиме гидродинамической кавитационпой обработке и получение дорожного битума, обладающего высокой адгезией, к минеральным материалам как основного, так и кислого характера.

Объектом исследования является процесс окисления гудрона.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработанный гидродинамический навигационный способ" окисления гудрона пригоден для получения дородных битумов / ранение заиицено а. с. № 5054099/34, получен патент 52000311/;

установлены закономерности изменения физико-механических свойств битугз в зависимости от ражплоз окисления гудрона' при кахстацпонком еоздсйствяи;

пред лонено обоснование механизма воздействия кавитацион-ной обработки на оньеляемсе езгрье и даны представления о структуре батута, полученного в процессе окисления;

установлено качественное изменение группового состава битумов, огвсленннх в режиме кавитации, по сравнению с битумами, подученными обычным способом окисления;

получены сравнительные физико-механические показатели битумов, окисленных по предлагаемому и традиционному спосо-* бам; _

установлена возможность повышения водостойкости асфальтобетона на основе битума, окисленного в режиме•гидродинамической кавитации.

Практическая ценность ценность работы заключается в возможности получения дорожного битума, требуемого качества гидродинамгческим кавитационным бескомпрессорным способом.,

позволяшщи проводить окисление гудрона в уело- ^ виях низких температур / 180...200^0 / с достаточно высокой произБодитаЕьностьл, что доказано з производственных условиях.

Битум, полученный окислением в режиме гидродинамической -кавитации, отличается повышенной адгезией к кислым минеральным материалам и отвечает требованиям ГОСТ 22245-90.

Реализация работы. Разработаны "Практические рекомендации по производству битума с использованием режима гидродинамической кавитации", на основе которых на комбинате строительных материалов и констругдий / КСМК-3 / Алматыпромстроя смонтирована промышленная локальная окислительная установка и выпушена опытная партия дорожного битума.

Апообан^я работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации местных автомобильных дорог" / Минск, 1992 г. /.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано три печатных работы, получено одно авторское сви- • детельство на изобретение.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, обших выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 209 страниц машинописного текста, 25.таблиц, 36 рисунков, список литературы из . 149 наименований. 2

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложено обоснование актуальности темы и об-дая характеристика работы.

. В первой главэ рассматривается состояние вопроса и формулируются задачи исследования, проведен анализ современных представлений о химическом составе, структуре и свойствах нзф-тлннх битуиов, которые базируется на результатах многолетних исследований П.А.Рёбиндера, Л.Г.Гуревича, Н.йЛерножукова, . А.СЛСолбановско»', Ю.В.Пстэтновой, Р.Б.Гуна, С.Р.Сергиенко, Д.'А. Розентатя, З.И.Сюняева, И.М.Руденской,.К.ВЛЬролэзя г-других-.

Решащее значение на сьойства битумов д соответственно на тип дисперсной структуры последних оказывай? природа с.сислле--1.;ого сырья и технология их производства.

Гяава посвядзна критическому рассмотрении современных способоз.производства.окисленных битужзв: окаслензп з кубовых установках, реакторах, колоннах с принудительной подачей воздуха. Особое месте занимает рассмотрение возможности окисления гудрона бескошрессорным способом и получение дорояннх битумов из различного вала сырья. . . - . ... ..

Прозгденный анализ существующих, способна, окисления гуд-. , ронов в битуми.показал, что необходим) дальнейшее совершенствование технологий'производства дорожных, .битумов, гозвагстщих интенсифицировать процесс. окисления при сохранении требуемого комплекса физико-механических показателей получаемого продукта.

Изучением этих ванных проблем занимались Р.Б.Гун, М.Н. Провинтеез, А.Н.Бодан, И.Б.Груднихов, В.В.Фрязинов., Р.С.Ахме-това, В.А.Семенов и другие.

Вторая г лат* а диссертационной работы посвящена рассмотрению общих предпосылок интенсификации процесса окисления.

Интенсификация процесса производства окисленных блтужш достигается путем регулирования фазовых переходов нефтяных дисперсных систем, воздействием на них внешних факторов: варьированием температуры процесса, компаундированием исходного сырья; ввздэниеи ПАВ ; воздействием внешних физических факторов.

Г

В наетаяцем исследовании предложено использовать для интенсификация химических процессов окисления, протекающих при -контактировании газа с жидкостью, ту огромную мекфазную поверх-кость и ее неирзрывЕоз" обновление, которое создается в резуль- ■ ■ тате .гндродиЕмичвской кавитации. По эффекту воздействия.гидро-диналшческая кавстационная обработка не уступает ультразвуковой и. электромагнитной. ч

. Интенсификация технологических процессов в казитацдонных аппаратах происходит благодаря наложению на обычные, процессы., смешения, эмульгирования, диспергирования, гомогенизации кази-тационно-куцративного воздействия от охлопывания микропузырьков.

Общие сведения о кг.зитадаонном.. эффекте позволяют объяснить механиаи .действия.кавитавди в процессе окисления гудрона.

Предполагается, что Ексокая энергия, выделяемая при кави-тационном воздействии, не только .улучшает массообмен,юи способствует более тонкому диспергированию воздуха при окислении, за. счет высокой скорости потока жидкости. Одновременно в результате воздействзя энергии ударной волны, возникающей от охлопывания микропузярьков, происходит многократное силовое воздействие ■• на пузырек воздуха. Результатом этого воздействия, является тонкое диспергярсванЕе зоздуха в окисляемой жидкости. Высока! . удельная поверхность воздуха, подаваемого на окирленпе является одной из основных причин, обеспечивающих высЬкую скорость окисления .

Другой пртчшой интенсификации процесса является переход дисперсной системы в активное состояние под действием кавитации. Импульс давления, возникающий от -охлопывания мпкропузырьков, разрушает мезашекулярные связи, энергия которых сравнима или меньше энергня кавитационного воздействия. Это должно привести к изменению структуры битумов.

■При проведении исследований автор исходит из гипотезы, что гидродинамическая кавитационн&ч обработка окисляемого гудрона позволяем сузкственно.. повысить адгезионные. свойства битумов. Потенциальный, резерв адгезионных, -свойств-.асфальтенов реализуется недостаточно, так как функциональные группы, парамагнитные центры /свободные радикалы/ экранированы сольватной оболочкой. 4

Экранирование активных центрсЕ происходит также птп ассоциировании, асфальтенов. Для того, чтобы освободить актлзше центры, ответственные за адгезии с минеральными материалам, необходимо уменьшить. толщину сольватной пболо.чки_и раз рулить асфальт-зпсвые комплексы.. Казптагщоннкй рении окисления битумов позволяет вы-, полнить эти условия, тем самым существенно улучшить показатель сцэплзния полученного битума с кислыми минеральным материалами.

В трятьой главе приведены результаты лабораторных исследований; выявлено влияние на интенсивность .окисления, свойства битумов такта параметров процесса,как температура окисления,., расход воздуха и время окисления. Изучены фйзпко-мэх&нические. свойства асфальтобетона на основе битумов, окисленных во предлагаемому способу.

Для изучения возмояноста окисления гудрона в битум при гидродинамической.кавитациогаой обработке гудрона .был разработан .и. изготовлен" статический лроточно-казиташоннзй аппарат. Он представляет собой кавитационяую трубу замкнутого тша с горизонтально .расположенным рабочим участком. Принципиальная схема аппарата представлена на рис.Д. Аппарат состоит из куба 1, рециркуляционного контура 11 , в верхней части которого рас-полонен.рабочий участок и системы для обработки отходящих пара и газов. .. '

. Куй представляет собой герметичную теплоизолированную емкость. Подогрев гудрона в кубе осуществляется ТЭНахи 2. Куб I снабжен регулятором температуры 3. Съемная крышка куба имеет газоотводную трубку 4.

Рабочий участок включает конфузор 5, проточную камеру 6, . диффузор 7 и кавитатор Б. Кавитатор закреплен на залом штоке 9. Шток имеет винтовую нарезку, с помощью которой регулируется положение кавитатора на рабочем участке с целью создания необходимого режима кавитации.

Изменяя полокение кавитатора,можно пройти все режимы: от безкгвитационного до суперкаватапионного. Сдно из зтих положений будет оптимальным по кавитационнокгу воздействзо для данной гдкой среды.

Энергия, необходимая для возбуждения кавитация, подается в

Рис. 1. Схема лабораторной проточно-кавитационной окислительной установки

1 ~ куб, 2 - ТЭНы, 3 - регулятор тешературы,. 4 - газоотводная труба, 5 - конфузор, 6.- проточная камера, 7 - диффузор, 8 - кавитатор, . 9 - полый шток, 10 - насос, 11 - рециркуляционный контур, 12 - вентиль, 13 - кран, 14 - реометр, 15 - испаритель-, 16 - холодильник, 17 - сепаратор

рабочий участок скоростним готоком жидкости. Для этой цеди - : • служит, шестеренчатый насос 10. Он вмонтирован .е репиркугящюн- _ ннй контур 11 . Рециркуляционный контур снабжен запорннч вентилем 12. и краном для отбора проб 1-3. Объем поглощаемого воздуха фиксируется реометром 14.

Принцип работы лабораторной установки следухкий. Сырье помецаит в куб 1, нагревают до необходимой температуры, открывает вентиль 12, включают насос 10, создавая циркуляции потока жидкой среды в контуре. Перемещая кавитатор, изненяют степень. -стеснения потока и режим обтекания кавитатора. На рабочем участке происходит гидродинамическое кавитационное воздействге на гудрон, в результате которого за к агитатором образуется пульси-рушая каверна. Патость каЕернн связана с атмосферой через входное отверстие в штоке. Каверна наполнена вакуумом. За счет разности давлений атмосферного а в каверне происходит- сакогжекти-рование воздуха в казерну, а затем в окисляемое сырье.

В результате высокой скорости потока жидкой среды,. создаваемой в рециркуляционном контуре насосом, в сырье происходит диспергирование воздуха. Одновременно в зоне пониженного давления за казитатором формируется пульсирутсая каверна,.которая., замыкается на некотором расстоянии от обтекаемого потонад-кави-татора. .В хвостовой части каверны образуется поле, кавлтапионных микропузырьков. Млкропузкрьки,. попадая в зону повызенного давления, схлоппваотся с образованием кумулятивных струек. Давление в точке охлопывания может достигать 10^ Г,Иг. При схлопнванлз происходит проникание микроструйки в пузырек воздуха. Результатом этого воздействия является тош:ое диспергирование воздуха в жидкой среде.

Геометрические размеры и форма кавитатора подобрана такими, при которых образуется гаксимальное количество михрэпузырь-ков в хвостозой части каверны.

.■-*" Для предотвращения возможной кавитации у стенок рабочего участка конструкция кавитациокного узла расчитана тахин образом, что охлопывание микропузырьков происходит в скоростном потоке .. жидкостп. Конфигурация конфуз ора 5 должна иметь вид плазной кривой. Как показывает опыт, наиболее приемлемой огибаащей конфузо-4 ра является синусокда.-Она обеспечивает минимальный пих разрешения.

В качестве окисляемого сырья использовали гудрон усть-.. балыкской нефш западного направления с температурой размягчения - 20°С в условной.вязкостью при 80°С - 38 е..

При изучыши процесса окисления гудрона в битум в режиме гидродинамической кавитации варьировали технологические пара- ... метры окисленга: температуру, расход воздуха, продолжительность процесса. Тешвратура окисления соответствовала 160, 180, 200 и 230°С, удельный расход воздуха составлял 1,5 и 3,0 л/шн на 1 кг сырья. Дез сравнения при аналогичных режимах* окисление гудрона проводили традиционным способом с принудительной подачей воздуха через маточник. Температура окисления соответствовала 200, 230°С, расход воздуха - 1,5 и 3,0 л/мин на 1 кг сырья.

Кинетику окисления оценивали. по изменению температуры размягчения от. продолжительности процесса. Полученные данные представлены..ва-~рис. 2. ..3. ' .

Анализ кинетических кривых показывает, что. процесс, окисления в режиме кавитации протекает интенсивнее по.сравнению, с традиционным способом. Так. окисление гудрона при температуре 200, 230°С и расходе воздуха 1,5 л/мин ка 1кг сырья /рис.2/ традиционным способом дает среднее повшение температуры размягчекю соответственно . 1,4 и. 3,5°С/ч,_а лри .кавита-ционной обработке - в среднем 9,4°С/ч. Скорость процесса су- . пественно увеличивается. Аналогичная зависимость наблюдается и при расходе воздуха 3,0 л/шн на 1 кг сырья /рис.3/.

Скорость окисления гудрона в режиме гидродинамической кавитации зависит от температуры процесса. При 160°С /рис. 2 / среднее повышение температуры размягчения продукта составляет 5°С/ч, а при 1Я0°С - 7 °С/ч. Повышение температуры .от 200 до 230°С незначительно изменяет скорость реакции. •

Следует заметить, что если при 180, 200 и 230°С и при расходах воздуха 1,5 и 3,0 л/мин-кг скорости процесса окисления практически не отличаются, то при 160°С увеличение расхода воздуха приводит к ускорению окисления/ рис.3 /. Средняя, величина повышения температуры размягчения составляет 7°С/ч, что в 1,7 раз вше, чем при расходе воздуха 1,5л/мин-кг.

В процессе исследования было изучено такие изменение условной вязкостг и пенетрации окисляемого гудрона в зависимости от продолжиетльности окисления / рис.4 /. 8

окисления гудрона. Расход воздуха -1,5 л/мин на 1кг сырья Температура окисления, °С: 1 - 230 , 2 -200 , 3 - 160 , 4 - 1С0;

5 - 230 , 6 - 200

--- раним гидродинамической кавитащп,

--- - обычный способ окисления / в кубе /

Кии, °С

60

50

40

30 20 10

- 1 2 ъ г 3 4 > 5 N ч -

i г И * '6 ч

г ч IV —'

п —

*** _

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 Т,ч

Рис. 3. Изменение температуры размягчения продукта от времени

окисления гудрона. Расход воздуха - 3,0 л/глин на 1кг сырья

температура окисления,°С: 1 - 230, 2 - 200, 3 - 1Е0, 4 - 160;

5 - 230 , 6 - 200

- - режим гидродинамической кавитации,

--- - обычгай способ окисления / в кубе / 9

230 \ мГ ^181 )°С 160е С 2, / о°с ч У ✓ / '200' Ч 'с

\1| / * / V \ / \ \

/ г * \ \ \ \

у \ \ \ ч. \ -- \

¿V; \ ч. \ ч \

\ \ \ ч

\

25 :0,1ш

280 240

2)0

160

12С

80

1 2 3.4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Т,ч . продолжительность-окисления, ч

о /

2с 3.2С э°с 0°С 230' Зп о л 00°(

>/ш С » / / 1 к V * / л \

А / V / 1 \ ч \

г* /у л \ ч ч

/У \ ч ч ч ч

к. 'ч * ч ч

: N

%

хОДмм 280 240 200 160 120

1-2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Т,ч ПРОДРШТЕЛЬН(ОТОКИаШШ, ч

Рис- 4. Зависимость условной вязкости и пекстрации при 25°С

окисляемого продукта от продолжительности процесса окисления

Расход воздуха, л/мин на 1кг сырья: а - 1,5;

6 - 3,0

:--реяим гидродинамической кавитации,

--- - обычный способ окисления / в кубе /

начальной стадии окисления гудрона в режиме гидродинамической кавитации при расходе 1,5л/мин.кг /рис.4,а/ наблюдается индукционный период, который уменьшается с повшением температуры окисления: при температуре 160°С он составляет около 3 ч, при 180°С - около 2 ч, а при 200°С практически отсутствует. Затем происходит резкое нарастание вязкости/Г^./• Причем скорости набора вязкости при различных температурах практически одинаковы, а кинетическая кривая окисления при 160t • сдвинута, в .сторону дозышения продолжительности процесса.

.С увеличением расхода воздуха до З.Сл/мен-кг / рис.4,б/ индукционного периода не наблюдается. Скорость окисления при 180 , 200 , 230°С практически не увеличилась, а щи 16Э°С увеличение расхода воздуха позволит к ускорению процесса окисления.

..Б'ио изучено влияние технологии окисления на трупЦоЕОй состав битума на различите стадиях окисления /табл.1/. Анализ полученных данных показывает, что парафино-нафтенонне соединения практически не участвуют в реакции.

Для битумов, приготовленных разными способами, с пенетрацией при 25°С /П05/ - 300, сумма юс ел и смол одинакова. Сумма масел для битутла с пенетрацией цри 25°С /П25/ - 42, полученного в режиме кавитации, на 7,7S масс^ меньше, чем для битума, с, той же пенетрацией,.окисленного обычным способом. Сумма смол для битумов, окисленных разными способами практически одинакова. Количество асфальтенсв в битумах, полученных окислением в режиме кавитации, существенно увеличивается.

Таким образом, гидродинамическая обработка не только .. ускоряет химические превращения, по и приводит к качественному изменению группового состава окисленного битука.

Фтзикс-мехаигческие показатели окисленных битумов удовлетворяют нормативным требованиям для соответствугаих каро.-: битумов /табл.2/.

Следует отмстить, что расход воздуха практически не влияет на температуру размягчения, а с уменьшением теигературы процесса наблкздгется тенденция к повышению теплостойкости битума. Технологические режимы /температура, расход воздуха/

Таблица 1.

Групповой состав битумов, полученных окислением гудрона

Наименование продукта, пенетрация/Лц/ Углеводороды Смолы Асфаль-тены

.ПН МЦ ВЦ Щ 1 1 Сумма ' масел ГО СБ Суша смол

ГУДРОН 13,13 16,04 20,56 10,21 59,94 10,25 15,49 25,74 10,55

Битум, полученный на ГДУ*: П?5-300 П25'42 13,29 14,70 21,17 4,05 13,95 11,45 17,39 2,76 53,21 45,55 9,32 20,23 10,07 18,90 29,55 • 28,97 14,84 24,16

Битум, полученный окислением в кубе: П25- 295 П25- 41 12,77 13,29 20,63 6,51 13,53 12,65 20,87 6,15 53,10 53,22 12,23 17,, 35 12,63 14,66 29,58 27,29 11,60 19,93

Примечание: гидродинамическая устаноЬка

Таблица 2.

Физико - механические свойства битума марки БНД 60 / 90

N Глубина Температура Изменение Изменение Растяжимость Темпе- Индекс Сцепление

п/п проникания раэмлгчэния температуры массы при , см ратура пзне- с

иглы 0,1мм по кольцу и размягчения после про- хруп- тра-

при * С шару, *С после про- грева, кости, цш1 мра- пес-

грева, "С У. мае 25* С 0*С "С мором ком

'25 0 ■

1. 66 за . 60 4,0 1.6 61,0 4,0 - 18 + 1,5 N 1 N 2

2. 60 37 57 4,0 1,2 66,0 3,6 - 16 + 0,9 N 1 N 2

3. 64 35 55 4,0 1,5 64,0 3,0 - 16 + 0,44 N 1 М 1

4. 60 34 55 4,0 1,7 68,0 3,0 - 16 + 0,4 М 1 Н 2

■5. 64 32 ' 48 3,0 1.4 68,0 4,5 - 17 - 1,14 N 1 ■ N 1

6, 66 "30 .52 3,0 1.4 70,0 5,0 - 18 - 0,10 М 1- N 1

Требования ГОСТ 22245-90

61- 20 не менее не более - не менее не вше от И,0 -

-90 47 5,0 65,0 3,5 - 15 до -1,0

Контрольный битум марки БНД 60 / 90

60 28 49 6,0 1.8 57,0 6,2 - 15 - 0,3 N 2 Н 3

не оказывав? существенного влияния на температуру хрупкости. Однако во всех случаях она .оказалась ниге. температуры хрупкости битума, полученного традиционным способом окисления в кубе. Значения пенетрации при 0°С для битумов, окисленных в реяиме кавитации оказались выше, чем для контрольных образцов.

Изменение температуры размягчения после прогрева, харак-теригущее старение битума, удовлетворяет требовакьям' ГОСТ 22245-90, а их абсолютные величины соизмеримы дай битумов, полученных традиционным способом.

Кавитационный реким окисления гудрона способствует формирование адгезионных связей как с основными, так и с. кислыми породами /табл.2/. Вероятие? всего отЕетствеЕныма за высокую степень адгезии битума с кислыми породами являются освобожденные, а также генерируемые свободные радисты. Ы атом косвенно свидетельствует факт ухудшения сцепления окисленного битума с кислым Вольским песком при вздергивании битума в

течение трзх часов после завершения окисления /табл.3/. ■

Таблица' 3.

Сцепление битума с Вольским песком в зависимости от продолжительности выдержки битума

Время Бвдерзки. битума, ч 0 0,25 1,0 2,0 .3,0 4,0 24,0

Сцепление с песком / по образцу / ' Щ' ¡11 Ж И И • &2 аз ■

В работе были изучены физико-механические показатели асфальтобетонов, приготовленных на окисленных битумах, полученных разными способами.

По теоретически,! положениям И.В.Королева, Л.М.Гохгана для повышения физико-механических показателей асфальтобетона можно уменьшить толщину битумной пленки, что приведет к повышению качества асфальтобетонных покрытий. Уменьшение толпшны зхленки.достигается за счет изменения консистенции'битума путем .повышения температуры; введения пластификаторов и ПАВ, компаундирования битума. При. действии указанных факторов происходит перераспределение углеводородов мсаду дисперсной фазой и-дисперсионной средой за счет изменения геометрических раз-- .. меров частиц дисперсной 4азы. 14 .

По нашему мнению, битумы, полученные в режяме гидродинамической кавитации отличаются высокой степенью дисперсности частиц дисперсной фазы и при объединении с минеральными материалами обеспечивает образование оптимальной толщины пленки на поверхности контакта. , .

Еа окисленных битумах бшш приготовлены асфальтобетонные смеси с использованием основных и гранитных минеральных мате-., риалов. Для сравнения изучены свойства асфальтобетона, на контрольном битуме. Физико-механичэскде показатели асфальтобетона представлены в табл. 4...5.

Анализ полученных данных показывает, что асфальтобетон, полученный на основе битума по предлагаемой технологии, отличается высокой коррозионной стойкостью, характеризуемой коэффициентом водостойкости при длительном водонасщении.. Этот.показатель, для асфальтобетона на кислых породах увеличивается в 1,5... 1,8 раза по сравнению с асфальтобетоном, приготовленном на контрольном битуме.

Бшш изучены физико-механические показатели асфальтобетона, приготовленного на кислых породах и окисленном битуме с выдержкой битума после окисления; 0, 5, 15, 30, 60, 120, 180 мен. Из полученных данных можно сделать вывод, что физико-механичес-. кие показатели асфальтобетона "- не изменяются со временем выдержки битума. Однако с увеличенизм продолжительности техно-, логического перерыва между завершением процесса окисления и использованием битума для приготовления асфальтобетонных смесей свыае 60 мин намечается тенденция к уменьшению коэффициента водостойкости при длительном водонасыщении. Через 2 ч этот показатель уменьшается на 30$, а через 3 ч - на 45$/рис. 5 /: Прочностные- показатели не претерпевают изменений. Свойства асфальтобетона после трехчасового технологического перерыва по всем показателям удовлетворяют требованиям ГОСТ 9128-84.

Как было показано, эффект механоактивации битума, окисленного в кавитационно-кумулятивном режиме, является неустойчивым. Представляло несомненный интерес воспроизвести его вторично. ' Для этого битум, выдержанный сутки после окисления, подвергали кавитационной обработке в течение 5 мин. На.обработанном битуме готовили асфальтобетонные смеси. Свойства асфальтобетона не отличались от свойств асфальтобетона, приготовленного на битуме.

15

Таблица 4.

Фиэнко-ыеханическне показатели асфальтобетона. приготовленного на основных минеральных материалах

1нлъбаотаускмм карьер) ---

(щи

Состав минеральной части !еоень - 2

^ыоевки . - Е

инеральныи порошок - 1 Штум

масо.Х:

11 Способ с( эедняя Водона- Набухание, Порис-

п/п окисления, п. ют- сы%ние, % объемных тость

марка битума НС Г/ объемных минерального

остова,% объемных

Оота-точнал

(Предел прочности

порно-., на сжатие. МПа тооть.% при температуре 00ъем?1ых|-- - - -Од~

'120 сС .+------

, мциент водоСЮикости при водона-сыщении

кратк. I длит.

1 г

3

4

йяг-

-иг

им

ш

25-118 Трздици-8» цежи!,|

'л к

£5-81

5 Реяпи ГЖ через 244 после |5кнс^|ния

2,36 5,6 0,2 20,9 4,1 3,26 1,47 8,87 0,87 0,79

2,3В 2,7 0,0 17,8 3,0 3,49 1,60 7,91 0,68 0,89

2,34 4,21 0,2 18,8 • 3,8 3,45 1,86 8,89 С, 85 0,82

2,33 3,С0 0,1 18,8 3,3 3,71 1,83 8,50 0,92 0,92

2,25 3,80 0,2 17,4 4,0 3,60 1,82 „ 1,00 0,90

2,5-6,0 не^^лее 18-22 3,0-7,0 *7§ менео„ 1,3 0,§§ М5Н8?7Б

Таблица 5. •'.

Фиэшсо-механические показатели асфальтобетона, приготовленного на кислых минеральных материалах

(Алексеевокии карьер) --

Состав минеральном части. масо.Х Щеоен- "

?ыоев линес Битум

ота [еоень ыоевки

ишоральныи порошок •—'М

Способ №Ял Водона-

окисления, сьщение.

марка ность,

битума г/см3 объемных \

п/'п

Набухание, С объемных

Пористость минерального остова,Я объемных

Остаточная пористость .X объемных

Предел

прочнооти • на сжатие. МПа при температуре

20~°С~|бб~БС 10~°С

Коэффициент

ВОДОбТОИКООТН

при водона-сыщении

кратк. I

1" 2й вг Шим 2,38 5,21 0,1 18,6 5,5 3,95 1,48 8,55 0,69

"25"118 2,38 2,76 0,0 18,4 3,2 4,18 1,71 7,79 0,99

3 4 ' мг 2,35 4,52 0,2 19,0 5,8 4,23 1,62 8,96 0,69

вк-ю 2,33 ' 3/00 0,1 18,3 4,0 5,31 1,78 8,61 0,94

5 6 йг (ежим 2,37 4,21 0,1 18,3 6,0 4,71 1,9В Я-40 0,82

125-55 2,39 3,20 0.4 18,2 3,8 4,95' 2,13 8,61 0,91

длит?*

0,49 0Т5Т

тгпгг

шш

84

не более 2,5-0,0 ОТВ 18-22

3,0-7,0

2,

на мен|ез

11

-Ж-

л

8Л

Примечание: количество битума 4,5 масс.?., 4 *

зосут.

■ДЛ.,*Р-

ч-

1.1

1.0

0,9 0,8

0,7 0,6 0.5 0,4

0,3 0,2 ОД

30 60 120 180 240 300 1440 * ,мин продолжительность выдержки битума после окисления,мин

Рис. 5. Изменение коэффициентов водостойкости асфаль-.. тобетона на кислых штопальных материалах в зависимости от времени выдержки битума после его., приготовления ; 1 - битум, окисленный в режиме кавитации, 2 - битум контрольный.

Коэффициенты водостойкости:----при кратковременном.

водонасыщеяЕи; ■--при длительном вэдонасще-

нлз

: |

1 . • I

■ .' 1

\

V ч. 1 1

Гч ■ —

к 2 1 1 К -ГГ1

! | У-4—!—\

I ' ! - 1 I

1 ! 1 !■ I 1

;

. ! •■

30 60 120 180 240 300 1440 *

непосредственно после окисления. Полученные результаты показывают, что утраченную активность битума после его хранения шж-но.. восстановить путем кратковременной обработки его в режиме кавитации.

Представляло интерес изучение возможности снижения расхода битума при приготовлении асфальтобетонных смесей. В соответствии с полученными данными, применение битут, окисленного по предлагаемой технологии, позволяет на 10...20 масс$ уменьшить его расход при сохранении коррозионной стойкости .и одновременном повышении теплостойкости асфальтобетона.

Четвертая глава диссертации посвяшена результатам опытно-производственных работ, практическим рекомендациям и расчету экономии энергоресурсов от использования предлагаемой технолог

гии' Гидродинамический способ окисления гудрона в битум рекомендуется использовать на локальных малопроизводительных установках периодического действия. Технологическая схема бескомпрессорной установки приведена на рис.Б. Она включает куб 1 с системой .подогрева 2,3, рециркуляционный контур 4, снабженный за-порно-регулирушшла устройствами 5,6, шестеренчатый насос 7, ■ гидродинамический аппарат 8. Куб снабжен циклоном для-конденсации, образующихся в результате окисления, газов 9 и.газоотводной трубой 10. В качестве гидродинамического узла.попользовали серийно выпускаемый аппарат 1111-ПАИ 3,0. Монтаж опытной.установки по предлагаемой схеме и выпуск опытной партии битума был произведен на Комбинате строительных ттериалов и. конструкций /КСМК-3/ Алматыпромстроя. Процесс, проводили при л'емператуое 180...200°С. Продолжительность окисления-для. получения.битума марки БВД 60/90 составила З...5ч, а.марки.БЩ 40/Ш - 5...7 ч.

Битумы, полученные по предлагаемому способу,, по физико-механическим показателям удовлетворяют требованиям Г0СТ22245-90.

Кавитационнно-кумулятивная обработка окисляемого гудрона позволяет получать битум, обладающий высокой степенью адгезии как к основным, так и к кислым минеральны:.! материалам. Механо-активированный битум сохрашшт свои свойства в. течении 4 ч. При продолжительности технологического перерыва гвыдераизд более 4ч активность битума с кислыми породами утрачивается. Восстановить активность возможно путем повторной кавитационной обработка.

кавитацци: I - куб, 2 - жаровые трубы, 3 - газовая горелка, 4- рециркуляционный контур, 5- Вентиль, <? - запорнорегулиругаее .устройство, 7 - шестеренчатый насос, Э - рабочий гидродинамический узел, 9 - сепаритор, 10 - труба для отвода отходялих газов

вывода

1. Экспериментально показана возможность окисления гудрона в режиме гидродинамической кавитации в лабораторных и промышленных условиях и получения дорожных битумов требуемого качества.

2. Предлагаемый способ окисления гудрона в битум позволяет • интенсифицировать процесс окисления: снизить температуру процесса до 180___ 200°С и сократить продолжительность окисления

в 2...3 раза по сравнению с окислением гудрона традиционным способом при температуре процесса 230°С и в 3... 4 раза по сравнению с традиционным способом окисления при температуре 200?С при сохранении комплекса физико-механических свойств полученного битума. ... - -

. 3. Гидродинамическая каЕИтацнонная обработка окисляемого сырья .приводник!-качественному изменению группового состава битума по сравнению, с-контрольным битумом / увеличивается количество асфальтенов, снижается количество масел /.

4. Битум, полученный непосредственно после окисления в режиме кавитации, обладает высокой адгезией не только с основными, но и с кислил минеральными материалам. Полученные показатели сцепления с осяовнкмз и кислыми материалами отвечают требованиям ГОСТ 22245-90.

5. Битум, окисленный в режиме кавитации, характеризуется высокой деформативностью при низкой температуре. По сравнению с контрольным битумом, окисленным традиционным способом, повышается глубина проникания иглы а растяжимость при 0°С, снижается температура хрупкости.

6. Асфальтобетон на основе битума, окисленного в режиме гидродинамической кавитации, по сравнению с контрольным асфальтобетоном характеризуется улучшением фззяко-механичес-ких показателей.

Коэффициент- длительной водостойкости асфальтобетон0, на основных породах, увеличивается в 1,1... .1,2 раза, на кислы* породах - в 1,5...1,8 раз, что косвенно характеризует повышение долговечности асфальтобетона.

Теплостойкость асфальтобетона, характеризуемая пределом ■прочности на сжатие при 50°С, увеличивается в 1,5 раза.

Предел прочности па сжатие при. 0°С увеличивается в 1,1...1,2 раза.

Показатель температурной устойчивости асфальтобетона / К д/ / на основе битума,, полученного в режиме гидродинамической'кавитации, заметно уменьшается при температурах от 0 до 50°С / 4,1. . .4,9 / по сравнению с контрольным асфальтобетоном /'4,8.'. .6,0 /.

7. Компактная окислительная установка отличается просто- . той конструкции, обслуживания, но вызывает сложностей привязки к АБЗ. Исключение из технологической схемы процесса окис.-. лензя компрессорных установок приводит г. уменьшению расхода электроэнергии на 244 кВт / из расчета на 1 т / по сравнению с окислением.гудрона традиционным способом. . .

Снижение температуры окисления процесса позволяет осдэ-ровнть экологическую обстановку Еа таете производства бптума к снизить пожароопасность локальной установки.

ОСШВШЕ ПОЖШШЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛЖОВАЕЫ В РАБОТАХ :

1. Королев И.В., Полякова С.Б. Гидродинамический способ производства дорожных битумов на локальных установках. В кп. : Тенисы докладов Межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации местных'автомобильных дорог".- Минск, 1992.- С.69-70.

2. Королев И.В., Горелкшев Н.В., Полякова C.B. ,Мусаев ЕА. н др. Интенсификация процесса получения окисленных битумов способом гидродинамической обработки в режиме кавитации.- В кн. : Технологические схемы комплексной переработки труднообратимого минерального сырья.- Алшты: К&зИЬЕ, 1993.-С.49-55.

3. Королев И.В., Полякова C.B. Получение окисленных битумов способом гидродинамической кавиташшшой обработки

// Автомобильные дороги / Научно-технические достижения п передовой опыт в области автомобильных дорог. Информационный сборник.- М.: Информавтодор, 1923, вкп.6.- С.25-31.

4. А.С. 5054099/04; ЫКИ С 10 СЗ/04. Способ получения битума / К.В.Королев, С.В.Полякова, Н.Е.Нзмчина, О.А.Савченко. - Заявлено 02.07.92. .Патент Je 2000311; Бюл.КЗДЭЭЗ.