автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и система оперативного контроля показателей качества битумных материалов в процессе их производства

Основные обозначения

Введение

Глава 1 Обзор технологий производства полимерно - битумных 13 материалов и методов оценки физико - химических характеристик этой группы продуктов

1.1. Технологии производства полимерно - битумных материалов

1.2. Методы и методики определения физико - химических 22 характеристик битумных материалов

Выводы по 1 главе

Глава 2 Разработка экспресс - метода определения глубины 42 проникания иглы

2.1. Модель метода определения глубины проникания иглы 42 (пенетрации)

2.2. Теплофизическая модель метода

2.3. Экспресс - методика определения глубины проникания иглы

2.4. Экспериментальная проверка результатов измерений пенетрации по предлагаемой методике, путем сравнения с полученными по стандартной методике 58 Выводы по 2 главе

Глава 3 Разработка экспресс - метода определения растяжимости

3.1. Физическая модель метода растяжимости

3.2. Теплофизическая модель метода растяжимости

3.3. Экспресс - методика определения растяжимости

3.4. Экспериментальная проверка результатов измерений 104 растяжимости по предлагаемой методике, путем сравнения с полученными по стандартной методике

Выводы по 3 главе

Глава 4 Применение экспресс-методик в системе оперативного 112 контроля качества битумных материалов в процессе их производства

4.1. Экспертная система контроля качества в процессе 113 производства полимерно - битумных материалов.

4.1.1. Функционально-информационная структура экспертной 114 системы «Контроль качества»

4.1.2. Исходные данные экспертной системы «Контроль качества»

4.1.3. Экспертная подсистема «Загрузка"

4.1.4. Экспертная подсистема "Смешение".

4.1.5. Экспертная подсистема "Выгрузка". 122 4.2. Программная реализация экспертной системы "Контроль качества»

Выводы по 4 главе

Выводы.

Битумные материалы, благодаря уникальным гидроизолирующим свойствам [1 - 5], имеют давнюю историю их применения. Упоминание о битумах встречается даже в Библии (в несколько другой терминологии) в качестве внутренней и наружной гидроизоляции Ноева ковчега. Более 3000 лет до нашей эры Навухаданосор впервые использовал битум как основу для каменной дороги.

В настоящее время известно более 250 областей применения битума, например, в сельском хозяйстве, при строительстве дорог и спортивных сооружений, и прочее. Столь обширная сфера применения битума обусловлена благоприятным сочетанием цена - качество.

По способу получения битумы делятся на природные, остаточные и окисленные. Битумы представляют собой смесь разветвленных и неразветвленных линейных, циклических или ароматических молекул с широким молекулярно-массовым распределением [6 - 13]. Не существует единого мнения по поводу предпочтительности вяжущего, полученного одним из перечисленных способов, так как в любом случае их работоспособность зависит от качества исходного сырья (нефти) и технологической схемы его переработки [7, 14, 15].

Первое место в мире по объему потребления битумов занимают дорожные отрасли, затем гидроизоляция при строительстве различных зданий и сооружений. Битумы на настоящий момент являются практически незаменимым вяжущим материалом при строительстве дорог, где они применяются в составе широкой гаммы разнообразных продуктов: мастик, эмульсий и асфальтобетонных смесей [6, 7, 16].

Асфальтобетонное покрытие представляет собой подобранные по определенным принципам каменные материалы, «склеенные» между собой битумом. Доля битума в составе асфальтобетонной смеси колеблется от 4,5 до 12 мае. % в зависимости от типа смеси [17]. Но даже несмотря на такую небольшую долю в объеме выпускаемого асфальтобетона ежегодное суммарное потребление битума, используемого только для ремонта и строительства дорожных покрытий в мире составляет миллионы тонн. От качества битумов и их физико - химических свойств в значительной степени зависит долговечность и эксплуатационные характеристики дорожного покрытия.

В нашей стране дорожные битумы получают окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов, а также компаудированием [7]. В дорожном строительстве России применяются битумы нефтяные дорожные (БНД и БН), которые выпускаются в соответствии с требованиями ГОСТ 22245 «Битумы нефтяные дорожные вязкие» [18]. По своей природе эта группа нефтепродуктов [19, 20] является термопластами, следовательно их свойства сильно зависят от температуры и, несмотря на то, что продолжительность эксплуатации асфальтового покрытия определяется комплексом характеристик не только битума, но и каменных материалов, подобранного состава и пр., возникновение дефектов покрытия, таких как трещины (низкотемпературные и отраженные), наплывы, колея в существенной степени зависят от свойства битума [21].

В настоящее время в больших масштабах используют также и битумы, модифицированные полимерами для улучшения эксплуатационных характеристик и долговечности дорожных покрытий в качестве вяжущего асфальтобетонной смеси [21 - 68]. С развитием химических технологий появилось множество синтетических, сравнительно недорогих полимеров, которые позволили скомпенсировать отдельные недостатки битумных продуктов, путем введения в них различных модификаторов [32,43 - 47].

Использование битумов, модифицированных полимерами, позволяет расширить их температурный интервал работоспособности, как в области положительных, так и в области отрицательных температур, в результате повышается сопротивляемость дорожного покрытия деформирующим нагрузкам [48, 49]. В России наиболее широкое применение в качестве модификатора битумного вяжущего нашли блоксополимеры типа стирол бутадиен - стирол (СБС или ДСТ), поэтому предметом нашего исследования являлись полимерно - битумным материалы на основе СБС. Требования, предъявляемые к дорожным полимерно - битумным вяжущим (ПБВ), изложены в ОСТ 218.010 [50].

Производство модифицированных битумов увеличивается с каждым годом в течение последних двух десятилетий, но до настоящего времени отсутствуют публикации, посвященные системам контроля качества сырья, полупродуктов и готовой продукции в процессе производства.

Фактически, операционный контроль производства заключается в измерении и поддержании таких параметров технологического режима, как температура, расход компонентов, в лучшем случае, контролируются скорости вращения перемешивающего устройства, расход энергии двигателя перемешивающего устройства и однородности реакционной массы [69 - 73].

Приготовление же ПБВ требует строгого соблюдения технологии, так как продукт склонен к термоокислительному старению [73 - 91]. Современное оборудование позволяет провести диспергирование ДСТ за 1,5 часа. В то же время продолжительность лабораторного анализа качества ПБВ не менее 2,5 часов. При этом в соответствии с ГОСТами, большую часть времени занимает подготовка пробы к испытанию.

Во избежание термоокислительного старения ПБВ необходимо принимать меры по созданию системы оперативного контроля качества образца продукта на основе методов испытаний, ускоренных до рамок, соизмеримых со временем приготовления вяжущего. Одним из направлений такой работы могут быть исследования, направленные на уменьшение длительности подготовки пробы к испытаниям на растяжимость и пенетрацию. Анализ литературы показывает, что на сегодняшний день не предлагается оперативных методов контроля качества ПБВ, описывающих его физико-химические свойства в соответствии с требованиями ОСТ 218.010-98. Кроме того не существует систематизированных баз данных и знаний, позволяющих создать современную систему контроля качества ПБВ с оперативной оценкой основных параметров продукта с процессе его производства.

Основной целью работы является создание системы оперативного контроля качества битумных материалов в процессе их производства. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически обосновать возможность сокращения продолжительности подготовки пробы для испытаний на растяжимость и пенетрацию,

- разработать экспресс-методики определения растяжимости и пенетрации, оценить их метрологические характеристики и внедрить их в производство,

- разработать и внедрить экспертную систему контроля качества в процессе производства ПБВ.

Научная новизна

1. Предложена математическая модель процесса погружения иглы пенетрометра в вяжущее.

2. Предложена теплофизическая модель процессов подготовки пробы к испытанию на пенетрацию и рассчитано распределение относительной температуры в процессе охлаждения и термостатирования образца при определении глубины проникания иглы;

3. Предложена математическая модель методики определения растяжимости. Показано, что результаты испытаний на растяжимость поддаются реологической трактовке с позиций тела Кельвина-Фойгта. При этом характер растяжения обычного и модифицированного битума отличается друг от друга в части доли вязкой составляющей в величине суммарного растягивающего напряжения.

4. Проведены оценки влияния материала подложки на продолжительность подготовки пробы битумного материала к испытанию на растяжимость.

5. Предложены экспресс - методики определения растяжимости и пенетрации для практического использования в системе оперативного контроля качества в процессе производства битумных материалов и проведена их метрологическая оценка.

Практическая ценность.

1. Выявлена лимитирующая стадия процесса производства полимерно-битумного вяжущего (ПБВ). Установлено, что продолжительность непосредственного процесса получения ПБВ приблизительно в 2 раза меньше времени, затрачиваемого на определение свойств битумных продуктов при использовании стандартных методик.

2. Рассчитана продолжительность стадии подготовки пробы к испытанию на пенетрацию в зависимости от размеров образца.

3. Расчеты по предложенной математической модели проникания иглы в битум показывают, что для остаточных битумов существует простая зависимость между вязкостью и пенетрацией.

4. Предложены и практически реализованы ускоренные методики операционного контроля стандартных показателей качества битумных материалов.

6. Разработана и практически реализована экспертная система контроля качества в процессе производства полимерно-битумных материалов.

Практическое внедрение.

Разработанные на основе проведенных исследований экспресс -методики предназначены для операционного контроля при производстве полимерно-битумных материалов. Они позволяют существенно сократить продолжительность определения глубины проникания иглы и растяжимости с использованием стандартного оборудования и не требуют дополнительных затрат на приобретение нестандартных приборов и переобучения персонала лаборатории. Внедрение предложенных экспресс-методик позволило существенно сократить продолжительность лабораторного анализа (с минимум 2,5 ч. до 1 ч. 20 мин.), что дало возможность увеличить суточную производительность установки приготовления качественного полимерно-битумного вяжущего в два раза без приобретения дополнительного производственного оборудования.

На основании опыта оценки производственных ситуаций разработана экспертная система контроля качества, позволяющая за несколько минут выбрать оптимальный вариант оценки имеющихся данных; при необходимости рассчитать необходимые догрузки и выдать комплексные данные в виде результатов лабораторного анализа и технологических рекомендаций. Практическое применение системы контроля качества при производстве полимерно-битумных материалов произведено на принадлежащих НПО «Космос» установках по производству полимерно-битумного вяжущего. С ее помощью было выпущено более 50000 тонн ПБВ различных марок и более 50 тонн полимерно-битумной мастики для заливки швов и трещин в покрытиях.

Перспективы дальнейшего использования

Использование предлагаемых экспресс-методик для контроля качества битумных материалов в сочетании с экспертной системой качества в процессе производства дают возможность разработки автоматизированной системы управления производством полимерно-битумных вяжущих (АСУП ПБВ).

выводы

2. Разработаны и внедрены ускоренные методы испытании, позволяющие в режиме реального времени определять «пенетрацию» и «дуктильность» образцов битума, что дает возможность контролировать технологию приготовления полимербитума и обеспечивать выпуск продукции с заданными свойствами .

3. Оптимизированы размеры образца, подлежащего испытанию на «пенетрацию». Исследована зависимость размеров образца, подлежащего испытанию битума, от возмущающего эффекта процедуры испытаний. Разработана математическая модель метода пенетрации», позволившая установить границы возмущающего влияния иглы. Показано, что для остаточных битумов существует простая зависимость между вязкостью и «пенетрацией». Адекватность модели подтверждена сравнением расчетных данных с опубликованными в литературе экспериментальными данными.

4. Рассчитана продолжительность стадии подготовки пробы к испытанию на «пенетрацию» в зависимости от размеров образца и температуры испытания. На основании исследования температурных полей стандартного образца после охлаждения и термостатирования выбран образец диаметром- 30мм и высотой-12мм.

5. Проведена сравнительная оценка по определению «пенетрации» одного и того же образца по стандартной и экспресс методике при 25С и ОС с целью статистической оценки погрешности измерения по экспресс -методике. Показано, что результаты измерения «пенетрации» по обеим методикам подчиняются нормальному закону распределения, а погрешность измерения «пенетрации» по экспресс - методике находится в пределах, требуемых стандартом.

6. Разработана математическая модель метода определения растяжимости полимер-мо дифицированных битумных материалов. Показано, что результаты испытания на «дуктильность» поддаются реологической трактовке с позиций тела Кельвина-Фойгта. Выявлены особенности испытания на растяжимость битумов и полимер-модифицированных битумов, БНД и ПМБ. Наблюдается эффект глубокого разрушения пространственной сетки и связанного с этим резкого падения эластического модуля битума БНД. Выявлена зависимость густоты образующейся в битуме пространственной сетки от величины относительной деформации.

7. Установлено, что присутствие в битуме термэластопласта стабилизирует пространственную сетку, благодаря чему полимер-модифицированнй битум сохраняет высокоэластические свойства даже при весьма больших относительных деформациях.

8. Составлена теплофизическая модель метода определения растяжимости битумных материалов и проведена оценка времени, необходимого для охлаждения и термостатирования (при 0 и 25 С) образца перед испытанием. Установлена существенная роль материала подложки, в частности при использовании латунной подложки продолжительность охлаждения составит 20мин., термостатирования - 15мин. Для оценки правильности расчетов проведены параллельные испытания на растяжимость 27 образцов битумов по стандартной и экспрес-методикам при 0 и 25С.

Результаты статистической обработки показали, что данные, полученные по экспрес-методике, находятся в пределах границ воспроизводимости, предусмотренных ГОСТ.

9. Разработана экспертная система «контроля качества», позволяющая в режиме реального времени вносить коррективы в рецептуру битума, учитывающие специфические особенности его природы и требований заказчика.

1. Бурмистров Г.Н. Кровельные материалы. - М.: 3-е издание, доп. и перераб., 1990.-50 с.

2. Завражин Н.Н. Производство кровельных, гидроизоляционных работ и устройство полов. М.: Стройиздат, 1975. - с. 5.

3. Промышленность полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов. М.: 1980. - с. 3 - 6.

4. Модификация полимерами покровной композиции рубероида. // М.: 1991, вып. №1 с. 11.

5. Промышленность полимерных, мягких кровельных и теплоизоляционных строительных материалов М.: 1980, вып. №1, серия 6 - с. 3 - 22.

6. The Shell Bitumen Handbook. Published by Shell Bitumen U.K., 1990. -336p.

7. Колбановская А. С., Михаилов B.B. Дорожные битумы. M.: «Транспорт», 1973. - 328 с.

8. Chelton Н.Н., Romberg J.W., Traxler R.W. // Ind. And Eng. Chem. -1959, 51, №11 p.1353 - 1354.

9. Бодан A. H. Роль температуры в процессе получения битумов // Тр. СоюздорНИИ. 1971. Вып. 49. - с. 141 - 150.

10. Бодан А. Н. Некоторые пути интенсификации процесса окисления гудронов с целью получения битумов. // Автореф. Дис .канд. техн. наук. Киев, 1963 - 22с.

11. Розенталь Д. А. Изучение процесса образования битумов при окислении гудроном. // Автореф. Дис. док. техн. наук. Л.:, 1972. - с. 25 - 36.

12. Heikkila P., Hameila М., Pfaffli P., Rialta R The composition and measurement of bitumen vapours and fumes // Eurasphalt&Eurobitume Congress 1996.-p 2.022.13