автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение качества дорожного асфальтобетона путём ультразвуковой активации битума

На правах рукописи

СУББОТИН ИГОРЬ ВАЛЕНТИНОВИЧ

Повышение качества дорожного асфальтобетона путём ультразвуковой

активации битума

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

МОСКВА-2012

005047692

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный'государственный технический университет (МАДИ)»

Научный руководитель - чл.-корр. РАН, доктор технических наук,

профессор Приходько Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты - Козлов Валерий Васильевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры Строительных материалов

- Полякова Светлана Владленовна, кандидат технических наук, помощник генерального директора ФГУП «Росдорнии»

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт московского строительства «НИИМосстрой» Защита состоится 17 декабря 2012 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, телестудия «Открытая сеть» ауд. № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан «.251» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Лев Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качество асфальтобетонных покрытий во многом определяется свойствами битума, применяемого при производстве асфальтобетонных смесей. Одним из важнейших свойств, определяющих работу дорожного покрытия, является адгезия битума к минеральному материалу. Применяемый при производстве асфальтобетонных смесей битум, изготовленный на основе окисленного гудрона, обладает низкими показателями адгезии к минеральным материалам кислых пород.

Повышение адгезии битума к каменным материалам кислых пород может быть достигнуто введением поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также механохимическим воздействием на него. Адгезионные ПАВ обладают рядом недостатков, затрудняющих их эффективное применение.

Одним из направлений комплексного решения данной проблемы является ультразвуковая активация битума. Повышение адгезионных характеристик битума может быть достигнуто за счет ряда эффектов, возникающих при ультразвуковой обработке битума, в частности развитой кавитации и акустических течений различного масштаба.

Работа выполнялась в соответствии с проектом № Б 03.02.11 «Разработка новых технологий и контроля качества строительных работ, создание измерительных комплексов, направленных на строительство транспортной системы», направление: № 05/Пр-11 «Проведение исследований по улучшению физико-химических свойств битумов для дорожных покрытий ультразвуковым методом».

Цель диссертационной работы - получение эффективного вяжущего для дорожных асфальтобетонов, обладающего повышенной адгезией к минеральным материалам.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи исследований:

1) обосновать возможность эффективного применения ультразвуковой обработки для повышения адгезионных свойств битума;

2) исследовать влияние ультразвуковой обработки на адгезионные свойства битума;

3) установить оптимальные технологические параметры воздействия ультразвука для улучшения свойств органического вяжущего;

4) оценить изменение характеристик асфальтобетона, изготовленного на обработанном ультразвуком битуме;

5) разработать технологические предложения по использованию ультразвукового оборудования на АБЗ;

6) осуществить опытно-промышленное внедрение технологии ультразвуковой обработки битума.

Научная новизна работы:

- обоснована эффективность применения ультразвука для повышения качества асфальтобетона посредством обработки вяжущего, в процессе которой кавитационные пузырьки и акустические течения способствуют не только разрушению надмолекулярной структуры битума с образованием свободных радикалов, а также их переносу к поверхности минерального материала;

- показано увеличение адгезионной активности битума в процессе ультразвуковой обработки, установлено влияние режимов обработки на величину адгезии;

- оптимизированы режимы ультразвуковой обработки битума, позволяющие достичь наибольшего эффекта - частота 22 кГц, амплитуда колебательного смещения 5 мкм, длительность воздействия 60 сек;

- обоснована возможность оценки величины адгезии битума по показателю диэлектрической проницаемости, характеризующей концентрацию активных полярных элементов в битуме;

- получена двухфакторная зависимость величины диэлектрической проницаемости битума от режимов ультразвуковой обработки, позволяющая оптимизировать параметры обработки битума;

- установлено снижение вязкости разогретого битума, обработанного ультразвуком, что обеспечивает равномерное покрытие минерального материала тонкой плёнкой вяжущего;

- установлен рост показателей асфальтобетонных смесей, полученных на обработанном битуме, что обеспечивает высокое качество дорожного покрытия;

Новизна разработок подтверждена патентами на полезную модель: № 96787, № 98940, № 96505, № 96506, № 92419.

Практическая значимость

- разработана технология ультразвуковой обработки битума в процессе производства асфальтобетонной смеси;

получено вяжущее, обладающее повышенной адгезией к минеральным материалам кислых и основных горных пород, что позволяет производить асфальтобетонные смеси с повышенной водостойкостью;

- разработано и смонтировано технологическое оборудование для ультразвуковой обработки битума на АБЗ ЗАО «Союз-Лес», произведен выпуск опытных партий смесей.

Внедрение результатов работы. Опытно-промышленный узел для ультразвуковой обработки битума смонтирован на АБЗ ЗАО «Союз-Лес». Обработанный битум использовался для приготовления экспериментальных партий смесей и возведения опытного участка асфальтобетонного покрытия на МКАД.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены на:

- открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях Российской Федерации 2007 года

- X научно-исследовательской конференции студентов дорожно-строительных специальностей;

- 68, 69, 70 научно-методические и научно-исследовательские конференции МАДИ (2010-2012 г.г.)

- XXII сессии Российского акустического общества

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование возможности применения ультразвуковой обработки для повышения адгезии битума;

- результаты испытаний битума, обработанного ультразвуком;

- обоснование оптимальных режимов ультразвуковой обработки;

- результаты- исследований асфальтобетона, изготовленного на битуме, прошедшем ультразвуковую обработку;

- разработанная конструкция и технология ультразвуковой обработки битума на АБЗ;

- опытно-производственное внедрении полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ряде работ битум рассматривается как материал, состоящий из большого числа различных органических углеводородных соединений, молекулы которых различаются по строению, размеру и молекулярной массе, по степени ароматичности, по степени полярности, и относятся к различным функциональным группам кислотного или основного характера. В результате межмолекулярных взаимодействий между различными молекулами в материале формируется единая надмолекулярная структура наноуровня. Эта структура обуславливает основные эксплуатационные свойства материала и его потенциальные возможности адгезионного взаимодействия на границе с поверхностью минеральных материалов. Адгезионные возможности битумов определяются видом и количеством поверхностно-активных полярных молекул, функциональные группы которых (кислотного или основного характера) остались свободными от участия в единой надмолекулярной наноструктуре.

Для повышения адгезионной способности битумов к материалам кислых пород применяются различные катионоактивные ПАВ, в т.ч. аминного типа. При введении таких добавок изменяется дисперсная структура битума, которая определяет его свойства. Однако адгезионные ПАВ обладают, кроме избирательности действия, недостатоком в виде низкой термостабильности, что выражается в снижении их эффекта при выдерживании битумов при повышенных рабочих температурах. Данное явление объясняется включением молекул добавок в единую надмолекулярную структуру и соответствующим уменьшением количества свободных для адгезионного взаимодействия молекул.

Разработана научная гипотеза, согласно которой для увеличения адгезионной активности битумов следует увеличить количество (или концентрацию) доступных для адгезионного взаимодействия поверхностно-активных полярных молекул различной природы (как кислотного, так и основного характера), путем разрушения единой надмолекулярной структуры битума за счет создания в битуме кавитации и акустических течений различного масштаба.

Ранее применение ультразвуковой обработки битума рассматривалось в Харьковском автомобильно-дорожном институте В.А. Золотарёвым и В.Н. Зинченко, однако полученные результаты не нашли применения в

6

производстве вследствие ограничений технологической базы 1970-х годов. Кроме того, применение ультразвуковой обработки требует глубокого изучения параметров и свойств ультразвуковых колебаний, а также опыта применения данной технологии и оборудования в смежных областях.

Большая частота воздействия ультразвука на жидкость позволяет создавать в озвучиваемом объёме области с большой плотностью энергии, в которых возникает ряд эффектов, таких как кавитация, сопровождающаяся образованием пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, а также акустических течений разного масштаба. Кавитация - это физическое явление, сопровождающееся разрывами сплошности жидкой среды, а также возникновением и захлопыванием полостей, заполненных растворенным в среде газом или паром. Граница между режимами жидкостной обработки, при которой в жидкой среде возникает кавитация, называется порогом кавитации. Основываясь на методике определения начала кавитации в жидкой среде по изменению сигнала с гидрофона в момент появления кавитационного шума от захлопывающихся пузырьков, было определено значение порога кавитации для битума. Это позволило сопоставить между собой масштаб силового воздействия на вещество при захлопывании кавитационного пузырька в битуме (50... 12500 нм), размер макромолекул асфальтенов (1,5...2,3 нм) и примерный размер мицелл (2...10 нм). Был сделан вывод, что в разогретом битуме наиболее вероятен механизм кавитационного разрушения мицелл и более сложных надмолекулярных структур, чем отдельно взятых молекул веществ, входящих в состав битума.

Было рассмотрено влияние кавитационных пузырьков и акустических течений на процесс взаимодействия битума с поверхностью каменного материала. Известно, что молекулы асфальтенов в растворителях могут упорядочиваться различными путями в зависимости от их концентрации, при низких концентрациях они могут адсорбироваться на поверхности раздела фаз, (например, «растворитель - газ»). При достижении концентрации, превышающей критическую мицеллярную, может образовываться динамическое равновесие между свободными молекулам и мицеллами с размерами от 2 до 10 нм, которые непрерывно собираются и распадаются с характерными временами жизни от микросекунд до секунд. Если разогретый битум контактирует с минеральным материалом, то молекулы асфальтенов, начинают адсорбироваться на границе раздела фаз «битум - поверхность

7

минерального материала», снижают величину межфазного натяжения между жидким битумом и твердой поверхностью, и ускоряют тем самым процесс смачивания битумом поверхности минерального материала.

Установлено, что для интенсификации процесса адсорбции асфальтенов, смол и асфальтогеновых кислот на поверхность минерального материала необходимо понизить концентрацию свободных молекул этих веществ в единице объема битума. Возникшие в разогретом битуме границы раздела фаз отберут на себя значительную часть молекул асфальтенов, и в единице объема битума понизится концентрация свободных молекул этих веществ.

Молекулы асфальтенов

Рис. 1. Схема процессов, происходящих в битуме при ультразвуковой обработке

Поскольку кавитационный пузырёк окружён адсорбировавшимися на его поверхности молекулами, то в этих условиях они получают возможность перейти с одной границы раздела фаз («жидкость - газ») на другую («жидкость - твёрдое тело»). Тем самым пузырёк газа в капле битума выполняет транспортную роль по перемещению молекул асфальтенов из общего объема капли к границе контакта «битум - поверхность минерала» (Рис. 1.).

Таким образом, в результате ультразвуковой обработки битума, ускоряется процесс смачивания битумом поверхности минерального

материала и повышается адгезия битума к каменному материалу при создании различных битумоминеральных композиций.

"В работе был использован битум марки БНД 60/90, как наиболее часто применяемый при производстве асфальтобетонных смесей в г. Москве, производства Московского нефтеперерабатывающего завода (Табл.1)

Табл.1

Наименование показателя Значение показателя

Глубина прониканияния иглы при 25°С, 10"'мм 79

Глубина прониканияния иглы при 0°С, 10"'мм 26

Температура размягчения по КиШ, °С 49

Растяжимость при 25°С, см 66

Температура хрупкости по Фраасу, °С -17,5

Поскольку нормативные методики оценки сцепления битума с минеральным материалом не позволяют дать количественную оценку адгезии битума, в ходе экспериментальных работ было принято решение использовать методику оценки адгезии посредством измерения диэлектрической проницаемости битума. В основе метода лежит свойство полярности макромолекул нефтяных систем, к числу которых относятся, в первую очередь, асфальтены, смолы и металлопорфириновые комплексы.

Суть метода заключается в оценке ёмкости измерительного конденсатора, погруженного в разогретый битум. По величине ёмкости расчетным путём вычисляется значение диэлектрической проницаемости битума, характеризующей содержание в нём активных элементов, от содержания которых зависит величина адгезии.

Измерение емкости осуществлялось на приборе МНИПИ Е7-20 при частоте сигнала 700 кГц. Для оценки изменения адгезии битума при ультразвуковой обработке сначала требовалось определить зависимость диэлектрической проницаемости от температуры битума. Измерения емкости проводились в диапазоне температур от 90° до 180°С с шагом в 10°С. В каждой точке снимались показания прибора с помощью специализированного оригинального программного обеспечения,

позволяющего проводить серию измерений в каждой точке (в эксперименте было выбрано 6 измерений).

^ 2,9 j

ь

о

О 2,8 ш

т

Е 2,6

ш

ё 2,5 Е

У к

s

о.

ь 2,4

ф

ц

п

Ч 2,3

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Температура, °С

Рис. 3. Изменение диэлектрической проницаемости битума в зависимости от температуры

Из графика (Рис. 3.), видно - диэлектрическая проницаемость битума увеличивается с ростом температуры до 145-150°С, что можно объяснить разрушением надмолекулярных соединений за счет тепловой энергии, дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению значения диэлектрической проницаемости, вызванному переходом битума в состояние истинного раствора.

В дальнейших исследованиях был принят температурный интервал 140-150°С, соответствующий максимуму диэлектрической проницаемости битума.

Для оценки влияния ультразвуковой обработки на величину диэлектрической проницаемости битума был применен метод математического планирования эксперимента. В качестве варьируемых факторов выбраны амплитуда смещения (ХО и время ультразвуковой обработки (Х2), выходным параметром является величина показателя диэлектрической проницаемости. Ультразвуковая обработка осуществлялась на частоте колебаний 22 кГц, в проведенных предварительных экспериментах были последовательно установлены: докавитационный

режим, затем амплитуды 0,3 мкм, 2 мкм, 5 мкм, 10 мкм. На каждой из выбранных амплитуд смещения обработка осуществлялась в интервалах 10, 15, 30, 60, 90 с. Величина диэлектрической проницаемости битума оценивалась в процентах относительно величины исходного битума (до обработки ультразвуком). На основании проведенных предварительных экспериментов были назначены уровни варьирования факторов (Табл.2.)

Табл.2. Пределы варьирования факторов

№ п/п Наименование фактора Матем. символ Значение фактора на нулевом уровне X Интервал варьирования ДА' Область изменения фактора

+1 -1

1 Амплитуда смешения, мкм X, 5 3 8 2

2 Время обработки, с. х2 60 30 90 30

В результате проведенных согласно плану экспериментов и последующих расчетов было получено уравнение регрессии в кодовых и натуральных значениях:

ДП(хх,х2) = 15,622-3,617дГ[ + 2,9х2 -3,35л-,-х2-12,45х,2 -5,2*22 На основе полученного уравнения были построены графические зависимости величины диэлектрической проницаемости от амплитуды и времени ультразвуковой обработки. Значительный эффект ультразвуковой обработки битума, выраженный в росте диэлектрической проницаемости, а следовательно и адгезии, наблюдается через 30 секунд обработки. Рост эффекта продолжается до 60 секунд обработки, однако дальнейшее воздействие не приводит к увеличению показателя диэлектрической проницаемости.

0х

л- 20

I-и

0

1 15 а

X

а

с ю

о. £ О»

с;

2 о

4 2 3 4 5 е 7 8

Амплитуда смещения, мкм

1 - время обработки 30с.; 2 - время обработки 60с.;

3 - время обработки 90с.

Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницаемости от амплитуды и времени ультразвуковой обработки

Были оценены изменения диэлектрической проницаемости после окончания ультразвуковой обработки (Рис. 5.). Считается, что разрушенные надмолекулярные структуры в битуме восстанавливаются до исходного состояния в течение определенного временного промежутка после обработки. Для оценки изменения диэлектрической проницаемости был использован найденный оптимальный режим обработки с амплитудой колебательного смещения 5 мкм, при длительности обработки равной 60 секундам. Ультразвуковая обработка осуществлялась с погруженным в обрабатываемый битум измерительным конденсатором, который оставался в исходной позиции после окончания обработки. Проводились замеры диэлектрической проницаемости битума через 5, 10, 15, 20, 25, 30 минут после окончания обработки, за исходное значение диэлектрической проницаемости принята точка максимума при 60 секундах обработки.

По полученным данным построен график (Рис. 5.), по которому был сделан вывод - устойчивость эффекта ультразвуковой обработки битума достигает 20 минут после окончания озвучивания.

20 25 30

Время после обработки, мин

Рис. 5. Изменение диэлектрической проницаемости битума после окончания ультразвуковой обработки Оценена зависимость вязкости битума от режима ультразвуковой обработки. При проведении эксперимента использовался ротационный вискозиметр Fungi lab Expert.

Была проведена оценка вязкости битума в зависимости от температуры (Рис. 6.). По графической обработке экспериментальных данных получена зависимость вязкости битума от температуры, которая в дальнейшем была применена для оценки изменений вязкости после ультразвуковой обработки.

1000

Г)

с о

л

н о о

Ьй

п к

ш

110

120

130

140

150

160

170

180

Температура, °С

Рис. 6. Зависимость вязкости от температуры

Измерения вязкости после ультразвуковой обработки проводились аналогично. Проба битума подвергалась ультразвуковой обработке в течение, 30, 60, 90 секунд, после каждых 30 с обработки проводилось измерение вязкости.

Из графика (Рис. 7.) можно сделать вывод о снижении вязкости битума уже после 30 секунд обработки, максимальный эффект достигается после 60 секунд обработки, что соответствует также максимальному значению диэлектрической проницаемости, полученному ранее. Данные результаты также соответствуют проведенным ранее исследованиям, в которых было отмечено снижение вязкости битума после ультразвуковой обработки.

Время обработки, с

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 7. Зависимость вязкости от времени обработки ультразвуком

Было проведено исследование свойств асфальтобетонных смесей, изготовленных на обработанном ультразвуком битуме. Для изготовления смесей применялись следующие материалы:

- Гранитный щебень ОАО «Павловскгранит» Воронежской области. Марка по прочности при дробимости 1200, по истираемости в полочном барабане - 13 %. В исследованиях применяли промытый рассев по фракциям 5-10 и 10-15 мм, отобранный из бункеров ЗАО «Союз-Лес».

- Высевки гранитные ОАО «Павловскгранит» Воронежской области. Плотность 2630 кг/м3. Насыпная плотность 1650 кг/м3, содержание

пылеватых и глинистых частиц не более 3 %. Перед использованием высевки разделяются по фракциям 3-5; 1,25-3; 0,63-1,25 мм.

- Кварцево-полевошпатный песок Сычевского карьера

Методика приготовления асфальтобетонных смесей на обработанном ультразвуком битуме не отличалась от стандартной. Ультразвуковая обработка битума осуществлялась непосредственно перед добавлением его в разогретую минеральную смесь. Для получения сравнимых результатов применялись одинаковые составы асфальтобетонов типа Б марки I на обработанном ультразвуком битуме и без обработки. При приготовлении асфальтобетонных смесей не применялись дорогостоящие адгезионные добавки, т.к. ультразвуковая обработка способствует повышению адгезии применяемого битума к минеральному материалу минимум на 15 процентов, при оценке по величине диэлектрической проницаемости.

Асфальтобетон на битуме, обработанном ультразвуком, характеризуется лучшими показателями свойств по сравнению со стандартной технологией (Рис. 8. - Рис. 9.). Важно отметить, что применение ультразвуковой обработки позволяет снизить содержание битума в смеси за счет снижения его вязкости и увеличения адгезии. Получаемая при использовании обработанного ультразвуком битума плёнка вяжущего обладает меньшей толщиной вследствие пониженной вязкости битума, однако сцепление с поверхностью каменного материала выше, чем в случае стандартного битума. Материал обладает более высокой механической прочностью, которая не снижается при водонасыщении, что соответственно отражается на росте коэффициента водостойкости.

Содержание битума, % -Исходный битум-Битум, обработанный ультразвуком

Рис. 8. Зависимость прочности при 20°С от содержания битума в смеси

Содержание битума, %

-Исходный битум-Битум, обработанный ультразвуком

Рис. 9. Зависимость прочности в водонасыщенном состоянии от содержания битума в смеси

1,20

0,85

3,5

3,75

- Исходный битум ■

4,25 4,5 4,75 5

Содержание битума, %

-Битум, обработанный ультразвуком

Рис. 10. Зависимость коэффициента водостойкости от содержания битума в смеси

Представленные данные отражаются стабильное увеличение прочностных характеристик асфальтобетона, а также коэффициента водостойкости (Рис. 10), что впоследствии отражается на увеличении срока службы асфальтобетона, изготовленного на обработанном битуме.

На основе проведённых исследований и выполненных экспериментов определены основные факторы, влияющие на эффективность применения технологии ультразвуковой обработки в производственных условиях. Первый и главный фактор — создание в обрабатываемой среде кавитации и акустических течений. Именно создание данного режима в разогретом битуме, как показывают выполненные экспериментальные исследования и результаты теоретического анализа, способствует достижению наибольшего эффекта адгезии битума к минеральным материалам. Второй фактор — продолжительность ультразвуковой обработки, определяющий полноту протекания в битуме ряда физических и химических процессов, связанных с воздействием ультразвука, а также величину энергетических и временных затрат на получение требуемого эффекта. Третий фактор — схема введения ультразвуковых колебаний в разогретый битум. В значительной степени выбор схемы введения колебаний в битум связан с конструктивными

особенностями применяемого источника колебаний и формой его излучающей поверхности. В условиях асфальтобетонных заводов (АБЗ) технологическая операция ультразвуковой' обработки битума является частью общего технологического процесса приготовления асфальтобетона, поэтому конструкция излучателя и выбираемая схема введения колебаний в битум оказываются зависимыми от общей технологической схемы размещения оборудования на АБЗ.

В разработанном технологическом оборудовании в качестве ультразвуковой колебательной системы используется магнитострикционный преобразователь ПМС 15А-18 мощностью 4 кВт и стержневой концентратор с диаметром излучающего торца 45 мм. Данная установка допускает возможность монтажа на существующий битумпровод АБЗ, обрабатывая таким образом полный объём проходящего через рабочую зону битума (Рис. 11.-Рис. 12.).

Предложенное технологическое ультразвуковое оборудование позволяет в заводских условиях получать результаты, сопоставимые количественно с величинами, полученными при лабораторных экспериментах. Это было подтверждено измерением диэлектрической проницаемости битума, обработанного на экспериментально-производственном стенде. Повышение диэлектрической проницаемости битума после ультразвуковой обработки по отношению к диэлектрической проницаемости битума, который не подвергался ультразвуковой обработке, составляло для амплитудного режима излучения £ = 5 мкм 28%, для \ = 0,3 мкм 6%, для ^ = 2 мкм 8% и для £ = 10 мкм менее 1%. Для сравниваемых амплитудных режимов обработки максимальные значения диэлектрической проницаемости битума достигались за 60 секунд озвучивания и с увеличением продолжительности ультразвуковой обработки до 90 секунд практически не изменялись. На всех сравниваемых амплитудных режимах ультразвуковой обработки озвучивался одинаковый объём битума, равный 600 см3.

1 - ёмкость для битума с механической мешалкой; 2 - ультразвуковая установка; 3 - насосная установка; 4 - электрический щит управления; 5 - частотный регулятор; 6 - блок регистрации температуры и давления; 7 - ультразвуковой генератор; 8 - блок регистрации режима работы

ультразвуковой установки. Рис. 11. Экспериментальный участок ультразвуковой обработки битума на АБЗ ЗАО «Союз-Лес»

/ ' "Э"

/ 1м3\

1 - «рабочая» ёмкость с битумом; 2 - «экспериментальная ёмкость для приготовления битумного вяжущего; 3 - битумная магистраль завода 4 - основной насос; 5 - насос экспериментальной установки; 6 - трёхходовые краны; 7 - ультразвуковая установка; 8 - датчик температуры; 9 - датчик давления

Рис. 12. Гидравлическая схема опытно-производственного участка ультразвуковой обработки битума

Практическое применение разработанного технологического оборудования осуществлялось при выпуске ряда партий асфальтобетонных смесей, использованных для устройства верхних слоев дорожных одежд на ряде участков МКАД. Производство асфальтобетонной смеси проводилось по стандартной технологии, за исключение предварительной обработки битума ультразвуком перед подачей в смеситель. Укладка экспериментальных смесей, изготовленных на обработанном ультразвуком битуме, проводилась подрядной организацией ООО МИП «МАДИ-ДТ» на объекте МКАД, внешняя сторона, 88+470 - 87+960,5 (ряд 1,2), 88+480 -87+988 (ряд 4,5) в соответствии с государственным контрактом от 16.11.2010г. № 1314-ДЖКХ/10. Результаты мероприятий по мониторингу возведенных покрытий представлены в таблице 3.

Табл. 3 Результаты оценки эксплуатационного состояния объекта

№ Дефект верхнего слоя До начала работ (ноябрь 2010 г.) После работ Диагностика

п/п дорожного покрытия (декабрь 2010 г.) (август 2011 г.)

1 Трещины Продольные, поперечные, сетка отсутствуют Отраженные трещины 153,5 п.м.

2 Выкрашивание есть отсутствует отсутствует

3 Шелушение есть отсутствует отсутствует

4 Колея 20-50 мм отсутствует 4-8 мм

5 Выбоины есть отсутствуют отсутствуют

6 Просадки отсутствуют отсутствуют отсутствуют

7 Кромки швов (спайки) - удовлетворительные удовлетворительные

Экономический эффект от внедрения технологии ультразвуковой обработки битума достигается за счет повышения качества битума, выраженного в увеличенной адгезии и сниженной вязкости, что позволяет снизить расход вяжущего при производстве асфальтобетонных смесей, а также отказаться от применения дорогостоящих адгезионных добавок.

Результаты анализа технико-экономических показателей ультразвуковой обработки битума позволяют установить снижение себестоимости смеси по сравнению с использованием аналогичных составов на адгезионных добавках на 4,64 % (123,74 руб.) на I тонну асфальтобетонной смеси.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1) Обосновано эффективное применение ультразвуковой обработки для повышения адгезии - битума при производстве асфальтобетонных смесей, показано, что разрушение асфальтенов с помощью ультразвукового воздействия способствует повышению адгезии битума к материалам кислотных групп.

2) Установлено, что наиболее эффективному распределению свободных радикалов на поверхности каменного материала способствует возникновение в битуме кавитационных пузырьков и акустических течений различного масштаба.

3) Разработаны оптимальные режимы работы ультразвукового оборудования - частота 22 кГц, амплитуда колебательного смещения 5 мкм., продолжительность обработки - 60 сек.

4) Рассчитана величина силового воздействия, оказываемая на битум кавитационным пузырьком, равная 50-12500 нм.

5) Разработана методика для определения диэлектрической проницаемости битума при рабочих температурных режимах в обрабатываемом ультразвуком технологическом объёме.

6) Получена двухфакторная математическая модель зависимости диэлектрической проницаемости битума от продолжительности и амплитуды колебательных смещений ультразвуковой обработки, необходимая для оптимизации режимов обработки.

7) Установлено, что ультразвуковая активация битума позволяет сократить содержание вяжущего в смеси на 0,5%, что сказывается на экономии средств при производстве асфальтобетонных смесей.

8) Показано, что асфальтобетон, изготовленный на обработанном ультразвуком битуме, вследствие высокой адгезии битума к минеральному материалу обладает повышенным на 10-15% коэффициентом водостойкости.

9) Смонтирована технологическая линия для ультразвуковой обработки битума на АБЗ ЗАО «Союз-Лес», произведен выпуск опытных партий смесей, использованных при укладке экспериментальных участков покрытия.

10) Установлена стойкость материала к возникновению основных дефектов, свойственных асфальтобетонным покрытиям посредством мониторинга состояния экспериментальных участков покрытия на МКАД.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Васильев Ю.Э. . Механохимическая активация битума / Ю.Э. Васильев, В.М. Юмашев, И.В. Субботин // Промышленное и гражданское строительство № 2 - Москва, 2010, с.38-39

2. Калачев Ю.Н. Контроль процесса ультразвуковой обработки битума на асфальтобетонных заводах / Ю.Н. Калачев, Р.И. Нигметзянов, И.В. Субботин // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности - Москва, 2011, с.20-24

3. Субботин И. В. Применение ультразвуковой активации битума на асфальтобетонных заводах //Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012- Ид. номер ФГУП НТЦ "Информрегистр" 0421100136008. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/27tvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.

Полученные патенты:

4. Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Субботин И.В. Функциональный комплекс для приготовления асфальтобетонной смеси (варианты) // Патент на полезную модель № 96787

5. Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Субботин И.В. Функциональный комплекс для приготовления сероасфальтобетона (варианты) // Патент на полезную модель № 98940

6. Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Субботин И.В. Функциональный комплекс для приготовления композиционной асфальтобетонной смеси (варианты) // Патент на полезную модель № 96505

7. Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Субботин И.В. Функциональный комплекс для приготовления композиционного сероасфальтобетона (варианты) // Патент на полезную модель № 96506

8. Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Морщилов М.В., Юмашев В.М., Цесарь А.А, Штефан Ю-В., Субботин И.В. Функциональный комплекс для приготовления литой асфальтобетонной или иной битумоминеральной смеси // Патент на полезную модель №92419

Публикации в других научных изданиях:

9. Петрянин Б.И. Механоактивация битума и асфальтовяжущего вещества / Б.И. Петрянин, И.В. Субботин // Наука и техника в дорожной отрасли №4 - Москва, 2009, С.17-19

10. Субботин И.В. Ультразвуковая активация битума для повышения качества дорожного асфальтобетона. // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008» - Новочеркасск, 2008, с.589-590

11. Васильев Ю.Э. Методы регулирования свойств битума путём механоактивации. / Ю.Э. Васильев, Ю.В. Штефан, И.В. Субботин // Проблемы современного строительства, сборник научных трудов - Пенза, ПГУАС, 2009, с. 190-194

12. Васильев Ю.Э. Механохимическая активация битума при производстве асфальтобетонных смесей / Ю.Э. Васильев, И.В. Субботин // Материалы X научно-исследовательской конференции студентов строительных специальностей - Москва, 2009, с.33-38

13. Петрянин Б.И. Улучшение качества асфальтобетона: ультразвуковая обработка структурообразующих компонентов / Б.И. Петрянин, И.В. Субботин // Мир дорог №42 - Санкт-Петербург, 2009, с.64-67

14. Приходько В.М. Развитие кавитации в разогретом битуме / В.М. Приходько, Ю.Н. Калачёв, А.Н. Шаламов, И.В. Субботин // Сборник докладов XXII сессии Российского акустического общества - Москва, 2010, с.61-64

15. Калачев Ю.Н. Развитие кавитации в разогретом битуме / Ю.Н. Калачёв, А.Н. Шаламов, И.В. Субботин // Мир дорог №50 - Санкт-Петербург, 2010, с.

Подписано в печать: 13.11.2012 Тираж 100 экз. Заказ №9010 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский пр-т д.74 (495)790-74-77 www.reglet.ru