автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Разработка и внедрение систем транспортировки, хранения и подготовки битума в дорожном хозяйстве

ЗАО «НОМБУС», г. Омск НП «Уральский Межакадемический Союз», г.Екатеринбург

На правах рукописи

/у

-

Скрипкин Александр Дмитриевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ ТРАНСПОРТИРОВКИ, ХРАНЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ БИТУМА В ДОРОЖНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность: 05.25.07 — исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

н - Ж ^ КОЯ 2ССЗ

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Дмитриев Владимир Николаевич Научный консультант - доктор экономических наук, профессор

Кошкаров Евгений Васильевич

Екатеринбург - 2009

003482475

Официальные оппоненты:

- член-корреспондент РАЕН, доктор технических наук, профессор СМИРНОВ Геннадий Борнсовнч

- кандидат технических наук, доцент КРУЧ И ЛИН Игорь Николаевич

Защита состоится 27 ноября 2009г. в 15-00 на заседании Диссертационного Совета

Д 098.07 PCO ММС 096 по адресу:

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. Ф 303.

С диссертацией в виде научного доклада и техническими материалами можно ознакомиться в Уральском Межакадемическом Союзе.

Диссертация в виде научного доклада разослана 27 октября 2009г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета, профессор, к. ф.-м. н.

В.И. Рогович

! /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми Разработка и внедрение новых технологий при строительстве и ремонте автомобильных дорог, особенно с использованием местных дорожно-строительных материалов и нового технологического оборудования, является актуальной задачей для дорожного хозяйства.

В нашей стране ускоренными темпами развивается транспортная отрасль. Это полностью относится к региону Среднего Урала и Западной Сибири. Модернизируются при реконструкции и капитальном ремонте федеральные и региональные автотрассы: Екатеринбург - Тюмень, Пермь - Екатеринбург, Екатеринбург - Нижний Тагил - Серов и многие другие. Строятся обходы крупных городов (Екатеринбурга, Тюмени, Челябинска). Вводятся участки завершаемого строительством северного транспортного коридора: Пермь -Ханты-Мансийск - Нижневартовск - Томск. Основной тип покрытия на всех строящихся и ремонтируемых автодорогах - асфальтобетон. Поэтому необходимо развивать и модернизировать производственную базу дорожного хозяйства на основе передовые битумных и асфальтобетонных технологий, соответствующих современным требованиям к дорожным покрытиям и материалам, увеличивающимся транспортным нагрузкам, разрабатывать и внедрять новое энерго- и битумосберегающее технологическое оборудование для транспортировки, хранения и подготовки битума на АБЗ и битумных базах дорожного хозяйства.

Диссертационная работа базируется на работах отечественных и зарубежных научных школ: фундаментальных работах академика Ребиндера П.А., прикладных исследованиях СОЮЗДОРНИИ, РОСДОРНИИ, МАДИ, СибАДИ и других организаций. Использованы зарубежные научно-технические разработки корпораций и фирм: «Беннигхоффен», «Акзо Нобель», «Тельтомат», «Линтек». Большой вклад в теоретическое обоснование и практическое развитие асфальтобетонных покрытий и технологий внесли ученые-дорожники Рыбьев И.А., Королев И.В., Гезенцвей Л.Б., Леонтьев В.П., Кирюхин Г.Н, и другие.

Объект исследования — технологии транспортировки, хранения и подготовки битумов, асфальтосмесительные установки и АБЗ с различной номинальной производительностью.

Предмет исследования - оборудование для транспортировки, хранения и подготовки битумов, его разработка и практика опытно-промышленной эксплуатации, компонентный состав битумов, характеристики асфальтосмесительных установок и условия транспортировки битумной продукции.

Цель работы - развитие теории и практики транспортировки, хранения и подготовки битумов на основе технологий, обеспечивающих сохранность их свойств, с учетом оптимального размещения битумных баз и асфальтобетонных заводов. .

Основные задачи:

1. На основе анализа и оценки существующих разработок и нормативов развить и обосновать новые эффективные и ресурсосберегающие технологии транспортировки, хранения и подготовки битумов на асфальтобетонном заводе и битумных базах и внедрение их в практику дорожного строительства Урала и Сибири.

2. Произвести оценку изменения физико-химических свойств битумов в объеме при изотермическом процессе прогрева.

3. Оптимизировать схему размещения производственных асфальтобетонных баз.

4. Разработать нормативные документы, обеспечивающих внедрение новых дорожных материалов и технологий в дорожном хозяйстве.

5. Оценить технико-экономическую эффективность технологических решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка состояния проблем по технологиям транспортирования, хранения и подготовки битума. Концепция внедрения ресурсосберегающих и энергосберегающих битумных технологий.

2. Новое оборудование для транспортировки, хранения и подготовки битума, в том числе модифицированного, внедренное на объектах дорожного хозяйства.

3. Алгоритм решения задачи по оптимизации размещения асфальтобетонных заводов.

4. Нормативные документы по новым технологиям.

5. Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения новых технологий, используемых при подготовке битума и производстве асфальтобетонных смесей в дорожном хозяйстве.

6. Способ и методика определения компонентного состава битумных вяжущих, и оценка его изменения в процессе термостатирования битума.

Научная аовизяа:

1. Разработана и зарегистрирована в гос.рееотре новая методика исследования компонентного состава битума и проведена оценка изменения свойств битумов в процессе их термостатирования (прогрева в объеме). Получены новые зависимости изменения свойств битумов, использованные при разработке технологии подготовки и хранения битумов на АБЗ и битумных базах.

2. Созданы новые технологические линии по транспортировке, хранению и подготовке битума, в том числе модифицированного, обеспечивающие сохранность его первоначальных свойств. Разработано новое оборудование для транспортировки, хранения и подготовки битума на АБЗ и битумных базах.

3. Решена задача по оптимизации территориального расположения асфальтобетонных заводов (АБЗ) в зависимости от их производительности. Определено эффективное плечо транспортировки смесей - до 200 км (при производительности установки 160 т/час).

4. Предложена новая методика оценки экономического эффекта от внедрения новых битумосберегающих технологий, используемых при производстве асфальтобетонных смесей, позволяющая обосновать внедрение нового оборудования битумных баз и АБЗ за счет улучшения качества и увеличения долговечности асфальтобетонных покрытий.

Эмпирическая база диссертации включает результаты изучения отечественного и зарубежного опыта, научных исследований и практического внедрения разработок, проведенные автором на предприятиях дорожной отрасли.

В качестве информационной основы использованы результаты исследований в области транспорта и дорожного хозяйства, выполненные в научно-исследовательских, проектных и образовательных учреждениях: «Уральском государственном лесотехническом университете» (кафедра «Транспорта и дорожного строительства»), РОСДОРНИИ, СОГУ «Управление автомобильных дорог», ЗАО «НОМБУС», материалы информационных центров («Информавтодор», «ЦНИИТЭНефтехим») и нормативно-техническая база по строительству и ремонту автомобильных дорог, труды автодорожных университетов: МАДИ (ГТУ), г.Москва, СибАДИ, г. Омск, ХАДИ, г.Харьков, зарубежные научно-технические разработки корпораций и фирм: «Беннигхофен», «Акзо Нобель», «Тельтомат», «Линтек» и ДР-

Практическая значимость заключается в разработке технологий и оборудования, используемых при производстве асфальтобетонных смесей на предприятиях дорожной отрасли. Алгоритм решения задач по оптимизации размещения производственных баз применятся при разработке проектной документации.

Результаты научно-исследовательских и практических работ использованы СОГУ «Управление автомобильных дорог» и строительными организациями, расположенными на территории Урала и Западной Сибири, при производстве асфальтобетонных смесей, строительстве автомобильных дорог федерального и территориального значения.

Разработанные технологические линии, новое битумное оборудование использованы на предприятиях: ЗАО «Мелиострой», Сухоложская БЭБ, ООО «Магистраль», ЗАО «Жасмин» Свердловская обл., ООО «Завод Гарант» г. Екатеринбург, Ялуторовское ДРСУ Тюменская обл, Тюкалинское ДРСУ Омская обл, ОАО «Кемеровоспецстрой» г. Кемерово, ОАО «ТОДЭП» Голышмановское ДРСУ Тюменская обл., ОАО «ТОДЭП» Исетское

Тюменская обл., ОАО «ТОДЭП» Омутинское Тюменская обл., ОАО «ТОДЭП» Тобольское Тюменская обл., КТ «Пермская ДПМК» г. Пермь, ЗАО «Аэродромдорсторой» г. Магадан, ЗАО «Трест Камдорстрой» г. Набережные Челны, ООО «Барено-Групп» г. Москва, ЗАО «Труд» г. Иркутск, ООО «Инжтрансторой» г. Москва.

Методы исследования: системный анализ, методика определения компонентного состава битумов с использованием тонкопленочной хроматографии с ионизационным детектором (метод «Ятроскан»), теория прочности, теория теплообмена, экспериментальные лабораторные исследования, теория планирования эксперимента, опытного внедрения инновационных разработок, графическое моделирование, технико-экономические расчеты.

Научные труды: по теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на научно-технических конференциях, семинарах! I Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26 мая 2006, г. Омск; Международной научно-технической конференции,' 17-18 апреля 2008, г. Пермь; Научно-технический семинар г.Омск, 2006; Научно-техническая конференция "«Новое оборудование и технологии в производстве материалов для строительства и ремонта автомобильных дорог» г.Омск, 2008; на региональных научно-технических Конференциях по повышению качества дорожного строительства и инновациям дорожного хозяйства, г.Екатеринбург, 2005-2009гг.

В качестве генерального директора ЗАО «НОМБУС» автором апробированы конструкторские, и научно-технические положения диссертации при внедрении в практику дорожного строительства на предприятиях дорожного хозяйства Свердловской области и Западной Сибири, при разработке учебно-производственных планов и программ производственных практик учащихся вузов, при планировании и проведении ежегодных семинаров для руководителей и специалистов дорожной отрасли.

Реализация в промышленности и дорожном хозяйстве.

Разработанная технология, оборудование и образцы продукции удостоены призовых номинаций и дипломов на выставках научно-технической продукции и промышленных образцов «Дороги России XXI века», региональных выставках-ярмарках дорожного хозяйства. Оборудование (резервуары, битумные емкости, теплообменники, теплогенераторы, контейнеры для перевозки битумов, сливное устройство) прошли государственную сертификацию продукции. Внедрены в производство на 8 битумных базах и АБЗ дорожного хозяйства (Урал, Сибирь). Получены три патента: «Устройство для хранения, транспортирования и разогрева битума» (полезная модель). Патент № 5996 от 6.01.1997, РОСПАТЕНТ, 1997; «Программа управления асфальтосмесительной установкой» (программа для ЭВМ) Свидетельство № 2002610678 от 06.05.2002, РОСПАТЕНТ, 2002; «Резервуар для хранения битума» (полезная модель). Патент РФ № 36108 от 24.06.2003, ФИПС, 2003.

Разработанные технологические линии, оборудование и научно-технические разработки использованы СОГУ «Управление автомобильных дорог», дорожно-строительными организациями Урала и Западной Сибири при проектировании, техническом оснащении и создании производственных баз дорожного хозяйства.

Введено в эксплуатацию 12 битумных баз, 18 асфальтобетонных заводов, более 140 теплообменников марки АНТ, 254 горизонтальные и 61 вертикальная емкость хранения-разогрева битума объемом 50м3, более 2500 контейнеров для хранения и транспортировки битума.

Личное участие автора заключается в разработке, научно-техническом обосновании и внедрении предлагаемых технологий и оборудования по транспортировке, хранению и подготовке битума, в том числе модифицированного; руководство и непосредственное участие в создании и осуществлении методик проведения экспериментальных и лабораторных исследований; в анализе полученных научно-исследовательских результатов

по изучению старения битума в процессе воздействия температурно - временных факторов; руководство опытно-конструкторскими и проектными разработками.

Структура диссертации. Структура программ и проектов по теме диссертации, отражающая логику исследований теории и практики транспортировки, хранения и подготовки битумов на основе технологий, обеспечивающих сохранность их свойств, с учетом оптимального размещения асфальтосмесительных установок по производству смесей представлена на рис. 1.

Программа 1. Анализ и оценка проблематики производства асфальтобетонных смесей, условий транспортировки, хранения и подготовки битумов, учет изменения их свойств в процессе воздействия температурно-временных факторов (литературно-аналитический обзор).

Программа 2. Исследование процессов старения битумных вяжущих в объеме под действием температурно-временных факторов методом «Ятроскан».

Программа 3. Оптимизация размещения и перебазировки асфальтосмесительных установок (АБЗ), разработка и внедрение нового бобрудования.

Программа 4. Технико-экономическое обоснование внедрения в дорожном хозяйстве новых систем транспортировки, хранения и подготовки битума на АБЗ.

Рис. 1. Логическая структура диссертации (проекты и программы).

Расшифровка проектов:

по программе I; 1.1. Анализ проблематики производства асфальтобетонных смесей. 1.2. Особенности технологий и конструкций оборудования, используемых при транспортировке, хранении и подготовки битумов; 1.3. Изменение свойств и структуры битумных вяжущих в процессе старения и методики их оценки. 1.4. Анализ отечественного и зарубежного опыта исследований битумных материалов.

по программе 2: 2.1. Методика оценки компонентного состава битумных вяжущих; 2.2. Исследование процессов старения битумных вяжущих в объеме под действием температурно-временных факторов методом «Ятроскан».

по программе 3: 3.1. Разработка критерия оптимизации перебазировки асфальтосмесительных установок; 3.2. Исследование имитационной модели оптимизации перебазировки асфальтосмесительных установок. 3.3. Создание и внедрение нового оборудования.

по программе 4: 4.1 Разработка методики оценки эффективности внедрения в дорожном хозяйстве новых технологий оснащения битумных баз и АБЗ; 4.2 Оценка эффективности внедрения в дорожном хозяйстве новых битумных технологий (на примере Сухоложской БЭБ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Программа 1. Анализ и оцепка проблематики: производства асфальтобетонных смесей, условий транспортировки, хранения и подготовки битумов, учет изменения их свойств в процессе воздействия температурно-временных факторов (литературно-аналитический обзор).

Проект 1.1. Анализ проблематики производства асфальтобетонных смесей. Асфальтобетон является одним из наиболее распространенных видов материалов, используемых для устройства конструктивных слоев дорожных и аэродромных одежд. Вместе с тем, как показывает практика эксплуатации асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, в ряде случаях не обеспечиваются их нормативные сроки службы. К причинам такого рода положения следует отнести не только комплексное воздействие на асфальтобетон в покрытии погодно-климатических и механических факторов, но и предысторию асфальтового бетона. В первую очередь это учет качественных характеристик применяемых минеральных материалов и органических вяжущих.

Свойства асфальтобетона, как сложного реологического тела с четко выраженной структурой, определяется составом и количеством компонентов, структурой минерального остова и состоянием связей на границе раздела компонентов, составляющих материал. Каждая из составляющих состава асфальтового бетона несет определенную функцию в процессе формирования и последующей эксплуатации асфальтобетона в покрытиях. Особое значение, а, следовательно, и требования предъявляются к битумным вяжущим.

Известно, что окисленные битумы, широко применяемые в практике дорожного строительства, склонны к старению. Катализатором интенсивности старения выступает температура и кислород воздуха.

В настоящее время около 80% битумов транспортируется за пределы регионов их непосредственного производства. При этом выпуск битума носит явно выраженный сезонный характер, когда его основная масса производится в весенне-летний периоды. Все выше перечисленное неизбежно приводит к необходимости транспортирования вяжущих на значительные расстояния, периодического накопления, и хранения и, соответственно, последующей их подготовки для производства асфальтобетонных смесей, В результате чего битум в течение довольно длительного времени находится в неблагоприятных, условиях. Требованиями СНиП 3.06.03-85 ограничивается только время хранения битума при рабочей температуре (не более 5 час) и указывается, что при необходимости более длительного хранения температуру вязкого битума необходимо снизить до 80 °С и хранить не более 12 часов. Для технологической стадии подготовки вяжущих и длительности нахождения битума при транспортировке каких-либо ограничений не устанавливается. Последствиями влияния данных факторов неизбежно сказывается на свойствах битумов. Как говорят, битум «стареет». Соответственно и изменяются свойства асфальтобетонных смесей. Снижается их трещиностойкость, корозионно (водо, -морозо) стойкости, а в целом долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий.

Экономическим аспектом производства асфальтобетонных смесей является рациональное размещение производственных баз, по выпуску асфальтобетонных смесей. Это в свою очередь зависит от производительности асфальтосмесительных установок. Данный аспект в конечном итоге связан с себестоимостью выпускаемой продукции.

В связи с этим вопрос обеспечения качества битумных вяжущих путем сохранения их первоначальных свойств, является достаточно актуальным. Одним из основных путей решения данных проблем является разработка и внедрение в практику производства асфальтобетонных смесей новых ресурсосберегающих и эффективных технологий. Актуальным и является вопрос оптимизации территориального размещения баз по производству асфальтобетонных смесей, что в конечном итоге позволит получить не только экономический эффект, но и повысит качество асфальтовых бетонов.

Проект 1.2. Особенности технологий и конструкций оборудования, используемых при транспортировке, хранении и подготовки битумов.

Основными поставщиками битума дорожным организациям являются нефтеперерабатывающие заводы, расположенные, как правило, в крупных индустриальных центрах и в ряде случаев удаленных от основных районов потребления. Производство битумов носит явно выраженный сезонный характер, когда основная масса битума производится в весенне-летний периоды.

Все выше перечисленное неизбежно приводит к необходимости транспортирования вяжущих на значительные расстояния, периодического накопления и хранения и, соответственно, последующей их подготовки для производства асфальтобетонных смесей. В результате чего битум в течение довольно длительного времени находится в неблагоприятных условиях. К ним можно отнести нахождения битума при повышенных температурах длительное время, возможность обводнения, взаимодействие с окружающим воздухом, локальный перегрев в местах контакта с нагревательными элементами. Без сомнения последствиями влияния данных факторов неизбежно сказывается на свойствах битумов.

Некоторые из причин, вызывающие старение битума, являясь субъективными факторами, могут быть устранены конструктивными решениями, направленными в первую очередь на рациональное проектирование оборудования предназначенного для транспортирования, временного и/или длительного хранения битума и его подготовки для дальнейшего использования. Другие причины носят объективный характер, обусловленные самой природой битума.

Традиционной схемой поставки битума на значительные расстояния является использование железнодорожных цистерн. При определенных условиях битум, отпускаемый с нефтеперерабатывающих заводов, может находиться значительное время (5 и более суток) при повышенных температурах. Данный факт предопределяет протекание процессов полимеризации, являющихся одними из факторов старения, и влияющих на изменение химической формулы вяжущих. Слабым местом при использовании данного вида транспортировки является откачка поставляемого материала. Данная технологическая операция предусматривает нагрев битума, последующую перекачку в битумохранилище. В данном аспекте традиционно применяемые технологии не могут исключить попадание влаги и загрязняющих примесей. По существу применяемые способы перекачки в большинстве случаях относятся к энергоемким процессам.

На стадии подготовки битума, включающий его нагрев в приямке битумохранилища, обычно до температуры 60-80 °С, перекачивание в рабочий котел асфальтосмесительной установки, выпаривание и доведение до рабочей температуры, которая в зависимости от марки вяжущего составляет 130 - 150 °С с дальнейшим его использованием при производстве асфальтобетонных смесей. Каждая из этих стадий имеет определенные температурно-временные параметры и, следовательно, различную степень влияния на конечные физико - химические свойства вяжущего. Как показывает производственный опыт, продолжительность данной стадии зависит от ряда факторов, в том числе, от количества влаги в битуме, условий нагрева, технологии перекачки, площади поверхности «зеркала» и т. п.

Если битум хранят в рабочих емкостях при высокой температуре, то происходит незначительное изменение его свойств. Это происходит потому, что поверхность битума, открытая для воздействия кислорода, небольшая по сравнению с его достаточно большим объемом. Однако если битум циркулирует и подается из трубопровода в верхнюю часть емкости к поверхности битума, то происходит значительное изменение его свойств из-за окисления. Этот факт объясняется тем, что площадь поверхности битума, подаваемого из трубопровода при циркуляции, будет довольно большой, и появляется возможность реакции кислорода с битумом.

Следует отметить, что в отечественной и зарубежной практике для разогрева битума чаще всего используются пар и электроэнергия, а также битумоплавильные котлы с

жаровыми трубами. Использование выше приведенных способов в ряде случаях не совсем оправдано ни с экономической, ни с качественной стороны.

Для предотвращения, или по крайне мере снижения процессов старения битумов на технологическом этапе его подготовки в производстве асфальтобетонных смесей необходимо проведение комплекса мероприятий, в первую очередь направленных на обеспечение более плавного и щадящего режима нагрева вяжущего, сокращения времени его подготовки, сведение к минимальному контакту с воздухом. Решение данных вопросов возможно только путем решения комплекса мероприятий, в первую очередь направленных lia совершенствование (модернизацию) технических решений по системам теплонагрева, перекачки и хранения битума.

Анализ зарубежной и отечественной научной литературы, нормативно-технической документации в дорожном хозяйстве, публикаций «Информавтодора» показал, что вопрос учета изменения свойств битумов в процессе их изотермического прогрева в объеме при проектировании технологических линий по транспортировке, хранении и их подготовки для производства асфальтобетонных смесей не достаточно изучен. Как следствие в ряде случаях выбор технологии носит случайный характер, а с учетом применения морально или материально устаревшего оборудования качество выпускаемой продукции в ряде случаях не соответствует требованиям.

Проект 1.3. Изменение свойств и структуры битумных вяжущих в процессе старения и методики их оценки.

Результаты косвенных экспериментов свидетельствуют о решающем влиянии битумного вяжущего и прямой функциональной связи между свойствами битума и асфальтобетона.

Как показывают результаты исследований отечественных и зарубежных ученых, старение битума - довольно сложный физико - химический процесс.

Исследования механизма старения битумов позволило выделить основные процессы, вызывающие необратимые изменения состава и их свойств:

- испарение летучих составляющих, происходящее в поверхностном слое битума незначительной толщины и зависящее от содержания в битуме легколетучих компонентов, вязкости и температуры его нагрева;

- полимеризация, связанная с воздействием тепла даже при отсутствии кислорода, степень полимеризации определяется температурой и временем воздействия тепла;

- поликонденсация, происходящая под воздействием кислорода;

- оксиполимеризация компонентов битума, происходящая главным образом на внешней поверхности вяжущего, подвергающейся действию света или ультрафиолетовых лучей.

Данный механизм в прямой степени относятся к процессам старения битумов, протекающих на стадиях его транспортировки, хранения, подготовки и, без сомнения, при производстве асфальтобетонных смесей.

В настоящее время свойства битумов принято оценивать физико-химическими показателями в соответствии с требованиями ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Технические условия. Однако данные показатели, характеризующие свойства битумов, в ряде случаях носят условный характер. К примеру, анализ результатов серии испытаний битумов, выполнявшихся в течение двух лет, позволил сделать основное заключение, что при одинаковой условной вязкости (пенетрации), определяемой при 25°С, битумы имели различные компонентные составы.

Считается, что решающее влияние на качество дорожных битумов и, как следствие, асфальтобетонов оказывает соотношение составляющих их компонентов.

А. С. Колбановская теоретически обосновала существование трех типов дисперсных структур в нефтяных битумах независимо от природы нефти, качества исходных нефтяных фракций и технологии получения. Проведенные исследования позволили установить оптимальную дисперсную структуру битума для производства асфальтобетонных смесей и устройства из них покрытий - III структурный тип. Битумы данного структурного типа

должны содержать следующие компоненты: асфальтены в пределах 21-23%; смолы - 3034%; углеводороды - 45-49%. Данный структурный тип является оптимальным и сочетает в себе достоинства I и II структурных типов.

Многочисленные отечественные и зарубежные исследования показали, что под воздействием температурно-временных факторов происходит изменение компонентных составов битумов. Следовательно, для комплексной оценки свойств битумов необходимо иметь данные не только о физико-механических свойствах в соответствии с ГОСТ 22245-90, но и знать структурный тип, к которому они относятся.

Проект 1.4. Анализ отечественного и зарубежного опыта исследований битумных материалов.

Существуют следующие способы и методики определения группового (компонентного) состава - воздействие селективных растворителей, адсорбционная хроматография, термодиффузия, электрическое осаждение, аддукция мочевиной, спектроскопия, электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонанс, люминесцентный анализ. Все вышеперечисленные способы имеют ряд недостатков. В большинстве случаях они очень трудоемки, требуют значительного времени на проведение испытаний и обработку полученных данных.

Определение компонентного состава битумов методом тонкопленочной хроматографии с ионизационным детектором (метод «Ятроскан»), разработанный В. Тойгельсом и получившему развитие в германском НИИ «Химии и технологии продуктов переработки нефти».

Преимущество метода «Ятроскан» заключается в простоте подготовки и быстром получении результатов, характеризующихся хорошей воспроизводимостью. За два часа можно испытать три пробы битума. Система очень чувствительная, нижний предел чувствительности находится в диапазоне 1*10"' (нанограмм). Функционирование прибора, фиксирование полученных данных и количественная их обработка осуществляется в автоматическом режиме.

Исследованиями по проблемам изменение свойств битумов под действием температурно-временных факторов посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Лысихиной А. И, Колбановской А. С, Руденского А. В, Печеного Б. Г, Розенталя Д А, Фрязинова В. В, Золотарева В. А, Довыдовой А. Р, Королева И. В, Гезенцвея Л. Б, Худяковой Т. С, Ахметовой P.C., Арамбид Ж., Доза М., Андерсон М., Браун Е.

Программа 2. Исследование процессов старении битумных вяжущих в объеме под действием температурно-временных факторов методом «Ятроскан».

Проект 2.1. Методика оценки компонентного состава битумных вяжущих.

Дополнительное оборудование к анализатору тонкослойной хроматографии (TLC) и системы пламенной ионизации (FID) марки «JTROSKAN МК.-5» (рис. 2) представлено прибором для нанесения проб модели SES 3200/IS02, проявочными камерами TLS, набором кварцевых стержней (хромародов), сушильной камерой, кассетой для удерживания стержней SD-5. Оценка и обсчет полученных результатов производится с помощью программного обеспечения SES - Chromstar.

Методика определения компонентного состава битумов состоит из следующих основных операций.

Битумная проба предварительно растворяется в тетрогидрофуране в соотношении 20мгр/мл.

Полученный раствор с помощью прибора для нанесения проб модели SES 3200/IS02 наносится кратное число раз на ряд стержней (хромародов) покрытых S1O2 так, чтобы получить пятно не шире 2-Змм. Кварцевые стержни (хромароды) в количестве до десяти штук располагаются в специальной удерживающей кассете.

Затем в течение 1-2,5 минут производится сушка стержней с нанесенными на них пробами в специальной сушильной камере при температуре 40-60°С.

Для разделения битумной пробы приготавливаются три вида выделяющих растворителя:

- n-гептан;

- толуол/ n-гептан (в процентных соотношениях 80/20);

- дихлорметан/метанол (в процентных соотношениях 95/5).

яопасктдодоеттрсса

ллнипи упрлап&тя водшчздо* м воздуха*

Рис. 2. Общий вид анализатора тонкослойной хроматографии (TLC) и системы

пламенной ионизации (FID) марки «JTROSKAN МК-5» (по разработанной методике).

Каждый из приготовленных растворов объемом 70мл заливается в определенную проявочную камеру, чтобы обеспечить насыщение объема газовой фазой.

Удерживающую кассету с расположенными в ней кварцевыми стержнями (хромародами) для обеспечения разделения битумной пробы последовательно помещают в каждую из проявочных камер. Время выдержки при применении растворителя n-гептан -25мин, толуол/ n-гептан - 7мин, дихлорметан/метанол -2,5мин. Между отдельными стадиями разделения стержни в течение 1-2,5мин сушились в сушильном шкафу при температуре 40-60°С.

В первой проявочной камере разделение пробы битума производится на высоту 9,0см, во второй - до 5см и в последней - до 2,5см.

Насыщенные фракции проявляются до 9 см в первой ванне, чтобы избежать превышение отметки 10см, где начинает сканировать ионизационный детектор. Проявление 5 см во второй ванне ставит ароматику в такое положение, чтобы она не перекрывалась углеводородами и смолами, то есть их пиками на хроматограмме.

Приготовленные таким образом стержни располагались в сканирующей рамки анализатора тонкослойной хроматографии (рис.2).

Ионизационный детектор (FID) работает при расходе водорода 160мл/мин и при расходе воздуха 2л/мин.

При проведении сканирования, органические компоненты, выделенные из нанесенной пробы, ионизируются энергией водородного пламени. Величина потока регистрируются аппаратом обработки данных (интегратором).

Интегратор производит нелинейную калибровку и позволяет распечатать калибровочную кривую для ее дальнейшей оценки. Данная система позволяет установить режим автоматического расчета пиковых площадей, высот и затем вывести получаемые

результаты с указанием числовых значений и времени задержки (прохождения процесса) на принтер.

Результаты научных и практических исследований, проведенные автором, позволили зарегистрировать анализатор «ЛКОБКЛ^ч МК-5» как средство измерения в Государственном реестре.

Проект 2.2. Исследование процессов старения битумных вяжущих в объеме под действием температурно-времснных факторов методом «Ятроскан».

Для проведения научных исследований по оценке изменения компонентного состава и физико-химических свойств органического вяжущего в зависимости от условий, соответствующих подготовке, хранению и его транспортировки, был выбран битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90М30 выпускаемый НПЗ г. Омска, отвечающий требованиям ГОСТ 22245-90. Результаты оценки физико-механичесих свойств представлены в табл. 1-3, а компонентного состава в табл. 4-6.

Таблица 1- Изменение физико-химических свойств битума марки БНД90Ш0 в процессе его термостатирования в объеме без доступа кислорода воздуха при температуре 140°С (вновь полученное)_

№ Время Физико-химические показатели

термо- Глубина Растяжимость, Температура Изменение Температура Индекс

статиро- проникания см размягчения температу- хрупкости, пенет-

вания, иглы,мм"' по КиЩ, °С ры размяг- °С рации

час при при при при чения

25« С 0°С 25° С 0°С

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 0 97 35 >100 4,7 45,5 4,8 -30,0 -0,72

2 5 96 35 >100 4,7 46 4,7 -25,9 -0,61

3 24 93 31 >100 4,3 47 4,2 -25,9 -0,36

4 48 86 31 >100 4,1 46,8 4,1 -25,0 -0,64

5 120 68 26 64,8 3,6 49,8 3,6 -25,0 -0,67

Таблица 2 - Изменение физико-химических свойств битума марки БНД90\130 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С (вновь полученное)_

№ Время Физико-химические показатели

термо- Глубина Растяжимость, Температура Изменение Температура Индекс

статиро- проникания см размягчения температу- хрупкости, пенет-

вания, иглы,мм"' по КиШ, °С ры размяг- "С рации

час при при при при чения

25° С 0°С 25° С 0°С

[ 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 0 97 35 >100 4,7 45,5 4,8 -30,0 -0,72

2 5 97 29 >100 4,8 45,8 4,7 -25,9 -0,64

3 24 89 32 >100 3,9 47,4 3,4 -25,9 -0,34

4 48 75 29 87,5 3,8 47,3 3,8 -25,0 -0,91

5 120 66 24 64,7 3,6 49,7 3,6 -24,0 -0,66

Анализ представленных в табл. 1,2 данных свидетельствует о закономерном изменении физико-химических свойств битума в процессе его прогрева в объеме. Интенсивность изменения свойств зависит от созданных условий. Наименьшую степень изменения свойств претерпел битум термостатированный в емкости без доступа кислорода воздуха (табл. 1), а наибольшую - при свободном доступе кислорода воздуха (табл. 2). Установленный факт вполне закономерен, так как в первом случае в основном преобладают процессы

полимеризации, в то время как, во втором случае дополнительно накладываются процессы поликонденсации, вызванные свободным доступам кислорода воздуха.

Таблица 3 - Изменение физико-химических свойств битума марки БНД90МЗО в процессе его тсрмостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С и непрерывном перемешивании (вновь полученное)

№ Время Физико-химические показатели

термо- Глубина Растяжимость, Температура Температура Индекс

статиро- проникания см размягчения хрупкости. пенет-

вания. иглы,мм"' по КиШ, °С °С рации

час при при при при

25° С 0°С 25°С 0°С

1 2 3 4 5 6 7 8 9

I 0 97 35 >100 V 45,5 -30 -0,72

2 2,5 78 29 >100 4,3 47,4 -28 -0,8

3 5,0 62 25 >100 3,5 49,4 -27 -1,0

В процессе интенсивного перемешивания битума изменение физико-механических свойств происходит более интенсивно. О чем свидетельствуют данные табл. 3. Так условная вязкость после пяти часов перемешивания примерно соответствует условной вязкости после120 часов термостатирования битума в статическом режиме. Зависимость изменения условной вязкости (пенетрации) битума от продолжительности нахождения в зоне повышенных температур и степени воздействия приведены на рис. 3.

100

95

90

к 85

X

(Я НО

п

н

г /ь

с 70

65

ВО

55

____Без доступа кислорода

у = -0,2374х + 97

Перемешивание

,у = -7,12х + 97

т-к^озэл—

С доступом кислорода ......у = -0,2871 х + 97

(Г = 0,8918

20

40

80

100

120

• Пенетрация без доступа кислор X пенетрация с доступ кислорода

а пенетрация перемешивание Линейный (Пенетрация без доступа кисЛс

— —Линейный (пенетрация с доступ кислорода) - - - Линейный (пенетрация перемешивание]

Рис. 3. Изменение условной вязкости (пенетрации) битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД 90\130 в зависимости от продолжительности нахождения в зоне повышенных температур и степени воздействия (новое)

Математическая обработка графиков (рис. 3) показывает, что они хорошо аппроксимируются линейными функциями с доверительными интервалами 0,99.

Для битума марки БНД90\130 в процессе его термостатирования в объеме без доступа кислорода воздуха при температуре 140 С:

У=-0,237х + 97 (1)

Для битума марки БНД90М30 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С:

У=-0,2871х + 97 (2)

Для битума марки БНД90М30 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С и непрерывном перемешивании:

У=-7,12х + 97 (3)

Используя зависимости 1 - 3 возможно спрогнозировать изменение марочной вязкости битумов в любом временном промежутке и в зависимости от способов их подготовки, транспортировки и хранения при повышенных температурах, что позволяет выбрать оптимальную технологическую линию при производстве работ. Полученные данные были использованы при конструкторских разработках.

Вполне закономерно и протекание процессов изменения компонентного состава битума в процессе термостатирования (рис. 4, табл. 4-6).

40

15

С доступом кислорода

Перемешивание -у = 1,7064х + 20,8 * RJ= "0,9922

у = 0,1009х + 20,8 R2 = 0,9291

Без доступа киспорода у = 0.0823Х + 20,8

R2 = 0,9328

40

60

время, ч

80

100

♦ асфальтены без доступа кислор х асфальтены с доступ кислорода

4 асфальтены перемешивание -Линейный (асфальтены без доступа

- —Линейный (асфальтены с доступ кислорода) - . - .Линейный (асфальтены перемешивав

Рис. 4. Интенсивность образования асфальтенов в зависимости от условий воздействия на битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 90/130 (новая)

Таблица 4 - Изменение компонентного состава и значения коллоидных индексов битума марки БНД90\130 в процессе его термостатирования в объеме без доступа кислорода воздуха при температуре 140°С (вновь полученное)___

cj га у Содержание компонентов, % Значения коллоидных

№ wf X Л индексов

! Время термостатирова асфальтены смолы ароматические УВ насыщенные УВ £ + < и + < А/(А+С) 1 + Q. < + и

1 0 20,8 30,32 38,87 10,01 2,246 0,407 0,263

2 5 21,12 31,27 37,8 9,81 2,233 0,403 0,268

3 24 22,10 29,73 37,91 10,26 2,090 0,426 0,284

4 48 26,64 26,65 36,83 9,88 1,738 0,500 0,363

5 120 30,06 27,71 32,68 9,55 1,525 0,520 0,430

Таблица 5 - Изменение компонентного состава и значения коллоидных индексов битума марки БНД90Ч30 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С (вновь полученное)

О РЗ

№ «" К X <5 Содержание компонентов, % Значения коллоидных индексов

а

насыщенные УВ >

2 & н « 2 8. я к 8 •& о смолы ароматичес киеУВ § + < и + < и + < £ < й

1 0 20,8 30,32 38,87 10,01 2,246 0,407 0,263

2 5 22,73 31,05 36,55 9,67 2,086 0,423 0,294

3 24 24,05 26,54 38,98 10,43 1,900 0,475 0,317

4 48 27,11 29,35 33,97 9,57 1,726 0,480 0,372

5 120 32,1 25,45 32,97 9,48 1,405 0,558 0,473

Таблица 6 - Изменение компонентного состава битума марки БНД90\130 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С и непрерывном перемешивании (вновь полученное)__.

№ Время термостатирования, час Содержание компонентов, % Значения коллоидных индексов

асфальтены смолы ароматические УВ насыщенные УВ А+С/А+НУ А/(А+С) А/(С+Ар+НУ) |

I 0 20,8 30,32 38,87 10,01 2,246 0,407 0,263

2 2,5 25,53 28,8 35,77 9,90 1,822 0,470 0,343

3 5 29,1 25,91 35,22 9,77 1,573 0,529 0,410

Результатами окислительных процессов, проходящих в углеводородах и смолах битума, является образование высокомолекулярных компонентов - асфальтенов. Следовательно, представляет интерес анализ интенсивности их образования (рис. 4). Математическая обработка графиков показывает, что они также хорошо аппроксимируются линейными функциями с доверительными интервалами 0,93-0,99.

Прослеживается определенная закономерность, которая характерна для рассматриваемых случаев - увеличение содержания асфальтенов при уменьшении содержания смол и ароматических углеводородов и при практически неизменном количестве насыщенных углеводородов. Как и в первом рассматриваемом случае, наиболее интенсивно изменение компонентного состава происходит при термостатировании битума в процессе его интенсивного перемешивания (табл. 6). Получены эмпирические зависимости изменения компонентного состава битумов.

Для битума марки БНД90М30 в процессе его термостатирования в объеме без доступа кислорода воздуха при температуре 140°С:

У=0,085х + 20,8 (4)

Для битума марки БНД90\130 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С:

У=0,1009х + 20,8 (5)

Для битума марки БНД90Ч30 в процессе его термостатирования в объеме с доступом кислорода воздуха при температуре 140°С и непрерывном перемешивании:

У=0,7064х + 20,8 (6)

Используя вновь полученные зависимости 4-6 возможно спрогнозировать образование асфальтенов в битумах данной марки в любом временном промежутке.

Так как полученные зависимости имеют линейный характер, следовательно, Ig угла наклона может характеризовать интенсивность старения битума в зависимости от выбранной технологии их подготовки, транспортировки и хранения при повышенных температурах.

Критерием граничных условий выбранных технологий и конструкторских решений может служить анализ данных изменения показателей вязкости органических вяжущих и значения коллоидных индексов. Последние должны находится в пределах соотношений: для А/(А+С) - 0,39-0,44, для А/(С+Ар+НУ) - (0,25 - 0,30).

Программа 3. Оптимизация размещения и перебазировки асфальто-смесительпых установок (АБЗ).

Проект 3.1. Разработка критерия оптимизации размещения и перебазировки асфальтосмесительных установок (АБЗ).

В условиях значительной изменчивости факторов, определяющих условия эксплуатации дорожно-строительной техники, задача организации дорожно-строительного производства носит многовариантный характер.

При управлении дорожно-строительным производством на стадии ППР технология ведения СМР на дороге и план освоения капитальных вложений предопределяет выбор ведущих машин. Оптимизация в таких условиях практически сводится к выбору и назначению:

- качественных и количественных характеристик технологического автотранспорта;

- расстояний перемещения материалов и полуфабрикатов от приобъектных складов и производственных предприятий (АБЗ) до их проектного положения;

- протяженности сооружаемой дороги без перебазировки АСУ.

Поэтому при оптимизации в целом дорожно-строительного производства по минимуму удельной себестоимости укладки асфальтобетонной смеси в проектное положение, критерием оптимизации длины груженой ездки (протяженности сооружаемого участка дороги) после которой возникает целесообразность перебазировки АСУ, может быть принято условие, когда прирост себестоимости перемещения асфальтобетонной смсси нарастающим итогом становиться сравнимым с себестоимостью одной перебазировки АСУ (уравнения 7-8, вновь полученные):

S(N) = (К 1 * Сп + К2*СР + N* (S„oct + Sncp0M * L)) / Qk - min (7)

|=Тп6

£ (Nt * (SnocT вперим * и )*тси - N,., * (SnDCT + SncpcM * Lh )*Tcm) > ПБасу (8)

при обязательном выполнении требуемой (плановой) интенсивности укладки асфальтобетонной смеси в проектное положение

Qk > П^, (9)

где S(N) - удельная себестоимость переработки материалов и полуфабрикатов при N автомобилях в комплекте, руб./т; К1,К2 - соответственно количество погрузчиков и мест разгрузки (разгрузчиков, укладчиков); С„, Ср - соответственно удельная себестоимость эксплуатации средств погрузки и разгрузки; Sn<J(;T - постоянные расходы на один час работы автомобиля, руб./ч; S„cpcM - переменные расходы при работе автомобиля, руб./км; L - пробег автомобиля за час работы в составе комплекта, км; Qk - производительность комплекта, т./ч; Пф - требуемая (плановая) производительность комплекта, т/ч; ПБасу - себестоимость одной перебазировки АСУ, тыс. руб; N, - количество автомобилей в комплекте, обеспечивающих в

период I плановую производительность комплекта, шт; Зпост - постоянные расходы на один час работы автомобиля, руб./ч; Б^рсм - переменные расходы при работе автомобиля, руб./км; Ь, - пробег автомобиля на период I за час работы в составе комплекта, км; Тси -продолжительность смены - час; Т„б - количество дней работы АСУ за одну перебазировку.

Проект 3.2. Исследование имитационной модели оптимизации перебазировки асфальтосмесительных установок.

Принятый критерий оптимизации предопределяет необходимость оценки производительности комплекта в зависимости от его структуры и условий эксплуатации машин. Исходя из системности комплекта машин, требуемая производительность специализированного потока дорожно-строительного производства должна обеспечиваться взаимоувязкой отдельных машин в технологической цепи по главному рабочему параметру - производительности.

Но наступает момент, когда увеличение количества автомобилей в комплекте становится нецелесообразным (экономический невыгодно). Возникает необходимость перебазировки АСУ (сокращения длины груженой ездки, а значит и уменьшение количества автомобилей в комплекте).

Длина груженой ездки - 1ц удовлетворяющее условию (8) принимается за минимальную протяженность участка сооружаемой дороги после которой целесообразно перебазировка АСУ.

Пробег автомобиля за час работы в период I - определится из условия: Ь, = V, * (Н - Ба ), км (10)

^ = *(1ц/(1,534 + 1Г,*0,951)) (11)

где - длина ездки с грузом, км; Ут - среднетехническая скорость автомобиля, км/ч; Уд -техническая скорость в дорожных условиях между пунктами погрузки и разгрузки, км/ч;

Количество автомобилей (N1) определится требуемой производительностью комплекта и производительностью автомобилей (<5,|) в комплекте на период I:

Н = <ЗК/(}а, (12)

да, = Оа* у/Оп/О^'РЖпр) (13)

где С а - грузоподъемность автомобиля, т; у - коэффициент использования грузоподъемности; р - коэффициент использования пробега, р = 0,5; 1пр - время простоя в ожидании и под погрузкой-разгрузкой, ч.

Время цикла автомобиля (при его грузоподъемности - в») приходящееся на 1 т груза определится:

1ц = (Са*(1/С>Р+1/<214 + 2,1 Ч,/Ут)/Оа (14)

Производительность комплекта принимается из условия:

К1 * (2Р*К„ приОР < <Ж= I (15)

<2Р / (2К. при ОР < ОЯ

(16)

«ЗЯ / (зк при др > <311

где (2Р, - соответственно техническая производительность на погрузке и разгрузке, т/ч; Кч - коэффициент загрузки комплекта по времени, отражает использование по времени поста с минимальной пропускной способностью фронта погрузки и разгрузки.

Коэффициент загрузки комплекта (Кч) и простои автомобилей в ожидании и под погрузкой и разгрузкой (Ба) определится:

К, = 0,920+ 0,657* (а) (17)

Бз = 4,05 * а1'"4" (18)

а = N,7 а! (19)

Г 1„/1„ при ОР < (Ж (20)

I ^/Ц при (}Р > ОЯ

где 1„- время цикла автомобиля, приходящееся на 1 т, ч/т; ^ и 1Р- время погрузки и разгрузки 1 т, ч/т.

Зависимости (11,17,18) получены в результате исследований, проведенных по данным производственно-хозяйственной деятельности ряда дорожно-строительных организаций. На основе зависимостей (8-20) построена имитационная модель оптимизации расстояния перебазировки АСУ.

В данной модели переменными параметрами являются: ширина проезжей части - Шпч ; толщина асфальтобетонного покрытия - Таб ; цена ГСМ - Ц, ; стоимость одной перебазировки АСУ - ПБасу ; количество автомобилей в комплекте - Ы, ; расстояние перемещения асфальтобетонной смеси - (длина ездки с грузом).

При определенных значениях: Шпч, Таб, ПБасу, Цт изменяя количество автомобилей в комплекте - Ц с учетом взаимосвязанности параметров комплекта (8-20) определяем - 1Г1 (длина груженой ездки) обеспечивающее условию (8).

Таким образом неоднократно при определенном сочетании ( Ш„,„ Таб, Цт, ПБасу, Цт) находим длину груженой ездки -1,(, обеспечивающее условию (8).

В дальнейшем для анализа оптимальных расстояний для перебазировки АСУ применен метод множественной корреляции, который позволил определить количественное влияние множества факторов на результирующий фактор - уравнение множественной регрессии вида:

1„ = в, + в2 * Шпч + в3 * Та6 + в4 * ПБасу + в5 *ЦТ (21)

Статистической обработкой данных имитационного моделирования получены коэффициенты уравнения множественной регрессии для:

-АСУ производительностью 160т/ч: ■ ■..-■■

в, = 219,68; в2 = -2,296; в3 = - 5,19; в4 =0,002; в5 = -3,70

- АСУ производительностью 100 т/ч:

в, = 178,46; в2 = -1,82; в3 = - 4,37; в4 =0,002; в5 = -3,03

Изменяя совокупности параметров:

- стоимость одной перебазировки АСУ;

- цена топлива (ГСМ);

- толщина асфальтобетонного покрытия;

- ширина проезжей части;

можно получить оптимальное расстояние перебазировки АСУ.

Проведенные расчеты показали, что при определенных равных условиях оптимальное расстояние перебазировки АСУ для установки с производительностью 100т\час составит 129км, 160т\час-200км.

Проект 3.3. Создание и внедрение нового битумного оборудования.

Существуют различные схемы транспортировки, разгрузки и хранения битумов на АБЗ. Во-первых, когда битум с нефтеперерабатывающего завода поступает на АБЗ автомобильным транспортом (битумовозом), горячий битум сливается и перекачивается в расходную емкость. При этом в качестве технологических (расходных) емкостей используются вертикальные емкости, где наименьшая поверхность соприкосновения горячего битума с воздухом и поддерживается постоянная рабочая температура. Разработано и внедрено емкостное оборудование для битумных баз и АБЗ, рис. 5.

(

}

э

4

1!

\

1

В 1

Рис. 5. —Схема вертикальной и горизонтальной битумной емкости (вновь разработанная): 1 - вертикальная емкость, 2 - люк , 3 - горизонтальная емкость, 4 - дефлектор, 5 - выводы регистров

Вторая схема - поставка битума в цистернах железнодорожным транспортом, разгрузка и хранение его в битумных хранилищах надземного и подземного типа. Это наиболее распространенный случай, который применяется на большинстве АБЗ: существующих (подземный тип) и вновь строящихся (надземный тип).

Для исключения попадания воды в битум и контакта горячего биту ма с воздухом, при его сливе через приемные лотки из железнодорожных цистерн, было разработано специальное сливное устройство, включающее шарнирный битумопровод с присоединительной головкой и насос, рассчитанный на работу с вязкими нефтепродуктами.

На рис. 6 представлена схема работы сливного устройства. Присоединительная головка крепиться на сливном патрубке цистерны, обеспечивая плотное прилегание, и после разогрева битум перекачивается либо непосредственно в хранилище, либо, если оно находиться на значительном удалении — в промежуточную емкость, где происходит его нагрев до более высокой температуры, позволяющей свободно перекачивать его в хранилище. Данная технология исключает попадание влаги в битум при его сливе из железнодорожных цистерн и прямой контакт горячего битума с воздухом.

В качестве промежуточной емкости для разогрева и временного хранения битума применяются горизонтальные цилиндрические емкости объемом 50 м3 (рис. 5). Это так называемые емкости интенсивного нагрева битума, в которых обеспечивается щадящий нагрев вяжущего масляным теплоносителем.

Рис.6. - Сливное устройство битума (новое) 1 - цистерна; 1 - присоединительная головка; 3 - шарнирный битумопровод; 4 -винтовой насос; 5 - стационарный битумопровод; 6 - промежуточная емкость.

Разработанные емкости являются узлами высокой заводской готовности, они снабжены мощным регистром (суммарная площадь теплообмена 95 м2). Установленные патрубки для отбора и закачки битума, оснащены датчиком температуры и поплавковым датчиком уровня, установлен дефлектор для удаления испаряемой влаги. Емкость имеет улучшенную теплоизоляцию (100 мм мин. вата и покровный слой из оцинкованного железа). Корпус емкости выполнен с опорными тумбами, грузовыми петлями стойками для устройства настила.

Емкости собираются (комплектуются) в блоки из нескольких штук (рис. 7). Схема подсоединения битумопроводов и маслопроводов, а также оснащение каждой емкости битумным насосом и необходимым количеством кранов позволяет использовать каждую из емкостей автономно, независимо от других.

Рис. 7. - Схема участка подготовки битума на АБЗ: 1 - устройство разгрузки (слива) битума; 2 - установка насосная битумная; 3 - емкость подготовки битума (интенсивного нагрева); 4 - емкость хранения битума ;(РВС); 5 — теплообменник (АНТ)

Из емкости интенсивного нагрева битум может транспортироваться либо на асфальтосмесительную установку (АСУ), либо в битумохранилище.

В качестве битумохранилищ используются стальные наземные вертикальные резервуары (РВС), по аналогии с резервуарами для хранения темных, вязких, нефтепродуктов (нефть, мазут), выполненных по типовым проектам и снабженных специальной системой регистров. Локальный регистр забора битума позволяет откачивать битум порционно, не нагревая весь объем. Пример принципиальной схемы битумной базы (участка подготовки битума на АБЗ) представлен на рис. 7.

В отечественной практике дорожного хозяйства для разогрева битума чаще всего используются пар и электроэнергия, а также битумоплавильные котлы с жаровыми трубами (традиционная технология). Наиболее энергосберегающим и эффективным с точки зрения качества битума и асфальтобетонных смесей является способ косвенного нагрева битума с применением масляных теплоносителей. В качестве нагревателя применяется теплообменник (агрегат нагрева теплоносителя), рис. 8.

Рис. 8. - Общий вид агрегата нагрева теплоносителя (АНТ), вновь разработанный: 1 - топка; 2 - шкаф управления; 3 -горелка; 4 — циркуляционный насос; 5 - труба

Теплообменник АНТ представляет собой стальную цилиндрическую обечайку, внутри которой расположен змеевик из двух коаксиально расположенных трубчатых спиралей, образующих котел с трехходовой топочной камерой. Задняя, глухая, и передняя, на шарнирах, стенки футерованы огнеупорным бетоном. Снаружи котла имеется тепловая изоляция толщиной 100мм с покровной оболочкой из оцинкованной стали. На передней стенке крепится горелка.

Комплекс оборудования - устройство разгрузки битума, емкость интенсивного нагрева битума, битумохранилище на базе РВС, теплообменник, завязанные в общую технологическую схему, обеспечивают сохранность и высокое эксплуатационное качество дорожных битумов. При этом исключается попадание влаги, да и других примесей в битум, снижаются энергозатраты на разогрев битума.

Следующая схема доставки битума на АБЗ - поставка битума в труднодоступные районы, где нет развитой сети железных и автомобильных дорог.

Для решения этой задачи применяются вновь разработанные специальные малогабаритные битумные контейнеры (рис. 9). Контейнер представляет собой емкость прямоугольной формы, сваренную из листовой стали толщиной 5мм. Внутри контейнера расположен регистр из трубы диаметром 57мм. Входы в регистр выведены на торцевую стенку и закрыты резьбовыми пробками. На этой же стенке расположена сливная горловина. На верхней панели контейнера находится заливная горловина и люк для осмотра и проведения ремонтных работ. Для разогрева битума в контейнерах используется масляный теплоноситель (масло И-20, И-40), разогреваемый в теплообменнике АНТ.

Рис. 9. - Контейнер для перевозки битума (свидет. на полезную модель № 5996) 1 - горловина заливная; 2- люк; 3 -П-образные ребра жесткости; 4 - грузовые петли; 5 - петли

крепления на ж/д платформе; 6 - регастр; 7 - патрубки регистров; 8 - сливная горловина Таблица 7 - Технические характеристики контейнеров для транспортировки битумов

№ Наименование технических характеристик Значение показателей

1 Длина, мм 2650

2 Ширина, мм 2150

3 Высота, мм 2215

4 Внутренний объем, м'1 10

5 Грузоподъемность, т 8

6 Масса порожнего контейнера, т 2

7 Срок службы не менее, лет 8

На битумной эстакаде устанавливаются контейнеры с битумом. С помощью гибких шлангов регистры контейнеров подключаются к магистрали с теплоносителем и за 10-12 часов битум нагревается до жидко-текучего состояния и сливается в приемную емкость. Далее битум перекачивается либо в расходную емкость, либо в специальные резервуары для хранения.

На всех этапах битум нагревается только в требуемых объемах и до необходимой для перекачки битума температуры. До максимальной технологической температуры (135-150'С) битум нагревается только в емкостях для интенсивного разогрева перед подачей битума непосредственно в расходные емкости АСУ или автобитумовозы.

Создается полностью автоматизированный комплекс, на котором все процессы управления движением битума осуществляются из кабины оператора с помощью компьютера. Заложенный алгоритм контролирует работу электроприводов, задвижек, кранов следит за температурным режимом, перекачиваемой массой битума и другими операциями. На вновь разработанное оборудование (битумный контейнер, резервуар, сливное устройство) получены патенты на полезные модели.

Таким образом, на сегодняшний день решена задача оснащения битумных баз и АБЗ современным энергоэффективным и битумосберегающим оборудованием, которое позволяет доставить битум с нефтеперерабатывающих заводов на битумные базы и АБЗ, хранить и подавать его в асфальтосмесительные установки практически без снижения качественных характеристик. В ЗАО «НОМБУС» отлажена система проектирования, изготовления, монтажа и последующего сервисного обслуживания вновь разработанного технологического оборудования для транспортировки, хранения и подготовки битума перед использованием для производства асфальтобетонных смесей [16].

Программа 4. Технико-экономическое обоснование опытного внедрения технологии транспортировки, хранения и подготовки битумов (на примере Сухоложской БЭБ) Проект 4.1. Разработка методики оценки эффективности внедрения в дорожном хозяйстве новых технологий оснащения битумных баз и АБЗ.

Определение алгоритма и анализ модели технико-экономической эффективности повышения транспортно-эксплуатационного состояния дорожных покрытий осуществлено на основе битумных вяжущих производства Сухоложской битумно-эмульсионной базы (оснащенной вновь разработанным битумным оборудованием).

Технико-экономический расчет (ТЭР) ожидаемой экономической эффективности научно-технологических разработок модернизации системы транспортировки, хранения и подготовки битума с использованием наземных хранилищ и систем масляного обогрева битума, ■ позволил оценить бюджетную экономическую эффективность (Эож) повышения качества и долговечности капитального дорожного покрытия нежесткого типа на стадии обоснования инвестиций в строительство и ремонт автомобильных дорог в условиях Урала и Западной Сибири (Свердловской, Тюменской области и ХМАО) - для 2-й дорожно-климатической зоны.

В настоящее время срок службы асфальтобетонных покрытий федеральной и территориальной сети автодорог, при интенсивной и сверхнормативной (по условиям воздействии нагрузки более 8 т на ось автомобиля) уменьшился в 2-2,25 раза от норматива и на практике зачастую не превышает 5-7 лет, а в отдельных случаях составляет не более 3-4 лет. ТЭР по внедрению нового оборудования характеризует технико-экономическую составляющую системы транспортировки, хранения и подготовки битума в дорожном хозяйстве, за счет улучшения транспортно-эксплуатационных свойств и надежности асфальтобетонных дорожных покрытий в сложных природно-климатических условиях Урала и Сибири.

Общие подходы к обоснованию технико-экономической модели и внедрению инноваций в дорожном хозяйстве изложены в монографии [14]. При расчете и обосновании графической модели использованы нормативные документы по обоснованию инвестиций в

дорожные проекты и отраслевые методики внедрения технологических инноваций, разработанные совместно с Уральским филиалом РОСДОРНИИ.

Модель оценки технико-экономической эффективности учитывает экономию приведенных затрат на текущий и капитальный ремонт при поддержании асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог в транспортно-эксплуатационном состоянии.

Сущность оценки отраслевой эффективности дорожного инновационного мероприятия, планируемого к внедрению при строительстве и ремонте автомобильных дорог, сводится к обоснованию экономии бюджетных средств, выделяемых на строительство и ремонт по приведенным затратам за счет более долговечного и надежного конструктивного решения, используемого в проекте. При возрастании единовременных затрат может оцениваться срок их окупаемости по распределенному во времени экономическому эффекту.

Расчеты выполнены на примере федеральной и территориальной дорожной сети Среднего Урала и Западной Сибири. Цикличность выполнения ремонтных работ и увеличения долговечности автодорог при использовании битумной продукции Сухоложской битумно-эмульсионной базы для создания асфальтобетонного дорожного покрытия представлена на схеме - графической модели жизненного цикла (рис. 10).

Рис. 10. Изменение жизненного цикла дорожных работ по текущему и капитальному ремонту асфальтобетонного покрытия в базовом и инновационном вариантах технологий подготовки битумов, при использовании битумов и катионной битумной эмульсии, подготовленных на Сухоложской БЭБ, с использованием оборудования ЗАО «НОМБУС»:

г - время эксплуатации автодороги с асфальтобетонным покрытием за период жизненного цикла с использованием технологий: - текущий ремонт асфальтобетонного покрытия (базовый вариант);

..... текущий ремонт асфальтобетонного покрытия (инновационная продукция

производства Сухоложской БЭБ);

- проведение капитального ремонта автомобильной дороги (в базовом варианте);

проведение капитального ремонта автомобильной дороги с использованием инновационной продукции - высококачественных битумов и эмульсий производства Сухоложской БЭБ;

а к - критический износ (степень разрушения) покрытия, требующий выполнения ремонтных дорожных работ.

Проект 4Л. Технико-экономический расчет эффективности внедрения инновационной продукции (битумов и битумной эмульсии), подготовленных на Сухоложской битумно-эмульсионной базе с использованием нового оборудования.

При расчетном жизненном цикле технической эксплуатации автомобильной дороги -60 лет, по согласованию с Уральским филиалом РОСДОРНИИ, принято определение параметров продолжительности циклов: А1=12; Аг=24;...А5=60 лет; В|=15; В2=30;...В4=60

лет; ai=4; аг=8... аи=60 лет; bi=5; b2=10;...b|2=60 лет. Увеличение межремонтного срока дорожных работ определено по графической модели цикличности проведения основных видов дорожных работ (капитальный ремонт) при сохранении транспортно-эксплуатационного состояния автомобильной дороги (рис. 5) - с 12 до 15 лет.

Интегральный коэффициент продления межремонтного срока автомобильных дорог составил: к= 1,27 (продление межремонтного срока асфальтобетонного покрытия с использованием битумов, подготовленных на Сухоложской БЭБ). Определен как показатель суммарной эффективности применения новой технологии подготовки битума, по сравнению с базовой, к найден опытно-экспериментальным путем из условия улучшения транспортно-эксплуатационного состояния, по опыту эксплуатации новых конструкций дорожных одежд и данных мониторинга асфальтобетонных покрытий [14], устроенных с использованием битумной продукции Сухоложской БЭБ.

Иными словами, в 1,27 раза (или на 27%) сохранность асфальтобетонного покрытия выше с применением битума, подготовленного на разработанном ресурсосберегающем оборудовании на протяжении всего периода эксплуатации автодороги, включая капитальный ремонт, для автодорог во 2-й дорожно-климатической зоне, чем на традиционно подготовленном битуме (по старой, базовой технологии АБЗ), что подтверждается данными за 8 лет (2001-2009гг.) мониторинга опытных участков автодорог в Свердловской области.

Из анализа графической модели найден суммарный межремонтный срок:

- в соответствии с действующими федеральными нормативно-техническими документами: 4 года для ремонтных работ и 12 лет для капитального ремонта покрытия, как нормативный межремонтный срок;

- полученный межремонтный период для внедренной (новой) технологии подготовки битума составит 4 * 1,27 = 5 лет и 12* 1,27= 15 лет - для капитального ремонта.

В соответствии со сметным расчетом сумма затрат на текущий ремонт и содержание 1 км автодороги 111 технической категории составила величину, равную 155 тыс. руб.; сумма затрат на капитальный ремонт 1 км участка асфальтобетонного покрытия, сопоставимого по толщине и модулю упругости для опытного участка автомобильной дороги III технической категории, составила 16 млн. руб., по данным СОГУ «Управление автомобильных дорог», в ценах 2007г.

В итоге, сумма общих затрат на ремонт и восстановление асфальтобетонного покрытия за жизненный цикл (60 лет) на рассматриваемом 1-км участке автомобильной дороги, в ценах 2007г., составит:

- при использовании традиционного асфальтобетонного покрытия (базовая технология, 15 циклов текущего и 5 циклов капитального ремонта): 15*155+5*16000=82325 тыс. руб.

- при использовании покрытия, устроенного с использованием продукции Сухоложской БЭБ (битума и катионной битумной эмульсии, 12 циклов текущего и 4 цикла капитального ремонта, по новая технология): 12*155+4* 16000=65860 тыс. руб.

Ожидаемая экономия бюджетных средств, выделяемых по нормативам, на ремонт данного участка за расчетный жизненный цикл, составит: 82325-65860=16465 тыс. руб. Годовой экономический эффект (Эож) на 1 км автомобильной дороги 111 технической категории, соответственно, составит ЭОЖ.2007= 16465/60 =274,4 тыс. руб./км в год. В ценах 2009г.: Э20'"' = (I+d)N *Э!)Ж2"07 = 1,122 *274,4 = 344,2 тыс.руб./км в год. Единовременные общие затраты (3МП9) на строительство и модернизацию Сухоложской БЭБ составили около 120 млн.руб., при проектном выпуске битумной продукции - 10 000 т битума в год. С учетом расхода битума в конструкциях дорожных одежд, приведенного к 1 км автомобильной дороги III технической категории, проектный выпуск битума обеспечивает строительство (кап. ремонт) порядка 142 км автодорог в год. Годовой эконом, эффект при этом составил (в ценах 2009г.): Э = 142*344,2 = 48,9 млн.руб.

Определен срок окупаемости единовременных капитальных затрат на строительство и модернизацию Сухоложской битумно-эмульсионной базы, оснащенную ресурсо-

сберегающими технологиями приема, хранения и подготовки битума. Срок окупаемости кап. вложений в строительство и модернизацию Сухоложской БЭБ составил

Тм. = З2009/ Э2009 = 120/48,9 = 2,45 лет - принимаем 2,5 года.

Таким образом, по уточненной графической модели оценки эффективности нового технологического оборудования Сухоложской БЭБ, затраты на техническое оснащение битумного хозяйства современными битумосберегающими технологиями, представлен-ными в настоящем диссертационном исследовании, окупаются за 2,5-3 года.

Это характеризует системы транспортировки, хранения и подготовки битума, как экономически эффективные по продлению межремонтных сроков эксплуатации автодорог и стоимости внедренного технологического оборудования.

В пересчете на автомобильные дороги различных технических категорий, в соответствии с действующими СНиП и ГОСТ ожидаемая экономическая эффективность составит от 230 (для низших технических категорий) до 720 тыс. руб./км в год (для автодорог 1 тех. категории и автомагистралей). При этом срок окупаемости капитальных вложений по предложенной технологии и оборудованию битумных баз лежит в интервале до 5 лет, то есть расположен в допустимом пределе для эффективных инновационных проектов [14].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа и оценки существующих разработок, прототипов технологического оборудования и нормативов подготовки битумов в дорожном хозяйстве развита и обоснована технико-экономическая целесообразность создания новых ресурсосберегающих технологий транспортировки, хранения и подготовки битумов на асфальтобетонных заводах и битумных базах с целью внедрения их в практику дорожного строительства Урала и Сибири.

2. Выполнены исследования физико-химических свойств битумов в процессе изотермического нагрева и термостатирования. Проведена оценка изменения свойств битумов: углеводородного состава и коллоидных индексов. Получены новые зависимости, позволяющие выбрать оборудование и параметры технологического режима при транспортировке, хранении и подготовке битума на АБЗ и битумных базах. Разработано и внедрено новое технологическое оборудование (битумные контейнеры, резервуары, нагревательные системы с масляным теплоносителем, системы слива битума).

3. Оптимизирована схема размещения производственных асфальтобетонных баз с битумным хозяйством. Создана имитационная математическая модель оптимизации размещения производственных баз в дорожном хозяйстве. Использована в производстве (на предприятиях дорожно-строительного комплекса Урала и Сибири).

4. Разработаны нормативные документы, обеспечивающие внедрение новых дорожных материалов и технологий (технические условия, паспорта на оборудование), технологические регламенты и программные продукты.

5. Разработана модель оценки технико-экономической эффективности новых технологий подготовки битума в дорожном хозяйстве (на примере Сухоложской битумно-эмульсионной базы). Рассчитана экономическая эффективность предложенных технико-технологических решений. Значения параметров экономической эффективности и сроков окупаемости капитальных вложений на новое технологическое оборудование (2,5-3 года) позволяют характеризовать новую технологию как высокоэффективную и обоснованную для использования в дорожном хозяйстве (при подготовке битумов, битумных эмульсий производстве и укладке асфальтобетонных смесей) для создания долговечных покрытий автомобильных дорог.

6. На вновь разработанное оборудование получены 3 патента РФ. Основные результаты работы опубликованы и внедрены в производство на предприятиях дорожного хозяйства. Комплексно решены вопросы масштабирования, унификации оборудования и сервиса при эксплуатации разработанных и внедренных систем транспортировки, хранения и подготовки битума в дорожном хозяйстве.

Научные труды, патенты и публикации

1. Скрипкин А. Д. Устройство для хранения, транспортирования и разогрева битума (полезная модель). Свидетельство РФ на полезную модель № 5996 от 6.01.1997 / РОСПАТЕНТ, 1997. (соавтор-ЗнаменщиковИ.Я.).

2. Скрипкин А. Д. Программа управления асфальтосмесительной установкой (программа для ЭВМ). Свидетельство РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610678 от 06.05.2002 / РОСПАТЕНТ, 2002. (соавторы - Таширов В.Г., Назаров Д.Л., Захаров В.В.).

3. Скрипкин А. Д. Резервуар для хранения битума (полезная модель). Патент РФ на полезную модель № 36108 от 24.06.2003 / ФИПС, 2003. (соавтор - Знаменщиков И.Я.).

4. Скрипкин А. Д Перевозка дорожных битумов в специальных контейнерах. //Строительные материалы №11, 1998г. (соавтор - Знаменщиков И.Я.).

5. Скрипкин А. Д. Российское ноу-хау. ...Да рубль перевоз. //Автомобильные дороги №3, М.: - 2001г. (соавтор - Знаменщиков И.Я.).

6. Скрипкин А. Д. Комплексное решение вопроса сохранения качества битума. // Доклады научно-технической конференции, Омск, 2004г. (соавтор - Знаменщиков И.Я.).

7. Скрипкин А.Д. Организация производства в Свердловской области полимерно-битумного вяжущего по ГОСТ Р 52056-2003 / Деп. «ИНФОРМАВТОДОР», № 293-АД, 7 с,-М.: Новости в дорожном деле. - 2006. - №6 (соавторы - Дмитриев В.Н., Кошкаров Е.В., Даврухин В.П., Черкасова Е.В.).

8. Скрипкин А. Д. ЗАО «НОМБУС»: Линейка оборудования для дорожников //Строительный комплекс Омской области, Омск: - 2007г.

9. Скрипкин А. Д. Перспективный метод определения компонентного состава битумных вяжущих. //Межвузовский сборник студентов, аспирантов и молодых ученых. Вып. 2, ч. 1. -Омск: СибАДИ, 2005. - с. 146-151. (соавтор - Колесник Д.А.).

10. Скрипкин А. Д. Исследование и оценка компонентного состава битума в процессе его изотермического прогрева в тонких пленках. //Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26 мая 2006г. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. - Книга 3. - с. 138-142. (соавтор - Колесник Д.А.).

11. Скрипкин А. Д. К вопросу оптимизации схемы размещения асфальтобетонных комплексов. «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века». // Труды Всероссийская научно-технической конференции. - Омск.: СибАДИ, 2006,- с. 393-395. (соавторы - Цицикашвили М. С., Старков Г. Б.).

12. Скрипкин А. Д. Оценка компонентного состава битумных вяжущих с применением анализатора «Iatroscan МК-5». //Материалы международной научно-технической конференции, 17-18 апреля 2008г. - Пермь: Изд-во «Пермского государственного университета», 2008. - с.132 - 138. (соавторы -Старков Г. Б., Колесник Д.А.).

13. Скрипкин А. Д. Оценка старения битумов в тонких пленках с применением анализатора тонкой хроматографии «Iatroscan МК 5». Вестник ХНАДУ. - 2008. - Вып. 40. Харьков - с. 33-35. (соавторы - Старков Г. Б., Колесник Д.А.).

14. Скрипкин А.Д. Новые дорожные технологии и материалы (монография). -Екатеринбург: изд-во УрГУ, 2008. -144 с. (соавторы - Дмитриев В.Н., Гриневич H.A. и Кошкаров Е.В.).

15. Скрипкин А. Д. Внедрение систем транспортирования и подготовки битума, обеспечивающих сохранность и высокое эксплуатационное качество дорожных битумов. //Автомобильные дороги. - №6,2009г.

16. Оборудование битумных баз // Интернет-материал ЗАО «НОМБУС». -wvvw.nombus.ru

Подписано в печать 26.10.2009г. Формат А5 Бумага офсетная 80 гр/м2 Уч.-изд. 40 стр. Тираж 100 экз. Заказ №1186

Отпечатано Рекламное агенство «Шанс» 644043, г. Омск, ул.Иитернациональная, д.29