Дорожное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к изменениям температур суточных и сезонных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить эти задачи, является применение модифицированных битумов, в частности полимер-битумного вяжущего (ПБВ) [1–3]. В настоящее время существует множество способов и материалов для модификации дорожных вяжущих [4–14].
Наиболее эффективным для производства ПБВ следует считать оборудование, в составе которого имеются коллоидные мельницы (измельчители), которые обеспечивают измельчение полимера в процессе приготовления ПБВ. При измельчении полимера увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых компонентов, и соответственно ускоряются процессы набухания и растворения полимера. Использование оборудования такого типа позволяет получать ПБВ с регламентированными техническими требованиями при температуре не выше 160 0 С, содержании модификатора не более 3,5 мас. % и маленькой продолжительности процесса [10]. В случае приготовления ПБВ на оборудовании без высокоскоростных измельчителей (коллоидных мельниц) необходимо закладывать большую концентрацию полимера, более высокую температуру процесса (это может привести к старению битума и окислительной деструкции ПБВ, уровень свойств ПБВ при этом существенно снизится), кроме того, продолжительность процесса приготовления увеличивается более чем в 2 раза [10]. На данный момент лучшие показатели распределения (гомогенизации) достигаются только при использовании коллоидных мельниц с высокой степенью измельчения.
Технологическая схема процесса получения ПБВ на установке типа УНБ-4 с использованием коллоидной мельницы во внешнем циркуляционном контуре представлена на рис. 1 [10].
Рис. 1. Технологическая схема модификации битума при помощи установки УМБ — 4: Н1, Н1.1, Н2 — Н5 — насос; НТ — нагреватель теплоносителя; БР — бачок расширительный; М1, М2, М4 — привод мешалки; М3 — мельница; ВУ1, ВУ2 — датчик верхнего уровня; Р1, Р2 — реактор; К1.1- кран битумный проходной; К1.2, К1.3 — кран битумный трехходовой; К4 — К9 — кран с электро-пневмоприводом; СМ — смеситель; НУ1 — датчик нижнего уровня; Б1 — емкость для загрузки полимера; ВР1, ВР2 — вентили регулировочные; Р1 — расходомер; СЧ — счетчик
Нагретый в битумном котле до температуры 160…180°С битум, насосом Н 1.1 через трехходовой кран К1.2 подается к установке. Трехходовой кран К 1.2 Установлен в среднем положении, обеспечивающим перемешивание — циркуляцию битума в котле, в случае когда установка не потребляет битума. При включении крана К4 и насоса Н2, битум из котла через кран К3 поступает на смеситель СМ, где происходит смешивание с полимером, который предварительно засыпается в емкость V. Смесь полимера с битумом подается в одну из емкостей реакторов Р1, Р2 (в зависимости от положения кранов К1;К2). После выработки полимера из битума V до срабатывания датчика НУ, кран К3 переводился в положение подачи битума в реактор минуя смеситель СМ. Клапан подачи полимера К7 и К6 закрываются. Емкость реактора заполняется битумом до верхнего уровня (ВУ1 или ВУ2). Одновременно с заполнением емкости реактора битумом, происходит его перемешивание. Перемешивание проводится в течении заданного технологическим процессом времени (15…20 мин). После окончания перемешивания переключается соответствующий кран (К1 или К2), включается насос Н1 и мельница М3. Кран К5 устанавливается в положение подачи битума после мельницы в соответствующий реактор. После окончания заполнения емкости первого реактора, заполняется и вводится полимер в емкость второго реактора Р2. Технологический цикл во втором реакторе аналогичен первому. Блок реакторов состоит из двух обогреваемых емкостей выполненных цилиндрической формы с коническим днищем. В качестве теплоносителя используется масло Тп46. Для снижения потерь тепла реакторы теплоизолированы с помощью теплоизоляционных рубашек. На верхней крышке емкости смонтированы: привод лопастной мешалки; патрубок подачи битума; люк-лаз; датчик-поплавок верхнего уровня битума. Привод мешалки выполнен на базе червячных мотор-редукторов.
Широкое применение в области производства ПБВ по аналогичной технологической схеме также получила установка MASSENZA, специально сконструированная для производства ПБВ [11]. Мельница компании MASSENZA имеет особенную конфигурацию ротора/статора, позволяющую 100 % мощности использовать исключительно на измельчающее действие. Фактически, увеличение зазора, имеющее место в мельницах других производителей, в случае когда поступает материал с высоким содержанием полимера означает снижение размельчающего действия, в то время как требуется наоборот в достаточной степени размельчить (расщепить) полимер. MASSENZA разработала совершенно иную систему, которая позволяет осуществлять максимально эффективную на все 100 % работу по размельчению полимера независимо от содержания полимера в материале. Фактически, мельница MASSENZA обладает специальной системой, оснащенной внешним шестеренчатым насосом для подачи в мельницу.
Во многих странах, в частности в России, применяются ультрасовременные установки «Беннингхофен», которые производятся в Германии [12], реализующие ту же схему с коллоидной мельцей. Фирма «Беннингхофен» разработала и совершенствует уже в течение десяти лет модельный ряд установок в мобильном или транспортабельном исполнении. Основное оборудование может быть дополнительно укомплектовано специальными компонентами в соответствии с индивидуальной спецификацией в зависимости от назначения оборудования и рецептуры. Комплексы для производства ПБВ включают в себя: емкостной парк хранения исходного битума; узел подготовки и смешивания нескольких сортов битума; блок модификации битума с реактором и коллоидной мельницей; система ввода пластификаторов и добавок; система обогрева; система дозирования; система смешивания концентрата с исходным битумом; емкостной парк для дозревания продукта с мешалками, устройство отгрузки: наливная эстакада с отводом паров, высокотемпературная полимерная коллоидная мельница в открытом состоянии. Мельница обогревается либо электрически, либо термальным маслом. За счет регулируемого зазора между режущими поверхностями мельницы достигается получение гомогенного ПБВ всего лишь за один рабочий проход.
Осваивается технология модификации битума кавитационными течениями. Яркий представитель данного направления ОАО «Военно-инженерная корпорация» («ВИКор»). Принципиальная схема установки производства ПБВ представлена на рис. 2 [13].
Рис. 2. Принципиальная схема установки производства ПБВ на базе штатного оборудования участка приема и хранения битума типового АБЗ
Заправленный в котел битум разогревается до температуры 170°С и предварительно перемешивается лопастными мешалками в течение 5 минут, без выключения мешалок постепенно через загрузочный люк вводится 4 % по массе «Кратона D1101» и подвергается перемешиванию мешалками в течение 30 минут для пред растворения (разбухания) полимера, затем в течение 60 мин проводится циркуляция битумно-полимерной смеси через диспергатор КЭМ-20 по циркуляционному битумопроводу. Диспергация в данном случае протекает в кавитационном диспергаторе (рис. 3). Устройство работает следующим образом: полимерный модификатор предварительно растворяется в керосине и подается на вход. Туда же подается битум и кавитация обеспечивает интенсивный перемешивающий эффект.
Рис. 3. Кавитационный диспергатор КЭМ-20
Диспергатор КЭМ-20 в специальном исполнении с пропускной способностью до 30 м3 /час, установлен в циркуляционный битумопровод после битумной станции и позволяет достигнуть высокой гомогенизации модификатора в битуме. Для работы по этой технологической схеме создана опытная установка производства ПБВ в ОАО «ДСТ № 2, г. Гомель».
Известны установки для производства ПБВ по технологической схеме in-line, которая изображена на рис. 4 [14].
Рис.4. Технологическая схема процесса приготовления ПБВ при помощи установки PMB Inline Mixer 10–15 t/h
Суть технологического процесса по схеме в соответствии с рис. 4 сводится к переводу полимера из сухого состояния в жидкое путем экструзии и последующему смешению вязко-текучего полимера с нагретым до рабочей температуры битумом. При этом по ходу движения материалов единовременно осуществляются несколько процессов: экструзия полимера, сочетающая смешение и растворение образующегося расплава с некоторым количеством битума или пластификатора; смешение получающейся аномально вязкой жидкости с некоторым количеством битума и получение в результате полимерно-битумного вяжущего с высоким или супервысоким содержанием полимера; последующее смешение полимерно-битумного концентрата с основным потоком битума в соотношениях, обеспечивающих потребное содержание полимера в готовом ПБВ.
Процесс осуществляется поточно, в чистом режиме ин-лайн, то есть на входе в установку имеем битум и сухой полимер, на выходе — ПБВ, сразу готовое к использованию. В таком же режиме ин-лайн в вяжущее в соответствии с рецептурой может быть добавлена адгезионная присадка или любой другой жидкий компонент, а также, например, дополнительное количество пластификатора или разжижителя. Температура битума на выходе из установки определяется температурой битума на входе. При возникновении потребности в приготовлении разжиженного битума, битума с адгезионной присадкой и т. п. энергетически мощный процесс экструзии задействовать не нужно, достаточно обычной работы дозирующих линий и миксера.
Говоря о процессе растворения полимера, следует отметить, что его растворимость тесно связана не только с соответствующей способностью битума, температурой самого битума, как это обычно отмечается в исследованиях о ПБВ, но и с температурой самого полимера, а также с площадью границы раздела фаз. Чем выше температура полимера, чем выше площадь его соприкосновения с битумом, тем выше скорость растворения.
Следующим процессом по технологической схеме также является процесс смешения, но уже жидкостей с не столь различными вязкостями — полимерно-битумный концентрат и чистый битум. Кроме того, на этой стадии может быть добавлена адгезионная присадка и другие жидкие компоненты, если того требует рецептура. Смешение осуществляется эффективным динамическим миксером.
В качестве емкости готовой продукции предусматривается теплоизолированная вертикальная емкость с перемешиванием и обогревом.
На данный момент на рынке оборудования для производства ПБВ имеется широкий спектр установок и вариантов смесителей, с мешалками различных конфигураций к ним. Проблема переоборудования существующих АБЗ на технологические схемы производства АБС, на основе модифицированного ПБВ может быть решена в соответствии с типом модифицирующих материалов.
Литература:
1. Беляев, П. С. Решение проблемы утилизации полимерных отходов путем их использования в процессе модификации дорожного вяжущего/П. С. Беляев, О. Г. Маликов, С. А. Меркулов, Д. Л. Полушкин, В. А. Фролов// Строительные материалы. 2013.- № 10, С. 38–41.
2. Belyaev,V. P. Improving Energy Efficiency of Bitumen Modification with Reclaimed Crumb Rubber/ V. P. Belyaev, O. G. Malikov, S. A. Merkulov, P. S. Belyaev, D. L. Polushkin, V. A. Frolov// Components of Scientific and Technological Progress.- 2013, № 1 (16) — с. 75–77.
3. Беляев, П. С. К вопросу о комплексном решении проблем экологии и качества дорожных покрытий/Беляев П. С., Маликов О. Г., Меркулов С. А., Полушкин Д. Л., Беляев В. П.//Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского.- 2012. № С39. С. 184–189.
4. Belyaev,V. P. Bitumen Modification with Recycled Polymeric Materials / V. P. Belyaev, O. G. Malikov, S. A. Merkulov, D. L. Polushkin, V. A. Frolov, P. S. Belyaev// Глобальный научный потенциал. — 2013, № 9 (30). — с. 29–33.
5. Беляев, П. С. К вопросу получения резино-битумного концентрата для асфальтобетонных дорожных покрытий из изношенных автомобильных шин/Беляев П. С., Забавников М. В., Маликов О. Г.//Вестник Тамбовского государственного технического университета.- 2008. Т. 14. № 2. С. 346–352.
6. Беляев, П. С. Получение резинобитумных композиционных материалов/ Беляев П. С., Забавников М. В., Маликов О. Г.- Saarbrucken (Германия): LAP LAMBERT Academic Publiighing, 2012. — 145с.
7. Смеситель непрерывного действия для композиционных строительных материалов на основе нефтяных битумов/Забавников М. В., Беляев П. С., Маликов О. Г., Хабаров С. Н./патент на изобретение RUS 2247654 18.08.2003
8. Беляев, П. С. О перспективе комплексного решения проблем экологии и повышения качества дорожных покрытий/Беляев В. П., Беляев П. С., Полушкин Д. Л.//Перспективы науки. 2012. № 32. С. 186–189.
9. Беляев, П. С. Исследование влияния резиновой крошки на физико-механические показатели нефтяного битума в процессе его модификации/Беляев П. С., Забавников М. В., Маликов О. Г., Волков Д. С.//Вестник Тамбовского государственного технического университета.- 2005.Т. 11. № 4. С. 923–930.
10. УкрСтройМаш [Электронный ресурс]//: [сайт]. URL: http://www.ukrbudmash.com.ua/ru/modifiti_bitum_plant.htm (дата обращения: 25.06.2014).
11. Установки MASSENZA для производства полимер-битумного вяжущего [Электронный ресурс]//: [сайт]. URL: http://www.massenza.ru/production/6-pbv.html (дата обращения: 25.06.2014).
12. Асфальтные и асфальтобетонные заводы АБЗ Benninghoven в СНГ [Электронный ресурс]//: [сайт]. URL: http://benninghoven.su (дата обращения: 25.06.2014).
13. Военная инженерная корпорация [Электронный ресурс]// Технология и оборудование по производству полимерно-битумного вяжущего для типового асфальтобетонного завода: [сайт]. URL: http://www.vicor.org.ru/v23.html (дата обращения: 25.06.2014).
14. ENH engineering a/s [Электронный ресурс]//: [сайт]. URL: http://enh.dk/Products_PolymerModifiedBitumenPlants.html (дата обращения: 25.06.2014).
