Производство ПБВ. Влияние технологического процесса на качество конечного продукта на примере установок MASSENZA
Полимерно-битумное вяжущее (далее ПБВ) — один из основных компонентов верхнего слоя асфальтобетонного покрытия современных дорог, существенно продлевающий срок их службы с 3–4 лет (при использовании традиционных дорожных битумов) до 7–10 лет. ПБВ значительно повышает прочность, трещиностойкость, теплостойкость, сдвигоустойчивость, водо- и морозостойкость дорожного покрытия. Наиболее показательной характеристикой асфальтового покрытия произведенного с использованием ПБВ, позволяющей выявить отличие полимерасфальтобетона от традиционного асфальтобетона, является коэффициент температурной чувствительности. Асфальт на ПБВ значительно менее чувствителен к изменению температуры. Удорожание общей стоимости строительства автомобильной дороги с применением ПБВ составляет не более 1%. При этом затраты полностью окупаются за несколько лет эксплуатации дороги.
Практика применения ПБВ широко распространена в США, Европе и Китае. Последние годы в России эта технология становится все более востребованной. Так, например, в мае 2013 года был принят и введен в действие отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.3.026-2012 «Рекомендации по применению высокоплотных асфальтобетонов на основе полимерно-битумных вяжущих для покрытий автомобильных дорог в различных климатических условиях Российской Федерации». В соответствии с этим документам рекомендуется применение ПБВ по ГОСТ Р 52056 в составе высокоплотных асфальтобетонов взамен битумов по ГОСТ 22245, что позволяет значительно повысить качество дорожного покрытия, учитывать фактические климатические условия и условия движения автомобилей, при которых эксплуатируются дорожные покрытия в любом регионе России. Работоспособность покрытия, его ровность, отсутствие или наличие дефектов на нем является важнейшей, а в ряде случаев и главной характеристикой потребительского качества автомобильной дороги, так как она определяется быстро и визуально.
Как известно Россия отличается суровым и резко континентальным климатом, с одной стороны, с низкими отрицательными температурами и с высокими положительными температурами с другой стороны. Так, например, температура воздуха наиболее холодных регионов зимой может доходить до минус 63°С, а в жаркие летние дни поверхность покрытия может нагреваться до высоких температур, от 55°С до 62°С. Таким образом температурный интервал, в котором работает покрытие достигает 125°С. Кроме того в потоке автомобилей значительную часть составляют грузовые, которые и определяют повышенные динамические воздействия на покрытия, увеличивая амплитуду прогиба, провоцируя усталостные процессы и ускоряя накопления пластических деформаций и микротрещин.
С целью учета климатических условий эксплуатации покрытий, для обеспечения их требуемой трещиностойкости и сдвигоустойчивости, ПБВ должно удовлетворять всем высоким требованиям. Термическая чувствительность не позволяет обычным битумам хорошо вести себя и при высоких, и при низких температурах, заставляя «модифицировать» каким-либо образом свойства битума. Наличием асфальтенов обусловлены специфические свойства битумов, а именно вязкость (пластичность) и упругость, устойчивость к определенным типам деформаций, сцепляющие и связующие свойства. Упругость и пластичность обусловлены наличием смол и мальтенов. Анализируя групповой состав битума и свойства компонентов, можно оценить какие параметры являются наиболее важными при модифицировании битума полимерами. Определяющим фактором является совместимость битума с полимерами. Растворимость полимерных материалов в битуме зависит от многих параметров, из которых наиболее важными являются: различие в параметрах растворимости полимера и мальтеновой фазы полимера, а так же количество и типы асфальтенов, содержащихся в битуме.
Технологический процесс производства ПБВ можно разделить на две части: непосредственное производство, когда происходит смешивание битума с полимером на специализированной установке и дозревание в емкостях хранения готового ПБВ, где вступая в контакт с битумом, эластомерные блоки полимера разбухают, поглощая значительную долю мальтеновой фракции битума. Таким образом, после смешивания с битумом полимер разбухает и объем обогащенной фазы в 5-10 раз превышает объем добавленного в смесь полимера. Высокие рабочие характеристики достигаются только при условии точного контроля дозировки полимера и его распределения в битумной массе. Как показали исследования европейских специалистов, лучшие показатели распределения (гомогенизации) достигаются при использовании мельницы с высокой степенью измельчения. Мельница (гомогенизатор) является главной частью завода по производству ПБВ. На рынке имеется несколько видов мельниц, причем большая их часть спроектирована для других отраслей промышленности (пищевой, химической, деревообрабатывающей), но используется для производства полимерно-модифицированных битумов. Компания MASSENZA разработала собственную модель мельницы, специально предназначенную для производства модифицированного битума и являющуюся лучшей в этой отрасли. Кроме того, MASSENZA разработала специальную систему с насосом переменной скорости, питающим мельницу. Такая система позволяет самой мельнице не тратить энергию на накачивание (как это происходит у большинства других производителей), направляя всю ее на измельчение, а также постоянно обеспечивает максимальный выход продукта путем регуляции потока сырья. Стоит отметить, что специалисты компании MASSENZA постоянно продолжают исследования в области взаимодействия полимера и битума, влияния процесса измельчения в мельнице на качество конечного продукта и в 2014 году фабрика выпустила новую модель мельницы – PMB 490-S, конструктивные элементы которой спроектированы так, чтобы конечный продукт обладал высочайшими характеристиками. Новая мельница обеспечивает более мелкую дисперсию, что в свою очередь способствует сокращению времени на химическую фазу дозревания и повышению производительности. Эта модель, по сравнению с предыдущими, включает в себя следующие улучшения:
- ротор и статор большого размера;
- более износостойкие материалы;
- улучшенная система подачи битума и полимера в мельницу;
- новая конструкция измельчающих элементов ротора и статора.
Новая конфигурация гомогенизатора позволяет увеличить эффективность его работы на 40%, по сравнению с предыдущими моделями, что в свою очередь повысило производительность самих установок для производства ПБВ.
Помимо процесса измельчения качество ПБВ сильно зависит от точного соблюдения рецептуры, и соответственно от точности дозировки компонентов на заводе. Зачастую на заводах для производства ПБВ отсутствует система измерения дозировки полимера и дозировку регулирует оператор, измеряя количество мешками, либо же реализована система объемного измерения дозировки полимера в емкость, которая так же обладает большими погрешностями. Установки для производства ПБВ компании MASSENZA оснащены питающим бункером, объёмом 600 литров, который имеет автоматическую весовую систему дозирования полимера. Бункер расположен на тензодатчиках, что позволяет осуществлять точнейший контроль дозировки полимера. Не менее важна точность дозировки битума. Эту задачу производители установок решают двумя способами: либо оснащают смесительные емкости тензодатчиками, причем с их помощью осуществляют контроль дозировки, как битума, так и полимера. Что является ошибочным технологическим решением так, как на емкость, куда осуществляется дозировка полимера, давит массой дозирующий полимер шнек и все подсоединенные трубопроводы, а так же передается вибрация от работы агрегатов (насосы, мельница, мешалки). Все это ведет к тому, что данная система выдает очень большую погрешность показаний. Либо на установках реализовано объемное дозирование битума зависимое от точности подачи насоса, открыванию — закрыванию клапанов. Дозировка битума при закачке в установку MASSENZA осуществляется более инновационным способом через специальное устройство по принципу Кориолиса (измерительная система в кожухе, измеряет интенсивность подачи вне зависимости от других параметров жидкости, таких как: плотность, температура, давление, вязкость, электропроводность и др.). Причем данная система оснащена контролем температуры входящего битума, так как для правильной модификации битума полимерами большое значение имеют температурные режимы и точность их соблюдения. То есть, если исходный битум не соответствует требуемой температуре (по любым возможным причинам), происходит остановка процесса и система сигнализирует об этом оператору.
Как известно, дорожные битумы, выпускаемые в России, не удовлетворяют требуемым для производства ПБВ характеристикам. Битумы недостаточно трещиностойки, не теплостойки, не эластичны и окислены (бедные ароматикой). Для улучшения совместимости полимера с битумом и создания пространственной структурной сетки, в качестве одного из компонентов ПБВ применяются специальные добавки, либо ароматические масла (для того чтобы обогатить бедный на масла битум, т.е. сделать своего рода первоначальную модификацию битума маслами). На установках MASSENZA имеется линия по вводу пластификатора (ароматических масел), причем данная система с кожухом обогрева специально разработана для наиболее популярных пластификаторов в России, дозируемых при температурах до 120 градусов Цельсия.
Помимо точности дозировки всех компонентов и эффективной гомогенизации битума с полимером важным критерием, от которого сильно зависит качество конечного продукта, является температурный режим производства. В установках MASSENZA реализован подогрев всех насосов, емкостей, клапанов и мельницы, за счет термального масла. Данная система «косвенного подогрева» обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с паровым, жаровым и электроподогревом. В первую очередь за счет масляного подогрева возможно одним контуром циркуляции масла обеспечить подогрев всего потребного оборудования: внутренние трубопроводы и агрегаты установки по производству ПБВ, а так же всей вспомогательной инфраструктуры (трубопроводы, битумные насосы, емкости, клапаны, задвижки). При масляном «мягком подогреве» не происходит окисление и коксование битума, и соответственно ухудшение и так не идеального по своим эксплуатационным характеристикам битумного вяжущего. Так же масляные системы подогрева, как правило, наиболее эффективны с точки зрения эксплуатационных затрат на теплоэнергию, и очень важно, что подобная система подогрева позволяет достаточно точно выдерживать все температурные режимы на всех технологических стадиях производства ПБВ, что качественно влияет на характеристики конечной продукции.
