О деградации битума при нагреве

Статья вышла в журнале Наука и техника в дорожной отрасли, №4, 2004

Васьковский В.В.
Порадек С.В.

Технологическим рекомендациям дорожной науки, к со­жалению, не всегда предшествует проверка поведения объектов производственного масштаба. Условия при ис­следованиях в лаборатории часто не соответствуют усло­виям работы в реальном производстве, которые в экспе­рименте не всегда можно в точности обеспечить. Однако исследователь должен к такому соответствию стремить­ся, и если не удается приблизиться к ним в достаточной степени, то необходимо признавать относительность ре­зультатов.
В технической литературе и даже в нормативных доку­ментах, в различного рода методических разработках ве­дущих НИИ и других встречаются рекомендации, которые не были проверены в производственных условиях и зачас­тую не приводят к ожидаемым результатам как раз по из­ложенной выше причине. Один из авторов признается в такой рекомендации [1,2], которая казалась совершенно очевидной, но на тот момент не была проверена долж­ным образом на технологическом уровне. Это относится к рекомендации приготавливать модифицированный битум или битумную эмульсию из одной партии битума, для которой следует разрабатывать рецепт композиции. С этой целью на АБЗ или битумной базе предлагалось ис­пользовать теплоизолированную накопительную емкость, например, вместимостью 400 т, с нагревательными эле­ментами необходимой мощности. Заполненная емкость прогревается до температуры 110°С и усредняется, на­пример, барботажем воздуха от компрессора.
Казалось бы преимущества такого технического реше­ния очевидны. Оптимизированный рецепт, разработка ко­торого — весьма трудоемкое мероприятие, теперь можно применять для всей партии усредненного битума. Одна­ко при этом подразумевается, что, во-первых, перемеши­вание барботажем воздуха существенно не ухудшает свойств битума, а, во-вторых, в горячем состоянии (на­пример, при 110°С) битум в первый день расходования и через неделю или две (в зависимости от того, сколько вре­мени расходуется эта партия) будет идентичен по своим показателям качества. По размышлении и то, и другое совсем не очевидно.
Температура 110°С выбрана не случайно. Следует от­метить три специфических температуры для битума. Тем­пература слива из железнодорожных цистерн 70…80°С, температура перекачивания битумными насосами 100…120°С (для разных марок), и технологическая тем­пература непосредственного применения битума, напри­мер, при производстве смесей-это 150…160°С. В емкос­тях временного хранения и в подготовительных емкостях готовый к подаче в расходные технологические емкости битум держат обычно при температуре перекачки, в сред­нем как раз при 110°С.
Для проверки допустимости предложенной технологии авторы провели соответствующий эксперимент. Был взят образец битума марки БДУ 90-130 Ярославского НПЗ и оп­ределены его исходные показатели. Затем битум был раз­лит в четыре металлические банки. Одна из банок была герметично закрыта крышкой и прогревалась при темпера­туре 110±5°С в течение 90 ч. Другая банка прогревалась также при этой температуре 90 ч, но с открытой крышкой. Третья банка выдерживалась при такой же температуре и с открытой крышкой 240 ч, а четвертая — 480 ч.
Отношение площади контакта с воздухом к массе биту­ма составляло в пересчете в среднем 1,5 м²/т, что находит­ся в диапазоне изменения этого отношения для наземных стальных хранилищ с использованием резервуаров рулон­ной поставки. Например, для полностью заполненного ре­зервуара вместимостью 400 т относительная величина контакта поверхности битума с воздухом составляет 0,15 м²/т. Но под конец расходования, когда битум только зак­рывает нагревательные элементы, эта величина доходит до 2,5 м²/т. Изменения показателей качества битума для четырех испытанных образцов приведены в табл, 1.

Таблица 1

Видно, что выдержка в течение 90 ч при температуре 110°С в закрытой емкости не приводит к заметной дегра­дации битума. В то же время при контакте с воздухом из­менения показателей битума существенны и уже при вы­держке в течение 240 ч технологически неприемлемы, а при нагреве 480 ч катастрофичны, что не позволяет под­твердить ранее сделанную рекомендацию.
Авторы сочли необходимым также проверить измене­ние показателей при нагреве более вязкого битума. Был взят образец битума БНД 60/90 Московского НПЗ и разлит в три банки. Первая — для оценки показателей исходного битума, вторая выдерживалась с герметично закрытой крышкой при температуре 110±5°С 240 ч, а третья при такой же температуре 240 ч с открытой крышкой. Резуль­таты анализа некоторых показателей битума после про­грева показаны в табл. 2.

Таблица 2

Видно, что даже в закрытой банке битум существенно изменил свои показатели, например, П₂₅ уменьшилась на 17 единиц и битум вышел за пределы показателей исход­ной марки. А в открытой банке изменения значительно большие и П₂₅уменьшилась более, чем на 22 единицы!
Оказалось, что при нагреве битума 10 сут. даже только при температуре жидкотекучести (всего 110°С) происходят процессы, существенно изменяющие его свойства, в том числе и при нагреве в герметично закрытой емкости. Одна­ко при контакте с воздухом происходили более радикаль­ные изменения. Поэтому можно утверждать, что наряду с повышенной температурой кислород воздуха является су­щественным фактором деградации битума, и герметиза­ция емкостей, а также организация над горячим битумом инертной среды — весьма полезные мероприятия.
Полностью герметизировать резервуары вряд ли воз­можно. По крайней мере люк-лаз на крыше должен быть. Следовательно, его нужно уплотнять прокладкой. Но главное — на крыше резервуара всегда есть воздушник, и при заполнении резервуара битумом через него удаляется вы­тесняемый воздух, а при расходовании битума — соответственно входит. Но воздух нам не нужен, поэтому его следу­ет заменить на газ, практически не содержащий кислорода.
Предложение использовать азот или углекислоту, по­ставляемые в баллонах, вряд ли приемлемо. В стандарт­ном баллоне вместимостью 40 л при начальном давлении 150 атм. содержится только около 6 м³ азота. При расходо­вании из резервуара всего битума нам потребуется более семидесяти, а то и ста баллонов (плюс компенсация про­течек через неплотности, в том числе крышки люка-лаза)!
Технические решения по обеспечению инертной сре­ды в битумных емкостях выходят за рамки данной статьи и после опробования в производстве будут опубликованы позднее.
Для проверки допустимости перемешивания битума барботажем воздуха также был проведен эксперимент. Случайная проба битума, имеющаяся в лаборатории, была разлита в три банки примерно по 650 г в каждую. Одна — для определения показателей исходного битума (табл. 3).

Таблица 3

Во вторую банку при начальной температуре 116°С была установлена по центру до дна заглушенная с торца трубка с 6 отверстиями диаметром 4,2 мм в самой нижней части. Диаметр банки 100 мм. Высота слоя битума 83 мм. Высота слоя над отверстиями -80 мм (0,08 м). Битум был продут в течение 120 с в количестве 45 л воздуха (нагрев не отключался). После завершения подачи воздуха темпера­тура составила 106^аС (средняя температура 11 ГС).
Битум в третьей банке продувался около 240 с. Количе­ство поданного воздуха — 90 л. Начальная температура так­же 116°С, а конечная — 102°С (средняя температура 109°С).
Как можно перенести условия эксперимента на произ­водственный масштаб? Скорость всплытия газового пу­зырька и его размеры в вязкой жидкости зависят от коэф­фициента поверхностного натяжения жидкости в реаль­ных условиях, плотности жидкости, ее вязкости. Литера­турных источников с опытными данными или зависимос­тями, описывающими количественно размеры и скорость всплытия пузырьков воздуха в горячем битуме не обнару­жено. Анализ информации [3] по исследованиям скорости всплытия газовых пузырьков в различных жидкостях позво­ляет отнести условия всплытия к зонам IV и V (рис. 1.90, с. 97). После расчетов по приведенным зависимостям мож­но сделать вывод о среднем размере пузырька по диа­метру эквивалентной сферы в диапазоне 2…4 см, а ско­рость всплытия в битуме по результатам расчетов долж­на составлять от 0,2 до 0,4 м/с.
Высота слоя битума в резервуаре вместимостью 400 т около 6,5 м. По-видимому, можно принять допущение о равной скорости всплытия пузырька в резервуаре и экс­периментальном сосуде при прочих равных условиях, а также менее очевидное допущение о незначительной раз­нице реакционной способности кислорода воздуха, выз­ванной изменением его содержания на входе в битум и выходе из него. Это допущение может быть не корректно для температуры битума порядка 150…160°С или выше, но для температуры 110°С вероятно приемлемо.
Эффективность взаимодействия кислорода с битумом, если исключить как фактор температуру битума, очевидно пропорциональна количеству подаваемого воздуха на еди­ницу массы битума и времени контакта, которое при прочих равных условиях определяется высотой всплытия пузырь­ка. Поэтому отношение количества пробарботировавшего воздуха к количеству битума при переходе на производствен­ные условия необходимо уменьшить в 6,5 : 0,08 ~ 80 раз.
Для первого продутого воздухом образца битума от­ношение составит 0,045 м³ : 0,00065 т : 80 — 0,865 м³/т, а для второго — вдвое больше, 1,73 м³/т.
Это означает, что условия окисления битума при пе­ремешивании продувкой воздухом соответствуют подаче в резервуар 0,865×400 = 346 м³ воздуха в первом случае и 692 м³ во втором. При использовании стандартного комп­рессора производительностью 6 м³/мин время продувки составит около одного часа и двух часов соответственно, что имеет производственный смысл.
Результаты эксперимента, изложенные в табл. 3, по­казывают, что перемешивание битума с целью усредне­ния всей массы в резервуаре при температуре 110°С про­дувкой воздухом от компрессора в течение одного — двух часов не приводит к существенным изменениям показа­телей его качества и поэтому вполне приемлемо. Таким образом, сделанную ранее рекомендацию по усреднению битума, накопленного из нескольких партий, можно под­твердить только при условии его расходования за период 4…5 дней, не более.
Результаты эксперимента вынуждают также по-ново­му взглянуть на организацию подачи битума в смеситель при производстве асфальтобетонной смеси. В емкостях- хранилищах и в описываемом эксперименте битум прак­тически неподвижен. Непосредственный контакт с кисло­родом воздуха имеет только поверхностный слой, а в ос­новную массу битума кислород продвигается за счет диф­фузии. Диффузионные процессы весьма медленные. Именно поэтому при длительности выдержки 90 ч даже при открытой крышке не наблюдается значительного из­менения свойств битума.
На асфальтосмесительных установках производства Кременчугского завода дорожных машин (ныне — АО “Кредмаш», Украина), которые наиболее распространены в Рос­сии, при производстве смесей битум циркулирует по зам­кнутому контуру через расходную емкость, где поддержи­вается технологическая температура 150…160°С, и пери­одически, каждый цикл приготовления смеси от этого кон­тура производится отбор порции битума в дозатор, а от­туда — в смеситель. При этом в среднем отбирается око­ло 10% от циркулирующего битума, а остальные 90% воз­вращаются в расходную емкость. Таким образом, в рас­ходной емкости битум находится в постоянном движении, поверхность обновляется, что наряду с достаточно высо­кой температурой способствует интенсификации процес­са окисления.
Штатные расходные емкости старых установок ДС-117, ДС-158, а также установок нового поколения ДС-185 и ДС- 168 не имеют уплотнения крышек люка-лаза. К тому же весьма часто помощник оператора или дежурный битумовар открывают крышку люка, чтобы уточнить визуаль­но количество оставшегося битума или проследить за уровнем битума при заполнении расходной емкости, при этом обеспечивая доступ воздуха в емкость.
Есть веские основания полагать, что по этой причине битум в расходных емкостях асфальтосмесительных ус­тановок Кременчугского завода дорожных машин подвер­гается существенному окислению и изменяет свои свой­ства уже в течение одной смены.
На установках зарубежного производства, например фирмы Ammann, подача битума из расходной емкости про­изводится иначе. Контур рециркуляции замыкается на битумном насосе и в расходной емкости битум неподви­жен. Это значительно снижает его окисление. Такое тех­ническое решение нетрудно реализовать на АБЗ, имею­щих асфальтосмесительные установки Кременчугского завода. Обратную линию контура рециркуляции битума необходимо соединить не с патрубком на расходной ем­кости, а с всасывающим патрубком битумного насоса. Для чего там необходимо установить дополнительно треххо­довой кран.

Список литературы:

1. Порадек С. В. Некоторые технологические проблемы применения битума в дорожном строительстве // Наука и техника в дорожной отрасли, № 3, 2004.
2. Порадек С. В. Некоторые рекомендации  по разработке рецептов модифицированного битума // Новости в дорожном деле. Информационный сборник Информавтодор, вып.1, 2005.
3. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. — М.: Энергоиздат, 1982, с. 96-97.