CC BY
0С.Н. Шабаев, канд. техн. наук, доц., e-mail: shabaev81@rambler.ru Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева,
г. Кемерово
УДК 691.162
ПАРАМЕТР ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕНИЯ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ
С НЕФТЯНЫМ БИТУМОМ
В статье показана технология, имеющаяся в настоящее время в России и мире, модифицирования битума резиновой крошкой и описания механизма структурирования вяжущего. Описан процесс оптимизации термомеханического процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом для получения модифицированного вяжущего. Приведен алгоритм оптимального значения совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом путем сочетания базовых факторов, таких как состав дисперсионной среды, температуры термомеханического процесса совмещения, размера, удельной поверхности частиц и химический состав резиновой крошки, конструкция и скорость вращения смесителя, рецептура, зависящая от интегрального фактора. Описан способ уменьшения отклонений при базовых факторах за счет уменьшения времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом при получении модифицированного вяжущего.
Ключевые слова: резиновая крошка, совмещение, интервал пластичности, базовые факторы, интегральный фактор, отклонение.
S.N. Shabaev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
AN OPTIMIZATION PARAMETER OF COMBINING RUBBER CRUMB
WITH OIL BITUMEN
The article introduces the technology of bitumen modification with rubber crumb and the description of a binder structuring mechanism, which is available now in Russia and around the world. It describes an optimization ofa thermomechanical method of mixing rubber crumb with oil bitumen in order to receive a modified binder. An optimal value algorithm of the combination is given through a combination of basic factors, such as a dispersive medium structure, temperature of thermomechanical combination process, size, a specific surface ofparticles, a rubber crumb chemical composition, the design and speed of a mixer rotation, a formula, depending on an integrated factor. The work provides the method of the deflections reduction at basic factors through the time reduction of mixing rubber crumb with oil bitumen in the production of the modified binder.
Key words. Rubber crumb, alignment, plasticity interval, basic factors, integral factor, deviation.
Введение
В обширной литературе, посвященной вопросу изучения процессов модификации нефтяных битумов резиновой крошкой, даются конкретные практические рекомендации по технологическим режимам и составу, однако практически всегда отсутствует информация о том, что выступало в качестве параметра оптимизации и какие значения факторов были приняты. Объясняется это отсутствием теоретической модели, позволяющей прогнозировать эффективность того или иного принятого технологического процесса.
Анализ и обсуждение
Основной задачей модификации битумов резиновой крошкой является улучшение их физико-химических свойств. При этом особое внимание уделяется расширению интервала пластичности, адгезионных и когезионных характеристик резинобитумных вяжущих [1-10]. В то же время, несмотря на то что все авторы утверждают о наличии эффекта модификации, величина этого эффекта различна. Это, вполне вероятно, обусловлено влиянием различных факторов в каждом конкретном случае. В качестве факторов выступают состав дисперсионной среды, температура термомеханического процесса совмещения, размер, удельная поверхность
28
частиц и химический состав резиновой крошки, конструкция и скорость вращения смесителя, время термомеханического процесса, рецептура и другие. Таким образом, наличие большого количества разнообразных факторов и предопределяет неоднозначность результатов. Чтобы можно было дать объяснение всем этим различиям, необходимо разработать теоретическую модель процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом. Одной из важнейших характеристик этой модели выступает параметр оптимизации.
В работе [11] выстроено предположение о том, что модифицирующий эффект достигается за счет высвобождаемого из резиновой крошки каучука. При этом существует оптимальное время процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, при котором количество высвободившегося каучука, с учетом параллельно протекающего процесса его деструкции, имеет экстремум. В этом случае резинобитумные вяжущие должны обладать наилучшими физико-химическими характеристиками.
Однако остаются нерешенными несколько вопросов: все ли характеристики резиноби-тумных вяжущих имеют наилучшие значения, а если не все имеют экстремум, то какие характеристики необходимо рассматривать?
Оценка интервала пластичности при заданных факторах
В статье [12] приведены результаты определения физико-химических свойств резино-битумных вяжущих при заданных факторах в зависимости от длительности термомеханического процесса совмещения резиновой крошки с пластифицированным нефтяным битумом. Произведя анализ представленных зависимостей, можно утверждать, что экстремум имеют (в случае экстраполяции должны иметь) только три зависимости: температуры размягчения по кольцу и шару, температуры размягчения по кольцу и шару после прогрева и температуры хрупкости по Фраасу от времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом. Две из них, а именно зависимости температуры размягчения по кольцу и шару и температуры хрупкости по Фраасу от времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, определяют интервал пластичности резинобитумного вяжущего, а значит, по ним можно определить оптимальное время термомеханического процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом. Данная зависимость представлена на рисунке 1.
«
н о о и
н
о @
а
ч
03 «
а
<и
К
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
► ► < ► 4 ►
♦ ____ ► < ► < = 0,62
4 ►
\ ( > Г N /
0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75 3,25 3,75 4,25 4,75 5,25 5,75 Время совмещения резиновой крошки с битумом, ч
Рисунок 1 - Зависимость интервала пластичности резинобитумного вяжущего от времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом
Анализ зависимости показывает, что при заданных факторах эксперимента оптимальное время совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом составляет 3,25 ч. Изменение времени в большую или меньшую сторону ведет к снижению интервала пластичности резиноби-тумного вяжущего, однако это изменение незначительно. Если принять, что допустимое снижение интервала пластичности резинобитумного вяжущего по сравнению с экстремумом может составлять 5 %, то можно получить допустимый интервал времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, составляющий 3,25±1,5 ч.
Оценка зависимости интервала пластичноти при сочетании базовых факторов
Из теоретических исследований [11] известна зависимость общего объема образованного каучука от продолжительности процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом при различном обобщенном показателе <Храс1в , зависящем от факторов. Если в этой
зависимости объем образованного каучука заменить интервалом пластичности резинобитум-ного вяжущего, то общий ее вид не изменится (рис. 2, линиями со стрелками показано оптимальное время, а засечками - нижние и верхние границы допустимого времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом). Возможность замены объема образованного каучука интервалом пластичности резинобитумного вяжущего при сохранении общего вида зависимости обусловлено тем, что каучук имеет более высокую температуру размягчения и низкую температуру хрупкости по сравнению с нефтяными битумами, в связи с чем увеличение содержания каучука в составе резинобитумных вяжущих ведет к увеличению интервала пластичности композита.
Если на рисунке 2 соединить точки экстремумов, а также точки, расположенные на пересечении линий зависимостей с засечками, то можно получить зависимости интервала пластичности резинобитумного вяжущего и допустимого отклонения времени от оптимального времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом (рис. 3).
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00
Время совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, ч
Рисунок 2 - Зависимость интервала пластичности резинобитумного вяжущего от времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом при различных сочетаниях базовых факторов
О
о
L-
3
«
¡5
о о к
«
а
i S
130,0
120,0
110,0
100,0
90,0
80,0
Допуст \ имое откло < ч > нение времени
\ 1 4
\ ' \ \
\ \ \ Допустимое отклонение времени
<- \ \ \ \ > \ S
1 / V \ \ 1 1
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 Оптимальное время совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, ч
Рисунок 3 - Общий вид зависимости интервала пластичности резинобитумного вяжущего и допустимого отклонения времени от оптимального времени совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом
Заключение
Анализ представленных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:
1. В качестве параметра оптимизации термомеханического процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом целесообразно назначить интервал пластичности резинобитумного вяжущего, при этом в качестве интегрального фактора выступает оптимальное время процесса совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом.
2. При каждом сочетании базовых факторов (состав дисперсионной среды, температура термомеханического процесса совмещения, размер, удельная поверхность частиц и химический состав резиновой крошки, конструкция и скорость вращения смесителя, рецептура) существует оптимальное значение зависящего от них интегрального фактора.
3. Чем меньше оптимальное время совмещения резиновой крошки с нефтяным битумом, тем меньше допустимые отклонения от него и больше интервал пластичности резинобитум-ного вяжущего можно достигнуть.
Библиография
1. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P.97-103.
2. Mull M. A., Stuart K., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
3. Kim H., Lee S., Amirkhanian S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
4. Morrison G. R., Hesp S. A. M. A new look at rubber-modified asphalt binders // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 2584-2590.
5. Chuan X., Tianqing L., Yanjun Q. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture // Journal of Modern Transportation. - 2013. - Vol. 21. - P. 273280.
6. Shakir S., Jorge P., ManuelM. Asphalt Rubber Interlayer Benefits in Minimizing Reflective Cracking of Overlays over Rigid Pavements // 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements. -2012. - Vol. 4. - P. 1157-1167.
7. Tao M., Yongli Z., Xiaoming H. et al. Characteristics of desulfurized rubber asphalt and mixture // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Vol. 20. - P. 1347-1355.
8. Hicks R.G., Cheng D., Duffy T. Evaluation of Terminal Blend Rubberized Asphalt in Paving Applications // Clifornia Pavement Preservation Center. - 2010. - P. 115-117.
9. Zhu H., Liu C., Tom K. et al. Crumb rubber blends in noise absorption study // Materials and Structures. - 2008. - Vol. 41. - P. 383-390.
10. Juan G., Ana A., Felice G. Black curves and creep behavior of crumb rubber modified binders containing warm mix asphalt additives // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2016. - Vol. 20. -P.389-403.
11. Шабаев С.Н., Иванов С.А. Исследование влияния технологического режима получения композиционных резинобитумных вяжущих на их свойства // Приволжский научный журнал. - 2016. - № 3. - С. 53-62.
12. Шабаев С.Н. Теоретические основы моделирования процесса модификации битумов резиновой крошкой // Приволжский научный журнал. - 2016. - № 4. - С. 66-75.
Bibliography
1. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M et al. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P.97-103.
2. MullM. A., Stuart K., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
3. Kim H., Lee S., Amirkhanyan S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
4. Morrison G. R., Hesp S. A. M. A new look at rubber-modified asphalt binders // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 2584-2590.
5. Chuan X., Tianqing L., Yanjun Q. Optimization of technical measures for improving high-temperature performance of asphalt-rubber mixture // Journal of Modern Transportation. - 2013. - Vol. 21. -P.273-280.
6. Shakir S., Jorge P., ManuelM. Asphalt Rubber Interlayer Benefits in Minimizing Reflective Cracking of Overlays over Rigid Pavements // 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements. -2012. - Vol. 4. - P. 1157-1167.
7. Tao M., Yongli Z., Xiaoming H.et al. Characteristics of desulfurized rubber asphalt and mixture // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2016. - Vol. 20. - P. 1347-1355.
8. Hicks R.G., Cheng D., Duffy T. Evaluation of Terminal Blend Rubberized Asphalt in Paving Applications // Clifornia Pavement Preservation Center. - 2010. - P. 115-117.
9. Zhu H., Liu C., Tom K.et al. Crumb rubber blends in noise absorption study // Materials and Structures. - 2008. - Vol. 41. - P. 383-390.
10. Juan G., Ana A., Felice G. Black curves and creep behavior of crumb rubber modified binders containing warm mix asphalt additives // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2016. - Vol. 20. -P.389-403.
11. Shabaev S.N., Ivanov S.A. Investigation of the influence of the technological mode of obtaining composite rubber-bituminous binders on their properties // Privolzhskij nauchnyj zhurnal. - 2016. - N 3. -P.53-62.
12. Shabaev S.N. Theoretical bases of modeling a process of modification of bitums with rubber crumbs // Privolzhskij nauchnyj zhurnal. - 2016. - N 4. - P. 66-75.
