CC BY
35
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
показал хорошую сходимость, погрешность
6,2 %.
3. Предложенная модель позволяет корректировать параметры ЦН: подачу, напор и частоту вращения за счет изменения количества лопастей и наружного диаметра РК.
Основная цель работы - проведение численного моделирования рабочих процессов ЦН и сравнение с результатами натурных испытаний - достигнута. Данный подход можно использовать для повышения эффективности эксплуатации ЦН в массоподводящих системах БМ и других подобных сложных гидравлических системах.
Библиографический список
1. Терентьев, О.А. Массоподача и равномерность бумажного полотна / О.А. Терентьев. - М.: Лесная промышленность, 1986. - 264 с.
2. Львов, А.И. Теоретическое обоснование условий работы смесительных насосов бумагоделательных машин при минимальном уровне пульсаций давления / А.И. Львов, В.С. Куров, О.А. Терентьев // Известия вузов. Лесной журнал - 1997. № 6 - С. 64-69.
3. Косторной, А.С. Исследование нестационарных характеристик потока в проточной части центробежного насоса / А.С. Косторной // Насосы и оборудование. - 2005. № 1 - С. 18-19.
4. Андерсон, Д Вычислительная гидродинамика и теплообмен. В 2-х т.: Пер. с англ. / Д Андерсон, Дж. Тан-нехил, Р Плетчер. - М.: Мир, 1990. - Т. 2. - 392 с.
5. Емцев, Б.Т. Техническая гидромеханика. / Б.Т. Емцев. - М.: Машиностроение, 1978. - 463 с.
6. Волков, А. Анализ гидродинамических качеств сетевых насосов в энергоблоках мощностью 100 МВт / А. Волков, С. Панкратов, А. Парыгин, // Насосы и оборудование. - 2006. № 2 - С. 25-27.
7. Хитрых, Д. Проектирование турбомашин: обзор моделей турбулентностей / Д. Хитрых // ANSYS Solutions. Русская редакция. - 2005. № 1 - С. 9-11
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ
регулирования адгезионных свойств вяжущих и адсорбционной способности каменных материалов и наполнителей в дорожном строительстве
О.П. ТЕЛЮФАНОВА, асп. каф. транспорта и дорожного стр-ва УГЛТУ,
С.И. БУЛДАКОВ, проф. каф. транспорта и дорожного стр-ва УГЛТУ, канд. техн. наук
В.К. КОНДРАТОВ, проф. Восточного научно-исслед. углехимического института
Рост требований к транспортно-эксплуатационным характеристикам асфальтобетонных покрытий, связанный с повышением скоростей движения и увеличением количества тяжелых и сверхтяжелых грузовых автомобилей в составе транспортного потока, отчетливо выявляет недостаточность существующего в настоящее время уровня качества дорожных битумов. Качество битума в значительной степени влияет на качество и срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий, поскольку все характерные особенности свойств асфальтобетона как термопластичного материала определяются свойствами битума.
Несмотря на то, что в настоящее время накоплен большой опыт производства битумов и асфальтобетона, наиболее острой остается проблема управления процессами получения вяжущих с заданными свойствами.
Анализ литературных данных показал, что выбор вяжущего (битума) проводится в основном эмпирически, отсутствуют систематические данные об адгезионной способности вяжущих и поровой структуры каменных материалов, наполнителей.
Характер мезопоровой структуры каменных материалов, а также адгезионная способность вяжущих материалов оказывают существенное влияние на качество и долговечность асфальтобетонных покрытий. Методология определения этих параметров отсутствует.
Разработка методологии моделирования адгезионной способности вяжущих в системе с каменным материалом его мезо-поровой структуры и создание на этой основе новых технологий получения нефтяных битумов, резинобитумных вяжущих, в том числе возможность вовлечения в использо-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2007
169
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
вание тяжелых нефтяных остатков - асфаль-тов пропановой деасфальтизации, нефтяного асфальтита, нефтяных масел, гудрона и других активных компонентов для дорожного строительства - является одним из перспективных направлений в области повышения качества вяжущего и продления сроков службы асфальтобетонных покрытий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение адгезионных свойств вяжущих (битумов) на каменных и резиновых материалах;
- разработка методики моделирования адгезионной способности вяжущих и мезо-поровой структуры каменных материалов в системах каменный материал с модельными соединениями - углеводородами;
- изучение закономерности изменения энергий связей мезопор в системах каменный материал с модельными соединениями;
- разработка процессов регулирования (прогнозирования) адгезионной способности вяжущих к каменным материалам на основе энергий связей в системах адсорбат (модельные соединения) - адсорбент (каменные материалы);
Объектами исследования стали каменные материалы: гранодиорит, известняк, мрамор, сланцево-битумная и карбонатнобитумная породы, нефтяные вяжущие.
В качестве модельных соединений использовали : циклогексан, бензол, н-геп-тан, п-ксилол,1-метилнафталин, тетралин.
Химический состав используемых каменных материалов определяли по ГОСТ. Содержание Si02, СаО, MgO, №2О в каменных материалах определяли по ГОСТ 1053893, «Топливо твердое. Методы определения химического состава», а количество А12О3, FеО и Fе2О3 - по ГОСТ 22553-92. «Песок кварцевый, молотый, песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности». Содержание СО2 определяли по ГОСТ 6389-81, а количество битумоидов в сланцево-битумных и карбонатно-битумных породах - по методике Г. Л. Стаднико-ва. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Из резиновых материалов изучали отходы резины шинной и эбонитовой Свердловского завода резинотехнических изделий.
По данным завода резиновые материалы содержат, % масс.:
- резина - каучук нитрильный 42-54, сажа 36-49;
- шинная резина - каучук СКМС 30 (метилстирольный) 38,31, каучук СКДП 16,42, масло ПН-6 7,66, технический углерод ПМ-100 30,1;
- эбонитовая резина - каучук бутадиеновый 40-42, технический углерод 38-39, индустриальное масло 11-12.
Из вяжущих материалов исследованы нефтяные битумы I—III структурных типов, асфальты пропановой деасфальтизации, нефтяной асфальтит с Уфимского нефтеперерабатывающего завода .
Основные свойства вяжущих определяли по ГОСТ. Температуру размягчения по кольцу и шару - по ГОСТ 11506-73; глубину проникания иглы при +25 °С - по ГОСТ 11501-78, растяжимость при +25 °С- по ГОСТ 11505-75, температуру вспышки - по ГОСТ 4333-48.
Структурно-групповой состав вяжущих изучали методом вытеснительной колоночной хроматографии на силикагеле. Определяли: парафинонафтеновые углеводороды (ПНУ), парафино-ароматические углеводороды (ПАУ), ароматические соединения (АС), масла (м), смолы (с), асфальтены (а). Физико-химические свойства вяжущих представлены в табл. 2.
Для определения термодинамических параметров (изменения мольной энтальпии и др.) в системах адсорбат (углеводород) -адсорбент (твердый материал) использовали метод обращенной газовой хроматографии.
Для оценки физико-химических закономерностей формирования адгезионных свойств нефтяных вяжущих к поверхности каменных и резиновых материалов использовали методологию моделирования.
Для определения показателя адгезии вяжущих к испытуемым твердым материалам использовали модельные соединения, содержащие функциональные группы, ана-
170
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
логичные веществам, входящим в состав вяжущего, измеряли объемы удерживания (Vm) модельными соединениями на испытуемых материалах и стандартном твердом материале - кварце.
С помощью зависимости lgVm от 1/Т (Т - температура) определяли изменение мольной энтальпии при адсорбции модельных соединений (мс) на испытуемом материале (им) (У#™мс) и кварце (к)(УНкмс), рассчитывали коэффициенты адгезии как отношение величин изменение мольной энтальпии (VH™) модельных соединений на испытуемом материале к изменению мольной энтальпии при адсорбции циклогексана (Ц) на кварце (К), (УНкц) и УНкмс к УНкц и по принципу аддитивности энергий химических связей с учетом структурно-группового состава вяжущего, вычисляли коэффициенты адгезии вяжущего (Квим) на испытуемом материале.
Для эксперимента использовали хроматограф ЛХМ-8М, длина колонки 2 м, диа-
метр 3 мм, газ-носитель - гелий, скорость газа « 100 мл/мин, фракция сорбента в колонке 0,25-0,5 мм. Адсорбент - кварц. Адсорбаты - циклогексан, бензол, н-гептан, п-ксилол, I-метилнафталин, тетралин; масса адсорбента в колонке 20,38 г, количество модельного соединения, вводимого в колонку хроматографа - 0,04-0,05 г, модельные соединения вводят в поток гелия, определяют величины Vm при разных температурах и на основании линейных зависимостей lgV от
m
1/Т рассчитывают величины VH для систем модельные соединения - испытуемый материал.
Для моделирования адгезии парафинонафтеновых углеводородов на испытуемом материале в качестве модельного соединения использованы циклогексан (ц) и н-гептан (н-г); ароматических соединений-бензол (б), п-ксилол (п-к), I-метилнафталин (м-н); парафино-ароматических углеводородов- н-г, п-к, м-н; а - м-н и тетралин (т); масел (м) - ц и п-к.
Т а б л и ц а 1
Содержание СО2 и битумоидов в сланцево-битумных и карбонатно-битумных породах
Материал Содержание, %
Si02 СаО МцО Fе0 FеA А1А №2О СО0 битумоид
Кварц 98,37 - - - - - - -
Гранодиорит 59,49 6,27 3,42 3,51 2,91 16,7 3,9 - -
Известняк - 58,5 - - - - - 39,9 -
Сланцево-битумная порода 24,37 29,8 - - - - - 23,6 до 2
Карбонатно-битумная порода 7,04 43,2 - - - - - 34,5 до 2
Т а б л и ц а 2
Физико-химические свойства вяжущих материалов
Соединение Структурно-групповой состав, % Показатели
ПНУ ПАУ АС масла смолы ас- фаль- тены Температура размягчения, ОС Глубина проникания иглы при +25 ° С, усл. единиц Растяжи- мость, см Температура вспышки, °С
Битум I структурного типа 4,04 14,77 53,31 - - 27,88 47 108 140 250
Битум II структурного типа 5,48 30,89 46,42 - - 17,21 39 220 100 245
Битум III структурного типа 13,26 14,61 50,39 - - 21,74 43 160 130 240
Асфальты проп. деасфальтизации - I - - - 49,3 48,0 2,7 38 90 30 230
Асфальты проп. деасфальтизации - II - - - 36,9 57,3 5,8 45 40 100 240
Нефтяной асфальтит 1,2 - 29,9 9,3 17,9 41,7 120 - - -
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
171
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 3
Результаты моделирования коэффициентов адгезии структурно-групповых составляющих вяжущих (К им, К им, К им, К им, К им и К им) на твердых материалах
* v пну 7 ас 7 пау 7 а 7 м см ' r г
Твердые материалы Парафино-нафтеновые углеводороды, Кпнуим Ароматические соединения, Касим Парафино-ароматические углеводороды, Knav™ Асфальтены, К ™ Масла, К им м Смо- лы, К им см
Кварц 1,070 1,786 1,724 2,264 1,427 1,920
Гранодиорит 1,364 1,961 2,025 2,566 1,580 2,268
Сланцево-битумная порода 1,021 1,330 1,402 2,064 1,183 1,490
Мрамор 1,493 1,662 1,783 2,131 1,440 1,870
Известняк 1,740 1,992 2,233 2,819 1,930 2,409
Карбонатно-битумная порода 1,110 1,675 1,682 2,209 1,416 1,909
Резина 1,287 1,637 1,624 2,065 1,403 1,795
Шинная резина 1,414 1,712 1,788 2,184 1,406 1,894
Эбонитовая резина 1,400 1,744 1,751 2,260 1,532 1,972
Таблица 4
Результаты определения коэффициентов адгезии битумов типа I—III, асфальта пропановой деасфальтизации - I и II, нефтяного асфальтита по отношению к твердым материалам
Твердые материалы К™ типа I К,™ типа II К™ типа III К_ ,™ К им на
Кварц 1,874 1,809 1,789 1,686 1,758 1,966
Гранодиорит 2,105 2,052 2,023 1,937 2,032 2,225
Сланцево-битумная порода 1,525 1,461 1,463 1,354 1,410 1,647
Мрамор 1,805 1,771 1,759 1,665 1,727 1,873
Известняк 2,236 2,195 2,173 2,183 2,256 2,402
Карбонатно-битумная порода 1,794 1,739 1,717 1,674 1,745 1,908
Резина 1,731 1,757 1,682 1,610 1,667 1,816
Шинная резина 1,823 1,800 1,787 1,661 1,731 1,908
Эбонитовая резина 1,866 1,816 1,810 1,763 1,826 1,975
Возможность использования модельных соединений с низкой молекулярной массой для моделирования адгезии вяжущих с более высокой молекулярной массой обусловлено линейными соотношениями между величинами VH систем адсорбент - модельное соединение от числа атомов углерода в молекулах модельного соединения .
Коэффициент адгезии (К™мс) определяют как отношение VHим /Нк .
мс ц
При вычислении коэффициентов адгезии ПНУ (Ким ), АС (Ким ), ПАУ (Ким ),
4 пну'7 4 ас'7 4 пау'7
а (Кима), м (К™м) и см (К™см) на испытуемом материале по принципу аддитивности используют средние значения Киммс соответственно
Ким = (К^м + К^м )/2" К^м = пну ^ ц н-г' ’ ас
= (К им + К им + К им)/3*
^ б п-к м-н ' ’
Ким = (Ким + Ким + Ким )/3
Определение коэффициентов адгезии асфальтенов, масел и смол проводили по уравнениям
К им = Ким х п + К им х т;
а м-н т 7
К им = К им х n + К им х m ;
м ц 1ц 17
к™ = К им х п + К™ х да ,
см ц 2 м-н 27
где п, п1, п2 и m, т1 и т2 - содержание ароматических и нафтеновых углеводородов в асфальтенах, маслах и смолах соответственно.
Величины К им, К им, К им, Ким,
пну ас пау а
Кмим и Ксмим использованы для определения коэффициентов адгезии вяжущих (Квим) на испытуемых материалах: битумов (б), (Кбим), нефтяных асфальтитах, (Кнаим), асфальтов пропановой деасфальтизации (Капдим) по их структурно-групповому составу (табл. 3).
172
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
В соответствии с принципом аддитивности величины К™ определяются по формуле
К им = N х К им + N х К им + N х К им +
в 1 пну 2 ас 3 пау
+ N х К им + N х К им + N х К им
4 а 5 м 6 см
где N1, N2, N3, N4, N5, N6 - содержание парафинонафтеновых углеводородов, ароматических соединений, асфальтенов, масел и смол в вяжущем соответственно.
Результаты определения коэффициентов адгезии структурно-групповых составляющих вяжущих приведены в табл. 3, 4.
Из табл. 3 следует, что парафинонафтеновые углеводороды прочнее сорбируется на известняке, мраморе, гранодиорите и эбонитовой резине; ароматические соединения - на известняке, гранодиорите, кварце, эбонитовой резине; парафино-ароматические - на известняке, гранодиорите, шинной резине и мраморе; асфальтены - на известняке, гранодиорите, кварце и эбонитовой резине; масла - на известняке, гранодиорите, эбонитовой резине; смолы - на известняке, гранодиорите, эбонитовой резине и кварце.
Повышение адгезионной способности известняка обусловлено образованием одновременно прочной связи между катионом Са+2 и п - системой ароматических соединений вяжущих и водородных связей между анионом СО3-2 и С-Н группами ароматических соединений СО3-2 ... Н-С.
Полученные данные свидетельствуют о возможности регулирования (прогнозирования) адгезионной способности вяжущих в
системе с каменным материалом и резиной. Так, при более высоком содержании парафинонафтеновых углеводородов в вяжущем для повышения его адгезионной способности в качестве наполнителей могут быть использованы известняки, мрамор, шинная и эбонитовая резиновая крошка; вяжущее, содержащее большее количество ароматических соединений, может быть использовано в системе с известняком, гранодиоритом, мрамором, шинной и эбонитовой резиной; при наличии в вяжущем асфальтненов можно применять известняки, гранодиориты, кварц и эбонитовую резину; в случае наличия масел и смол нужно использовать известняки, гранодиориты и эбонитовую резину .
Наиболее высокой адгезионной способностью по отношению к каменным материалам и др. обладает нефтяной асфальтит и битум типа 1 (табл. 2). Адсорбционная способность по отношению к вяжущим выше для известняков, что обусловливает его применение в качестве активатора вяжущих. Эффективно также использование гранодиоритов в смеси с различными вяжущими; эбонитовая резина в системе с нефтяным асфальтитом, битумами типа I - II; карбонатно-битумные породы в смеси с нефтяным асфальтитом, битумом типа I и асфальтами пропановой деасфальтизации - II.
Полученные данные могут быть использованы для выбора каменного материала и резины для дорожного строительства в зависимости от их адсорбционной способности по отношению к вяжущим материалам.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
173
