Experimental study of the mixing process of asphalt concrete mixtures

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В технологии приготовления горячих асфальтобетонных смесей наиболее сложным и наименее изученным процессом является перемешивание минеральных компонентов с органическими вяжущими, Решение задачи усложняется тем, что при этом изменяются такие свойства среды, как вязкость и агрегатное состояние.

Изучению этого процесса посвящен ряд работ [1–4], в которых на основании изменения расхода мощности привода мешалки предлагается судить не только о достижении однородности смеси [5], но и об оценке качества асфальтобетонных смесей в процессе перемешивания компонентов, которое в конечном итоге определяет работоспособность асфальтобетонного покрытия.

Помимо диспергирования органического вяжущего, теплообмена и массопереноса в смесителе могут протекать процессы окислительной поликонденсации, существенно изменяющие реологические характеристики асфальтобетона. Последнее обстоятельство используется в технических решениях по приготовлению горячих асфальтобетонных смесей путем совмещения процессов окисления или доокисления вяжущего и перемешивания компонентов смеси в одной операции [6, 7].

ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Применение такой технологии для получения асфальтобетонных смесей обусловливает необходимость контроля за изменением консистенции вяжущего в процессе перемешивания. В качестве общей рабочей гипотезы принято предположение о функциональной зависимости между расходом мощности электродвигателя мешалки и сопротивлением перемешиванию, вызванным изменяющейся вязкостью смеси. Поэтому необходимо установить зависимости расхода мощности привода мешалки от различных технологических параметров (температуры смеси, времени перемешивания, инициатора процесса окисления и скорости ввода его в мешалку).

С этой целью в лабораторных и производственных условиях были проведены эксперименты. Для получения стабильных значений расходов мощности параметры технологического процесса приготовления горячих асфальтобетонных смесей выдерживались на строго заданных уровнях.

Принцип действия лабораторной установки, следующий: напряжение, пропорциональное мощности, потребляемой электродвигателем постоянного тока мешалки, поступало на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с выхода ФНЧ напряжение подавалось на цифровой вольтметр В7-16 и шлейфовый осциллограф НО-431. Число оборотов мешалки контролировалось с помощью электронного цифрового тахометра ТЦ-1.

Температура смеси в процессе перемешивания измерялась с помощью термопары «ХК» н регистрировалась на диаграммах потенциометра КСП-4 и шлейфового осциллографа НО-431.

Таким образом, на диаграммной ленте шлейфового осциллографа НО-431 одновременно записывались расход мощности электродвигателя мешалки и изменения температуры смеси. Применение двигателя постоянного тока П-12 и стабилизированных выпрямителей Т3С-13,           УИП-2 позволяло задавать идентичные начальные условия эксперимента. В связи с относительной неоднородностью перемешиваемой асфальтобетонной смеси нагрузка на двигатель, а следовательно, и потребляемая им мощность, в течение одного оборота вала мешалки изменяются несколько раз.

Однако целью эксперимента было выявить изменения мощности, на один-два порядка более продолжительные во времени, обусловленные изменением вязкости смеси [8–11]. Для этого в экспериментальной установке применен ФНЧ. Лабораторная мешалка была снабжена встроенным подогревателем, что позволило снимать функциональные зависимости расхода мощности от температуры, а также стабилизировать температуру смеси. Типичная запись влияния параметров процесса на расход мощности и температуру приведена на Рис. 1. После ввода минерального материала в мешалку расход мощности на диаграмме возрастает до определенного значения, а затем стабилизируется, что свидетельствует о равномерном распределении частиц минеральных компонентов смеси в объеме. С введением в перемешиваемый минеральный материал гудрона расход мощности, потребляемой приводом мешалки, возрастает с последующей стабилизацией. На диаграмме, кроме изменений уровня расхода мощности, в этот период отмечаются изменения значений температуры смеси. В момент ввода инициатора окислительного процесса наблюдается резкое снижение расхода мощности и температуры. Снижение расхода мощности объясняется возникновением эффекта псевдоожижения в перемешиваемой смеси. Инициатор процесса окисления (водная пульпа гипохлорида кальция) в результате резкого повышения температуры при контакте с перемешиваемой горячей смесью (180–220°С) в кратчайший промежуток времени превращается в пар с образованием в объеме смеси подобия микровзрывов [12–13]. Это вызывает при равномерной подаче инициатора псевдоожижение перемешиваемой зернистой массы смеси, частицы которой под действием восходящих потоков пара оказываются взвешенными и приобретают текучесть. Снижение температуры смеси в этот период связано с потерями тепла на парообразование. Эффект псевдоожижения продолжается во время подачи инициатора окислительного процесса и прекращается после эвакуации парогазовой смеси из мешалки. С окончанием псевдоожижения смеси расход мощности существенно возрастает, что можно объяснить ростом удельного сопротивления сдвига, вызванного понижением температуры и качественным изменением состава вяжущего. В дальнейшем в лабораторном эксперименте температура смеси начинает расти. Это явление не имеет никакого отношения к процессам, происходящим при смешении, и может быть объяснено только наличием нагревателя и значительной (по отношению к массе смеси) массой самой нагретой мешалки, температура которой оказывается выше, чем температура смеси [14–15].

Так как после ввода инициатора окислительного процесса происходит структурообразование пленки вяжущего, то представляло определенный интерес проследить, как изменяется характер зависимости расхода мощности от температуры до и после ввода инициатора в одних и тех же смесях (Рис. 2). Как видно, экспериментальные точки с достаточной степенью точности можно аппроксимировать линейными функциями вида:

$P\left(t\right)=P_0-kt,$ (1)

где $P_0,k$ – const, t – температуры смеси.

Из полученных данных следует, что постоянные $P_0,k$ принимают следующие значения: до ввода инициатора окислительного процесса $P_0\in \left(70-110\right)$, $k\in \left(\mathrm{0,1}-\mathrm{0,2}\right)$; после ввода — $P_0\in \left(160-220\right)$, $k\in \left(\mathrm{0,4}-\mathrm{0,7}\right)$.

В производственных условиях эксперимент проводился на смесителе Д-597. Так как привод мешалки выполнен на основе асинхронного двигателя, то схема измерения расхода мощности отличается от лабораторной. В разрыв одной из фаз питания двигателя мешалки подключался трансформатор тока И54М. Со вторичной обмотки И54М напряжение поступало на выпрямитель, далее на ФНЧ.

Для контроля и тарировки записи мощности на ленте шлейфового осциллографа использовался измерительный комплект К506, с помощью которого измерялась мощность, величина тока для каждой из фаз, напряжение между соответствующими фазами и правильность их чередования (см. рис. 1, пунктир). Как видно, характер изменения расхода мощности на производственном смесителе качественно отличался от изменений расходов мощностей в лабораторном эксперименте. Это объясняется главным образом различной конструкцией мешалок и различными соотношениями масс металла к массам смесей (а следовательно, соотношениями их теплоемкостей).

 

Рис. 1. Зависимость расхода мощности и температуры смеси от времени перемешивания: 1 – лабораторной мешалке; 2 – на смесителе Д-597; t1 – начало введения минерального материала; t2 – начало введения вяжущего; t3 – начало введения инициатора окисления; t4 – выгрузка смеси

 

Зависимость расхода мощности от температуры, аналогичную представленной на Рис. 2, на производственном смесителе Д-597 не удается получить, так как нет возможности целенаправленно изменять температуру смеси в мешалке. Таким образом, прирост мощности привода мешалки вследствие изменения консистенции вяжущего после ввода инициатора окислительного процесса можно оценить только аналитически. Для этого надо знать зависимость расхода мощности привода мешалки от температуры до ввода инициатора (Рис. 2, пунктир). Для этой функциональной зависимости наиболее удовлетворительно подходит эмпирическая формула (ошибка относительно экспериментальных данных менее 1 %).

$\frac{P\left(t\right)}{P_1}=a{t}^b+c,$ (2)

где $a=\mathrm{3,6}\cdot {10}^5;b=-\mathrm{3,102}; c=\mathrm{0,877}; t-$ температура смеси;  – расход мощности при $t=120 °C.$

 

Рис. 2. Зависимость расхода мощности от температуры смеси: а – на лабораторной мешалке; б – на смесителе Д-597; 1,3 – до ввода инициатора процесса; 2 – после ввода инициатора процесса

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в лабораторных и производственных экспериментах наблюдался прирост мощности привода мешалки после начала изменения консистенции вяжущего и, следовательно, увеличения вязкости смеси. В связи с тем, что последнее обусловливает изменение физико-механических свойств асфальтобетона, можно сделать заключение о возможности создания прибора оперативного контроля и управления качеством асфальтобетона в процессе его приготовления. Достаточно простые зависимости (1), (2) позволяют технически реализовать их в приборе с использованием более простой (по сравнению с цифровой) аналоговой обработки полезного сигнала (напряжения, пропорционального расходу мощности привода мешалки). Использование данного исследования напрямую влияет на срок службы асфальтобетонного покрытия, увеличение срока службы в среднем составит 7–10 %.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов.
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Kirill A. Vasilev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: vkirill99@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1013-2029
SPIN-code: 8250-4609

Student

Russian Federation, St. Petersburg

Gleb A. Averchenko

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: averchenko_ga@spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8813-545X
SPIN-code: 1707-9958

Assistant

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files