Министерство образования и науки РФ
Калужский государственный педагогический университет им. К.Э. Циолковского
Межвузовский инженерно-педагогический факультет
Кафедра общетехнических дисциплин
Реферат
по предмету: «Основы регенеративных технологий»
на тему: «Технология регенерации очистки и осветления отработанных масел»
Калуга, 2009
Содержание
1. Технология для регенерации отработанного масла
2. Физико-химические методы очистки и регенерации масел
3. Физические методы регенерации масел
4. Химические методы очистки масел
5. Опыт применения технологии холодной регенерации дорожных покрытий в США
6. Вяжущие для холодного ресайклинга
7. Технология холодного ресайклинга
1. Технология для регенерации отработанного масла
По мере эксплуатации трансформаторных и промышленных масел в них накапливаются продукты окисления, загрязнения и другие примеси, которые резко снижают качество масел. Масла, содержащие загрязняющие примеси, неспособны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям и должны быть заменены свежими маслами. Отработанные масла собирают и подвергают регенерации с целью сохранения ценного сырья, что является экономически выгодным. За год на территории бывшего Советского Союза собирается около 1,7 млн. тонн масел, перерабатывается до 0,25 млн. тонн, т.е. 15%.
Переработать отработанные моторные масла совместно с нефтью на НПЗ нельзя, т.к. присадки, содержащиеся в маслах, нарушают работу нефтеперерабатывающего оборудования.
В зависимости от процесса регенерации получают 2-3 фракции базовых масел, из которых компаундированием и введением присадок могут быть приготовлены товарные масла (моторные, трансмиссионные, гидравлические, СОЖ, пластичные смазки). Средний выход регенерированного масла из отработанного, содержащего около 2-4 % твердых загрязняющих примесей и воду, до 10 % топлива, составляет 70-85 % в зависимости от применяемого способа регенерации.
Для восстановления отработанных масел применяются разнообразные технологические операции, основанные на физических, физико-химических и химических процессах и заключаются в обработке масла с целью удаления из него продуктов старения и загрязнения. В качестве технологических процессов обычно соблюдается следующая последовательность методов: механический, для удаления из масла свободной воды и твердых загрязнений; теплофизический (выпаривание, вакуумная перегонка); физико-химический (коагуляция, адсорбция). Если их недостаточно, используются химические способы регенерации масел, связанные с применением более сложного оборудования и большими затратами.
2. Физико-химические методы очистки и регенерации масел - коагуляция адсорбция и селективное растворение
Физико-химические методы восстановления масла нашли весьма широкое применение. К ним относят коагуляцию, адсорбцию и селективное растворение содержащихся в масле загрязнений, одной из разновидностей адсорбционной очистки является ионно-обменная очистка.
Коагуляция
Коагуляция - укрупнение частиц загрязнений, находящихся в масле в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, осуществляется с помощью специальных веществ – коагулятов, к которым относятся электролиты неорганического и органического происхождения , поверхностно активные вещества (ПАВ), не обладающие электролитическими свойствами, коллоидные растворы ПАВ и гидрофильные высокомолекулярные соединения.
Процесс коагуляции зависит от количества вводимого коагулянта, продолжительности его контакта с маслом, температуры, эффективности перемешивания и т.д. Продолжительность коагуляции загрязнений в отработанном масле составляет, как правило 20-30 мин., после чего можно проводить очистку масла от укрупнившихся загрязнений с помощью отстаивания, центробежной очистки или фильтрования.
Адсорбционная очистка
Адсорбционная очистка отработанных масел заключается в использовании способности веществ, служащих адсорбентами, удерживать загрязняющие масло продукты на наружной поверхности гранул и на внутренней поверхности пронизывающих гранулы капилляров. В качестве адсорбентов применяют вещества природного происхождения ( отбеливающие глины, бокситы, природные цеолиты) и полученные искусственным путем (силикагель, окись алюминия, алюмосиликатные соединения, синтетические цеолиты).
Адсорбционная очистка может осуществляться контактным методом – масло перемешивается с измельченным адсорбентом, перколяционным методом – очищаемое масло пропускается через адсорбент, методом противотока – масло и адсорбент движутся навстречу друг другу. К недостаткам контактной очистки следует отнести необходимость утилизации большого количества адсорбента, загрязняющего окружающую среду. При перколяционной очистке в качестве адсорбента чаще всего применяется силикагель, что делает этот медом дорогостоящим. Наиболее перспективным методом является адсорбентная очистка масла в движущемся слое адсорбента, при котором процесс протекает непрерывно, без остановки для периодической замены, регенерации или отфильтрования адсорбента, однако применение этого метода связано с использованием довольно сложного оборудования, что сдерживает его широкое распространение.
Ионно-обменная очистка
Ионно-обменная очистка основана на способности ионитов (ионно-обменных смол) задерживать загрязнения, диссоциирующие в растворенном состоянии на ионы. Иониты представляют собой твердые гигроскопические гели, получаемые путем полимеризации и поликонденсации органических веществ и не растворяющиеся в воде и углеводородах. Процесс очистки можно осуществить контактным методом при перемешивании отработанного масла с зернами ионита размером 0,3-2,0мм или преколяционным методом при пропускании масла через заполненную ионитом колонну. В результате ионообмена подвижные ионы в пространственной решетке ионита заменяются ионами загрязнений. Восстановление свойств ионитов осуществляется путем их промывки растворителем, сушки и активации 5%-ным раствором едкого натра. Ионно-обменная очистка позволяет удалять из масла кислотные загрязнения, но не обеспечивает задержки смолистых веществ.
Селективная очистка
Селективная очистка отработанных масел основана на избирательном растворении отдельных веществ, загрязняющих масло: кислородных, сернистых и азотных соединений, а также при необходимости полициклических углеводородов с короткими боковыми цепями, ухудшающих вязкостно-температурные свойства масел.
В качестве селективных растворителей применяются фурфурол, фенол и его смесь с крезолом, нитробензол, различные спирты, ацетон, метил этиловый кетон и другие жидкости. Селективная очистка может проводиться в аппаратах типа "смеситель - отстойник" в сочетании с испарителями для отгона растворителя (ступенчатая экстракция) или в двух колоннах экстракционной для удаления из масла загрязнений и ректификационной для отгона растворителя (непрерывная экстракция). Второй способ экономичнее и получил более широкое применение.
Разновидностью селективной очистки является обработка отработанного масла пропаном, при которой углеводороды масла растворяются в пропане , а асфальтосмолистые вещества, находящиеся в масле в коллоидном состоянии, выпадают в осадок.
3. Физические методы регенерации масел
Физические методы регенерации позволяют удалять из масел твердые частицы загрязнений, микрокапли воды и частично – смолистые и коксообразные вещества, а с помощью выпаривания – легкокипящие примеси. Масла обрабатываются в силовом поле с использованием гравитационных, центробежных и реже электрических, магнитных и вибрационных сил, а также фильтрование, водная промывка, выпаривание и вакуумная дистилляция. К физическим методам очистки отработанных масел относятся также различные массо- и теплообменные процессы, которые применяются для удаления из масла продуктов окисления углеводородов, воды и легкокипящих фракций.
Отстаивание масел
Отстаивание масел является наиболее простым методом, он основан на процессе естественного осаждения механических частиц и воды под действием гравитационных сил.
В зависимости от степени загрязнения топлива или масла и времени, отведенного на очистку, отстаивание применяется либо как самостоятельно, либо как предварительный метод, предшествующий фильтрации или центробежной очистке. Основным недостатком этого метода является большая продолжительность процесса оседания частиц до полной очистки, удаление только наиболее крупных частиц размером 50-100мкм.
Фильтрация масел
Фильтрация масел – процесс удаления частиц механических примесей и смолистых соединений путем пропускания масла через сетчатые или пористые перегородки фильтров. В качестве фильтрационных материалов используют металлические и пластмассовые сетки, войлок, ткани, бумагу, композиционные материалы и керамику. Во многих организациях эксплуатирующих СДМ реализован следующий метод повышения качества очистки моторных масел – увеличивается количество фильтров грубой очистки и вводится в технологический процесс вторая ступень – тонкая очистка масла.
Центробежная очистка
Центробежная очистка осуществляется с помощью центрифуг и является наиболее эффективным и высокопроизводительным методом удаления механических примесей и воды. Этот метод основан на разделении различных фракций неоднородных смесей под действием центробежной силы. Применение центрифуг обеспечивает очистку масел от механических примесей до 0,005% по массе, что соответствует 13 классу чистоты по ГОСТ 17216-71 и обезвоживание до 0,6% по массе.
4. Химические методы очистки масел
Химический метод очистки масла основан на активной реакции веществ, загрязняющих отработанные масла с вводимыми в эти масла присадками реагентами. После химической реакции образуются новые соединения, легко удаляемые из масла. К химическим методам очистки относятся кислотная и щелочная очистки, окисление кислородом, гидрогенизация, а также осушка и очистка от загрязнений с помощью окислов, карбидов и гидридов металлов. Наиболее часто используются следующие методы:
Сернокислотная очистка
По числу установок и объему перерабатываемого сырья на первом месте в мире находятся процессы с применением серной кислоты. В результате сернокислотной очистки образуется большое количество кислого гудрона - трудно утилизируемого и экологически опасного отхода. Кроме того, сернокислотная очистка не обеспечивает удаление из отработанных масел полициклических аренов и высокотоксичных соединений хлора.
Гидроочистка
Гидрогенизационные процессы все шире применяются при переработке отработанных масел. Это связано как с широкими возможностями получения высококачественных масел, увеличения их выхода, так и с большой экологической чистотой этого процесса по сравнению с сернокислотной и адсорбционной очистками.
Недостатки процесса гидроочистки - потребность в больших количествах водорода, а порог экономически целесообразной производительности (по зарубежным данным) составляет 30-50 тыс. т/год. Установка с использованием гидроочистки масел, как правило, блокируется с соответствующим нефтеперерабатывающим производством, имеющим излишек водорода и возможность его рециркуляции.
Процессы с применением натрия и его соединений
Для очистки отработанных масел от полициклических соединений (смолы), высокотоксичных соединений хлора, продуктов окисления и присадок применяются процессы с использованием металлического натрия. При этом образуются полимеры и соли натрия с высокой температурой кипения, что позволяет отогнать масло. Выход очищенного масла превышает 80 %. Процесс не требует давления и катализаторов, не связан с выделением хлоро- и сероводорода. Несколько таких установок работают во Франции и Германии. Среди промышленных процессов с использованием суспензии металлического натрия в нефтяном масле наиболее широко известен процесс Recyclon (Швейцария). Процесс Lubrex с использованием гидроксида и бикарбоната натрия (Швейцария) позволяет перерабатывать любые отработанные масла с выходом целевого продукта до 95 %.
Для регенерации отработанных масел применяются разнообразные аппараты и установки, действие которых основано, как правило, на использовании сочетания методов (физических, физико-химических и химических), что дает возможность регенерировать отработанные масла разных марок и с различной степенью снижения показателей качества.
Необходимо отметить, что при регенерации масел возможно получать базовые масла, по качеству идентичные свежим, причем выход масла в зависимости от качества сырья составляет 80-90%, таким образом, базовые масла можно регенерировать еще по крайней мере два раза., но это возможно реализовать при условии применения современных технологических процессов.
Одной из проблем, резко снижающей экономическую эффективность утилизации отработанных моторных масел, являются большие расходы, связанные с их сбором, хранением и транспортировкой к месту переработки.
Организация мини-комплексов по регенерации масел для удовлетворения потребностей небольших территорий (края, области или города с населением 1-1,5 млн. человек) позволит снизить транспортные расходы, а получение высококачественных конечных продуктов - моторных масел и консистентных смазок, приближает такие мини-комплексы по экономической эффективности к производствам этих продуктов из нефти.
5. Опыт применения технологии холодной регенерации дорожных покрытий в США
Вопросы ремонта асфальтобетонных покрытий в США весьма актуальны, поскольку около 94% автомагистралей (а общая протяженность дорожной сети в стране составляет 2,3 млн миль или 3,7 млн км) имеют асфальтобетонное покрытие. В США при ремонте и реконструкции существующих дорог все более широкое применение находит технология холодного ресайклинга дорожных покрытий на месте.
Комплект немецкой фирмы Wirtgen WR 4200 позволяет за один проход выполнить холодный ресайклинг на ширину 2,8–4,2 м, имеет максимальную производительность смешения до 400 т/ч и позволяет использовать в качестве вяжущего как битумную эмульсию, так и вспененный битум
Холодный ресайклинг состоит в фрезеровании старого дорожного покрытия, последующем смешении асфальтовой крошки или каменного материала с вяжущим (как правило, битумной эмульсией, реже вспененным битумом) и уплотнении смеси. Технология холодного ресайклинга появилась сравнительно недавно – в самом конце 70– х годов XX столетия сначала в Западной Европе, а спустя несколько лет в США. Ее широкому использованию в 80–90-х годах предшествовал выпуск специальных машин для холодной регенерации покрытия, способных сфрезеровать старое покрытие, измельчить его, смешать с вяжущим и распределить полученную смесь ровным слоем для последующей укатки. Появлению машин с мощным фрезерным барабаном для измельчения асфальтобетонного покрытия способствовали нефтяные кризисы 1973 и 1979 гг., которые привели к удорожанию битума в 3 раза в течение 5 лет, вследствие эмбарго на импорт арабской нефти. Уже в 1981 г. Федеральная Дорожная Администрация США издала постановление, в соответствии с которым ресайклинг должен был рассматриваться как один из вариантов при проектировании усиления всех конструкций дорожных одежд на объектах, заказчиками которых являлись федеральное правительство или штаты. Переходу на эту технологию также способствовали прогресс в области приготовления и регулирования свойств битумных эмульсий и рост интереса к применению битумов, модифицированных полимерами, в частности – в эмульгированном виде для поверхностной обработки.
Холодный ресайклинг как способ ремонта дорожной одежды имеет ряд очевидных преимуществ. Исключена необходимость вывоза удаляемого материала старого покрытия и доставки свежей горячей асфальтобетонной смеси. Не нужно складировать удаленный материал вблизи ремонтируемого участка, что не всегда возможно, особенно в городе. Не требуется разогревать старое покрытие до «голубого дымка», как это делалось по технологии горячей термофрезерной регенерации, что важно как с точки зрения экономии энергии, так и охраны окружающей среды. Расход битума гораздо меньше, чем при устройстве нового покрытия. Полностью используется старый каменный материал (для улучшения зернового состава асфальтобетонной смеси в него может быть добавлен новый щебень).
Таким образом, определяющими преимуществами холодной регенерации являются: экономия топлива, трудозатрат и битума, а также соответствие самым высоким требованиям охраны окружающей среды.
Холодный ресайклинг применяют в двух вариантах:
с фрезерованием на неполную толщину дорожной одежды; обычно на толщину слоев покрытия, содержащих битум (Cold In-Place Recycling – CIR), либо на глубину меньше суммарной толщины битумосодержащих слоев (т. н., неглубокий ресайклинг, от 5 до 10 см);
с фрезерованием на полную толщину (Full Depth Reclamation – FDR) – глубокий ресайклинг, как правило, на глубину 10–30 см, охватывающую как «черные» слои, так и верхнюю часть щебеночного основания.
Глубокий ресайклинг – фактически единственный из известных методов ремонта щебеночного основания, исключающий полную перестройку всей дорожной одежды. Это весьма важно, поскольку на практике довольно часто оказывается, что старое щебеночное основание существенно снизило свою распределяющую и фильтрующую способность, грунт земляного полотна под влиянием изменившихся условий постоянно переувлажнен, а толщина старого асфальтобетонного покрытия не может быть увеличена, поскольку это приведет к увеличению вертикальных отметок поверхности покрытия, что зачастую затруднительно (например, при ремонте аэродромных покрытий) или вообще невозможно (в условиях существующей городской застройки, на подходах к мостам, при необходимости сохранения подмостового габарита по высоте под путепроводом и т. д.). В итоге, в США сейчас чаще используется холодный ресайклинг на полную глубину. К тому же, по аналогичной технологии можно ремонтировать существующее щебеночное покрытие со старой поверхностной обработкой или без нее, добавляя в сфрезерованную смесь вместе с битумной эмульсией – портландцемент, золу уноса, известь. Технология холодного ресайклинга на неполную глубину также имеет много преимуществ, о которых будет сказано ниже.
Комплект американской фирмы Roadtec (штат Теннеси) предназначен для холодного планирования и для холодного ресайклинга с битумной эмульсией или вспененным битумом.
Экономичность холодного ресайклинга можно коротко охарактеризовать таким примером: при современных ценах на битум восстановленное с его помощью асфальтобетонное покрытие толщиной 10 см, обходится дешевле, чем новый слой усиления из горячей асфальтобетонной смеси толщиной 3,5 сантиметров. Особенно привлекателен холодный ресайклинг в районах, удаленных от асфальтобетонных заводов.
После ремонта по этой технологии получается монолитный слой без трещин с ровной поверхностью. Но прочность материала этого слоя, в частности, его сопротивление износу, меньше, чем у горячего асфальтобетона, поэтому поверх него, необходимо нанести защитный слой, который бы непосредственно воспринимал воздействие колес автотранспортных средств. При малой интенсивности движения в США ограничиваются устройством поверхностной обработки на битумной эмульсии; при более высокой – устраивают поверхностную обработку на полимерно-битумном вяжущем: а при большой – асфальтобетонное покрытие из горячей смеси.
Так как холодный ресайклинг – относительно новая технология, единый технический регламент, стандартные требования к материалам и смесям, а также методики определения их расчетных характеристик еще не созданы, хотя работы в этом направлении ведутся. Поэтому технология холодного ресайклинга пока в значительной мере определяется искусством инженера и накопленным им опытом. Поскольку машинам, применяемым при холодном ресайклинге, был посвящен недавно опубликованный в каталоге-справочнике обстоятельный обзор М.П. Костельова, в данной статье основное внимание уделено вяжущим, смесям и конструкции ремонтируемой дорожной одежды.
6. Вяжущие для холодного ресайклинга
Для обработки измельченного материала старого асфальтобетонного покрытия и щебеночного основания в большинстве случаев применяют битумную эмульсию, а иногда вспененный битум.
Идея применения битумных эмульсий состоит в том, что они, оставаясь стабильными при перевозке, хранении и перекачивании, после соприкосновения с поверхностью каменных материалов, быстро распадаются на битум и воду. Как известно, в дорожном строительстве битумные эмульсии применяют взамен битума, чтобы обеспечить возможность смешения с каменным материалом, укладки и уплотнения смеси при пониженных температурах.
Прямая битумная эмульсия представляет собой мельчайшие шарообразные капельки битума, плавающие в воде. Коэффициент вязкости битума даже при температуре 130–140°C равен примерно 1 Па•сек, а при 60°C – примерно 200 Па•сек, тогда как вязкость воды при комнатной температуре составляет около 0,001 Па•сек. Поскольку в прямой эмульсии вода является непрерывной фазой, а капельки битума включениями, вязкость эмульсии зависит в основном от вязкости воды, несмотря на то, что объем битума в ней обычно превышает объем воды или же равен ему. Ясно, что вязкость эмульсии битума в воде меньше вязкости битума как минимум в десятки тысяч раз, что значительно облегчает обработку каменного материала или асфальтовой крошки. В процессе перемешивания эмульсия образует пленку на поверхности твердых частиц. После высыхания смеси вода испаряется, а битум связывает частицы. Таким образом, обеспечивается возможность обработки каменного материала без его предварительного высушивания и нагрева.
Эмульсии делят на три категории: катионные (cationic), анионные (anionic) и нейтральные (non-ionic). В дорожном строительстве применяют эмульсии первых двух категорий. Термины «катионные» и «анионные» относятся к электрическому заряду эмульгатора, окружающего капельки битума и препятствующего их слиянию. Катионные эмульсии характеризуются положительным зарядом поверхности капель битума, анионные – отрицательным. Поскольку противоположные электрические заряды отталкиваются, капли не сливаются. По этой причине анионные эмульсии эффективны при обработке материалов, поверхность которых заряжена положительно, а катионные – при обработке частиц, поверхность которых имеет отрицательный заряд. (Например, отрицательно заряжена поверхность большинства глинистых минералов).
В зависимости от требуемых свойств эмульсия может быть приготовлена на битумах различной вязкости с использованием различных добавок, регулирующих свойства битума, устойчивость эмульсии при транспортировке и хранении, скорость их распада после смешения с твердыми частицами.
Для холодного ресайклинга исходный битум, его концентрацию в эмульсии и ее содержание выбирают на основании предварительных лабораторных испытаний образцов смеси. Обычно используют катионные (реже – анионные) распадающиеся со средней скоростью, или катионные медленно распадающиеся эмульсии на битуме или полимерно-битумном вяжущем с концентрацией битума (ПБВ) порядка 60%. В связи с существенным отличием российских и американских стандартов на эмульсии и чрезвычайной важностью свойств эмульсии в технологии ресайклинга, рассмотрим детально требования американского стандарта к наиболее часто применяемым для холодного ресайклинга катионным эмульсиям.
Технические условия на катионные битумные эмульсии регламентированы одноименным стандартом D 2397-02 Американского Общества Испытаний и Материалов (ASTM). Он переиздается под постоянным номером D 2397 (следующее за номером число обозначает год первоначального или последнего издания). Стандарт охватывает семь марок катионных битумных эмульсий для применения в дорожном строительстве. Эмульсию следует испытывать в течение двух недель после доставки. Она должна быть однородной после перемешивания (если не произошло расслоения, вызванного замерзанием; эмульсию, которая расслоилась вследствие замерзания, испытывать не разрешается) и удовлетворять требованиям, приведенным в таблице 1.
В технической литературе на английском языке применительно к битумным эмульсиям для характеристики процессов, происходящих во времени, используют два термина: «setting time» и «breaking time», а на русском – один – «время распада», что может привести к недоразумениям и затруднениям в понимании маркировки эмульсий.
Термин «setting time» характеризует процесс, обратный эмульгированию (деэмульгирование), т. е. разрушение эмульсии. Капли дисперсной фазы укрупняются вследствие слияния при их столкновениях в процессе броуновского движения и оседания, что приводит к расслоению образующих эмульсию жидкостей. Деэмульгирование происходит, когда действие эмульгатора перестаёт быть эффективным, т. е. образуемые им на поверхности капель защитные оболочки разрушаются или теряют способность предотвращать слияние капель. Термин «breaking time» характеризует время распада битумной эмульсии при взаимодействии с поверхностью минеральных частиц. Именно этот термин – «время распада» – и используется в России. Как правило, чем больше «setting time», тем больше «breaking time», хотя характеризуемые ими процессы различны, т. к. время распада зависит не только от состава эмульсии, но и от минералогического и зернового состава твердых частиц, их влажности и т. д. С этой точки зрения удобнее классифицировать эмульсию по «setting time», поскольку для одной и той же эмульсии «breaking time» может быть различным.
В зависимости от того, как быстро происходит расслоение, в США различают следующие битумные эмульсии:
RS (rapid-setting) – очень быстро оседающие (время их распада составляет от одной до пяти минут);
MS (medium-setting) – оседающие со средней скоростью;
SS (slow-setting) – медленно оседающие;
QS (quick – setting) – быстро оседающие.
Для катионных эмульсий в маркировке добавляют букву C (cationic) и используют обозначения CRS, CMS, CSS, CQS, фигурирующие в таблице 1. Отсутствие буквы «C» означает, что эмульсия является анионной. При переводе технических требований стандарта (таблица 1) использован традиционный термин «время распада» как для «setting time», так и для и «breaking time». Числа после этих буквенных обозначений характеризуют вязкость эмульсии и вязкость эмульгированного битума. Эмульсии, помеченные числом «1», менее вязкие, чем содержащие в маркировке «двойку». Следующая за числом буква «h», означает, что применяется более «твердый» (hard) битум.
7. Технология холодного ресайклинга
Рассмотрим технологию холодной регенерации дорожных покрытий с помощью глубокого ресайклинга подробнее. Ее желательно применять на дорогах со старым асфальтобетонным покрытием, имеющим трещины, ямы и колею. Помимо ликвидации этих дефектов, удается поправить поперечный профиль и одновременно с ремонтом сделать уширение. Есть много старых дорог как с тонким асфальтобетонным покрытием на щебеночном основании, так и с поверхностной обработкой по щебню, к которым уместно применение данной технологии. В процесс ресайклинга может быть также вовлечен (полностью или частично) подстилающий песчаный слой, верхняя часть песчаного и супесчаного грунта земляного полотна. В результате все они будут стабилизированы битумом.
Как и для других дорожных технологий, возможны различные варианты холодного ресайклинга в зависимости от конструкции и состояния старой дорожной одежды, технических требований к ремонтируемой конструкции и условий строительства. Тем не менее, во всех случаях можно выделить 8 основных этапов, от измельчения старого покрытия до укладки нового замыкающего слоя в виде поверхностной обработки или из горячей смеси.
Фривей 405. Фрезерованная поверхность цементобетонного покрытия на крайней правой полосе. Справа – аварийная остановочная полоса с цементобетонным покрытием. Пешеходы не имеют доступа на фривей.
Первым этапом является фрезерование, измельчение покрытия и его перемешивание с материалом основания в заданной пропорции. Размер зерен измельчаемого материала зависит от скоростей движения ресайклера и вращения фрезерующего ротора, а также положений контролирующего максимальную крупность бруса и фронтальной и задней заслонок смесительной камеры. Получить смесь с зернами наибольшего размера 50 мм несложно, для этого достаточно снизить скорость. Обычно при глубоком ресайклинге стремятся обеспечить смесь с 95% зерен мельче 37,5 мм, а в некоторых случаях отсеивают зерна крупнее 25 миллиметров. Ресайклер не является дробилкой, в том смысле, что он не предназначен для получения зерен меньшего размера, чем имеющиеся в том щебне, из которого приготовлены старая асфальтобетонная смесь или основание дорожной одежды. Вместе с тем, получаемая в результате смесь имеет непрерывную гранулометрию, характерную для плотных смесей.
Обычно во время измельчения для охлаждения и обеспыливания добавляется вода (либо непосредственно в ресайклере, либо разбрызгивается на поверхность после его первого прохода). Количество воды определяется заранее на стадии подбора состава смеси с учетом количества эмульсии с тем, чтобы обеспечить оптимальную влажность смеси из условий достижения ею максимальной плотности при укатке.
Если глубина обработки менее 15 см и не требуется введение добавок (цемента, извести, золы уноса, нового щебня), то, в большинстве случаев, можно ограничиться одним проходом ресайклера. Если же необходима более глубокая обработка с уширением проезжей части и существенным исправлением поперечного профиля, а также введение добавок, то требуется несколько проходов ресайклера. Добавку вводят в битумную эмульсию и приготавливают суспензию, которая затем поступает в смесительную камеру для перемешивания с измельченным материалом старого покрытия. В этом случае после первого прохода смеси придается форма и она слегка уплотняется, а на втором проходе вводится добавка. Если нужна третья стабилизирующая добавка (например, при добавлении извести или цемента), делается третий проход.
Ресайклер может состоять из набора машин, одна из которых фрезерует и измельчает старый материал, другая дробит и просеивает, третья готовит смесь, а четвертая ее укладывает.
Предварительное уплотнение производят после первого прохода ресайклера, чтобы обеспечить достаточную плотность смеси перед приданием ее поверхности нужной формы. Для этого используют виброкаток или 25-тонный пневмокаток. Затем с помощью автогрейдера поверхности придается нужное очертание в продольном и поперечном профиле. Заметим, что в США двускатный профиль поверхности дорожного покрытия проектируют не в виде двух отрезков прямых, пересекающихся по оси проезжей части, как это принято в России, а в виде квадратной параболы, имеющей максимум по оси. Считается, что этим достигается более быстрый сток дождевой воды в поперечном направлении.
Важные достоинства технологии ремонта покрытий методом холодного ресайклинга – возможность исправления профиля поверхности и уширения проезжей части. С целью уширения в смесь вводят дополнительный щебеночный материал в необходимом для этого количестве.
Конфигурация бортового камня из монолитного бетона
За профилированием следует дополнительное увлажнение (чтобы возместить потерю влаги при профилировании до оптимальной влажности) и промежуточное уплотнение. В зависимости от толщины уплотняемого слоя для этого используют пневмокаток либо гладковальцовый виброкаток массой 12–14 тонн, чтобы устранить разрыхления, возникшие после работы автогрейдера. Пневмокаток используют при толщине уплотняемого слоя в рыхлом состоянии свыше 15 см. Применяемые катки имеют массу 25–30 тонн и давление в шинах 0,6 МПа. Между окончанием дополнительного увлажнения и началом промежуточного уплотнения должно пройти определенное время, зависящее от скорости распада битумной эмульсии, например, 30 минут. Визуально этот распад воспринимается как изменение цвета смеси от коричневого к черному. Необходимый промежуток времени зависит от свойств эмульсии, толщины слоя, температуры и влажности воздуха, а также от скорости ветра. Окончательное уплотнение производится гладковальцовым катком с одним или двумя вальцами массой 12–14 тонн, работающим в статическом режиме. Некоторые специалисты рекомендуют завершать уплотнение при влажности смеси на 0,5–2% ниже оптимальной и при плотности скелета 96–97% от максимальной его плотности при стандартном лабораторном уплотнении смеси.
После окончательного уплотнения на поверхность разбрызгивают разбавленную битумную эмульсию (процесс Fog Seal – в буквальном переводе «замазка туманом» – разбрызгивание медленно распадающейся битумной эмульсии, предварительно разбавленной в пропорции: одна часть эмульсии обычной концентрации на одну или две части воды, без использования песка или щебня) в количестве 0,45–0,70 л/кв. м, чтобы лучше связать верхние зерна с соседними и защитить поверхность от влаги и воздействия колес. При нормальной сухой погоде тотчас после полного высыхания эмульсии участок может быть открыт для легкого движения до момента укладки замыкающего слоя.
Замыкающий слой – заключительная стадия ремонта по методу холодного ресайклинга. Он необходим, поскольку прочность материала отремонтированного покрытия и его сопротивление износу при непосредственном соприкосновении с колесами автомобилей меньше, чем у слоя из горячей асфальтобетонной смеси. Некоторые специалисты рекомендуют устраивать замыкающий слой не раньше, чем через 10–14 дней после его уплотнения, если температура воздуха в это время не ниже 16°C. Наиболее часто применяют 4 варианта замыкающего слоя:
двойная поверхностная обработка (chip seal);
одиночная поверхностная обработка с последующей укладкой «cларри cил» (технология chip cap seal);
холодная асфальтобетонная смесь;
горячая асфальтобетонная смесь.
По опыту, накопленному в штате Миннесота (где природные условия примерно соответствуют Московской области), отремонтированная по методу холодного ресайклинга дорожная одежда с поверхностной обработкой служит в среднем 6–8 лет, с замыкающим асфальтобетонным слоем – 7–15 лет.
|
