Портал о строительстве и ремонтных работах

Наряду с применением битумов и дегтей в чистом виде в каче­стве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных по­крытий имеет место их использование также в эмульгированном виде, т. е. раздробленными в воде. Кроме вяжущего материала и воды в состав эмульсии входит в небольшом количестве (2-5%) вещество, называемое эмульгатором, которое предохраняет капельки от слияния. В качестве эмульгаторов используются сосновая смола, сульфатное мыло, соапсток, асидол и другие продукты нефтяной и химической промыш­ленности. При смешении минеральных материалов с эмульсиями по­следние распадаются, и выделенный при этом битум прилипает к поверх­ности минеральных частиц, а вода удаляется из смеси или испаряется. В зависимости от скорости распада эмульсии разделяются на быстрорас — падающиеся — при продолжительности распада менее 5 мин; среднерас — падающиеся, если продолжительность распада равна 5 мин, и медленно — распадающиеся — при продолжительности распада более 5 мин.

В отличие от битумов и дегтей, применяемых в горячем состоянии, эмульсии применяются в холодном виде. Это позволяет производить работы с эмульсиями в холодную погоду и с влажным каменным мате­риалом и тем самым удлинить дорожно-строительный сезон и увели­чить коэффициент годового использования парка машин. Применение эмульсии в ряде случаев позволяет уменьшить расход вяжущего мате­риала до 30-35%.

При строительстве дорожных покрытий и оснований с эмульсиями применяются обычные дорожные машины. Уплотнение этих объектов катками должно закончиться до начала распада эмульсий.

Существует несколько способов эмульгирования: механический, акустический, химический, барботирование и др. При любом способе существенную роль играют физико-механические факторы, зависящие от активности и концентрации битума и эмульгатора, теплового режима, технологии работ и т. п.

При механическом способе битум в основном дробится под воз­действием механических усилий: удара, скалывания, растяжения, сжатия, трения и т. п.

При акустическом способе звуковые или ультразвуковые волны пронизывают эмульгируемые жидкости и вызывают в различных точках частиц битума разные ускорения, под воздействием которых частицы разрываются на части.

При химическом способе под воздействием химических реакций (при введении в жидкости высокомолекулярных кислот) снижается меж- фазное поверхностное натяжение на границе раздела “битумводный ра­створ эмульгатора”, благодаря чему дробление происходит при незначи­тельном усилии, которое достигается простым встряхиванием или меха­ническим и пневматическим перемешиванием (барботированием).

Для получения эмульсии применяются эмульсионные машины, на­зываемые в технической литературе гомогенизаторами, диспергаторами, коллоидными мельницами, эмульсаторами и т. п. В дальнейшем эмуль­сионные машины будем называть гомогенизаторами.

Основным типом машин для механического эмульгирования явля­ется одноконусный гомогенизатор (рис. 11.43). Он состоит из чугунного корпуса с двумя боковыми крышками, внутри которого расположен на подшипниках ротор, состоящий из двух дисков. На одном из дисков имеются четыре радиальных выступа, выполняющие роль перемешиваю­щих и нагнетающих лопастей.

Рис. И.43. Одноконусный гомогенизатор: 1 — крышка подшипника;

2 — стопорная гайка; 3 — штурвал; 4 — регулировочная гайка;

5 — втулки; 6 ~ замок; 7 — стакан; 8 — приемный канал;

9 и 13 — крышки корпуса; 10 — корпус; 11 и 12 — диски ротора;

14 и 20 — кронштейны; 15 — патрубки; 16 — кожух; 17 — теплоизоля­ция; 18 — электронагреватели; 19 — лопасти; 21 — вал; 22 ~ стопор;

23 — винт

Внутренняя поверхность корпуса выполнена конической и имеет одинаковую конусность с рабочими поверхностями дисков ротора. Ко­нусность равна 1:15. Длина образующей одного диска 0,038 м. Регулиро­вание зазора между коническими поверхностями дисков и корпуса осу­ществляется специальным механизмом. При вращении штурвала меха­низма происходит осевое перемещение вала с ротором, и благодаря ко­нусности изменяется зазор между ротором и корпусом. Частота враще­ния ротора 2500 в минуту.

Эмульгируемые жидкости поступают по приемному каналу в левой крышке внутрь машины и под действием центробежных сил вращающе­гося ротора продавливаются с большой скоростью через зазор, где битум дробится на мелкие капельки и перемешивается водным раствором эмуль­гатора. Готовая эмульсия вытекает из каналов в нижней части крышек корпуса.

Производительность гомогенизатора 1,7 л/с. Она может быть при необ­ходимости увеличена в несколько раз. Для этого эмульгируемые жидкости необходимо подавать в гомогенизатор под давлением в 5 * 10D Н/м2 и более.

Разновидностью одноконусного гомогенизатора является пятиконус — пый (многощелевой) конструкции В. В. Назарова, у которого ротор и статор имеют пять концентрических конических поверхностей (рис.11.44).

Рис. 11.44. Пятиконусный гомогенизатор: 1 — ротор; 2 — статор; 3 — приемная воронка; 4 — спускной отрубок.

В рабочем положении выступы ротора входят во впадины статора, образуя пять зазоров, в которых происходит эмульгирование,

В настоящее время промышленностью осваиваются гомогенизато­ры дискового типа (рис. 11.45). На вертикальном валу укреплены гори­

зонтальные диски, между которыми на незначительном расстоянии рас­положены неподвижные диски, прикрепленные к корпусу. В дисках про­сверлены отверстия диаметром 2-4 мм. Частота вращения дисков 1460 оборотов в минуту. Эмульгируемые жидкости подаются насосами в приемную воронку и далее продавливаются через отверстия дисков.

Рис. 11.45. Гомогенизатор дискового типа: 1 — сливной патрубок; 2 — подвижной диск; 3 — неподвижный диск; 4 — приемная воронка.

Кроме эмульсионной машины для производства эмульсий требует­ся вспомогательное оборудование. Весь комплект оборудования для про­изводства эмульсий входит в состав эмульсионной установки (рис. 11.46).

Обезвоживание и подогрев битума осуществляются в обычных биту­моплавильных котлах. Для приготовления эмульгатора предусмотрены котлы с перемешивающим устройством и паровым обогревом. Для по­дачи в котлы вязкого эмульгатора используется шнеколопастной насос. У котлов установлены дозаторы для эмульгатора и водного раствора едкого натра. Извлечение кристаллического едкого натра из металли­ческих бочек осуществляется при помощи пара. При этом бочка уста­навливается разгрузочным отверстием над горловиной одного из резер­вуаров, и в отверстие через сопло подается струя пара. Резервуары слу­жат для хранения водного раствора едкого натра.

В состав установки входят также гомогенизатор, резервуары с пе­ремешивающим устройством для водного раствора эмульгатора, резер­вуары для эмульсий и оборудование для смягчения воды.

Приготовление эмульсий осуществляется следующим образом. Эмульгатор, приготовленный в котлах, разбавляется водой и перекачива­ется в резервуар 7, где он подогревается до температуры 70~80°С. Из этих резервуаров водный раствор эмульгатора самотеком или под дав­
лением специальным насосом подается в гомогенизатор. Сюда же, в гомогенизатор, аналогичным способом подается из битумоплавильни битум при температуре 140-150° С. Готовая эмульсия вытекает непре­рывным потоком из гомогенизатора в резервуары для хранения и отту­да отпускается потребителю. Концентрация битума в эмульсии регули­руется визуально изменением величины струи битума и водного раство­ра эмульгатора.

Рис. 11.46. Принципальная схема эмульсионной установки: 1 — насос; 2 — котлы для эмульгатора; 3 — резервуары для ра­створа эмульгатора; 4 — битумные котлы; 5 — гомогенизатор; 6 — резервуары для эмульсий; 7 ~ резервуары для хранения ра­створа эмульгатора; 8 ~ водоумягчительное оборудование для смягчения воды.

При выборе угловой скорости ротора необходимо учесть ее крити­ческое значение, при котором может произойти разрушение вала. Для определения критического значения вначале рассчитывают максималь­ный прогиб вала /п по формуле:

" , 4Р/ , ч

f„=-T=7, (11.1)

З EI

где Я — сила, изгибающая вал, включая вес ротора с валом, Н; I — длина вала, м; Е = 2-10й — модуль упругости, Па: 1 = mti4/64 — экваториальный

момент инерции, м4; d — диаметр вала, м.

Далее находят критическое значение частоты вращения (мин’1) по формуле:

(11.2)

Фактическая частота вращения (мин-1) вала должна быть

(11.3)

На процесс эмульгирования большое влияние оказывает характер потока эмульгируемых жидкостей, оцениваемый критерием Рейнольдса

v

(11.4)

где г — средний радиус ротора, м; ft? — угловая скорость ротора, рад/с; v — кинематическая вязкость смеси битума с водным раствором эмульгатора, м2/с.

Наиболее рационально дробить битум в турбулентном потоке. Критическая величина критерия Рейнольдса, при которой поток приобре­тает турбулентный характер при концентрации эмульсии 50% и темпе­ратуре эмульгирования 50°С, равна примерно 105.

Эта критическая величина применяется также для сравнительной оценки гомогенизаторов. Предпочтительнее гомогенизаторы, обладающие более развитой турбулентностью.

(11.5)

При проектировании однотипных гомогенизаторов разной произ­водительности должно быть соблюдено условие:

Re = const.

Это условие устанавливает границы изменения радиуса и угловой скорости ротора.

Производительность (м3/с) гомогенизатора находится по формуле:

(11.6)

Qf = 2,2/уг2’5п1Ипа,

где г — радиус ротора, м; п — частота вращения ротора, мин1; а — полови­на угла при вершине конуса ротора, град, 0 < а> 84°; /з = 2лгу — сечение рабочего зазора, м2; у — ширина зазора, м.

Мощность (кВт), необходимая для гомогенизатора, определяется по формуле:

где Г)д — динамическая вязкость смеси битума с водным раствором эмуль­гатора при 50-процентной концентрации и температуре 50°С, Пах; Я — длина образующей ротора, м.

Приведенная формула не учитывает величины пусковой мощности, зависящей от массы ротора.

Расчетная производительность большого однороторного гомогени­затора при г = 0, 26 м, п = 2500 мин’1 и X — 103 м равна 12 м3/ч, а мощность — 14 кВт, малого гомогенизатора при г = 0, 18 м, п, = 2900 мин-1 — 2, 8 м3/ч, а мощность — 6, 1 кВт.

Для приготовления эмульсии в небольших объемах, используемой при ремонте дорожных черных покрытий, применяются эмульсионные установки с акустическим вибратором. Схема такой установки показана на рис. 11.47, а, б.

Рис. 11.47. Схема акустической эмуль­сионной установки:

1 — бак для приготовления раствора эмульгатора; 2 — расходный бак для водного раствора эмульгатора;

3 — вихревой насос; 4 — дозатор битума; 5 — эмульсионный бак;

6 — акустический вибратор;

7 — сопло; 8 — вибрирующая пластина.

Она имеет бак с мешалкой, в котором растворяется эмульгатор, расходный бак для водного раствора эмульгатора, эмульсионный бак с
дозатором битума и акустический вибратор с насосом. В качестве акус­тического вибратора используется гидродинамический излучатель с пла­стинчатым колебательным устройством. Вибрирующая пластина с заос­тренным краем зажата своим тупым концом между двумя стойками. Струя жидкости, выходя из сопла под давлением, ударяется в заострен­ный край и вызывает вибрацию пластины.

Вибрирующее устройство помещено внутри эмульсионного бака. Работает установка следующим образом. Битум и водный раствор эмуль­гатора в требуемой пропорции и нагретые до рабочей температуры за­ливают в эмульсионный бак. Уровень жидкостей в баке должен быть над соплом. Затем включается насос и жидкости из эмульсионного бака под давлением направляются через сопло на вибрирующую пластину и далее возвращаются обратно в бак.

Непрерывная циркуляция жидкостей в замкнутой системе “эмуль­сионный бак — вибрирующее устройство — эмульсионный бак” продол­жается 5-7 мин до образования качественной эмульсии.

Малые габаритные размеры установки и небольшая ее масса по­зволяют транспортировать установку в кузове пятитонного автомоби­ля. Производительность установки 0, 3 л/с.

Комментарии закрыты.