Асфальтовый цемент

<час />

Фон

Асфальт - это тяжелое минеральное вещество от темно-коричневого до черного цвета, одна из нескольких смесей углеводородов, называемых битумами. Асфальт - это прочный, универсальный, устойчивый к погодным условиям и химическим веществам вяжущий материал, который адаптируется к различным областям применения. Асфальт связывает щебень и гравий (обычно называемые заполнителями) с твердыми твердыми поверхностями дорог, улиц и взлетно-посадочных полос в аэропортах. Асфальт, также известный как минеральный пек, получают либо из природных месторождений, таких как природный асфальт или щебень, либо как побочный продукт нефтяной промышленности (нефтяной асфальт). Скелеты доисторических животных сохранились в целости и сохранности в естественных отложениях асфальта, одним из самых известных является ямы Ла-Бреа в Лос-Анджелесе, Калифорния.

Асфальт - один из старейших инженерных материалов в мире, который использовался с начала цивилизации. Около 6000 <маленький> до н.э. у шумеров была процветающая судостроительная промышленность, которая производила и использовала асфальт для уплотнения и гидроизоляции. Уже в 2600 г. до н. Э. Египтяне использовали асфальт в качестве гидроизоляционного материала, а также для пропитки обертки мумий в качестве консерванта. Древние цивилизации широко использовали асфальт в качестве раствора для строительства и мощения блоков, используемых в храмах, ирригационных системах, водохранилищах и шоссе. Асфальты, используемые ранними цивилизациями, возникли естественным образом и были обнаружены в геологических слоях либо в виде мягких, пригодных для обработки растворов, либо в виде твердых, хрупких черных прожилок горных образований (также известных как асфальтовый уголь). Природные асфальты образовывались, когда сырая нефть поднималась через трещины и трещины на поверхность земли. Воздействие солнца и ветра отогнало более легкие масла и газы, оставив черный осадок. Природный асфальт широко использовался до начала 1900-х годов. Открытие технологии очистки асфальта из сырой нефти и растущая популярность автомобилей привели к значительному расширению асфальтовой промышленности. Современный нефтяной асфальт обладает такими же прочными качествами, как и асфальт природного происхождения, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что он очищается до однородного состояния без органических и минеральных примесей.

Большая часть производимого сегодня нефтяного асфальта используется для покрытия автомобильных дорог. Асфальтовый материал для мощения - это тускло-черная смесь асфальтобетона, песка и щебня. После нагревания он горячим паром вываливается на дорожное полотно, разравнивается граблями и затем уплотняется тяжелым катком. Асфальт также используется для деформационных швов и заплат на бетонных дорогах. Взлетно-посадочные полосы аэропортов, теннисные корты, детские площадки и полы в зданиях также используют асфальт. Легкие формы нефтяного асфальта, называемые дорожными маслами, распыляются на проезжей части для осаждения пыли и связывания гравия. Еще одно важное применение асфальта - это битумная черепица и рулонная кровля, которая обычно состоит из войлока, пропитанного асфальтом. Асфальт помогает сохранить кровельный материал и сделать его гидроизоляционным. Другие области применения асфальта:гидроизоляция туннелей, мостов, плотин и резервуаров; антикоррозийная и звукоизоляция металлических труб и днищ автомобилей; и звукоизоляция стен и потолка.

Сырье

Сырьем, используемым в современном производстве асфальта, является нефть, которая, естественно, является встречающийся жидкий битум. Асфальт является естественным компонентом нефти, и есть сырые масла, которые почти полностью состоят из асфальта. Нефтяные скважины поставляют сырую нефть на нефтеперерабатывающие заводы, где она разделяется на различные компоненты или фракции.

Производственный
процесс

Сырая нефть разделяется на различные фракции в процессе дистилляции на нефтеперерабатывающем заводе. После разделения эти фракции перерабатываются в другие продукты, которые включают асфальт, парафин, бензин, нафту, смазочное масло, керосин и дизельное топливо. Поскольку асфальт является основным или тяжелым компонентом сырой нефти, он не испаряется и не выкипает в процессе перегонки. Асфальт - это, по сути, тяжелый остаток процесса нефтепереработки.

Перегонка сырой нефти

• 1 Процесс очистки начинается с подачи сырой нефти из резервуара для хранения в теплообменник или трубчатый нагреватель, где ее температура быстро повышается для начальной дистилляции. Затем он поступает в колонну атмосферной дистилляции, где более легкие и более летучие компоненты или фракции испаряются и отводятся через ряд конденсаторов и охладителей. Затем его разделяют для дальнейшей переработки на бензин (который считается «легким» дистиллятом), керосин (считается «средним» дистиллятом), дизельное топливо (считается «тяжелым» дистиллятом) и многие другие полезные нефтепродукты.

  Тяжелый остаток от этого процесса атмосферной перегонки обычно называют топочной нефтью. Эту сырую нефть с добавками можно использовать в качестве мазута или в дальнейшем перерабатывать в другие продукты, такие как асфальт. Вакуумная перегонка может удалить достаточно высококипящие фракции, чтобы получить так называемый «прямогонный» асфальт. Однако, если верхняя нефть содержит достаточно низколетучих компонентов, которые нельзя экономично удалить перегонкой, может потребоваться экстракция растворителем, также известная как деасфальтация растворителем, для получения асфальтового вяжущего с желаемой консистенцией.

Сокращение

• 2 Затем асфальт может быть смешан или «урезан» летучим веществом, что приведет к получению продукта, который будет мягким и пригодным для обработки при более низких температурах, чем чистый асфальтовый цемент. Когда измельченный асфальт используется для мощения или строительства, летучий элемент испаряется при воздействии воздуха или тепла, оставляя твердый асфальтовый цемент. Относительная скорость испарения или летучесть режущего агента определяет, классифицируется ли измельченный асфальт как медленно, средне или быстро затвердевающий. Асфальтовый цемент с подогревом смешивается с остаточным асфальтовым маслом от более раннего процесса дистилляции для медленно затвердевающего асфальта, с керосином для среднего отверждения и с бензином или нафтой для быстро затвердевающего асфальта.

Эмульгирование

• 3 Асфальтовый цемент также можно эмульгировать для получения жидкости, которую можно легко перекачивать по трубам, смешивать с заполнителем или распылять через форсунки. Для эмульгирования асфальтовый цемент измельчают в шарики размером от 5 до 10 микрон и меньше (один микрон равен одной миллионной метра). Это смешано с водой. Добавляется эмульгатор, который снижает склонность асфальта и воды к разделению. Эмульгирующим агентом может быть коллоидная глина, растворимые или нерастворимые силикаты, мыло или сульфированные растительные масла.

Измельчение

• 4 Асфальт можно также измельчить для получения порошкообразного асфальта. Асфальт измельчается и пропускается через серию мелкоячеистых сит, чтобы гарантировать однородный размер гранул. Активный асфальт можно смешивать с дорожным маслом и заполнителем для строительства дорожных покрытий. Тепло и давление на дороге медленно объединяют порошок с заполнителем и связующим маслом, и вещество затвердевает до консистенции, аналогичной консистенции обычного асфальтобетона.

Продувка воздухом

• 5 Если асфальт будет использоваться не только для мощения, например, для кровли, покрытия труб, либо в качестве герметика или гидроизоляционного материала, асфальт может быть окислен или выдуваться воздухом. В результате этого процесса получается материал, который размягчается при более высокой температуре, чем асфальт для мощения. Это может быть продувка воздухом на нефтеперерабатывающем заводе, на заводе по переработке асфальта или на заводе по производству кровельных материалов. Асфальт нагревается до 500 ° F (260 ° C). Затем через него барботируют воздух в течение от одного до 4,5 часов. При охлаждении асфальт остается жидким.

Смеси для асфальта

Поскольку асфальтобетон является основным компонентом дорожного покрытия, ниже приводится краткое изложение. Существует два типа асфальтовых смесей:горячая и холодная. Горячий асфальт (HMA) обычно используется для участков с интенсивным движением, в то время как холодный асфальт используется для второстепенных дорог. описание производства асфальтобетонных смесей. Асфальтобетонные смеси на основе асфальтобетона обычно готовятся на асфальтосмесительной установке. Есть два типа асфальтобетонных смесей:горячая и холодная. Асфальт с горячей смесью (HMA) чаще используется, тогда как асфальт с холодной смесью (обычно смеси, приготовленные с использованием эмульгированного или измельченного асфальта) обычно используется для второстепенных дорог с легким и средним движением, а также для удаленных участков или технического обслуживания. Горячие асфальтовые смеси представляют собой смесь подходящего заполнителя, покрытого асфальтовым цементом. Термин «горячая смесь» происходит от процесса нагревания заполнителя и асфальта перед смешиванием для удаления влаги из заполнителя и получения достаточной текучести асфальтового вяжущего для надлежащего перемешивания и удобоукладываемости.

• 6 Асфальтовый цемент и заполнитель смешиваются в смесительной установке, где они нагреваются, дозируются и смешиваются для получения желаемой смеси для дорожного покрытия. Установки горячего смешивания могут быть стационарными (также называемыми «стационарными»), или они могут быть переносными и перемещаться с работы на работу. Установки горячего смешивания могут быть классифицированы как установки периодического действия или установки барабанного смешивания, причем оба могут быть стационарными или переносными. В установках для горячего смешивания периодического действия используются фракции горячего заполнителя разного размера, которые в пропорциональных количествах отбираются из складских бункеров для создания одной партии для смешивания. Комбинация заполнителей сбрасывается в смесительную камеру, называемую мельницей. Затем асфальт, который также был взвешен, тщательно перемешивается с заполнителем в мельнице. После смешивания материал затем выгружается из толкающей мельницы в грузовики, силосы для хранения или перегрузочные бункеры. В процессе барабанного перемешивания заполнитель и асфальт одновременно нагреваются и смешиваются в барабанном смесителе.
• 7 По окончании перемешивания горячая смесь транспортируется к месту мощения и распределяется частично уплотненным слоем на однородную ровную поверхность с помощью машины для укладки мощения. Еще горячая смесь для дорожного покрытия дополнительно уплотняется тяжелыми прокатными станками для получения гладкой поверхности дорожного покрытия.

Контроль качества

На качество асфальтового цемента влияют свойства, присущие сырой нефти, из которой он был получен. На разных месторождениях и территориях добывается сырая нефть с очень разными характеристиками. Метод рафинирования также влияет на качество асфальтобетона. Для инженерных и строительных целей необходимо учитывать три важных фактора:консистенцию, также называемую вязкостью или степенью текучести асфальта при определенной температуре, чистоту и безопасность.

Консистенция или вязкость асфальтового цемента зависит от температуры, и асфальт классифицируется на основе диапазонов консистенции при стандартной температуре. Неосторожный контроль температуры и перемешивания может привести к большему повреждению асфальтобетонного цемента, чем многолетняя эксплуатация на проезжей части. Для измерения консистенции дорожного асфальта обычно требуется стандартизированный тест на вязкость или пенетрацию. Асфальты, выдуванные воздухом, обычно используют определение точки размягчения.

Чистоту асфальтового цемента можно легко проверить, поскольку он почти полностью состоит из битума, растворимого в сероуглероде. Рафинированный асфальт обычно более чем на 99,5% растворим в сероуглероде, и любые оставшиеся примеси инертны. Из-за опасной легковоспламеняемости сероуглерода в тестах на растворимость и чистоту используется трихлорэтилен (ТХЭ), который также является отличным растворителем для асфальтового вяжущего.

Асфальтовый цемент не должен содержать воды или влаги при выходе с нефтеперерабатывающего завода. Однако в танках транспортных средств, загружающих асфальт, может присутствовать влага. Это может вызвать вспенивание асфальта при его нагревании выше 212 ° F (100 ° C), что представляет собой угрозу безопасности. Спецификации обычно требуют, чтобы асфальт не вспенивался при температуре до 347 ° F (175 ° C). Асфальтовый цемент при нагревании до достаточно высокой температуры выделяет пары, которые вспыхивают при наличии искры или открытого пламени. Температура, при которой это происходит, называется точкой воспламенения и намного выше температур, обычно используемых при укладке дорожного покрытия. Из-за возможности вспенивания асфальта и обеспечения достаточного запаса прочности температура воспламенения асфальта измеряется и контролируется.

Еще одно важное инженерное свойство асфальтобетонного цемента - его пластичность, которая является мерой способности материала растягиваться, вытягиваться или деформироваться. В асфальтовых цементах наличие или отсутствие пластичности обычно более важно, чем фактическая степень пластичности, потому что некоторые асфальтовые цементы с высокой степенью пластичности также более чувствительны к температуре. Пластичность измеряется испытанием на «растяжение», при котором стандартный брикет из асфальтобетона, отформованный при стандартных условиях и размерах, вытягивают при стандартной температуре (обычно 77 ° F [25 ° C]) до тех пор, пока он не разорвется под действием растяжения. Относительное удлинение, при котором образец асфальтобетона разрушается, является мерой пластичности образца.

Побочные продукты / отходы

Законы об охране окружающей среды разработали строгие нормы, ограничивающие потоки воды и выбросы твердых частиц и дыма от нефтеперерабатывающих и асфальтоперерабатывающих заводов. Не только пыль, но и диоксид серы, дым и многие другие выбросы должны строго контролироваться. Электростатические пылеуловители, первичные пылеуловители, использующие одно- или многоконусные циклоны, и вторичные блоки сбора, состоящие из тканевых фильтров-коллекторов, обычно называемых «рукавными фильтрами», - все это необходимое оборудование для контроля выбросов. Углеводороды, образующиеся при производстве асфальта, если их не контролировать, создают пахучие пары и загрязняющие вещества, которые окрашивают и затемняют воздух. Загрязняющие вещества, выделяемые при производстве асфальта, контролируются кожухами, которые улавливают выхлопные газы и затем рециркулируют их в процессе нагрева. Это не только устраняет загрязнение, но и увеличивает тепловую эффективность процесса.

Более высокая стоимость асфальтобетона, камня и песка вынудила промышленность повысить эффективность и утилизировать старые асфальтовые покрытия. При вторичной переработке асфальтового покрытия материалы, извлеченные из старых покрытий, перерабатываются вместе с новыми материалами. Три основных категории рециклинга асфальта:1) рециклинг горячей смеси, когда вторичные материалы объединяются с новыми материалами на центральном заводе для производства смесей для дорожных покрытий из горячей смеси, 2) рециклинг холодной смеси, когда вторичные материалы объединяются с новыми материалами. либо на месте, либо на центральном заводе по производству базовых материалов для холодной смеси, и 3) вторичная переработка поверхности - процесс, при котором старое асфальтовое покрытие нагревается на месте, соскабливается или «скарифицируется», повторно смешивается, перекатывается и прокатывается. Органические агенты рециркуляции асфальта также могут быть добавлены, чтобы помочь восстановить состаренный асфальт до желаемых характеристик.

Из-за испарения растворителя и летучести использование битумных битумов, особенно битумов быстрого отверждения, в которых используется бензин или нафта, становится все более ограниченным или запрещенным, в то время как эмульгированный битум (в котором испаряется только вода) становится все более популярным из-за затрат и экологических норм.

Будущее

Растущие экономические и экологические потребности принесут много новых технических решений по переработке старых асфальтовых покрытий, таких как использование микроволн для полного разрушения дорожного покрытия. Микроволны нагревают щебень в асфальтовом покрытии быстрее, чем окружающий цемент, который затем нагревается лучистым теплом камня. Этот метод предотвращает возгорание асфальтобетона.

Изучаются альтернативные источники сырья, такие как производство синтетического асфальта путем разжижения осадка сточных вод. Для обеспечения постоянного качества продукции разрабатываются новые методы производства модифицированных битумов и эмульсий. Разрабатывается множество новых тестов для определения характеристик битумов, таких как высокоэффективная гель-проникающая хроматография (HP-GPC), которая позволяет изучать многие свойства и собирать результаты всего за несколько минут. Новые процессы, более эффективные смесительные и измельчающие агрегаты, поточные массовые расходомеры жидкости, онлайн-системы мониторинга и новое оборудование безопасности - вот некоторые другие области, требующие улучшения.

Полимер-модифицированные герметики для трещин в асфальте набирают популярность, и в настоящее время разрабатываются многие другие модификаторы асфальта. Модификаторы добавляются для борьбы с колейностью, растрескиванием, окислением асфальта и повреждением водой. Некоторые коммерчески доступные модификаторы асфальта представляют собой полимеры, в том числе эластомеры, комплексы металлов, элементарную серу, волокна, гашеную известь, портландцемент, силиконы, различные наполнители и органические агенты, препятствующие расслоению. Многие из этих модификаторов широко не использовались и исследуются для дальнейшего развития. Возможно, однажды даже появится возможность получить «умные асфальтовые вяжущие» путем подмешивания определенных модификаторов трения асфальта, которые позволят ему изменять характеристики в зависимости от наличия влаги. В сочетании с антиблокировочной системой тормозов автоматические регуляторы тяги и подушки безопасности, это могло бы спасти множество жизней на дорогах нашей страны.