ОДМ 218.8.10.001-2020. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по технологиям импортозамещения при приготовлении катионных битумно-полимерных эмульсий
(издан на основании Распоряжения Росавтодора от 17.02.2021 № 566-р)
Примечание
Текст документа приведен в соответствии с публикацией на сайте https://rosavtodor.gov.ru/ по состоянию на 29.07.2022. Документ рекомендован к применению с 17.02.2021 Распоряжением Росавтодора от 17.02.2021 № 566-р.
Издан на основании Распоряжения Федерального дорожного агентства от 17 февраля 2021 г. № 566-р
ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИЯМ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ КАТИОННЫХ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
1 РАЗРАБОТАН обществом с ограниченной ответственностью «Автодорис» (ООО «Автодорис»).
Коллектив авторов: канд. техн. наук Н.И. Паневин (руководитель работ), канд. хим. наук Е.А. Гринфельд, канд. хим. наук А.П. Один, канд. техн. наук А.А. Ронов, инж. Т.Е. Никольская, инж. М.Н. Паневин, инж. Е.А. Рябых.
2 ВНЕСЕН Управлением научно-технических исследований и информационного обеспечения Федерального дорожного агентства.
3 ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 17.02.2021 № 566-р.
4 ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.
1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее — методический документ) содержит рекомендации по технологиям импортозамещения при приготовлении катионных битумно-полимерных эмульсий, используемых для выполнения дорожных работ.
1.2 Данный методический документ предназначен для применения в дорожных организациях, выпускающих и использующих катионные битумно-полимерные эмульсии, проектных организациях и организациях, выполняющих функции заказчика.
В настоящем методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:
ГОСТ 450-77 Кальций хлористый технический. Технические условия
ГОСТ 857-95 Кислота соляная синтетическая техническая. Технические условия
ГОСТ 3134-78 Уайт-спирит. Технические условия
ГОСТ 6968-76 Кислота уксусная лесохимическая. Технические условия
ГОСТ 10678-76 Кислота ортофосфорная термическая. Технические условия
ГОСТ 14710-78 Толуол нефтяной. Технические условия
ГОСТ 33133-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования
ГОСТ 33137-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Метод определения динамической вязкости ротационным вискозиметром
ГОСТ Р 15.301-2016 Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство
ГОСТ Р 52056-2003 Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блоксополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия
ГОСТ Р 58577-2019 Правила установления нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ проектируемыми и действующими хозяйствующими субъектами и методы определения этих нормативов
ГОСТ Р 58952.1-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Эмульсии битумные дорожные. Технические требования
ГОСТ Р 58952.3-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Эмульсии битумные дорожные. Метод извлечения битумного вяжущего путем выпаривания
ГОСТ Р 58952.5-2020 Дороги автомобильные общего пользования. Эмульсии битумные дорожные. Метод определения содержания битумного вяжущего с эмульгатором
Примечание - При пользовании настоящим методическим документом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячным информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании данным методическим документом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
В настоящем методическом документе применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 водный раствор эмульгатора (водная фаза, мыльный раствор): Раствор, содержащий воду, эмульгатор, кислоту и другие добавки, необходимые для приготовления битумной эмульсии.
3.2 извлеченное (остаточное) вяжущее: Битумное вяжущее, оставшееся после распада и удаления воды из катионной битумно-полимерной эмульсии.
3.3 коалесценция: Слияние мелких капель дисперсной фазы в битумных эмульсиях с образованием крупных капель, в результате которого эмульсия разрушается.
3.4 латекс искусственный: Водная дисперсия полимера, получаемая, как правило, методом эмульгирования растворов предварительно синтезированных полимеров в водном растворе поверхностно-активного вещества с последующей отгонкой органического растворителя из эмульсии.
3.5 латекс синтетический: Водная дисперсия полимера, получаемая методом радикальной полимеризации мономеров в водной эмульсии в присутствии поверхностно-активного вещества.
3.6 латексоподобная дисперсия: Коллоидная система, в которой дисперсной фазой является смесь модификаторов, используемых для приготовления полимерно-битумного вещества, а дисперсионной средой — водный раствор катионного поверхностно-активного вещества.
3.7 литая эмульсионно-минеральная смесь (ЛЭМС): Смесь, состоящая из каменного материала, битумной эмульсии, минерального наполнителя, воды и специальных добавок, подобранных в определенных пропорциях и смешанных при помощи специализированного оборудования.
3.8 полимерно-битумное вяжущее: Вяжущее, полученное введением, диспергированием и равномерным распределением полимера, а при необходимости — пластификатора и полимера в битуме.
3.9 предельно допустимая концентрация (ПДК): Такая максимальная концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.
3.10 распад эмульсии (распад): Процесс выделения битума из эмульсии после нанесения на поверхность дорожного покрытия или объединения битумной эмульсии и минерального материала. В случае нарушения технологий приготовления, хранения и транспортирования — необратимый процесс разделения битумной эмульсии на водную фазу и битумное вяжущее.
3.11 разжижитель: Летучий органический продукт, используемый для снижения вязкости битумного вяжущего и облегчения его диспергирования в дисперсионной среде при приготовлении катионных битумно-полимерных эмульсий, который, в отличие от пластификатора, способен испаряться из остаточного вяжущего, не меняя его свойств.
3.12 стабилизатор: Продукт, предназначенный для замедления седиментации и коалесценции катионных битумных эмульсий, продления срока их хранения и увеличения стабильности при транспортировании.
3.13 эмульгатор катионный: Катионное поверхностно-активное вещество, способствующее диспергированию расплава битума в воде и обеспечивающее устойчивость эмульсии к распаду на стадии хранения и транспортирования, придающее частицам битума положительный заряд.
3.14 эмульсия битумно-полимерная дорожная катионная: Однородная, маловязкая жидкость темно-коричневого цвета рационально подобранного состава, получаемая эмульгированием в присутствии катионного эмульгатора битума, содержащего полимер (полимерно-битумное вяжущее), или введением водной дисперсии полимера (латекса) непосредственно в диспергатор (коллоидную мельницу), или в водный раствор эмульгатора в процессе производства, либо в готовую битумную эмульсию. Коллоидная система, в которой дисперсионной средой является водный раствор катионного эмульгатора, а дисперсной фазой — все остальные компоненты.
4.1 В настоящее время большинство производителей эмульсий битумно-полимерных дорожных катионных (далее — катионные битумно-полимерные эмульсии (ЭБПДК)) используют исключительно импортные катионные латексы и преимущественно импортные эмульгаторы. Данный методический документ рекомендует основные положения технологий импортозамещения, предусматривающих применение исключительно отечественного сырья.
4.2 Катионные битумно-полимерные эмульсии получают введением катионной водной дисперсии полимера (латекса) или эмульгированием полимерно-битумного вяжущего (ПБВ).
4.3 Ввод латекса для модификации эмульсии осуществляют одним из следующих способов:
- непосредственно в коллоидную мельницу вместе с мыльным раствором и битумом;
- в водную фазу (бак или трубу подачи водной фазы);
- в эмульсию после изготовления.
Введение латекса непосредственно в коллоидную мельницу или в водную фазу предпочтительно, поскольку позволяет получить лучшие свойства остаточного вяжущего.
4.4 Свойства остаточного вяжущего, выделенного из катионных битумно-полимерных эмульсий, приготовленных с использованием ПБВ, как правило, соответствуют свойствам исходного полимерно-битумного вяжущего.
Использование ЭБПДК позволяет существенно повысить срок службы элементов дорожных одежд, выполненных на их основе.
4.5 При распаде катионных битумно-полимерных эмульсий формирование пленки битума идет за счет испарения воды и электрохимического взаимодействия частиц битума с каменными материалами. Катионные битумно-полимерные эмульсии хорошо взаимодействуют как с кислыми, так и с основными каменными породами.
4.6 При устройстве шероховатой поверхностной обработки и слоев износа из литых эмульсионно-минеральных смесей типа «Сларри Сил» и «Микросюрфейсинг» катионную битумно-полимерную эмульсию используют при фактической интенсивности движения свыше 6000 авт./сут и при интенсивности движения свыше 3000 авт./сут если это необходимо по климатическим условиям района применения и обосновано результатами подбора составов.
4.7 Катионные битумно-полимерные эмульсии выпускают в соответствии с разработанными составами, обеспечивающими необходимые свойства, учитывающими особенности технологии их приготовления и применения, специфику используемых минеральных материалов. Разработку составов осуществляют в лабораториях, располагающих оборудованием, воспроизводящим процесс приготовления битумных эмульсий, и необходимыми приборами для контроля качества. При этом свойства битумно-полимерной эмульсии должны соответствовать действующей нормативной документации.
5 Технические требования к катионным битумно-полимерным эмульсиям
5.1 Классификация катионных битумно-полимерных эмульсий
5.1.1 По скорости распада ЭБПДК делятся на три класса:
Скорость распада эмульсий определяет их применение для различных видов дорожных работ.
5.1.2 В соответствии с ГОСТ Р 58952.1-2020 эмульсии битумно-полимерные дорожные катионные имеют обозначения ЭБПДК Б, ЭБПДК С или ЭБПДК М, где последняя буква характеризует скорость распада эмульсии.
5.1.3 Классификация катионных битумно-полимерных эмульсий по ГОСТ Р 58952.1-2020 в зависимости от индекса распада приведена ниже.
Класс катионной Индекс распада битумно-полимерной эмульсии
ЭБПДК-1 .......................... 100 — 200
ЭБПДК-2 .......................... 200 — 260
ЭБПДК-3 .......................... Более 260
5.1.4 По способу модификации вяжущего полимером катионные битумно-полимерные эмульсии делят на приготовленные с использованием:
5.2 Требования к свойствам катионных битумно-полимерных эмульсий
Катионные битумно-полимерные эмульсии выпускают в соответствии с технологическим регламентом, утвержденным в установленном порядке, обеспечивая соответствие характеристик ГОСТ Р 58952.1-2020 с нижеизложенными дополнениями.
g Свойства остаточного вяжущего должны соответствовать климатическим условиям района ее применения и уточняться в соответствии с технологией ее использования. При этом фактические свойства остаточного вяжущего, регламентируемые ГОСТ Р 58952.1-2020, должны быть не ниже значений соответствующих показателей, предусмотренных ГОСТ Р 52056-2003.
g Содержание модификатора в остаточном вяжущем ЭБПДК должно составлять не менее 2,5% по массе.
g Количество вяжущего с эмульгатором и вязкость эмульсии могут быть увеличены относительно требований ГОСТ Р 58952.1-2020, если это необходимо в соответствии с технологиями выполнения дорожных работ.
g Изменение водородного показателя pH в процессе хранения эмульсии в течение недели не должно превышать 0,3.
5.3 Требования к исходным компонентам
5.3.1 Общие положения
5.3.1.1 Для производства катионных битумно-полимерных эмульсий используются следующие материалы:
- битумные вяжущие (битум или ПБВ);
- вода;
- эмульгаторы;
- адгезионные добавки;
- стабилизаторы;
- кислоты;
- латекс или латексоподобная дисперсия;
- разжижители.
5.3.1.2 Требования к исходным материалам, обеспечивающим получение ЭБПДК, соответствующих ГОСТ Р 58952.1-2020, приведены ниже. В некоторых случаях эти требования выходят за рамки данного стандарта.
5.3.2 Требования к битумным вяжущим
5.3.2.1 Для приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий применяют битумы нефтяные дорожные вязкие, соответствующие требованиям ГОСТ 33133-2014, или полимерно-битумные вяжущие по ГОСТ Р 52056-2003, обеспечивающие получение эмульсий, соответствующих требованиям настоящих методических рекомендаций.
5.3.2.2 Полимерно-битумные вяжущие готовят на основе вязких дорожных битумов введением полимеров — блоксополимеров типа СБС (ДСТ 30, СБС 30 или их аналогов).
5.3.2.3 Рекомендуемое содержание твердых парафинов в битуме не должно превышать 3%.
5.3.2.4 Марка используемого полимерно-битумного вяжущего должна соответствовать климатическим условиям района применения.
5.3.3 Требования к воде
5.3.3.1 Вода, используемая для производства ЭБПДК, должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 58952.1-2020.
5.3.3.2 Рекомендуемый водородный показатель (pH) воды должен быть как можно ближе к 7, не превышая данное значение.
5.3.4 Требования к эмульгаторам
5.3.4.1 В качестве эмульгаторов применяют ПАВ катионного типа, соответствующие техническим требованиям, установленным предприятием-изготовителем.
5.3.4.2 Эмульгатор должен:
- соответствовать виду, классу и типу приготавливаемой эмульсии и обеспечивать ее необходимые свойства;
- быть удобным в употреблении (при прочих равных условиях предпочтительным должен быть эмульгатор, не требующий специального дополнительного оборудования для использования);
- отвечать требованиям экономической эффективности и иметь наименьшую стоимость на единицу продукции.
5.3.5 Требования к адгезионным добавкам
5.3.5.1 Для получения необходимой адгезии катионных битумно-полимерных эмульсий к каменным материалам и поверхности дорожного покрытия в их состав при необходимости вводят катионные адгезионные добавки, которые должны отвечать техническим требованиям предприятия-изготовителя.
5.3.5.2 Как правило, использование адгезионных добавок необходимо при производстве быстро- и среднераспадающихся ЭБПДК для обеспечения требований ГОСТ Р 58952.1-2020 к показателю сцепления с минеральными материалами.
5.3.5.3 Используют адгезионные добавки, вводимые в битум, и добавки, которые вводят в водную фазу.
5.3.5.4 Адгезионная добавка должна:
- обеспечивать получение эмульсии с характеристиками, соответствующими нормативным требованиям;
- быть удобной в употреблении (при прочих равных условиях предпочтительной должна быть добавка, не требующая специального дополнительного оборудования для ее использования).
5.3.6 Требования к стабилизаторам
5.3.6.1 Стабилизаторы, обычно растворы солей, служат для стабилизации эмульсий, замедления их седиментации, продления срока хранения и увеличения транспортной стабильности. Наиболее широко применяемым стабилизатором катионных битумно-полимерных эмульсий является хлористый кальций по ГОСТ 450-77.
5.3.6.2 Дозировка хлористого кальция в пересчете на сухое вещество не должна превышать 0,1% по массе готовой эмульсии.
5.3.7 Требования к кислотам
5.3.7.1 Используемые для приготовления ЭБПДК эмульгаторы представляют собой нерастворимые в воде соединения. В результате их взаимодействия с кислотами образуются растворимые соли, применяемые для эмульгирования битума. Кислоты также используют для регулирования pH водного раствора катионных эмульсий. Для производства ЭБПДК применяют соляную кислоту по ГОСТ 857-95, ортофосфорную по ГОСТ 10678-76 или уксусную по ГОСТ 6968-76.
5.3.7.2 Кислоты не должны содержать ингибиторов коррозии, используемых для защиты металлов в металлургии.
5.3.7.3 Концентрация кислот должна составлять:
5.3.8 Требования к латексам и латексоподобным дисперсиям
5.3.8.1 В технологии импортозамещения для приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий рекомендуется использовать отечественные латексы и латексоподобные дисперсии модификаторов.
5.3.8.2 Применяемые для производства ЭБПДК латексы и латексоподобные дисперсии также должны быть катионными. Общие требования к отечественным латексам и латексоподобным дисперсиям модификаторов приведены в таблице 1.
Общие требования к латексам и латексоподобным дисперсиям
5.3.8.3 Латексы и латексоподобные дисперсии должны храниться при температуре от 5 °C до 50 °C в защищенном от воздействия прямых ультрафиолетовых лучей месте. Гарантийный срок хранения должен быть не менее шести месяцев.
5.3.8.4 Рекомендации по приготовлению катионной латексоподобной дисперсии приведены в приложении А.
5.3.9 Требования к разжижителям
5.3.9.1 Для снижения вязкости используемого битумного вяжущего и улучшения его дисперсности в дисперсионной среде при приготовлении катионных битумно-полимерных эмульсий может быть использован разжижитель (флюксант).
5.3.9.2 Используемый разжижитель должен быть летучим, чтобы не оказывать отрицательного влияния на свойства остаточного вяжущего.
5.3.9.3 В качестве разжижителя целесообразно использовать керосин согласно техническим условиям [1], уайт-спирит по ГОСТ 3134-78, другие совместимые с битумом вещества, соответствующие нормативной документации предприятия-изготовителя и имеющие температуру самовоспламенения не ниже 200 °C.
6 Технология приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий
6.1 Требования к используемому оборудованию
6.1.1 Наиболее эффективным способом приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий является метод механического диспергирования, реализуемый с помощью специального оборудования [2]. Производство ЭБПДК возможно как на оборудовании с циклическим производством водного раствора эмульгатора, так и на оборудовании с непрерывным его производством.
6.1.2 В состав оборудования для производства катионных битумно-полимерных эмульсий должны входить следующие обязательные системы:
- водного раствора эмульгатора, включающая дозаторы эмульгатора, кислоты, воды и стабилизатора;
- перемешивания водного раствора эмульгатора (для непрерывного оборудования — статический спиральный смеситель, для циклического оборудования — механическая мешалка в каждой емкости для приготовления водной фазы);
- введения адгезионных добавок, включающая дозатор и линию подачи. В случае введения адгезионной добавки в водную фазу данная система может быть совмещена с системой водного раствора эмульгатора;
- ввода латекса для модификации эмульсии (при приготовлении эмульсии с использованием водной дисперсии полимера);
- охлаждения готовой эмульсии в теплообменнике с использованием подогреваемой воды из теплообменника для приготовления водного раствора эмульгатора (при приготовлении эмульсии с использованием полимерно-битумного вяжущего);
- управления производством;
- контроля за технологическим процессом, включающая датчики температуры водного раствора эмульгатора, битумного вяжущего и готовой эмульсии, встроенный pH-метр или пробоотборник для контроля pH мыльного раствора внешним pH-метром, датчики давления.
Кроме того, в состав оборудования должен входить производственный блок, содержащий коллоидную мельницу, линии и насосы подачи битума и водной фазы.
6.1.3 При приготовлении ЭБПДК с использованием ПБВ применение теплообменника является обязательным. Теплообменник устанавливают между коллоидной мельницей и обратным клапаном на ее выходе. При необходимости теплообменник может обеспечивать снижение температуры эмульсии до заданного уровня, соответствующего температуре ее использования. Нагревшаяся вода, охлаждавшая эмульсию, может направляться в систему приготовления мыльного раствора.
6.1.4 Теплообменник должен быть оборудован насосом подачи воды с регулируемой производительностью, датчиками температуры и давления на входе и выходе воды и эмульсии, а выходной эмульсионный трубопровод — оборудован обогреваемым регулятором потока для поддержания давления в теплообменнике, входить в емкость для хранения эмульсии в верхней части и иметь антисифонный разрыв в верхней точке внутри емкости для хранения с целью предотвращения отсасывания эмульсии обратно в теплообменник.
6.1.5 Вспомогательное оборудование включает:
- систему подогрева воды для приготовления мыльного раствора;
- систему термостатирования воды (поддержание постоянной температуры воды на выходе при подаче горячей и холодной воды на вход) для приготовления мыльного раствора;
- систему подогрева и термостатирования битума в расходной емкости;
- источник электроэнергии;
- источник тепла для обогрева оборудования, трубопроводов, нагрева воды и битума, подогрева (при необходимости) готовой эмульсии;
- трубопроводы для перекачки битума, воды, готовой эмульсии, химических реагентов;
- расходные емкости с подогревом для воды и битума, емкости для хранения битума, химических реагентов;
- емкости для хранения готовых эмульсий;
- оборудование для отгрузки готовой продукции (насосы с трубопроводами или высокая эстакада, на которой установлены емкости для хранения эмульсий, отгружаемых самотеком).
6.1.6 Для снижения вязкости используемого битумного вяжущего и улучшения, при необходимости, технологических свойств ЭБПДК в состав оборудования включают дополнительную систему ввода разжижителя (флюксанта) в битумное вяжущее.
6.1.7 При этом указанные системы и оборудование должны соответствовать приведенным ниже требованиям.
\cdot Система приготовления водного раствора эмульгатора должна:
- обеспечивать точность дозирования реагентов и воды в пределах +/- 2% от фактического количества;
- иметь точность измерения:
\# температуры в пределах +/- 1 °C,
\cdot Система приготовления водного раствора эмульгатора, входящая в оборудование циклического типа, должна быть закрытой. Емкости, входящие в состав системы, необходимо оборудовать датчиками уровня, переполнения и низкого уровня раствора в емкости и вытяжной вентиляцией.
\cdot Для работы с вязкими и пастообразными эмульгаторами следует предусмотреть систему подогрева емкости с эмульгатором, трубопроводов, насосов и трубопроводной арматуры с защитой от перегрева.
\cdot Коллоидная мельница должна соответствовать следующим требованиям:
- обеспечивать диспергирование битумного вяжущего при рабочих температурах с медианой распределения размеров коллоидных частиц не более 5 мкм;
- иметь:
\# систему обогрева (масляную, паровую или электрическую),
\# мощность привода, достаточную для работы мельницы во всем диапазоне допустимых температур и получения эмульсии с высоким содержанием битумного вяжущего,
\# защиту на случай заклинивания ротора мельницы,
\# датчик давления и амперметр тока привода для контроля режима работы,
\# обратные клапаны на трубопроводах всех компонентов перед входом в мельницу.
- обеспечивать подачу битума в коллоидную мельницу во всем диапазоне рабочих температур при всех допустимых содержаниях битума в эмульсии;
- быть оборудован системой обогрева, перепускным (предохранительным) клапаном, датчиком оборотов или (и) расходомером битума;
- иметь регулируемый частотный привод.
\cdot Насос водной фазы должен:
- обеспечивать подачу мыльного раствора в коллоидную мельницу при всех допустимых содержаниях мыла в эмульсии;
- быть оборудован перепускным (предохранительным) клапаном, датчиком оборотов или (и) расходомером мыльного раствора;
- иметь регулируемый частотный привод (за исключением оборудования с дроссельными регуляторами подачи мыльного раствора в мельницу).
\cdot Насос флюксанта (разжижителя) должен:
- обеспечивать подачу флюксанта в статический смеситель битумной линии перед битумным насосом при всех его допустимых содержаниях в битуме при различном количестве битумного вяжущего в эмульсии;
- быть оборудован перепускным (предохранительным) клапаном, датчиком оборотов или (и) расходомером флюксанта;
- иметь регулируемый частотный привод.
На трубопроводе флюксанта перед входом в статический смеситель битумной линии должен быть установлен обратный клапан.
- обеспечивать перекачку латекса без коагуляции (необходимо использовать перистальтический, винтовой или аналогичный насосы);
- осуществлять подачу латекса в коллоидную мельницу, линию водной фазы или готовую эмульсию во всем диапазоне планируемого расхода;
- оборудоваться перепускным (предохранительным) клапаном, датчиком оборотов или (и) расходомером латекса;
- иметь:
\# регулируемый частотный привод,
\# обратный клапан в конце трубопровода латекса.
В конструкции линии подачи латекса следует предусмотреть систему промывки насоса и трубопроводов водой по окончании приготовления катионной битумно-полимерной эмульсии.
\cdot Органы управления должны:
- располагаться вместе с контрольными приборами в одном месте на пульте управления оператора и обеспечивать регулировку содержания всех компонентов эмульсии и поддержание их на заданном уровне;
- обеспечивать при работе в ручном режиме получение катионной битумно-полимерной эмульсии с заданным содержанием остаточного вяжущего с отклонением не более +/- 1%.
\cdot Трубопроводы и трубопроводная арматура должны:
- быть изготовлены из материалов, соответствующих перекачиваемым материалам по коррозионной, механической и термической стойкости;
- иметь фильтры на входе в эмульсионный завод, доступные для осмотра, прочистки или промывки;
- быть оборудованы рубашками обогрева (в случае масляного или парового обогрева) либо системой электроподогрева.
На выходном трубопроводе коллоидной мельницы должен быть установлен обогреваемый обратный клапан для защиты мельницы от обратного давления из хранилища эмульсии, датчик давления с изолированной мембраной и термометр.
\cdot Расходные емкости для битума должны иметь:
- объем, достаточный для непрерывной работы завода в течение полной рабочей смены;
- двухуровневую систему подогрева и термостатирования битума (нижний уровень — вблизи дна, верхний — в средней части емкости). Система подогрева может быть масляной, паровой или электрической;
- теплоизоляцию и внешнюю оболочку, предохраняющую от попадания влаги в теплоизоляцию;
- точность поддержания температуры в пределах +/- 3 °C;
- систему циркуляции битума с помощью битумного насоса для выравнивания температуры;
- датчики температуры и уровня битума, показания которых хорошо видны с рабочего места оператора.
Битум при циркуляции необходимо отбирать в нижней точке емкости и возвращать в верхнюю точку. Трубопроводы, соединяющие расходную емкость с эмульсионным заводом, должны допускать циркуляцию битума через завод и его возвращение обратно в емкость.
- должны быть в количестве, достаточном для хранения всех классов катионной битумно-полимерной эмульсии;
- быть по возможности вертикальными и оборудованными индикаторами уровня эмульсии и датчиками температуры;
- иметь:
\# объем не менее объема сменного выпуска продукции,
\# кран-пробоотборник отбора образцов эмульсии для лабораторных испытаний,
\# теплообменник при производстве эмульсии под давлением между хранилищем и коллоидной мельницей, отвечающий изложенным выше требованиям,
\# регистры масляного или парового обогрева в нижней части с температурой теплоносителя не выше 95 °C с обязательным контролем температуры и теплоизоляцию при хранении эмульсий, используемых в подогретом состоянии;
- не должны иметь теплоизоляцию при хранении эмульсий, используемых при температуре окружающей среды (как правило, это медленнораспадающиеся эмульсии);
- быть оборудованы:
\# низкооборотными механическими мешалками для перемешивания эмульсий во избежание седиментации,
\# закрывающимся люком сверху и люком для очистки емкости с герметичной крышкой снизу (сбоку).
Загрузка ЭБПДК в емкость должна осуществляться по трубе, входящей сверху в емкость, имеющей в верхней точке противосифонный разрыв и не доходящей до дна емкости на 200 — 300 мм во избежание пенообразования. Отгрузка потребителям должна осуществляться из нижней части емкости на небольшом (порядка 200 мм) расстоянии от дна емкости во избежание попадания в отгружаемую эмульсию осадка.
6.2 Технология приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий с использованием полимерно-битумного вяжущего
6.2.1 Общие положения
Процесс приготовления катионной битумно-полимерной эмульсии можно разбить на несколько этапов:
- разработка состава;
- подготовка компонентов к производству эмульсии;
- подготовка оборудования для производства;
- процесс производства.
6.2.2 Разработка состава эмульсии
6.2.2.1 При разработке состава катионной битумно-полимерной эмульсии осуществляют выпуск лабораторной партии на лабораторной эмульсионной установке, моделирующей процесс промышленного производства.
6.2.2.2 При разработке состава ЭБПДК:
- выбирают эмульгатор, обеспечивающий получение битумной эмульсии необходимого класса и назначения;
- задают дозировку эмульгатора;
- определяют ориентировочное количество кислоты для получения необходимого значения водородного показателя pH;
- выпускают и испытывают лабораторную партию эмульсии;
- при получении положительных результатов испытаний переходят к выпуску эмульсии на промышленной установке;
- назначают объем выпускаемой партии эмульсии и определяют объем водной фазы с учетом ее дополнительного расхода при запуске и промывке эмульсионной установки;
- составляют рецепты эмульсии и водной фазы для ее приготовления.
6.2.2.3 Промышленную партию катионной битумно-полимерной эмульсии выпускают, руководствуясь инструкцией по эксплуатации эмульсионной установки и нижеизложенными рекомендациями.
6.2.3 Подготовка исходных компонентов к производству катионной битумно-полимерной эмульсии
6.2.3.1 Подготовка компонентов к производству ЭБПДК включает определение их физических свойств и условий, в которых эти свойства будут оптимальными, приготовление достаточных количеств компонентов и приведение их в состояние, обеспечивающее оптимальный процесс эмульгирования.
6.2.3.2 Важнейшим параметром вяжущего для эмульгирования является его динамическая вязкость. Поэтому для получения оптимальных условий эмульгирования необходимо построить график зависимости динамической вязкости по ГОСТ 33137-2014. Оптимальная вязкость для битумного вяжущего находится в пределах от 0,2 до 0,3 Па·с и может быть скорректирована при наличии данных производителя коллоидной мельницы.
6.2.3.3 Для обеспечения стабильности получаемой на основе ПБВ катионной битумно-полимерной эмульсии необходимо обеспечить минимальную температуру эмульсии на выходе мельницы. Она должна быть не ниже температуры битумного вяжущего, при которой его вязкость не превышает 20 Па·с. Измерения зависимости вязкости ПБВ от температуры необходимо произвести в диапазоне от 0,15 до 20 Па·с. Измерения вязкости битума (при использовании водных дисперсий полимера при получении эмульсий ЭБПДК) достаточно выполнить в диапазоне от 0,15 до 0,50 Па·с.
6.2.3.4 Температуру выпускаемой эмульсии можно определить по формуле
T_{\text{э}} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} m_{i}c_{i}T_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} m_{i}c_{i}} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} \%_{i}c_{i}T_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} \%_{i}c_{i}} , (1)
где Tэ — расчетная температура эмульсии на выходе установки, °C;
n — количество компонентов эмульсии;
mi — масса i-го компонента эмульсии, кг;
%i — процентное содержание i-го компонента эмульсии;
ci — теплоемкость i-го компонента эмульсии, кДж/кг·°С;
Ti — температура i-го компонента эмульсии, °C.
6.2.3.5 Температуру водного раствора эмульгатора можно вычислить по формуле
T_{\text{врэ}} = \frac{T_{\text{мтвэ}}(\%_{\text{врэ}} + 0,5\%_{\text{б}}) - 0,5\%_{\text{б}}T_{\text{б}}}{\%_{\text{врэ}}} , (2)
где Tврэ — необходимая температура водного раствора эмульгатора, °C;
Tмтвэ — расчетная температура эмульсии на выходе установки, °C;
%врэ — содержание водного раствора эмульгатора в эмульсии, %;
%б — содержание битума в эмульсии, %;
6.2.3.6 При использовании ПБВ минимальная температура эмульсии на выходе установки принимается равной температуре, обеспечивающей вязкость используемого ПБВ ниже 20 Па·с, а на выходе мельницы может превышать температуру кипения воды. Для предотвращения разрушения эмульсии при закипании требуется ее принудительное охлаждение под давлением.
6.2.3.7 В таблице 2 приведены данные о температуре кипения воды при различном давлении.
Зависимость температуры кипения воды от давления
6.2.3.8 Для предотвращения разрушения катионной битумно-полимерной эмульсии вследствие закипания воды рекомендуется обеспечить давление в трубопроводе после коллоидной мельницы не ниже значений, приведенных в таблице 2.
6.2.3.9 Охлаждение эмульсии может быть выполнено тремя способами:
- с использованием проточного теплообменника и охлаждением эмульсии до заданного уровня;
- с применением неутепленной емкости для хранения, в которой создается избыточное давление, с охлаждением эмульсии до заданного уровня;
- комбинированным способом с использованием теплообменника для охлаждения эмульсии на 20 °C — 40 °C (более резкое охлаждение может вызвать распад эмульсии) с последующим охлаждением в неутепленной емкости для хранения (без избыточного давления) до заданного уровня при медленном перемешивании.
6.2.3.10 Выбор теплообменника осуществляют в соответствии с рекомендациями приложения Б.
6.2.3.11 Схемы эмульсионных установок периодического и непрерывного действия, используемых для приготовления ЭБПДК на основе ПБВ, представлены в приложении В.
6.2.3.12 Емкость для охлаждения эмульсии должна быть оборудована манометром, который показывает избыточное (манометрическое) давление, и аварийным клапаном для сброса избыточного давления. Давление задают и обеспечивают с некоторым запасом на случай непредвиденного повышения температуры компонентов эмульсии и с учетом возможного дополнительного нагрева эмульсии при диспергировании, но не выше давления нагнетания мельницы. При охлаждении катионной битумно-полимерной эмульсии в емкости целесообразно обеспечивать давление 0,14 МПа. При закачке эмульсии в закрытую емкость следует учитывать, что давление в ней повышается за счет дополнительного сжатия воздуха.
Все элементы эмульсионной установки должны обеспечивать ее работу с заданным давлением.
6.2.3.13 При приготовлении водного раствора эмульгатора (дисперсионной среды) на установке периодического действия в подогретую воду заливают некоторое количество соответствующей кислоты (от 50% до 60% от расчетного количества), а далее в раствор кислоты полностью вводят все предусмотренные рецептом компоненты.
6.2.3.14 После перемешивания контролируют водородный показатель pH и, чередуя перемешивание с добавлением части оставшейся по рецепту кислоты, доводят pH до заданного уровня. Для получения воспроизводимых результатов после выбора pH его фактические значения обеспечивают с погрешностью не более +/- 0,05.
6.2.3.15 Количество водного раствора эмульгатора для изготовления партии ЭБПДК определяют исходя из ее объема, содержания водной фазы в эмульсии и количества, необходимого для промывки оборудования по окончании цикла производства.
6.2.3.16 В установке непрерывного действия компоненты водного раствора с помощью дозирующих насосов подают в поток предварительно нагретой воды, где они перемешиваются и поступают в коллоидную мельницу.
6.2.3.17 Перед началом производства нагревают ПБВ и водный раствор эмульгатора до необходимых температур. Температуру полимерно-битумного вяжущего назначают на основе результатов определения динамической вязкости, температуру водного раствора эмульгатора рассчитывают с помощью формулы (2).
6.2.4 Подготовка оборудования и производство катионной битумно-полимерной эмульсии
6.2.4.1 Для производства ЭБПДК в соответствии с разработанным рецептом настраивают насосы водного раствора эмульгатора ПБВ на необходимую производительность.
6.2.4.2 Перед запуском в работу все краны и переключатели эмульсионной установки должны быть приведены в исходное положение согласно инструкции по эксплуатации.
6.2.4.3 С помощью регулятора температуры битумных линий необходимо задать температуру обогрева битумных трубопроводов, при которой не происходит потеря температуры ПБВ при перекачке его от бака до мельницы (температура должна быть максимально приближена к рабочей температуре вяжущего).
6.2.4.4 Выпуск партии катионной битумно-полимерной эмульсии осуществляют в соответствии с инструкцией по эксплуатации эмульсионного завода с учетом изложенных в данном подразделе технологических параметров и рекомендаций [2].
6.3 Технология приготовления катионных битумно-полимерных эмульсий с использованием латекса и латексоподобных дисперсий
6.3.1 Технология производства ЭБПДК отличается от технологии приготовления битумных эмульсий наличием одного дополнительного компонента — латекса или латексоподобной дисперсии. Параметры технологического процесса при этом такие же, как и при производстве катионных битумных эмульсий.
6.3.2 Как и при использовании полимерно-битумного вяжущего, оптимальная вязкость битума при эмульгировании находится в пределах от 0,2 до 0,3 Па·с и может быть скорректирована при наличии данных производителя коллоидной мельницы. Температура битума при приготовлении эмульсии должна обеспечивать выполнение данного условия.
6.3.3 При приготовлении ЭБПДК с использованием битума и водной дисперсии полимера температура выпускаемой эмульсии должна находиться в пределах от 87 °C до 93 °C. Исходя из указанных условий по формуле (2) определяют необходимую температуру приготовления водного раствора эмульгатора.
6.3.4 Используемое для производства оборудование должно отвечать требованиям подраздела 6.1 настоящего методического документа.
6.3.5 Выпуск партии ЭБПДК осуществляют в соответствии с инструкцией по эксплуатации эмульсионного завода с учетом изложенных в данном подразделе технологических параметров и рекомендаций [2].
7 Требования безопасности и охраны окружающей среды
7.1 Требования безопасности принимают в соответствии с ГОСТ Р 58952.1-2020.
7.2 С целью защиты атмосферного воздуха от выбросов загрязняющих веществ при производстве смесей должна быть организована система контроля за предельно допустимыми выбросами в соответствии с ГОСТ Р 58577-2019.
7.3 Предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны при изготовлении смесей должна соответствовать требованиям санитарных норм [3].
7.4 Эффективными мерами защиты природной среды являются герметизация оборудования и предотвращение разливов используемой битумной эмульсии.
Приемку катионной битумно-полимерной эмульсии выполняют партиями по ГОСТ Р 58952.1-2020.
9.1 При выпуске катионных битумно-полимерных эмульсий осуществляют производственный контроль, включающий:
9.2 На стадии входного контроля определяют соответствие свойств используемых материалов нормативным требованиям. Рекомендуемая схема операционного контроля приведена в приложении Г. Приемочный контроль осуществляют в соответствии с разделом 8 данного методического документа.
9.3 Для контроля качества ЭБПДК используют методы контроля, предусмотренные ГОСТ Р 58952.1-2020.
9.4 Выделение остаточного вяжущего из катионной битумно-полимерной эмульсии выполняют в соответствии с приложением Д.
10 Транспортирование и хранение
10.1 Катионные битумно-полимерные эмульсии должны храниться в специальных емкостях с соблюдением следующих условий:
- емкости должны быть изготовлены из стали (углеродистой или нержавеющей) или полимерных материалов. Не допускается использование емкостей из цветных металлов;
- предпочтительно использование вертикальных емкостей для хранения битумных эмульсий. Их преимущества перед горизонтальными емкостями: постоянство площади контакта открытой поверхности эмульсии, контактирующей с воздухом, как правило, меньшая площадь открытой поверхности, простота определения количества эмульсии в емкости;
- емкости для хранения эмульсий, используемых в горячем состоянии, должны иметь теплоизоляцию и регистры обогрева. Предпочтительно использовать для обогрева эмульсии горячую воду, так как нагрев водой не может привести к закипанию эмульсии и распаду ее на поверхности регистров обогрева;
- для предотвращения седиментации и коалесценции эмульсии при хранении емкости должны быть оборудованы низкоскоростными (несколько оборотов в минуту) механическими лопастными мешалками. Не рекомендуется для перемешивания эмульсии использовать циркуляцию с помощью шестеренчатых насосов;
- не допускается хранение битумных эмульсий при температурах около и ниже 0 °C;
- оптимальную температуру хранения необходимо принимать в соответствии с таблицей 3. Целесообразно обеспечивать температуру хранения максимально близкой к рекомендуемой температуре использования битумной эмульсии;
- емкости для хранения должны проходить ежегодную очистку и промывку от осадка и загрязнений, а также ежемесячную промывку со сливом осадка;
- для повышения стабильности при длительном (более одной недели) хранении на верхней поверхности эмульсии в емкости необходимо устраивать «керосиновый затвор» — тонкий слой керосина — толщиной 3 — 5 мм (из расчета 0,5 л/м2), препятствующий контакту эмульсии с воздухом и образованию корки из битума.
Рекомендуемые температурные режимы хранения катионных битумно-полимерных эмульсий
| Марка эмульсии | Температура хранения, °C | |
| минимальная | максимальная | |
| ЭБПДК Б | 55 | 80 |
| ЭБПДК С | 50 | 70 |
| ЭБПДК М | 10 | 40 |
10.2 Перед загрузкой эмульсии в емкости для хранения или транспортные цистерны необходимо убедиться в их чистоте и отсутствии остатков ранее хранившихся материалов. Перед загрузкой в емкость для транспортирования ЭБПДК необходимо перемешать.
10.3 В таблице 4 приведена информация о совместимости катионных битумно-полимерных эмульсий с некоторыми материалами.
Совместимость катионных битумно-полимерных эмульсий с некоторыми материалами
10.4 Транспортирование ЭБПДК осуществляют в специальных закрытых цистернах, гудронаторах, металлических и пластиковых бочках и емкостях с соблюдением следующих условий:
- при перевозке эмульсии должны загружаться только в чистые емкости, перечисленные выше, с учетом требований к совместимости согласно таблице 4;
- емкости должны быть оборудованы перегородками, предотвращающими плескание эмульсии внутри них;
- загрузку эмульсий в емкости следует осуществлять снизу, а при невозможности — через верхний люк емкости. При этом рукав, по которому производится загрузка, должен быть опущен как можно ближе к дну емкости во избежание пенообразования;
- транспортирование необходимо осуществлять с равномерной скоростью, без рывков и толчков;
- перевозка эмульсий автомобильным транспортом продолжительностью свыше 3 ч и по железной дороге допускается только при условии введения в эмульсию в процессе приготовления стабилизирующих добавок;
- емкость для транспортирования должна заполняться доверху (с учетом зазора на тепловое расширение) с целью исключения чрезмерного взбалтывания. Выполнение этого положения особенно важно при осуществлении перевозок на дальние расстояния.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ КАТИОННОЙ ЛАТЕКСОПОДОБНОЙ ДИСПЕРСИИ
Латексоподобная дисперсия представляет собой продукт эмульгирования в водной фазе раствора на основе композиции модификаторов, используемых для приготовления ПБВ, с последующей отгонкой растворителя. В качестве модификаторов используются отечественные бутадиен-стирольные термоэластопласты (ТЭП), пластификаторы и адгезионные добавки (АД). Коллоидная стабилизация дисперсий обеспечивается отечественными катионоактивными поверхностно-активными веществами (КПАВ).
Технологический процесс получения латексоподобной дисперсии разрабатывается на основе данного методического документа и в соответствии с ГОСТ Р 15.301-2016.
Технологический процесс получения латексоподобной дисперсии должен включать следующие технологические операции:
- приготовление водных растворов и водных фаз;
- приготовление растворов модификаторов;
- эмульгирование растворов модификаторов;
- отгонку органических растворителей;
- концентрирование дисперсии.
А.2 Характеристика производимой продукции
Латексоподобная дисперсия предназначена для использования при приготовлении ЭБПДК и должна соответствовать требованиям, приведенным в таблице А.1.
Технические требования к латексоподобной дисперсии
| Наименование показателя | Величина показателя |
|---|---|
| 1 | 2 |
| Внешний вид | Однородная жидкость без комков и посторонних включений |
| Массовая доля сухого вещества, %, не менее | 60 <*> |
| Показатель концентрации водородных ионов pH | 2 — 5 |
| Условная вязкость, с, не более | 45 |
| Поверхностное натяжение, мН/м, не более | 45 |
| Массовая доля летучих органических соединений, %, не более | 0,2 |
| Средний диаметр частиц, нм, не более | 500 |
| Дзета-потенциал частиц, мВ, не менее | +50 |
| Условная прочность пленки при растяжении, МПа, не менее | 3 |
| Относительное удлинение латексной пленки при разрыве, %, не менее | 1000 |
<*> Если дисперсия является не товарным продуктом, а полупродуктом в процессе производства ЭБПДК, данный показатель не регламентируется.
В качестве полимерных модификаторов рекомендуются отечественные бутадиен-стирольные термоэластопласты типа СБС (блоксополимеры стирол-бутадиен-стирол), которые должны соответствовать требованиям нормативной документации производителей.
В качестве пластификаторов могут быть использованы традиционно применяемые индустриальные масла или другие отечественные продукты для производства ПБВ.
В качестве растворителей для модификаторов рекомендуются смеси отечественных органических растворителей (например, толуола по ГОСТ 14710-78, циклогексана, нефраса, метилэтилкетона).
В качестве эмульгаторов можно использовать отечественные КПАВ, применяемые для получения медленнораспадающихся битумных эмульсий. Отечественные КПАВ и адгезионные добавки должны соответствовать требованиям нормативной документации производителей.
А.4 Описание технологической схемы
А.4.1 Рецепт для получения дисперсии
Состав латексоподобной дисперсии приведен в таблице А.2.
Состав латексоподобной дисперсии
| Компоненты | Дозировка, мас. ч на 100 мас. ч дисперсной фазы |
|---|---|
| Дисперсная фаза (композиция модификаторов) | 100 |
| Смесь растворителей | 400 |
| HCl | До pH водной фазы 1,8 — 2,2 |
| КПАВ | До 5 |
| Вода | 300 — 400 |
А.4.2 Приготовление раствора модификаторов и водной фазы
Принципиальная технологическая схема производства катионной латексоподобной дисперсии приведена на рисунке А.1.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 — мерники соответственно для первого, второго возвратного растворителя, пластификатора, адгезионной добавки, эмульгатора, раствора кислоты, раствора модификаторов; 8, 9, 11 — аппараты соответственно для приготовления раствора модификаторов, водной фазы и эмульсии; 10, 13, 18 — фильтры соответственно для раствора модификаторов, эмульсии, готовой дисперсии; 12 — коллоидная мельница; 14, 15 — соответственно испаритель и конденсатор отгонного агрегата; 16 — сборник отогнанных растворителей и воды; 17 — накопитель для возвратного растворителя; 19 — емкость-накопитель для готовой дисперсии; ТЭП — термоэластопласты, ХЗК — химически-загрязненная канализация
Рисунок А.1 — Принципиальная технологическая схема производства катионной латексоподобной дисперсии
Приготовление раствора модификаторов осуществляется в аппарате 8 (см. рисунок А.1), куда засыпается расчетное количество ТЭП и дозируются первый растворитель (свежий из мерника 1 или возвратный из мерника 3) и второй растворитель (из мерника 2). Перемешивание происходит до полного растворения ТЭП; после чего дозируются расчетные количества пластификатора из мерника 4 и адгезионной добавки (при необходимости) из мерника 5.
Приготовление водной фазы для получения эмульсии производится периодически в аппарате 9, куда подается расчетное количество умягченной воды, туда же подается КПАВ из мерника 6 и 5%-ный раствор соляной кислоты из мерника 7 для доведения pH водной фазы до значений в интервале 1,8 — 2,2; затем производится перемешивание в течение 1 ч.
В аппарат 11 через фильтр 10 дозируется расчетное количество раствора модификаторов из аппарата 8 и водной фазы из аппарата 9.
Допускается раздельное введение КПАВ и кислоты (с предварительным растворением КПАВ в растворе модификатора, а кислоты — в водной фазе).
В аппарате 11 сначала готовится грубая эмульсия раствора модификаторов при перемешивании в течение 1 — 2 ч, затем тонкая эмульсия путем циркуляции через коллоидную мельницу 12.
А.4.4 Дегазация и концентрирование эмульсии
Полученная тонкая эмульсия подвергается дегазации и концентрированию. Через фильтр она подается в отгонный агрегат (предпочтительно роторно-пленочного типа) с системой испарения 14 и конденсации 15. Отгонку растворителей и воды рекомендуется вести под вакуумом при температуре на уровне 80 °C. Вакуум постоянно регулируется с целью исключения переброса пены в систему конденсации. Дегазация осуществляется при вакууме 0,05 — 0,06 МПа по шкале вакуумметра; концентрирование — при вакууме 0,07 — 0,08 МПа по шкале вакуумметра.
Отогнанный растворитель с парами воды конденсируется и собирается в сборнике 16 отгонного агрегата, где происходит расслоение воды и растворителя. Нижний слой воды сливается в химически загрязненную канализацию, а растворитель собирается в накопителе 17 и направляется (при необходимости) на регенерацию.
Готовая дисперсия через фильтр 18 накапливается в емкости-накопителе 19, анализируется на соответствие техническим требованиям и наливается в чистую тару. В случае использования дисперсии в качестве полупродукта для модификации битумных эмульсий сразу после ее приготовления и отсутствия необходимости дальнейшего хранения и транспортирования операция концентрирования не требуется.
А.5 Контроль процесса производства
Схема контроля процесса производства латексоподобной дисперсии приведена в таблице А.3.
Схема контроля качества при производстве латексоподобной дисперсии
| Место отбора пробы (см. рисунок А.1) | Объект контроля | Контролируемый показатель | Рекомендуемый метод контроля |
| 6 | КПАВ | Массовая доля сухого вещества | Гравиметрический |
| 7 | Соляная кислота | Концентрация | Титрование |
| 9 | Водная фаза | Массовая доля сухого вещества | Гравиметрический |
| 9 | Водная фаза | pH | Потенциометрический |
| 8 | Раствор модификаторов | Массовая доля нелетучих веществ | Гравиметрический |
| 17 | Возвратный растворитель | Соотношение растворителей | Хроматографический |
| 19 | Готовая дисперсия | Внешний вид | Визуальный |
| 19 | Готовая дисперсия | Массовая доля сухого вещества, %, не менее | Гравиметрический |
| 19 | Готовая дисперсия | Показатель концентрации водородных ионов pH | Потенциометрический |
| 19 | Готовая дисперсия | Условная вязкость, с, не более | Вискозиметрический (ВЗ-4) |
| 19 | Готовая дисперсия | Поверхностное натяжение, мН/м, не более | Тензиометрический |
| 19 | Готовая дисперсия | Массовая доля летучих органических соединений, %, не более | Хроматографический |
| 19 | Готовая дисперсия | Средний диаметр частиц, нм, не более | Фотонная корреляционная спектроскопия |
| 19 | Готовая дисперсия | Дзета-потенциал частиц, мВ, не менее | |
| 19 | Готовая дисперсия | Условная прочность пленки при растяжении, МПа, не менее | Динамометрический |
| 19 | Готовая дисперсия | Относительное удлинение пленки при разрыве, %, не менее | Динамометрический |
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СПОСОБА ОХЛАЖДЕНИЯ КАТИОННОЙ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНОЙ ЭМУЛЬСИИ
Выбор теплообменника для охлаждения ЭБПДК осуществляют, учитывая следующие данные:
- производительность эмульсионной установки;
- максимальную температуру эмульсии на выходе мельницы;
- минимальную рабочую температуру использования коллоидной эмульсии;
- необходимость охлаждения эмульсии до рабочей температуры или температуры ниже температуры кипения;
- необходимость регулирования рабочих режимов охладителя;
- доступность охлаждающей среды (воды), возможность регулирования производительности подающего воду насоса;
- необходимость повторного использования охлаждающей воды (использование охлаждающей воды в замкнутом цикле);
- необходимость использования нагревшейся охлаждающей воды в технологическом цикле производства эмульсии;
- время, за которое требуется произвести охлаждение (синхронное проточное охлаждение или охлаждение на воздухе в закрытой емкости);
- наличие достаточных энергетических и водных ресурсов;
- себестоимость охлаждения эмульсии.
Количество критериев выбора может быть увеличено.
Б.2 Воздушное охлаждение эмульсии в закрытой емкости
Преимущество воздушного охлаждения эмульсии в закрытой емкости заключается в низкой себестоимости охлаждения.
- большая длительность охлаждения (до нескольких суток);
- нестабильность процесса охлаждения и его зависимость от температуры окружающего воздуха;
- нестабильность работы коллоидной мельницы из-за переменного давления на ее выходе, вызываемого периодическим срабатыванием предохранительного клапана на емкости;
- опасность превышения давления в емкости при неисправности предохранительного клапана.
Б.3 Охлаждение эмульсии проточными теплообменниками
Различают проточные трубчатые и пластинчатые теплообменники. Их преимущества перед воздушным охлаждением эмульсии в закрытой емкости следующие:
- охлаждение производится в процессе производства эмульсии и не требует дополнительного времени;
- возможность регулирования уровня охлаждения;
- возможность использования охлаждающей воды в технологическом процессе производства эмульсии.
К недостаткам проточных охладителей следует отнести:
- значительную стоимость (особенно пластинчатых);
- необходимость в дополнительном месте размещения (особенно трубчатых);
- необходимость дополнительных затрат энергии и ресурсов (воды);
- необходимость регулярной очистки.
Для определения требуемых характеристик трубчатого теплообменника можно воспользоваться следующей методикой.
Б.4 Оценка теплоемкости эмульсии
Теплоемкости составляющих катионной битумно-полимерной эмульсии имеют величины:
Cм — теплоемкость водного раствора эмульгатора (Cм ~= 1,0 ккал/кг·град = 4,2 кДж/кг·град);
Cб — теплоемкость битума (Cб ~= 0,5 ккал/кг·град = 2,1 кДж/кг·град);
Cп — теплоемкость СБС-полимера (Cп ~= 0,43 ккал/кг·град = 1,8 кДж/кг·град).
Допустим, состав катионной битумно-полимерной эмульсии следующий, %:
%м — водный раствор эмульгатора;
Тогда средняя теплоемкость эмульсии Cэ, ккал/кг·град, Дж/кг·град, равна
\text{С}_{\text{э}} = \frac{\text{С}_{\text{м}}\%_{\text{м}} + \text{С}_{\text{б}}\%_{\text{б}} + \text{С}_{\text{п}}\%_{\text{п}}}{\%_{\text{м}} + \%_{\text{б}} + \%_{\text{б}}} = \frac{\text{С}_{\text{м}}\%_{\text{м}} + \text{С}_{\text{б}}\%_{\text{б}} + \text{С}_{\text{п}}\%_{\text{п}}}{100} . (Б.1)
Пример. Если принять содержание полимера 5%, битума — 60% и водного раствора эмульгатора — 35%, то получим
\text{С}_{\text{э}} = \frac{1 \times 35 + 0,5 \times 60 + 0,43 \times 5}{100} = 0,67\text{ккал}/\text{кг} \cdot \text{град } = 2,8\text{кДж}/\text{кг} \cdot \text{град}.
Б.5 Определение расхода воды на охлаждение эмульсии
Пусть производительность завода Mэ, т/ч. Тогда расход эмульсии в секунду mэ, т/с, составит
m_{\text{э}} = \frac{\text{М}_{\text{э}}}{3600} . (Б.2)
Пусть температура эмульсии на выходе мельницы равна T0э, град, а необходимая температура на выходе теплообменника Tвэ, град
Тогда теплообменник должен обеспечить снижение температуры потока на \Delta T_{\text{э}}
\Delta T_{\text{э}} = T_{0\text{э}} - T_{\text{вэ}}. (Б.3)
В этом случае мощность теплоотвода теплообменника должна быть
Q = \frac{1}{\eta} m_{\text{э}}C_{\text{э}}\Delta T_{\text{э}}, (Б.4)
где \eta — КПД теплообменника, доля единицы.
Таким образом, через стенку теплообменника должен проходить тепловой поток Q, Вт,
Q_{\text{э}} = \frac{2\lambda\pi l(t_{1} - t_{2})}{ln \frac{r_{2}}{r_{1}}} , (Б.5)
откуда длина трубки теплообменника будет равна
l = \frac{Qln \frac{r_{2}}{r_{1}}}{2\lambda\pi(t_{1} - t_{2})} , (Б.6)
r1, r2 - радиус трубки соответственно внешний и внутренний, м;
\lambda — коэффициент теплопроводности, Вт/м·град;
t1, t2 — температура соответственно на внутренней поверхности трубки (если горячая жидкость внутри) и на внешней поверхности трубки (если холодная жидкость снаружи), °C.
Приняв, что теплообменник работает в режиме противотока, разность температур (t1 — t2) постоянна по длине трубки и равна \Delta\text{Т}_{\text{то}} , и выбрав размеры трубки из имеющегося сортамента, можно при определенном выше тепловом потоке определить длину трубки теплообменника
l = \frac{Qln \frac{r_{2}}{r_{1}}}{2\lambda\pi\Delta\text{Т}_{\text{то}}} . (Б.7)
Обычно эта длина получается достаточно большой, поэтому вместо единой трубки используется пакет трубок равной длины, суммарная длина которых равна l. При этом суммарная площадь проходного сечения трубок должна быть равна площади сечения выходного трубопровода коллоидной мельницы.
Пакет трубок заключается в цилиндрическую обойму, в которой трубки, расположенные на равном расстоянии, омываются потоком охлаждающей воды.
Площадь сечения обоймы за вычетом площади сечений трубок должна быть достаточной для ламинарного протекания охлаждающей воды.
Обычно, если Sтn — суммарная площадь проходного сечения пакета трубок, где Sт — площадь проходного сечения одной трубки, м; n — количество трубок. Тогда площадь свободного сечения обоймы должна быть не менее 2Sтn.
Определим расход воды для охлаждения трубок, заключенных в обойму,
Q_{\text{в}} = \text{с}_{\text{в}}m_{\text{в}}\Delta t_{\text{в}}, (Б.8)
где Qв — количество тепла, отбираемое теплообменником за секунду, Дж/с;
cв — теплоемкость воды, Дж/кг·град;
mв — расход воды за секунду, кг/с;
\Delta t_{\text{в}} — увеличение температуры воды в процессе теплообмена, °C.
Очевидно, что Qв = Q, откуда необходимый поток воды mв равен
m_{\text{в}} = \frac{Q}{\text{с}_{\text{в}}\Delta t_{\text{в}}} , (Б.9)
а расход воды за час (кг/ч, л/ч), составит
m_{\text{вч}} = \frac{3600Q}{\text{с}_{\text{в}}\Delta t_{\text{в}}} . (Б.10)
m_{\text{вч}} = \frac{3600m_{\text{э}}C_{\text{э}}\Delta T_{\text{э}}}{\eta\text{с}_{\text{в}}\Delta t_{\text{в}}} . (Б.11)
СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КАТИОННЫХ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНЫХ ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
а — установка периодического действия, б — то же, непрерывного действия; 1 — дозатор для ПВА; 2 — разжижитель; 3 — теплообменник; 4 — эмульгатор; 5 — вода; 6 — кислота; 7 — стабилизатор; 8 — дозатор для раствора эмульгатора; 9 — дозировочные насосы; 10 — коллоидная мельница; 11 — нагреватель
Рисунок В.1 — Принципиальные схемы установок для производства катионных битумно-полимерных эмульсий на основе полимерно-битумных вяжущих
СХЕМА ОПЕРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТИОННОЙ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНОЙ ЭМУЛЬСИИ
Схема операционного контроля процесса приготовления катионной битумно-полимерной эмульсии
| Наименование стадий процесса | Контролируемый параметр | Частота и способ контроля | Нормы и технические показатели | Методы испытания и средства контроля | Кто контролирует |
| Все сырье, поступающее на участок | Согласно ГОСТ, СТО, ТУ | Каждая новая партия | Показатели согласно разделу 5 | По НТД на сырье | Лаборант |
| Оборудование, приборы контроля перед началом работы | Чистота и исправность оборудования | Перед началом технологического процесса | Оборудование и приборы должны быть исправными, поверенными или калиброванными | Визуально | Оператор |
| Приготовление водного раствора эмульгатора | Объем водного раствора | В процессе приготовления | Согласно показаниям дозаторов | Визуально | Оператор |
| Температура водного раствора эмульгатора | 35 °C — 60 °C в зависимости от температуры вяжущего | Термодатчик | |||
| Водородный показатель | После циркуляции | 1,9 — 2,6 для ЭБПДК Б, С 1,8 — 2,4 для ЭБПДК М | pH-метр | Лаборант Оператор | |
| Получение битумной эмульсии | Температура: вяжущего битумной эмульсии на выходе | В процессе диспергирования | По данным о вязкости | Термодатчик | Оператор |
| 87 °C — 93 °C | |||||
| Содержание битума в эмульсии | В соответствии с выпускаемым составом | Визуально по дозатору, ГОСТ Р 58952.1-2020 | Оператор Лаборант | ||
| Битумная эмульсия из емкости для хранения | Показатели по ГОСТ Р 58952.1-2020 | Каждая новая партия | В соответствии с ГОСТ Р 58952.1-2020, разделом 5 | В соответствии с ГОСТ Р 58952.1-2020 | Лаборант |
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО ИЗ КАТИОННЫХ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Метод предназначен для получения остаточного вяжущего — материала, остающегося после выпаривания ЭБПДК. Полученное данным методом остаточное вяжущее используют для определения его свойств с целью выявления соответствия требованиям ГОСТ Р 58952.1-2020. При разработке данного метода использовались основные положения ГОСТ Р 58952.3-2020.
Д.2 Требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам и материалам
При выполнении испытаний применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства и реактивы:
- весы с точностью измерений до +/- 0,1 г;
- шпатель, лопатку или другое приспособление, подходящее для распределения образца битумной эмульсии по поверхности;
- термометр ртутный с ценой деления 0,5 °C и диапазоном измеряемых температур от 0 °C до 100 °C или аналогичный прибор, позволяющий производить измерения в указанном диапазоне температур, с требуемой точностью;
- вентилируемый сушильный шкаф, поддерживающий температуру (60 +/- 2) °C;
- плоские пластины с известной площадью поверхности, оборудованные бортиками высотой не более 35 мм, минимальной длиной стороны 250 мм и площадью не менее 0,04 м2. Внутреннее основание пластины не должно иметь деформаций глубиной более 1 мм. Число пластин должно соответствовать достаточному количеству вяжущих для последующих испытаний.
Пластины должны быть выполнены из материала, не допускающего прилипания образца, например силикона, либо обработаны не допускающим прилипания материалом, например антиадгезионной бумагой, тканью или глицерином. При использовании бумаги или ткани, не допускающей прилипания образца, избегают образования любых складок, в частности, придавая бумаге точные размеры пластины. Разрешается использование аналогичных емкостей, удовлетворяющих описанным требованиям.
Тонкий слой ЭБПДК распределяют по заранее подготовленной пластине толщиной не более 2 мм и выдерживают в лаборатории в течение (24 +/- 1) ч при температуре (23 +/- 3) °C, затем переносят в вентилируемый сушильный шкаф и выдерживают непрерывно в течение (24 +/- 1) ч при температуре (60 +/- 3) °C с целью полного извлечения воды из образца для проведения испытаний физико-механических характеристик выделенного вяжущего.
Д.4 Требования к условиям выполнения работ
При выполнении измерений соблюдают следующие условия для помещений, в которых испытываются образцы:
Перед испытаниями осуществляют подготовку образцов, для чего вычисляют площадь поверхности пластины А, см2.
Содержание вяжущего необходимо определять по ГОСТ Р 58952.1-2020.
Требуемую массу эмульсии М, г, вычисляют с точностью до 1 г по нижеприведенным формулам.
Для определения характеристик остаточного вяжущего, выделенного из катионной битумно-полимерной эмульсии, необходимо подготовить его в количестве не менее 300 г. Требуемую минимальную массу катионной битумно-полимерной эмульсии, используемую для выпаривания, определяют по формуле
\text{М } = \frac{30000}{\text{О}.\text{В}.} , (Д.1)
где М — требуемая минимальная масса битумной эмульсии, используемая для выпаривания, г;
О.В. — содержание вяжущего, %.
Массу эмульсии, используемой для заливки одной пластины, Мэ, г, вычисляют по формуле
В случае необходимости обрабатывают пластину материалом для предотвращения налипания вяжущего. Подготовленную пластину взвешивают, определяя ее массу Мп, г, с точностью 0,01 г. Помещают пластину на весы и наливают требуемое количество эмульсии, рассчитанное по формулам (Д.1) или (Д.2), определяя Мэ с точностью до 0,01 г.
Используя шпатель или лопатку, равномерно распределяют эмульсию по пластине.
Д.5.2 Подготовка и настройка оборудования
Перед испытаниями производят подготовку и настройку оборудования. Включают и выставляют горизонтально весы согласно инструкции по эксплуатации. Включают и задают температуру (60 +/- 3) °C в сушильном шкафу в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
Пластину со слоем эмульсии помещают на плоскую, ровную, горизонтальную поверхность. Выдерживают пластину в течение не менее 24 ч при температуре (23 +/- 3) °C. При этом не допускается оставлять пластину в пыльном помещении.
Затем пластину помещают в заранее нагретый сушильный шкаф и оставляют на (24 +/- 1) ч при температуре (60 +/- 2) °C. Если используется несколько пластин, их располагают таким образом, чтобы не создавать препятствий потокам воздуха внутри сушильного шкафа.
По истечении установленного времени образец вынимают из сушильного шкафа, охлаждают и определяют массу вяжущего и пластины Мв+п, г, с точностью до 0,01 г.
\text{О}.\text{В}. = \frac{\text{М}_{\text{в} + \text{п}} - \text{М}_{\text{п}}}{\text{М}_{\text{э}}} 100. (Д.3)
Определяют количество остаточного вяжущего с точностью до 0,1%. Результат сравнивают с количеством, определенным по ГОСТ Р 58952.5-2020.
В случае расхождения результатов более чем на 0,5% выпаривание необходимо продолжить до получения требуемых результатов.
Д.7 Использование и хранение выделенных вяжущих
Выделенные вяжущие из одного и того же образца собирают со всех пластин в один контейнер. После завершения процедуры выпаривания необходимо заполнить формы для проведения дальнейших испытаний (глубину проникания иглы, температуру размягчения и т.д.), для чего выделенное вяжущее нагревают за минимальное время до температуры, на (70 +/- 10) °C превышающей ожидаемую температуру размягчения.
В случае проведения испытаний в последующие дни выделенные вяжущие допускается хранить в закрытом контейнере при температуре не более 28 °C в течение не более 28 сут. Для хранения выделенное вяжущее с пластины собирают в закрывающийся контейнер с помощью соответствующего инструмента без дополнительного нагрева образца. Для облегчения сбора вяжущего возможно охлаждение пластины в холодильной или морозильной камере.
| [1] | ТУ 38.401-58-10-90 | Керосины осветительные |
|---|---|---|
| [2] | Распоряжение Министерства транспорта Российской Федерации от 15.09.2003 № ОС-805 «О введении в действие „Методических рекомендаций по приготовлению и применению катионных битумных эмульсий“» | |
| [3] | СанПиН 1.2.3685-21 | Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания |
| ОКС 93.080.20 |
|---|
| Ключевые слова: полимерно-битумное вяжущее, латекс, катионные битумно-полимерные эмульсии, технологии приготовления, хранение, транспортирование, контроль качества |
Руководитель организации-разработчика ООО «Автодорис» Директор Н. И. Паневин