РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛО И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ БИТУМА С РАЗЛИЧНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты экспериментального определения характеристик тепло и массопереноса в процессе перемешивания битума с различными полимерными модификаторами, такими как стирол-бутадиен-стирольный каучук (СБС) и порошок из изношенных автомобильных шин. Кроме того, изложены ключевые технологические параметры процесса перемешивания, включая анализ зависимости температуры битума от времени в различных зонах специализированного аппарата, предназначенного для гомогенизации битумных композиций. Особое внимание уделено изучению динамики изменения вязкости модифицированного битума при фиксированной температуре 190 °C и скорости вращения мешалки 300 об/мин в зависимости от продолжительности процесса, что позволяет оценить эффективность модификации и оптимизировать промышленные условия производства. Полученные данные подтверждают влияние модификаторов на реологические свойства битума, способствуя повышению его эксплуатационных характеристик в дорожном строительстве.

ABSTRACT

The article presents the results of experimental determination of heat and mass transfer characteristics in the process of mixing bitumen with various polymeric modifiers, such as styrene-butadiene-styrene rubber (SBS) and powder from worn-out automobile tires. In addition, the key technological parameters of the mixing process are outlined, including an analysis of the dependence of bitumen temperature on time in various zones of a specialized apparatus designed for homogenizing bitumen compositions. Special attention is given to the study of the dynamics of viscosity changes in the modified bitumen at a fixed temperature of 190 °C and a stirrer rotation speed of 300 rpm, depending on the duration of the process, which allows for evaluating the effectiveness of modification and optimizing industrial production conditions. The obtained data confirm the influence of modifiers on the rheological properties of bitumen, contributing to the improvement of its operational characteristics in road construction.

Ключевые слова: плотность, вязкость, теплообмен, массообмен, битум, модификатор, стирол-бутадиен-стирол, порошок изношенных шин.

Keywords: density, viscosity, heat transfer, mass transfer, bitumen, modifier, styrene-butadiene-styrene, powder from worn-out tires.

Введение. Процессы тепло- и массообмена при перемешивании битума с модифицирующими добавками имеют решающее значение для получения однородного, стабильного и долговечного вяжущего материала. Битум относится к высоковязким дисперсным системам, для которых характерно сложное распределение температуры и скорости в объёме при перемешивании. Неравномерность температурного поля и ограниченная диффузия компонентов могут приводить к образованию локальных перегретых зон, снижению однородности смеси и ухудшению эксплуатационных свойств готового материала [1].

Процессы модификации битума представляют собой сложные физико-химические взаимодействия, протекающие в условиях высоких температур, значительных градиентов вязкости и интенсивного механического воздействия. Введение полимерных (СБС, ЭВА, ПЭТ, резиновых порошков), минеральных, поверхностно-активных и нанодобавок направлено на получение связующих с улучшенными реологическими, структурно-механическими и эксплуатационными свойствами. Однако эффективность модифицирования в существенной степени определяется тем, насколько полно и равномерно осуществляется массо- и теплораспределение в системе [2].

Теплообмен оказывает критическое влияние на вязкость битума и кинетику набухания или растворения модифицирующих компонентов. Любое отклонение температурного поля приводит к локальным зонам перегрева или недогрева, что вызывает: неполное диспергирование полимеров, образование агломератов, ухудшение совместимости фаз, снижение стабильности модифицированного битума при хранении. Таким образом, точное определение и регулирование теплообмена является ключевым условием получения однородного связующего со стабильными характеристиками [3].

Во-вторых, массообмен в системе «битум-модификатор» определяет скорость перехода компонентов из одной фазы в другую, степень их взаимодействия и равномерность распределения в объёме. Важными факторами здесь являются: диффузия полимерных цепей в битум, скорость набухания каучуковой фазы, гомогенизация минеральных и нанокомпонентов, предотвращение седиментации или расслоения [4].

Без корректного анализа массообмена невозможно обеспечить требуемую микроструктуру модифицированного битума, которая отвечает за эластичность, термоустойчивость и долговечность дорожного покрытия. Кроме того, определение закономерностей массо- и теплообмена позволяет: оптимизировать конструкцию и режимы работы смесительных реакторов, снизить энергетические затраты за счёт рационального прогрева и перемешивания, контролировать качество продукта в реальном времени, расширять применение новых типов модификаторов, требующих специфических условий диспергирования [5].

На фоне роста требований к долговечности дорожных покрытий и увеличения доли полимер-битумных композиций исследование процессов массо- и теплообмена становится особенно актуальным. Оно обеспечивает научную основу для разработки энергоэффективных технологий модифицирования битума и повышения эксплуатационных свойств асфальтобетонов [6-7].

Методы и материалы. При добавлении порошка изношенных шин введение твёрдых частиц увеличивает эффективную вязкость. Полимерная модификация повышает вязкость.

                                                               (1)

Подводимая механическая мощность мешалки формула

                                                        (2)

Удельная мощность P/V. Оценочное время перемешивания по использованной эмпирической корреляции (для пассивного трассера):

                                         (3)

это число-математический результат корреляции для случаев с очень высокой удельной мощностью и пассивным трассером; оно не отражает реальной кинетики разрушения агломератов, набухания SBS и времени достижения структурной однородности в сильно вязких неньютоновских системах. Для нашего случая (высокая μ, полимеры, твёрдые частицы) реальное «практическое» время гомогенизации будет значительно больше.

Малые Re (~5–27) показывают, что несмотря на высокую подводимую мощность поток остаётся в вязком/ламинарном режиме из-за огромной вязкости битума. Это означает: массообмен контролируется разрушением агломератов и механической дисперсией, не классической турбулентной диффузией.

Эмпирическое  = 4 s - математический результат корреляции, но он вводит в заблуждение для нашего случая (не отражает набухания СБС и разрушения крупных частиц). Практическое время для: ТАР - при принятых допущениях (μ↓) значительная гомогенизация вероятна за 30 минут.

Порошок шин - если частицы крупнее и/или агломерированы -требуется импульсный режим + предварительное измельчение, реальное время на качественную дисперсию - ≥30-120 минут в зависимости от размера частиц и мощности. СБС - набухание/полное структурное формирование часто требует 60-100 минут при 190°C и адекватном сдвиге; вязкость может расти в ходе процесса.

Результаты и обсуждения. Интенсивность процесса перемешивания битума с различными модификаторами зависит от нескольких факторов, например, как диаметр и тип мешалки, динамические вязкости обычных и модифицированных битумов и т.д.

Таблица 1.

Основные параметры процесса перемешивания битума с различными модификаторами

Из таблицы видно, что при перемешивании битума в количестве 10 л с различными модификаторами в лопастной мешалке имеющий диаметр 0,9 м, при частоте вращения 300 об/мин обычный битум  имеет плотность 850 кг/м³ и вязкость 380 мПа·с. Модифицированные битумы с Tar продуктом при температуре 190˚С имеет динамическую вязкость 345 мПа·с, а модифицированный битум с помощью порошка изношенных шин имеет динамическую вязкость 386 мПа·с. Динамическую вязкость 386 мПа·с имеет битум модифицированный с СБС при температуре 190˚С.

Рисунок 1. Зависимость температуры битума от времени при перемешивании в различных зонах аппарата

На рис.1 представлена зависимость температуры битума от времени при перемешивании в различных зонах аппарата: в центре (Center), у стенки (Wall) и вблизи мешалки (Near impeller). Из анализа графика видно, что температурное поле внутри объёма битума является неравномерным и изменяется во времени. В начальный момент наблюдается наибольшая температура у стенки сосуда (около 190,6°C), что объясняется непосредственным контактом слоя битума с нагретой поверхностью. Температура в центре и вблизи мешалки в этот момент несколько ниже (около 190°C). В процессе перемешивания происходит перераспределение тепла по объёму, что приводит к выравниванию температурных значений. После 20-40 мин перемешивания температура в центре повышается до максимальных значений (около 190,7°C), тогда как у стенки и вблизи мешалки наблюдается снижение температуры до 189,6-189,8°C.

Рисунок 2. Результаты изменения вязкости при температуре 190˚С и 300 об/мин в зависимости от продолжительности процесса

На рис.2 представлена зависимость изменения вязкости битума во времени при температуре 190°C и частоте перемешивания 300 об/мин в течение 95 мин при введении различных модифицирующих добавок: ТАР-продукта, порошка изношенных шин и СБС (стирол-бутадиен-стирола). Исходная вязкость битума при заданных условиях составляла около 0,30 Па·с. В процессе перемешивания наблюдается различная динамика изменения реологических свойств, обусловленная физико-химической природой модификаторов и их взаимодействием с дисперсионной средой. Для чистого битума характерно незначительное снижение вязкости, связанное с термической стабилизацией структуры и частичной деструкцией асфальтеновых агрегатов при нагревании до 190°C. При добавлении ТАР-продукта наблюдается постепенное уменьшение вязкости до ~0,15 Па·с, что объясняется пластифицирующим действием термоактивированных компонентов, способствующих дезагрегации коллоидной структуры и повышению подвижности молекулярных фракций. В системе битум – порошок изношенных шин в начальный период (до 20 мин) отмечается резкое возрастание вязкости до ~0,6 Па·с, обусловленное набуханием частиц резины и сорбцией низкомолекулярных компонентов битума. По мере увеличения времени перемешивания вязкость снижается до ~0,45 Па·с вследствие равномерного распределения дисперсных частиц и частичного разрушения агрегатов. В композиции битум – СБС отмечается монотонный рост вязкости до ~1,2 Па·с, что связано с диффузией битумных фракций в полимерную фазу, набуханием макромолекул и формированием пространственной структурной сетки, обеспечивающей эластовязкое состояние системы. Таким образом, по мере увеличения времени перемешивания наблюдается стабилизация реологических характеристик битумных композиций. Наиболее выраженные структурные преобразования происходят при модификации СБС, что свидетельствует о высокой эффективности данного полимера в качестве структурообразующего компонента, обеспечивающего повышение термостабильности и деформационной устойчивости битума.

Список литературы:

1. Akimov A.E., Yadykina V.V., Lebedev M.S., Denisov V.P., Inozemtcev S.S., Inozemtcev A.S., Korshunov A.V., Pilipenko A.S. Development of an Energy-Efficient Method of Obtaining Polymer-Modified Bitumen with High Operational Characteristics via Polymer–Bitumen Concentrate Application. J. Compos. Sci. 2024, 8, 337. https://doi.org/10.3390/jcs8090337
2. Uday S.P., Prathamesh A.G., Atharva S.G., Pratham R.P., Rutik S.A. Use of Plastic in Bitumen Road Construction. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology (IJIRSET) e-ISSN: 2319-8753, p-ISSN: 2320-6710| Volume 12, Issue 6, June 2023 DOI:10.15680/IJIRSET.2023.1206070
3. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А., Юсупов А.И. Дорожный битумный композиционный материал/Вестник КНИТУ. - №12. – Казань. Изд-во КНИТУ. 2012. – C. 205-208.
4. Ишмухамедова H.K., Дюсенгалиев К.И. Окисление гудрона в присутствии высокосмолистой нефти // Химия и технология топлив и масел. 1990.-№ 8. – C. 14-15.
5. Надыршин Р.Г., Ахметова А.Н. Особенности производства дорожных битумов на Кичуйском НПЗ. // Труды Российской научно-практической конференции "Проблемы производства битумов и применения дорожных битумов" - Казань, 2001. – C. 26-29.
6. А.М. Хурмаматов, C.Б. Бердимбетов, Н.Т. Сарсенбаев. Определение состава для интенсивной переработки нефтяных шламов // Вестник КГУ им. Бердаха. № 1 (68) 2025. C. 19-24.
7. A.M. Xurmamatov, N.K. Yusupova, Z.M.Xametov. Technology for producing modified construction bitumen from oil sludge // Science and Education in Karakalpakstan. 2025 №1/1 ISSN 2181-9203. 167-175p.