Investigation of technological parameters of bitumen batching system in the asphalt mixing plant

Abstract

Bitumen Batching System (BBS) of Asphalt Mixing Plant (AMP) is transport technological equipment for intaking, storing, heating, transporting and batching (weighing and measuring) of a set mass (capacity) bitumen binder batches when producing hot mix asphalt (HMA) mixture. BBS consisting of containers, heating equipment, pumps, pipeline and a batcher is considered a complicated pipeline transport, which should not only transport liquid bitumen binder from one place to another, but batch it accurately and protect from possible damage. The subject of the dissertation belongs to transport engineering field as asphalt mixtures are used exclusively in transport infrastructure construction and its improvement for constructing roads, urban streets, parking lots, airport pavement, railway track underballast layer. The first significant BBS technological parameter is percent deviation of discharged bitumen batches from the value set in the project, i.e. job-mix formula (JMF). Due to too small bitumen content not all mineral aggregate particles are coated with the film of required thickness and the mixture segregates (flakes) more, is dry and poorly compacted. When bitumen content in asphalt mixture is too high, weaker HMA mixture is produced due to high volumetric bitumen film thickness. The rational use of bitumen is important because bitumen is the most expensive component in HMA mixture. The second technological parameter is bitumen temperature, which influences the physical, chemical, rheological and mechanical properties of the produced asphalt mixture. Bitumen may be rigid and friable at low temperature, liquid and fluid at high temperature and semi-rigid or rigid at medium temperature. Bitumen dynamic modulus due to temperature fluctuations from –30 to 50 C change even 37,000 times (Jenks et al. 2011)! When asphalt mixture is produced of too cool and, therefore, too viscous (consistent) bitumen, it hardly turns into a thin film, which should coat all mineral particles with solid layers of appropriate thickness and make a strong compacted structure of the mixture. When too hot or overheated mineral aggregates are used, bitumen may burn: it degrades che-mically, volatilizes, its colloidal composition changes and rheological properties deteriorate. Oxidation is the factor influencing most on bitumen short-term ageing, which is extremely harmful at low temperature; when bitumen contact area with oxygen is huge, this interaction lasts for a long time. During the whole process of HMA production, when bitumen and oxygen reactions may occur, irreversible bitumen characteristics change, which worsens its penetration, softening point and friability temperature.

Asfalto maišytuvo (ASMA) bitumo dozavimo sistema (BDS) yra transporto technologinis įrenginys, skirtas priimti, laikyti, kaitinti, transportuoti ir dozuoti (sverti, matuoti) nustatytos masės (tūrio) bituminio rišiklio porcijas gaminant karštojo maišymo asfalto (KMA) mišinį. BDS, susidedanti iš talpyklų, šildymo įrenginių, siurblių, vamzdyno, dozatoriaus, yra priskiriama sudėtingam vamzdynų transportui, privalančiam ne tik perkelti skystą bituminį rišiklį iš vienos vietos į kitą, bet ir jį tiksliai dozuoti bei apsaugoti nuo galimo sugadinimo. Disertacijos tema priskiriama transporto inžinerijos krypčiai ir dėl to, kad asfalto mišiniai išskirtinai naudojami tik transporto infrastruktūros statybai ir jai gerinti: kelių, miestų gatvių, automobilių stovėjimo aikštelių, oro uostų dangai, geležinkelių pobalastiniam sluoksniui tiesti. Pirmasis svarbus BDS technologinis parametras yra išpilamo bitumo dozių masės procentinis nuokrypis nuo projekte nustatytos vertės – darbinės mišinio formulės (DMF). Dėl per mažo bitumo kiekio ne visi mineralinių medžiagų grūdeliai būna padengti ištisinėmis reikiamo storio plėvelėmis, mišinys labiau segreguoja (sluoksniuojasi), būna „sausas“, blogai sutankinamas. Esant per dideliam bitumo kiekiui asfalto mišinyje, dėl didelio tūrinio bitumo plėvelių storio pagaminamas silpnesnius struktūrinius ryšius turintis KMA mišinys. Racionalus bituminio rišiklio naudojimas yra svarbus ir todėl, kad bitumas yra brangiausias KMA mišinio komponentas. Antrasis technologinis parametras – bitumo temperatūra, nuo kurios pri-klauso jo fizinės, cheminės, reologinės ir gaminamo asfalto mišinio mechaninės savybės. Bitumas būna standus ir trapus žemoje temperatūroje, skystas bei takus aukštoje temperatūroje ir pusiau kietas arba kietas vidutinėje temperatūroje. Bitumo dinaminis modulis dėl temperatūros pokyčio nuo –30 iki 50 C pasikeičia net 37 000 kartų (Jenks et al. 2011)! Gaminant asfalto mišinį su per šaltu, o dėl to didelės klampos (konsistencijos) bitumu, jis sunkiai virsta plonomis plėvelėmis, privalančiomis ištisiniais tam tikro storio sluoksniais padengti visus minera-linius grūdelius ir sudaryti stiprią sutankinto mišinio struktūrą. Kai naudojamas per karštas bitumas arba perkaitintos mineralinės medžiagos, tai bitumas gali „sudegti“: jis chemiškai degraduoja, garuoja lakiosios frakcijos, pakinta koloidinė sudėtis, pablogėja reologinės savybės. Oksidacija – tai didžiausią įtaką bitumo trumpalaikiam senėjimui turintis veiksnys, kuris yra ypač žalingas aukštoje temperatūroje. Kai bitumo sąlyčio plotas su deguonimi yra didelis, sąveika trunka ilgai. Visose KMA gamybos technologinės grandinės grandyse, kur yra bitumo ir deguonies reakcijų galimybė, vyksta negrįžtamieji bitumo savybių pokyčiai, kurie blogina jo penetraciją, minkštėjimo ir trapumo temperatūrą.