Автоматизация процесса приготовления асфальтовой смеси. Активизация цементного теста

В докладе хотелось бы заострить внимание, на двух направлениях работ, проводимых в НИИ ЭТОСС, которые представляют интерес для автодорожной отрасли. Одно из направлений работ связано с автоматизацией асфальтобетонных заводов. Другое направление работ связано с разработкой новой технологии изготовления бетонной смеси.
Протяженность дорог в России по состоянию на 1 января 2005 года составляла около 600 тыс. км. Ежегодно вводятся все новые дороги. Требования к качеству дорог все возрастает.
Однако, как показывает анализ объективных данных и обычный житейский опыт, качество покрытия автомобильных дорог оставляет желать лучшего.
Одним из основных элементом дороги, определяющим ее качество, является асфальтовое покрытие, на которое оказывает влияние качество асфальтовой смеси. Качество асфальтобетонной смеси, в свою очередь, определяется техническим состоянием асфальтосмесительных установок.
Основным парком в нашей области и в стране в целом являются ранее выпускаемые асфальтосмесительные установки (асфальтобетонные заводы), имеющие примитивные системы локальной автоматики - Д 508, ДС 117, ДС 158. Кроме всего прочего эти установки имеют большой срок службы и поэтому технически и морально устарели, и на них невозможно приготовлять высококачественную асфальтовую смесь.
Высокая стоимость новых асфальтобетонных заводов и возросшие требования к качеству и ассортименту асфальта поставили вопрос о проведении комплексной реконструкции существующих установок.
Первое направление работ, проводимых в НИИ ЭТОСС, связано с реконструкцией асфальтосмесительных установок.
Основной целью проведения реконструкции является перевод асфальтосмесительных установок в автоматический режим работы, при котором за оператором остаются только функции наблюдения за протеканием производственного процесса, что позволяет свести к минимуму участие в нем людей, исключая за счет этого, из технологического процесса субъективный человеческий фактор.
Учитывая степень износа завода, финансовые возможности заказчиков наше предприятие предлагает провести разную степень автоматизации.
Для асфальтобетонных заводов (АБЗ) имеющих высокую степень износа (обычно это АБЗ серии Д-508) автоматизации подлежит только весовое дозирование и перемешивание компонентов асфальтовой смеси. При этом весовые головки с системой рычагов заменяются на тензометрические датчики веса, и после небольших переделок объемный дозатор битума переводится в весовой. Устанавливаются бесконтактные датчики положения шиберов.
На панели блока управления в кабине оператора в процессе работы вводится рецептура, время перемешивания асфальта и количество требуемых замесов в транспортное средство. Блок управления после нажатия кнопки ПУСК в автоматическом режиме осуществит дозирование всех фракций, выгрузку их в смеситель, перемешивание, одновременно дозирование следующих фракций и т.д. до изготовления заданного количества замесов.
Основным достоинствами данной автоматики является невысокая цена и высокая точность дозирования.
К недостаткам этой автоматики можно отнести следующее: автоматизации подлежит только незначительная, хотя и важная часть АБЗ. Остальные узлы и параметры, определяющие качество асфальта — предварительное дозирование, горелка, система нагрева битума, температура горячего материала, битума, отходящих газов, асфальта и т. д. не автоматизированы и не контролируются.
Отсутствует архивация по каждому замесу и статистическая обработка архивной информации.
Данная система внедрена за 2007 и 2008 годы на 17 АБЗ Томской области, Алтайского края, Кемеровской области.
Для комплексной автоматизации большинства технологических операций, оказывающих наибольшее влияние на качество готовой продукции, осуществления полной архивации НИИ ЭТОСС предлагает автоматизированную систему управления асфальтобетонными заводами АБЗ-08
Данная система управляет всеми исполнительными механизмами завода:

• осуществляет управление питателями предварительного дозирования;
• управляет горелкой сушильного барабана для автоматического поддержания температуры горячего материала;
• осуществляет тензометрическое весовое дозирование каменных материалов, минерального порошка и битума;
• управляет работой смесителя, СКИП;
• управляет процессом разогрева и поддержания температуры битума и топлива в накопительных и расходных емкостях.

В процессе управления система осуществляет автоматическое измерение всех основных температур (каменного материала, отходящих газов, битума, топлива, греющего масла, битума в накопительных емкостях, готового асфальта).
Все измеренные параметры и состояние завода через каждые 5 секунд записываются в архив. В архив также записывается фактическая рецептура каждого изготовленного замеса.
В системе имеется возможность передачи архивной и текущей информации на расстояния посредством сетевых технологий.
В системе предусмотрены функции наблюдения за ходом технологического процесса и за работоспособностью всех исполнительных механизмов. При любой неисправности на АБЗ система оповещает оператора звуковым сигналом, а на мнемосхеме АБЗ, изображенной на экране компьютера, высвечивается элемент или исполнительный механизм АБЗ, на котором обнаружена неисправность.
Система управления работает на 23 АБЗ Томской области, Алтайского края, Кемеровской области, Новосибирска, Красноярского края, Республики Хакасия, Республики Марий Эл, Сочи, Абхазии.
Внедрение системы управления позволило:

• существенно повысить качество асфальтобетонной смеси;
• повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции;
• повысить культуру производства и избавить от оператора от монотонного и утомительного труда.

Вторым направлением работ НИИ ЭТОСС, которое хотелось бы отразить в данном докладе является разработка новой технологии приготовления бетонной смеси.
Начавшийся строительный бум жилья, повышенное внимание правительства к состоянию дорог поставили вопрос об экономном использовании «вяжущих». Наиболее распространенным «вяжущим» является цемент, который входит в состав бетонных изделий.

Основными элементами растворобетонных узлов являются весовые дозаторы компонентов и смеситель. Согласно рецепту раствора подающие устройства загружают в бункеры весовых дозаторов заданные весовые порции компонентов. После освобождения смесителя в определенном порядке эти компоненты выгружаются в смеситель. В смесителе осуществляется перемешивание компонентов, и готовый бетон выгружается в транспортное средство в виде машины, транспортера и т.д.
Основными недостатками данного технологического процесса являются:

• Низкая эффективность использования цемента в бетоне, что обусловлено невысоким процентом (около 30%) гидратации цемента. Остальные же 70 % цемента выполняют бетоне роль инертного наполнителя.
• Длительное время схватывания бетона. Время набора 70 % прочности может достигать 12 часов.
• Относительно низкая прочность бетонного изделия.

В связи с этим, проблема максимального использования потенциала цемента и повышения интенсивности протекания процессов гидратации и твердения композиций на его основе — одна из актуальных задач в современном строительном материаловедении.
Для решения этой важной задачи одно из наиболее экономически доступных, технологически целесообразных и эффективных является электрохимическая активация воды и водных растворов [1—6] с последующим их использованием в качестве жидкости затворения [7].
Эффективным методов активации жидкости затворения цементных композиций является электрохимическая активация, так как она характеризуется высокой технологичностью и легкостью управления процессом, который реализуется путем воздействия на воду в зоне поляризованного электрода. Существует несколько точек зрения на то, какие превращения следует относить к процессам электрохимической активации. Например, автор [8] утверждает, что это явление, связанное с формированием смеси различных валентно-ненасыщенных частиц (радикалов) под действием электрического тока.
Эти процессы протекают при смещении внешним напряжением потенциала катода от равновесного значения в сторону отрицательных, а потенциала анода — в сторону положительных значений.
Для протекания электрохимических реакций в воде значение потенциалов должно превышать потенциал разложения воды (1, 23 В).
Из литературных источников известно, что для затворения цемента может быть использована как катодная, так и анодная вода. Например, автор [9] считает целесообразным применение воды, обогащенной ионами ОН — (рН>7), так как эти ионы играют основную роль при взаимодействии цемента с водой. Известно и противоположное мнение: для повышения степени гидратации цемента его нужно затворять водой с рН<7, так как большая часть поверхности частиц цемента имеет отрицательно заряженные активные центры, а основная роль в гидратации принадлежит протониро-ванию цементного клинкера [10].
При исследовании влияния электрохимически активированной воды затворения на цементно-песчаную смесь авторами [11] было показано, что при использовании в качестве жидкости затворения анолита прочность образцов повышается на 20—30 % по сравнению с контрольными образцами. Повышение прочности цементного камня на 20—25 % было получено и при использовании катодной воды [12].
В литературе также описан способ интенсификации процесса структуро-образования бетона посредством введения в бетонную смесь в начальный период анодной (кислой) воды, что повышает интенсивность твердения за счет увеличения количества вовлеченного в гидратацию цемента, а затем катодной воды, что способствует ускорению процессов кристаллизации и тверденияцементного камня [13]. Это дает возможность сократить расход цемента на 8—10 % при условии сохранения прочности бетона.
Таким образом, анализ имеющихся данных показывает, что вода является важной составляющей в формировании структуры цементных композиций и существенно влияет на их свойства.
Вода является самостоятельным и равноправным компонентом вяжущей системы, свойства которой во многом определяют свойства будущей структуры цементного камня.
Используя различные электромагнитные поля для активации воды, можно интенсифицировать технологические процессы в производстве строительных материалов и изделий.
Анализ литературных данных и собственные исследования показали следующее:

• свойства и поведение жидкой фазы вблизи границы раздела фаз во многом определяют свойства будущей структуры цементного камня и бетона;
• активированная вода позволяет направленно регулировать свойства как отдельных составляющих цементных и бетонных композиций, так и контактные зоны бетонной смеси и бетона в целом;
• управлять структурой и свойствами системы «цемент-вода» целесообразно на самых ранних стадиях структурообразования.

Недостатки традиционной технологии изготовления бетонной смеси заставили многих ученых искать различные пути совершенствования данного технологического процесса.
Прогрессивным методом до настоящего времени являлась интенсификация бетонных работ с использованием установок ТВОБС (термовиброобработка бетонной смеси).
Суть данного метода заключается в том, что готовый бетон перед укладкой помещается в установку ТВОБС, где в течение 5-7 минут осуществляется электроразогрев бетонной смеси. В момент выгрузки в зоне затвора происходит дополнительная виброактивация.
Электроразогрев осуществляется напряжением 380 В промышленной частоты 50 Гц. Воздействие электрического тока сводится в основном к тепловому эффекту.
В данной установке реализованы основные воздействия — температура, вибрация.
Технология ТВОБС дает хорошие результаты по активации цемента. Однако данной технологии присущи следующие недостатки:

• низкая технологичность процесса приготовления бетонных изделий;
• низкая надежность устройств ТВОБС.

Кроме того, при активации резко уменьшается время схватывания цемента (время живучести). Например, при разогреве бетона до температуры 8о градусов время живучести составляет 12-14 минут.
Попыткой избавится от вышеперечисленных недостатков явились работы по предварительному разогреву компонентов бетонной смеси. В настоящее время, как показал анализ патентной литературы, имеется более 180 патентов и авторских свидетельств с различными способами внесения тепла в компоненты бетонной смеси или бетонную смесь. Наиболее предпочтительным, с точки зрения эффективности, является электроразогрев цементного теста пропусканием через него электрического тока.
Электроды являются существенным элементом в устройстве разогрева цементного теста. Они изготавливаются в виде пластин, колец, треугольников, полос, спиралей, в виде чередующих секций.
При использовании перечисленных электродов и классического метода подачи электрической энергии на электроды разогреть весь объем цементного теста выше 80 °С не удается.
Это обусловлено тем, что при подаче напряжения на электроды, в локальных неоднородных местах этих электродов, обычно на их краях, происходит усиление электрического поля, и греющий цементное тесто электрический ток в основном концентрируется на этих локальных неоднородностях электродов. Стремление повысить температуру цементного теста путем увеличения напряжения на межэлектродном промежутке приводит к подъему температуры выше 100 °С, в этих локальных местах, что вызывает вскипание в них цементного теста. При вскипании теста начинают выделяться в объем пузырьки пара. Происходит увеличение сопротивления приэлектродной среды. Возникает локальный перегрев цементного теста с образованием центров кристаллических образований. Уплотняются (запекаются) оболочки новообразований на зернах цемента, снижается скорость диффузии воды, что уменьшает степень его гидратации.
Этот процесс ограничивает дальнейшее повышение напряжения на межэлектродном промежутке и исключает возможность дальнейшего подъема средней температуры цементного теста.
Нами был разработан новый способ разогрева цементного теста и реализующее его устройство [14], обеспечивающее равномерный по объему разогрев цементного теста.

Оригинальная конструкция электродов, отсутствие приэлекродного локального кипения цементного теста позволило поднять температуру его разогрева до 95 - 98 °С.

Отличие этой предлагаемой нами установки от традиционной заключается в том, что в ней добавлены два дополнительных узла: электролизер с системой автоматического управления режимами электролиза и системой автоматической подачи продуктов электролиза (анолита и католита), режимов этой подачи в бетоносмесительную установку, и наногомогенный узел термообработки цементного теста.
Предварительные исследования проведенные нами на макете предлагаемой установки показали, что степень гидратации цемента возрастает до 60-70 %, прочность готового бетона увеличивается в 1, 7 раза.
При этом сокращаются сроки достижения распалубной, отпускной и проектной прочности бетона.
Исследования экспериментальных образцов изготовленных нами на лабораторном макете установки проводились в НИИ Железобетона под руководством Академика Архитектуры и строительства Крылова Бориса Александровича. Полученным результатам дана высокая оценка и отмечено, что предлагаемая нами технология изготовления бетонной смеси является одной из самых перспективных.
С результатами работы ознакомлены и дали положительную оценку д.т.н. Санкт -Петербургский государственный архитектурно строительный университет Колчеданцев Леонид Михайлович и д.т.н Магнитогорского государственного технического университета Баталов Владимир Семенович.

Автоматизация техпроцесса сушки зерна
Автоматизация сушильных комплексов проводится для снижения влияния человеческого фактора на процесс сушки зерна, обеспечения производственного контроля за параметрами сушки и оптимизации этих параметров