Kylmäasfaltti – parempaa laatua ultraäänikäsittelyllä

Kylmäasfaltin emulsioissa on ratkaisevan tärkeää hallita pisarakokojakaumaa, viskositeettia ja stabiilisuutta sekä samalla minimoida käsittelyn vaatima energiansyöttö. Hielscher-ultraäänilaitteet pilkkovat pisaroita tehokkaasti, lyhentävät käsittelyaikaa ja mahdollistavat tiukempien vaatimusten täyttämisen pienemmällä pinta-aktiivisen aineen määrällä ja alemmissa lämpötiloissa.
Tällä sivulla kuvataan mekanismi, kolmivaiheinen mittakaavan suurentaminen ja vaativaan käyttöön tarkoitetut tekniset ratkaisut, joiden ansiosta Hielscher-ultraäänilaitteet toimivat luotettavasti kylmäasfaltin tuotannossa.

Miksi käyttää ultraäänilaitteita kylmäasfaltin emulsioiden käsittelyyn

Keskeisiä taloudellisia tekijöitä ovat viipymäajan lyhentäminen, pienempi emulgointiaineen tarve samalla tavoitepisarakoolla, kapeampi pisarakokojakauma ja siten parempi varastointistabiilisuus sekä mahdollisuus käyttää alempaa prosessilämpötilaa. Roottori-staattori- tai kolloidimyllyihin verrattuna ultraääni siirtää energiaa kavitaation mikrosuihkujen välityksellä työkalun ja staattorin välisen leikkauksen sijaan, mikä nopeuttaa pisaroiden pilkkoutumista tietyllä ominaisenergiansyötöllä.

Mitattu viskositeetin aleneminen noin 20–30 prosentilla ultraäänikäsittelyn jälkeen koostumuksen pysyessä muuttumattomana sekä emulsiopisaroiden muuttuminen pienemmiksi ja monodispersisemmiksi.
Pinta-aktiivisen aineen säästö 10–30 prosenttia tietyllä d90-tavoitearvolla ja stabiilisuusalueella, koska kavitaatiokenttä voi tuottaa hienojakoisia pisaroita.
Lyhyempi käsittelyaika ja pienempi laitteiston tilantarve, sillä linjassa tehtävällä ultraäänikäsittelyllä voidaan saavuttaa vaatimusten mukainen viskositeetti ja pisarakoko.
Alemmat sekoituslämpötilat, jotka vähentävät energiankulutusta ja työntekijöiden altistumista höyryille sekä tukevat EU:n ja Yhdysvaltojen aloitteita päällystemateriaalien hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi.

Mekanismi: kavitaatioon perustuva pisarakoon pienentäminen ja dispergointi

Toisin kuin puhtaasti mekaaninen leikkaus, akustinen kavitaatio synnyttää satojen baarien paikallisia painevaihteluita ja mikrosuihkuja, joiden nopeudet ovat suuruusluokaltaan kymmenistä satoihin metreihin sekunnissa. Kylmäasfaltin emulsioissa tämä tuottaa kaksi toisiaan vahvistavaa vaikutusta. Ensinnäkin pisarakoko pienenee nopeasti ja jakauma kapenee, mikä alentaa viskositeettia kiintoainepitoisuuden pysyessä vakiona. Toiseksi voimakas mikrosekoittuminen molekyylitasolla nopeuttaa emulgointiaineiden adsorptiota uudelle rajapinnalle ja stabiloi emulsion ilman tarvetta annostella emulgointiainetta liikaa. Lopputuloksena on koostumus, joka on helpompi pumpata ja levittää ja jonka pitkäaikaisstabiilisuus on parempi.

Lineaarinen mittakaavan suurentaminen: vakio ominaisenergia, vakio amplitudi, vakio paine

Ultraäänikäsittelyn mittakaavan suurentamisen käytännön sääntö on yksinkertainen. Jos ominaisenergiansyöttö (kWh tonnia kohti), akustinen amplitudi sonotrodin päätypinnalla ja reaktorin paine pidetään vakioina, emulsion laatu pysyy muuttumattomana eri mittakaavoissa. Tämä ei ole heuristinen sääntö. Se perustuu kavitaation voimakkuuden ja kupladynamiikan yhteyteen akustisen kentän kanssa ja selittää, miksi teollinen ultraäänikäsittely voidaan suunnitella deterministisesti. Toisin sanoen ultraäänilaitteella UP400St 40 prosentin amplitudilla ja 0,6 kWh/t:n ominaisenergialla käytetty käsittelyprotokolla toistuu järjestelmässä 4xUIP6000hdT, kun sama energia massayksikköä kohti syötetään samalla amplitudilla virtauskennon kautta, jota käytetään samalla paineella.

Kolmivaiheinen eteneminen ideasta tuotantoon

1) Laboratoriokokeet laitteella UP400St Aloita seulomalla koostumuksia ja seossuhteita kompaktilla ultraäänilaitteella UP400St (400 W). Käytä erä- tai kierrätystilaa pienellä virtauskennolla ja kirjaa amplitudi, lämpötila ja ominaisenergia. Yleensä päivän kuluessa voit rajata ominaisenergia-alueen, jolla saavutetaan haluttu pisarakokojakauma ja viskositeetti ilman faasi-inversiota tai liiallista lämpenemistä.

2) Prosessin optimointi laitteella UIP2000hdT
Siirry laitteeseen UIP2000hdT (2 kW) varmistaaksesi jatkuvan käsittelyn toimivuuden, mitataksesi paineen vaikutukset ja optimoidaksesi käsittelykapasiteetin suhteessa laatuun. Tässä vaiheessa määrität käyttöjakson, linjan lämpötilansäädön ja paineen (tyypillisesti 2–5 bar kavitaation tehostamiseksi). Tässä osoitat pinta-aktiivisen aineen säästön, d90-tavoitearvon tai jakauman leveyden sekä saavutettavan viipymäajan realistisilla tilavuusvirroilla ja kirjaat samalla energiankulutuksen käyttökustannuslaskelmaa (OPEX) varten.

3) Mittakaavan suurentaminen tuotantoon 4xUIP6000hdT-järjestelmällä
Täyden mittakaavan ultraäänilaitteistoissa käytetään usein rinnakkaisia laitteita useiden tonnien tuntikapasiteetin saavuttamiseksi. Esimerkiksi neljä rinnakkaista laitetta UIP6000hdT (kukin 6 kW) käsittelee noin 10–12 t/hr ominaisenergian ollessa 0,5 kWh/t. Koska laitteissa on amplitudin säätö ja ne on varustettu virtauskennoreaktoreilla ja amplitudinvahvistimilla, akustinen kenttä on toistettavissa. Tämä tarkoittaa, että d50-arvo, jakauman leveys ja Brookfield-viskositeetti vastaavat pilottilaitteiston tuloksia analyysien hajonnan rajoissa.

Ultraäänen vertailu roottori-staattori- ja kolloidimyllyihin

Roottori-staattori- ja kolloidimyllyt ovat kestäviä ja tuttuja, mutta niissä on tehtävä kompromissi energiankäytön intensiteetin, viipymäajan ja suuren tilantarpeen välillä. Niissä pisarakoko on myös sidoksissa hyvin kapeisiin prosessin toiminta-alueisiin, ja ne saattavat vaatia korotettuja lämpötiloja viskositeettipiikkien välttämiseksi. Ultraääni irrottaa pisaroiden pilkkoutumisen liikkuvien osien välisestä leikkauksesta ja hyödyntää sen sijaan kavitaatiota, joten sama tai parempi pisarakoko saavutetaan lyhyemmässä ajassa kokonaisominaisenergian ollessa vastaava tai pienempi. Myös kunnossapito on erilaista. Staattorin ja roottorin välillä ei tarvitse ylläpitää tiukkoja toleransseja. Käytännössä käyttäjät raportoivat nopeammista paikallaan tehtävistä puhdistusjaksoista ja helpommasta siirtymisestä koostumuksesta toiseen.

Vaativaan käyttöön suunnitellut tekniset ratkaisut asfalttiasemille

Kylmäasfaltin tuotantoympäristö ei ole puhdastila. Hielscher-ultraäänilaitteet voidaan huoltaa käyttöpaikalla, ja ne on suunniteltu 24/7-käyttöön suurella amplitudilla. Pölyisiin ja haastaviin ympäristöihin on saatavilla erikoisratkaisuja. Virtauskennoreaktoreilla on määritetty paineenkesto, niissä on vaippa lämpötilan säätöä varten, ja ne ovat saatavilla MultiPhaseCavitator-sisäosilla toisen faasin hallittua syöttöä varten. Lisätietoja siitä, miten MultiPhaseCavitator parantaa faasien välistä kontaktia parempien emulsioiden tuottamiseksi, on MultiPhaseCavitator-sivulla.

Hielscher toimittaa enemmän kuin pelkkiä ultraäänikäsittelylaitteita

Lähetä meille emulsionne nykyiset laatuvaatimukset ja käsittelykapasiteettitavoitteenne. Voimme suunnitella kanssanne laboratoriosta pilotointiin etenevän koeohjelman ja mitoittaa tuotantoon sopivan ultraäänilaitteiston. Täytä yhteydenottolomake kylmäasfalttiemulsion ultraäänikäsittelyn arviointia varten. Halutessasi voit lähettää pienen tynnyrillisen emulsiotanne tai koostumuksenne aineosia, ja tuotamme rinnakkaiset vertailutulokset nykyiseen roottori-staattori- tai kolloidimyllyprosessiinne nähden.

Liittyvät aiheet

Lisälukemista / kylmäasfalttia käsittelevä kirjallisuus

Kylmäasfaltti – usein kysytyt kysymykset

Mitä kylmäasfaltti on?

Kylmäasfaltti on asfalttiseos, joka valmistetaan lämmittämättä kiviaineksia tai sideainetta kuuma-asfaltin valmistuslämpötiloihin. Se perustuu tyypillisesti bitumiemulsioihin, jotka alentavat viskositeettia ja mahdollistavat sekoittamisen, pumppaamisen ja levittämisen lähellä ympäristön lämpötilaa. Kun vesi haihtuu ja emulsio murtuu, sideaineen viskositeetti palautuu ja seoksen lujuus kehittyy. Kylmäseoksia käytetään laajalti kunnossapitoon ja paikkaukseen sekä yhä enemmän kantaviin kerroksiin ja sidekerroksiin, kun ympäristöön tai logistiikkaan liittyvät rajoitteet suosivat käsittelyä alhaisessa lämpötilassa.

Mitä eroa on kuuma-asfaltilla ja kylmäasfaltilla?

Kuuma-asfaltti (HMA) valmistetaan 140–180°C:n lämpötilassa alhaisen viskositeetin ja kiviainesten täydellisen peittymisen varmistamiseksi. Se saavuttaa suuren varhaislujuuden ja on rakenteellisten kerrosten oletusvalinta. Kylmäasfaltissa lämpöön perustuva viskositeetin alentaminen korvataan emulgoinnilla, joten sitä voidaan valmistaa ja levittää huomattavasti alemmissa lämpötiloissa. Tämä asfalttityyppi vähentää energiankulutusta ja päästöjä, mutta vaatii tyypillisesti pidemmän kovettumisajan emulsion murtuessa ja veden poistuessa järjestelmästä. Mekaaniset ominaisuudet voidaan suunnitella lähelle HMA:n ominaisuuksia käyttämällä optimoituja emulsioita, polymeerejä ja kovettumiskäytäntöjä.

Mitä etuja kylmäasfaltilla on?

Tärkeimmät edut ovat pienempi energiankulutus ja pienemmät CO2-päästöt, yksinkertaisempi logistiikka (korkeita lämpötiloja ei tarvitse ylläpitää kuljetuksen ja levityksen aikana) sekä parempi turvallisuus vähäisemmän höyrymuodostuksen ansiosta. Kylmäseokset ovat erityisen houkuttelevia silloin, kun käytetään suuria määriä kierrätettyä asfalttia (RAP), sekä syrjäisissä tai pienissä työkohteissa. Ultraäänikäsitellyt emulsiot tarjoavat lisäksi mahdollisuuden täyttää tiukat reologiset ja stabiilisuustavoitteet samalla, kun pinta-aktiivisen aineen käyttö ja sekoituslämpötila pidetään alhaisina.

Kuinka kauan kylmäasfaltin kovettuminen kestää?

Kovettuminen riippuu veden haihtumisesta, emulsion kemiasta, ympäristön lämpötilasta, kosteudesta ja kerrospaksuudesta. Työmailla paikkausseosten kohdalla tavoitellaan usein avaamista liikenteelle muutamasta tunnista vuorokauteen, kun taas rakenteelliset kerrokset saattavat tarvita useita päiviä suunnittelussa käytetyn moduulin saavuttamiseen. Ultraääni ei muuta kovettumisen perusmekanismia, mutta tuottamalla kapeampia pisarakokojakaumia ja optimoidun reologian se voi tehdä emulsion murtumisesta ja kovettumisesta ennustettavampaa.

Mikä on lujin asfalttiseos?

Rakenteellisesti tarkasteltuna tiivisrakeinen kuuma-asfaltti, joka on polymeerimodifioitu ja jonka tyhjätila on pieni, saavuttaa usein suurimman kestävyyden. Kylmäseosten lujuus riippuu emulsiotyypistä, jäännössideaineen ominaisuuksista, tiivistyksestä ja kovettumisesta. Polymeerimodifioidut kylmäseokset ja hyvin suunnitellut kationiset emulsiot, joiden sideaineen viskositeetti palautuu täysin emulsion murtumisen jälkeen, voivat lähestyä HMA:n tiettyjä suorituskykyvaatimuksia tai täyttää ne tietyissä kerroksissa, erityisesti kun ultraääni varmistaa modifiointiaineiden tasaisen dispergoitumisen.

Mitkä ovat 4 emulsiotyyppiä?

Asfalttialalla käytetään pääasiassa öljy-vedessä-emulsioita, mutta emulsiotieteessä voidaan erottaa öljy-vedessä-emulsiot, vesi-öljyssä-emulsiot, moninkertaiset emulsiot, kuten vesi-öljyssä-vedessä-emulsiot, sekä mikroemulsiot. Kylmäasfaltissa käytetään lähes aina öljy-vedessä-järjestelmiä pumpattavuuden ja käsiteltävyyden vuoksi. Ultraäänilaitteet ovat tehokkaita eri emulsiotyypeissä, mutta koostumuksen toiminta-alue, pinta-aktiivisten aineiden järjestelmä ja käsittelyenergia vaihtelevat.