CC BY
23УДК 691.16
В.Д. ГАЛДИНА, канд. техн. наук, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия; О.И. КРИВОНОС, инженер (koi1981@mail.ru), Г.В. ПЛАКСИН, д-р хим. наук, Институт проблем переработки углеводородов СО РАН (Омск); Н. ЖАРГАЛСАЙХАН, инженер, Институт химии нефти СО РАН (Томск)
Битуминозные пески Монголии в дорожном строительстве
Для расширения сырьевой базы органических вяжущих материалов большой интерес представляют природные битумы, содержащиеся в битуминозных породах. Значительные запасы битуминозных пород (250—300 млрд т в пересчете на углеводородную часть) сосредоточены во многих странах [1—3]. На территории Монголии выявлено около 60 залежей битуминозных песков (БП) и горючих сланцев с объемом предварительных запасов углеводородного сырья от нескольких тысяч до 800 и более млн т.
Возможность использования и технология применения битуминозных пород в дорожном строительстве зависят от свойств породы, количественного содержания в ней битума и его консистенции [3—5].
С целью использования БП месторождения Баян-Эрхэт в дорожном строительстве изучены физико-химические и физико-механические свойства природного битума и песка из БП, подобраны составы и определены свойства асфальтобетонов на основе БП.
Битуминозный песок в естественном состоянии однороден по составу, имеет полутвердую консистенцию, насыщенный черный цвет с блеском битума. Истинная плотность разных проб битуминозного песка 2160—2283 кг/м3, средняя плотность 1383—1726 кг/м3, пористость 24,4—35,8%.
Содержание битума в пробе № 1 составляет 9,5 мас. %, в пробе № 2 — 14,81 мас. % (экстракция толуолом в аппарате Сокслета).
Элементный и групповой химический составы природного битума сравнивали с составом вязкого нефтяного дорожного битума марки БНД 60/90 из нефти западно-сибирских месторождений. Отличительной особенностью природного битума является весьма высокое содержание водорода (16 мас. %), кислорода и азота (13,7 мас. %), пониженное содержание углерода (69,6 мас. %) и серы (0,7 мас. %). Вследствие низкой
степени ароматичности жесткость его структуры может быть меньше, чем у нефтяного битума.
Групповой химический состав природного битума, определенный на анализаторе тонкослойной хроматографии «IATROSCAN МК-5» приведен в табл. 1.
По групповому химическому составу и показателю растворимости Пр [6] природный битум значительно отличается от соответствующих показателей вязкого нефтяного дорожного битума.
Физико-механические свойства природного битума из БП определяли по методикам, принятым для испытания вязких нефтяных дорожных битумов и сравнивали их с требованиями ГОСТ 22245—90 (табл. 2). Динамическую вязкость природного битума определяли на приборе «REOTEST-2» при напряжении сдвига 0,01 МПа.
Природный битум из БП характеризуется довольно высокими показателями теплоустойчивости и дефор-мативности вследствие повышенного содержания в нем асфальтенов и смол. Низкое содержание углеводородов (масел) обеспечивает битуму хорошую устойчивость к термоокислительному старению, но невысокие показатели трещиностойкости и пластичности при низкой температуре.
Как следует из данных табл. 2, природный битум пробы № 1 по комплексу стандартных свойств приближается к требованиям, предъявляемым к марке БНД 60/90, за исключением несколько более высокого показателя температуры хрупкости по Фраасу.
Природный битум пробы № 2 по сравнению с пробой № 1 имеет более высокие показатели деформатив-ности, теплоустойчивости и трещиностойкости, широкий интервал работоспособности. Такой битум по всем показателям свойств соответствует марке БНД 60/90.
Таким образом, по составу и свойствам природный битум из БП относится к вязким природным битумам — асфальтам [4].
Таблица 1
Компоненты Содержание компонентов, мас. %
Природный битум из БП Битум нефтяной дорожный марки БНД 60/90
Проба № 1 Проба № 2
Углеводороды (У) всего, в том числе: 21,6-23,01 17,94 53,6
- парафино-нафтеновые (ПНУ) 8,53-10,16 7,59 17
- ароматические (АУ) 12,53-12.85 10,35 36,6
Смолы (С) 40,16-38,59 51,02 24,6
Асфальтены (А) 38,58-38,4 31,03 21,8
А / (С + У) 0,62-0,63 0,45 0,28
А / (А + С) 0,49 0,377 0,47
Показатель растворимости ПР = С/А + АУ/ПНУ 2,26-2,5 3,01 3,28
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® февраль 2010 2Г
Таблица 2
Показатель Природный битум Требования ГОСТ 22245-90 к нефтяному дорожному битуму марки
Проба № 1 Проба № 2 БНД 60/90 БН 60/90
Глубина проникания иглы, 0,1 мм:
при 25оС 64 62 61-90 60-90
при 0оС 24 27 Не менее 20 Не менее 10
Растяжимость при 25оС, см 56 66 Не менее 55 Не менее 70
Температура размягчения, оС 49 54 Не ниже 47 Не ниже 45
Температура хрупкости, оС -13,5 -18 Не выше -15 Не выше -6
Индекс пенетрации -0,9 +0,3 + 1 - -1 + 1 - -1,5
Вязкость динамическая при 60оС, Па-с - 480 Не норм. Не норм.
Содержание водорастворимых соединений, мас. % Отсут. Отсут. Не более 0,2 Не более 0,2
Интервал работоспособности, оС 62,5 72 Не норм. Не норм.
Коэффициент структуры КСТр = (Тр - Тхр) / Д25 1,11 1,09 То же То же
После прогрева при 163оС в течение 5 ч
Изменение температуры размягчения, оС 2 3 Не более 5 Не более 6
Изменение массы, % 0,21 0,45 Не норм. Не норм.
Вязкость динамическая при 60оС, Па-с - 956 То же То же
Таблица 3
Битум Степень сцепления битума с поверхностью минерального материала, %
с БП с мрамором с природным песком
Природный битум в породе 100 - -
Природный битум, экстрагированный из битуминозного песка - 100 68,9
Нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90 - 95,3 31,7
Одним из показателей эффективного сцепления битума с минеральной матрицей является кислотное число битума. В рассматриваемом случае оно равно 21 мг КОН, что обусловливает хорошее сцепление природного битума с поверхностью минеральных материалов.
Сцепление (адгезию) природного битума с минеральной частью в породе и сцепление природного битума, экстрагированного из БП с мрамором и природным песком, определяли пассивным методом по ГОСТ 11508—78. Количественно сцепление определяли с помощью фотокалориметра КФК-3.
Прочность адгезионной связи (табл. 3) обусловлена длительностью контакта органического вяжущего с минеральной частью БП, то есть процессами физико-химической адсорбции. У битума, экстрагированного из БП, показатель сцепления с природным песком заметно снижается вследствие того, что в БП уже произошло извлечение минеральным материалом (песком) органических компонентов из природного битума с наилучшими поверхностно-активными свойствами.
На физико-механические свойства битумов влияет химический состав и структура их компонентов. Методом ИК-спектроскопии установлено, что для всех компонентов битума характерны широкие полосы поглощения в области 3000—3600 см-1, обусловленные наличием в полициклических ароматических и алифатических углеводородах гидроксильных групп, которые участвуют в образовании водородных связей.
Наличие в природном битуме ароматических углеводородов, алкильных заместителей у асфальтенов и активных функциональных групп способствует повы-
шению пластичности асфальтенов, улучшению адгезии битума.
Рентгенографические исследования минеральной части БП выполнены на дифрактометре D8 Advance (Bruker) в параллельном Cu-ka излучении с в-фильтром в интервале углов 26 50—800 (шаг сканирования 0,1о, время интегрирования сигнала каждые 7 сек). Расшифровку полученных данных осуществляли с использованием данных баз ICDD и PDF-2.
Рентгенофазовый анализ минеральной компоненты БП свидетельствует о наличии в составе песка кварца (SiO2), смеси алюмосиликатов с преобладанием оксида Na над оксидом калия в составе Na071K0 29AlSi3O8.
Песок из БП состоит из зерен окатанной формы с гладкой поверхностью, содержит незначительное количество крупных зерен угловатой формы. После экстрагирования на поверхности зерен песка сохраняется пленка адсорбированных компонентов природного битума, в результате чего песок приобретает гидрофобные свойства. Свойства и зерновой состав песка из БП определяли по ГОСТ 8735—88. По зерновому составу и модулю крупности песок из БП относится к группе песков повышенной крупности. В песке содержится также несколько повышенное количество зерен крупнее 0,63 мм.
По показателям физических свойств песок соответствует требованиям ГОСТ 8736—93 к песку природному для строительных работ. Недостаточное количество в песке зерен фракций 0,16—0,315 мм и 0,315—0,63 мм указывает на необходимость дополнительного введения песка таких фракций при использовании БП в асфальтобетонных смесях.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
28 февраль 2010
ы ®
Таблица 4
Показатель Тип асфальтобетона Требования ГОСТ 9128-97 к асфальтобетону для II, III/IV, V дорожно-климатических зон
Б Д тип Б, марка I тип Д, марка II
Средняя плотность, кг/м3 2370 2340 Не норм. Не норм.
Остаточная пористость,% 3,3 2,51 2,5-5 2,5-5
Водонасыщение,% 1,86 2,21 1,5-4 1-4
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре:
50оС 1,6 1,3 Не менее 1,2/1,3 Не менее 1,3/1,5
20оС 5,1 3,5 Не менее 2,5 Не менее 2,2
0оС 13,5 10,5 Не более 11/13 Не более 12/13
Предел прочности при растяжении при расколе, МПа, при 0оС 5,2 4,72 (3,5-6)/(4,5-6) (3-6,5)/(3,5-7)
Коэффициент водостойкости 1 0,98 Не менее 0,9/0,85 Не менее 0,85/0,8
Коэффициент длительной водостойкости 0,89 0,81 Не менее 0,85/0,75 Не менее 0,75/0,7
Подбор составов горячих плотных асфальтобетонных смесей проводили с учетом содержания в БП природного вязкого битума и зернового состава песка из БП. Битуминозный песок с повышенным содержанием битума (14,81 мас. %) использовали для горячей щебеночной асфальтобетонной смеси типа Б, битуминозный песок (содержание битума 9,5 мас. %) для горячей песчаной асфальтобетонной смеси типа Д. Зерновой состав минеральной части смесей был подобран таким образом, чтобы он укладывался в пределы гранулометрий типа Б или Д по ГОСТ 9128-97.
Были установлены следующие составы асфальтобетонных смесей:
— тип Б, мас. %: щебень гранитный фракции 5-20 мм — 44; битуминозный песок (содержание битума 14,81%) — 36; песок природный фракций 0,315—0,63 мм и 0,16—0,315 мм — 12; активированный минеральный порошок — 8;
— тип Д, мас. %: битуминозный песок — 70; песок природный фракций 0,315—0,63 и 0,16—0,315 мм — 18; активированный минеральный порошок — 12. Изготовление и испытание асфальтобетонных образцов проводили по ГОСТ 12801—98.
Щебеночный асфальтобетон типа Б имеет высокие показатели прочности и водостойкости. Физико-механические свойства горячих плотных асфальтобетонов приведены в табл. 4. Прочность при 0оС выше требований стандарта. Однако показатель трещиностойкости — прочность при растяжении при расколе находится в пределах нормативных требований. Таким образом, за исключением предела прочности при сжатии при температуре 0оС, асфальтобетон типа Б соответствует требованиям ГОСТ 9128—97, предъявляемым к асфальтобетонам марки I типа Б.
Песчаный асфальтобетон типа Д по показателям физико-механических свойств соответствует требованиям ГОСТ 9128—97 к асфальтобетону типа Д марки II для III дорожно-климатической зоны и марки III для IV и V до-рожно-климатических зон. Прочность при 50оС такого асфальтобетона может быть повышена при увеличении содержания минерального порошка в смеси.
Выполненные исследования показали техническую возможность использования битуминозного песка месторождения Баян-Эрхэт (Монголия) в качестве компонента горячих плотных асфальтобетонов различных типов структуры без дополнительного введения в асфальтобетонные смеси нефтяного битума. Монголия
обладает сравнительно небольшими запасами высоко-парафинистой нефти [7].
Месторождения битуминозных пород, содержащих битумы класса асфальта, имеются в Самарской (Бахи-ловское, Верхнеорлянское, Алексеевское), Ульяновской (Мелекесское) областях, республиках Коми (Усть-Войское), Саха (Якутия) (Оленекское), Татарстан (Фи-ков-Колокское) и других регионах России [2—4]. Опыт применения битуминозных пород различных типов (рыхлых и массивных) в дорожном строительстве без их переработки показал высокие эксплуатационные качества покрытий, а также значительный экономический эффект от их внедрения [1, 3, 5, 8].
Ключевые слова: асфальтобетонные смеси, битуминозный песок, природный битум, физико-механические свойства, химический состав.
Список литературы
1. Нефтебитуминозные породы: перспективы использования // Мат. Всесоюз. совещания по комплексной переработке и использованию нефтебитуминоз-ных пород. Алма-Ата: Наука, 1982. 300 с.
2. Гольдберг И.С. Природные битумы СССР (закономерности формирования и размещения). Л.: Недра, 1981. 195 с.
3. Руденская И.М., Руденский А.В. Органические вяжущие для дорожного строительства. М.: Транспорт, 1984. 229 с.
4. Руководство по использованию данных о битумсо-держащих породах месторождений РСФСР при проектировании автомобильных дорог. М.: Гипродор-нии, 1978. 42 с.
5. Бочаров В.С. Битумсодержащие породы в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1987. 191 с.
6. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. 256 с.
7. Хулан Б., Бембель В.М., Головко А.К. и др. Подготовка остатков монгольских нефтей для получения битумов // Сб. науч. тр.: Нетрадиционные способы переработки органического сырья. Улан-Батор: ИХХТ Монгольской АН, 2007. С. 45-54.
8. Федоренко В.Н. Использование местных битумсодер-жащих пород в строительстве автомобильных дорог Татарской АССР. М.: Строит. и эксплуатация автомобильных дорог: Экспресс-информация / ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. С. 10-16.
www.rifsm.ru 29
■f: ■ научно-технический и производственный журнал
Ы - ® февраль 2010
