Нормирование показателей битума Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 667.621

П.Б. РАПОПОРТ, канд. техн. наук, ООО «Центр дорожных технологий «ДОРЭКСПЕРТ»

(Новосибирск); А.В. КОЧЕТКОВ, д-р техн. наук, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный

исследовательский политехнический университет»; С.М. ЕВТЕЕВА, канд. техн. наук,

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет

им. Ю.А. Гагарина»; В.А. ПОГУЛЯЙКО (sGm.81@mail.ra), канд. техн. наук,

ООО «Научно-исследовательский центр технического регулирования»

(р. п. Соколовый, Саратовский р-н, Саратовская обл.)

Нормирование показателей битума

Практика дорожного строительства в России, состояние автомобильных дорог, в том числе и федерального значения, опровергает мнение о безукоризненности существующих требований к дорожным битумам, сформулированных в ГОСТ 22245.

Низкие эксплуатационные характеристики материалов, используемых в дорожном строительстве, в том числе и битумов, привели к тому, что уже на третий-четвертый год требуется проведение ремонта автомобильных дорог, тогда как за рубежом межремонтный период составляет 10—12 лет.

Низкое качество дорожных битумов по ГОСТ 22245, проявляющееся в недостаточных для условий России трещиностойкости, эластичности, адгезии, стало одной из главных причин преждевременного разрушения дорожных асфальтобетонных покрытий.

По данным Н.В. Горелышева (МАДИ), основные показатели физико-механических свойств асфальтобетона и дорожных битумов остаются практически неизменными с 1932 г. по настоящее время, но при этом средний срок службы асфальтобетонных покрытий снизился с 16-18 лет в 1950-х до 12-14 лет в 1980-х, 8-10 в 1990-х гг. и не более 5-6 лет в 2000-2005 гг., что совпадает с данными, полученными авторами.

Можно сделать вывод, что показатели физико-механических свойств битумов и асфальтобетона, принимаемые в РФ за основные, недостаточно полно характеризуют его и не определяют его потребительские свойства. В связи с этим возникла необходимость более детально исследовать изменения, происходящие с нормированием дорожных битумов за последнее время.

На состояние и развитие битумного производства в России оказывает существенное влияние ряд специфических факторов:

• сезонность выработки битумов основных дорожных марок, связанная с четко определенными периодами выполнения дорожно-строительных работ и порождающая проблемы для непрерывно функционирующих нефтеперерабатывающих предприятий;

• небольшое различие в цене битума и сырья и сложность проведения технологических операций с таким высоковязким и застывающим продуктом, как битум. На большей части НПЗ давно и физически и морально устарело основное технологическое оборудование битумных установок; на ряде производств, не оснащенных современными окислительными колоннами, продолжается эксплуатация устаревших трубчатых реакторов, не вполне пригодных для получения дорожных битумов;

• неконтролируемый разброс показателей качества поступающего на переработку сырья.

Нефтеперерабатывающим предприятиям России невыгодно дополнительно оборудовать битумное производство на НПЗ специальными охлаждающими системами для снижения температуры готового битума до 150оС вместо 250оС (это дает возможность получать битумы с улучшенными эксплуатационными свойствами; а также процессы с: перемешивающими устройствами для введения катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ); специальными дополнительными емкостями для раздельного хранения битумов различных марок, современной аппаратурой для более строгого регулирования качества битумов и т. п.

В мировой практике дорожного строительства, кроме России и ряда других стран, давно применяют нео-кисленные нефтяные дорожные битумы, из которых на Западе строится более 80% автомобильных дорог. В отличие от окисленных они способны в 3-4 раза продлить срок службы дорожных покрытий, так как у них существенно лучшие показатели по водостойкости, устойчивости к износу, образованию трещин и перепадам значений температуры.

Технология получения битумов существенно влияет на их состав. Так, содержание смол в битумах одной и той же температуры размягчения, полученных непрерывным окислением сырья в колонном аппарате и в змеевиковом реакторе, ниже, а содержание асфальте-нов и масел несколько выше, чем в битумах, полученных окислением того же сырья в кубе периодическим методом. Отличаются также структура компонентов и свойства готовых битумов, полученных различными способами.

Известно, что даже небольшие колебания состава сырья - содержания парафиновых и ароматических углеводородов, асфальтенов и других компонентов оказывают огромное влияние на качество получаемых битумов.

Проблему стабилизации качества сырья порождает еще одна характерная особенность современного битумного производства - возросший уровень требований потребителя к качеству дорожных битумных материалов. Сегодня дорожники России в своем стремлении к повышению долговечности дорог стоят перед дилеммой: покупать битумы за рубежом, строить специализированные НПЗ по производству битума с использованием в качестве сырья специальных «тяжелых нефтей» или перейти на строительство автомобильных дорог из цементобетона вместо асфальтобетона (предложение Министра транспорта Игоря Левитина).

По данным Росдортехнологии, около 50% ежегодно выпускаемых дорожных битумов не соответствует требованиям нормативных документов, в частности

ГОСТ 22245. При этом требования самого ГОСТа давно не удовлетворяют потребителя.

Требования, предъявляемые к дорожным битумам, весьма разнообразны. Дорожные битумы должны:

— сохранять прочность при повышенной температуре, т. е. быть теплостойкими;

— сохранять эластичность при отрицательных значениях температуры, т. е. быть морозостойкими;

— сопротивляться сжатию, удару, разрыву под воздействием движущегося транспорта;

— обеспечивать хорошее сцепление с сухой и влажной поверхностью минеральных материалов;

— сохранять в течение длительного времени первоначальную вязкость и прочность.

Общеизвестно, что дорожные битумы российского и зарубежного производства принципиально различаются по качеству, которое предопределено различием нормативных требований к этому виду товарной продукции в нашей стране и за рубежом [2, 3].

Основными эксплуатационными свойствами, определяющими качество битумов, являются:

• Технические свойства — проницаемость стандартной иглы (пенетрация), температура размягчения, индекс пенетрации, растяжимость (дуктильность), температура хрупкости. Это основные показатели качества битумов. Глубина проникновения иглы (пенетрация) и температура размягчения характеризуют твердость битума, растяжимость — его эластичность.

• Физико-химические свойства — стабильность, плотность, поверхностное натяжение.

• Реологические свойства — дисперсность, вязкость, модуль упругости, модуль деформации. Реологические свойства битума не должны значительно изменяться при его разогреве в котлах, приготовлении и укладке смеси и в течение длительного срока службы в асфальтобетонных и других покрытиях.

• Тепловые свойства — удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, температура вспышки. По температуре вспышки можно судить о наличии низкокипя-щих фракций в сырье и готовом битуме, а также об их взрыво- и пожароопасности в процессе производства и применения.

• Диэлектрические свойства — пробивное напряжение, удельная электропроводность, тангенс угла диэлектрических потерь. По изменению этих показателей можно контролировать адгезионные свойства битумов. С повышением диэлектрической проницаемости они, как правило, улучшаются.

• Оптические свойства — коэффициент рефракции, светопоглощение растворов битума. Эти свойства позволяют глубже изучить групповой состав битума.

• Отношение к растворителям и воде. По растворимости в органических растворителях судят о чистоте битума. Чем больше битум содержит продуктов, растворимых в хлороформе, бензоле, тем меньше в нем примесей, ухудшающих его свойства. Водораство-римость характеризует гидрофобные свойства вяжущего и его стабильность.

• Потеря массы битума при нагревании, изменение пенетрации и температуры размягчения битума после нагревания имеют большое значение для битумов, предназначенных для длительной службы в различных сооружениях и особенно в дорожных покрытиях. Они характеризуют стабильность свойств во времени.

• Адгезия и когезия — важнейшие показатели качества битумов как вяжущих материалов.

Область температуры, в которой желательна эксплуатация дорожного покрытия, лежит в интервале между значениями температуры размягчения (Тразм) и

хрупкости (Тхр). Она носит название интервала пластичности.

При превышении Тразм дисперсная система переходит в свободно-дисперсное состояние. При этом жидкая дисперсионная среда под действием даже небольших нагрузок будет выдавливаться из покрытия, прилипать к колесам транспортных средств, а на самой дороге появится колея.

Снижение температуры сопровождается переходом все большего количества компонентов битума из дисперсионной среды в адсорбционно-сольватную оболочку и затем в твердую дисперсную фазу. При температуре, определенной для каждой битумсодержащей системы, вся дисперсионная среда переходит в адсорбционно-сольватную оболочку. Это сопровождается некоторой деформацией сложных структурных единиц компонентов верхнего слоя дорожного покрытия (ССЕ) и образованием достаточно жестких, напряженных связей между ними. При этом пропадают эластичные свойства и материал трескается при механической нагрузке. Если температура окружающей среды опускается еще ниже, то наблюдается переход всего адсорбционно-сольватного слоя ССЕ в твердое состояние, т. е. в дисперсную фазу, и перекристаллизация компонентов битума. Этот момент называется температурой стеклования (Тст). Такое состояние характеризуется тем, что битумсодержащее вещество растрескивается при приложении к нему любой, даже незначительной нагрузки.

Вполне очевидно, что для удовлетворительной эксплуатации дорожного полотна необходимо его изготавливать с использованием битума, имеющего как можно более широкий интервал пластичности, т. е. повышенную температуру размягчения и пониженную температуру хрупкости. Причем желательной для битумов является не только более низкая температура хрупкости, но и более низкая температура стеклования.

В дорожных покрытиях битум выполняет роль как вяжущего, так и гидроизолирующего материала. Он должен связывать и удерживать частицы минерального наполнителя, не изменять своих свойств в процессе эксплуатации, например под действием атмосферной влаги, осадков, колебаний температуры; обеспечивать сопротивление покрытия воздействию многократно повторяющихся нагрузок в широком интервале температуры (-25 — +60оС); распределять напряжения в покрытии таким образом, чтобы имели место только упругие деформации. Работоспособность битумного вяжущего в составе асфальтобетона при периодическом воздействии напряжений сдвига, сжатия и перепада температуры во многом зависит от пластичности и растяжимости дорожного битума.

В России практически не сложились единые представления специалистов об идеальном и реальном дорожном битуме, не сформированы требования к показателям его качества, долговечности в составе дорожной конструкции. Ощущается острая необходимость переработки имеющихся и разработки новых нормативных документов, регламентирующих требования к дорожным битумам с учетом качественных изменений транспортных нагрузок и конкретных климатических условий.

В последние годы прослеживается четкая тенденция по унификации требований, предъявляемых к основным продуктам, производимым в Европе. Поэтому Европейский союз поручил Европейской организации по стандартизации (СЕ^ разработку норм, учитывающих особые условия в каждой из стран (климат, интенсивность дорожного движения и типичную для страны практику дорожного строительства).

В соответствии с этими нормативами обязательными контролируемыми показателями качества являются

пенетрация при 25оС, температура размягчения, температура вспышки, растворимость в толуоле и испытание с нагревом в тонком слое, которое в России не определяют. Испытания на пенетрацию служат для классификации битумов, характеризуют твердость битума и помогают вычислить жесткость битума при различных нагрузках. Значения температуры размягчения используются для описания стойкости битума к деформации и вместе с пенетрацией характеризуют его термочувствительность.

Для описания твердения битума при изготовлении асфальтовой смеси применяют три различных метода испытаний:

- RTFOT (испытание с нагревом в тонком слое при обновлении поверхности, в России не применяется);

- TFOT (испытание с нагревом с тонком слое, в России не применяется);

- RFT (испытание с нагревом во вращающейся колбе и с подачей воздуха, используется в Германии). Сходимость испытаний чрезвычайно хорошая, и с их

помощью можно получить одинаковые результаты, хотя в противоречащих случаях приоритет отдается методу RTFOT.

С помощью норматива изменения массы при испытании с нагревом в тонком слое стремятся предотвратить применение битумов, содержащих слишком много легких фракций.

Склонность битума к затвердению ограничивается минимальным требованием к показателю остаточной глубины проникновения после прогрева в тонкой пленке. Чрезмерное затвердение битума при изготовлении асфальта может привести к хрупкому асфальтовому покрытию.

Нормирование температуры размягчения после испытания с нагревом в тонком слое определяет минимальное требование к деформационной стойкости битума.

Определение температуры вспышки является испытанием на безопасность, направленным на обеспечение условий перевозки и хранения битума. Испытание проводится, как правило, в открытом сосуде.

Определение растворимости служит испытанием битума на чистоту, гарантирующим, что битум не содержит кокса или других посторонних веществ. Кроме обязательных испытаний предусмотрены и факультативные, которые могут включаться отдельными странами в перечень необходимых и быть обязательными для исполнения в этой стране.

Испытание на содержание парафинов, которое в России не проводится, характеризующее химический состав битумов, но не определяющее никаких его функциональных свойств, не было одобрено всеми странами. Это привело к компромиссу, состоящему в том, что требование является факультативным, временным и будет отменено в следующем нормативе.

Динамическая вязкость при 60оС, которая в России не определяется, является в северных странах критерием деформации битума вместо температуры размягчения. Испытание определяет фундаментальное свойство вещества, а не эмпирическую характеристику, какой является температура размягчения; при этом корреляция вязкости с деформационной стойкостью асфальта также немного лучше, чем при использовании показателя температуры размягчения. Однако определение вязкости практически не использовалось в центрально- и южно-европейских странах, поэтому температура размягчения стала обязательным требованием, а испытание на вязкость при 60оС было принято как факультативное.

Кинематическая вязкость при 135оС характеризует перекачиваемость битума и смешиваемость с минераль-

ным материалом, а вместе с динамической вязкостью при 60оС и глубиной проникания она характеризует также термочувствительность битума.

Температура хрупкости по Фраасу характеризует термостойкость битума при отрицательной температуре. Поскольку в южно-европейских странах такое испы -тание не является актуальным, этот показатель отнесен к факультативным.

Для контроля твердения битума существует и другая возможность, имеющая в основе тот же метод испытания при нагреве в тонком слое. В качестве оценочных параметров был предложен выбор из четырех вариантов. В каждом нормируется изменение температуры размягчения после прогрева. Кроме того, в трех вариантах нормируется значение температуры хрупкости и в двух из этих вариантов дополнительно - индекс пене-трации битума.

Включение в норматив индекса пенетрации подверглось долгому обсуждению, но в конце концов он не был включен прямо, а лишь косвенно через требования к пе-нетрации и температуре размягчения. Причиной этого явилось то, что определение индекса пенетрации не дает практических преимуществ перед включенными в качестве нормативов пенетрацией и температурой размягчения. Кроме того, индекс пенетрации сам по себе не гарантирует качества битума, в то время как нормативы пенетрации и температуры размягчения установлены таким образом, что они характеризуют термочувствительность битума.

Испытание на растяжимость битума не было включено в норматив, поскольку в своей теперешней форме оно вряд ли может быть отнесено к функциональным испытаниям, так как у всех основных марок растяжимость превышает 100 см.

Испытание на сцепление не рассматривалось как не относящееся к собственно битумным нормам, а учитывалось прежде всего как испытание асфальтовой смеси, поскольку результат испытаний на сцепление, по мнению зарубежных специалистов, больше зависит от каменного компонента, чем от свойства вяжущего.

Факультативным является испытание для определения температуры хрупкости.

Не смотря на то что в России новые общеевропейские нормативы пока не утверждены, производители дорожных битумов должны их знать и в определенной степени ориентироваться на них.

При испытании битума зарубежными НД предусмотрено определять коэффициент вариации, у дорожников РФ он не определяется. Необходимо признать это важнейшим отклонением в системах технического нормирования показателей битума в России и за рубежом. Это противоречие должно быть устранено.

В России в отличие от Европы (EN 58:2004 Битумы и битумные вяжущие. Отбор проб битумных вяжущих, EN 12594:2007 Битум и битумные вяжущие. Подготовка проб для испытания) не нормированы условия подготовки проб битумных вяжущих для приготовления образцов для стандартных испытаний и условия отбора проб органических вяжущих для дорожного строительства.

Наряду с традиционными свойствами битума, которые в Европе и России определяются примерно одинаково (EN 1425:1999 Битум и битумные вяжущие. Определение органолептических характеристик, EN 1427:2007 Битум и битумные вяжущие. Определение температуры размягчения. Метод кольца и шара) в РФ не определяются показатели свойств битума, регламентированные зарубежными НД:

- вязкость при 135оС и динамическая вязкость

^ 12596, ASTM D 2171, ASTM D 2170);

- потери массы после прогрева при 163оС (ASTM

D 1754);

— динамическая вязкость при 60оС после прогрева при 1630C (ASTM D 2171);

— остаточная пенетрация при 25оС после прогрева при 163оС (ASTM D 5);

— модуль упругости битума при -18оС;

— предельное относительное удлинение при разрыве при -18оС;

— степень растворимости битумных вяжущих без и с малыми включениями минерального материала, не являющегося составляющим асфальтобетонной смеси, в определенном растворителе;

— количество парафина в битуме или битумном вяжущем методом дистилляции (DIN 52015);

— количество парафина, содержащегося в битуме или битумном вяжущем, методом экстрагирования (AFNOR NF Т 66-015);

— оценка эффекта совместного влияния высокой температуры и воздуха на битум или битумное вяжущее при вращении его в виде тонкой пленки, имитирующего процесс старения, которому подвергается битумное вяжущее во время приготовления асфальтобетонной смеси, транспортировки и хранения (EN 1426);

— зольность ASTM D 113;

— растворимость в толуоле ASTM D 2042.

Выводы. Из-за существенных различий в НД и методах испытаний сравнивать зарубежные и отечественные битумы некорректно и неверно.

То, чего мы лишились в результате пренебрежения мировым опытом, иллюстрируют нижеприведенные примеры.

Анализ песчаных асфальтобетонных смесей показал, что оптимум битума в РФ составил 7,6%, а в зарубежных странах — 6,7%. В США содержание вяжущего в мелкозернистых асфальтобетонных смесях составляет

4,6—5,8%, в Швеции — 5—6%, в многощебенистых смесях — 6,5%, а в РФ — 6—9,5%. Содержание минерального порошка составляет в странах Европы и США 3—5%, а в России — 9—11%. Средняя толщина пленки на минеральных зернах в США рекомендуется не менее 9 мкм, а в России составляет 6—8 мкм. Все это предопределяет недостаточную долговечность асфальтобетона в конструктивных слоях автомобильных дорог России. Средний срок службы отечественных асфальтобетонных покрытий составляет примерно две трети от срока службы зарубежных дорог (в Сибири не превышает 50—55%). В ЕС нормативный срок службы национальных автомобильных дорог колеблется от 40 лет в схожей с Россией по климатическим условиям Швеции, до 80 лет в Италии (в России срок службы дорог, по материалам 1980-х гг., составлял не более 10—12, в настоящее время — 5—6 лет).

Ключевые слова: битум, методы нормирования, показатели, эксплуатационные характеристики, качество.

Список литературы

1. Челпанов И.Б., Кочетков А.В., Возный С.И., Чва-нов А.В. Объекты и стандарты испытаний материалов в технике и дорожном хозяйстве // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 66-72.

2. Карпеев С.В., Кочетков А.В., Сапсаенко Д.Б., Чва-нов А.В. Относительные методы определения параметров качества дорожных материалов // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 6-9.

Российские промышленные Активатор помольно " классификационные комплексы

измельчен ие активаш£ясиетЬз ^ ^^ KT И В З/ГО J3 ^ -

АПК 100 АПК 500 АПК 1000 АПК 5000

производительность 100 кг/ч 500 кг/ч 1000 кг/ч 5000 кг1ч

граница разделения 1-10 мкм 3-20 мкм 5-50 мкм 5-70 мкм

потребляемая мощность 11 кВт/hi 22 кВт/ч 45 кВт/ч 130 кВт/ч

Общий вид кривых распределения частиц по размерам р.% после помола и классификации.

D, um

www.activator.ru »

Машиностроительный Завод «Активатор» Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (333) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail: belyaev@activator.ru

Реклама