авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

В.Д. Галдина

СЕРОБИТУМНЫЕ

ВЯЖУЩИЕ

Омск 2011

71

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Сибирская государственная

автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

В.Д. Галдина

СЕРОБИТУМНЫЕ

ВЯЖУЩИЕ

Монография

Омск

СибАДИ

2011

72 УДК 666.9 ББК 39.311-032 Г 15 Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. И.И. Матяш (ОАО «Мостовое ремонтно-строительное управление);

канд. техн. наук, доц. Е.А. Бедрин (ОАО «Омский СоюздорНИИ») Работа одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Галдина В.Д.

Г 15 Серобитумные вяжущие: монография. – Омск: СибАДИ, 2011. – 124 с.

ISBN 978-5-93204-572- Обобщены зарубежные и отечественные исследования по использованию серы для модификации дорожных битумов и асфальтобетонов. Рассмотрены фи зико-химические процессы взаимодействия серы и битумов, факторы, влияющие на свойства серобитумных вяжущих, структурно-механические свойства серо асфальтобетонов и технологические особенности приготовления серобитумных вяжущих и асфальтобетонов.

Приведены результаты изучения физико-механических и реологических свойств серобитумных вяжущих на битумах разных марок и типов структуры.

Представлены исследования по определению физико-механических свойств ас фальтобетонов на серобитумных вяжущих и результаты опытно производственных работ.

Для инженеров, научных работников, аспирантов, студентов и магистров дорожно-строительных специальностей вузов.

Табл. 47. Ил. 37. Библиогр.: 82 назв.

ISBN 978-5-93204-572-5 © ГОУ «СибАДИ», ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕРЫ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ И АСФАЛЬТОБЕТОНОВ.............................

1.1. Основные свойства серы...................................................................... 1.2. Зарубежный и отечественный опыт применения серы в дорожном строительстве.......................................................................... 1.2.1. Сырьевые ресурсы серы.............................................................. 1.2.2. Физико-химические процессы взаимодействия серы и битума.

Факторы, влияющие на свойства серобитумных вяжущих................................................................................................. 1.2.3. Свойства дорожных смесей на основе серобитумных вяжущих.................................................................................................. 1.2.4. Технологические особенности приготовления серобитумных вяжущих........................................................................ 1.2.5. Проектирование составов асфальтобетонов на серобитумном вяжущем................................................................... 2. СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ВЯЗКИХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ РАЗНЫХ МАРОК И ТИПОВ СТРУКТУРЫ...............................................................................

2.1. Структурно-механические свойства серобитумных вяжущих......... 2.2. Влияние температуры приготовления на свойства серобитумных вяжущих.............................................................................. 2.3. Изменение свойств серобитумных вяжущих при различных температурах................................................................................................ 2.4. Реологические свойства серобитумных вяжущих............................. 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ РАЗЛИЧНОМ НАПОЛНЕНИИ ЕГО МИНЕРАЛЬНЫМ ПОРОШКОМ...................................................................................................

4. АСФАЛЬТОВЫЕ БЕТОНЫ НА СЕРОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ......................................................................................................

4.1. Свойства органических вяжущих и минеральных материалов для асфальтобетона..................................................................................... 4.2. Физико-механические свойства асфальтобетонов на серобитумных вяжущих........................................................................ 5. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С СЕРОБИТУМНЫМИ ВЯЖУЩИМИ..................................................................................................

6. ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РАБОТЫ ПО ВЫПУСКУ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ НА СЕРОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ.....................................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................

Библиографический список.........................................................................

ВВЕДЕНИЕ Перспективным направлением повышения качества дорожных битумов является использование серы для их модификации. Техниче ская сера является недорогим и многотоннажным побочным продук том промышленности. Накопление технической серы как побочного продукта нефте- и газоперерабатывающих, нефтехимических и ме таллургических производств постоянно увеличивается. Имеется дос таточный мировой опыт использования серы в дорожном строитель стве, указывающий на более высокие физико-механические и реоло гические свойства серобитумных вяжущих и смесей на их основе по сравнению с обычными битумами и асфальтобетонами. Применение технической серы для модификации битумов экономически целесо образно и позволяет также решать экологические проблемы во мно гих регионах.

В книге обобщены зарубежные и отечественные исследования по использованию серы для модификации дорожных битумов и асфаль тобетонов. Описаны физико-химические процессы взаимодействия серы и битумов, факторы, влияющие на свойства серобитумных вя жущих, структурно-механические свойства сероасфальтобетонов.

Рассмотрены технологические особенности приготовления сероби тумных вяжущих и асфальтобетонов, предусматривающие снижение количества выделяющихся сернистых газов.

Представлены экспериментальных данные по изучению физико механических и реологических свойств серобитумных вяжущих, при готовленных из серы и дорожных битумов разных марок и типов структуры Омского НПЗ и Ачинского НПЗ. Показано влияние серо битумных вяжущих на физико-механические свойства асфальтобето нов. Разработана технология приготовления серобитумных вяжущих, предусматривающая использование преимущественно серийно вы пускаемого технологического оборудования. Результаты опытно производственных работ подтвердили целесообразность использова ния технической серы для модификации битумов.

Автор выражает благодарность рецензентам – генеральному ди ректору ОАО «Мостовое ремонтно-строительное управление», канд.

техн. наук, доц. И.И. Матяшу и начальнику отдела земляного полотна и дорожных одежд ОАО «Омский СоюздорНИИ», канд. техн. наук, доц. Е.А. Бедрину – за ценные замечания и советы при просмотре ру кописи.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕРЫ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ И АСФАЛЬТОБЕТОНОВ 1.1. Основные свойства серы Исключительная роль серы в природе, ее удивительные особенности, не свойственные большинству других химических элементов, обусловли вают интерес к химии серы и ее использованию в дорожном строительстве.

Сера – химический элемент VI группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева с атомной массой 32,06 и плотностью 2,1 г/см3. Темпера тура плавления серы 110 – 119 °С, кипения 444,8 °С. Сера плохо проводит электрический ток, нерастворима в воде и большинстве неорганических кислот, хорошо растворяется в сероуглероде, безводном аммиаке, анилине и других органических растворителях. Теплопроводность твердой и жид кой серы незначительна, поэтому для ее расплава и подогрева требуются значительные энергетические затраты в пределах 190 кДж/г на 1 кг твер дой серы. Основные свойства серы приведены в табл. 1.1 [1 – 4].

Таблица 1. Свойства технической серы Показатель Температура, °С 20 122 2,1 1,96 – 1,99 1,6 – 1, Плотность, г/см Прочность при сжатии, МПа 12 – 22 - Твердость по шкале Мосса 1–2 - - 0,011 – 0,012 0,0065 – 0, Вязкость, Па·с Поверхностное натяжение, - - 0, Н/м Теплоемкость, кДж/кг 0,7 1,47 1, Сера в зависимости от температуры может находиться в трех состоя ниях: твердом, жидком и газообразном. Строение молекул серы и их реак ционная способность зависят от температуры. При температуре 159,4 °С почти все свойства жидкой серы претерпевают изменения. Наиболее зна чительное изменение претерпевает вязкость. При 117 °С вязкость чистой серы составляет 0,011 Па·с. С увеличением температуры вязкость серы вначале уменьшается, достигая минимума при 155 °С – 0,0065 Па·с. На чиная со 158 °С жидкая сера буреет, вязкость ее увеличивается и при °С достигает максимального значения – 93,3 Па·с. При дальнейшем повы шении температуры вязкость серы снижается, и при 400 °С она становится равной 0,16 Па·с. Такое аномальное изменение вязкости связано с измене нием молекулярного строения серы.

При обычной температуре сера состоит из восьмиатомных кольцевых молекул, которые при температуре 155 – 160 °С начинают разрываться, что ведет к снижению вязкости. Затем кольцевые атомы возникающих от крытых структур соединяются друг с другом, образуя длинные цепи из не скольких тысяч атомов. Это сопровождается резким повышением вязкости.

Дальнейшее нагревание ведет к разрыву цепей, вследствие чего вязкость уменьшается.

Молекулярная структура серы отличается очень большим разнообра зием полиморфных модификаций. В настоящее время выделено более три дцати аллотропов серы, большинство из них недостаточно изучены, и пока еще отсутствует их единая классификация [1 – 3, 5].

Из полиморфных аллотропов, содержащих от десятков до сотен тысяч атомов в молекуле, наиболее изучены около десяти, в том числе: S ром бическая, лимонно-желтого цвета плотностью 2,07 г см 3 и температурой плавления 112,8 С, сера устойчива при температуре ниже 95,5 С;

S призматическая моноклинная, медно-желтого цвета, плотностью 1,96 г/см и температурой плавления 119,3 С, устойчива в интервале температур 95, – 119,3 С;

S циклическая кольцевая и S полимерная, которые пред ставляют наибольший интерес для строительной практики.

Ромбическая сера при температуре выше 95,5 С под давлением соб ственных паров преобразуется в моноклинную модификацию (длинные темно-желтые и игольчатые кристаллы), наиболее устойчивую при темпе ратуре выше 96 С. При плавлении (температура 110 – 119 С) моноклин ная сера превращается в желтую легкоподвижную жидкость. При даль нейшем нагревании жидкость темнеет, приобретает красновато-бурый цвет и при температуре около 240 – 250 С настолько густеет, что не выливается из опрокинутого сосуда. Выше температуры 300 С она снова становится жидкой, а при температуре 444,8 С закипает, образуя оранжево-желтые пары. Если нагретую до кипения серу быстро охладить, то она превраща ется в мягкую резиноподобную темно-коричневую массу (пластическую серу). Через некоторое время она становится хрупкой, темнеет, постепенно превращаясь в ромбическую серу. Скорость перехода полимерной серы в другие аллотропные формы составляет примерно 7 % в месяц. Путем до бавления небольшого количества йода или других веществ можно задер жать этот процесс, увеличив устойчивость пластической серы.

Полученная из расплава твердая сера всегда содержит в определен ных количествах смесь различных аллотропов, в том числе три основные фракции: кристаллическую, состоящую в основном из циклооктасеры, ак тивных аллотропических разновидностей и полимерной серы. Соотноше ния этих фракций зависят от термической предыстории твердой серы (температуры расплава к моменту охлаждения) и режима отвердевания.

Переход серы из жидкого состояния в твердое состояние сопровожда ется заметным уменьшением объема (примерно на 14 %).

Сера характеризуется низкой вязкостью в интервале температур 120 – 150 °С, нетоксичностью в твердом состоянии, высокой адгезией к порис тым материалам, гидрофобностью, достаточной механической прочно стью. При низких температурах сера сравнительно инертна. При высоких температурах она взаимодействует со многими элементами, кроме йода, азота, золота, платины, иридия и инертных газов. Сера реагирует со мно гими органическими соединениями. В реакциях с насыщенными углеводо родами протекает их дегидрирование. Реакция серы с олефинами имеет большое практическое значение, так как ее используют для вулканизации каучука.

Сера обладает стойкостью к воздействию агрессивных сред (раство ров кислот и солей), водостойкостью, что говорит о возможности получе ния на ее основе химически и водостойких строительных материалов.

1.2. Зарубежный и отечественный опыт применения серы в дорожном строительстве 1.2.1. Сырьевые ресурсы серы Сера в земной коре содержится в трех формах: в самородном виде, в виде сульфатов и сульфидов. Самородная сера – древнейшие отложения, образованные вулканической деятельностью. Сера как бы пропитывает почву, образуя вкрапления в минеральном материале, однако встречаются отложения почти в чистом виде. Сульфатная сера содержится в щелочных и щелочно-земельных металлах (гипс, глауберовая соль, ангидрид). Суль фидная сера входит в состав тяжелых металлов (железистый колчедан, цинковая обманка, киноварь).

Добыча самородной серы из недр осуществляется методом подземной выплавки путем откачки из скважин жидкой серы, расплавленной тепло носителем непосредственно в залежи.

Использование серы в строительной практике началось еще в конце XIX в., но тогда оно не нашло широкого распространения ввиду ее относи тельно высокой дороговизны. В настоящее время в ряде стран (Канада, США, Россия, Казахстан) производство серы постепенно превысило ее по требление, и себестоимость продукции значительно снизилась. Увеличива ется доля попутной серы, полученной при очистке нефти, нефтепродуктов, природного и топочного газов, других промышленных выбросов [5 – 10].

Самые крупные производители серы во всем мире – это США, Кана да, Россия, Польша, Мексика, Франция. В России, Франции и Канаде в ос новном получают серу в результате очистки природного газа и нефтепро дуктов, в других странах – преимущественно из природных залежей. В России источником серы является также ее производство из руды авто клавной выплавки [1]. Распространены отходы, получаемые при производ стве серы методом фазового обмена. Эти отходы называют серным грану литом. Они представляют собой тонкодисперсный минеральный материал серорудной породы с вкраплением серы (15 – 30 %).

В конце XX в. объем мирового производства серы в процессе ее ути лизации в различных отраслях промышленности составлял более 10 млн т в год. Количество неутилизированной серы достигало около 25 млн т [6].

В России значительное количество попутной серы скопилось в отва лах предприятий: ООО «Астраханьгазпром», ОАО «Норильский никель», ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод» (г. Ревда, Свердловская обл.). Образуются серные отходы на нефтеперерабатывающих предпри ятиях: ОАО «Омский НПЗ» (около 60 тыс. т серы в год), ОАО «Башкорто станнефтезавод». В Татарстане ежегодно образуется более 35 тыс. т сер ных отходов на Минибаевском ГПЗ, ОАО «ТАИФ-НК» и других предпри ятиях, а с вводом Нижнекамского ОАО «ТАНЕКО» выход серы составит еще 260 тыс. т в год [7].

В Казахстане на картах Тенгиза (ТОО СП «Тенгизшевройл») к 2007 г.

было накоплено 8,5 млн т серы (40 % от всей хранящейся в мире серы).

Ежегодный прирост серы составляет 100 тыс. т. Поэтому к 2030 г. количе ство серы в отвалах может увеличиться до 58 млн т [8].

Переработка дешевой попутной серы в эффективные дорожно строительные материалы экономически целесообразна и позволила бы также решить экологическую проблему во многих регионах.

В настоящее время определились следующие направления примене ния серы при строительстве и ремонте автомобильных дорог [5 – 45, 48 – 55, 58 – 70]: в асфальтобетонных смесях взамен части битума;

в серобе тонных смесях для дорожных покрытий и изготовления штучных изделий (тротуарных плит, укрепительных плит, элементов обстановки дороги, бордюрных камней);

для приготовления композиционных серосодержащих материалов, используемых в качестве вяжущего в гидроизоляционных и горячих антикоррозионных мастиках;

при приготовлении горячих и хо лодных («водорастворимая» сера) композиций для пропитки капиллярно пористых материалов с целью гидрофобизации и упрочнения.

Из всех перечисленных материалов наиболее известен серный бетон (СБ), по структуре аналогичный другим видам бетонов – цементобетонам, асфальтобетонам, полимербетонам. По химическим и диэлектрическим свойствам СБ не уступают большинству видов полимербетонов, но стои мость их значительно ниже. Технология изготовления СБ исключает ис пользование воды и процесса пропарки, что значительно снижает затраты на его производство. Приготовление серобетонной смеси может произво диться в обычных асфальтосмесительных установках. При соблюдении температурного режима укладывать такие смеси или формовать из них из делия можно в любое время года [5, 8, 11, 12]. Прогрессивные технологии изготовления и использования серного бетона разработаны в Канаде, США, России. Исследования по разработке составов, технологии приго товления и применения серобетона ведутся в Казахстане.

Одним из наиболее эффективных направлений применения серы в дорожном строительстве является модификация нефтяных дорожных би тумов и получение на их основе сероасфальтобетонов [6, 9, 10, 13 – 45, – 57].

Серобитумные вяжущие и смеси на их основе обладают более высо кими показателями физико-механических и реологических свойств по сравнению с обычными битумами и асфальтобетоном. Использование серы целесообразно не только с точки зрения экономии дефицитного битума, но и энергоресурсов за счет снижения температуры приготовления и укладки материалов с серой.

1.2.2. Физико-химические процессы взаимодействия серы и битума. Факторы, влияющие на свойства серобитумных вяжущих Учитывая широкий диапазон влияния серы, важно представлять ме ханизм процессов, происходящих при объединении серы с битумом, и ус ловия прохождения этих процессов.

Взаимодействие серы и органических соединений до настоящего вре мени изучено недостаточно. Исследование реакций осернения затрудняет ся сложностью структуры самой серы, способностью ее реагировать сразу в нескольких направлениях с выделением сероводорода и полисульфонов, вызывать побочные реакции (присоединения, гидрирования, конденсации, полимеризации). При химическом взаимодействии серы и битума образу ются сероуглеродные связи в результате взаимодействия серы и ненасы щенных углеводородных компонентов смол и алкенов. В связи с тем, что структурные элементы смол состоят из ароматических, нафтеновых и гете роциклических колец, соединенных между собой короткими алифатиче скими мостиками, они являются наиболее вероятными компонентами взаимодействия с серой [1, 2, 4, 13].

Процесс взаимодействия серы с органическими вяжущими при высо ких температурах предположительно может протекать по ионному и ради кальному механизмам. В результате реакций осернения наблюдается уменьшение содержания смол и увеличение количества высокомолекуляр ных соединений, ведущих к увеличению содержания дисперсной фазы в вяжущем.

На свойства серобитумных вяжущих (СБВ) влияют следующие ос новные факторы и параметры технологии: температура взаимодействия серы с битумом;

содержание серы в СБВ;

структурно-реологический тип битума;

агрегатное состояние серы при введении в битум;

интенсивность и продолжительность перемешивания СБВ.

Сера обладает весьма высокой химической активностью по отноше нию к углеводородам битума. Решающее влияние на взаимодействие серы с битумом оказывает температура. Олигомеры, содержащиеся в битуме, начинают реагировать с серой при температуре выше 130 °С, насыщенные соединения – при температуре 140 – 150 °С. Следствием окисляющего эф фекта серы [18, 51, 52], вступающей в реакцию дегидрирования с углево дородами, является выделение газов сероводорода и диоксида серы как факторов образования промежуточного неустойчивого гидроксокомплекса НSОН, который распадается по схеме [3, 4] 3(S Н 2 О) 2Н 2 S + Н 2 SО3.

При взаимодействии серы с битумом протекают две основные хими ческие реакции.

При температурах до 140 С результатом взаимодействия серы с угле водородами битума является образование полисульфидных соединений.

Наиболее активные связи возникают с ароматическими нафталинами. На блюдается эффект пластификации, происходит увеличение пенетрации и снижение температуры размягчения СБВ. Содержание асфальтенов при этом не изменяется. При более высоких температурах полисульфидные со единения переходят в циклические сульфиды со структурой тиофенового типа с образованием поперечных связей.

При температурах выше 140 °С протекают реакции дегидрирования битумных связей и выделяется сероводород. Дегидрированные цепи под даются циклизации, приводящей к повышению содержания асфальтенов.

Одновременно выделяется диоксид серы вследствие окисления серы ки слородом воздуха и кислородом из гетеросвязи асфальтенов. В результате повышаются вязкость и твердость битума, изменяются структурные и рео логические свойства вяжущего.

Эти температурные границы условны, так как обе реакции могут про текать одновременно. Доминирующий характер одной из них зависит от изменения температуры, состава и структуры компонентов смол, что при водит к определенному изменению свойств вяжущих за счет различной степени полимеризации материала.

Скорость реакции заметно возрастает при повышении температуры до 175 °С, когда сера присутствует в смеси в виде линейного полимера. Ис следование химического состава СБВ методом ИК-спектроскопии показа ло, что в процессе получения серобитумного вяжущего при температуре 180 – 200 С линейные молекулы серы взаимодействуют с непредельными углеводородами битума, которые постоянно образуются в процессе реак ции дегидратации. Происходит сшивание макромолекул и образование сетчатых структур, что ведет к резкому возрастанию вязкости и теплоус тойчивости СБВ [27].

Таким образом, рекомендуемая рабочая температура смешения серы с битумом составляет 130 – 140 °С. Выше указанной температуры наблюда ется интенсивное выделение токсичных газов, ниже – не происходит хи мического взаимодействия серы с битумом.

Сера присутствует в СБВ в трех видах [6, 18, 36, 52]: химически свя занной;

растворенной в битуме;

свободной кристаллической тонкодис персной, играющей роль наполнителя битума. Каждый вид серы обладает различными свойствами в серобитумном вяжущем.

Химически связанная сера. В химические реакции с битумом вступает незначительное (5 – 7 мас. %, иногда 10 мас. %) количество серы. При температуре выше температуры плавления серы ее восьмичленные кольца распадаются на вытянутые цепи, длина которых возрастает при повыше нии температуры, и соединяются с битумом. Это количество серы является наиболее активным модификатором вяжущего [29].

Сера, растворенная в битуме. Количество такой серы зависит от вяз кости, происхождения битума и температуры приготовления СБВ. В до рожных битумах может расплавляться до 20 – 30 мас. % серы. Предельное количество растворенной серы растет с увеличением содержания аромати ческих углеводородов, содержащихся в мальтеновой части битума [6].

Растворение серы ароматическими углеводородами масляной фрак ции битума подтверждается увеличением глубины проникания иглы при 25 °С и 0 °С и снижением температуры хрупкости. Увеличение растяжи мости при 0 °С при общей пластификации вяжущего происходит за счет большего упорядочения структуры дисперсионной среды битума и повы шения ее эластичности.

Механизм пластификации объясняется растворимостью серы и пере ходом ее в аморфное состояние в среде углеводородов, а также разрушени ем структурного коагуляционного каркаса битума за счет адсорбции и взаимодействия серы с активными группами структурообразующих ком понентов.

С понижением температуры СБВ количество растворенной серы уменьшается. Так, при температуре эксплуатации дорожного покрытия ее содержание обычно не превышает 8 мас. %. Большая часть расплавленной в битуме серы кристаллизуется с течением времени, выделяется в виде твердой фазы и ведет себя подобно дисперсному наполнителю. При высо ких содержаниях серы в СБВ возможно также возникновение кристаллиза ционной структуры в битуме за счет срастания выделяющихся в виде кри сталлов частиц серы [6, 51].

Сера, диспергированная в битуме. При добавлении серы в битум в ко личестве более 20 – 30 мас.% она не может расплавиться в нем и выступает в битуме в виде мельчайших диспергированных частиц диаметром около 0,1 мкм. Такая сера выполняет в битуме роль структурообразующего на полнителя. Содержание серы при этом может составлять более половины всего количества добавляемой серы, а эффективность наполнения растет с уменьшением вязкости битума. Величина зерен серы, не растворенной в битуме, оказывает существенное влияние на свойства СБВ, особенно на его вязкость и когезию. Размер образующихся зерен серы зависит от усло вий совмещения компонентов (температуры, времени, интенсивности пе ремешивания) и скорости охлаждения СБВ.

Медленное охлаждение приводит к формированию прочных кристал лических связей за счет выкристаллизации серы из раствора. Структура этих связей может быть повреждена при быстром охлаждении или механи ческом разрушении, например, при укладке и уплотнении серобитумоми неральных смесей. Со временем моноклинная сера превращается в орто ромбическую серу, а это сопровождается ростом ее прочности. Поэтому условия формирования структуры СБВ во времени играют важную роль в создании качественных и долговечных серобитумных материалов.

При содержании серы в СБВ до 20 мас. % его вязкость ниже вязкости битума, но выше вязкости расплава элементарной серы. Увеличение со держания серы в СБВ приводит к постепенному повышению вязкости, но и при 30 мас. % содержании серы вязкость СБВ ниже вязкости битума. Вяз кость СБВ зависит от температуры, повышаясь с ее понижением [6].

Хорошее диспергирование серы способствует снижению вязкости СБВ при температуре выше температуры ее отвердевания. При этой тем пературе сера сохраняется как переохлажденная жидкость. Именно это свойство является определяющим условием применения СБВ для приго товления асфальтобетонных смесей [6].

Расплавленная сера при температуре 119 С имеет более низкую вяз кость, чем битум. Так, в диапазоне температур 120 – 150 С вязкость серы составляет 0,08 – 0,1 Па·с. Вязкость битума (с глубиной проникания иглы, равной 150 – 200 · 0,1 мм) при температуре 110 С равняется 0,35 Па·с, а при температуре 150 С – 0,16 Па·с [9].

Физические свойства жидкого битума и жидкой серы указывают на возможность получения СБВ в виде серобитумной эмульсии (СБЭ), в ко торой сера будет дисперсной фазой, а битум – дисперсионной средой.

Вследствие разницы в вязкости битума и серы в интервале температур от 120 до 150 С жидкий битум, имеющий более высокую вязкость, чем жид кая сера, способствует ее диспергированию [6, 48].

Стабильность образующегося СБВ повышается при увеличении сте пени диспергирования серы. Однако в результате химического взаимодей ствия серы с битумом и частичной ее коалесценции наблюдается обратный процесс, который приводит к седиментации серы.

Исследования [48, 49] показали, что при производстве СБВ целесооб разно несколько переохладить серу. Это препятствует кристаллизации се ры, оставляя ее в жидком состоянии, и позволяет вести технологический процесс при пониженных температурах. Фактором, способствующим со хранению серы в СБВ в переохлажденном состоянии, является ее диспер гирование на частицы диаметром от 5 до 10 мкм, что уменьшает ее склон ность к рекристаллизации.

Повышению устойчивости СБВ способствует образование при темпе ратуре реакции около 140 С нафталино-ароматических углеводородов с полярными ароматическими группами. Полярные ароматические группы формируют адсорбционный слой на поверхности частиц серы, препятст вующий их коалесценции. Известно также применение в качестве стабили затора СБВ кремнийорганических полимеров, которые являются эмульга торами и при этом препятствуют выделению сероводорода [50].

Со временем вязкость СБВ возрастает (рис. 1.1) и превышает вязкость битума [29, 53]. Изменение вязкости во времени зависит от степени дис пергирования, содержания и вязкости серы, марки битума и условий хра нения. При хранении изменяется не только вязкость, но и пенетрация СБВ.

Получение СБВ при температуре, не превышающей 150 С, приводит к по вышению пенетрации, но в процессе хранения пенетрация понижается и становится меньше, чем у битума. Введение в СБВ добавки стабилизатора и эмульгатора способствует меньшему изменению пенетрации (рис. 1.2) [54].

По данным СоюздорНИИ [22], через сутки после введения серы ее пластифицирующее действие сказывается на консистенции битума марки БН 90/130 во всем диапазоне концентраций от 0 до 30 мас. %. Максималь ное значение глубины проникания иглы соответствует содержанию серы 10 мас. %. Со временем эффект пластификации исчезает, проявляется структурирующее действие серы.

СБВ Вязкость, Па с \ Битум АС- / 0 20 40 60 Время хранения, ч Рис. 1.1. Зависимость вязкости битума и СБВ в зависимости от времени хранения при температуре 60 С Показатели глубины проникания иглы уменьшаются с увеличением содержания серы в СБВ (табл. 1.2). Такая же закономерность, но менее яр ко выраженная, наблюдается для температуры размягчения и температуры хрупкости. В первые сутки температура размягчения снижается, а затем возрастает и превышает исходную величину.

Исследованиями [33] установлено, что оптимальное количество серы в СБВ зависит от формы серы. Оптимальное количество полиморфной се ры составляет около 25 мас. %, элементарной серы – около 10 мас. %.

При этом пенетрация СБВ с элементарной серой меньше, чем пенетрация СБВ с полиморфной серой.

При увеличении количества серы в СБВ свойства битума изменяются следующим образом [6, 9, 20 – 22, 30 – 36, 43, 45, 46].

Температура размягчения понижается и достигает минимальной вели чины при содержании серы 10 – 15 мас. %. Причем форма серы не оказы вает влияния на изменение этого показателя.

Растяжимость СБВ при температурах 0 С и 5 С при содержании серы около 10 мас. % повышается по сравнению с растяжимостью битума [6, 20]. При температуре 25 С и введении серы в СБВ в количестве более мас. % растяжимость уменьшается [29]. Очевидно, на изменение этого по казателя влияют структура и марка исходного битума.

/ Пенетрация, 0,1 мм / / 0 20 40 60 Время, ч Рис. 1.2. Влияние времени хранения на пенетрацию битума и СБВ [50]: 1 – битум АС-500;

2 – СБВ (37,5 % серы и 62,5 % битума АС-500) с добавкой стабилизатора и эмульгатора;

3 – СБВ (37,5 % серы и 62,5 % битума АС-500) Таблица 1. Изменение свойств серобитумных вяжущих в процессе хранения Количество Время хранения, сутки Показатель серы, мас. % 1 7 30 Глубина проника- 0 98 88 83 ния иглы при 25 °С, 10 139 117 75 0,1 мм 30 120 76 55 Температура 0 47 - - размягчения, °С 10 45 45 46 47, 30 51,5 52,5 55 55, Температура 0 –14 - –14 хрупкости, °С 10 –16,5 - –15 30 –15 - –14 Температура хрупкости достигает минимальных значений при содер жании серы в СБВ около 10 мас. %. При увеличении количества серы тем пература хрупкости повышается, но даже при содержании серы 50 мас. % в СБВ его температура хрупкости остается ниже, чем у исходного битума [6, 51].

Адгезионные свойства СБВ зависят от технологии получения, коли чества серы, химического состава битума [6, 22, 51].

Процессы структурообразования в битумах разной структуры сущест венно различаются и зависят от концентрации серы в СБВ и температуры приготовления серобитумного вяжущего [56].

Серобитумные вяжущие имеют более широкий рабочий интервал температур по сравнению с исходным битумом, причем при содержании серы до 15 мас. % это достигается за счет снижения температуры хрупко сти, а при содержании серы от 15 до 30 мас. % – преимущественно за счет роста температуры размягчения. При содержании серы в СБВ более мас. % происходит снижение водо- и морозостойкости асфальтобетона. На основании работ, проведенных в СоюздорНИИ, впервые в отечественной практике установлена зависимость свойств СБВ не только от марки биту ма, но и от его структурно-реологического типа [20, 21, 56].

Серобитумное вяжущее получают введением в битум дробленой (час тицы до 10 мм), молотой (порошкообразной) либо расплавленной серы.

Продолжительность перемешивания СБВ до однородного состояния со кращается при использовании расплавленной серы. Время смешения ком понентов составляет от 5 до 30 мин в зависимости от интенсивности пере мешивания и количества серы.

Исследования показали, что способ введения серы в битум не оказы вает существенного влияния на свойства СБВ. Важно, чтобы она расплав лялась и равномерно распределялась в композиции. В случае недостаточ ного обеспечения качественного совмещения органического вяжущего и серы не происходит заметного улучшения свойств смеси. В этом случае сера выступает как инертный наполнитель [19].

Заслуживает внимание опыт, полученный дорожниками Польши, яв ляющейся одной из ведущих стран в мире, занимающихся производством СБВ. Для подготовки СБВ устанавливают коллоидные (эмульсионные) мельницы или статический смеситель.

Таким образом, на физико-механические свойства СБВ большое влияние оказывают температура приготовления СБВ, концентрация серы в вяжущем и форма серы (полиморфная, элементарная), состав и структура битума, технология получения СБВ [6, 9, 20 – 26, 50 – 52, 56].

Свойства СБВ, их эксплуатационные характеристики зависят во мно гом от молекулярной структуры и строения серы. Применение различных модифицирующих добавок позволяет направленно изменять и регулиро вать ее свойства. В зависимости от функционального назначения модифи цирующие добавки подразделяются на пластифицирующие, стабилизи рующие, газо- и воздухововлекающие и т.д. Добавками могут служить как органические, так и минеральные материалы, вводимые в состав серного расплава. Многие из них хорошо изучены и классифицированы по меха низму взаимодействия с серой [12].

В качестве пластифицирующих добавок наиболее часто используют нафталин, парафин, дициклопентадиен, тиокл, резиновую крошку и дру гие. Последние годы ведутся исследования побочных продуктов промыш ленных производств, в состав которых входят вещества, способные эффек тивно модифицировать серу.

Улучшение свойств серосодержащих материалов при введении пла стификаторов объясняется следующим образом. В результате взаимодей ствия серы с добавками (или продуктами их распада) образуется некоторое количество полимерной серы, которая по сравнению с кристаллическими модификациями обладает более высокой деформативностью, большей ад гезией к заполнителям и меньшими внутренними напряжениями при пере ходе из вязкожидкого в твердое состояние [11, 12].

Образующаяся полимерная модификация серы с течением времени при комнатной температуре реверсирует в кристаллические модификации, что приводит к снижению физико-механических и эксплуатационных свойств серных материалов. Для предотвращения этого процесса исполь зуют различные стабилизирующие добавки (красный фосфор, йод, их сме си, селен, дициклопентадиен и др.).

Ввод в серу стабилизирующих добавок позволяет улучшить её проч ностные и деформативные характеристики, стойкость к действию агрес сивных сред за счет стабилизации некоторой её части в полимерном со стоянии. Согласно существующему в настоящее время мнению большин ства исследователей [1], роль стабилизаторов заключается в том, что они (или продукты их распада) взаимодействуют с серой, присоединяясь к концам полимерной цепи, «насыщают» свободные валентности, обрывают процесс полимеризации и превращают материал в сшитый полимер. Это приводит к резкому снижению скорости деполимеризации. Однако введе ние добавок не позволяет полностью предотвратить процесс кристаллиза ции серы.

При получении СБВ в результате взаимодействия серы с непредель ными углеводородами битума происходит выделение токсичных серни стых газов – сероводорода и сернистого ангидрида. Это сдерживает широ кое применение серы в дорожном строительстве. Поэтому решение про блемы по предотвращению выделения сернистых газов при получении и применении СБВ является важнейшей задачей.

1.2.3. Свойства дорожных смесей на основе серобитумных вяжущих За рубежом (США, Канада, Польша, Германия, Франция и др.) накоп лен достаточно большой опыт использования СБВ в дорожном строитель стве [6, 15 – 17, 29 – 37, 43, 48 – 55].

Отечественные исследования в этой области ограничиваются в основ ном лабораторными и опытно-производственными работами [7, 9, 20 – 27, 38 – 45].

Первые опытные участки автомобильных дорог в США и Канаде с покрытием на основе СБВ построены в 1964 г. Серобитумные вяжущие го товили с содержанием серы 30 % от массы битума [15]. Поскольку плот ность серы намного выше, чем плотность битума, расход по массе СБВ для приготовления смесей также несколько выше, чем битума [16]. Особенно стью таких смесей являются их хорошая удобоукладываемость и уплот няемость, повышенная термостабильность вяжущего и асфальтобетона.

В США и Канаде изучен способ приготовления СБВ и смесей на их основе, при котором порошкообразная или комовая сера вводилась непо средственно на минеральный материал в смесительный барабан и переме шивалась в течение 15 с. После расплава серы и обволакивания ею мине рального материала производилась обработка смеси битумом (перемеши вание ведется в течение 35 – 55 с).

Проводились исследования при одновременной подаче и перемеши вании всех этих компонентов в смесителе принудительного действия [28].

Свойства смесей, полученных при такой технологии, не всегда удовлетво ряли действующим требованиям. Основной причиной может быть исполь зование различных по природе минеральных материалов, роль которых во взаимодействии серы и битума весьма значительна, однако в этих исследо ваниях не учитывалась.

Именно поэтому во Франции, где ежегодно устраивалось около 10 км опытных покрытий из асфальтобетонов [17], использовалась технология предварительного перемешивания расплавленной серы с разогретым би тумом с последующей обработкой этим вяжущим минерального материа ла. Исследовали возможность использования СБВ в смесях с гравием, шлаком, малопрочным материалом. Опытное строительство показало, что качество смесей, приготовленных на таких материалах с использованием серы, соответствует качеству смесей, приготовленных на битумах и кон диционном щебне и минеральном порошке.

Возможность использования в серобитумоминеральных смесях не кондиционных каменных материалов привела к исследованиям и в тех странах, где сера является привозным и дорогим материалом. Так, в Сау довской Аравии [30] проведены исследования с целью применения дюн ных песков в асфальтобетонных смесях. Установлено, что введение 15 % серы в смесь дюнного песка с высоковязким битумом позволяет не только снизить оптимальное содержание битума с 6,4 до 5 %, но и существенно улучшить физико-механические свойства битумопесчаных материалов.

Использование природных некондиционных песков в качестве мине рального компонента битумосероминеральных смесей является одним из центральных направлений работ дорожников США, Канады и других стран. Такие смеси в основном предназначены для ремонта асфальтобе тонных дорожных и аэродромных покрытий любого класса [31]. Они от личаются большой технологичностью (удобообрабатываемостью и уплот няемостью) и экономичностью.

В Польше изучено влияние количества добавки серы на битум раз личных марок и структурно-реологического типа в зависимости от темпе ратуры приготовления и времени структурообразования [18]. Для приго товления СБВ использовали либо коллоидные (эмульсионные) мельницы, либо статический смеситель, представляющий собой часть трубопровода с размещенными внутри него червячными сегментами из листовой стали.

Оба способа приготовления вяжущего дают возможность равномерно дис пергировать серу размером 5 20 мкм в битуме и получать вяжущее, об ладающее высокими показателями свойств.

Результаты проведенных исследований [6, 7, 9, 10, 20, 22, 33 – 37 и др.] показывают, что минеральные смеси на СБВ характеризуются лучши ми прочностными свойствами, чем минеральные смеси на битумном вя жущем.

Исследованиями K. Аламы и Д. Завадски установлено, что сероас фальтобетоны имеют повышенную устойчивость по Маршаллу. Причем с повышением температуры уплотнения сероасфальтобетонных смесей воз растает устойчивость по Маршаллу и уменьшается деформативность (рис.

1.3), что указывает на большую устойчивость сероасфальтобетона к обра зованию колеи в летнее время [29].

100 Устойчивость по Маршаллу, кН / 80 Деформативность, мм 2/ \ 60 \ 40 20 0 80 100 120 140 о С Температура уплотнения, Рис. 1.3. Влияние температуры уплотнения смеси на устойчивость по Маршаллу (1) и деформативность (2) асфальтобетона (- - - ) и сероасфальтобетона (–––) Подробные исследования влияния добавки серы на свойства польско го битума марки D 50/70 и асфальтобетонов представлены в работах М.

Иваньски и Н.Б. Урьева [6, 43]. Серобитумные вяжущие получали при температуре 135 °С в коллоидной мельнице.

Изучение стандартных и реологических свойства битума и СБВ пока зало, что добавка серы в количестве 5 – 15 % эквивалентна введению пла стификатора. При увеличении количества серы в СБВ она выступает в ка честве структурирующей добавки, но пластифицирующее действие серы на битум сохраняется до 30 – 50 % ее содержания в СБВ и зависит от оп ределяемого показателя.

При хранении эффект пластифицирующего действия серы на свойства битума снижается вследствие кристаллизации серы. Но этот процесс обра тим после расплавления СБВ. Увеличение содержания серы в СБВ до 30 % приводит к значительному повышению сцепления вяжущего с минераль ными материалами. Дальнейшее увеличение количества серы в СБВ ухуд шает адгезионные свойства вяжущего (табл. 1.3) [6].

Таблица 1. Сцепление битума и СБВ с поверхностью минеральных материалов Минераль- Содержание серы в вяжущем, мас. % ный материал 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Доломит 85 85 85 90 95 100 90 85 80 Кварцит 60 60 60 75 85 90 80 70 55 Базальт 90 90 90 100 100 100 95 90 85 Установлены особенности влияния добавок серы на структурно реологические свойства асфальтобетона. Показано, что понижение устой чивости и деформативности асфальтобетона по Маршаллу при содержании серы до 15 %, а затем ее повышение при содержании серы 30 и 40 % (рис.

1.4) тесно связаны с влиянием серы на вязкость и физико-механические свойства СБВ [6].

Введение в СБВ добавки серы в количестве до 15 % хотя и приводит к понижению прочности при сжатии и устойчивости по Маршаллу, но эти характеристики превышают требования стандартов. Увеличение содержа ния серы до 30 % вызывает резкий рост механических характеристик. Ас фальтобетоны на СБВ при содержании серы в количестве 30 % имеют наи более высокую морозостойкость, что объясняется лучшими адгезионными свойствами СБВ по сравнению с битумом (см. табл. 1.3).

Модули упругости асфальтобетонов на битуме и СБВ при температу ре 0 °С равны, а при отрицательных температурах асфальтобетон на СБВ имеет меньшие модули упругости, что указывает на его повышенную де формативность. Кроме того, добавка серы до 15 % в асфальтобетон вызы вает повышение прочности при изгибе во всем диапазоне температур, по нижение ползучести и повышение трещиностойкости.

а) б) 10 Устойчивость по Маршаллу, кН Деформация, мм 2 \ 7 \ \ \ 5 0 10 20 30 40 0 10 20 30 Содержание серы, мас. % Содержание серы, мас. % Рис. 1.4. Зависимость устойчивости (а) и деформативности (б) по Маршаллу асфальтобетонов от содержания серы в СБВ. Асфальтобетон на неактивированном (1) и активированном (2) минеральном порошке Для улучшения структурно-механических свойств асфальтобетонов добавка серы в СБВ должна составлять 30 %. В смесях целесообразно применение минерального порошка, активированного жидким битумом.

Битумная пленка на поверхности частиц минерального порошка переводит серу в «капсулированное» состояние и препятствует образованию и росту кристаллов серы на их поверхности при остывании асфальтобетона. Это особенно важно при повышенном содержании серы (30 % и более). Акти вированный минеральный порошок способствует сохранению серы в пере охлажденном состоянии, позволяет повысить уплотняемость смесей и фи зико-механические свойства асфальтобетонов. Кроме того, применение СБВ, содержащего 30 % серы, в асфальтобетоне в сочетании с активиро ванным минеральным порошком приводит к понижению оптимальной температуры уплотнения смеси до 115 °С, т.е. на 25 °С ниже, чем асфаль тобетонных смесей на битуме [6].

Л. Дах-ин выполнены исследования реологических свойств и долго вечности битумов и асфальтобетонных смесей, модифицированных добав ками серы [33]. Введение серы в битум осуществлялось при 150 С. Соот ношение между битумом и серой варьировали в широких пределах. Добав ка небольшого количества серы пластифицирует битум. Добавки больших количеств серы повышают прочность при растяжении, водоустойчивость и модуль деформации асфальтобетонных смесей, снижают расход битума при приготовлении асфальтобетонных смесей.

Серобитумное вяжущее с содержанием серы до 50 % улучшает экс плуатационные качества асфальтобетона при низких температурах, при этом возрастает сопротивление многократно повторяющимся нагрузкам [34]. Изменяя содержание серы, можно подобрать жесткость материала в соответствии с температурой данного района. Асфальтобетонные смеси готовят с помощью обычного оборудования. Температура приготовления смеси на 10 С ниже, чем обычных смесей. Это позволяет экономить 10 % энергии.

В работе [35] также указывается, что добавление серы в битум приво дит к увеличению прочности слоя асфальтобетона, что дает возможность уменьшить толщину слоя на 20 %. Добавление серы в битум вызывает зна чительное увеличение прочности асфальтобетонных покрытий при низких температурах.

Содержащий серу асфальтобетон более стоек к действию автомобиль ного и авиационного топлива [36]. С увеличением содержания серы в СБВ снижается растворяющее действие топлива, а при содержании в вяжущем 35 % серы по объему (52 % по массе) это действие минимально. При такой концентрации серы наблюдается увеличение прочности асфальтобетона.

Покрытия из такого асфальтобетона целесообразно применять на площад ках обслуживания самолетов, стоянках автомобилей и автозаправочных станциях.

Особое место в комплексе серобитумоминеральных смесей занимают литые ЛСБС [32], в первую очередь смеси, приготовленные на природном песке. Значительное улучшение удобообрабатываемости, снижение темпе ратуры приготовления и укладки (соответственно со 220 – 250 С до 140 – 150 С и со 160 – 180 С до 125 – 135 С) с одновременным повышением сдвигоустойчивости и трещиностойкости позволяет использовать эти сме си при строительстве автомобильных дорог. При этом экономится до 50 % вяжущего. Возможность укладки таких смесей в покрытие без уплотнения позволяет эффективно использовать ту часть серы, которая не прореагиро вала с битумом и в процессе остывания смеси (при температуре ниже С) выкристаллизовывается. В литых смесях она образует механические связи, оказывающие значительное влияние на прочность слоя, которые в обычных смесях, уплотняемых в диапазоне температур 160 – 180 С, раз рушились бы и ухудшили качество устраиваемых слоев.

Ремонт с применением СБВ выполняли на опытных участках дорож ных покрытий США с использованием смеси следующего состава: битум %;

сера 17 %;

песок 77 %. Исходные материалы нагревали до 150 °С, затем смешивали песок и битум в течение 20 с, после чего добавляли серу и пе ремешивали еще 30 с. Использование такого материала позволило исклю чить работы по уплотнению. Материал отличался высокой прочностью, водо- и морозоустойчивостью.

В некоторых странах (Дания, Голландия) при изготовлении органо минеральных смесей обработку пористых малопрочных каменных мате риалов проводят расплавом серы, что способствует их упрочнению и по вышению физико-механических свойств.

Серу используют для устройства термоизоляционных слоев дорожной одежды (Канада, Финляндия), причем смешение выполняют непосредст венно на месте работ. Расплавленную серу смешивают с пенообразующим агентом и в жидком виде укладывают на грунт. Материал застывает в те чение нескольких минут. Достаточную прочность пенообразный материал приобретает примерно за 12 ч. Термоизоляционные слои укладывают на тех участках, где имеется опасность морозного пучения, в районах вечной мерзлоты. Слой вспененной серы в 1 см эквивалентен по термоизоляцион ным свойствам слою гравия толщиной 12 см. Расход материала составляет 62,5 т на 1 км дороги при ширине 6,1 м [9].

Исследования по использованию серы в дорожном строительстве проводили в СоюздорНИИ, ГипродорНИИ, Норильском политехническом институте, СибАДИ, КаздорНИИ [8, 9, 10, 20 – 27, 45 – 47, 64 – 67].

Влияние содержания серы в битуме марки БН 90/130 на свойства ас фальтобетона было изучено на песчаном асфальтобетоне типа Д. Вяжущее получали путем перемешивания расплавленной серы и битума при 140 С.


Затем СБВ вводили в мешалку с минеральными материалами, нагретыми до такой же температуры. Смесь перемешивали до однородного состояния [20]. Оптимальное содержание СБВ устанавливалось по кривым зависимо сти прочности асфальтобетона от содержания в нем вяжущего. Как следует из данных табл. 1.4, при увеличении количества серы в вяжущем от 0 до % его оптимальное содержание увеличилось с 7,5 до 9,8 мас. %, экономия битума составила от 4 до 45 %. Независимо от состава вяжущего опти мальное количество СБВ по объему остается постоянным. Следовательно, замена части битума серой не влияет на поровую структуру асфальтобето на.

Таблица 1. Содержание СБВ и битума в асфальтобетоне Количество Оптимальное содержание Расход Экономия серы в CБВ, серобитумного вяжущего битума, битума, мас. % мас. % мас. % мас. % об. % 0 7,5 16,1 7,5 10 8,0 16,1 7,2 25 8,6 16,2 6,3 42 9,4 16,1 5,4 50 9,8 16,1 4,9 В Норильском политехническом институте проведены исследования по изучению физико-механических свойств СБВ при ускоренном старении и изучению сущности физико-химических превращений в СБВ [27]. Ре зультаты инфракрасной спектроскопии свидетельствуют о торможении окислительных процессов компонентов битума в присутствии серы.

Исследованиями И.А. Плотниковой, Е.М. Гурарий и И.В. Степаняна установлено, что введение в битум небольшого количества серы (до 15 %) вызывает снижение прочности асфальтобетона [20]. По мере увеличения содержания серы прочность возрастает и при 30 % превышает исходную прочность асфальтобетона на битуме БН 90/130 (табл. 1.5). Авторы делают вывод: количество серы для добавки можно выбирать в зависимости от требований к асфальтобетону и климатических условий эксплуатации ас фальтобетона в покрытии.

И.М. Руденская приводит данные о том, что обычный асфальтобетон, приготовленный на известняковом щебне с 5,7 % битума, имеет усталост ную долговечность при 25 С, равную 1 млн циклов (что эквивалентно годам эксплуатации при среднем движении) при постоянном уровне на пряжений 0,07 МПа. Асфальтобетоны того же состава на СБВ имеют уста лостную долговечность при более высоком уровне напряжений (0,2 0, МПа). Смеси на СБВ имеют улучшенные эксплуатационные характеристи ки, дают более долговечные покрытия или же позволяют укладывать более тонкие слои дорожного покрытия, что дает экономию битума и каменных материалов.

Таблица 1. Прочность асфальтобетонов на серобитумном вяжущем R20, Rвод, R50, R0, Содержание серы в СБВ, МПа МПа МПа МПа мас. % 0 3,0 2,8 1,3 6, 10 2,6 2,4 0,8 5, 30 3,8 3,6 1,7 6, 50 4,6 4,0 2,4 7, После выдерживания в воде асфальтобетон на СБВ показывает очень малое водопоглощение и небольшое уменьшение модуля упругости Е. За мораживание-оттаивание вызывает незначительное снижение Е (табл. 1.6).

Для обеспечения достаточной прочности и деформативности асфальтобе тона содержание серы в СБВ составляет 20 – 30 мас. %.

Таблица 1. Модули упругости асфальтобетонов на битуме и СБВ Показатель Вяжущее битум СБВ Средняя плотность, т/м3 2,34 2, Модуль упругости, МПа:

- при 20 С в сухом состоянии 750 - в водонасыщенном состоянии 480 - после 10 циклов замораживания-оттаивания 250 Асфальтобетон на СБВ имеет более высокий модуль упругости при положительных температурах. С повышением содержания серы модуль упругости значительно возрастает (рис. 1. 5) [9].

В.А. Веренько рассматривает СБВ как композиционные материалы с позиций полиструктурной теории композиционных материалов [10]. Мик роскопическими исследованиями показано, что при содержании серы до % частицы серы разобщены и не взаимодействуют друг с другом. С увели чением содержания серы до 20 – 40 % возникают перколяционные мости ки, соответствующие появлению вторичной структуры. Сплошная вторич ная структура образуется при содержании серы 60 – 70 %. В этом случае резко возрастает предел текучести и прочность системы. ИК спектрометрическим и дилатометрическим методами установлено отсут ствие химического взаимодействия между серой и битумом при темпера туре их объединения 140 С.

Модуль упругости, МПа / / / / 0 10 20 30 40 Содержание серы, % по массе Рис. 1. 5. Зависимость модуля упругости асфальтобетона от содержания серы при температуре: 1 – 10 °С;

2 – 24 °С;

3 – 38 °С;

4 – 52 °С Элементарная сера в структуре асфальто- и дегтебетонов действует по механизму активного, кольматирующего и армирующего наполнителей в зависимости от ее содержания в вяжущем [10, 24 – 26]. Действие серы по механизму наполнителя требует рассматривать ее не как эквивалентную замену битуму, а как добавку, повышающую плотность и прочность мате риала. Свойства бетонов и вяжущих можно направленно регулировать варьированием количества и температуры ввода серы. С целью повышения прочности и долговечности асфальтобетонов с использованием СБВ необ ходимо, по данным исследований, вводить серу в количестве 20 – 200 % от массы вяжущего при температуре 120 – 140 С. В этом случае сера высту пает в роли активного, кольматирующего и армирующего наполнителей.

При содержании серы до 50 % преобладает эффект активного и кольмати рующего наполнителей, а при увеличении ее количества появляется арми рующий эффект, связанный с наличием пространственного кристалличе ского каркаса серы.

Свойства мелкозернистого асфальтобетона типа Б состава в % по мас се: щебень 45;

песок 45;

минеральный порошок 10;

СБВ на основе битума БНД 90/130 и серы приведены в табл. 1.7 [27]. Результаты исследований показывают, что добавка серы повышает прочность, плотность и водо стойкость асфальтобетона. При приготовлении и применении асфальтобе тонных смесей на СБВ можно использовать обычное технологическое обо рудование. Возможно использование материалов более низкого качества.

Таблица 1. Свойства асфальтобетонов типа Б на битуме и СБВ Содержание Средняя Водо- Набухание, Предел прочности при серы, плотность, насыщение, об. % сжатии, МПа т/м мас. % об. % R50 R20 Rвод 0 2,50 0,95 0,23 1,07 3,00 3, 10 2,57 0,73 0,17 1,11 3,12 3, 20 2,60 0,56 0,14 1,29 3,10 3, 30 2,62 0,59 0,19 1,10 3,03 3, 40 2,65 0,67 0,23 0,80 2,90 3, 50 2,63 0,61 0,17 0,87 2,80 2, Опыт использования серы и побочных продуктов ее производства и переработки (хвосты флотации серных руд, зола и шлак очистки товарной серы от минеральных примесей) в дорожном строительстве освещен в ра ботах В.З. Гнатейко [38, 39]. Показано, что серосодержащие отходы (ССО) можно использовать:

1. В качестве модификатора свойств вяжущего, применяемого для из готовления асфальтобетонной смеси. Разработаны варианты технологиче ских способов приготовления модифицированных вяжущих и смесей на их основе. При первом способе ССО (хвосты флотации) вводят в минераль ную смесь, нагревают до 135 – 145 С и затем обрабатывают органическим вяжущим. По второму способу ССО перемешивают с органическим вяжу щим и обрабатывают им нагретые минеральные материалы. Наблюдается значительное улучшение физико-механических свойств смесей. Это позво ляет использовать в смесях малопрочные минеральные материалы (золош лаки, известняки) или маловязкие органические вяжущие (гудроны, сырые тяжелые нефти и др.).

2. При получении вяжущих, используемых для устройства дорожных одежд способом смешения на дороге или пропитки. Это направление явля ется сравнительно новым. При введении в маловязкое органическое вяжу щее 20 – 25 % по массе ССО получают вяжущее с широким интервалом пластичности и высокими адгезионными свойствами. Смеси, обработан ные таким вяжущим методом смешения на дороге, сохраняют хорошую удобоукладываемость, обладают малым водонасыщением и большой прочностью. При введении ССО в количестве 5 – 10 мас. % (в пересчете на серу) в вязкие битумы, используемые для устройства слоев по способу пропитки, обеспечивается высокая степень пропитки, т.к. вязкость полу ченной композиции при температуре ее применения ниже, чем вязкость исходного битума.

Серу можно использовать для восстановления слоев старого асфаль тобетона [9]. Она снижает вязкость нагретых СБВ и повышает модуль уп ругости регенерированного асфальтобетона. Серу и битум вводят в старую асфальтобетонную смесь как отдельно, так и в виде СБВ. Влияние добавок серы, нового битума и пластификатора на свойства старого асфальтобетона показано в табл. 1.8.

Таблица 1. Свойства регенерированного асфальтобетона Содержание добавки, мас. % Модуль Средняя Остаточная упругости, плотность, пористость, нового кг/м МПа об. % серы битума пластификатора 0 0 0 3400 2,228 6, 0 1 0,5 6700 2,340 0, 1,25 0,25 0 12650 2,330 2, 1,25 0 0 13650 2,349 3, Сера заменяет ароматические углеводороды, которые обычно приме няют в качестве пластификатора при восстановлении свойств битумов в дорожных покрытиях. Сера, являясь неорганическим веществом, практиче ски не стареет. Основная задача при использовании серы – соблюдать тем пературный режим.

Серные вяжущие с общим названием ККИ разработаны ЗАО «КК Ин терконнект». В КаздорНИИ проведены испытания одного из видов вяжу щих ККИ в соответствии с ГОСТом на испытание нефтяных битумов [8].

При экстрагировании вяжущего ККИ было установлено в его составе око ло 77 % минеральных частиц, представленных тонкими и очень тонкими песками. По информации ЗАО «КК Интерконнект», в состав вяжущего также входят битуминозные породы (киры), обусловливающие содержание органического вяжущего и минеральных частиц.

На вяжущем ККИ были приготовлены органоминеральные смеси и лабораторные образцы. Свойства органоминерального материала сравни вали с требованиями ГОСТ 9128-97 к горячему мелкозернистому асфаль тобетону типа Б марки I. Материал имел такие свойства: предел прочности при сжатии при температуре 20 °С выше требований ГОСТ 9128-97 в 2, раза, предел прочности при сжатии при температуре 50 °С – в 4,6 раза. Ко эффициент водостойкости равнялся 0,95, коэффициент длительной водо стойкости – 1,64.


Отечественные исследования подтверждают выводы зарубежных ученых и доказывают справедливость их утверждений с точки зрения эко номии дефицитных органических вяжущих, экономии энергетических ре сурсов и улучшения качества битумов и асфальтобетонов при добавлении серы.

На основании зарубежного и отечественного опыта применения серы в асфальтобетоне СоюздорНИИ разработаны «Методические рекоменда ции по применению асфальтобетона с добавкой серы и технологии строи тельства из них дорожных покрытий» [41].

Для обеспечения качества СБВ смешивание серы и битума должно проводиться в смесительных установках, позволяющих добиться большой гомогенности смеси, равномерного распределения расплавленной серы по всему объему вяжущего. При этом температура смеси не должна превы шать 150 С, а количество серы 20 – 30 % от массы битума.

1.2.4. Технологические особенности приготовления серобитумных вяжущих Серобитумные вяжущие можно приготовить двумя способами:

- эмульгированием расплавленной серы в битуме в коллоидной мель нице (зазор 0,04 см, частота вращения ротора 7000 об/мин, температура 140 – 150 С, длительность эмульгирования 8 мин) или в статическом сме сителе [6, 18]. Приготовление СБВ как в коллоидной мельнице, так и в ста тическом смесителе дает возможность равномерно диспергировать серу до размера 5 – 20 мкм в битуме и получать вяжущее, а также смеси на его ос нове, обладающие высокими показателями свойств;

- смешением расплавленной серы и битума в заданных количествах в лопастной мешалке и немедленной подачей этого вяжущего на объедине ние с минеральными компонентами асфальтобетона.

Значительной проблемой при приготовлении СБВ является предот вращение образования и выделения токсичных газов при нагревании серы с битумом. Выделение газов начинается при температуре выше 150 С;

хо тя растворимость серы в битуме увеличивается с повышением температу ры, однако с точки зрения образования вредных веществ максимальная безопасность достигается при температуре не более 150 С. Кроме того, при температуре выше 140 С происходит энергичное взаимодействие се ры с компонентами битума, ведущее к процессам полимеризации и значи тельному увеличению содержания асфальтенов. При этом резко снижают ся растяжимость и глубина проникания, возрастает температура размягче ния, СБВ становится хрупким. Это подтверждает, что сера при повышен ных температурах воздействует на битум аналогично кислороду.

Известно использование для приготовления серного бетона модифи каторов [8]:

- STX-модификатора (Канада) для строительства дорог, ответствен ных сооружений и изделий стоимостью 2500 долларов за тонну;

- модификатора на основе дициклопентадиена (США) стоимостью 1200 долларов за тонну. Этот модификатор применяют около 20 лет доста точно широко (примерно 3 % мирового производства серобетона).

Однако при использовании таких модификаторов стоимость серобе тона значительно превышает стоимость цементобетона. В связи с этим проводится ряд исследований по разработке модификаторов на местном сырье.

ТОО «Институт естественных наук» совместно с Казанским государ ственным технологическим университетом разработали модификаторы ТЕ-1, ТЕ-2 и ТЕ-3 [8]. Модификатор ТЕ-3 по эксплуатационным характе ристикам является аналогом STX-модификатора. Модификатор ТЕ-2 до пускает изготовление серобетона при 180 °С без выделения сернистых га зов [8].

Для поглощения сероводорода, выделяющегося при получении СБВ, рекомендуется использовать силиконы, негашеную и гашеную известь, на триевую щелочь, активированный уголь, дициклопентадиен, амины, ионо обменные смолы, ненасыщенные жирные кислоты, нефтеполимерные смо лы [33, 35, 58 – 60]. Однако введение дициклопентадиена в СБВ приводит к повышению вязкости и хрупкости вяжущего (табл. 1.9) [58].

Таблица 1. Свойства серобитумных вяжущих с добавкой дициклопентодиена Содержание дициклопентадиена Показатель в серобитумном вяжущем, мас. % 0 1 Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм 120 49 Температура размягчения, °С 59,5 59 Одним из эффективных методов модификации битумов является сме шение битумов с серой, химически связанной с органическими продукта ми. В результате термической сополимеризации серы со смесью высоко молекулярных жирных кислот получаются полисульфиды (ПС), которые при нормальной температуре представляют собой каучукоподобную массу и характеризуются высокой температурой размягчения (до 112 °С), низ кой температурой хрупкости (до – 30 °С) и эластичностью (до 71 %).

Битумополисульфидные вяжущие (БПВ) по сравнению с исходным битумом характеризуются улучшенными низкотемпературными свойства ми и эластичностью (табл. 1.10). Асфальтобетоны на БПВ по прочностным характеристикам превосходят асфальтобетоны на битуме и СБВ при экви валентном содержании серы в составе БПВ и СБВ (табл. 1.11) [7, 59].

Сравнительная санитарно-гигиеническая оценка технологии и перера ботки БПВ и СБВ показала, что количество сероводорода, выделяющегося при нагревании БПВ до температуры 165 – 170 °С, составляет 14 мг/м воздуха рабочей зоны, что практически соответствует требованиям ПДК (10 мг/м3). При нагревании СБВ до такой температуры сероводорода выде ляется значительно больше – 92,4 мг/м3.

Таблица 1. Свойства битумополисульфидных вяжущих Содержание полисульфидов, Битум Показатель % по массе БНД 90/ 20 40 60 Глубина проникания иглы при 0 °С, 0,1 мм 45 48 50 51 Температура хрупко сти, °С –26 –27 –29 –31 – Растяжимость при 25 °С, см 13 17 25 26 Эластичность при 25 °С, % 5 25 37 45 Таблица 1. Свойства асфальтобетонов на битумополисульфидных вяжущих Вяжущее ГОСТ Показатель (для асфальто БПВ СБВ битум бетона типа Б) БНД 90/ Средняя плотность, кг/м3 2550 2560 2390 Водонасыщение, % 0,51 4,35 0,89 1,5 – Набухание, % 0 0 0,35 Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:

0 °С 6,75 9,6 5,3 Не 20 °С 3,8 2,2 2,51 Не 2, 50 °С 1,67 1,25 1,15 Не 2, Коэффициент водостойкости 0,99 0,95 0,98 Не 0, Коэффициент морозостойкости после 30 циклов заморажива ния-оттаивания 0,99 0,55 0,98 Разработкой и внедрением дорожно-строительных материалов с ис пользованием серы, а также технологии получения СБВ и асфальтобетонов занимаются ряд компаний и научно-исследовательских организаций Рос сии, Казахстана [8, 58 – 68].

Серобитумные вяжущие, характеризующиеся стабильностью при продолжительном хранении и транспортировке, а также высокими адгези онными свойствами, получают, добавляя в дорожный битум 1 – 5 мас. % стирольно-циклопентадиен-инденовой смолы и 1 – 5 мас. % альфа олефинов или индустриального масла [60].

Эти компоненты перемешивают при температуре 140 – 180 °С в тече ние 0,5 ч, а затем порциями добавляют серу в количестве 10 – 50 мас. % и смесь перемешивают еще 2 ч. Свойства серобитумных вяжущих некото рых составов, представленных в описании к патенту [60], даны в табл. 1.

12.

Таблица 1. Физико-механические свойства серобитумного вяжущего Состав вяжущего, мас. % битум – 50;

битум – 80;

битум – 65;

Показатель битум сера – 50;

сера – 20;

сера – 35;

марки НПС – 5,0;

НПС – 1,0;

НПС – 1,5;

БНД 90/130 альфа-олефины альфа- альфа – 5,0 олефины – 1,5 олефины – 1, Глубина проникания иглы при 0 °С, 0,1 мм 95 120 90 Температура размягчения, °С 45 43 45 Температура хрупкости, °С –22 –23 –20 – Сцепление Выдерживает Выдерживают по контрольному образцу с мрамором по контрольно- № му образцу № В США разработана специальная установка для непрерывного сме шения битума с серой. Основные составляющие этой установки: два насо са, непрерывно подающие жидкий битум с температурой 121 – 177 С и жидкую серу с температурой 121 – 150 С, а также смесительное устройст во, позволяющее равномерно распределять в битуме серу с образованием частиц размером 1 – 50 мкм. В установке вмонтированы контрольно измерительные приборы, обеспечивающие точную дозировку битума и се ры и температуру готового СБВ в пределах 121 – 150 С. Содержание серы в вяжущем может достигать 50 – 80 %, содержание вяжущего в асфальто бетонной смеси рекомендуется в пределах 5 – 12 мас. %.

Фирмой ООО «Астраханьгазпром» разработана установка по произ водству серобитумного вяжущего производительностью 32 тыс. т в год и технология приготовления СБВ, по которой до 40 мас. % дорож ного битума замещается более дешевой газовой серой [61, 65].

Получение серобитумного вяжущего происходит в аппарате с вихре вым слоем непрерывного действия. Сера гранулированная загружается в реактор, где разогревается до жидкого состояния. Битум загружается в ем кость разогрева битума. Из емкости битум полупогружным регулируемым электронасосным агрегатом подается в узел смешения с серой. Одновре менно жидкая сера из реактора подается самотеком в буферную емкость для серы. Из буферной емкости сера насосным агрегатом подается в аппа рат вихревого слоя через узел смешения, где производится ее дозировка.

В аппарате вихревого слоя под воздействием электромагнитного поля и интенсивного перемешивания происходит образование серобитумного вяжущего. Из аппарата вихревого слоя СБВ поступает в емкость для гото вого продукта. Готовое СБВ подается битумной насосной установкой в ав тоцистерны для отправки на асфальтовый завод либо направляется на склад.

Основное оборудование – аппараты вихревого слоя – расположены в передвижном модуле. В модуле предусмотрена операторная, из которой осуществляется управление процессом. Снаружи устанавливаются два по лупогружных дозировочных насоса с буферными емкостями и насосная установка выдачи готового продукта. На площадке размещаются обогре ваемые цистерны для исходных и конечных продуктов. При таком способе получают гомогенное СБВ, в котором сера находится в коллоидном со стоянии. Вяжущее сохраняет однородность длительное время, а также ис ключаются выбросы сернистых газов.

Из данных табл. 1.13 видно, что асфальтобетоны на СБВ имеют луч шие прочностные показатели по сравнению с асфальтобетоном типа В на битуме марки БНД 60/90.

В ООО «Астраханьгазпром» разработана также технология получения серополимерного цемента, по которой тяжелый нефтяной остаток и сера в соотношении по массе 5 : 95 при повышенной температуре подвергаются воздействию электромагнитного поля. Серополимерный цемент рекомен дуется разработчиками для приготовления серобетонных смесей.

Таблица 1. Свойства асфальтобетонных смесей на битуме марки БНД 60/ и серобитумных вяжущих Вяжущее Требования ГОСТ 9128 2009 к ас Показатель фальтобетону БНД СБВ-1 СБВ- типа В марки 60/90 (30 % (40 % II для IV – V серы) серы) дорожно климатиче ских зон Средняя плотность, кг/м3 2400 2370 2400 Пористость минерального 13,65 17,66 15,4 Не остова, % по объему Остаточная пористость, % по 3,23 4,44 4,38 2,5 – объему Водонасыщенное, % по объ- 1,5 2,5 2,63 1,5 – 4, ему Предел прочности при сжа тии, МПа, при температурах:

0 °С 4,42 6,3 6,9 Не 20 °С 3,18 4,15 3,98 Не 2, 50 °С 1,3 2,2 1,8 Не 1, Коэффициент водостойкоcти 0,92 0,84 0,94 Не 0, Поиску состава серного связующего, обладающего термостабильно стью в интервале температур 120 – 150 °С, посвящена работа [63]. Путем сополимеризации серы и нефтеполимерной смолы (НПС) получены поли сульфидные олигомеры, которые могут быть применены в технологии производства серных цементов и бетонов. Как указывают авторы статьи, решена задача устранения специфического запаха серных связующих пу тем перевода гидросульфидных групп в сульфидные по реакции взаимо действия с оксидом магния.

Государственным научным центром «Институт Гинцветмет» разрабо тана технология сероасфальтобетона и серобетона на основе модифициро ванной серы. Модифицированную серу получают сополимеризацией жид кой серы с органическими добавками. Полученный сополимер после ох лаждения дробится до крупности 10 – 20 мм и в упакованном виде транс портируется на асфальтобетонный завод.

Блочная установка для получения СБВ [64] позволяет получать тон кодисперсные не расслаивающиеся со временем эмульсии и готовить строительные, изоляционные и кровельные композиции битумов. Вяжущее получают в аппаратах высокоэнергетического гидроакустического воздей ствия, в которых основными слагаемыми механизма диспергирования яв ляются: гидродинамическое измельчение за счет градиентов скоростей по тока, механическое истирание за счет соударений и кавитационное воздей ствие.

Желаемая степень диспергирования зависит от производительности аппарата и достигается при обработке за один проход или по циркуляци онной схеме. Производительность установки задается заказчиком в преде лах от 0,5 до 10 т/ч. Установка может работать в автономном режиме или в привязке к технологической схеме асфальтобетонного завода.

В настоящее время применяют два способа введения серы в асфальто бетонную смесь [6, 9, 20, 22, 23, 27 – 36, 38, 41]:

- в виде серобитумного вяжущего, полученного предварительным вве дением расплавленной, комовой или порошкообразной серы в битум;

- непосредственно в асфальтобетонную смесь в процессе перемешива ния всех компонентов в смесителе.

Первый способ проще, легче осуществим в производственных усло виях при современном серийном оборудовании. Технологический процесс приготовления смесей при введении серы в битум включает:

- приготовление СБВ при температуре 130 – 140 °С эмульгированием расплавленной серы в битуме в коллоидной мельнице либо смешением се ры с битумом в мешалке пропеллерного или шнекового типа. Продолжи тельность перемешивания зависит от агрегатного состояния серы (жидкое, твердое) и вида смесительного аппарата;

- подачу СБВ в смеситель через дозатор битума. Продолжительность перемешивания асфальтобетонных смесей на СБВ зависит от крупности заполнителей. Температура смеси при выпуске из смесителя должна быть 130 – 140 °С.

Второй способ требует дополнительного оборудования асфальтосме сительных установок линией подачи и дозирования серы в мешалку. При введении серы в качестве самостоятельного компонента можно использо вать молотую или жидкую серу.

Молотую серу в холодном состоянии подают элеватором в отдельный отсек бункера по типу минерального порошка.

При использовании жидкой серы смеситель оборудуют дополнитель ным дозатором, аналогичным битумному дозатору.

Технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей с добавкой серы включает:

- дозирование минеральных материалов и битума, перемешивание всех компонентов;

- введение серы в смеситель и окончательное перемешивание смеси.

При таком способе особенно тщательно должен осуществляться кон троль за однородностью исходных материалов, точностью их дозирования, соблюдением температурных режимов, однородностью асфальтобетонной смеси.

Работы по приготовлению, укладке и уплотнению асфальтобетонных смесей, а также технический контроль осуществляют в соответствии с тре бованиями действующих нормативных документов. Температура асфаль тобетонных смесей с добавками серы при укладке и уплотнении на 20 – °С ниже, чем асфальтобетонных смесей на чистых битумах, и зависит от дозировки серы. При уплотнении асфальтобетонных смесей с добавками серы число проходов катков всех типов может быть уменьшено на 15 – %.

Асфальтобетонные смеси с добавками серы используют для устройст ва дорожных и аэродромных покрытий, при устройстве площадок для об служивания самолетов, стоянок автомобилей, автозаправочных станций.

1.2.5. Проектирование составов асфальтобетонов на серобитумном вяжущем В основу проектирования асфальтобетонов на СБВ заложен принцип сохранения постоянства объема вяжущего, т.е. независимо от количества добавки серы общий суммарный объем СБВ должен быть равен объему битума в асфальтобетоне без добавки серы. Только соблюдением этого ус ловия обеспечивается оптимальная поровая структура асфальтобетона [41].

Зерновой состав минеральной части асфальтобетонной смеси и опти мальное количество вяжущего (битума) проектируют в соответствии с ГОСТ 9128-2009.

После подбора оптимального состава асфальтобетонной смеси на би туме устанавливают дозировку серы. Рекомендуемые соотношения по мас се между битумом и серой составляют:

- 70 : 30 – для битумов марок БНД 40/60, БНД 60/90, БН 60/90, БН 90/130;

- 60 : 40 – для битума марки БНД 90/130. Указанные соотношения можно изменять лишь в сторону уменьшения содержания серы в вяжущем.

Оптимальное содержание серобитумного вяжущего В (%) в асфальто бетонной смеси корректируют с учетом плотности серы по формуле Б1 100, (1.1) B S Б Б ( 1 2 ) S Б где Б1 – оптимальное количество битума в смеси, установленное при про ектировании состава, мас. %;

S1 и Б2 – доля соответственно серы и битума в вяжущем, мас. %;

S и Б – плотность соответственно серы и битума, г/см3.

Количество битума в смеси в % по массе определяют по формуле Б = В · Б2 / 100. (1.2) Количество серы в смеси в % по массе определяют по формуле S = В · S1 / 100. (1.3) После расчета состава асфальтобетона на СБВ готовят контрольную асфальтобетонную смесь и определяют весь комплекс показателей физико механических свойств. Асфальтобетон на СБВ должен удовлетворять тре бованиям ГОСТ 9128-2009.

2. СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ВЯЗКИХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ РАЗНЫХ МАРОК И ТИПОВ СТРУКТУРЫ 2.1. Структурно-механические свойства серобитумных вяжущих Физико-механические свойства битума зависят от его группового химического состава и структуры. Введение модифицирующих доба вок, в том числе серы, способствует изменению соотношения основ ных групп углеводородов и структурно-механических свойств биту ма.

Влияние добавок серы на свойства вязких дорожных битумов оценивали по комплексу стандартных свойств, позволяющих устано вить возможность практического использования дорожных битумов, модифицированных серой, и сравнить их свойства со свойствами ис ходных битумов.

Серобитумные вяжущие получали с использованием вязких до рожных битумов разных структурных типов и марок, выпускаемых Омским НПЗ и Ачинским НПЗ: БНД 60/90 и БНД 90/130 со структу рой золь-гель (III тип структуры);

битумы марок БН 60/90 и БН 90/ со структурой, близкой к золю (II тип структуры) [45, 46].

Сера элементарная комовая, использованная в качестве добавки к битумам, является отходом производства Омского НПЗ, образую щимся в результате очистки нефти и нефтепродуктов. Сера комовая – зернистый материал желтого цвета с размером частиц менее 10 мм.

Свойства серы: плотность серы твердой 2050 кг/м3;

плотность серы жидкой 1750 кг/м3;

температура плавления 119 С;

вязкость при 120 – 150 С составляет 0,08 – 0,10 Па·с, степень чистоты 99,9 %.

Серобитумные вяжущие получали в лабораторном реакторе, снабженном перемешивающим устройством и электрообогревом.

Технологические параметры приготовления были СБВ следующие:

- температура при перемешивании 135 – 140 С;

- продолжительность перемешивания 30 мин;

- скорость вращения пропеллерной мешалки 500 об/мин.

Количество серы изменялось от 2 до 80 мас. %. Сера вводилась в битум, нагретый до 140 – 150 С, в пескообразном состоянии при наи большем размере частиц 3 – 5 мм.

Свойства битумов и СБВ определяли по методикам, принятым для испытания вязких дорожных битумов.

В табл. 2.1 даны свойства битума марки БНД 60/90 со структурой золь-гель Омского НПЗ и СБВ на его основе. Добавка серы составля ла от 10 до 80 % от массы битума.

Таблица 2. Свойства битума марки БНД 60/90 и серобитумных вяжущих Показатель Содержание серы в СБВ, мас. % 0 10 20 30 40 60 Глубина прони кания иглы, 0,1мм:



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.