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:     | 1 || 3 |

«В.Д. Галдина СЕРОБИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ Омск 2011 71 Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО «Сибирская государственная ...»

-- [ Страница 2 ] --

а) при 25 °С 68 91 82 62 53 38 б) при 0 °С 24 36 32 30 21 20 Растяжимость, см: Более Более а) при 25 °С 65 100 100 60 54 37 б) при 0 °С 4,5 6 7,5 5 3,5 2 Температура раз мягчения, °С 48 44 47 50 52 58 Температура хрупкости, °С –17 –26 –24 –19 –16 –10,5 – Интервал пла стичности ИП = Тр – Тфхр, °С 65 70 71 69 68 68,5 Коэффициент структуры Кстр = ИП / Д25 1 0,7 0,71 1,15 1,21 1,85 Индекс пенетра ции –0,98 –1,38 –1,06 –0,7 –0,17 0,38 5, Плотность, кг/м3 1000 1050 1141 1182 1258 1444 Зависимость структурно-механических свойств от содержания серы в СБВ показана на рис. 2.1. При дозировке серы 10 – 20 % сера пластифицирует битум и, растворяясь в углеводородной среде, раз рушает элементы коагуляционного каркаса, характерного для биту мов этого типа структуры. В результате повышается пенетрация при температурах 25 С (П25) и 0 С (П0), несколько снижается температу ра размягчения Тр, значительно понижается температура хрупкости ф Т хр, увеличивается растяжимость при температурах 25 С и 0 С (Д25 и Д0), снижаются структурные характеристики СБВ – коэффициент структуры Кстр и индекс пенетрации ИП.

а) 90 П Температура, о С / Пенетрация, 0,1 мм 60 / Тр 30 / 0 Тф / хр -30 0 20 40 60 Содержание серы, мас. % б) 6,0 / 4,0 Индекс пенетрации Растяжимость, см 2,0 0,0 ИП / / -2,0 0 20 40 60 Содержание серы, мас. % Рис. 2.1. Влияние добавки серы на свойства битума марки БНД 60/ Добавка серы свыше 20 % структурирует битум. Свободная сера (не растворенная в битуме) находится после охлаждения вяжущего в виде тонкодисперсных кристаллов, которые играют роль структуро образующего наполнителя.

Как следует из данных табл. 2.1 и рис. 2.1, увеличение количества серы свыше 20 % приводит к повышению вязкости СБВ. В результате ф понижаются П25 и П0, а также Д25 и Д0, повышаются Тр, Т хр и Кстр.

По сравнению с битумом марки БНД 60/90 серобитумные вяжу щие при содержании серы до 20 % имеют более широкий интервал ф пластичности за счет улучшения показателя трещиностойкости Т хр.

При содержании серы в СБВ, равном 15 – 20 %, экстремальные значения имеют все физико-механические и структурные показатели СБВ (см. рис 2.1).

Серобитумное вяжущее при содержании серы 30 % и исходный битум марки БНД 60/90 имеют близкие показатели физико механических свойств. Дальнейшее увеличение количества серы при водит к ухудшению эксплуатационных свойств вяжущих по сравне нию со свойствами битума и СБВ с меньшим содержанием серы.

Так, при содержании серы в СБВ, равном 40 %, снижаются пе нетрация и растяжимость при 0 С, повышаются температура хрупко сти, температура размягчения, индекс пенетрации и коэффициент структуры.

Таким образом, количество серы в качестве модифицирующей добавки к битуму марки БНД 60/90 не должно превышать 30 мас. %.

Свойства битума марки БН 60/90 и СБВ при дозировке серы от до 30 % даны в табл. 2.2. На рис. 2.2 показано влияние добавок серы на свойства битума.

Введение серы до 20 % по массе приводит к следующему изме нению свойств битума:

- повышаются П25, П0, Д0, интервал пластичности, Кстр;

ф - понижаются Тр, Т хр, Д25 и ИП;

- улучшаются низкотемпературные свойства, но несколько сни жается теплостойкость.

Увеличение содержания серы в вяжущем до 30 % способствует ф повышению вязкости и Т хр, значительному снижению Д25. Однако при содержании серы в СБВ, равном 30 %, вяжущее характеризуется более высокими показателями трещиностойкости, пластичности и деформативности при 0 °С, а также лучшими адгезионными свойст вами по сравнению с исходным битумом.

Групповые химические составы битума марки БН 60/90 и СБВ, содержащего 30 % серы, определяли на анализаторе тонкослойной хроматографии «ITROSCAN MK-5» (табл. 2.2, рис. 2.3).

Таблица 2. Свойства серобитумных вяжущих на основе битума БН 60/ Ачинского НПЗ Содержание серы, % Требования по массе ГОСТ 22245- Показатель к битуму марки 0 10 20 БН 60/ Глубина проникания иглы, 0,1 мм:

а) при 25 С 70 86 72 66 61 – б) при 0 С 18 32 31 28 Не менее Растяжимость, см:

а) при 25 С 100 89 61 38 Не менее б) при 0 С 3 5,5 4,2 5 Не нормируется Температура размягче ния, С 45 42 43 45 Не ниже Температура хрупкости, –14 –22 –23 –20 Не выше – С Интервал пластичности, 59 64 66 65 Не нормируется С Коэффициент структуры 0,59 0,72 1,08 1,7 То же Индекс пенетрации –1,76 –2,2 –2,3 –1,89 Плюс 1 – минус 1, Сцепление, выдерживает по контрольному образ цу: №2 №2 №2 №1 Не нормируется - с мрамором №3 №3 №2 № - с песком Групповой химический состав, % по массе: То же - асфальтены 18,58 - - 20, - смолы 34,67 - - 43, - углеводороды аромати- - ческие 37,71 28, -углеводороды предель- 9,04 - - 7, ные - а) б) 50 90 120 -0, / 40 Тр / П 25 / 30 70 90 -1, Пенетрация, 0,1 мм Индекс пенетрации Растяжимость, см Температура, 20 10 50 60 -1, ИП 0 / / -10 30 30 -2, -20 / Тф / хр -30 10 0 -2, 0 10 20 30 0 10 20 Содержание серы, мас. % Содержание серы, мас. % Рис. 2.2. Влияние добавки серы на свойства битума марки БН 60/ С АУ Содержание, % по массе С АУ А А ПУ ПУ БН 60/90 СБВ 60/ Марка вяжущего Рис. 2. 3. Групповые химические составы битума марки БН 60/ и серобитумного вяжущего, содержащего 30 мас. % серы:

А – асфальтены;

С – смолы;

АУ – ароматические углеводороды;

ПУ – предельные углеводороды Как было показано в разделе 1, сера присутствует в СБВ в трех видах: химически связанной, растворенной в битуме и свободной.

В процессе получения СБВ при температуре 135 – 140 °С часть серы (примерно 9 %) химически взаимодействует с ароматическими углеводородами, образуя полисульфидные соединения, которые уве личивают количество смолистых компонентов в СБВ по сравнению с исходным битумом. В результате количество ароматических углево дородов уменьшается на 8,95 %, а содержание смол на 8,97 % возрас тает. Количество асфальтенов и предельных углеводородов меняется незначительно – в пределах 1,5 % (см. рис. 2.3). Анализируя влияние дозировок серы на изменение свойств битума, можно полагать, что примерно 10 % серы растворяется в ароматических углеводородах, пластифицируя битум. Остальное количество серы является дисперс ным наполнителем, способствующим повышению вязкости и хрупко сти СБВ.

Результаты исследований, представленные в табл. 2.3 и на рис.

2.4, иллюстрируют зависимость физико-механических свойств серо битумных вяжущих от количества серы в битуме марки БН 90/130.

Дозировка серы до 20 мас.% пластифицирует битум, улучшая его низкотемпературные свойства. Добавка серы свыше 20 % структури рует битум, что приводит к снижению П25, П0, Д25 и Д0, значительному повышению Тр, ИП, Кстр.

Лучший комплекс физико-механических свойств имеют СБВ при содержании серы от 10 до 20 мас. %. Такие вяжущие характеризуются достаточно высокими показателями теплостойкости, трещиностойко сти, пластичности и деформативности при низких температурах. Для повышения теплостойкости содержание серы в СБВ может быть уве личено до 30 %.

В табл. 2.4 даны свойства битума марки БНД 90/130 и сероби тумных вяжущих на его основе. Увеличение концентрации серы в вя жущем от 2 до 15 % способствует значительному повышению П25 и ф П0, снижению Тр и Т хр. Растяжимость Д25 не зависит от расхода серы, Д0 возрастает. Повышение трещиностойкости, пластичности и дефор мативности при низких положительных температурах вызвано пла стифицирующим действием химически связанной и расплавленной в битуме серы. Интервал пластичности и Кстр не изменяются до 15 % содержания серы. Результаты исследований показывают, что для улучшения низкотемпературных свойств в битум марки БНД 90/ достаточно вводить до 10 % серы.

Содержание серы в СБВ до 30 % оказывает структурирующее действие на битум, аналогичное действию такого количества серы на битум марки БНД 60/90 (рис. 2.5).

Сравнение эффективности воздействия добавки серы на относи тельные изменения низкотемпературных свойств СБВ, приготовлен ных на битумах разных марок и типов дисперсной структуры, показа но на рис. 2.6.

Таблица 2. Свойства серобитумных вяжущих на основе битума БН 90/ Омского НПЗ Содержание серы, % по массе Требования ГОСТ Показатель 22245- к битуму 0 5 10 20 30 марки БН 90/ Глубина прони кания иглы, 0,1 мм:

а) при 25С 100 116 120 113 111 100 91 – б) при 0С 24 33 36 32 28 24 Не менее Растяжимость, см:

а) при 25С 100 95 86 65 46 25 Не менее б) при 0С 5,0 7,5 7,0 6,8 4,5 4,0 Не нормиру ется Температура размягчения,С 43 42 41,5 43,5 48,5 50,5 Не ниже Температура хрупкости по Фраасу, С –15 –19 –20 –18 –15 –14 Не выше – Интервал пла- Не норми стичности, С 58 61 61,5 61,5 63,5 64,5 руется Коэффициент структуры 0,58 0,64 0,72 0,93 1,38 2,58 То же Индекс пенет- Плюс 1 – рации –1,42 –1,34 –1,42 –0,34 0,5 0,7 минус 1, Сцепление, вы держивает по контрольному Не нормиру образцу: ется - с мрамором №2 - - №2 №1 № - с песком №3 - - №3 №2 № а) б) 60 130 120 1, / П 100 0, 40 \ Индекс пенетрации Растяжимость, см Пенетрация, 0,1 мм Тр / 80 0, 30 Температура, 20 60 -0, 40 -1, 0 50 ИП / / -10 20 -1, / -20 \ Тф 0 -2, хр -30 0 10 20 30 0 10 20 30 Содержание серы, мас. % Содержание серы, мас. % Рис. 2.4. Влияние добавки серы на свойства битума марки БН 90/ Таблица 2. Свойства битумосерных вяжущих на основе битума БНД 90/ Омского НПЗ Содержание серы, % по массе Требования ГОСТ Показатель 22245- к битуму 0 2 5 10 марки БНД 90/ 1 2 3 4 5 6 Глубина проника ния иглы, 0,1 мм:

а) при 25 С 116 127 139 151 160 91 – б) при 0 С 40 42 44 47 63 Не менее Растяжимость, см:

а) при 25 С Более Более Более 100 100 100 100 100 Не менее б) при 0 С 4,2 5,8 8,2 9,8 13,2 Не менее Температура размягчения, С 44,5 43,6 42,7 41,5 40,2 Не ниже Температура Не выше хрупкости, С –23 –24 –25 –26 –26 – Окончание табл. 2. 1 2 34 5 6 Интервал пластичности, С 67,5 67,6 67,6 67,5 66,2 Не менее Коэффициент структуры 0,67 0,67 0,67 0,67 0,66 0,65 – 1, Индекс Плюс пенетрации –0,48 –0,47 –0,46 –0,63 –0,88 – минус а) б) 14 -0, 50 40 / 180 12 -0, Тр 30 Пенетрация, 0, 1 мм Индекс пенетрации \ П25 Растяжимость, см 10 -0, 20 Температура, 8 -0, 10 / 0 100 6 -0, \ -10 80 ИП Тф 4 -0, \ хр -20 / 2 -0, -30 -40 20 0 -1, 0 10 20 30 0 10 20 Содержание серы, мас. % Содержание серы, мас. % Рис. 2.5. Влияние добавки серы на свойства битума марки БНД 90/ Анализ представленных зависимостей (см. рис. 2.6) позволил вы явить особенности влияния добавок серы на свойства битумов, имеющих близкие значения пенетрации при 25 °С, но разные типы структуры.

ф Относительное изменение пенетрации П0 и Т хр выше у СБВ на битумах со структурой, близкой к золю, марок БН 60/90 и БН 90/ по сравнению с изменением этих показателей у СБВ на битумах со структурой золь-гель.

Пенетрация при 0 °С увеличивается, а температура хрупкости в большей степени понижается у СБВ на более вязких битумах марок БН 60/90 и БНД 60/90.

а) б) 1, 1, Относительное измменение Тхр Относительное изменение По / / 1,60 / 1, 1, / 1, 1, 1,30 \ /3 / 1, 1, / 1, 1,00 1, 0 10 20 30 0 10 20 Содержание серы, % по массе Содержание серы, % по массе Рис. 2.6. Относительное изменение температуры хрупкости (а) и пенетрации при 0 °С (б) серобитумных вяжущих в зависимости от содержания серы в битумах марок: БН 60/90 (1), БНД 60/90 (2), БН 90/130 (3), БНД 90/130 (4) Добавка серы до 10 – 15 % по массе оказывает большее пласти фицирующее действие на битумы марок БН 60/90 и БН 90/130.

Добавка серы до 20 % повышает Д0 у битумов всех марок (см.

табл. 2.1 – 2.4), но в большей степени у битумов со структурой золь гель марок БНД 60/90 и БНД 90/130.

При введении серы растяжимость Д25 понижается у СБВ на биту мах БН 60/90 и БН 90/130, а растяжимость Д0 возрастает до 10 – 15 % содержания серы. В серобитумных вяжущих на основе битумов со структурой золь-гель марок БНД 60/90 и БНД 90/130 показатели Д25 и Д0 повышаются до 15 % содержания серы (см. табл. 2.1 – 2.4).

Таким образом, выполненные исследования показывают, что при одинаковых технологических режимах получения СБВ и равном ко личестве серы их свойства существенно зависят от структуры и марки битумов.

Разработаны технические требования к серобитумным вяжущим, представленные в табл. 2.5. Серобитумные вяжущие в зависимости от глубины проникания иглы при температуре 25 °С разделены на пять марок: СБВ 40/60, СБВ 60/90, СБВ 90/130, СБВ 130/200, СБВ 200/300.

Таблица 2. Технические требования к серобитумным вяжущим Нормы по маркам Метод Показатель испы СБВ СБВ СБВ СБВ СБВ тания 40/60 60/90 90/130 130/200 200/ Глубина про никания иглы, 0,1 мм:

а) при 25 °С ГОСТ (100 г, 5 с) 40 – 60 61 – 90 91 – 130 131 – 200 201 – 300 б) при 0 °С (200 г, 60 с), не менее 13 20 28 35 Растяжимость, см, не менее: Не нор- ГОСТ а) при 25 °С 45 55 65 70 мируется б) при 0 °С Не 3,5 4,0 6,0 норми руется Температура ГОСТ размягчения, °С, не ниже 51 47 43 40 Температура ГОСТ хрупкости, °С, не выше –12 –15 –17 –18 – Температура ГОСТ вспышки, °С, не ниже 230 230 230 220 Изменение температуры По размягчения ГОСТ после прогрева 18180, при 160 °С в ГОСТ течение 5 ч, не 5 5 5 6 7 более Изменение массы после ГОСТ прогрева при 160 °С в тече ние 5 ч, мас. %, 0,5 0,5 0,8 1,0 1, не более Индекс От плюс 1 до –1,5 ГОСТ пенетрации Рекомендуемое содержание серы в серобитумном вяжущем должно составлять от 5 до 30 % от массы битума. Количество серы в серобитумных вяжущих устанавливается опытным путем в лаборато рии.

2.2. Влияние температуры приготовления на свойства серобитумных вяжущих Процессы структурообразования в битумах разной дисперсной структуры существенно различаются и зависят от концентрации серы в СБВ и температуры приготовления серобитумного вяжущего.

Для изучения влияния температуры приготовления на свойства СБВ при различном содержании серы использовали битум со струк турой, близкой к золю, марки БН 90/130 (рис. 2.7) [56].

2, 1, Тр \ 1, Относительное изменение свойств 1, 1, \ П 1, \ / Тр 0, 0, / П 25 / 0, 0, 0, 0 5 10 15 Содержание серы, % по массе Рис. 2.7. Относительное изменение свойств серобитумных вяжущих в зависимости от содержания серы и температуры приготовления: 140 С (–––);

200 С (- - - - ) Вяжущие готовили при температурах 140 и 200 С, продолжи тельности перемешивания 1 ч и содержании серы от 2 до 20 мас. %.

Введение серы до 10 % и приготовление СБВ на основе битума марки БН 90/130 при температуре 140 С вызывает увеличение П (см. рис. 2.7). При таком количестве серы в СБВ температура размяг чения и растяжимость понижаются незначительно. С увеличением содержания серы до 20 % повышается вязкость СБВ и пенетрация П уменьшается. При практически постоянной Тр появляется тенденция к уменьшению растяжимости. Количество асфальтенов в СБВ при температуре приготовления 140 С изменяется незначительно (рис.

2.8).

2, Относительное содержание асфальтенов 2, 2, 1, 1, 2\ 1, / 1, 1, 0 5 10 15 Содержание серы, % по массе Рис. 2.8. Относительное изменение содержания асфальтенов в серобитумных вяжущих в зависимости от содержания серы и температуры приготовления: 140 С (–––);

200 С (- - - - ) Введение серы в битум в количестве до 10 % и приготовление СБВ при 200 С вызывает резкий рост Тр. При содержании серы в СБВ, равном 10 %, показатели П25 и Д25 имеют минимальные значе ния. Увеличение количества серы до 20 % приводит к снижению Тр, а величины П25 и Д25 несколько повышаются.

В процессе приготовления СБВ при температуре 200 С сера инициирует процессы окисления в битуме, которые сопровождаются увеличением содержания высокомолекулярных соединений с образо ванием жесткой структурной сетки из асфальтенов. При увеличении количества серы свыше 10 % происходит пластификация битума, что, видимо, связано с разрушением жесткой структуры в битуме.

Таким образом, в битумах со структурой, близкой к золю, при температуре приготовления СБВ, равной 140 С, сера является пла стификатором, а при увеличении температуры до 200 С отмечаются резкое увеличение структурообразования битумов с введением серы до 10 % и пластификация битумов при большом количестве серы.

В битумах со структурой, близкой к гелю, имеющих коагуляци онную структуру, введение до 10 % серы способствует увеличению глубины проникания и снижению температуры размягчения. Даль нейшее увеличение количества серы не вызывает существенных из менений свойств битума [56].

При повышении температуры до 200 С введение серы приводит к снижению глубины проникания и повышению температуры размяг чения СБВ. Следовательно, в битумах со структурой, близкой к гелю, при температуре приготовления СБВ, равной 140 С, сера оказывает пластифицирующее действие, а при температуре приготовления вя жушего 200 С происходит образование вторичной структуры биту мов.

2.3. Изменение свойств серобитумных вяжущих при различных температурах Изменение свойств вяжущего во времени – старение, это один из основных показателей, при помощи которого оценивают пригодность вяжущего для использования в дорожном строительстве. При высо ких технологических температурах (приготовление СБВ и асфальто бетонных смесей, транспортирование, укладка и уплотнение) вяжу щее стареет в результате сравнительно быстрых химических превра щений, при эксплуатационных температурах – в результате химиче ских превращений и длительном формировании равновесных надмо лекулярных структур (фазовых превращениях) [70].

Для оценки устойчивости к старению СБВ под действием термо окислительных факторов вяжущие прогревали при 160 С в течение 5 ч. Битум БН 60/90 и СБВ выдерживали в пенетрационных стаканчи ках (для определения П25) и в чашках Петри в слое толщиной 4 мм (для определения Тр и потери массы после прогрева). Результаты ис пытаний, приведенные в табл. 2.6, показали следующее изменение свойств СБВ и битума.

Пенетрация СБВ после прогрева повышается. Следовательно, длительное выдерживание при высоких технологических температу рах способствует дальнейшему растворению серы в битуме, пласти фикации и повышению однородности СБВ. В большей степени изме няется П25 у СБВ с содержанием серы 20 и 30 %. На величину П оказывает влияние временной фактор. Так, значения П25, определен ные через сутки после прогрева СБВ, ниже значений П25, установлен ных через пять часов после прогрева (см. табл. 2.6).

Таблица 2. Изменение свойств серобитумных вяжущих после прогрева при 160 С в течение 5 ч До прогрева После прогрева П25, 0,1 мм в течение 5 ч Вяжущее П25, Тр, через 5 ч через сутки потеря 0,1 мм С Тр, после после массы, прогрева прогрева % С БН 60/90 70 45 78 71 0,044 СБВ (10% серы) 86 42 96 89 0,057 СБВ (20% серы) 72 43 89 82 0,099 СБВ (30% серы) 66 45 92 78 0,25 При хранении СБВ в течение суток при температуре 20 С сера в вяжущих кристаллизуется и повышается их вязкость. Но величины П25 остаются выше первоначальных значений, установленных до про грева. Разница в показателях П25 повышается при увеличении содер жания серы в СБВ.

Температуры размягчения битума и СБВ в процессе термоокис лительного старения 160 С увеличиваются на 3 – 5 С. Следователь но, сера значительно не ускоряет старение вяжущих при указанной температуре.

Потеря массы после прогрева повышается при увеличении со держания серы в СБВ. Однако величины изменения массы невелики и составляют 0,057 – 0,25 мас. %. При длительном прогреве СБВ на стенках термошкафа появляются тонкие игольчатые кристаллики се ры.

При выдерживании образцов битума и СБВ с различным содер жанием серы при 20 С в течение 30 суток пенетрация вяжущих по нижается особенно быстро в течение первых 3 – 7 суток, после чего значения П25 практически стабилизируются. Понижение П25 и увели чение Тр серобитумных вяжущих происходит вследствие кристалли зации серы, химически не связанной с битумом.

Изменение П25 при изотермическом выдерживании выше у СБВ, которые содержат 20 и 30 % серы (табл. 2.7).

Таблица 2. Изменение пенетрации серобитумных вяжущих при выдерживании их в течение 30 суток при 20 С П25, 0,1 мм, после выдерживания при 20 С, сутки Вяжущее 0 3 7 10 БНД 60/90 68 60 57 55 СБВ (10 % серы) 91 70 68 67 СБВ (20 % серы) 82 58 54 53 СБВ (30 % серы) 62 42 35 32 После 30 суток хранения вяжущих при температуре 20 °С пенет рация у битума понизилась на 21,2 %, у СБВ, содержащих 10, 20 и 30 % серы, пенетрация понизилась соответственно на 28,5;

37,3 и 48,3 %. Существенное понижение пенетрации СБВ по сравнению с битумом объясняется кристаллизацией серы, не связанной химиче скими реакциями с углеводородами битума, и ее выделением в вяжу щем в виде отдельной фазы. Этот процесс происходит быстрее в СБВ с большим содержанием серы.

Относительное изменение пенетрации П25 в течение 10 суток от продолжительности изотермического выдерживания битума марки БНД 60/90 и СБВ на его основе показано на рис. 2.9. После 24 ч хра нения пенетрация битума не изменяется. Пенетрация СБВ увеличива ется по сравнению с первоначальной величиной. При дальнейшем изотермическом выдерживании пенетрация битума и СБВ понижает ся. В большей степени изменяется П25 у СБВ, содержащего 30 % се ры.

Значительное изменение свойств органических вяжущих мате риалов на основе битума происходит вследствие формирования рав новесных надмолекулярных структур (фазовых превращений) [70].

При эксплуатационных температурах наблюдается изменение свойств битумов и их затвердевание, связанное с формированием в них рав новесных надмолекулярных структур. Скорости фазовых превраще ний в битумах максимальны при температурах 30 – 80 С. Условия для образования равновесных структур в битумах создаются при мед ленном охлаждении со скоростью, не превышающей 0,06 °С/мин, или при ступенчатом понижении температуры.

1, Относительное изменение пенетрации / 1, / 1 / 0, / 0, 0, 0 50 100 150 200 Время, ч Рис. 2.9. Относительное изменение пенетрации при 25 °С от продолжительности хранения при температуре 20 °С битума БНД 60/90 (1) и СБВ, содержащих соответственно 10 % (2), 20 % (3) и 30 % (4) серы Образцы к испытанию готовили в такой последовательности: би тум и СБВ расплавляли при температуре 140 – 145 С, затем заливали в пенетрационные стаканчики и кольца от прибора «Кольцо и шар».

После остывания при комнатной температуре в течение 1 ч и после дующего термостатирования в воде в течение 1 ч при 25 С (или 0 С) производили первое испытание по определению П25 (или П0). Кольца с вяжущими после охлаждения при комнатной температуре термоста тировали 15 мин при температуре 5 С, затем производили определе ние начального значения Тр. Последующие определения показателей П25 и Тр проводили после выдерживания образцов по 5 суток при тем пературах 80, 50 и 20 С (с интервалом в 30 С).

Влияние режима со ступенчатым понижением температуры на формирование равновесных надмолекулярных структур в битуме БНД 60/90 и СБВ показано на рис. 2.10.

а) б) 100 С о / Температура размягчения, 80 Пенетрация, 0,1 мм / 1 4 / / / / \3 \ 0 100 200 300 0 100 200 300 Время, ч Время, ч Рис. 2.10. Изменение пенетрации при 25 С (а) и температуры размягчения (б) битума и СБВ при выдерживании их по режиму со ступенчато понижающимися температурами от 80 до 20 °С: 1 – битум БНД 60/90;

2, 3, 4 – СБВ, содержащие соответственно 10, 20 и 30 % серы Как следует из данных рис. 2.10, пенетрация при 25 С после фа зовых превращений при температурах от 80 до 20 С значительно уменьшается у всех вяжущих, причем в наибольшей степени в образ цах СБВ, содержащих 10 и 20 % серы.

Сравнение данных табл. 2.7 и рис.2.10 показывает, что при вы держивании битумов и СБВ при ступенчатом понижении температур достигается большее понижение П25 у каждого образца вяжущего, чем при их изотермическом выдерживании.

Температура размягчения битума и СБВ возрастает на 5 – 9 С, причем изменение Тр выше у СБВ. В меньшей степени изменились свойства битума БНД 60/90. Однако показатели П25 и Тр у битумов и СБВ (при содержании в них 10 и 20 % серы) после формирования равновесных структур различаются в меньшей степени, чем в начале процесса.

Графические зависимости, представленные на рис. 2.11, также подтверждают более высокую скорость изменения во времени пенет рации (П25/t) и температуры размягчения (Тр/t) серобитумных вяжущих, особенно СБВ, содержащих 10 и 20 % серы, в сравнении с изменением аналогичных показателей битума.

а) б) 0, 0, Т р / t П 25 t 0, 2\ 0,20 0, \ 1\ \ 2\ 4/ 4 0, \ \ 0, 0, 0, 20 40 60 0, о 20 40 60 80 Температура, С о Температура, С Рис. 2.11. Скорость изменения пенетрации (а) и температура размягчения (б) битума (1) и СБВ при выдерживании их по режиму со ступенчато понижающимися температурами от 80 до 20 °С: 1 – битум БНД 60/90;

2, 3, 4 – СБВ, содержащие соответственно 10, 20 и 30 % серы Повышение вязкости (уменьшение П25 и П0) и температуры раз мягчения объясняется фазовыми превращениями в битумах и кри сталлизацией серы. Переходы структур вяжущих в равновесное со стояние обратимы. После расплавления при температуре 140 °С сформировавшиеся надмолекулярные структуры в битуме и СБВ раз рушаются, закристаллизовавшаяся сера расплавляется, и свойства вя жущих приобретают исходные значения.

Выполненные экспериментальные исследования показали, что свойства вяжущих (битума и СБВ) следует определять не позднее, чем через сутки после их приготовления или переплавления. Даже непродолжительное выдерживание вяжущих при положительных эксплуатационных температурах приводит к значительному измене нию их свойств.

После охлаждения СБВ происходит постепенная кристаллизация серы, которая продолжается в течение месяца. Добавка серы в битумы не вызывает их ускоренного старения как при термоокислительных воздействиях, так и при эксплуатационных температурах.

2.4. Реологические свойства серобитумных вяжущих Оценка поведения органических вяжущих материалов в конст рукциях в случае длительного воздействия нагрузок может быть про изведена по их вязкости. Кроме того, вязкость органических вяжущих является одним из важнейших технологических свойств, от которых зависят условия и качество перемешивания, укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси [9].

Динамическую вязкость битума марки БН 90/130 и СБВ с содер жанием серы от 10 до 60 % по массе определяли при различных тем пературах от 80 до 160 С с целью установления оптимальных темпе ратурных режимов приготовления СБВ и смешения их с минераль ными материалами. Результаты определения вязкости представлены на рис. 2.12 [20].

Вязкость битума закономерно понижается в исследуемом интер вале температур и при 120 – 160 С изменяется от 0,7 до 0,3 Па·с.

Введение серы до 15 % (кривые 2 и 3) вызывают снижение вязкости СБВ по сравнению с битумом. Дальнейшее увеличение содержания серы (кривые 4 и 5) приводит к повышению вязкости при температу рах 90 – 120 С. Однако с дальнейшим ростом температуры вязкость СБВ значительно падает и становится ниже, чем у исходного битума.

При содержании серы в количестве 10 – 15 мас. % сера растворя ется в битуме, пластифицирует его и понижает вязкость во всем диа пазоне исследуемых температур. При температурах выше 120 С вся сера расплавляется, поэтому вязкость СБВ с высоким содержанием серы ниже вязкости битума.

Известно, что для обеспечения возможности перекачивания би тума насосами, дозирования и качественного перемешивания битума с минеральными материалами его вязкость при 140 – 160 С должна быть ниже 0,5 Па·с (обычно 0,2 – 0,3 Па·с). Серобитумные вяжущие достигают такой вязкости при температуре 120 – 130 С в зависимо сти от количества серы. При температуре 140 – 150 С вязкость СБВ значительно ниже вязкости битума.

Повышение температуры нагрева вяжущего приводит к пониже нию его вязкости, но при температуре выше 150 С из СБВ начинают интенсивно выделяться токсичные газы. Следовательно, оптимальная температура приготовления СБВ не должна превышать 140 – 150 С в зависимости от содержания серы и марки исходного битума [20].

Рис. 2.12. Зависимость вязкости битума и серобитумных вяжущих от температуры: 1 битум БН 90/130;

2, 3, 4 и 5 серобитумные вяжущие с содержанием серы соответственно 10, 15, 30 и 60 мас. % Вязкость вяжущего должна обеспечивать теплостойкость асфаль тобетонного покрытия при повышенных летних температурах и не допускать хрупкого разрушения покрытий при низких зимних темпе ратурах, т.е. обеспечивать достаточную деформативность и прочность покрытия в этих условиях под воздействием нагрузок от движения транспортных средств. Вязкость органических вяжущих не должна сильно изменяться в условиях температурных режимов технологиче ских операций по смешению, укладке и уплотнению и затем при экс плуатации покрытий под воздействием различных климатических и эксплуатационных факторов.

Исследование вязкости битума марки БНД 60/90 и СБВ на его основе проводили на вискозиметре «Реотест-2». Содержание серы в СБВ составляло 15 и 30 мас. %. Такие составы битума с серой были взяты потому, что они наиболее полно характеризуют влияние серы на свойства битума. При содержании серы 15 % серобитумное вяжу щее имеет экстремальные показатели стандартных свойств (см. рис.

2.1). При содержании 30 % серы СБВ характеризуется лучшим ком плексом свойств по сравнению с битумом. Увеличение содержания в СБВ серы свыше 30 % вызывает ухудшение стандартных свойств по сравнению со свойствами исходного битума.

Вязкость органического вяжущего (битума, СБВ и др.) в значи тельной степени определяется его составом и структурой. Вязкие до рожные битумы и СБВ являются структурированными дисперсными системами и в зависимости от условий нагружения и температуры могут проявлять как ньютоновское, так и неньютоновское поведение.

Асфальтены в битуме или асфальтены и диспергированная сера в СБВ являются дисперсной фазой и вызывают отклонение от линейности при течении.

При воздействии малых нагрузок наблюдается медленное необ ратимое течение, соответствующее высокой вязкости битума и СБВ.

При воздействии значительных нагрузок, особенно действующих в течение длительного времени, структура вяжущего нарушается, что приводит к резкому снижению вязкости.

Для характеристики реологических свойств вязкоупругих жидко стей пользуются полной реологической кривой (реограммой) – зави симостью скорости сдвига от напряжения сдвига (рис. 2.13 – 2.15).

С помощью реограмм определяют следующие структурно реологические характеристики. При небольших по величине наблю дается прямая пропорциональная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, определяется постоянная наибольшая вяз кость неразрушенной структуры вяжущего 0. Повышение напряже ния приводит к разрушению структуры вяжущего и нарушению пря мой пропорциональной зависимости между и. Этот участок кривой характеризует эффективную или структурную вязкость эф, которая меняется в широких пределах и является функцией и.

При дальнейшем увеличении напряжения структура вяжущего полностью разрушается и снова устанавливается прямая пропорцио нальность между и. При этих условиях определяется наименьшая ньютоновская вязкость m предельно разрушенной структуры вяжу щего.

Динамическую вязкость битума и СБВ определяли при техноло гических температурах 80, 100, 120 и 140 С и скоростях сдвига от 1, до 437,4 с-1. На рис. 2.13 представлены зависимости скорости сдвига от напряжения сдвига для битума марки БНД 60/90 при разных тем пературах.

140 о С 120 о С \ m Скорость сдвига, 1/с \ m 100 о С эф m \ \ эф / эф \ о \ \ 50 о о о о 80 С / / 0 20 40 60 80 100 Напряжение сдвига, Па Рис. 2.13. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для битума марки БНД 60/ Полные реологические кривые для битума марки БНД 60/90, по лученные при температурах 140, 120 и 100, имеют S-образный вид, что указывает на структурированное состояние битума при этих тем пературах. При температуре 80 С и небольших величинах скорости сдвига битум проявляет ньютоновское течение.

На рис. 2.14 и 2.15 показаны такие же зависимости для СБВ с со держанием серы 15 и 30 %. Как следует из приведенных зависимо стей, вязкость битума и СБВ как вязкоупругих термопластичных жидкостей зависит от температуры, понижаясь с ее повышением. При температуре 80 °С вязкость битума и СБВ относительно велика, что обусловлено процессами структурообразования в вяжущих.

120 о С 100 о С 140 о С \ m \ m m \ Скорость сдвига, 1/с \ эф о \ эф о \ о / \ 50 / 80 о С о / 0 20 40 60 Напряжение сдвига, Па Рис. 2.14. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для СБВ с содержанием 15 % серы Полные реологические кривые для серобитумных вяжущих при температурах 100 – 140 С имеют такой же характер, как и кривые би тума. При температуре выше 100 С и скоростях сдвига, превышаю щих 5,4 – 16,2 с-1, серобитумные вяжущие являются структурирован ными жидкостями, а при 80 С – ньютоновскими, вязкость которых не зависит от величины действующего напряжения сдвига (или скорости сдвига).

140 о С 120 о С 100 о С \ \ \ m m m Скорость сдвига, 1/с \ эф эф \ \ о эф / 50 о о о / / 80 о С / 0 10 20 30 40 50 Напряжение сдвига, Па Рис. 2.15. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для СБВ с содержанием 30 % серы Зависимости наибольшей ньютоновской вязкости 0 и предельно го напряжения сдвига 0 от температуры, представленные на рис. 2.16, показывают, что введение серы в битум приводит к снижению вязко сти СБВ и предельного напряжения сдвига во всем интервале иссле дованных температур. Для битума и СБВ имеется существенное раз личие между крайними значениями вязкости неразрушенной структу ры 0 и полностью разрушенной структуры m. При температурах и 140 С вязкость СБВ практически не зависит от содержания серы в вяжущих.

б) а) 12 / Вязкость, Па с / Напряжение, Па / / 2 4 / / 2 80 100 120 80 100 120 о С Температура, Температура, о С Рис. 2.16. Зависимость наибольшей ньютоновской вязкости (а) и предельного напряжения сдвига (б) битума марки БНД 60/90 (1) и СБВ, содержащих 15 % (2) и 30% серы (3), от температуры Анализ графиков зависимостей вязкости 0 и предельного напряжения сдвига 0 от содержания серы в СБВ (рис. 2.17) позволил установить, что СБВ при исследованных температурах имеют меньшие вязкость и напряжение сдвига, чем исходный битум.

Вязкость и напряжение сдвига СБВ с содержанием серы 30 % при температуре 80 С несколько выше, чем у СБВ с содержанием серы 15 %.

Такой эффект объясняется тем, что при понижении температуры из расплава СБВ выделяется сера в виде новой высокодисперсной фазы, которая образует вторичную коагуляционную структуру и вызывает упрочнение вяжущего. При повышении температуры эта кристаллическая фаза расплавляется и понижает вязкость и предельное напряжение сдвига. Следовательно, при температурах выше 80 С сера является пластификатором битума, а при температурах ниже 80 С сера выступает в роли структурирующей добавки [6].

а) б) / / Вязкость, Па с Напряжение, Па / 3 / / / 3 0 / / 0 10 20 30 Содержание серы, % по массе 0 10 20 Содержание серы, % по массе Рис. 2.17. Зависимость вязкости (а) и предельного напряжения сдвига (б) битума марки БНД 60/90 и СБВ, содержащих 15 и 30% серы, от содержания серы и температуры: 80 С (1);

100 С (2);

120 С (3);

140 С (4) Исследование зависимости логарифма эффективной вязкости эф битума и серобитумных вяжущих от температуры при скорости сдвига 121 с-1 показывает, что для всех видов вяжущих наблюдается соответствие известному уравнению Аррениуса [69] (рис. 2.18).

Наибольшую величину условной энергии активации вязкого течения Е имеет битум (Е= 14,5 кДж · моль). При увеличении содержания серы вязкость СБВ понижается в исследованном интервале температур, что приводит к снижению Е. Так, при содержании серы 15 % Е= 12,7 кДж · моль, а при содержании серы в вяжущем 30 % Е= 11,7 кДж · моль. Сравнительно малые величины условной энергии активации СБВ указывают на меньшую температурную чувствительность их вязкости эф в диапазоне технологических температур (100 – 140 °С) по сравнению с битумом.

0, -0, Логарифм эффективной вязкости, Па с -0, \ -0, \ -0, \ -1, -1, -1, -1, 24 25 26 Обратная температура, 10000/Т, К Рис. 2.18. Температурная зависимость логарифма эффективной вязкости битума (1) и серобитумных вяжущих, содержащих серы 15 % (2) и 30 % (3) Выполненные исследования позволили выявить влияние добавок серы на изменение физико-механических и реологических свойств СБВ, приготовленных с различным содержанием серы на битумах разных структурно-реологических типов и марок.

Дозировка серы до 20 мас. % пластифицирует дорожные битумы со структурой золь-гель марок БНД 60/90 и БНД 90/130, улучшая их низкотемпературные свойства: пластичность и деформативность при низких температурах, трещиностойкость. Содержание серы свыше 20 мас. % структурирует битум: повышаются вязкость, теплостой кость, хрупкость. Для улучшения трещиностойкости и деформатив ности при низких температурах в битумы БНД 60/90 и БНД 90/ достаточно вводить 10 – 15 мас. % серы. Для повышения адгезионных свойств и теплоустойчивости битума дозировку серы целесообразно увеличивать до 30 мас. %.

Введение серы до 20 мас. % в битумы со структурой, близкой к золю, марок БН 60/90 и БН 90/130 вызывает пластификацию битумов:

понижаются вязкость, температура хрупкости, температура размягче ния. Содержание серы выше 20 % структурирует вяжущее: повыша ются вязкость, теплостойкость, хрупкость, снижаются деформатив ные свойства. Структурированное серой вяжущее обладает более вы сокими показателями пластичности и трещиностойкости по сравне нию со свойствами исходного битума. Рациональная дозировка серы в битумы марок БН 60/90 и БН 90/130 составляет 20 – 30 мас. %.

Таким образом, добавка серы в количестве до 20 % эквивалентна введению пластификатора. При более высоких дозировках (до 30 – 40 %) сера является структурообразующей добавкой. Добавка серы в битумы не вызывает их ускоренного старения как при термоокисли тельных воздействиях, так при эксплуатационных температурах. Пла стифицирующий эффект серы может длиться непродолжительное время. Он может быть использован для повышения удобоукладывае мости и уплотняемости асфальтобетонных смесей. После охлаждения и в процессе хранения СБВ при комнатной температуре происходит постепенная кристаллизация серы, которая продолжается в течение месяца.

Введение серы в битум приводит к снижению вязкости СБВ и предельного напряжения сдвига при температурах выше 80 С. По ниженные реологические характеристики СБВ при технологических температурах позволяют на 10 – 20 С снизить температуры приго товления и уплотнения асфальтобетонных смесей.

Сера при температуре выше 80 С является пластифицирующей, а при температуре ниже 80 С – структурообразующей добавкой.

При содержании серы свыше 30 % по мере снижения температу ры возможно образование в СБВ не только коагуляционной, но и кри сталлизационной структуры. Кристаллизационная структура ухудша ет деформативные свойства, повышает жесткость и хрупкость вяжу щего.

3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ РАЗЛИЧНОМ НАПОЛНЕНИИ ЕГО МИНЕРАЛЬНЫМ ПОРОШКОМ Свойства асфальтобетона существенно зависят от структуры, ад гезионно-когезионных и реологических свойств асфальтового вяжу щего (асфальтовяжущего). В обычных асфальтобетонных смесях, со стоящих из щебня, песка, минерального порошка и битума, каркас ную основу составляют зерна щебня и песка, а промежутки между ними заполняют более мелкие частицы, в частности минеральный по рошок.

Чем плотнее структура минеральной части, тем выше показатели асфальтобетона. При этом большое влияние на свойства асфальтобе тона оказывает соотношение содержания битума и минерального по рошка.

В работах И.А. Рыбьева [71] показано, что наилучшие свойства асфальтобетона получают при некотором оптимальном соотношении содержаний битума и минерального порошка. В производственных условиях требуется высокая точность дозирования количества ука занных компонентов, что, к сожалению, не всегда осуществляется.

Отклонение в дозировке хотя бы одного из компонентов приводит к резкому ухудшению качества и долговечности асфальтобетона. В ас фальтобетоне, содержащем серу, образуется структура бетона, где се ра выполняет роль заполняющих частиц и в то же время связывает минеральные частицы.

Представляло значительный интерес установление взаимосвязи между структурой и свойствами асфальтового вяжущего с использо ванием СБВ на основе анализа объемных соотношений компонентов.

В основу принятого подхода легли следующие исходные предпо сылки [72]:

1. Асфальтовяжущее – бинарная дисперсная система, в которой твердой фазой является минеральный порошок, а средой – вяжущее, в качестве которого использовали битум и серобитумное вяжущее (СБВ).

2. Вяжущее в асфальтовяжущем может находиться в следующих состояниях:

- свободное вяжущее (битум или СБВ), заполняющее межзерно вое пространство фазы и находящееся вне зоны физико-химических процессов на границе раздела «фаза – среда»;

- пленочное вяжущее, представленное адсорбционно-сольватной пленкой с высокой степенью ее структурирования за счет физико химических процессов на поверхности фазы.

3. Структура асфальтовяжущего является оптимальной, т.е. обла дает наилучшим комплексом свойств при концентрации минерально го порошка, которая обеспечивает перевод вяжущего в пленочное со стояние.

Из предпосылок следуют два исходных уравнения, отражающих баланс объемов структурных компонентов:

Vмп +Vв+Vо= 1;

(3.1) Vв = Vвс+Vвп, (3.2) где Vмп, Vв, Vо, Vвс, Vвп – объемное содержание соответственно мине рального порошка, вяжущего (битума или СБВ), остаточных пор, сво бодного и пленочного вяжущего, доля единицы объема.

Для удобства последующего анализа введем понятие относитель ной концентрации минерального порошка в асфальтовяжущем rмп:

rмп = Vмп / (1 – Рмп*), (3.3) где Рмп* – пустотность минерального порошка в асфальтовяжущем оп тимальной структуры, доля единицы объема.

В процессе эксперимента предполагалось проверить следующие гипотезы:

1. Оптимальная структура асфальтовяжущего при данных режи мах его приготовления и уплотнения формируется при rмп = 1,0.

Именно этому значению соответствует створ абсолютного максимума (или минимума) значений показателей свойств асфальтовяжущего (закон створа по И.А. Рыбьеву [71]).

2. Пустотность минерального порошка в уплотненном асфальто вяжущем оптимальной структуры всегда ниже пустотности сухого порошка при том же режиме уплотнения.

3. Остаточная пористость асфальтовяжущего начинает формиро ваться при сближении зерен порошка до контакта через вяжущее в пленочном состоянии, при объеме вяжущего в свободном состоянии, недостаточном для заполнения межзернового пространства, то есть в момент образования оптимальной структуры асфальтовяжущего.

4. Значение В/МП*, соответствующее оптимальной структуре ас фальтовяжущего, должно сдвигаться в сторону увеличения по мере роста содержания серы в битуме, что объясняется появлением кри сталликов серы в СБВ, которые повышают концентрацию наполните ля в асфальтовяжущем.

В эксперименте были использованы известняковый гидрофоби зированный минеральный порошок (табл. 3.1) и вяжущие – битум марки БН 60/90 и СБВ с содержанием серы 15 и 30 мас. % (табл. 3.2).

Таблица 3. Свойства минерального порошка Плот- Пустот Плот- ность ность Биту- Тон- Набу- Удель Пока- ность средняя в в уплот- моем- кость хание, ная за- истин- уплотнен- ненном кость, помола, % об. повер г/100 см тель ная, ном состоя- мас. % хность, кг/м3 см2/г состоянии, нии, кг/м3 % Значе ние 2700 2181 19,2 32,8 76,65 1,67 Таблица 3. Свойства вяжущих Показатель Битум СБВ СБВ БН 60/90 (15 % серы) (30 % серы) Плотность при 20 С, кг/м3 1000 1067 Глубина проникания иглы, 0,1 мм при температурах:

а) 25 С 70 80 б) 0 С 18 30 Температура размягчения, С 45 43 Растяжимость при 25 С, см 100 72 Растяжимость при 0 С, см 5,0 7,0 5, Температура хрупкости по Фраасу, С –13,5 –23 – Плотность порошка определена пикнометрическим методом, удельная поверхность – на приборе ПСХ-2. Серобитумное вяжущее получали смешением расплавленного битума с расчетным количест вом порошкообразной серы при последующем перемешивании СБВ в течение 30 мин при температуре 135 – 140 С. Приготовление смесей из порошка и вяжущих и формовка образцов диаметром и высотой 25,2 мм произведены при температуре 130 – 140 С и уплотняющем давлении 40 МПа. Предел прочности при сжатии определяли при 20 С и скорости деформирования 3 мм/мин, среднюю плотность оп ределяли гидростатическим взвешиванием образцов асфальтовяжу щего. Все измерения и испытания выполнены на трех параллельных образцах. Структурно-механические свойства асфальтовяжущих, при готовленных при разных значениях В/МП, приведены в табл. 3.1.

При обработке результатов эксперимента и их анализе использо ваны следующие формулы:

ав Vмп = m / мп (1 + В / МП);

(3.4) Рмп = 1 – Vмп;

(3.5) ав = (1 + В/МП) / (1/ мп + 1/ в · В/МП);

(3.6) Vо = 1 – m / ав ;

ав (3.7) Vв = 1 – Vмп – Vо;

(3.8) Vвп = мп Vмп;

(3.9) Vвс = Vв – Vвп;

(3.10) = Vв* / (SмпVмп*), (3.11) где, m, ав – средняя и истинная плотности асфальтовяжущего при ав массовом соотношении вяжущего и минерального порошка В/МП, т/м3;

мп и в плотности соответственно минерального порошка и вя жущего, т/м3;

Рмп пустотность минерального порошка в структуре асфальтовяжущего при текущем значении В/МП, доля единицы объе ма;

Sмп удельная поверхность минерального порошка, м2/м3 плотно го тела;

осредненная толщина адсорбционно-сольватной пленки битума на зернах порошка в асфальтовяжущем оптимальной структу ры при В/МП*, м;

Vв*,Vмп* соответственно объем вяжущего и по рошка в асфальтовяжущем оптимальной структуры при В/МП*, доля единицы объема.

Таблица 3. Структурно-механические свойства асфальтовяжущих Пустот Плот- Плот- Объемное содержание, доля единицы ность Вя- ность ность мине- Толщина мине- вяжу R20, жу- _В_ сред- ис- рально- пленки раль- остаточ- вяжу- вяжу- щего МП щее няя тин- МПа го по- битума ного ных щего щего сво ав ная рошка,м m, Vв по- пор пленоч- бод ав, Рмп, т/м3 Vо рош- ного ного доля ед.

т/м3 Vвп Vвс ка объема Vмп 0,3317·10- Битум 0,10 2,119 2,340 5,98 0,696 0,094 0,210 0,210 0 0, БН 0,12 2,133 2,285 7,75 0,705 0,066 0,229 0,229 0 0, 60/90 0,13 2,165 2,260 8,71 0,710 0,042 0,248 0,248 0 0, 0,14 2,133 2,235 6,94 0,693 0,046 0,261 0,242 0,019 0, 0,16 2,120 2,189 4,96 0,677 0,032 0,291 0,236 0,056 0, 0,3113·10- СБВ 0,11 2,161 2,347 8,84 0,721 0,079 0,200 0,200 0 0, (серы 0,13 2,182 2,297 9,25 0,715 0,050 0,235 0,235 0 0, 15 %) 0,15 2,151 2,255 7,41 0,693 0,046 0,261 0,227 0,034 0, 0,17 2,116 2,212 6,87 0,689 0,016 0,295 0,226 0,069 0, 0,331·10- СБВ 0,11 2,174 2,382 9,59 0,725 0,087 0,188 0,188 0 0, (серы 0,13 2,177 2,339 9,45 0,713 0,069 0,218 0,218 0 0, 30 %) 0,15 2,197 2,300 11,83 0,708 0,045 0,247 0,247 0 0, 0,17 2,186 2,200 9,05 0,692 0,015 0,293 0,241 0,052 0, Результаты непосредственных измерений и расчетов (табл. 3.3), выполненные по формулам (3.1) (3.11), позволили отметить сле дующие закономерности (рис. 3.1, 3.2) [47].

1. Наибольшая прочность и плотность асфальтовяжущего, полу ченного с использованием битума и СБВ (см. рис. 3.1), располагаются в одном створе, соответствующем оптимальному значению В/МП*.

а) б) 0, 10 2, Объемное содержание, доля единицы Предел прочности при сжатии, / Vмп 8 2, Средняя плотность, т/м 0, R \ 6 2, МПа ав 0, m 4 2, \ Vв \ 0, 2 2, Vo / 0 2,10 0, 0,10 0,12 0,14 0,16 0,10 0,12 0,14 0, В/МП В/МП Рис. 3.1. Прочность, средняя плотность и объемные доли компонентов асфальтовяжущего как функции массового отношения В/МП на битуме марки БН 60/ 2. Прочность асфальтовяжущего возрастает с увеличением со держания серы. При оптимальном значении В/МП* прочность асфаль товяжущего на битуме БН 60/90 равна 8,71 МПа. Прочности асфаль товяжущих на СБВ при расходе серы 15 и 30 % равны соответственно 9,25 и 11,83 МПа (см. рис. 3.2).

Хорошо диспергируется в битуме до 20 мас. % серы. Большое количество серы проявляет себя как наполнитель. Избыточная сера образует более крупные частицы, которые при охлаждении кристал лизуются. При этом возникают дополнительные кристаллизационные связи, что ведет к увеличению прочности материала.

а) б) 0, 10 2, Объемное содержание, доля единицы R Предел прочности при сжатии, / / Vмп Средняя плотность, т/м 8 2,18 0, \ ав МПа m 6 2,16 0, Vв 4 2,14 / 0, Vo / 2 2, 0, 0,11 0,13 0,15 0, 0,11 0,13 0,15 0, В/МП В/МП в) г) 13 2,21 0, Объемное содержание, доля единицы Предел прочности при сжатии, / Vмп 11 2, Средняя плотность, т/м 0, R / 9 2, МПА \ ав 0, m 7 2,18 Vв / 0, 5 2,17 Vo / 0, 3 2, 0,11 0,13 0,15 0, 0,11 0,13 0,15 0, В/МП В/МП Рис. 3.2. Прочность, средняя плотность и объемные доли компонентов асфальтовяжущего как функции массового отношения В/МП:

а, б – на серобитумном вяжущем с содержанием серы 15 %;

в, г – на серобитумном вяжущем с содержанием серы 30 % 3. Оптимальное значение В/МП* сдвигается в сторону увеличе ния по мере возрастания количества серы в вяжущем. Так, при содер жании серы в СБВ, равном 15 %, оптимальное отношение В/МП* рав но 0,13, а при содержании серы 30 % отношение В/МП* равно 0,15.

4. При использовании чистого битума в асфальтовяжущем кривая зависимости его прочности и плотности от В/МП имеет резко очер ченный пик, соответствующий оптимальному значению В/МП*, в то время как при использовании СБВ (при содержании серы 15 и 30 %) пик несколько сглаживается.

Это подтверждает известную из литературы меньшую чувстви тельность к содержанию вяжущего асфальтобетонов на СБВ в срав нении с чистым битумом. Использование СБВ приводит к стабильно сти качества асфальтобетонного покрытия даже при некоторых коле баниях количества вяжущего.

5. Графики зависимости остаточной пористости асфальтовяжу щего от В/МП имеют общий своеобразный характер (см. рис. 3.1, б, 3.2, б, г). Наблюдаются две ветви этого графика, разделенные точкой, соответствующей оптимальному значению В/МП*. На первом участке свободный битум отсутствует, происходит формирование битумной пленки и одновременно повышение плотности упаковки зерен по рошка. На втором участке пористость асфальтовяжущего обусловлена в основном наличием защемленного воздуха, доля которого снижает ся по мере роста объема свободного битума.


6. Пустотность минерального порошка в асфальтовяжущем оп тимальной структуры на битуме БН 60/90 имеет минимальное значе ние (см. табл. 3.3) при В/МП* = 0,13, которому соответствуют макси мальные объемы порошка и пленочного битума.

В асфальтовяжущих на СБВ при увеличении В/МП пустотность минерального порошка и объемная доля вяжущего увеличиваются, объем минерального порошка понижается. На такой характер зависи мостей оказывает влияние добавка серы, выступающая в роли дис персного наполнителя. Объемное содержание пленочного СБВ имеет наибольшую величину при оптимальном значении В/МП*, как и в ас фальтовяжущем на битуме (см. табл. 3.3 и рис. 3.2, б, г).

7. При использовании понятия относительной объемной концен трации минерального порошка положение створа фиксируется значе нием rмп = 1,0, которое соответствует оптимальной структуре асфаль товяжущего и может быть использовано при расчете состава асфаль тобетона наибольшей прочности [73].

4. АСФАЛЬТОВЫЕ БЕТОНЫ НА СЕРОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ 4.1. Свойства органических вяжущих и минеральных материалов для асфальтобетона Проектирование составов асфальтобетонных смесей проводили с использованием минеральных материалов, применяемых в дорожном строительстве Омской области, битумов марок БНД 60/90 и БН 60/90, выпускаемых Омским НПЗ, и серобитумных вяжущих (см. табл. 2.1 и 2.2).

Определение показателей свойств исходных минеральных мате риалов для асфальтобетона производилось согласно методикам испы таний, приведенных в ГОСТ 8269-87 для щебня, в ГОСТ 8735-88 для песка, в ГОСТ Р 52129-2003 для минерального порошка. Кроме пока зателей, предусмотренных стандартами, определялись: межзерновые пустотности щебня и песка в виброуплотненном состоянии;

модуль крупности щебня;

пустотность минерального порошка в предельно уплотненном состоянии;

плотности битума и серобитумных вяжущих.

Эти показатели определяли в соответствии с методическими указа ниями, разработанными в СибАДИ [73], для проектирования составов асфальтобетонов по методу СибАДИ.

Исследование свойств серобитумных вяжущих на основе биту мов БНД 60/90 и БН 60/90 показало (см. раздел 2):

1) дозировка серы до 20 % пластифицирует битум, при этом зна чительно повышаются трещиностойкость, пластичность и деформа тивность, снижается вязкость СБВ по сравнению с битумом;

2) введение серы более 20 % структурирует вяжущее – растут вязкость, теплостойкость, хрупкость, снижается растяжимость, по вышаются индекс пенетрации и коэффициент структуры;

3) процесс кристаллизации серы продолжается более месяца, но наиболее интенсивно в первые 7 – 10 суток. В результате повышают ся вязкость и температура размягчения вяжущих. Эти изменения тем значительнее, чем большее количество серы содержит СБВ;

4) в интервале температур 130 – 150 С вязкость СБВ равняется 0,10 – 0,15 Па·с, битума – 0,2 – 0,4 Па·с. При эксплуатационных тем пературах СБВ, содержащие свыше 20 % серы, имеют более высокую вязкость, чем битум. Повышение вязкости СБВ по сравнению с биту мом наиболее заметно в интервале температур 25 – 60 С. При темпе ратурах, близких к 0 С, разница в вязкости битума и СБВ незначи тельна (табл. 4.1).

Данные таблицы показывают, что при технологических темпера турах (перемешивание, укладка смеси) битум размягчается дисперги рованной в нем серой. При охлаждении сера кристаллизуется, и вяз кость СБВ увеличивается в зависимости от количества кристаллизи рующейся серы.

Следовательно, пластифицирующий эффект серы может быть ис пользован при изготовлении асфальтобетонной смеси (снижение тем ператур нагрева СБВ и минеральных материалов), а также для повы шения удобоукладываемости и уплотняемости смеси.

Таблица 4. Вязкость битума и серобитумных вяжущих Вязкость динамическая, Пас, при скорости сдвига 0,05 с-1 и температуре, С Вяжущее 5 30 60 90 6 БНД 60/90 1,2 10 10 98,2 80,6 0, 6 СБВ 60/90 (20 % серы) 10 9,8 10 95 46,1 0, 3,5 106 6,7 104 СБВ 40/60 (40 % серы) 92,3 0, Свойства минеральных материалов для асфальтобетонных смесей и сравнение свойств с требованиями нормативных документов даны в табл. 4.2 – 4.7.

Таблица 4. Зерновой состав асбестового щебня Содержание зерен, мас. % на ситах с размерами Остаток отверстий, мм 20 10 5 менее Частный, мас. % 3,4 71,4 23,2 2, Полный, мас. % 3,4 74,8 97,6 Таблица 4. Зерновой состав известнякового щебня Остаток Содержание зерен, мас. % на ситах с размерами отверстий, мм 20 10 5 менее Частный, мас. % 6,0 63,8 25,0 5, Полный, мас. % 6,0 69,8 94,8 Таблица 4. Свойства щебня асбестового и известнякового Щебень Требования ГОСТ 8267-93, Показатель ГОСТ 9128- асбестовый известняко к щебню вый для строитель ных работ Истинная плотность, кг/м3 2720 2700 Не нормирует ся Средняя плотность, кг/м3 2660 2650 То же Насыпная плотность в вибро уплотненном состоянии, кг/м3 1532 1593 То же Пустотность в виброуплот ненном состоянии, кг/м3 42,2 39,44 То же Модуль крупности 1,76 1,85 То же Пористость, % объема 2,2 2,95 То же Водопоглощение:

мас. % 0,74 0,87 То же об. % 1,58 2, Дробимость при сжатии в ци линдре, мас. %: Не более фракция 5 – 10 мм 5,3 6,7 фракция 10 – 20 мм 6,0 8, Содержание зерен неправиль- Не выше 15 – ной формы, мас. % 30 – 36 35 в зависимо сти от типа ас фальтобетона Содержание пылевидных и 3, глинистых частиц, удаляемых (волокна 1,68 Не более 2, при отмучивании, мас. % асбеста) Марка горной породы по Не ниже 400 – прочности 1200 1200 в зависимости от типа, вида и марки асфаль тобетона Таблица 4. Зерновой состав песков Полные остатки, мас. %, на ситах с размером Песок отверстий, мм менее 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 0, Карьера Фадино 4,1 7,9 28,4 63,1 92,3 99,4 Иртышский 7,2 16,7 32,5 58,5 80,6 97,5 Дробленый 10,5 19,2 37,3 86,5 96,5 98,9 Таблица 4. Свойства песков природных и дробленого Песок Требования Показатель ГОСТ карьера иртыш- дробле 8736- Фадино ский ный к песку извест природному няковый мелкому II класса Средняя плотность, кг/м3 2600 2630 2635 Не норми руется Насыпная плотность, кг/м3 1560 - - То же То же в виброуплотненном состоянии, кг/м3 1720 1776 1884 То же Пустотность, % 40 39,5 47,56 То же То же в виброуплотненном состоянии, % 33,85 32,47 28,52 То же Модуль крупности 1,96 1,85 2,50 1,5 – 2, Содержание зерен крупно стью:

свыше 5 мм, % 4,5 – 6,5 1,5 – 3,5 - Не более менее 0,16 мм, % 7,1 – 7,7 10,1 – 19,4 3,5 Не более Полный остаток на сите 0,63 мм, % 28,4 32,5 37,3 Св. 10 до Содержание пылевидных и глинистых частиц при от мучивании, мас. % 3,9 1,0 - Не более Из данных табл. 4.2 – 4.6 следует, что щебень и песок удовлетво ряют требованиям действующих нормативно-технических докумен тов.

Активированный и гидрофобизированный минеральный порошок из алеврита получали в цехе минерального порошка базы ОГУП «Ом скдорснаб» пос. Красный Яр Омской обл. по техническим условиям и технологическому регламенту, разработанным в СибАДИ.

Минеральный порошок получали при совместном помоле крем неземистой породы – алеврита с активирующей добавкой (цементом) и гидрофобизирующей добавкой (вязким дорожным битумом). Мине ральный порошок из алеврита соответствует требованиям ТУ 5716 005-02068982-2002 «Порошок минеральный алевритовый активиро ванный и гидрофобизированный для асфальтобетонных смесей», а также требованиям ГОСТ Р 52129-2003 к активированному мине ральному порошку марки МП-1 (см. табл. 4.7).

Таблица 4. Свойства минеральных порошков Минеральный порошок Требования ГОСТ Р 52129 активиро- активи ванный рованный Показатель к активирован и гидрофо- известня ному порошку бизирован- ковый марки МП- ный из алеврита Зерновой состав, мас. %:

мельче 1,25 мм 100 100 Не менее мельче 0,315 мм 100 97 Не менее мельче 0,071 мм 93,5 82,75 Не менее Пустотность, об. % 29,8 19,0 Не более Битумоемкость, г/100 см3 72 32,8 Не нормируется Набухание, об. % 2,41 1,76 Не более 2, Истинная плотность, кг/м3 2630 2700 Не нормируется Коэффициет водостойкости 0,82 0,85 Не ниже 0, Активированный известняковый минеральный порошок удовле творяет нормативным требованиям ГОСТ Р 52129-2003 к активиро ванному минеральному порошку марки МП-1. Активированный ми неральный порошок из алеврита имеет повышенные дисперсность и битумоемкость по сравнению с активированным известняковым ми неральным порошком.

4.2. Физико-механические свойства асфальтобетонов на серобитумных вяжущих Подбор составов горячих плотных асфальтобетонных смесей проводился по методике СибАДИ [76] и по предельным кривым плотных смесей. Составы асфальтобетонных смесей, подобранных по методу СибАДИ, приведены в табл. 4.8.

Таблица 4. Составы асфальтобетонных смесей, подобранных по методике СибАДИ Содержание компонентов, Компоненты смеси мас. %, в асфальтобетон ной смеси типа А Б Г Д Щебень известняковый 56,5 42,7 - Песок речной иртышский 30,4 45,0 - Песок природный с Мк=3,18 - - - 83, Песок дробленый известняковый - - 89 Минеральный порошок известняковый 13,1 12,3 11 16, Битум БН 60/90 (сверх 100 % минеральной части) 5,6 6,1 7,3 6, СБВ при содержании серы 15 мас. % (сверх 100 % минеральной части) 6,1 6,6 7,9 7, СБВ при содержании серы 30 мас. % (сверх 100 % минеральной части) 6,7 7,2 8,6 7, При увеличении содержания серы в СБВ оптимальное содержа ние его в асфальтобетонной смеси увеличивается, поскольку плот ность СБВ выше плотности битума.

Асфальтобетонные смеси на битумах БНД 60/90 и БН 60/90 гото вили при температурах, указанных в ГОСТ 12801-98. Поскольку вяз кости СБВ при температурах 120 – 150 С ниже вязкости битума, тем пературы нагрева минеральных материалов и СБВ были на 10 20 С ниже, чем при изготовлении смесей на битуме. Температура нагрева минеральных материалов и СБВ составляла 140 – 150 С. Продолжи тельность перемешивания смесей на СБВ при перемешивании в лабо раторном смесителе была на 1,5 – 2,0 мин меньше, чем при смешении минеральных материалов с битумом.


Асфальтобетонные смеси на СБВ уплотняли при температуре 110 – 120 С. При таких температурах смеси сохраняли подвижность.

Стандартные лабораторные образцы готовили и испытывали по ГОСТ 12801-98. Испытания проводили через 1 – 2 суток и после 20- и 30 суточного хранения образцов при температуре 20 С.

Асфальтобетонные смеси типа Б готовили на битуме БН 60/90 и СБВ, содержащих серы 15 и 30 мас. % (табл. 4.9).

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего асфальтобетона типа Б Вяжущее Требования ГОСТ 9128-2009 к горяче Показатель му асфальтобетону СБВ СБВ типа Б марки I/II БН 60/90 60/90 60/ для III дорожно (15% (30% климатической серы) серы) зоны Пористость минераль ного остова, % об. 16,06 16,10 16,15 Не более Остаточная пористость, об. % 2,42 2,55 2,62 2,5 – 5, Водонасыщение, об. % 1,93 1,89 2,12 1,5 – 4, Набухание, об. % 0,19 0,23 0,22 Не нормируется Средняя плотность, 2360 2370 2382 То же кг/м Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:

а) 20 С 3,20 2,87 3,80 Не менее 2,5/2, б) 50 С 1,20 0,90 1,65 Не менее 1,1/1, в) 0 С 6,85 6,20 6,70 Не выше 11/ Коэффициент водо стойкости 1,0 1,0 1,0 Не менее 0,9/0, Коэффициент длитель ной водостойкости 0,75 0,70 0,79 Не менее 0,85/0, Коэффициент тепло стойкости: Не нормируется R20 / R50 2,67 3,19 2, R0 / R50 5,71 6,87 4, Содержание вяжущего, мас. % 6,1 6,6 7, Результаты испытаний показывают, что введение в битум 15 % серы вызывает снижение прочности асфальтобетона при всех темпе ратурах испытания, а также понижение коэффициента водостойкости при длительном водонасыщении и коэффициента морозостойкости (см. табл. 4.9 и рис. 4.1).

1, Коэффициент морозостойкости 0, / 0, / / 0, 0, 0 25 50 75 Циклы замораживания-оттаивания Рис. 4.1. Зависимость коэффициента морозостойкости от количества циклов замораживания-оттаивания асфальтобетонов типа Б на битуме марки БН 60/90 (1) и СБВ, содержащих 15 % серы (2) и 30 % серы (3) Морозостойкость асфальтобетона определяли по общепринятой методике. Полностью водонасыщенные образцы подвергали попере менному замораживанию при 20 С в течение 4 ч и оттаиванию при 20 С в течение 4 ч. Периодически определяли предел прочности на сжатие при 20 С и коэффициент морозостойкости как отношение по казателей прочности образцов, определяемой после испытания на мо розостойкость, к начальной прочности в водонасыщенном состоянии.

Количество циклов, при которых достаточно ясно проявляется морозоустойчивость асфальтобетона, составляет 100. В Западной Си бири нередко бывают годы, когда в течение осенне-зимнего и зимне весеннего периодов число переходов через 0 С достигает свыше 100.

При содержании в СБВ 30 % серы прочности при 20 и 50 С, плотность, морозостойкость и водостойкости выше, чем у асфальто бетона на битуме БН 60/90. Понижение прочности при всех темпера турах испытания, а также водо- и морозостойкости асфальтобетона при 15 %-ном содержании серы в СБВ объясняется тем, что вся сера химически связывается с битумом и не выступает в виде структуро образующей добавки. Увеличение содержания серы до 30 % вызывает рост показателей прочности асфальтобетона, и они значительно пре вышают прочность асфальтобетона на битуме.

Асфальтобетон на СБВ при содержании серы 30 % соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетону типа Б марки II.

Замена части битума серой в СБВ не влияет на поровую структу ру асфальтобетона, так как оптимальное количество СБВ по объему остается постоянным (независимо от состава СБВ) и равняется объ емному содержанию битума (табл. 4.10). Все смеси типа Б имеют по ристость минерального остова около 16 %, их них 13,5 % заполнены вяжущим, а остаточная пористость составляет около 2,5 % объема. Из данных табл. 4.10 следует, что применение серы в составе СБВ позво ляет экономить нефтяной битум.

Таблица 4. Содержание вяжущих в асфальтобетонных смесях Содержание Оптимальное содержание Расход Экономия серы вяжущего в асфальтобетонной битума, битума, в вяжущем, смеси мас. % об. % мас. % мас. % мас. % 0 6,1 13,56 6,10 15 6,6 13,54 5,61 6, 30 7,2 13,53 5,04 17, Дозировки серы в битум до 15 мас. % пластифицируют битум и понижают его теплостойкость, а прочность и водостойкость асфаль тобетона на таком СБВ ниже аналогичных показателей асфальтобето на на битуме БН 60/90 (см. табл. 4.9). Поэтому в дальнейших иссле дованиях при подборе составов асфальтобетонных смесей использо вали СБВ, содержащие серы 30 мас. %.

Физико-механические свойства горячего мелкозернистого ас фальтобетона типа А представлены в табл. 4.11. Асфальтобетон на СБВ имеет меньшие значения остаточной пористости и водонасыще ния, повышенные показатели плотности и прочности по сравнению с асфальтобетоном на битуме. Асфальтобетон на СБВ отвечает требо ваниям стандарта к асфальтобетону типа А марки I.

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего мелкозернистого асфальтобетона типа А Вяжущее Требования Показатель ГОСТ 9128- СБВ к горячему БН 60/90 60/ асфальтобетону (30 % типа А марки I/II для серы) III дорожно-климати ческой зоны Пористость минерального остова, об. % 16,05 15,85 Не более Остаточная пористость, об. % 2,99 1,97 2,5 – 5, Водонасыщение, об. % 2,34 1,32 2,0 – 5, Набухание, об. % 0,38 0,42 Не нормируется Средняя плотность, кг/м3 2360 2392 То же Предел прочности при сжа тии, МПа, при температурах:

а) 20 С 3,37 3,60 Не менее 2,5/2, б) 50 С 1,36 1,45 Не менее 0,9/0, в) 0 С 8,80 9,60 Не выше 11/ Коэффициент водостойкости 0,98 1,0 Не менее 0,9/0, Коэффициент длительной водостойкости 0,87 0,88 Не менее 0,85/0, Коэффициент теплостойкости: Не нормируется R20 / R50 2,48 2, R0 / R50 6,47 6, Содержание вяжущего в асфальтобетонной смеси, мас. % 5,6 6,7 В табл. 4.12 приведены показатели свойств асфальтобетона типа Г, приготовленного на битуме БН 60/90 и СБВ. Как видно из приво димых данных, использование СБВ вызывает повышение плотности и прочности асфальтобетона при 50 С, снижение прочности при 0 С и увеличение теплоустойчивости (коэффициенты теплостойкости по нижаются). Асфальтобетон на СБВ удовлетворяет техническим тре бованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетону типа Г марки I.

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего песчаного асфальтобетона типа Г Вяжущее Требования ГОСТ 9128- к горячему СБВ Показатель асфальтобетону БН 60/90 60/ типа Г марки I для III (30 % се дорожно-климати ры) ческой зоны Пористость минерального остова, об. % 18,69 18,44 Не более Остаточная пористость, об. % 2,98 2,70 2,5 – 5, Водонасыщение, об. % 0,94 0,47 1,5 – 4, Набухание, об. % 0,32 0,05 Не нормируется Средняя плотность, кг/м3 2305 2341 То же Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:

а) 20 С 4,5 3,98 Не менее 2, б) 50 С 1,65 2,00 Не менее 1, в) 0 С 7,65 7,12 Не выше Коэффициент водостойкости 1,0 1,0 Не менее 0, Коэффициент длительной во достойкости 1,0 1,0 Не менее 0, Коэффициент теплостойкости: Не нормируется R20 / R50 2,72 1, R0 / R50 4,63 3, Содержание вяжущего в ас фальтобетонной смеси, мас. % 7,3 8,6 Особенно существенно влияние СБВ на свойства песчаного ас фальтобетона типа Д (табл. 4.13). Асфальтобетон на СБВ характери зуется значительно более высокими показателями прочности при 20 и 50 С и длительной водостойкости по сравнению с асфальтобетоном на битуме. Асфальтобетон на СБВ соответствует требованиям ГОСТ 9128-2009, предъявляемым к асфальтобетону типа Д марки II.

Составы асфальтобетонных смесей с использованием асбестово го щебня, песка из карьера Фадино, алевритового минерального по рошка, битума БНД 60/90 и СБВ приведены в табл. 4.14.

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего песчаного асфальтобетона типа Д Вяжущее Требования ГОСТ Показатель 9128-2009 к горячему СБВ асфальтобетону БН 60/90 60/ типа Д марки II для III (30% дорожно-климати серы) ческой зоны Пористость минерального ос това, % объема 18,0 18,34 Не более Остаточная пористость, % об. 3,62 3,92 2,5 – 5, Водонасыщение, % объема 1,79 3,42 1,0 – 4, Набухание, % объема 0,07 0,19 Не нормируется Средняя плотность, кг/м3 2313 2324 То же Предел прочности при сжа тии, МПа, при температурах:

а) 20 С 3,53 5,03 Не менее 2, б) 50 С 1,30 2,00 Не менее 1, в) 0 С 6,75 6,83 Не выше Коэффициент водостойкости 1,0 1,0 Не менее 0, Коэффициент водостойкости при длительном насыщении 0,53 0,78 Не менее 0, Коэффициент теплостойкости: Не нормируется R20 / R50 2,70 2, R0 / R50 4,22 3, Содержание вяжущего в ас фальтобетонной смеси, % 6,4 7,6 Таблица 4. Составы асфальтобетонных смесей Содержание компонентов, % по массе, Компоненты в асфальтобетонной смеси типа смеси Б В Д Щебень асбестовый 46,5 30 Песок из карьера Фадино 43,7 50 Активированный минеральный порошок алевритовый 9,8 10 Битум БНД 60/90 6,1 6,3 8, или СБВ 60/90 (20 % серы) 6,7 6,9 9, или СБВ 60/90 (30 % серы) 7,4 7,5 10, или СБВ 40/60 (40 % серы) 7,6 7,7 10, Песчаные асфальтобетоны типа Д готовили на СБВ, содержащих до 80 % серы. Относительное изменение прочности асфальтобетонов типа Д на СБВ и битуме БНД 60/90 через сутки и через 30 суток после изготовления образцов показано на рис. 4.2.

4, 3, Относительное изменение прочности 3, / R 2, 2, / R 1, R / 1, 0, 0, 0 20 40 60 Содержание серы, % по массе Рис. 4.2. Относительное изменение прочности асфальтобетонов типа Д на СБВ и битуме БНД 60/90 через сутки (——) и 30 суток (– – – ) после изготовления образцов Результаты определения физико-механических свойств асфальто бетонов типа Д приведены в табл. 4.15. Введение в битум до 20 % се ры вызывает некоторое понижение прочности и водостойкости ас фальтобетона. При содержании в СБВ 30 % серы прочности при 20 и 50 С, плотность и водостойкость асфальтобетона выше, чем при ис пользовании битума.

Увеличение содержания серы в СБВ до 60 % приводит к даль нейшему повышению прочности асфальтобетона, особенно при тем пературе 50 С (возрастает в 3,3 раза).

Таблица 4. Физико-механические свойства песчаного асфальтобетона типа Д Свойства асфальтобетона через 1/30 Требования суток после изготовления на вяжущем ГОСТ 9128 Показатель 2009 к ас БНД СБВ СБВ СБВ фальтобето 60/90 60/90 60/90 40/ ну типа Д (20 % (30 % (40 % марки II/III серы) серы) серы) Пористость мине ральной части, 21,66 21,67 21,68 21,69 Не более об. % Остаточная по ристость, об. % 2,59 4,11 3,42 3,98 2,5 – 5, Водонасыщение, 1,75 2,03 1,61 2,58 1,0 – 4, об. % Набухание, об. % 0,77 0,23 0,31 0,56 Не норми руется Средняя плот ность,кг/м3 2250 2230 2260 2270 То же Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:

а) 50 С 0,65/0,8 0,6/0,8 0,95/1,4 1,5/2,0 Не менее 1,3/1, б) 20 С 2,3/2,4 2,15/2,5 3,1/3,8 1,5/2,0 Не менее 2,2/2, в) 0 С 6,5/6,8 6,1/6,6 6,45/7,7 7,6/7,9 Не более 12, Коэффициент во- Не менее достойкости 1,0 1,0 1,0 1,0 0,85/0, Коэффициент длительной водо- Не менее стойкости 0,87 0,85 0,95 0,91 0,75/0, Коэффициенты теплостойкости: Не норми R20 / R50 3,5/3 3,6/3,1 3,3/2,7 2,5/2,3 руется R0 / R50 10/8,5 10,2/8,3 6,8/5,5 5,1/3, Предел прочности на растяжение при 3,0 – 6,5/ расколе при 0 С, 3,15/ 3,3 2,6/3,2 3,5/4,0 3,75/4,4 2,5 – 7, МПа Сцепление при Не менее сдвиге, МПа 0,34/0,36 0,3/0,35 0,4/0,48 0,45/0,5 0, Однако при содержании серы выше 40 % увеличиваются остаточ ная пористость и водонасыщение, снижается водостойкость асфаль тобетона. Асфальтобетоны типа Д на битуме и СБВ, содержащих 20 и 30 % серы, через сутки после изготовления образцов имеют низкие прочности при температуре 50 С. После 30-суточного хранения об разцов (вследствие постепенной кристаллизации серы) их прочности увеличиваются и превышают начальные показатели прочности (см.

табл. 4.15 и рис. 4.2). В большей степени возрастают прочности R50 и R20, повышается теплостойкость и сдвигоустойчивость асфальтобето на.

Асфальтобетон на СБВ (серы 40 %) по всем показателям, опреде ленным через сутки после изготовления образцов, соответствует тре бованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетону II марки типа Д. Ас фальтобетон на СБВ (серы 30 %) после месячного хранения также удовлетворяет требованиям стандарта.

Свойства асфальтобетонов типов Б и В, изготовленных на асбе стовом щебне, природном песке, активированном алевритовом мине ральном порошке, битуме марки БНД 60/90 и серобитумных вяжу щих, даны в табл. 4.16 и 4.17.

Асфальтобетон типа Б на серобитумном вяжущем отвечает требо ваниям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетону II марки. Испытание ас фальтобетона на СБВ через 20 суток после изготовления образцов по казало, что прочности R50 и R20 возрастают и превышают прочность асфальтобетона на битуме в 1,2 – 1,4 раза, увеличиваются показатели водо- и теплостойкости.

Асфальтобетон типа Б на СБВ имеет более высокую морозостой кость по сравнению с асфальтобетонами на битуме и СБВ, содержа щем 15 % серы (рис. 4.3).

Асфальтобетон типа В по физико-механическим свойствам удов летворяет требованиям ГОСТ 9128-2009 к асфальтобетону типа В марки II (см. табл. 4.17).

Выполненные исследования показали, что применение СБВ вза мен битума улучшает показатели технологического процесса приго товления асфальтобетонных смесей. На 10 – 20 С снижаются темпе ратуры нагрева вяжущего и приготовления асфальтобетонной смеси, улучшаются условия перемешивания и уплотнения смесей.

При температуре ниже 120 С расплавленная в битуме сера начи нает выкристаллизовываться. Процесс кристаллизации серы продол жается длительное время (около месяца).

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего плотного асфальтобетона типа Б, изготовленного с использованием асбестового щебня, песка природного и алевритового минерального порошка Асфальтобетон на вяжущем Требования в возрасте ГОСТ 9128- Показатель к асфальтобетону СБВ СБВ типа Б марки I/II БНД 60/90 60/ для III дорожно 60/90 (30 % (30 % климатической 2 суток серы) серы) зоны 2 суток 20 суток Пористость минераль ной части, об. % 14,8 15,7 16,45 Не более Остаточная порис тость, об. % 3,76 3,69 3,46 2,5 – 5, Водонасыщение, 1,5 – 4, об. % 2,91 3,27 3, Средняя плотность, 2375 2346 2358 Не норми кг/м3 руется Предел прочности при сжатии, МПа, при температурах:

а) 50 С 1,0 1,43 2,0 Не менее 1,2/1, б) 20 С 2,4 3,5 4,3 Не менее 2,5/2, в) 0 С 7,5 7,7 8,5 Не более 11/ Коэффициент Не менее водостойкости 1,0 0,94 0,97 0,95/0, Коэффициент Не менее длительной водо- 0,75 0,78 0,81 0,85/0, стойкости Коэффициент Не нормируется теплостойкости:

R20/ R50 2,4 2,45 2, R0/ R50 7,5 5,38 4, Предел прочности на растяжение при раско- 3,5 – 6,5/ ле при 0 °С, МПа 3,51 4,55 5,12 3,0 – 6, Сцепление при сдвиге Не менее при 50 °С, МПа 0,38 0,42 0,46 0,37/0, Содержание вяжущего в смеси, мас. % 6,1 7,4 7,4 Сера образует в СБВ самостоятельную фазу как в расплавленном состоянии, так и при охлаждении и кристаллизации. После охлажде ния СБВ частицы серы представляют собой рассеянные в среде орга нического вяжущего кристаллические образования, которые создают при повышенных количествах серы сплошную сетку. В структуре вя жущего сера, действуя по механизму активного дисперсного напол нителя, способствует повышению прочности, водо- и морозостойко сти асфальтобетона.

1, Коэффициент морозостойкости / 0, / 0,90 / 0, 0, 0 25 50 75 Циклы замораживания-оттаивания Рис. 4.3. Зависимость коэффициента морозостойкости от количества циклов замораживании-оттаивания асфальтобетона типа Б на битуме марки БНД 60/90 (1) и СБВ, содержащих 15 % серы (2) и 30 % серы (3) Серобитумное вяжущее при эксплуатационных температурах имеет более высокую вязкость, чем битумы. Повышение вязкости особенно заметно при температурах 25 – 60 С. Кристаллическая сера, играя роль дисперсного наполнителя в асфальтобетоне, способствует повышению прочности и сдвигоустойчивости асфальтобетонов на СБВ по сравнению с асфальтобетоном на битуме.

Применение серы в асфальтобетоне позволяет уменьшить расход битума, снизить стоимость вяжущего и понизить температуры нагре ва компонентов и их смесей.

Таблица 4. Физико-механические свойства горячего плотного асфальтобетона типа В, изготовленного с использованием асбестового щебня, природного песка, алевритового минерального порошка Свойства асфальтобетона Требования в возрасте 2 суток ГОСТ 9128 Показатель на вяжущем к асфальто СБВ 60/ бетону БНД 60/90 (30% серы) типа В марки II/III Пористость минеральной части, об. % 17,64 17,64 Не более Остаточная пористость, 3,12 3,16 2,5 – 5, об. % Водонасыщение, об. % 1,60 1,52 1,5 – 4, Средняя плотность, кг/м3 2330 2360 Не норми руется Предел прочности при сжа тии, МПа, при температурах: Не менее а) 50 С 1,15 1,35 1,2/1, б) 20 С 2,35 3,15 Не менее 2,2/2, в) 0 С 6,50 6,75 Не более 12, Коэффициент Не менее водостойкости 1,0 1,0 0,85/0, Коэффициент длительной Не менее водостойкости 0,73 0,76 0,75/0, Коэффициент Не теплостойкости: нормируется R20/ R50 2,04 2, R0/ R50 5,65 5, Содержание вяжущего в смеси, % по массе 6,3 7,5 Установлены более высокие показатели плотности, прочности, особенно при высоких эксплуатационных температурах, теплоустой чивости, водо- и морозостойкости щебеночных и песчаных асфальто бетонов на серобитумных вяжущих (при содержании серы в вяжущем 30 мас. %) по сравнению с асфальтобетонами на битумах.

5. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С СЕРОБИТУМНЫМИ ВЯЖУЩИМИ Значительной проблемой при приготовлении СБВ является пре дотвращение образования и выделения токсичных газов при нагрева нии серы с битумом.

Элементарная сера химически нейтральна и поэтому нетоксична.

Она не имеет запаха и не горит. Однако серная пыль взрывоопасна.

Нижний предел взрываемости серной пыли с размером частиц 850 мкм составляет 23 мг/м3. Предельно допустимая концентрация серной пыли – 2 мг/м3. При воздействии солнечных лучей и влаги воздуха на серу происходит образование диоксида серы (SО2) и серо водорода (Н2S).

Эти выделения (особенно сероводород), благодаря характерному запаху, ощущаются даже при минимальных концентрациях. С одной стороны, эта особенность позволяет легко их обнаружить, с другой – отличить малую концентрацию, которая безвредна, от высокой кон центрации, являющейся опасной, не удается. Измерения, проведен ные при приготовлении серосодержащих материалов и устройстве слоев дорожных одежд из них, показали, что опасными по газовыде лению могут быть резервуары жидкой (расплавленной) серы, сероор ганического вяжущего и площадка асфальтоукладчика при повыше нии температуры более 150 °С [28, 32].

При укладке асфальтобетонной смеси с добавкой серы выделя ются токсичные газы (сероводород и сернистый газ), которые вызы вают головную боль, тошноту, имеют неприятный запах, раздражают слизистую оболочку глаз, носа, горла, легких, поэтому рабочим реко мендуется работать в респираторах. Предельно допустимой концен трацией выделяемых газов является 10 мг Н2S или SО2 на 1 м3 воздуха [74].

Согласно представленному графику на рис. 5.1, характеризую щему зависимость концентрации вредных газов от температуры, вид но, что газовые выделения, образующиеся в пределах предлагаемого температурного режима получения СБВ (130 – 150 °С), в 2 – 4 раза ниже предельно допустимой концентрации [74, 75].

Факторами, влияющими на повышение выделения сернистых га зов, являются не только повышенные температуры, но также увели чение содержания серы в смеси и скорость перемешивания (рис. 5.2 и 5.3) [6].

Содержание диоксида серы и сероводорода, мг/ м / \ \ 130 140 150 160 о С Температура, Рис. 5.1. Зависимость концентрации диоксида серы (1) и сероводорода (2) от температуры приготовления СБВ [75];



Pages:     | 1 || 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.