ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ

р&ь
И.М.РУЛЕНСКАЯ, А. В. РУДЕНСКИЙ
ОРГАНИЧЕСКИЕ
ВЯЖУЩИЕ
ЛАЯ ДОРОЖНОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА
А
Ь
ь
$
МОСКВА
•ТРАНСПОРТ- 1984
УДК 625.7.06
Р у д е н с к а я И. М., Р у д е н с к и й А. В. Органические вя­
жущие для дорожного строительства. — М.: Транспорт, 1984. — 229 с.
В книге рассмотрены органические вяжущие материалы, получае­
мые при переработке нефти, ископаемых углей и сланцев, при исполь­
зовании отходов нефтехимии, коксохимии, лесохимии, промышлен­
ности синтетических каучуков, смол, волокон, а также вторичных м а­
териальных ресурсов — изношенной резины, отработанных смазочных
масел, старого асфальтобетона. Уделено внимание вяжущим, полу­
чаемым из серы. Кратко обобщены сведения о составе, структуре и
физико-механических свойствах органических вяжущих, приведены
данные по их приготовлению и использованию в дорожном строитель­
стве, условиям хранения и безопасности труда.
Книга предназначена для инженерно-технических работников
транспортного строительства.
Ил. 33, табл. 84, библиогр. 28 назв.
Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. И. В. Королев
Заведующий
Редактор
р е д а к ц и е й В. Г. Чванов
Л. Н. Пустовалова
„ 3603020000-275
Р
0 4 9 (0 1 ) -84
17' 84
© Издательство «Транспорт», 1984.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее распространенным типом усовершен­
ствованных капитальных дорожных покрытий являются асфальто­
бетонные, устраиваемые с применением нефтяных битумов. Они полу­
чили преобладающее распространение среди других типов усовершен­
ствованных покрытий в большинстве развитых стран мира.
В частности, в СССР, США, Японии, большинстве европейских
стран протяженность асфальтобетонных покрытий составляет 90—95%
общей протяженности всей сети дорог с усовершенствованными покры­
тиями, а нефтяной битум является в настоящее время основным орга­
ническим вяжущим материалом, используемым для устройства дорож­
ных покрытий.
Н аряду с нефтяным битумом используют каменноугольные дегти, серно-битумные и другие виды органических вяжущих. Эти вяж у­
щие материалы включают группу природных или искусственных
термопластичных вязкой или жидкой консистенции продуктов, при­
меняемых для строительства, ремонта и содержания автомобильных
дорог и аэродромов, гидротехнических сооружений, гидроизоляции
тоннелей, мостов, подземных сооружений и зданий, для защиты от
коррозии и других целей. Они служат термопластичным клеем, функ­
ции которого заключаются в образовании между частицами минераль­
ных материалов или покрываемых поверхностей прочной связи, устой­
чивой к механическим нагрузкам, воздействию климатических факто­
ров и агрессивных сред.
Органические вяжущие оказывают существенное влияние на ха­
рактеристики дорожных покрытий и оснований, их эксплуатационную
надежность и сроки службы. Преимущественное распространение по­
крытий с применением органических вяжущих материалов обусловлено
тем, что они обладают комплексом высоких технико-эксплуатацион­
ных свойств, отвечающих современным требованиям к дорожным по­
крытиям для интенсивного скоростного движения.
К строительным преимуществам таких покрытий относятся тех­
нологичность их устройства, возможность стадийного строительства
и допуска движения транспортных средств по нижнему слою, откры­
тия движения сразу после устройства покрытия, технологичность ре­
монта и усиления, а также возможность использования местных мате3
риалов, побочных продуктов промышленности и вторичного сырЬя,
в том числе и старого (регенерированного) асфальтобетона.
К транспортно-эксплуатационным преимуществам асфальтобетон­
ных покрытий относятся их ровность, возможность обеспечения и
поддержания требуемой шероховатости поверхности, короткие сроки
проведения ремонтных и восстановительных работ (практически без
перерыва движения), высокая эксплуатационная надежность, ма­
лая шумность. Уровень шума на асфальтобетонных покрытиях — на­
именьший среди других типов усовершенствованных покрытий, в
среднем на 3 дБ меньше, чем на цементобетонных.
К серьезным недостаткам цементобетонных покрытий, сопостави­
мых по технико-экономическим показателям с асфальтобетонными
покрытиями, относятся трудность и длительность их ремонта и уси­
ления, восстановления шероховатости поверхности, невозможность
стадийного строительства.
Дорожное строительство требует большого расхода органических
вяжущих материалов. Так, для строительства дорог с асфальтобетон­
ными покрытиями требуется затратить 50—200 т битума на 1 км (в
зависимости от категории дороги). Учитывая тенденции к росту
нагрузок на ось автомобиля и соответственно к росту капитальности
конструкций дорожных одежд, а также к расширению применения
местных материалов, обработанных вяжущим при устройстве дорож­
ных оснований, удельный расход органических вяжущих при стро­
ительстве дорожных одежд возрастет до 150—500 т на 1 км дороги.
Проведение ремонтно-эксплуатационных работ на действующей
сети дорог такж е требует значительного расхода органических вяж у­
щих. Д ля капитального ремонта асфальтобетонного покрытия битума
необходимо не менее 70 т/км, для среднего ремонта — 15—20 т/км.
Значительное количество органических вяжущих требуется для пере­
вода в более высокую категорию дорог местной сети. Д л я устройства
облегченных покрытий на этих дорогах расход органических вяжущих
составляет не менее 50—70 т/км.
Следовательно, для дорожного строительства требуются миллионы
тонн органических вяжущих. В частности, в США ежегодно на дорож­
ное строительство расходуется в среднем около 25 млн. т нефтяного
битума при общем производстве его 35—37 млн. т в год. По данным на
1980 г., в США около 93% дорожной сети, или 2,5 млн. км дорог и
городских улиц, имеют покрытия на основе органических вяжущих
(нефтяного битума). Ежегодно только на ремонт и эксплуатацию дорог
требуется до 7 млн. т битума. В ФРГ в 1979 г. объем потребления би­
тума в дорожном строительстве составил 2,9 млн. т, т. е. 75,1% от
общего потребления битума.
В СССР на нужды дорожного строительства расходуется около 55%
общего объема потребления битума в народном хозяйстве.
Вместе с тем следует подчеркнуть, что сложившаяся во многих
странах односторонняя ориентация на практически исключительное
использование нефтяных битумов в качестве органических вяжущих
ограничивает технико-экономические возможности дорожного строи­
тельства, ставя их в зависимость от одного вида сырья — нефти.
4
В связи с ограниченностью запасов нефтяного сырья особую акту­
альность приобретает расширение ресурсов органических вяжущих
за счет использования разнообразных отходов промышленности, при­
родных битумов, продуктов переработки твердых горючих ископае­
мых (углей, сланцев).
Применение органических вяжущих материалов для строительст­
ва дорог дает значительный народнохозяйственный эффект. При вы­
соких эксплуатационных показателях таких дорог снижается себе­
стоимость перевозок на 20—25% по сравнению с дорожными покрытия­
ми переходного типа, а также расход топлива при движении автомо­
билей.
Например, увеличение расхода топлива при движении автомоби­
лей по дорогам с гравийным покрытием составляет 15—20% по срав­
нению с расходом топлива на асфальтобетонных покрытиях. Таким
образом, затраты нефтяного битума на устройство усовершенство­
ванных дорожных покрытий окупаются экономией нефтяного топ­
лива (бензина), расходуемого при движении транспортных средств.
Расчеты показывают, что затраты 50 т битума на перевод 1 км доро­
ги с гравийным покрытием в более высокую категорию путем устройст­
ва облегченного покрытия обеспечивают за срок службы этого покры­
тия экономию 150—200 т нефтепродуктов при средней интенсивности
движения за счет улучшения условий работы транспортных средств.
Таким образом, 1 т нефтяного сырья, расходуемая на производство
дорожного битума, в итоге сберегает около 3 т нефтяного сырья, рас­
ходуемого в виде топлива. Надо принять во внимание, что органичес­
кие вяжущие материалы относятся к категории возобновляемых ре­
сурсов (т. е. могут быть использованы повторно), тогда как бензин,
дизельное и другие виды топлива сжигаются, т. е. расходуются не­
возобновимо. Ежегодный пережог бензина из-за недостаточного разви­
тия сети усовершенствованных дорог достигает нескольких миллио­
нов тонн. Подсчеты энергоемкости строительства асфальтобетонных
покрытий, включая затраты энергии на приготовление исходных
материалов, их смешение, транспортирование, укладку и уплотнение,
показывают, что общая энергоемкость 1 км асфальтобетонного покры­
тия (при ширине 15 м) составляет около 9 - 108ккал, что в 1,5—2 раза
меньше энергоемкости 1 км цементобетонного покрытия (в среднем
16 • 108 ккал). При практически равной стоимости строительства
асфальтобетонных и цементобетонных покрытий содержание и ремонт
последних обходятся вдвое дороже.
Глава 1
О СНО ВЫ ПРИМЕНЕНИЯ О РГАНИ ЧЕСКИХ
ВЯЖ УЩ ИХ М АТЕРИАЛОВ
1.1. РЕСУРСЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрение возможных ресурсов органических вяжущих, при­
годных для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, по­
казывает, что наряду с нефтью, являющейся сырьем для производства
нефтяных битумов, могут быть использованы: природные битумы и
битумсодержащие породы; твердые горючие ископаемые (угли, сланцы);
побочные продукты промышленного производства (отходы коксо-,
нефте-, лесохимической и других отраслей промышленности); некото­
рые виды вторичного сырья.
Н а производство битумов в мире идет около 2—-3% от общего
объема перерабатываемой нефти. Нефть является ценнейшим сырьем
для производства топлива, смазочных масел и нефтехимических про­
дуктов, ресурсы которого ограничены. В настоящее время во многих
странах ведутся работы по освоению альтернативных источников
сырья и снижению доли нефти в общем топливно-энергетическом ба­
лансе.
В расчете на перспективу нельзя рассчитывать на полное обеспе­
чение потребностей дорожного строительства органическими вяжущими
только за счет увеличения потребления нефтяного битума.
Возможности замены органических вяжущих минеральными (в
первую очередь цементом) ограничены малым распространением це­
ментобетонных дорожных покрытий не только из-за трудностей их
строительства и особенно ремонта, но также из-за значительных
энергетических затрат на производство самого цемента, т. е. по сущест­
ву затрат того ж е нефтяного (топливного) сырья, которое могло бы
быть непосредственно направлено на производство битума. Так, энер­
гетические затраты на производство 1 т цемента превышают затраты
энергии на производство 1 т битума более чем в 10 раз. Энергозатраты
составляют 75% стоимости цемента [23].
По разведанным запасам органического сырья (углей, газа, слан­
цев и др.) СССР занимает первое место в мире. Преобладающую
часть мировых запасов органического сырья составляют угли и
сланцы.
Ресурсы органического сырья из числа побочных продуктов про­
мышленности представлены отходами коксохимической (дегти, смолы,
6
пеки, полимеры бензольного отделения и др.). нефтехимической (кре­
кинг-остатки, битумы (асфальты) деасфальтизации, отходы производ­
ства синтетических каучуков и др.), целлюлозно-бумажной и лесо­
химической промышленности (гидролизный лигнин, талловый пек,
кора и опилки).
Ежегодный объем производства указанных продуктов составляет
сотни тысяч и миллионы тонн.
В последнее десятилетие получило развитие использование вто­
ричного сырья — старых асфальтобетонных смесей (их регенерация),
а такж е вовлечение в производство вяжущих изношенной или регене­
рированной резины, синтетических пленок и изделий, остатков от ре­
генерации смазочных масел.
Таблица
Виды сырья
Нефти
Природные битумы
Битумсодержащие
породы
Ископаемые угли
Горючие сланцы
Побочные продукты
промышленного произ­
водства
Вторичное сырье
1.1
Сырье для производства органических вяж ущ их
Высокосмолистые, смолистые, малопарафинистые,
парафинистые
Твердые, вязкие, жидкие
Пески, песчаники, известняки, доломиты, киры
Пригодные для терморазложения (коксования, га­
зификации, полукоксования) и для терморастворе­
ния (сапропелиты, богхеды, рабдописситы)
Все виды горючих сланцев, пригодных для термо­
растворения и терморазложения
Отходы нефтепереработки, нефте-, коксо-, лесохи­
мии, производства синтетических смол, каучуков,
волокон
Изношенная резина, изделия из синтетических
смол, отработанные смазочные масла
Таблица
1.2
Виды вяж ущ их
Название вяж ущ их
Природные
Получаемые промыш­
ленной переработкой ис­
копаемого сырья
Комплексные, получа­
емые объединением двух
или более вяжущих
Асфальтиты, асфальты, мальты
Нефтяные битумы, каменноугольные дегти и пеки,
сланцевые битумы
Получаемые с исполь­
зованием вторичногэ сы­
рья
Дегтебитумные, пекобитумные, полимербитумные,
сернобитумные, битумодегтевые, полимердегтевые,
сернодегтевые, вяжущие, получаемые с использова­
нием природных битумов, побочных продуктов про­
мышленного производства
Резинобитумные, резинодегтевые, вяжущие, полу­
чаемые с использованием отработанных смазочных
масел, изделий из синтетических смол, при регенера­
ции старого асфальтобетона
т
Анализ сырьевых ресурсов, пригодных для получения органичес­
ких вяжущих, показывает, что имеющиеся запасы органического сырья
достаточны для обеспечения перспективной потребности в них дорож ­
ного строительства. Освоение имеющихся ресурсов органического
сырья требует развития соответствующей промышленной базы по их
переработке с целью производства вяжущих, отвечающих современным
требованиям.
В табл. 1.1 представлены основные виды сырья для производства
органических вяжущих материалов, а в табл. 1.2 — основные виды
органических вяжущих материалов, пригодных для использования
в дорожном строительстве.
1.2. РАЗВИТИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
МАТЕРИАЛОВ
Применение органических вяжущ их известно в глубокой древности.
Самое древнее сооружение с применением природного асфальта — битум­
содержащей породы было обнаружено в Индии. Это бассейн, облицованный ас­
фальтом, в городе Мохенджо-Даро, возраст которого превышает 5 тыс. лет. И з­
вестно применение природных битумов — асфальтов в качестве клеющего мате­
риала в 2500—3000 годах до н. э. народом, населявшим долину Евфрата. В к а ­
честве строительного материала битум применяли вавилоняне (700— 500 лет до
н. э.) для возведения внутренней и внешней стен Вавилона. В царствование Се­
мирамиды (около 700 лет до н. э.) был построен тоннель под Евфратом в В авило­
не длиной около 1 км из жженых кирпичей, покрытых битумом. Асфальт был
такж е использован при строительстве знаменитых висячих садов Семирамиды.
В этих садах сооружали пруды и фонтаны, где гидроизоляционным материалом
служил природный асфальт. В Вавилоне существовала дорога из асфальтовых
каменных плит и первым ее строителем считают Набополассара — отца Н авухо­
доносора (625—604 г. до н.э.). Навуходоносор использовал опыт своего отца и
при строительстве дворца в Вавилоне соорудил ограждающую стену от вод Евф­
рата, а такж е фундамент из жженого кирпича и асфальта.
Эти же материалы были применены и для укрепления берегов Тигра и
Евфрата.
Имеются сведения, что около 430 лет до н. э. в Греции была построена стена
в г. Медии из жженых кирпичей, скрепленных битумом.
Перуанские инки (1500 г.) соорудили развитую систему дорог, причем не­
которые из них были покрыты составом, близким к современному чернощебеноч­
ному покрытию.
В 1681 г. в Англии был предложен способ получения смолы и пека термичес­
ким разложением каменного угля, а в 1694 г. появилось первое упоминание
о получении сланцевой смолы и пека термическим разложением горючих
сланцев.
К 1712— 1730 гг. относится открытие месторождений битумсодержащих
пород во Франции, Ш вейцарии и Германии. В 1792— 1800 гг. начинается эк с­
плуатация месторождения в Сейсселе с целью производства мастики для устрой­
ства полов, тротуаров, гидроизоляции, которую используют близ городов Бордо
и Лиона. Из этой породы в 1835 г. были уложены первые тротуары в Париж е,
на год позж е— в Лондоне, а через три года — в Филадельфии (США).
В 1854 г. из битумсодержащей породы Валь-де-Траверса были устроены
первые асфальтовые городские дороги на улицах в Париже, через пять лет—
в Лондоне, а в 1870— 1879 гг. этот материал уж е транспортировали в США для
строительства первых асфальтовых дорог в Нью-Йорке. В самих Соединенных
Штатах Америки битумсодержащие породы были найдены в 1842 г. в долине Кон­
нектикута и в районе Нью-Йорка.
В России первое асфальтовое покрытие тротуаров было построено в 1866 г.
в Петербурге и в 1869 г. в Кронштадте из ганноверской породы, хотя к этому
времени уже было найдено несколько месторождений битумсодержащих пород
в России. Первое месторождение битуминозных известняков было открыто в Рос­
сии в Сызрани в 1724 г., а с 1871 г. там начал работать завод по производству ас­
фальтовой мастики. С применением этого материала в Москве в 1876 г. в Крем­
левских казармах, а такж е у Гостиного двора было уложено асфальтовое по­
крытие. До первой мировой воины Россия ввозила асфальт из Германии и
Америки, производство отечественного битума было очень ограничено. С 1925 г.
начали строить первые усовершенствованные покрытия на загородных дорогах
(Крым) с применением дегтя, а затем битума. В 1925 г. на Всероссийском съезде
работников промышленности строительных материалов были приняты номенкла­
тура и классификация органических вяж ущ их материалов. В 1928 г. началось
строительство асфальтобетонных покрытий в крупных городах, а затем и на з а ­
городных дорогах. С 1934 г. широко развернулось строительство усовершенство­
ванных дорог. В 1938 г. были разработаны технические условия, а позднее
государственные общесоюзные стандарты на вязкие и жидкие дорожные
битумы.
Большой вклад в дальнейшее развитие исследований и строительство дорог
с применением органических вяж ущ их материалов внесли ученые Союздорнии,
Госдорнии, Гипродорнии, Белдорнии, Московского и Харьковского автомобиль­
но-дорожных институтов, Белорусского политехнического института и других
научных и учебных организаций.
Работы по улучшению технологии производства нефтяных битумов система­
тически проводятся Баш Н И И Н П .
1.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Д ля правильного выбора и применения органических вяжущих
материалов необходимо учитывать их основные химические и струк­
турные особенности, главные физико-механические свойства, опреде­
ляющие надежную работоспособность дорожных покрытий в установ­
ленные сроки.
Органические вяжущие являются полидисперсными материалами.
Они состоят из сложной смеси веществ различной молекулярной мас­
сы и различного строения. Из органических вяжущих наиболее глу­
боко изучены нефтяные битумы. Исследованиями молекулярно-мас­
сового распределения битумов установлено, что оно подчиняется нор­
мальному закону. Молекулярно-массовое распределение и структура
молекул определяют физико-механические, реологические, усталост­
ные свойства, интервал температур, в котором вяжущие обеспечивают
надежную работу дорожного покрытия.
Кривые молекулярно-массового распределения битумов согласу­
ются с кривыми зависимости от температуры вязкости, растяжимости
и других свойств.
Можно сделать вывод, что поскольку молекулярно-массовое рас­
пределение компонентов подчиняется нормальному закону, то и энер­
гия связей в материале также является величиной нормально распре­
деленной. Этот вывод Подтверждается тем, что все основные характе­
ристики свойств органических вяжущих (пластичность, вязкость, мо­
дуль упругости) изменяются в зависимости от температуры в соответ­
9
ствий с интегральным законом нормального распределения [14]. Чем
шире интервал между максимальным и минимальным значениями мо­
лекулярных масс компонентов органического вяжущего, тем шире ин­
тервал температур его пластического состояния. Однако надо учиты­
вать, что если минимальные молекулярные массы компонентов ниже
чем 400, то вяжущее будет иметь склонность к потере легких компо­
нентов за счет испарения их и будет нестабильно, склонно к старению.
Органические вяжущие материалы как нефтяного, так и каменно­
угольного происхождения содержат высокомолекулярные соединения
углерода, включающие также атомы кислорода, азота, серы и имею­
щие особое строение молекул. В составе природных и нефтяных биту­
мов эти высокомолекулярные соединения представляют собой асфальтены и смолы, вещества в основном гетероциклического строения со
специфической гроздьевидной формой молекул. Мальтены являются
растворителем или пластификатором асфальтенов. В составе камен­
ноугольных дегтей высокомолекулярные вещества — это соединения
нерастворимые в толуоле (так называемый «свободный углерод»),
твердые дегтевые смолы (асфальтены каменноугольного происхожде­
ния), вязкие дегтевые Схмолы. В вяжущих, получаемых из побочных
продуктов промышленности синтетических смол и каучуков, высоко­
молекулярными соединениями являются олигомерные или полимерные
соединения углерода с водородом, которые могут включать атомы С1,
или О, или Э, или N и имеющие по большей части регулярное цепное
или реже нерегулярное цепное строение молекул (например, отходы
производства ПВХ, синтетических каучуков, низкомолекулярный по­
лиэтилен, изотактический полипропилен и др.).
Высокомолекулярные компоненты битумов и каменноугольных
дегтей полидисперсны как по молекулярной массе, так и по строению
молекул, тогда как молекулы синтетических смол (полимеров) и
каучуков полидисперсны только по массе. Структура, а также физико­
механические свойства органических вяжущих определяются главным
образом характером взаимодействия и свойствами высокомолекуляр­
ных соединений, входящих в них. Теоретические основы получения
и применения органических вяжущих материалов должны опираться
на принципиальные положения теории концентрированных раство­
ров высокомолекулярных соединений (ВМС), разработанной для поли­
мерных веществ.
Концентрированными растворами ВМС, к которым относят и
пластифицированные системы, принято считать такие, в которых
молекулы растворенного вещества взаимодействуют друг с другом. Как
и в любом истинном растворе, в растворах ВМС наблюдаются явления
сольватации и ассоциации. При сольватации макромолекулы ВМС
взаимодействуют с молекулами растворителя, что приводит к относи­
тельно прочной их связи. В любом истинном растворе в результате
взаимодействия молекул растворенного вещества друг с другом имеет
место ассоциация молекул — образуются ассоциаты или структу­
ры. Это подтверждено изменениями молекулярных масс (значения
молекулярных масс одного и того же ВМС в растворах разных рас­
творителей могут различаться в 5—25 раз).
10
З а счет взаимодействия молекул ВМС в растворах могут возни­
кать в разной степени упорядоченные структуры. Все структурные
образования разрушаются и вновь возникают при изменении концен­
трации и температуры и этим они значительно отличаются от коллоид­
ных частиц.
Однако вследствие малой подвижности макромолекул и структур
время их жизни может быть очень продолжительным.
Межмолекулярное взаимодействие в растворах ВМС возникает
между молекулами, химически не реагирующими друг с другом, тогда
как внутримолекулярное взаимодействие обусловлено нехимическим
взаимодействием отдельных звеньев молекул. Между соседними моле­
кулами в растворе, а также между определенными звеньями одной и
той же молекулы могут образовываться водородные связи. Эти связи
способны давать группы — ОН, —СООН, —НСО и др. Наличием
водородных связей между молекулами обусловлены ассоциация их в
растворе, увеличение вязкости, изменение других свойств. Межмолекулярные связи ответственны за агрегацию, т. е. самобразование над­
молекулярных структур, различных по форме, размерам, степени упо­
рядоченности. Внутримолекулярные связи влияют на гибкость моле­
кул и образование глобулярных структур.
При объединении растворителя или пластификатора с ВМС может
происходить коллоидное или молекулярное диспергирование. Если
растворитель или пластификатор имеет хорошее сродство с ВМС, то
происходит молекулярное диспергирование, т. е. самопроизвольно
образуется истинный раствор — однородная, термодинамически ус­
тойчивая система. Это называют совместимостью пластификатора или
растворителя с ВМС.
Если же растворитель или пластификатор не имеет сродства с ВМС
или имеет ограниченное сродство, то не происходит хорошего набуха­
ния и совместимости, образуется неоднородная, неустойчивая система.
Поэтому при всех работах с органическими вяжущими вопросам одно­
родности, совместимости и устойчивости необходимо всегда уделять
главное внимание.
Совместимость веществ или связь между природой растворителя
(пластификатора) и его растворяющей (пластифицирующей) способ­
ностью еще недостаточно изучена. Имеется теория расчета парамет­
ра растворимости, основанная на определении величины энергии связи
между молекулами. Согласно этой теории, растворение будет происхо­
дить тогда, когда значения этих величин (параметра) будут одинаковы
как для растворителя, так и для растворяемого (высокомолекулярно­
го) вещества.
Таким образом, условием полной растворимости (совместимости)
компонентов служит эквивалентность значений величин силового
поля вокруг молекул каждого из смешиваемых компонентов. Откло­
нение от этих условий ведет к частичной совместимости или несовмес­
тимости смешиваемых веществ.
Параметры растворимости дают количественную оценку совмести­
мости (растворимости). Чем меньше различие между этими параметра­
ми, тем лучше совместимость. Параметр растворимости^ является
11
интегральной характеристикой межмолекулярного взаимодействия,
но на совместимость (растворимость) влияет присутствие определен­
ных функциональных групп, внутримолекулярных и межмолекулярных связей, в которых проявляется индивидуальность смешиваемых
веществ. Помимо растворов ВМС, может быть еще другой тип двух­
компонентных аморфных систем — студни, состоящие из ВМС, на­
бухших в растворителе, и обладающие пространственной сеткой, об­
разованной за счет прочных межмолекулярных связей. При повыше­
нии температуры пространственная сетка может исчезнуть и образу­
ется раствор (студень переходит в раствор). При охлаждении вновь
возникают межмолекулярные связи и система снова медленно превра­
щается в студень.
Помимо изменения механических свойств, прогрессирующее студнеобразование может привести к выделению растворителя (пластифи­
катора), происходит его синерезис (выпотевание).
Иногда студнеобразные системы имеют тенденцию к выделению
твердой фазы (ВМС) — распаду системы. Явления синерезиса и рас­
пада системы вследствие неоднородности вяжущего могут вызвать
быстрое разрушение сооружения.
Концентрированные растворы ВМС представляют собой упруго­
вязкие системы, и при изучении их физико-механических свойств
следует учитывать возможность возникновения как обратимых, так и
необратимых деформаций.
В широком диапазоне напряжений и скоростей сдвига концентри­
рованные растворы ВМС при течении ведут себя как не ньютоновские
жидкости. В зависимости от строения молекул ВМС, природы раство­
рителя и температуры можно получить полные кривые их вязкости,
т. е. участки вязкости системы с неразрушенной структурой (наиболь­
шая ньютоновская вязкость), участки структурной (эффективной)
вязкости с различной степенью разрушения структуры и участки с
полностью разрушенной структурой (наименьшая ньютоновская
вязкость). Вязкость является одним из важнейших технологических
и эксплуатационных свойств органических вяжущих материалов.
Эта характеристика определяет основные технологические парамет­
ры применения материалов, температурный и временной режимы пере­
мешивания с минеральными материалами в установках, температур­
ный и временной режимы распределения (удобоукладываемость) этих
смесей, уплотнения, сроки открытия движения. Вязкость определяет
затраты механической и тепловой энергии, труда на производство
работ.
При выполнении работ способом смешения на дороге, при укрепле­
нии грунтов, обеспыливании, поверхностных обработках вязкость
вяжущего определяет температурный режим его розлива, сроки и
темп работ. Вязкость определяет также эксплуатационные свойства
покрытий в широком интервале температур в разных дорожно-клима­
тических зонах;
Вязкость вяжущего должна обеспечивать теплостойкость покры­
тия при повышенных летних температурах и не допускать хрупкого
разрушения покрытий при низких зимних температурах, т. е. обес-
12
печивать достаточную деформативность и прочность покрытия в этих
условиях под воздействием нагрузок от движения транспортных
средств. Вязкость органических вяжущих не должна сильно изменять­
ся в условиях температурных режимов технологических операций
смешения, укладки, уплотнения и затем при эксплуатации покрытий
под воздействием различных климатических и природных факторов
(устойчивость против старения).
Другим важным технологическим и эксплуатационным свойством
органических вяжущих является их поверхностная активность. Она
характеризует способность вяжущего смачивать поверхность час­
тиц минерального материала и покрывать их пленкой, устойчивой
к воздействию внешних усилий (механических сил, излучений, во­
ды). Эта способность зависит от природы вяжущего, природы и фор­
мы поверхности минеральных частиц, условий контактирования, влия­
ний внешней среды.
Смачивание определяется поверхностными свойствами органичес­
кого вяжущего, но особое влияние на величину смачивания оказыва­
ет природа минерального материала. Вслед за смачиванием идут про­
цессы избирательной адсорбции и хемосорбции, а также ориентации
молекул вяжущего на поверхности частиц минеральных материалов.
Адсорбция твердым материалом пропорциональна поверхностной
активности, поэтому в первую очередь адсорбируются поверхностно­
активные компоненты вяжущего. Наиболее поверхностно-активными
компонентами, например, битумов являются асфальтены и смолы. Н а
величину адсорбции оказывает влияние структура молекул адсорби­
руемого вещества.
Важную роль при взаимодействии органических вяжущих с мине­
ральными материалами играют процессы хемосорбции, при этом в
результате молекулярного взаимодействия между поверхностно-ак­
тивными компонентами вяжущего и минеральным материалом на по­
верхности раздела образуются соединения типа мыл. Если же нет
химического взаимодействия, то адсорбция будет только физической.
В битумах содержатся преимущественно поверхностно-активные ком­
поненты анионного типа (асфальтогеновые кислоты и их ангидриды),
поэтому хемосорбционные процессы происходят на поверхности ми­
неральных материалов основного характера (известняки, доломиты).
На поверхности минеральных материалов кислого характера наблю­
дается физическая адсорбция, хемосорбционных процессов не будет.
В каменноугольных дегтях содержатся преимущественно поверх­
ностно-активные компоненты катионного типа (азотистые производ­
ные), поэтому дегти лучше прилипают к поверхности минеральных
частиц кислого характера (граниты, сиениты) и хуже к известнякам и
доломитам, хотя в дегтях содержатся и анионоактивные вещества —
фенолы.
Адсорбционная активность минеральных материалов в значитель­
ной мере определяется химическим и минералогическим составом,
величиной удельной поверхности. Пористость и структура пор также
влияют на адсорбционные процессы.
13
Плохое смачивание, высокая вязкость вяжущего, особенности
топографии поверхности могут привести к тому, что на границе раз­
дела возникнут пустоты, служащие очагами разрушения адгезионной
связи, так как в этих очагах концентрируются напряжения.
В минеральных пористых материалах наряду с адсорбционными
процессами идет избирательная диффузия некоторых компонентов
вяжущего под влиянием капиллярных сил.
Процессы избирательной диффузии компонентов вяжущих на по­
ристом известняке можно изучать с применением люминесцентного
анализа, который позволяет охарактеризовать класс диффундирую­
щих веществ. Из битумных вяжущих наиболее легко проникают в
поры минерального материала углеводороды с прямой цепью атомов
углерода (т. е. углеводороды парафинового ряда). Вследствие осо­
бенностей структуры ароматических и гетероциклических соединений
они не могут проникнуть в поры и концентрируются на поверхности
минеральных частиц. Таким образом, пористый минеральный матери­
ал может служить своеобразным «молекулярным ситом» для орга­
нических вяжущих.
Механические свойства пленки вяжущего на границе с минераль­
ным материалом значительно повышаются. Изменение вязкости по­
граничных слоев указывает на особую ориентированную молекуляр­
ную структуру в граничном слое, отличающуюся от беспорядочного
расположения молекул в объеме вяжущего. Ориентирующее действие
минерального материала может распространяться на глубину от не­
скольких десятых до десятков микрометров.
Благодаря ориентирующему действию структура и свойства слоя
пленки вяжущего, прилегающего к минеральному материалу, могут
значительно отличаться от свойств и структуры в объеме. С уменьше­
нием толщины слоя вяжущего прочность его возрастает.
Свойства материалов, получаемых с применением органических
вяжущих, определяются структурно-механическими свойствами тон­
кой пленки битума, адсорбционно связанной с поверхностью мине­
рального материала.
К моменту выхода из смесителя смеси минеральных материалов
с органическим вяжущим процессы образования поверхностных ад­
сорбционных слоев в основном заканчиваются, т. е. завершается
структурирование пленки вяжущего на поверхности минеральных
частиц.
В процессе укладки и уплотнения смеси и затем в начале эксплуа­
тации идут процессы ориентации молекул вяжущего на поверхности
минеральных частиц, что способствует росту прочности системы [8].
При технологической подготовке и применении органических вя­
жущих материалов, а затем в процессе эксплуатации дорог происхо­
д ят сложные необратимые структурные и химические изменения вя­
жущих — их старение под воздействием различных климатических,
погодных, механических и других условий. Старение происходит в
два этапа. При технологической подготовке и применении (смешении
с минеральным материалом) вяжущие находятся непродолжительное
время под воздействием повышенных температур. При этом проис14
Ходит первый этап старения, который хорошо имитируется в лабора­
торных условиях прогревом вяжущего в тонкой пленке при рабочей
температуре (температуре смешения) в течение нескольких часов
(обычно 5 ч).
Второй этап старения вяжущих идет в процессе эксплуатации до­
рожных покрытий. В этих условиях тонкие пленки вяжущего на по­
верхности минеральных материалов подвергаются воздействию воды,
света, тепла, радиации, резким перепадам температур, охлаждению,
разрушению под действием гнилостных микроорганизмов, усталости
под действием механических нагрузок.
Старение, сопровождающееся необратимыми изменениями состава,
структуры и свойств вяжущих, происходит вследствие полимериза­
ции, оксиполимеризации, поликонденсации, разложения. Испарению
компонентов отводится небольшая роль в процессах старения. При ма­
лом доступе воздуха и света при обычных температурах (18 ± 2 °С)
изменения свойств вяжущих, находящихся в объеме, невелики. Они
больше для менее вязких вяжущих. В тонких пленках изменение
свойств вяжущих идет значительно интенсивнее (см. стр. 70—71).
При воздействии на органические вяжущие повышенных темпе­
ратур происходят процессы их карбонизации — обогащения угле­
родом, образования продуктов уплотнения молекул и некоторого ко­
личества низкомолекулярных продуктов деструкции. В результате
возрастает вязкость вяжущего, его хрупкость.
На процесс старения вяжущих влияют также адсорбция и аб­
сорбция их компонентов минеральными материалами, вызывающие
нарушение структуры вяжущего.
Достоверных и детальных сведений об изменении свойств, состава
и структуры вяжущих в процессе эксплуатации дорожных покрытий
очень мало. Системные работы, описывающие длительные натурные
наблюдения и дающие характеристику изменений свойств, структуры
и состава вяжущих в естественных условиях их эксплуатации в дорож­
ных покрытиях разных видов, построенных с применением разных
минеральных материалов в различных лорожно-климатических зо ­
нах, практически отсутствуют. Это может быть объяснено трудностями
организации подобного рода натурных исследований и их длитель­
ностью. Некоторые работы в этом направлении проводились при
изучении эксплуатационного поведения нефтяных битумов.
В большинстве случаев работы, посвященные изучению необра­
тимых изменений свойств органических вяжущих, направлены на
исследование изменений, происходящих под действием факторов,
имитирующих эксплуатационные условия, т. е. под действием тепла,
света, кислорода воздуха, воды, переменного замораживания и от­
таивания, микроорганизмов. В последнее десятилетие появились р а ­
боты по изучению усталости вяжущих от механических нагрузок, а
такж е радиационного излучения. В конечном счете для сроков
службы покрытий, оценки экономических показателей важна стабиль­
ность свойств вяжущих под воздействием всего комплекса факторов,
однако, учитывая, что в разных условиях эксплуатации действие
различных факторов неодинаково, необходимо выявить роль каждого
15
из них в каждом отдельном случае с тем, чтобы правильно произво­
дить выбор вяжущих и находить пути обеспечения стабильности их
свойств.
Более детально вопросы старения будут разобраны в следующих
главах при рассмотрении свойств отдельных видов вяжущих.
Таким образом, теоретические основы применения органических
вяжущих опираются на положения теории концентрированных рас­
творов высокомолекулярных соединений и пластификации, на теорию
адгезионных взаимодействий и формирование структур наполненных
полимеров, а также на реологию вяжущих и композиций на их основе.
1.4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВЯЖУЩИХ
Органические вяжущие выполняют функции связующего (клея)
в дорожно-строительных конгломератах типа асфальтобетонов, дег­
тебетонов, черного щебня, укрепленных грунтов, используемых
для устройства конструктивных слоев дорожных покрытий и основа­
ний, сроки службы которых в значительной степени определяются
свойствами и качеством вяжущих. Свойства органических вяжущих ма­
териалов должны отвечать определенному комплексу требований. Вы­
деляют две группы свойств органических вяжущих материалов и соот­
ветственно требований к ним — технологические и эксплуатационные.
Первая группа свойств определяет условия хранения, транспор­
тирования, смешения с минеральными материалами, укладки и уплот­
нения смесей, стабильность при длительном хранении и технологичес­
ких операциях (нагревании), соответствие нормам пожарной и сани­
тарной безопасности при использовании. К этой же группе свойств
относятся вязкость, стабильность при нагревании, температура вспыш­
ки, количество токсичных выделений при технологических операциях.
Вязкость является решающей характеристикой при выборе условий
транспортирования, хранения, способов и условий применения (сме­
шения, укладки, уплотнения).
Она изменяется в широких пределах в зависимости от температу­
ры. Однако при технологической переработке не должно происхо­
дить существенных необратимых изменений вязкости.
При нагревании органических вяжущих материалов могут выде­
ляться токсичные вещества, а превышение установленной допусти­
мой температуры может вызывать вспышку и воспламенение испаряю­
щихся веществ и пожарную опасность. Продолжительное и неодно­
кратное нагревание значительно снижает качество вяжущего.
Эксплуатационные (строительные) свойства определяют поведение
материала в конструктивных слоях дорожных одежд в различных
условиях климата и эксплуатации. К этой группе относятся механичес­
кие свойства (деформативность, прочность), стабильность во времени
под воздействием эксплуатационных факторов, способность вяжущ е­
го прочно связывать отдельные минеральные частицы в конгломерат.
Деформативность характеризуется модулем упругости или модулем
деформации, вязкостью (консистенцией) при эксплуатационных тем­
пературах, пластичностью (интервалом пластического состояния).
16
Требования к органическим вяжущим различны в зависимости
от целей и области применения. Д л я строительства верхних слоев
покрытий на грузонапряженных магистральных дорогах к вяжущим
предъявляют высокие требования в отношении механических свойств—
деформативности и прочности. Вязкость вяжущих, применяемых
в южных районах, должна быть выше, чем при использовании их
для аналогичных целей в северных районах страны. Интервал плас­
тического состояния вяжущих, применяемых в районах с континен­
тальным климатом, должен быть больше, чем в районах с мягким
климатом. Д л я строительства нижних слоев покрытий и оснований
дорог могут быть использованы вяжущие с меньшим интервалом
пластичности, менее высокими показателями деформативности и проч­
ности, чем для строительства верхних слоев покрытий. Однако для всех
случаев применения органических вяжущих материалов необходима
их высокая клеющая способность, способность образовывать прочную
пленку на поверхности минеральных частиц (адгезия).
Прочность вяжущего определяется предельной растяжимостью,
статической и динамической усталостью. Дифференцирование требо­
ваний к органическим вяжущим материалам обеспечивает возмож­
ность рационального выбора вида их для конкретных условий приме­
нения и экономного расходования.
Необходимо стремиться к тому, чтобы свойства органических вя­
жущих различных типов оценивались одинаковыми методами и кри­
терии их качества и области применения в дорожном строительстве
основывались на единых принципах, общих для всех видов органи­
ческих вяжущих. Поэтому необходима унификация основных методов
и условий испытаний, переход от условных методов, а также унифика­
ция требований и полное согласование методов оценки и требований
с методами оценки и требованиями на конгломератные материалы,
получаемые с использованием органических вяжущих материалов.
Изучение процессов деформирования органических вяжущих ма­
териалов и конгломератов на их основе показывает, что вследствие
сложного характера их поведения как термопластичных материалов
и значительного числа факторов, определяющих их работу в усло­
виях эксплуатации, для установления дифференцированных требо­
ваний к органическим вяжущим с учетом конкретных климатических
и эксплуатационных условий необходимо использовать математическое
моделирование работы дорожных одежд как конструкций с нестацио­
нарными эксплуатационными характеристиками. Специфической осо­
бенностью дорожных одежд, построенных с применением органиче­
ских вяжущих материалов, является то, что их эксплуатационные ха­
рактеристики в течение срока службы подвержены непрерывным изме­
нениям, обусловленным нестационарностью температурного режима
и воздействием эксплуатационных нагрузок, а также непрерывным
изменением свойств вяжущего в процессе эксплуатации, носящим
обратимый и необратимый характер. Учет указанных особенностей
раскрывает дополнительные возможности повышения эффективности
проектных и технологических решений, расширения ресурсов вяж у­
щих и их рационального использования в строительстве дорог.
I аш к обл. 6- ка
Глава 2
НЕФТЯНЫЕ БИТУМЫ
2.1. ПРОИЗВОДСТВО НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
Нефтяные дорожные битухмы получают путем переработки тяжелых
остаточных фракций нефти. Нефти по их пригодности для производст­
ва битумов разделены на три группы:
I — высокосмолистые малопарафинистые; смолистые малопарафинистые; высокосмолистые парафинистые. Состав таких нефтей соот­
ветствует условию А + С — 2,5/7 ^ 8, где А — содержание асфальтенов; С —■содержание смол; /7 — содержание парафинов;
II — смолистые парафинистые; малосмолистые малопарафинистые.
Состав таких нефтей соответствует условию А + С — 2,517 = 0 -г 8,
где А -+- С > 6.
В III группу включены непригодные для производства битумов
нефти трех типов: смолистые высокопарафинистые; малосмолистые
парафинистые; малосмолистые высокопарафинистые. Их состав от­
вечает условию А -+- С — 2,5Я = 0 -т- 8, где А
С <. 6; А + С —
2,5П < 0.
Д ля производства нефтяных битумов наилучшим сырьем являются
тяжелые смолистые малопарафинистые нефти [22]. Примеры составов
нефтей, содержащих большое количество смоли сто-асфальтеновых ве­
ществ и наиболее пригодных для производства битумов, приведены в
табл. '2.1 (см. такж е табл. 3.2).
Таблица
2.1
Содержание, ” по массе
Нефть
Плотность,
г/см3
Чубовская
(Куйбы­
0 ,9 8 1 — 0 ,990
шевская обл.)
Усинская (Коми
0 ,9 5 9 - 0 ,9 7 1
АССР)
пара­
фина
серы
2 ,9 0
2 ,5 8
До
2 ,1 1
асфальтенов
1 8 ,0
смол
Сумма
А+С
3 2 .0
5 0 ,0
10,3— 12,7 16,5— 21,7 26,8— 34,4
0 ,6 0
Золотаревская
(Уд­
0 ,9 6 8 — 0 ,9 8 5
муртия)
Чекмагушевская
0 ,9 5 9 — 0 ,970
Надлендельская
(Башкирия)
0,921
(ВНР)
Мексиканская асфаль­
0 ,933
товая
18
7 ,5 0
1 ,9 0
1 6 .9
8 ,1 5
4 ,0 3
3 ,5 6
1 4 .9
5 ,1 5
1 7 ,0
2 2 .0
3 8 .9
2 1 ,7
2 9 ,8 5
1 4 .9
3 0 ,4
4 7 ,4
Существуют три основные способа производства вязких нефтяных
битумов:
г П . Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в
вакууме в присутствии водяного пара (при переработке тяжелых ас­
фальтосмолистых нефтей битумы получают посредством атмосферной
перегонки).
2. Окисление воздухом нефтяных остатков (мазутов, гудронов,
полугудронов, битумов деасфальтизации, крекинг-остатков и др.).
3. Смешение (компаундирование) нефтяных остатков с дистиллатами, с окисленными или остаточными битумами.
В зависимости от способа переработки нефтяного’сырья различают
остаточные, окисленные или компаундированные битумы.
Производство остаточных вязких битумов
Переработку нефти для получения остаточных вязких битумов ве­
дут посредством отгона фракций, выкипающих до 300—350° С, и кон­
центрации асфальтосмолистого остатка. При удалении фракций, вы­
кипающих до 300—350° С в атмосферно-вакуумной установке, полу­
чают мазут, который затем подвергают дальнейшей переработке при
большем вакууме и в присутствии перегретого водяного пара для отде­
ления масляных фракций и концентрации асфальтосмолистых веществ.
Выбор глубины вакуума и температуры переработки зависит от
природы сырья. При этом получают нефтяные гудроны. Они пред­
ставляют собой остаточные нефтяные фракции, используемые на нефте­
перерабатывающих заводах преимущественно в качестве сырья для
производства котельных топлив и битумов. Если гудроны содержат
значительное количество масляных фракций, их подвергают даль­
нейшей обработке пропаном с целью выделения этих масляных фрак­
ций, причем в остатке получают смолисто-асфальтеновые вещества —
битум (асфальт) деасфальтизации. В зависимости от свойств исходной
нефти и технологии переработки получают гудроны различной консис­
тенции — от жидких до вязких.
Заводы СССР, работающие на сернистых смолистых нефтях типа
ромашкинской, дают вязкие гудроны с глубиной проникания иглы
250—500 и температурой размягчения 36—42° С, т. е. близкие по кон­
систенции к вязким дорожным битумам с глубиной проникания 200—
300. Заводы, работающие на малосернистых малосмолистых нефтях
типа западно-сибирской, дают жидкие гудроны, имеющие вязкость
по стандартному дорожному вискозиметру Q o = (25 -h 200) с.
При повышении температуры нагрева сырья в процессе переработ­
ки нефти и увеличении вакуума, а такж е при введении перегретого
водяного пара достигают более полного отделения масляных фракций
от гудрона и получают вязкие остаточные битумы.
Выход вязких битумов при переработке тяжелых асфальтосмоли­
стых нефтей с плотностью более 0,94 и вязкостью т]ву — (15 -f- 20) с
может составлять 50—75% от объема перерабатываемой нефти. Так,
например, мексиканская асфальтовая нефть дает выход битума пример­
19
но 73% (с глубиной проникания 100). При использовании нефтей с
плотностью менее 0,94 выход битума снижается.
Правильный выбор исходных нефтей обеспечивает высокое каче­
ство остаточных дорожных битумов, поэтому большое внимание уде­
ляется сортировке нефтей, идущих на получение битумов, так как
особенно ценны тяжелые асфальтосмолистые нефти.
В СССР имеются тяжелые нефти, по составу близкие к мексикан­
ской. Однако эти нефти у нас пока добывают в количестве, недоста­
точном для обеспечения дорожного строительства, и тяжелые нефти сме­
шивают с другими более легкими нефтями, идущими для выработки
на НПЗ топлив и масел.
Раздельная переработка тяжелых нефтей специально для произ­
водства битумов не представляет проблемы. Атмосферно-вакуумные
установки служат для отбора широкой фракции котельного топлива.
При получении остаточных вязких битумов имеет большое значение
удаление из сырья твердых парафинов, что достигается увеличением
времени пребывания сырья в колонне. Процесс вакуумной перегонки
ведет к накоплению асфальтосмолистых веществ, сопровождается ча­
стичным крекингом и последующим уплотнением тяжелых масляных
компонентов под воздействием высоких температур. Погодостойкость
остаточных битумов зависит от состава нефти, условий процесса пере­
работки. Асфальтовые нефти дают более погодостойкие битумы, чем
полуасфальтовые. Повышение температуры переработки снижает по­
годостойкость продукта.
Остаточные битумы предпочитают производить (вместо окислен­
ных) в ряде стран мира. При переработке нефтей, которые дают биту­
мы с недостаточной глубиной проникания (вязкостью), в ряде стран
производят так называемые полуокисленные битумы, подвергая оста­
точный битум небольшому окислению продувкой воздуха. К ак пока­
зывает опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий в районах с
суровым климатом, применение маловязких остаточных битумов поз­
воляет снизить образование трещин. В Канаде, Финляндии, Швеции,
Дании, на севере США применяют для приготовления асфальтобето­
нов маловязкие остаточные битумы с глубиной проникания 300—500.
Эти битумы имеют значительно большую растяжимость при низких
температурах по сравнению с вязкими битумами.
Нефтяные гудроны, вырабатываемые на Н П З в СССР, такж е мо­
гут быть использованы в качестве маловязких остаточных битумов при
условии соответствия их качества определенным требованиям в части
консистенции, адгезии, однородности. Использование вязких и жидких
остаточных битумов из отечественных нефтей позволяет расширить
возможности устройства дорожных одежд с асфальтобетонными покры­
тиями в первую очередь в районах Сибири и Севера европейской части
РСФСР. М аловязкие нефтяные остаточные битумы могут быть исполь­
зованы для обработки местных каменных материалов, для устройства
оснований во всех районах СССР.
Вязкие остаточные битумы получили распространение в странах
Западной Европы. Качество остаточных битумов зависит от глубины
отбора [масляных фракций от мазута и характера высокомолекуляр­
20
ных фракций, входящих в их состав. Вязкие остаточные битумы имеют
относительно высокую плотность и когезию, в битумах из асфальто­
вых нефтей практически отсутствуют твердые парафины. Растяжимость
большинства вязких остаточных битумов при 0° С равна нулю, исклю­
чение составляют некоторые японские битумы, у которых растяжимость
при 0° С может достигать 10— 12 см. Растворимость их в бензоле со­
ставляет около 98%.
Битумы из тяжелых асфальтовых нефтей отличаются хорошей
погодостойкостью. Если же остаточный битум получен из менее смоли­
стых нефтей и переработка велась при более высоких температурах
для достижения той же консистенции, то погодостойкость таких биту­
мов значительно ниже из-за разложения некоторых высокомолекуляр­
ных компонентов с образованием карбенов и карбоидов и увеличения
хрупкости готового продукта.
Регулирование качества остаточных вязких битумов достигается
посредством строгой сортировки нефтей и отбора тяжелых асфальто­
смолистых нефтей на переработку специально в битум, а также по­
средством строгого соблюдения соответствующего температурного ре­
жима и скорости перегонки.
Таким образом, качество остаточных битумов в значительной сте­
пени зависит от качества нефти, тогда как процессы производства би­
тумов окислением или компаундированием позволяют в известной сте­
пени нивелировать разницу в качестве сырья и более гибко регули­
ровать качество готового продукта [6].
Производство вязких окисленных битумов
Распространенный способ производства вязких битумов окисле­
нием остаточных фракций нефтепереработки позволяет расширить ас­
сортимент нефтей для производства битумов и нивелировать разницу
в сырье. Процесс окисления заключается в продувке сырья воздухом.
Окисление служит простейшим способом частичного улучшения
деформативных свойств битумов при низких температурах и расшире­
ния интервала пластичности. Условия процесса — интенсивность массообмена между окисляемым сырьем и кислородом воздуха, а также
температура оказывают значительное влияние на свойства готового
продукта. Битумы, полученные при более интенсивном массообмене
сырья с кислородом воздуха при температуре 240—250° С обладают
большим интервалом пластичности, т. е. большей теплоустойчивостью
и лучшими показателями температуры хрупкости. Окисление сырья
при более низкой температуре (170— 180° С) дает битумы, обладаю­
щие большей пластичностью при низких температурах. Длительность
окисления оказывает значительное влияние на температуру хрупкости,
деформативные свойства битумов при низких температурах и интервал
пластичности. При окислении до одинаковых температур размягче­
ния нефтяных фракций различной концентрации, полученных при
перегонке нефти одного месторождения, битумы из маловязких фрак­
ций имеют больший интервал пластичности и более низкую темпера21
Таблица
2.2
Сернистая-смолистая (типа ромашкинской)
Чекмагушская
24
32
41
20
30
40
Шкаповская
25
35
40
Температура,
°С
Растяжимость,
см, при
25 °С
0 °с
размяг­
чения
хруп­
кости
25 °е
86
118
68
92
79
117
75
98
73
115
73
92
78
104
71
18
20
6
15
13
1 2 ,5
9
9
7
10
1 2 ,5
12
10
11
9
59
49
49
48
51
44
4 9 ,5
45
47
48
55
51
53
48
53
— 28
— 30
— 12
— 26
— 24
— 21
— 17
— 15
— 11
— 34
— 32
— 23
— 20
— 19
— 16
4 5 ,5
100
100
49
44
100
100+
100+
100+
38
57
58
37
65
56
О
тура
размяг­
чения
гудрона,
°С
•
О
Нефть
Глубина про­
никания иглы,
10-1 мм, при
2 ,5
3 ,5
5 ,5
5 ,0
3 ,5
2 ,0
1 ,0
0
0
6 ,0
4 ,6
5 ,8
—
—
Интервал
пластичности,
°С
Свойства битума
Темпера­
87
79
61
74
75
65
6 6 ,5
60
58
82
85
74
73
6 7 ,5
69
туру хрупкости, а из фракций с большей вязкоетью — меньший ин­
тервал пластичности и худшие показатели температуры хрупкости.
Таким образом, наряду с условиями процесса окисления значительное
влияние на свойства битумов оказывает глубина отбора масляных фрак­
ций от окисляемого сырья. С увеличением глубины отбора масляных
фракций от гудрона свойства битума ухудшаются (табл. 2.2).
Использование для окисления других видов остаточных фракций
нефтепереработки или смешения гудрона с другими тяжелыми оста­
точными фракциями (крекинга, деасфальтизации, селективной очист­
ки) может ухудшить свойства битумов.
При продувании воздуха в процессе производства битумов компо­
ненты сырья взаимодействуют с молекулярным кислородом. Доля
кислорода, участвующая в реакции, зависит от общего содержания
его в поступающем воздухе, а также от условий процесса. Химически
связывается небольшое количество кислорода, особенно при более вы­
сокой температуре процесса. Так, при температуре 150° С количество
химически связанного кислорода составляет 29—30% от всего коли­
чества поступившего кислорода, при температуре 250° С — 8—25%,
а при 350° С — всего 2— 10%. Основное количество кислорода содер­
жится в отходящем газе, главным образом в виде паров воды и в мень­
шей степени в виде двуокиси углерода. Это показывает на дегидрогенизационный характер реакций, протекающих при окислении. Счи­
тают, что при окислении смолисто-асфальтеновых фракций проходят
реакции дегидрополиконденсации.
Образование высокомолекулярных компонентов обусловлено двумя
важнейшими реакциями: образованием сложно-эфирных групп и угле22
родных связей — С—С— . Отношение числа углеродных связей к ч и с л у
эфирных групп быстро увеличивается с повышением температуры
окисления. При температуре 250° С образуется наибольшее количе­
ство межмолекулярных связей, а при более низких температурах
(ниже 200° С) преобладают реакции образования сложно-эфирных
групп (в том числе образуются оксикислоты и внутренние эфиры —
лактоны).
Изучение процесса окисления показало, что он проходит в три ста­
дии, характеризующиеся различной интенсивностью поглощения кис­
лорода, образования смол, асфальтенов, углекислого газа и т. д. С
увеличением глубины окисления идет непрерывное накопление смолисто-асфальтеновых веществ и снижение содержания углеводородов,
причем изменяется и состав последних. В первую очередь подверга­
ются превращениям при окислении углеводороды парафино-нафтенового ряда и углеводороды, содержащие боковые цепи.
Моноциклические ароматические соединения тормозят превра­
щение сырья в битум, увеличивают продолжительность окисления. Со­
держащиеся в сырье твердые углеводороды также задерживают про­
цесс превращения сырья в битум. В системах с твердыми углеводорода­
ми, однако, больше масел и меньше асфальтенов по сравнению с систе­
мами без твердых углеводородов. В результате битумы, содержащие
твердые углеводороды, приобретают несколько более широкий интервал
пластичности. При температуре окисления выше 200° С скорость пе­
рехода смол в асфальтены превосходит скорость образования смол из
масел. При температуре окисления выше 275—300° С наблюдается ин­
тенсивное образование карбенов и карбоидов, что вызывает повышение
хрупкости битума, увеличение его вязкости и снижение растяжимости.
Температура получения окисленных битумов для каждого вида сы­
рья должна быть различной, соответствующей составу сырья. Приход­
ной и той же температуре размягчения битумов суммарный расход
воздуха и продолжительность окисления сырья достигают минималь­
ных значений при температуре 250° С и максимальных при 210° С [6].
Производство окисленных битумов ведут в горизонтальных или верти­
кальных цилиндрических кубах, колонных и трубчатых реакторах пе­
риодического, полунепрерывного и непрерывного действий. У потреби­
телей битумов в УССР, РСФСР и других республиках получили рас­
пространение бескомпрессорные реакторы малой производительности.
Современная технология производства окисленных битумов из нефтя­
ных остаточных фракций, состоит в продувании через них воздуха при
температуре 230—300° С и расходе его 0,8— 1,5 м3/мин на 1 т сырья.
Продолжительность окисления составляет 2— 12 ч в зависимости от
марки битума. Количество отгона и потерь при этом процессе зависит
от содержания’летучих веществ в сырье, глубины окисления и не пре­
вышает 0,5— 10% от массы сырья.
Процесс непрерывного окисления отличается от периодического
высокоразвитой поверхностью контакта реагирующих фаз, интенсив­
ным перемешиванием окисляемого сырья. Продолжительность пребы­
вания сырья в зоне реакции при непрерывном окислении составляет
за один проход в среднем около 200 с, а при периодическом окислении
23
кожет достигать 40 ч. При непрерывном процессе идет рециркуляция
окисленного битума, благодаря чему в реакторе происходит компаун­
дирование свежих порций гудрона с окисленным битумом. По-види­
мому, в этих условиях смолы превращаются в асфальтены с большей
скоростью, чем расходуется масел, а масла вследствие малого времени
пребывания в зоне реакции не успевают переходить в смолы или ас­
фальтены. Компаундирование со свежими порциями гудрона также
способствует обогащению битума маслами.
Более высокие пластические свойства битумов, получаемых при не­
прерывном процессе, обеспечиваются не только повышенным содержа­
нием асфальтенов и масел, но и качественным отличием этих компонен­
тов. Высокая степень конденсации молекул асфальтенов, имеющих от­
носительно большую плотность и молекулярную массу, способствует
повышению теплостойкости битумов. Низкие значения вязкости, плот­
ности и молекулярной массы мальтенов битумов непрерывного окисле­
ния обеспечивают повышение эластичности битумов при низких темпе­
ратурах. Битумы непрерывного окисления имеют больший интервал
пластичности, лучшие адгезионные свойства и пониженную растяжи­
мость при 25° С по сравнению с битумами, полученными при периоди­
ческом окислении.
При непрерывном окислении сырья получают битумы с повышен­
ным содержанием асфальтенов и масел при более низком содержании
смол. Асфальтены, выделенные из битумов непрерывного окисления
сырья, отличаются более высокими значениями плотности, молекуляр­
ной массы, степени конденсации, ароматичности и повышенным содер­
жанием функциональных групп по сравнению с асфальтенами перио­
дического окисления. Мальтены битумов, полученных непрерывным
окислением, отличаются пониженными значениями молекулярных масс,
плотности, вязкости и меньшим содержанием смол по сравнению с
мальтенами битумов периодического окисления.
В табл. 2.3 показаны свойства и групповой состав остаточных и
окисленных битумов. Д л я сравнения приведем свойства мексикан­
ского остаточного битума, считающегося в западных странах эталоном
качественного битума: плотность при 25° С — 1,035 г/см3, глубина про­
никания иглы 197, температура размягчения 40° С, растяжимость при
25° С — 150 см, индекс пенетрации равен 0.
Битум улучшенного качества получают окислением нефтяной оста­
точной фракции при интенсивном перемешивании с высокими скоро­
стями сдвига при температурах 204—285° С. Процесс окисления длит­
ся 15—30 мин, в результате температура размягчения исходного мате­
риала возрастает более чем на 40%. Достаточная скорость сдвига при
перемешивании сырья достигается при использовании двигателя,
обеспечивающего частоту вращения 5000 об/мин.
Производство вязких битумов можно осуществлять из остатков
процесса деасфальтизации гудрона. В гудроне, получаемом при ат­
мосферно-вакуумной перегонке, содержится еще значительное коли­
чество масляных фракций, и для^выделения их с целью получения тя­
желых остаточных масел производят удаление смолисто-асфальтеновых вещестз обработкой (деасфальтизацией) гудрона пропаном. Про24
Таблица
Свойства
и групповой
состав битумов
Глубина прони­
кания иглы при
25° С
Температура
размягчения, °С
Глубина прони­
кания при 0° С,
200 г, 60 с
Растяжимость,
см, при:
25° С
0°С
Температура
хрупкости, °С
Интервал пла­
стичности, °С
Индекс пенетрации
Содержание, %
по массе:
серы
парафина
Групповой со­
став,’ % по массе:
асфальтены
смолы
масла
Остаточные битумы
из нефтей
арлан- ромаш- западно­
сибир­
кинской
ской
ской
2.3
Окисленные битумы из нефтей
арланской
ромашкинской
западно­
сибирской
жидкий 100
50
100
50
100
50
28
44
48
45
52
47
59
16
—
12
9
24
15
37
26
100
0
—9
100
0
—12
—
100
0
—14
100
—
—6
100
0
-1 6
100
0
— 10
100
5
—25
70
2
—19
52
56
—
58
56
61
62
70
69
100
100
43
44
9
—1,4 - 1 , 1
4,5
2,0
12,5
38,5
49,0
3,6
10,1
38,2
51,7
—
— 1,1 -
—
1,7 - 0 , 8 - 0 , 7
2,5
1,3
—
—
8,5
34,5
57,0
15,0
35,0
50,0
—
—
3,2
2,0
20,8
28,5
50,7
—0,2 + 0 ,8
—
—
—
22,0
28,0
52,0
—
2 ,9
1 ,0
—
—
пан — наиболее эффективный растворитель для масляных фракций
как с технологической, так и с экономической точек зрения, поэтому
его широко применяют для процессов деасфальтизации. При этом от­
деляют нерастворимые в пропане смолисто-асфальтеновые вещества.
При деасфальтизации пропаном в зависимости от состава гудрона и
условий процесса получают от 30 до 70% по массе смолисто-асфальтеновых веществ, называемых битумами деасфальтизации (или не сов­
сем правильно асфальтами деасфальтизации).
В ряде случаев производят двухступенчатую обработку пропаном,
получая битум (асфальт) первой ступени и битум (асфальт) второй сту­
пени деасфальтизации. Состав и свойства битумов деасфальтизации
изменяются в широких пределах, что затрудняет применение их непо­
средственно в качестве дорожных вяжущих. Поэтому битумы деасфаль­
тизации применяют как компоненты сырья при производстве дорож­
ных вязких битумов (содержание их в сырье должно быть не более 30%)
или подвергают окислению с последующим разжижением гудроном
или экстрактами селективной очистки масляных фракций (содержание
окисленного битума деасфальтизации может достигать даже 70%).
Из битумов деасфальтизации можно получить дорожные битумы,
превосходящие по физико-механическим свойствам битумы из гудронов. Д ля этого необходимо битумы деасфальтизации подвергать глу­
бокому окислению с последующим разбавлением экстрактами селек­
тивной очистки масляных фракций до получения дорожного битума
требуемой марки. Характеристика экстрактов селективной очистки
приведена в табл. 2.4, а характеристика битумов деасфальтизации —
в табл. 2.5. С уменьшением содержания в сырье парафино-нафтеновых
и легких ароматических углеводородов и увеличением содержания
смол и асфальтенов время и расход воздуха, необходимые для окисле­
ния сырья, увеличиваются. Окисление битумов деасфальтизации идет
с выделением меньшего количества тепла, чем окисление гудрона.
Таблица
Экстракт из смолистых
сернистых нефтей
2.4
Экстракт из малосернистых
малосмолистых нефтей
П оказатели
Плотность, г/см3
Вязкость при 100° С, сСт
Коксуемость, %
дистиллятный
остаточный
дистиллятный
остаточный
0,9792
11,15
0,78
0,9669
52,13
4,10
0,9883
11,92
0,98
0,9733
52,01
2,53
Таблица
К
О
Битумы деасфаль­
О)
Гудрон
тизации из смеси
2
о
из смеси
сернистых
малосер­
«я Я
£ 3£
смолистых нефтей
нистых
- ^Ч
малосмо­
5о °а й
к *и
листых
I
II
5 О
нефтей
О*®
2"-©
О)4 ступени ступени
и о ок
П оказатели
Выход на гудрон, %
Температура размягчения по
КиШ, °С
Плотность, г/см3
Содержание серы, %
Групповой состав, %:
парафино-нафтеновые уг­
леводороды ( п д ° до 1,49)
ароматические
углеводо­
роды:
легкие
(«*0° = !,49-М .5!)
средние
(/1^° = 1,51-т- 1,54)
тяжелые
( я £ ° < 1,54)
смолы
асфальтены
гг р и м е ч а н и е ,
П
20
100
73
35—37 50—56
1 ,032
0,999
2,8
3,0
40
65
1,045
3 ,7
100
2.5
Битумы деасфаль­
тизации из смеси
малосернистых
малосмолистых
нефтей
I
ступени
48
Около 18 3 6 — 40
0,941
1 ,0 1 3
0,98
1 ,4 0
II
ступени
33
5 8 — 64
1 ,0 4 0
1 ,8 0
15,2
5,5
3,0
39,1
1 6 ,5
8 ,5
8,3
7,2
3,5
10,5
1 0 ,0
7 ,5
11,5
7,8
7,4
7 ,9
7 ,0
25.0
40,5
20.0
26,0
13.0
4.0
34,6
23,2
36.0
8 ,3
12.0
10,5
27.0
29.0
10.0
25,2
3 6 ,6
1 4 ,0
я р — показатель преломления.
2 9 .0
Таблица
2.6
Битумы из смеси нефтей
П оказатели
Температура
размяг­
чения битума деасфаль­
тизации:
начальная,
°С
(КиШ)
после окисления, °С
Состав битумов, % :
битума
деасфаль­
тизации
экстракта очистки
Свойства битумов
Глубина проникания
иглы при:
25° С
0°С
Температура
размяг­
чения по КиШ, °С
Температура
хрупко­
сти, °С
Растяжимость,
см,
при:
25° С
0°С
Глубина
проникания
иглы при 25° С после
нагревания при 160° С в
течение 5 ч
Температура
хрупко­
сти после нагревания
при 160° С в течение
5 ч, °С
Показатель сцепления
с кварцевым песком
Показатель сцепления
с известняком
сернистых смолистых
малосернистых смолистых
49—52 49—52 49—52 49—52 50—52 50—52 50—52 50—52
52
82
106
135
52
113
134
154
91
9
79
27
68
32
60
40
90
10
72
28
75
25
56
44
112
3
109
8
110
10
105
12
64
0
56
7
71
25
78
18
45
48
49
51
50
53
47
59
—1
—20
—24
-2 6
—9
—26
—30
98
2
86
6
64
9
60
11
100
0
90
3
62
3
90
4
105
90
87
85
52
46
—18
—21
-2 5
—7
—20
-1 2
-2 1
60
—26
—28
Неуд.
Уд.
Уд.
Уд.
Неуд.
Уд.
Уд.
Уд.
»
Хор.
Хор.
Хор.
»
Хор.
Хор.
Хор.
Пластификация битумов деасфальтизации, окисленных до темпе­
ратуры размягчения 70— 130° С по КиШ, проведена экстрактами се­
лективной очистки дистиллятных и остаточных масляных^фракций.
Характеристика дорожных битумов, полученных из различных видов
сырья, приведена в табл. 2. 6.
На рис. 2.1 показано влияние глубины окисления битумов деас­
фальтизации на температуры размягчения и хрупкости получаемых
дорожных битумов.
Расход экстракта на разбавление базового компонента зависит от
глубины отбора масляных фракций, но в основном определяется глу­
биной окисления асфальтосмолистого компонента и составляет в сред­
нем от 25 до 40% по массе в расчете на битум.
Использование способа окисления битумов деасфальтизации с по­
следующим разбавлением экстрактами селективной очистки масляных
фракций позволяет получить из битумов деасфальтизации дорожные
27
битумы, по качеству равные или
превосходящие битумы, вырабаты­
ваемые из гудронов по обычной тех­
нологии. Таким образом, регулиро­
вание процессов производства би­
тумов позволяет значительно повы­
сить их качество при использова­
нии разнообразного сырья. Необ­
ходимым условием является стро­
гий выбор соответствующих техно­
логических параметров переработ­
ки в зависимости от свойств и со­
става сырья.
Д ля сокращения транспортных
расходов по доставке битума целе­
сообразно строительство битумных
окисленной фракции, °с
установок, работающих на привоз­
ном сырье, мощностью 100—250
Рис. 2.1. Влияние глубины окисления
тыс. т битума в год, которые спо­
битумов (асфальтов) деасфальтизации на температуры размягчения и
собны обеспечивать потребности в
хрупкости получаемых дорожных би­
битуме района в радиусе до 300 км
тумов:
с
вывозом автобитумовозами. У ка­
1 — гудрон; 2 — битум
деасфальтизации
I ступени; 3 — смесь битумов деасф альти­
занная производительность устано­
зации I и II ступеней; 4 — битум деас­
вок подкреплена технико-экономи­
фальтизации II ступени’
ческими расчетами. Опыт эксплуатации таких установок имеется в Казахстане, Таджикистане и У з­
бекистане. В РСФСР и УССР получили распространение бескомпрессорные установки малой мощности 10— 15 тыс. т в год, монти­
руемые в составе асфальтобетонных заводов-потребителей, а также
установки колонного или трубчатого типов мощностью 30—50 тыс. т
в год.
В виду довольно обширного распространения бескомпрессорных ус­
тановок остановимся несколько подробнее на технологии приготовле­
ния вязких битумов этим способом.
В основу бескомпрессорного способа положен эффект всасывания
воздуха и его распыления в окисляемом сырье при помощи специаль­
ного диспергатора (турбины). Сырье из хранилища подают в котлы для
обезвоживания и нагрева до 170— 180° С, после чего перекачивают в
реактор, нагретый до 80— 120° С. Реактор заполняют сырьем на 2/3
объема. Затем включают ди спер гаторы при одновременном подогреве
сырья. Температура массы повышается также за счет экзотермическо­
го тепла реакций окисления сырья.
По достижении оптимальной температуры окисления (обычно
240° С) производят охлаждение массы подачей на поверхность холод­
ной воды.
Отработанный воздух с парами воды и газами, выделяющимися при
окислении, поступает из реактора в гидроциклон. Жидкие продукты
окисления (черный соляр) в гидроциклоне отделяются и возвращаются
в реактор, а газы направляются на сжигание.
28
По достижении требуемой глубины окисления (марки битума) пода*
чу воды прекращают, а диспергаторы выключают. Длительность окис­
ления сырья, контролируемая по температуре размягчения, состав­
ляет от 3 ч (для получения битума с глубиной проникания 200/300)
до 6—7 ч (для получения битума с глубиной проникания 40/60).
Температура размягчения битумов всех марок, получаемых окис­
лением легкого сырья в принятом диапазоне температур (180—240° С),
всегда выше, чем температура размягчения таких же марок, получаемых
в тех же условиях из тяжелого сырья. При выборе температуры окис­
ления следует учитывать ее влияние на основные показатели качества
битума. Изменение температуры окисления в большей мере сказывает­
ся на свойствах битума из легкого сырья и значительно меньше на
свойствах битума из тяжелого сырья.
Производство битумов на установках мощностью 100— 150 тыс. т в
год с использованием тяжелых смолистых нефтей состоит из трех тех­
нологических процессов: подготовки нефтей к переработке (если тре­
буется), отбензинивания и вакуумной перегонки для выделения широ­
кой топливной фракции, окисления остатка с температурой кипения
выше 460° С (гудрона) до получения битума требуемой марки. Окисле­
ние гудрона производят обычно в трубчатом реакторе (давление 0,4—0,5 МПа, длительность — несколько минут).
Удобны в эксплуатации, компактны и легко управляемы окисли­
тельные установки колонного типа, которым и следует дать предпочте­
ние перед установками бескомпрессорного типа. Затраты материалов
на строительство установок колонного типа также ниже [6].
Работа этих установок идет по следующей схеме: сырье (гудрон)
подают через змеевик печи (где оно нагревается до 120— 170° С) в
окислительную колонну. За счет экзотермического тепла окисляемое
сырье в колонне нагревается до 240° С. Д ля съема избыточного тепла
предусмотрена возможность подачи воды на верх окислительной ко­
лонны. Внутри колонны имеется вертикальная труба, в нижней части
которой расположен маточник, куда подается сжатый воздух на окис­
ление сырья. В результате барботажа воздуха создается поток продук­
та внутри трубы снизу вверх, а по кольцевому пространству сверху
вниз. Циркуляция повышает интенсивность процесса окисления. Го­
товый битум отбирают с низа колонны. Д л я предотвращения загорания
и вспышек в верхнюю часть колонны подают водяной пар. Газообраз­
ные продукты реакции отходят с верху колонны.
В Казахской ССР имеется опыт эксплуатации установок по полу­
чению битумов из тяжелой кара-арнинской нефти (так называемые неф­
теокислительные установки — НОУ). Эти установки работают на не­
прерывном режиме и рассчитаны на производство в год 50 тыс. т биту­
ма и 10 тыс. т котельного топлива.
Характеристика нефти месторождения Кара-Арна: плотность
0,973 г/см3, вязкость при 60° С — 4,8 с, смол 33,44%, асфальтенов
5,60%, отгоняется фракций до 300° С — 20%, по массе.
На этих установках поступающую нефть подвергают подготовке
к переработке (дополнительному обезвоживанию и обессоливанию).
Нефть подогревают до 250° С в трубчатой печи и подают в испаритель
29
для отбора легких фракций, а затем перекачивают в колонну для окис­
ления.
С целью ускорения процесса окисления сырья и улучшения свойств
получаемых битумов предложено множество катализаторов, окислите­
лей и инициаторов. В качестве замены воздуха при окислении предло­
жено применять кислород, серу, хлор, бром, селен, теллур, марганцо­
вокислый калий. В качестве катализаторов окисления рекомендуют
соли соляной кислоты и металлов переменной валентности (Ре, Си,
Бп, И ).
Сера является ближайшим аналогом кислорода, поэтому действие
ее на битумное сырье подобно действию кислорода воздуха.
Нагреванием гудрона с 20—25% серы при температуре ниже тем­
пературы кипения серы до прекращения выделения газов получили
продукт, по физическим свойствам близкий к окисленным битумам,
который, однако, обладает недостаточной растяжимостью и быстро
теряет пластичность. При окислении сырья воздухом в присутствии
серы (5% по массе) длительность процесса сокращается в 6 раз.
Добавление хлорного железа до 0, 6% по массе сокращает длитель­
ность окисления в 4 раза, однако при увеличении количества катали­
затора длительность окисления уменьшается незначительно. В биту­
ме, окисленном в присутствии хлорного железа, выше содержание ма­
сел и молекулярная масса асфальтенов. При окислении сырья в при­
сутствии хлорного железа получают битум с температурой хрупкости
на 5—9° С ниже, чем при окислении сырья без катализатора.
В начальной стадии процесса основное количество железа, вводи­
мое в видеРеС13, превращается в соединения, которые не растворяют­
ся в органической массе и оседают на дно реактора, что практически
исключает его влияние на эксплуатационные свойства.
Кроме вязких нефтяных битумов используют и жидкие дорожные
битумы. Ж идкие битумы применяют в холодном или подогретом состоя­
нии при температуре от 20 до 120° С. При этих температурах они имеют
сравнительно небольшую вязкость, которая обеспечивает удобство при
производстве дорожно-строительных работ.
После объединения с минеральным материалом происходят испаре­
ние летучих компонентов, процессы окисления и полимеризации, что
приводит к загустеванию, увеличению вязкости битума, сопровождаю­
щееся возрастанием прочности дорожного покрытия.
Нефтяные жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания разделяют на три класса: медленногустеющие, среднегустеющие
и быстрогустеющие.
Медленногустеющие битумы получают после перегонки нефти из
нефтяных остаточных фракций или продуктов деструктивной перера­
ботки нефти, а также компаундированием вязких битумов с разжижителями нефтяного или каменноугольного происхождения. Жидкие би­
тумы, густеющие со средней скоростью, получают компаундированием
вязких дорожных битумов, имеющих глубину проникания 60/90 с разжижителями нефтяного или каменноугольного происхождения, имею­
щими начало кипения 160— 180° С, а конец кипения 260—300° С.
30
Быстрогустеющие жидкие битумы также получают компаундиро­
ванием вязких дорожных битумов с легкими нефтяными фракциями.
В последнее время в связи с ограничением поставок нефти, а так­
же проблемой защиты окружающей среды в ряде стран Западной Е в­
ропы и США почти прекращено производство и применение жидких
битумов, особенно быстро- и среднегустеющих. Подсчитано, что с 1 км
дорожного полотна при использовании жидких битумов этих классов
улетучивается в атмосферу, загрязняя ее, и теряется безвозвратно как
минимум 2—5 т испаряющихся компонентов.
Более перспективно применять битумные эмульсии, которые пред­
ставляют собой дисперсные системы из битума и воды. Образование и
устойчивость битумной эмульсии достигается посредством введения спе­
циальных поверхностно-активных веществ — эмульгаторов. Содержа­
ние битума в эмульсии обычно составляет 50—60% , реже приготов­
ляют высококонцентрированные эмульсии с содержанием битума
60—70%. Вязкость эмульсии от 8 до 40 с при 20° С (отверстие 3 мм).
Применение эмульсий имеет ряд преимуществ по сравнению с исполь­
зованием вязких или жидких битумов. К преимуществам применения
эмульгированных битумов относятся: значительная (до 30%) экономия
битума вследствие того, что битумная эмульсия, имея небольшую вяз­
кость, образует на поверхности частиц минеральных материалов тон­
кую пленку битума; сокращение расходов энергии на нагрев и подго­
товку вязкого битума вследствие того, что для получения эмульсии
битум в зависимости от его марки нагревают до температуры всего
90— 140° С, а расход электроэнергии на работу эмульсионной машины
невелик. Эмульсии безопасны в применении, удобны при хранении и
перекачке по трубопроводам. Применение эмульсий позволяет работать
с влажными минеральными материалами и за этот счет расширить
строительный сезон.
К недостаткам эмульсий относится невозможность их длитель­
ного хранения и применения при температурах ниже 0° С, а также
необходимость оборудования специальных диспергаторов, применения
поверхностно-активных веществ — эмульгаторов. При смешении
эмульсии 'с минеральными материалами за счет адсорбции эмульгато­
ра, испарения и поглощения воды нарушается равновесие дисперсной
системы, что ведет к распаду эмульсии. При этом происходит слияние
частиц битума, образование тонкой, прочной и водоустойчивой пленки
на’ поверхности минеральных материалов .4
[ В зависимости от вида эмульгатора, свойств обрабатываемых мине­
ральных материалов, температуры воздуха и ряда других факторов
скорость распада эмульсий различна. Эмульсии должны быть достаточ­
но устойчивы (стабильны) при хранении и транспортировании. Срок
их хранения,годнако, не превышает 1—2 мес при температуре воздуха
0
4° С.
В зависимости от типа применяемого эмульгатора получают анион­
ные или катионные эмульсии. Д л я приготовления анионных эмуль­
сий служат анионные поверхностно-активные вещества — преимущест­
венно высшие органические кислоты или их щелочные мыла. Для по­
лучения катионных эмульсий используют эмульгаторы катионного
31
типа — производные четвертичных аммониевых оснований, соли
аминов, амидо-аминные мыла.
Для ускорения или регулирования скорости распада эмульсий
применяют калиево-алюминиевые квасцы, соли хрома, магния, кальция
в количестве 0,5— 1%. Предварительная обработка минеральных ма­
териалов известью, цементом, солями двух- и трехвалентных металлов
(А1, Ре) ускоряет распад эмульсии и улучшает сцепление битума с ми­
неральным материалом.
Значительно проще (не требует специальных диспергаторов) при­
готовление битумных паст — дисперсных систем из битума, воды и
твердого эмульгатора. В качестве твердых эмульгаторов используют
известь, цемент, высокопластичную глину. Битумные пасты получили
широкое распространение в РСФСР для приготовления эмульсионно­
минеральных смесей (неудачно названных шламами), применяемых
для устройства поверхностных обработок, слоев износа, укрепления
обочин.
2.2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА БИТУМОВ
Химический состав
>•
10
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярны;
углеводородов нефтяного происхождения, а также их производных ■
содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения метал ^
лов.
Элементный состав битумов (% по массе): углерода 80—85; водо1*
рода 8— 12,5; кислорода 0,2—4; серы 0,5— 10; азота 0,2—0,4. Содер­
жание некоторых металлов в асфальтовых концентратах нефти (арла№ской) составляет (% по массе): V — 0,22; Ni — 0,115; Fe — 0,110я'
Са — 0,054 и т. д. Средняя молекулярная масса битумов не превышае"
700—800 к. е.
Часть битума, нерастворимая в низкокипящих углеводородах п£
рафинового ряда (н — пентане, н — гексане, изооктане), но раствори -8
мая в сероуглероде и четыреххлористом углероде и называемая асфалРтенами, характеризуется следующими показателями: средняя моле­
кулярная масса 900—6000; плотность 1,01— 1,24 г/см3; температу ра
разложения 175—240° С; отношение С : Н = 0,78 ч- 0,94 (атомнс':г);
растворимость в ароматических углеводородах — полная, в парафи­
новых углеводородах— очень плохая, в циклопарафиновых углеводо­
родах (нафтеновых) — частичная.
*
Асфальтены являются наиболее высокомолекулярными соедине­
ниями нефти, в которых имеются кислород, сера, азотсодержащие Со­
единения и металлические комплексы — порфирины. Элементный •Со­
став асфальтенов (% по массе): углерода 80—89; водорода 7— ;5;
серы 1—8,5; азота 1—3; кислорода 3—5. По растворимости в раз ; i>ix
растворителях асфальтены могут быть разделены на ряд фракций. ' Ас­
фальтены полидисперсны как по массе, так и по структуре и элем' (Т-
32
ному составу молекул (высокомолекулярные синтетические вещества —
полимеры полидисперсны только по массе). (
Асфальтены с относительно невысокой молекулярной массой
(900—2000) имеют компактную систему в основном из гетероцикличе­
ских гибридных колец, тогда как более высокомолекулярные (2000—
6000) содержат многокольчатые гетероциклические системы, соеди­
ненные между собой алифатическими мостиками, и имеют короткие бо­
ковые алифатические цепи. Рентгеноструктурным анализом показано,
что структура асфальтенов характеризуется хорошо организованными
нолициклическими системами — двухмерными дискообразными слоя­
ми (гроздьями), имеющими диаметр 0,0005—0,0015 мкм.
Полиядерные пластины ассоциируются в кристаллоподобные обра­
зования (пачки) толщиной 0,0012— 0,002 мкм, состоящие из пяти­
шести слоев. Расстояние между слоями 0,00035—0,00037 мкм. Расстоя­
ние между звеньями в насыщенных структурах 0,0055—0,0006 мкм.
В асфальтеновых веществах концентрируются свободные радикалы,
которые являются одним из факторов, определяющих склонность ас­
фальтенов к ассоциации. Наличие свободных радикалов обусловлено
тем, что в асфальтенах сосредоточено больше всего конденсированных
ароматических структур, которые дают явления парамагнетизма. Это
фиводит к значительному межмолекулярному взаимодействию, споэбствующему образованию надмолекулярных структур, выявляемых
ентгеноструктурным анализом.
Концентрация парамагнитных частиц в значительной степени за1сит от величины молекулярной массы асфальтенов, их степени эро­
тичности, способа выделения.
В зависимости от химической природы нефти и способа перераэтки сырья в битум структурные элементы молекул асфальтенов мо•/т несколько различаться. В частности, может варьировать количестзнное соотношение ароматических, циклопарафиновых и гетероциклигских структур в молекуле так же, как могут различаться их] размеы, а следовательно, и молекулярные массы [ 12].
**%
Асфальтены большинства битумов представляют собой при норлльной температуре твердые тела. Рентгеноструктурным анализом
:фальтенов показано, что они имеют несовершенную кристаллопо,)бную структуру. По-видимому, часть веществ, составляющих груп•' асфальтенов, является аморфными, другая часть представляет
ой кристаллоподобные вещества. Считают, что молекула асфальов имеет форму эллипсоида, большая ось которого составляет
)97—0,0106 мкм, а малая ось 0,0011—0,0018 мкм, их поверхностнатяжение 25,0—31,2 дин/см.
Ч з некоторых нефтей, содержащих значительное количество параовых и циклопарафиновых углеводородов, выделяются асфальтены
■подобной тягучей консистенции. Эти асфальтены после осаждения
'ктаном из бензольного раствора битума плохо поддаются фильтраОтмечено, что битумы, содержащие такие асфальтены, обладают
шей пластичностью.
ведение в молекулы асфальтенов алкильных радикалов (алкилиие) позволяет значительно улучшить их пластичность, следова.
1743
33
тельно, и пластичность битумов при низких температурах, их устойчи­
вость к воздействию атмосферных факторов.
В высокомолекулярную часть асфальтенов входят порфирины —
комплексные соединения металлов, состоящие из сложных внутрикомплексных циклических структур с включением атомов азота.
Наиболее изучены порфириновые комплексы ванадия и никеля. Об­
наружены также порфириновые комплексы урана и меди. Порфирино­
вые комплексы металлов играют значительную роль в структурообразовании и погодоустойчивости битумов.
Пластичность и растворимость асфальтенов являются одним из
основных свойств, непосредственно связанных с их химической струк­
турой, которые определяют в значительной мере эксплуатационные
характеристики битумов. Лучшими пластификаторами и растворите­
лями асфальтенов служат ароматические и гетероциклические соеди­
нения. Пластифицирующее действие оказывают фракции смол.
В составе битумов могут находиться вещества, не растворимые
в С3 2 и называемые карбоидами. Примерный химический состав карбоидов (% по массе): С — 74,25; Н — 5,13; 8 — 8,16; N — 1,10; О—
10,86; золы — 0,50; С : Н = 14,5; число омыления 124; кислотное
число 4.
Кроме карбоидов, в битумах могут присутствовать такж е карбены — вещества, растворимые в сероуглероде, но не растворимые в че­
тыреххлористом углероде.
Битумы могут содержать незначительные количества асфальтогеновых кислот и их ангидридов. Это вещества коричнево-серого цвета,
густой смолистой консистенции, легко растворимые в спирте или хло­
роформе и трудно в бензине. Асфальтогеновые кислоты и их ангидри­
ды, являясь наиболее полярными компонентами битума, способствуют
лучшему прилипанию его к поверхности минеральных материалов.
О присутствии этих веществ в битуме судят по кислотному числу
(0,5— 1 мг КОН) и числу омыления (10—30 мг КОН).
Мальтены представляют часть битума, растворимую в низкокипящих
предельных углеводородах. Основные свойства мальтенов: средняя
молекулярная масса 400—800 к. е .; плотность 0,9—0,98 г/см3; отно­
шение С : Н = 0,63 4- 0,74 (атомное); вязкость т]50 = 1-10* Па-с;
растворяющая способность в отношении асфальтенов: при большом со­
держании ароматических углеводородов — хорошая, при большом со­
держании парафиновых углеводородов — плохая, при большом со­
держании циклопарафиновых углеводородов (нафтеновых) — посред­
ственная. Мальтеновая часть битумов состоит из смол и масел.
Смолы битумов имеют основными структурными элементами кон­
денсированные циклические системы, в состав которых входят арома­
тические, циклопарафиновые и гетероциклические соединения. Эти.
системы соединены между собой короткими алифатическими "мостиками
и имеют несколько алифатических, реже циклических заместителей.:
Молекулярные массы смол в среднем варьируют от 500 до 2000. Обы;
но более низкие молекулярные массы (457—520) имеют бензольные смо
лы. В строении их преобладают ароматические кольца и короткие
ковые алифатические цепи. Смолы спиртобензольные отличаются б
34
лее высокими молекулярными массами (946—2000). Они содержат,
помимо конденсированных циклов, больше алифатических мостиков
и заместителей, чем бензольные смолы.
Некоторые авторы разделяют смолы на две группы по растворимо­
сти в феноле. Смолы, растворимые в феноле, отличаются меньшими мо­
лекулярными массами, более высокой плотностью и высоким содержа­
нием серы, кислорода, азота, более низким содержанием водорода
(аналогично бензольным смолам). Смолы, нерастворимые в феноле,
имеют более высокие молекулярные массы, меньшую плотность, мень­
шее содержание серы, азота, кислорода (аналогично спиртобензоль­
ным смолам), большее содержание водорода. Они обладают свойства­
ми депрессаторов, т. е. веществ, понижающих температуры затверде­
вания, что объясняется присутствием длинных боковых цепей, харак­
терных для депрессаторов.
Смолы имеют разную консистенцию — от тягучей липкой массы до
твердых аморфных хрупких тел. Имеется предположение, что смолы,
нерастворимые в феноле, являются пластификаторами асфальтенов.
Длина молекул смол составляет 0,00764—0,00831 мкм, поперечный
размер 0,00127—0,00156 мкм, а поверхностное натяжение — 25,0—31,2
дин/см. Элементный состав смол (% по массе): С — 80—85; Н — 9—
11; Б — 0,7— 1,4; N — 0,6—1,4; О — 3—4. В смолах так же, как и в
асфальтенах, содержится некоторое количество порфириновых ком­
плексов.
По элементному химическому составу и строению молекул смолы
близки к асфальтенам и отличаются от них несколько большим содер­
жанием водорода, следовательно, более низким отношением С : Н
и меньшим суммарным содержанием атомов Б, N. О и металлов. Смо­
лы — вещества, окрашенные в темный цвет (от светло- до темно-корич­
невого, почти черного), плотность их около 1 (0,99— 1,08). Они являют­
ся смесью многочисленных и разнообразных по химическому строе­
нию высокомолекулярных соединений нефтяного происхождения, ко­
торые легко изменяются под действием таких факторов, как нагрева­
ние или окисление. Под влиянием окислителей и адсорбентов смолы
уплотняются с образованием асфальтенов.
!- Существенное отличие смол от асфальтенов заключается в их
растворимости и молекулярно-массовом распределении. Смолы раст­
воримы во всех углеводородах нефти, сами являются растворителями
(пластификаторами) асфальтенов и той средой, которая обеспечивает
переход от полярной части нефти (асфальтенов) к неполярной (масла).
Смолы служат в известной степени стабилизаторами, предотвращаю­
щими флоккуляцию асфальтенов; они облегчают растворение асфаль­
тенов в углеводородных растворителях. В то ж е время смолы и асфальтены представляют непрерывный ряд разнообразных труднораздели­
мых высокомолекулярных соединений гибридного строения. Провести
четкую границу между смолами и асфальтенами весьма трудно. Смолы
так же, как и асфальтены, полидисперсны по массе, элементному
составу и структуре молекул [ 12].
Асфальтены и смолы являются основными структурообразующими
компонентами битумов как наиболее полярные соединения, содержащие
2*
35
в молекулах гетероатомы — такие, как кислород, азот, серу, а также
внутрикомплексные соединения металлов в виде порфиринов и им по­
добных веществ.
Кислородсодержащие соединения асфальтенов и смол включают
в основном четыре основные функциональные группы -— гидроксиль­
ные, карбонильные, карбоксильные и сложноэфирные. В окисленных
битумах преобладают сложноэфирные группы, а в неокисленныхостаточных или природных битумах большая часть кислорода содер­
жится в виде гидроксильных и карбонильных групп.
Азотсодержащие вещества в основном представлены производными
соединениями типа пиридина, хинолина, карбазола, пирола, индола,
относящихся к гетероциклическим структурам.
В серосодержащих составляющих битумов, как предполагают,
сера может присутствовать в виде сульфидных мостиков, сульфоксидных групп и в циклических структурах.
Химический состав и строение компонентов битума определяют его
структурные характеристики, а следовательно, и эксплуатационное
поведение.
Масла представляют собой углеводородную фракцию битумов и
содержат сложную смесь углеводородов различных классов со средней
молекулярной массой 400—600 и средней плотностью 0,911—0,923 г/см3.
Это жидкость высокой вязкости, содержащая углеводороды, оказываю­
щие растворяющее действие в отношении асфальтенов (циклические —
в основном ароматические и в меньшей степени циклопарафины), и
углеводороды,не являющиеся растворителями и даже осадителями ас­
фальтенов (в основном парафинового, циклопарафинового и гибрид­
ного строения с преобладанием боковых алкильных цепей). Масла так
же, как асфальтены и смолы, полидисперсны, но в значительно мень­
шей степени. В составе масел могут присутствовать углеводороды, ко­
торые при понижении температуры иногда выделяются в виде кристал­
лов. В маслах может также присутствовать весьма незначительное ко­
личество гетероциклических соединений. Элементный состав масел:
75—85% С; 15% Н; отношение С : Н == 0,63 -г 0,72.
В маслах содержатся углеводороды парафинового ряда с 20—70 ато­
мами углерода в молекуле и молекулярными массами 300—600, цик­
лопарафины с 20—35 атомами углерода с боковыми заместителями и
молекулярными массами 450—650, вещества ароматического ряда с бо­
ковыми парафиновыми (алифатическими) или циклопарафиновыми за­
местителями и молекулярными массами 450—620 [6]. Масла оказывают
значительное влияние на растворимость асфальтенов и реологические
свойства битумов.
Парафиновые углеводороды являются неактивными растворите­
лями, иногда даже осадителями или флоккулирующими веществами,
практически неполярны, изменяются под действием тепла, кислорода
воздуха и ультрафиолетовых лучей. Увеличение содержания парафи­
новых углеводородов в мальтеновой части битумов ухудшает раствори­
мость и набухание асфальтенов, что ведет к нарушению однородно­
сти битума. Наиболее высокомолекулярные парафиновые углеводороды
имеют тенденцию при понижении температуры выкристаллизовываться
36
на поверхности пленки битума и понижать прилипаемость последней
к поверхности каменных материалов. С другой стороны, асфальтены
битумов могут играть роль центров кристаллизации парафиновых угле
водородов; последние образуют частицы, препятствующие ассоциации
(сближению) макромолекул. Этим можно объяснить неоднородность
битумов, содержащих зиачптельпые количества парафиновых углево­
дородов. Опыты показали, что если нанести богатый парафинистыми со­
ставляющими битум на поверхность каменного материала или поло­
жить на поверхность такого битума пористую (фильтровальную) бу­
магу, то через определенный промежуток времени пористый материал
или бумага впитывают в себя некоторые составляющие битума. Эти
составляющие являются углеводородами парафинового ряда. Такие
опыты показывают, что парафиновые углеводороды легче всего отделя­
ются от составляющих битума.
Ароматические углеводороды являются весьма активными раство­
рителями для макромолекул асфальтенов, обладают определенной
полярностью и большой устойчивостью под воздействием тепла, кисло­
рода и ультрафиолетовых лучей. Увеличение содержания ароматиче­
ских углеводородов в битумах обусловливает лучшее прилипание биту­
мов к поверхности каменных материалов, большую стабильность биту­
ма при нагревании и воздействии атмосферных факторов [14].
Нафтеновые углеводороды по свойствам близки к парафиновым уг­
леводородам, однако шестичленные нафтеновые углеводороды легко
могут превращаться в ароматические, теряя шесть атомов водорода.
Нафтеновые углеводороды при окислении образуют смолы.
Гетероциклические и гибридного старения углеводороды по свой­
ствам приближаются к ароматическим, и увеличение содержания их
в составе битумов желательно. Гетероциклические углеводороды (осо­
бенно содержащие в молекуле атомы серы и азота) значительно более
полярны, чем ароматические, но менее стабильны при нагревании, окис­
лении и других воздействиях.
Как видно из вышеизложенного, битумы полидисперсны, они со­
стоят из сложной смеси множества индивидуальных соединений (ве­
ществ). Д ля таких материалов или отдельных их фракций определяют
средние значения молекулярных масс. Обычно находят средние число­
вые и средние массовые значения молекулярных масс. Средняя чис­
ловая величина молекулярной массы
где «г — число молекул, имеющих молекулярную массу М {.
Средняя величина молекулярной массы
7М1
М'Х' ~
пгЩ
_ 2л гМ; ’
где И7г — масса фракций с молекулярной массой
Д ля монодисперсного материала М п —
При полидисперсно­
сти М п < М \у , поскольку /VI^ растет с увеличением полидисперс37
1,0
0,8
13! 00 11\00
гооо
0.0
ч ло х
'ш А .
/ "'11000
5300
-3500
к
1
ности. Чем сильнее различаются
молекулярные массы отдельных мо­
лекул, тем больше будет отношем к/
ние -гт1
м п- ,• которое называют пока­
0,4
/
зателем, пли коэффициентом по^15к0 750
и ООО
Ь500
лидисперсности. Данные исследо­
о,г
Е50
вания распределения молекуляр­
о —^
ных масс асфальтенов и мальтенов,
500 ТН
300
т
выделенных из дорожных битумов
Объем, мл
с глубиной проникания 90 при
Рис. 2.2. Распределение молекуляр­
25° С, полученные с применением
ных масс асфальтенов дорожных би­
хроматографии на геле полистиро­
тумов:
ла,
приведены на рис. 2.2 и 2.3.
1 — при содержании асфальтенов в биту­
ме 11,6%: 2 — при содержании асф альте­
Определяли средние массовые, сред­
нов в битуме 26,8%. Цифры на кривых
ние числовые значения молекуляр­
обозначают молекулярные массы асф аль­
тенов
ных масс отдельных фракций биту­
мов и коэффициент их полидисперс­
ности. Эти данные получены также
для битума, подвергавшегося на­
греванию при 160° С в течение 5 ч
в тонкой пленке для оценки ста­
бильности при тепловом старении.
Результаты испытаний приведены
в табл. 2.7.
При подготовке битумов к сме­
шению с минеральными материа­
лами при производстве дорожных
смесей, затем при смешении, уклад­
ке и уплотнении битумы подверга­
600
300
400
500
Объем, мл
ются воздействию температур от
90 до 160° С. Продолжительность
Рис. 2.3. Распределение молекуляр­
этого
воздействия при подготовке
ных масс мальтенов тех ж е битумов
битума может достигать нескольких
часов, если значительные запасы
битума хранят на строительстве и нет регулярной подачи битума не­
посредственно с битумной установки. Процесс дозировки и смешения
продолжается всего несколько минут, затем массу транспортируют на
г \)
— 1550
Изменение молекулярных масс и
П оказатели
н асы щ енны х у гл ево д о р о д о в
Продолжительность нагревания, ч
Средняя числовая молекулярная
масса
Средняя
весовая
молекулярная
масса
Коэффициент полидисперсности
38
а р ом ати чески х
0
1
48
0
601,2
591 ,4
558,0
564,3
744
1,23
750
1,27
694
1 ,27
914
1,62
место производства работ (иногда на расстояние более 30 км), что за­
нимает 0,5 —1 ч; укладка и уплотнение также длятся в течение 0,5—
1 ч. В это время происходят необратимые изменения битума (старение),
сопровождающиеся изменением химического состава, структуры и
физико-механических свойств. В битумах увеличивается содержание
асфальтенов, но несколько снижается количество смол и масляных ком­
понентов. При перегреве битума образуются карбены и карбоиды. К а­
чество битума ухудшается, температуры размягчения и хрупкости по­
вышаются, увеличивается вязкость, он становится менее пластичным.
Это первый этап, во время которого старение обусловлено нагревом
и взаимодействием с частицами минерального материала. В процессе
эксплуатации происходит второй этап старения, обусловленный воз­
действием атмосферных (перепадтемператур, солнечная радиация, кис­
лород воздуха, вода и др.) и эксплуатационных (усталость от ди­
намических нагрузок) факторов.
При исследовании окисляемости отдельных компонентов битумов
под действием кислорода при атмосферном давлении и температуре
204° С установлено, что асфальтены в большей степени подвержены
окислению, а масла достаточно устойчивы при данной температуре.
После окисления асфальтенов в течение 3 ч они содержат большое ко­
личество (до 96%) карбоидов. Если окислению подвергать не отдель­
ные компоненты битума, а сам битум, то не происходит образование
значительного количества карбоидов. Это показывает, что асфальтены
легко окисляются, когда они не защищены мальтенами. Температура
значительно повышает склонность к окислению. Продолжительность
окисления оказывает влияние на состав продуктов реакции. При про­
должительном окислении проходят вторичные реакции, усложняющие
процесс окисления.
После воздействия света на тонкие пленки битума он становится
нерастворимым в бензоле и хлороформе. При испытаниях на старение
в естественных и искусственных условиях был сделан вывод, что в
этих условиях все битумы ведут себя примерно одинаково и что в
том и в другом случае образуется некоторое количество водораствори­
мых продуктов — кислот и кетонов. Свет и тепло без доступа кис­
лорода или тепло и кислород без доступа света не вызывают образова­
ния водорастворимых веществ, т. е. отсюда можно сделать вывод, что
водорастворимые вещества образуются при фотохимическом окисле­
нии некоторых компонентов битумов. Исследования воздействия исТ а блица
2.7
коэффициента полидисперсности
у глеводородов
асфальтенов
смол
I
48
0
1
48
5 9 5 ,4
5 4 7 ,4
7 0 9 ,4
7 7 1 ,8
7 7 7 ,7
950
1 ,6 0
950
1 ,6 0
1496
2 ,1 1
1976
2 ,5 6
2208
2 ,8 4
1
48
1 6 3 5 ,5
1 8 6 8 ,5
2 6 9 5 ,2
5989
3 ,4 8
9204
4 ,9 3
40050
1 4 ,8 6
0
39
кусственного солнечного света на дорожные битумы проводилось на
образцах-пленках толщиной 10— 15 мкм (на стеклянных пластинках)
без доступа воздуха при температуре в среднем 82° С. Вязкость биту­
мов определялась до и после 24-часовой экспозиции. Отношение вяз­
кости битумов, подвергавшихся экспозиции, к вязкости исходных би­
тумов, измеренной при скорости сдвига 5-10—
2 с-1 , изменялось от 1,5
до 8,3, причем 7 из 11 битумов имели это отношение от 2 до 3. Скорость
окисления битума выше в присутствии света, чем без него, и реакции,
проходящие при этом, различны. Окисление на свету вызывается
главным образом ультрафиолетовой радиацией, и этот эффект распро­
страняется на глубину около 4 мкм, а твердение в темноте — на глу­
бину до 3 мм. Интенсивность изменения свойств битумов под действием
ультрафиолетовых лучей зависит от природы битума и от условий об­
лучения (количество энергии, температура). При воздействии ультра­
фиолетовых лучей увеличивается содержание в битуме водораство­
римых веществ. Физико-химические свойства битумов при периодиче­
ском увлажнении изменяются несколько больше, чем без увлажнения.
Считают, что короткие видимые волны могут действовать в большей
степени разрушающе на битум, чем ультрафиолетовые. Отраженный
солнечный свет (поляризованный), даже такой, как лунный, ускоря­
ет разрушение органических веществ, в том числе и битумов. Добав­
ка 5% высокомолекулярных кислот (олеиновой, монтановой, лауриновой, стеариновой) или соответствующих спиртов может предотвра­
тить изменение свойств битума под действием солнечного света.
Исследования показали, что ванадиевые комплексы являются ка­
тализаторами фотоокислительных процессов. Содержание ванадия в
битуме может характеризовать его погодоустойчивость.
На рис. 2.4 показано изменение вязкости битума после нагревания
в тонкой пленке при 163° С в течение 75 мин и после старения в есте­
ственных условиях в течение 3 лет (коэффициент корреляции 0,84).
Д ля сравнения дано изменение вязкости после 100 ч испытания в ап­
парате искусственной погоды и после 3 лет в естественных условиях,
а такж е изменение вязкости после 3 лет в естественных условиях и со­
держания ванадия в битуме (коэффициент корреляции 0,75). Коэф­
фициент корреляции при определении изменения вязкости нагревом в
тонкой пленке и содержанием ванадия составляет 0,81. Как видно из
рис. 2.4, хорошую характеристику старения битумов получают при
испытаниях в аппарате искусственной погоды (длительность испытания
не менее 100 ч), однако по содержанию ванадия в битуме можно очень
быстро определить его склонность к старению методом атомно-аб­
сорбционной спектрофотометрии.
Как показали исследования, основным фактором, определяющим
интенсивность старения битума в покрытии в процессе эксплуатации,
является пористость дорожного покрытия. При пористости асфальто­
бетона менее 2% старение битума в дорожном покрытии можно не учи­
тывать, так как изменение свойств в этом случае незначительно по
сравнению с изменениями, происходящими на этапе приготовления до­
рожной смеси и ее укладки. Наименьшие изменения в химическом со­
ставе битума происходят при пористости смеси 1,0— 1,4%.
40
Разрушение битумных материа­
лов происходит под действием мик­ Чнск/Чо'о
роорганизмов вследствие того, что
>
7
последние, выделяя ферменты, пре­
0 />
вращают компоненты битума в лег­ 100
•
корастворимые в воде вещества,
которые служат хорошей средой
/
•
/ /•
для дальнейшего развития микроор­
®У"
10
ганизмов. Наиболее легко развива­
ются микроорганизмы в условиях
переменной влажности. Сухой мате­
риал, даже зараженный микроор­
ганизмами, не разрушается. В воде
О
10
материал также может сохранять­
ЮО Цнлт/^о
ся достаточно долго, так как разви­
тию микроорганизмов препятствует
отсутствие достаточного количества V, %
3
/
воздуха. Разные бактерии и пле­
9
сени в разной степени разрушают
/ ___________
160
в/
битум.
« ©
Так, например, бактерии Pseudomonas 1-5 A-С оказывают малое
•Я*
80
®/
разрушение (3%) при инкубации
7 в
в течение одной недели при 30° С,
но сильно разрушают битум (90%)
/ в
О
в течение 1 мес при 30° С. Другой
10
100
ЧНАТ/г/ а
вид бактерий Pseudomonas aerugi­
nosa через неделю вызывает разру­ Ри'с. 2.4. Изменение вязкости битума
шение на 20%, а через 1 мес на при старении
(скорость
сдвига
0,05 с -п.
49,5% . Степень разрушения зави­
/ — после выдерживания 100 ч в аппарате
сит от условий среды (температуры, искусственной
погоды; 2 — после нагре­
щелочности, влажности, доступа вания в тонкой пленке 75 мин; 3 — в зав и ­
симости от содержания ванадия; Т)0 — н а­
воздуха) и от химического состава чальн ая вязкость; Т)иск — вязкость при ис­
старении; Г|нат — вязкость при
битумов. Разные микроорганизмы кусственном
старении на натурной станции
разрушают разные соединения, вхо­
дящие в состав битумов.
Большее поражение происходит в теплом влажном климате, но
имеются случаи разрушения в умеренном и даже холодном климате.
Проводятся большие работы по выяснению групп углеводородов, наи­
более подвергающихся атаке тех или иных видов микроорганизмов.
Воздействие микроорганизмов сильно влияет на физико-механиче­
ские свойства битумов [3].
В последние годы появились работы по исследованию действия на
битумы ионизирующей радиации. При этом образуются газообразные
продукты, увеличивается средняя молекулярная масса углеводород­
ной смеси и вместе с тем растет вязкость. Такой процесс зависит от
состава битумов. Он несколько ускоряется при содержании в битумах
ненасыщенных олефинов и замедляется при высоком содержании аро­
матических компонентов.
9
9
•
•
®
©
в
©
•
•
41
Основной продукт, образующийся при радиационном облучении
насыщенных углеводородов — водород. Количество образующегося
водорода зависит от условий и составляет для углеводородов парафи­
нового ряда (н-гексана, гептана, октана) около пяти молекул на каж­
дые 100 эВ.
Ароматические углеводороды отличаются устойчивостью к радиа­
ции. Бензол при облучении выделяет только 0,04 молекулы водорода
на 100 эВ. Важным свойством ароматических углеводородов является
то, что они обладают защитным действием, значительно уменьшая
влияние радиации на присутствующие насыщенные углеводороды. Это
свойство имеет большое техническое значение. Минеральные наполни­
тели уменьшают воздействие радиации на органические материалы.
Кислород охотно реагирует с реакционно-способными частями моле­
кул, образующихся при облучении органических материалов. Исследо­
вание влияния облучения битума кобальтом-60 с уровнем радиации до
1010 Р в атмосфере азота показало, что при таком воздействии битум
твердеет и повышается его температура размягчения, происходит не­
большое уменьшение растяжимости, уменьшение содержания масля­
ных компонентов, увеличивается содержание твердых смол и веществ,
нерастворимых в гексане (асфальтенов), снижается температура
вспышки, выделяются газы, наблюдается увеличение объема и потеря
в массе.
Уменьшение влияния радиационного излучения на битумы может
быть достигнуто введением антиокислителей или веществ, связываю­
щих свободные радикалы (ароматических аминов, сложных фенолов
или серосодержащих соединений) [3].
Структура битумов
В зависимости от химического состава битумов, свойств и строения
молекул их компонентов в битумах образуются определенные струк­
туры, которые могут изменяться под воздействием различных факторов
и оказывать значительное влияние на свойства материала.
На начальном этапе исследования битумов привели к созданию
теории коллоидной структуры и предположению существования в би­
туме трех компонентов — лиофобной части (асфальтены), окруженной
лиофильными защитными телами (смолы), которые вместе образуют
мицеллы, суспендированные в масляной среде. Согласно этой теории
стабильность системы зависит от поверхностного взаимодействия меж­
ду мицеллами и масляной средой. Эта теория была основана на том
факте, что растворы битумов в бензоле дают эффект Тиндаля (светорас­
сеяния), а суспендированные частицы показывают заметное броунов­
ское движение. Согласно мицеллярной теории при растворении вещест­
ва растворитель сначала проникает между мицеллами, что приводит
к межмицеллярному набуханию. Затем растворитель может проникнуть
внутрь мицеллы и раздвинуть ее. Набухание и потерявшие между со­
бой связь мицеллы в результате теплового движения отрываются
друг от друга и переходят в раствор. М ицеллярная теория предпола42
гала, таким образом, гетерогенность и неустойчивость системы. Пред­
ставления, положенные в основу мицеллярной теории, по существу
сводились к представлениям о природе битумов как типичных коллоид­
ных систем-лпозолей. В настоящее время мицеллярная теория поте­
ряла свое значение и сами авторы от нее отказались. Однако отго­
лоски этой теории еще встречаются до сих пор как в научной, так и в
учебной литературе. Ряд авторов до настоящего времени описывает би­
тумы как мицеллярную систему из асфальтенов, окруженных смолами
в масляной среде. Позднее различием в коллоидной структуре объяс­
няли разницу в характере течения битумов. Они были разделены на
три типа по температурной чувствительности консистенции, и была
предложена характеристика по индексу пенетрации (см. стр. 129).
Битумы с индексом пенетрации менее —2 отнесены к типу золь, от
—2 до +2 к промежуточному типу золь—гель, более +2 к типу
гель. Таким образом, считалось, что структура каждого конкретного
битума неизменна.
Вопрос о структуре битумов был рассмотрен и с другой точки зре­
ния. Если считать, что битумы представляют собой растворы асфаль­
тенов в мальтенах, исследование вязкости их как функции концентра­
ции асфальтенов и температуры показывают, что при температурах
выше 120° С асфальтены молекулярно диспергированы, а при пониже­
нии температуры образуют ассоциированные комплексы. При низких
температурах битумы переходят в метастабильное состояние. В зави­
симости от концентрации асфальтенов и состава мальтенов текучесть
битумов изменяется от ньютоновского типа до неньютоновского. Вы­
сказано заключение, что размеры асфальтеновых комплексов не при­
ближаются к размерам коллоидных частиц. С уменьшением ароматич­
ности масляных компонентов увеличивается отклонение от ньютонов­
ского типа течения [3].
Результаты измерений средних относительных масс частиц битума
в бензольных растворах методом ультрафильтрации при температурах
от 37 до 60° С показали, что в пределах указанных температур биту­
мы содержат два вида коллоидно-диспергированных частиц, а имен­
но асфальтены и нефтяные смолы, причем оба вида представляют
собой лиофильные ассоциаты.
По современным представлениям все дорожные и строительные
битумы следует рассматривать как растворы высокомолекулярных
соединений нефтяного происхождения —асфальтенов и близких к ним
по структуре и свойствам смол (твердых смол) в среде из нефтяных
масел и близких к ним по структуре смол (плавких смол).
В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соеди­
нений (ВМС) в зависимости от внешних условий (температуры, давле­
ния) битумы могут находиться в различных термодинамических со­
стояниях, проходя последовательно все стадии от истинных растворов
(при высоких технологических температурах) к коллоидным раство­
рам надмолекулярных структур (ассоциатов) асфальтенов и смол до
пластичных, а затем твердых тел. При температуре ниже температуры
размягчения происходит развитие процессов ассоциации структурных
43
единиц, образование структур переходного типа, возникновение струк­
тур с высокой степенью надмолекулярных образований (ассоциатов).
При этом формируется структура пластичного аморфного тела. При
температуре ниже температуры хрупкости битумы представляют собой
твердое тело, где наряду с аморфными веществами в стеклообразной
метастабильной форме могут присутствовать кристаллические веще­
ства, а также некоторое количество веществ (масел и низкоплавких
смол), еще не потерявших пластичность. Указанные процессы изме­
нения структурных состояний битумов термодинамически обратимы
и для каждого битума происходят в определенных температурных
пределах (связанных с интервалом пластичности материала).
При переходе из жидкого (вязкого) состояния в пластичное и далее
в твердое вследствие развития процессов структурообразования, ро­
ста надмолекулярных структур (ассоциатов) наблюдается увеличение
степени отклонения от ньютоновского типа течения, характеризуемо­
го индексом течения, при этом растет доля упругих деформаций.
Таким образом, тип структуры зависит от термодинамического со­
стояния битума, изменяется при изменении внешних условий, опре­
деляет особенности реологического поведения материала и границы
перехода от жидкого состояния в пластичное и затем в твердое.
Состояние и свойства битумов определяются не только формой и
размерами молекул компонентов и надмолекулярных структур, но и
всем комплексом сложных явлений структурообразования, начиная с
укладки отдельных цепей молекул и кончая формированием крупной
надмолекулярной структуры с различными типами связей (водород­
ных, диполь—диполь и т. п.).
При высоких температурах на первый план выступает влияние
химического строения компонентов, обусловливающего степень гиб­
кости или жесткости молекул, а силы межмолекулярного и межструктурного взаимодействия играют меньшую роль. При понижении тем­
пературы характер межмолекулярных и межструктурных связей на­
чинает играть все большую роль.
Разветвления в молекулах сильно влияют на их гибкость. Корот­
кие и частые боковые цепи (привески) увеличивают жесткость мак­
ромолекул вследствие увеличения энергетического барьера вращения
отдельных звеньев. Редкие, но длинные разветвления способствуют
уменьшению межмолекулярных взаимодействий, обусловливают раз­
рыхление молекул высокомолекулярного вещества, в результате чего
снижается температура, при которой оно становится хрупким.
На взаимодействие молекул в растворах высокомолекулярных ве­
ществ сильное влияние оказывает температура. С повышением ее воз­
растает тепловое движение, что ведет к разрушению ассоциатов, по­
нижение температуры увеличивает ассоциацию. С увеличением кон­
центрации раствора и понижением температуры величина и длитель­
ность существования ассоциатов возрастает. В определенных условиях
ассоциаты станут настолько большими и прочными, что их можно рас­
сматривать как новую фазу. Ассоциация молекул в растворах может
привести к образованию в системе пространственной сетки — геля.
Ввиду чрезвычайно большого числа индивидуальных, разнообраз­
44
ных по характеру веществ, входящих в состав битумов, мала вероят­
ность взаимодействия одинаковых полярных молекул. Молекула асфальтенов будет притягивать соседнюю молекулу, с которой может
образовать сильную ассоциированную связь. Эти две разные молеку­
лы могут притягивать третью, которая способна хорошо разместиться
между ними, если ее форма или ее часть подходят к комплексу молекул.
Молекулы, которые могут создавать структурную сетку, содержат
ароматические или гетероциклические кольца, присутствие которых
может создать полости, куда разместятся промежуточные (соединяю­
щие) молекулы. Молекулы, не имеющие подходящей формы, не могут
войти в такую структуру. Тип образующихся структур зависит в основ­
ном от количества и качества асфальтенов и смол и растворяющей спо­
собности растворителя.
Битумы, содержащие небольшое количество асфальтенов с отно­
сительно низкой молекулярной массой, имеют неупорядоченную
структуру, характерную для ньютоновской жидкости.
Ассоциированные комплексы асфальтенов не являются кристалли­
тами. При образовании таких комплексов сегмент одной молекулы ас­
фальтенов объединяется с сегментами других молекул асфальтенов,
смол или высокоароматизированных компонентов, образуя сетку, тогда
как другие сегменты могут быть разделены растворяющей средой и не
вступают в контакт. Сцепление сегментов иногда происходит так, что
образуется структура в определенной степени упорядоченная — струк­
тура упругого геля. Такая система более стойка во времени и более
прочна к механическим воздействиям. Д л я такой структуры в неко­
торых случаях возможно присутствие двух фаз. Одна из фаз — сетка
из высокомолекулярных веществ и вторая — масла, причем масляная
среда в случае плохой связи с молекулами сетки (если в среде присутс­
твуют нерастворяющие вещества — парафино-нафтеновые) может отде­
литься под действием механических сил, под влиянием диффузии в ад­
сорбент, тепла и света (синерезис), а также при сжатии структурной
сетки геля (контракции).
Между двумя описанными структурами (неупорядоченной и упо­
рядоченной) имеется бесконечное множество промежуточных струк­
тур, характер которых изменяется с концентрацией и качеством от­
дельных компонентов битума, а такж е температурой.
В вязких битумах концентрация растворенных твердых веществ до­
вольно высока (в среднем 15—40%). При охлаждении до низких темпе­
ратур (при отсутствии парафина) битум постепенно переходит из вяз­
коупругого в стеклообразное состояние, при котором энергия тепло­
вого движения значительно ниже энергии взаимодействия молекул друг
с другом, скорость перегруппировок соседних молекул или их участ­
ков становится ничтожной и молекулы не могут менять ни своей кон­
фигурации, ни взаимного расположения. Межмолекулярные силы,
действующие между отдельными атомами и их группами, препятст­
вуют изменению формы молекул высокомолекулярных соединений.
Процессы восстановления равновесия в системе, выведенной из со­
стояния равновесия внешними силами, будут идти очень медленно.
45
В этих условиях деформация высокомолекулярных соединений под
влиянием внешних сил очень небольшая и той же природы, что и де­
формация обычных упругих низкомолекулярных материалов. Темпе­
ратура стеклования высокомолекулярных соединений зависит от ве­
личины их молекулярной массы только в области малых ее значений.
Д ля всех битумов температура перехода в стеклообразное состояние —
температура стеклования лежит ниже температуры хрупкости.
Учитывая все эти факторы, следует рассматривать битумы при низ­
ких температурах как вполне стабильные тела, а не как переохлаж­
денные жидкости — метастабильные неравновесные системы. При тем­
пературах выше температуры размягчения все вязкие битумы могут
быть рассмотрены как жидкости, поведение которых приближается к
ньютоновскому по мере повышения температуры.
В битумах, содержащих некоторое количество твердых парафинов,
при охлаждении происходит кристаллизация последних, битум теряет
блеск, становится матовым. Кристаллы парафина служат центрами
ассоциации асфальтенов, которые образуют большие агрегаты, затем
выпадают в осадок.
Из-за асимметричной формы молекулы высокомолекулярных со­
единений в различных участках покрыты сольватными прослойками
неодинаковой толщины: отдельные их участки, особенно на концах
и в местах перегибов, могут быть лишены сольватной оболочки и слу­
жить центрами неэкранированных молекулярно-силовых полей.
Поведение таких сложных систем, как битум, зависит от многих
факторов, важнейшими из которых являются концентрация асфаль­
тенов, количественное соотношение смол и различных групп углеводо­
родов в системе, химическая природа их, а также химическая природа
самих асфальтенов, размеры их молекул как по длине, так и в попереч­
нике, формы молекул. Огромные размеры макромолекул асфальтенов,
в сотни раз превосходящие размеры обычных молекул, накладывают
особый отпечаток на поведение их растворов. Не меньшее влияние
оказывают форма и детали строения макромолекул асфальтенов, а
также растворяющее действие углеводородной среды и пластифицирую­
щее действие смол. Эти обстоятельства обусловливают особенности
структуры битумов и их реологических свойств.
Структурообразование является одним из основных факторов,
влияющих на реологические характеристики битумов, поэтому изуче­
ние структуры очень важно для оценки их эксплуатационного поведе­
ния.
Структурную характеристику битумов в ряде работ выражают по­
казателем дисперсности, представляющим отношение массового про­
центного содержания составляющих:
где С — смолы;
Ц — циклические углеводороды;
А — асфальтены;
Я — насыщенные углеводороды.
46
Таблица
2.8
Содержание, % по массе
Номер
образца
битума
асфальтенов
А
смол
С
углеводоро­
дов насы ­
щенных Н
углеводоро­
дов цикли­
ческих Ц
1
2
3
4
5
17,8
19,0
2 4,6
9 ,3
8,1
17,2
13,0
20,4
4 1 ,7
33,9
4 9 ,0
4 8 ,0
4 0 ,0
4 0 ,0
4 3 ,0
16,0
2 0 ,0
15,0
9,0
15,0
П оказатель
дисперсности
Д
0,50
0,49
0,55
1,08
0,96
Если количество асфальтенов и насыщенных соединений избыточ­
но, то показатель дисперсности низкий (0,49—0,55), битум плохо дис­
пергирован. Если смолы и циклические соединения преобладают, зна­
чение показателя дисперсности высокие, битум обладает малой внут­
ренней структурой. В табл. 2.8 приведены показатели дисперсности
вязких битумов.
Характеристику Д определяют только количественные значения со­
ставляющих. Более близкое решение задачи выражения связи структу­
ры с составом битумов дается в формуле, где структурная характери­
стика битума определяется отношением
Содержание асфальтенов (% по массе)
(С : Н) асфальтенов X (С : Н) мальтенов
р _ --------------------------------------------------------------------------------------------------- в
Указанные зависимости не могут в полной мере установить связь
химического состава и структуры битумов. Материал этот, известный
еще за 5000 лет до н. э., вследствие сложности состава и структуры
только в настоящее время с развитием тончайших методов физического
и химического анализов поддается более глубокому изучению.
В настоящее время для исследования битумов большинство авторов
применяют методы, дающие непосредственные представления о струк­
туре компонентов. Некоторые авторы структуру битумов изучали
косвенными методами по условным реологическим характеристикам.
10
— 26
— 30
— 10
60
90
95
59
—
—
1,0
+ 2 ,5
+ 1,7
- 0 ,4
83
64
70
72
2 ,5
8 ,0
9 ,0
1 .5
К рО Ш К'
к
А)
25 *С 0 °С
(метод
о
аи
<
к
к
Сцепление с к
с
МОрНОЙ
а*
<0
Я
Ч)
2 8 ,2
3 1 ,1
3 4 ,5
3 2 ,2
2 0 ,6
1 8 ,2
3 5 ,2
2 1 ,4
1 5 ,3
2 9 ,5
2 9 ,8
2 8 ,8
»
0 ,5
а
<и
Неуд. 3 5 ,9
Хор. 2 1 .2
Неуд. 1 7 ,6
2.9
Молекулярная
масса асф аль1:
Еч
в мальтенах
асфальтенов
12
при
смол
—
47
59
65
49
Л
цикличе­
ских угле­
водородов
5
13
о
и
Содержание, % по массе
насыщен­
ных угле­
водородов
72
88
60
74
£
Р астяж и -
Интервал
пластичности,
]
25 °С 0 °с
Температура
чения, °С
Номер образцг
битума
1
2
3
4
(->
К
сСоО
Температура
хрупкости, °С
Т абли ца
Глубина
проникания
иглы при
1863
3679
4150
2300
47
Т а б л и ц а
Номер
Межмолекулярные
Н-связи
Внутримолекулярные
Н-связи
Ароматика
2.10
Соотношение
связей
образца
битума
1
2
3
4
3510 см 1 3610 см 1 3460 см 1 2700 см 1 3100 см-1
10
27
52
54
0
44
44
62
18
53
58
54
43
58
87
37
25
76
80
60
2700
2700
3510
3610
4 ,3
2,1
1 ,8
0,7
7,2
1,3
2,0
0 ,6
Исследования структуры битумов с применением ИК-спектрометрии и электронной микроскопии, проведенные для четырех разных би­
тумов как по происхождению, так и по реологическим характеристи­
кам, показали, что эти методы позволяют установить четкие прямые
характеристики структуры, не прибегая к косвенным методам.
Исследования битумов с характеристиками, приведенными в табл.
2.9 и 2.10, показали следующие результаты. В образце 1, представ­
ляющем битум Б Н 60/90, полученный из смеси тяжелых остатков (гудронов и битумов деасфальтизации) малосмолистых нефтей при незначи­
тельном их окислении, по данным ИК-спектрометрии преобладают
внутримолекулярные связи. Асфальтены этого битума не склонны к
образованию значительного количества межмолекулярных связей.
В электронном микроскопе наблюдается четко выраженная цепочечная
(ленточная) структура. Ленты образуют сетку на отдельных участках,
Чем дальше от центра структурообразования, тем короче цепочки (лен­
ты) и больше расстояние между ними. Надмолекулярные ленточные
образования имеют ширину до 0,05 мкм и состоят из отдельных темных
частиц с наименьшими наблюдаемыми размерами 0,002— 0,01 мкм.
Длина лент достигает 1,5 мкм.
Этот битум мало теплоустойчив, плохо прилипает к минеральным
материалам, имеет крутую вязкостно-температурную кривую, модуль
упругости его резко меняется с изменением температуры. Такой битум
не следует применять для устройства покрытий, его можно использо­
вать для устройства оснований, приготовления разжиженных битумов.
Образец 2 представляет битум Б Н Д 60/90, полученный окислением до
температуры размягчения 80° С смеси тяжелых остатков малосернис­
тых нефтей с последующим разбавлением экстрактом селективной очи­
стки. В этом битуме количество внутри- и межмолекулярных связей
значительно больше, чем у битума 1. Соотношение между ними значи­
тельно меньше.
По данным электронной микроскопии, в этом битуме преобладают
объемные, преимущественно вытянутые в одном направлении глобу­
лярные надмолекулярные образования размером 0,03—0,6 мкм и среди
них отдельные участки ленточных структур не длиннее 1 мкм. Битум
отличается хорошей устойчивостью к механическим воздействиям. Он
48
имеет относительно пологую вязкостно-температурную к р и в у ю , е г о
модуль упругости плавно меняется с температурой. Такой тип битумов
пригоден для устройства верхних слоев дорожных покрытий во всех
климатических зонах.
Образец 3 представляет собой природный битум. В нем значитель­
но больше внутри- и межмолекулярных связей, чем в битуме 2,
хотя соотношение между ними почти такое же, как в битуме 2. Элек­
тронный микроскоп показал присутствие глобул как округлой, так и
вытянутой формы разных размеров до 0,05 мкм. Структура битума
очень однородна, длинных ленточных и коротких фибриллярных
структур, а также центров структурообразования нет.
Битум имеет широкий интервал пластичности, устойчив к темпера­
турным и механическим воздействиям и может быть применен для уст­
ройства всех слоев дорожной одежды во всех зонах.
Битум 4 получен окислением крекинг-остатка смеси сернистых смо­
листых связей. В нем значительное количество внутри- и межмолеку­
лярных связей, соотношение между ними мало. По данным электрон­
ной микроскопии, в битуме присутствуют очень крупные агрегирован­
ные частицы, структура крайне неоднородна. Битум такого типа не
может быть рекомендован для строительства дорог.
Исследованиями показано, что структура битумов в большой сте­
пени зависит от их химического состава и в значительной мере влияет
на механические свойства битумов, стабильность, погодоустойчи­
вость и надежность.
Физические свойства битумов
Физические свойства характеризуют состояние материалов, опре­
деляют его отношение к физическим воздействиям окружающей среды.
К физическим свойствам относятся плотность, объемная масса, водо­
стойкость, а также теплофизические, электрические, магнитные, опти­
ческие и поверхностные свойства. Магнитные и оптические свойства
позволяют судить о строении молекул, входящих в состав материала,
а диэлектрические — о его структуре. Поверхностные свойства предо­
пределяют адгезионные характеристики и водоустойчивость материала.
Физические свойства в определенной мере определяют поведение мате­
риала под воздействием механических нагрузок.
Плотность. Битумы, получаемые из высокосмолистых и сернистых
нефтей, имеют более высокую плотность, чем битумы из парафинистых
нефтей при равной температуре размягчения. Плотность у битумов за ­
висит от химического состава. Она незначительно возрастает с увели­
чением температуры размягчения битума. Она является одной из важ ­
ных характеристик битума, так как позволяет судить о его происхож­
дении. Кроме того, зная плотность битума, можно пересчитать коли­
чество битума из объемных единиц в массовые. Плотность дорожных
битумов разного происхождения и разных марок лежит в пределах
от 0,995 до 1,07 при 20° С. Температурный коэффициент плотности,
характеризующий изменение ее при изменении температуры на 1° С,
для всех битумов почти одинаков и принят равным 0,0006 г/(см 3-град).
49
Объемное тепловое расширение. Коэффициент объемного расшире­
ния при 25° С лежит в пределах от 5-10 —5 до 8 • 10—5. Более высокие
значения коэффициента характерны для более вязких битумов. При
повышении температуры на 1° С в интервале от 60 до 300° С значе­
ния коэффициента объемного расширения изменяются в пределах
0,000033—0,000042.
Объемная удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость С — ко­
личество тепла, необходимое для нагревания 1 кг битума на 1° С и
колеблющаяся для разных битумов от 0,38 до 0,47 ккал/кс. При 0° С
ее можно принимать равной 0,4 ккал/кг. Она линейно возрастает с тем­
пературой, причем температурный коэффициент удельной теплоемко­
сти, т. е. изменение ее при изменении температуры на 1°С, составляет
от 32 -10-5 до 7 8 -10“ 6 ккал/(кг-град).
Присутствие парафина в битуме вызывает повышение теплоемкости
и нарушение прямолинейной зависимости ее от температуры.
Теплопроводность. Теплопроводность X, определяющая количест­
во тепла, которое может пропустить образец материала площадью 1 м2
при толщине 1 м и перепаде температур в Г С в течение 1 ч, для раз­
личных битумов колеблется от 0,12 до 0,15 ккал/(м-ч-град) при 0° С.
С повышением температуры от 0 до 90° С она немного понижается.
Значения теплопроводности битумов при температуре выше 90° С
изменяются незначительно и в среднем могут быть приняты
0,11 ккал/(м-ч-град).
Температуропроводность. Коэффициенттемпературопроводности а ,
характеризующий скорость процесса выравнивания температур, прямо
пропорционален теплопроводности и обратно пропорционален объеми
О
Я/
нои удельной теплоемкости и плотности материала а = 7су
т—. Он со­
ставляет Ы О - 7 — 1,5■ 10—7 м2/с и мало различается для битумов из
разного сырья.
Оптические свойства битумов
Методы оптической спектроскопии используют для получения све­
дений о структуре и форме молекул. Битумы поглощают почти полно­
стью всю видимую часть спектра, что обусловливает их почти черный
цвет.
Определение показателя преломления я (индекса рефракции) ши­
роко используют для характеристики строения вещества. Этот пока­
затель представляет собой отношение синуса угла падения светового
луча к синусу угла его преломления и изменяется с изменением длины
волны света и температуры, поэтому испытания проводят при постоян­
ных температурах и с монохроматическим светом, обычно с желтой
линией натрия й . Значения показателя преломления повышаются
с увеличением степени ароматичности соединений.
В ряде случаев вычисляют удельную рефракцию:
к2— 1
Г^ и 2+ 2 ’
50
_1_
й
Таблица
6 ,7
8 ,5
15,9
181
196
186
147
146
155
см олы
250
180
251
1,065
1,065
1,065
параф ины
100
96
85
2.11
И н т е р ц еп т р еф р а к ц и и
м а сл а
49.5
50,0
50,£
10 1 мм
С одерж а­
ни е а с ­
ф а л ь т ен о в ,
% по
м ассе
парафины
А
Б
В
Г л уби н а
п р он и к а­
ни я при
2 5 °С ,
м а сл а
Б и тум
Т ем п ер а ­
тура
р а зм я г ч е ­
ни я ,
°С
СМ ОЛЫ
У д ел ь н а я д и сп е р с и я
1,055
1,064
1,056
1 ,048
1 ,050
1,052
Разность удельных рефракций, полученных для двух значений
длин волн, известна как удельная дисперсия:
ГП1 — 1
«1— 1 '
1
|п}+ 2
«1+ 2
(1
.
Этот показатель обычно определяют по гх при красной линии водо­
рода На. и по г 2, соответствующей голубой линии # у . Д ля удобства
полученный показатель умножают на 104. Применяют также и другую
характеристику — интерцепт рефракции:
Д г=я—у
Результаты определения значения удельной дисперсии и интерцепта рефракции для фракций битумов приведены в табл. 2 . 11.
Метод применим только для светлых продуктов. Однако предло­
жен метод характеристики битумов и темных продуктов по показателю
преломления растворов битумов малых концентраций путем построе­
ния графика зависимости значений показателя преломления от кон­
центрации раствора и последующей экстраполяцией полученных пря­
мых на ось пЬ° для определения характеристики битума.
Основанием является тот факт, что показатели преломления раз­
бавленных растворов нескольких концентраций, приготовленных из
любого битума и светлой нефтяной фракции, являются аддитивными,
если состав выражен в процентах по объему. Показатели преломления
двух растворов битума в нефтяной фракции (например, 20 и 40% по
объему) и самой нефтяной фракции определяют при 70° С, результаты
наносят на миллиметровую бумагу. Прямую, соединяющую три точки,
экстраполируют до ординаты 1 00 % битума и отсчитывают значение
показателя преломления для испытуемого материала.
Люминесцентный анализ. Он основан на изменении электронного
состояния молекул под действием ультрафиолетового излучения. При
исследовании битумов наблюдают флуоресценцию их растворов или
фракций. Метод люминесцентного анализа применяют при определе­
ниях группового состава битумов, а также при исследовании смол
и асфальтенов.
Возбуждение люминесценции обычно ведут от ламп П РК-4. Спектры
люминесценции снимают на спектрометре.
51
б)
80
ио
О
Г
ч/
№
т о т о т о т о т о ю оо т ~1
Рис. 2.5. Инфракрасные спектры поглощения компонентов битумов:
а — б и тум А; б — б и ту м Б;
1 — насы щ енны е у г л е в о д о р о д ы ; 2 — а р о м а т и ч е ск и е у гл ев о д о р о д ы ; 3 — см олы ; 4 — а сф а л ь т еп ы
Простейший способ применения люминесцентного анализа исполь­
зован для качественной характеристики фракций битумов, получае­
мых на разделительной колонке при проведении группового анализа
битумов. Фракции битумов и гудронов с показателем преломления
пЬ° до 1,49, т. е. парафино-нафтеновые компоненты, имеют фиолето­
вый цвет люминесценции. Фракция битумов или гудронов с пЬ° = 1,49 ч1,54, соответствующая моноциклическим ароматическим углеводо­
родам, дает голубой цвет люминесценции. Фракция с п%° = 1,54 4 4-1,58, соответствующая бициклическим ароматическим соединениям,
дает зеленый цвет люминесценции, а фракция с пЬ° = 1,58 и более,
соответствующая полициклическим углеводородам, имеет желтый цвет
люминесценции. Фракция смол, для которых не определяется показа­
тель преломления обычным путем, дает коричневый или оранжевый
цвет люминесценции.
Более глубокие исследования люминесценции асфальтенов показа­
ли, что их растворы имеют спектр люминесценции в области 400—
620 нм, с максимумом в области 510—530 нм. Отмечено, что люминес­
ценция растворов асфальтенов зависит от их концентрации, а такж е от
вида растворителя. С увеличением молекулярной массы асфальтенов
интенсивность люминесценции пропорционально уменьшается.
Инфракрасная спектроскопия. Изучение инфракрасных спектров
большого числа органических соединений позволило определить ха­
рактерные группы частот и составить их каталоги. В смесях моле­
кул различного типа взаимное наложение полос поглощения компо­
нентов затрудняет расшифровку, поэтому в настоящее время инфра­
красную спектроскопию используют для определения сравнительно­
го содержания в битумах или их фракциях функциональных групп.
52
Т а б л и ц а 2.12
Б итум Б
С о ста в , %
С редняя
м олеку­
лярная
м а сса
Мальтены:
насыщенные углеводороды
циклические
(ароматиче­
ские) углеводороды
смолы
Асфальтены
С редн яя
м ол ек у­
л я р н ая
м а сса
К ом п он ен ты битум а
С остав, %
Б и тум А
21,0
732
1,5111
29,2
560
1,5122
43,2
23,7
12,1
894
1024
1 ,5972
—
31,2
3 2 ,8
6 ,8
635
917
1,6028
—
—
„2°
"о
—
—
20
“О
—■
П р и м е ч а н и е . Т ем п ер а т у р а р азм я гч ен и я б и тум а А 53,5 °С, б и т у м а Б 45,5 °С, г л у б и н а
п р оникани я их при 25 °С р ав на с о о т в ет ст в ен н о 36 и 60.
Этот метод получил развитие в последние два десятилетия.
На рис. 2.5 показаны инфракрасные спектры поглощения для
компонентов двух битумов, отличающихся их содержанием. Состав
битумов и характеристика компонентов приведены в табл. 2 . 12 .
Метод инфракрасной спектроскопии самих битумов позволяет с
высокой точностью фиксировать изменения, происходящие в материале
при воздействии на него атмосферных факторов, при старении, появ­
ление новых полос поглощения, новых связей. При старении битумов,
растут полосы поглощения, соответствующие карбонильным связям.
С применением ЭВМ разработана программа для построения модель­
ного ИК-спектра нефтяных битумов, что позволило рассчитать инте­
гральные интенсивности всех полос поглощения в соответствии с об­
щей интенсивностью спектра. Определяется также число полос погло­
щения в трудно разрешенной области спектра. Поглощение в этом ин­
тервале частот существенно изменяется при старении материала. Ко­
личественная обработка ИК-спектров позволяет определить роль каж ­
дой структурной группы и изменение ее в процессе старения. Более
точные данные обеспечивают ИК-спектрометрические исследования
битумов, подвергнутых разделению на фракции.
Ультрафиолетовая спектроскопия. Исследования органических со­
единений позволили установить, что только молекулы, содержащие
полярные или ненасыщенные группы, поглощают в коротковолновой
части ультрафиолетовой области. Д ля многоатомных молекул эти
спектры сложны и трудно расшифровываются. Ультрафиолетовая спек­
троскопия применялась при исследовании парафиновых и нафтеновых
фракций битумов на присутствие в них ароматических колец, для ко­
торых вид ультрафиолетовых спектров имеет характерные особенности.
Электрические свойства битумов
Электрическая прочность (пробивное напряжение) битумов при раз­
личных температурах составляет 10—60 кВ/мм, с повышением темпе­
ратуры она несколько снижается.
53
Удельная электропроводность битумов при низких температурах,
когда они имеют высокую вязкость, составляет всего не более 10~14
Ом -1 см-1 . С ростом температуры и понижением вязкости битума она
быстро возрастает. При 90° С удельная электропроводность битумов
равна 50-10—13 Ом- 1см-1 .
Диэлектрическая проницаемость битумов возрастает с повышением
температуры от 5 до 100° С и составляет от 2,5 до 3,3 ед. Исследование
характера изменения диэлектрической проницаемости расплавленных
битумов в широком интервале температур позволяет установить фазо­
вые переходы и выявить зависимость структурных и реологических осо­
бенностей от их диэлектрических свойств. Изучение температурной
зависимости диэлектрической проницаемости концентрированных рас­
творов битумов дает возможность получить представление о явле­
ниях ассоциации смолисто-асфальтеновых веществ.
Магнитные свойства битумов
Спектры ядерного магнитного резонанса ( Я М Р ) . Ядерный магнит­
ный резонанс недавно начали применять при исследованиях битумов.
Вращающееся ядро молекулы ведет себя как магнит и ориентируется
в магнитном поле. Атомы, имеющие ядерный спин и обычно входящие
в состав органических соединений,— это атомы водорода и азота.
Большинство измерений ЯМР проведено на атомах водорода, поэтому
этот метод называют также протонной магнитной резонансной спектро­
скопией. Методом ЯМР можно определить водородные атомы, входящие
в состав гидроксильных, метиленовых, метальных, фенильных групп.
Метод применялся для определения изменений, происходящих в би­
туме в процессе окисления. При проведении анализа раствор испытуе­
мого материала помещают в магнитное поле и подвергают действию ра­
диочастотного поля.
Пики на спектре соответствуют протонам с различными частота­
ми у разных атомов водорода. Площадь под пикой на кривой пропор­
циональна количеству этих атомов.
Спектры электронного парамагнитного резонанса (Э П Р ). Метод
обусловлен магнитным резонансом неспаренных электронов. Эта об­
ласть представляет часть спектра, которая находится между дальней
инфракрасной и радиочастотной областями. Метод ЭПР применяют
для молекул, имеющих неспаренный электрон, т. е. обладающих маг­
нитным моментом. Метод применен для определения числа неспарен­
ных электронов в компонентах битума. Эти электроны обусловливают
образование ассоциатов. Неспаренные электроны обнаружены в аро­
матических фракциях и асфальтенах, они небыли найдены в парафино­
вых и циклопарафиновых фракциях. Асфальтены в битумах являются
основными носителями парамагнитных центров.
Число неспаренных электронов в асфальтенах зависит от среды,
в которой они находятся. Смолы и ароматические углеводороды за ­
щищают парамагнитные центры от рекомбинации, а парафино-нафтеновые углеводороды не мешают рекомбинации. Знание интенсивности
парамагнитного поглощения и содержания асфальтенов в битумах мо54
жет характеризовать степень пёптизации асфальтенов. Волее склонные
к старению битумы характеризуются повышенной интенсивностью па­
рамагнитного поглощения. Остаточные битумы имеют наименьшую
интенсивность парамагнитного поглощения. Увеличение температуры
окисления интенсифицирует образование парамагнитных центров. Су­
ществует прямо пропорциональная связь между интенсивностью пара­
магнитного поглощения и условной вязкостью сырья, жидких битумов,
температурой размягчения вязких битумов.
Битумы, характеризуемые повышенным индексом пенетрации, со­
держат меньше парамагнитных центров, что объясняется потерей не­
которого числа неспаренных электронов при рекомбинации во время
образования макромолекулярных структур асфальтенов.
Для исследования битумов применяют масс-спектрометрию. Прин­
цип действия масс-спектрографа заключается в том, что движущиеся
заряженные частицы в зависимости от их массы, заряда и скоростей
по-разному ведут себя в электрических и магнитных полях. В массспектрометре создается специальная комбинация этих полей, проходя
которую частицы с одинаковыми массами и зарядами сходятся и обра­
зуют на пластинке отчетливую черную линию. Зная положение линии
для какого-нибудь определенного вещества, можно по сравнению с
ней определить массы, соответствующие другим линиям. Техника массспектрометрии применена и для исследования битумов, причем была
создана специальная модель масс-спектрографа, позволяющая рабо­
тать при высоких температурах.
^ Исследование битума, полученного из остатка прямой перегонки,
показало, что молекулярные массы компонентов находятся в преде­
лах от 500 до 1900 со средним значением около 900. Гетероциклические
и ароматические кольца являются доминирующими в структуре моле­
кул битума.
Поверхностные свойства
Поверхностное натяжение и его температурный коэффициент для
разных битумов практически одинаковы (табл. 2.13), а полная поверх­
ностная энергия их такая же, как у парафиновых углеводородов.
Отсюда очевидно, в условиях равновесия на поверхности преобладают
группы —С Н 3. Поверхностное натяжение мало зависит от структуры
битумов и от их вязкости [3].
Натяжение битумов на границе битум— воздух является довольно
гибкой характеристикой, позволяющей связать его с адгезией к ми­
неральному материалу.
Смачиваемость минеральной поверхности битумом зависит от крае­
вого угла смачивания 0. Битумы дорожных марок образуют на чистой
гладкой поверхности угол 0 , равный 20—30° при температурах ниже
100° С. На загрязненной и шероховатой поверхности 0 может превы­
шать 90°. Однако растекание битума может происходить по влажной
поверхности минеральных материалов, что и наблюдается при обра­
ботке битумом увлажненных грунтов, тогда как сухой грунт плохо
смачивается битумом.
55
Т а б л и ц а 2.13
П о в ер х н о с т ­
ное н атя ж е­
ни е при
25° С, д и п /с м
Т ем п ер а т у р ­
ны й к о э ф ф и ­
циент
48
48
42
28,0
35,8
33,5
0,0704
0,0710
0,0587
44
36,2
38,0
31,8
0,0741
0,0733
0,0580
Т ем п ер а т у р а
р а зм я гч ен и я
(К и Ш ), °С
Б и тум
Окисленный
Остаточный из смолистой нефти
То ж е
Окисленный из ароматизированного
остатка
Тринидадский
Окисленный из тяжелого остатка
—
64
Адгезия между битумом и минеральным материалом зависит от
поверхностного натяжения битума на границе с воздухом и угла 0 .
Большей водоустойчивостью на поверхности минеральных материа­
лов будут обладать битумные пленки с низким поверхностным натяже­
нием битума с минеральным материалом и высоким на границе с во­
дой.
Д ля специалистов по производству битумов имеет значение поверх­
ностное натяжение битумов при высоких температурах. Такие данные
имеются для битумов с температурой размягчения 47—56° С, получен­
ных из смолистой сернистой нефти. Поверхностное натяжение, изме­
ренное в пределах температур 140—250° С, незначительно уменьшает­
ся с повышением температуры и лежит в пределах 19,75—23,75 дин/см.
Выдерживание битума на открытом воздухе при температуре выше
250° С приводит к уменьшению поверхностного натяжения.
Толщина битумнойлгленки на поверхности минерального материа­
ла зависит от вязкости битума, природы минерального материала и
размера его зерен. При смешении битума с минеральным материалом
идут процессы абсорбции и адсорбции его компонентов.
При 60° С абсорбция битума каменным материалом (известняком)
может продолжаться от шести до восьми недель и достигать 2,5 %. Асфальтены и тяжелые смолы могут селективно адсорбироваться глини­
стыми частицами (в грунте). Пористый минеральный материал (из­
вестняковый щебень) может адсорбировать компоненты битума и тем
нарушать его структуру. Пористый каменный материал, пропуская
сквозь свои поры углеводороды с прямыми цепями и задерживая ци­
клические углеводороды и углеводороды с разветвленным строением
молекул, тем самым обедняет пленку битума масляными компонента­
ми и обогащает асфальтенами и смолами, что сопровождается затверде­
нием битумной пленки.
Водостойкость
Действие воды оказывает значительное влияние на разрушение
асфальтобетонных покрытий, снижая прочность сцепления битума с
каменными материалами. Отслаивание битумной пленки от камен­
ного материала водой происходит постепенно и зависит от амплитуды
56
колебаний норового давления воды, которое может достигать 0,14 МПа.
Сцепление битумов с каменными материалами и повышение водостой­
кости битумной пленки на поверхности каменных материалов пред­
ставляет особый, очень важный раздел исследований битумоминераль­
ных материалов. Хорошее смачивание битумом каменного материала
и стабильность сцепления его важны для хорошей работы дорожного
покрытия. Смачивание каменных материалов битумом улучшается при
обогащении состава битумов компонентами ароматического ряда.
Битумы являются водоизоляционным материалом, водопроницаемость
их составляет в среднем (4 4 - 9) 10-9 г/(см-мм рт. ст) при 25 °С. Водопоглощение происходит поверхностным слоем битума, оно не пре­
вышает 3% . В некоторых видах битумов могут содержаться водо­
растворимые соединения, количество которых обычно не превы­
шает 0,5% . Коэффициент паропроницаемости битумов составляет
0,1 • 10“ 2 г/(м-ч- мм).
Способы улучшения свойств битумов
Одним из важнейших условий повышения эксплуатационной на­
дежности асфальтобетонных покрытий является улучшение свойств
битумов и правильный выбор их с учетом условий эксплуатации. Улуч­
шение качества битумов достигается за счет сортировки и отбора вы­
сокосмолистых специальных нефтей, совершенствования технологиче­
ских режимов производства, а также введения различного рода добавок.
На долговечность покрытий, устраиваемых с применением битумов,
решающее влияние оказывает прочность связи между битумом и мине­
ральным материалом. Д ля улучшения сцепления битумов с минераль­
ными материалами применяют поверхностно-активные вещества
(ПАВ).
В составе битумов, как правило, имеются поверхностно-активные
вещества — асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, в зависимости
от их количества проявляется активность битумов. Активными счи­
тают битумы, имеющие кислотное число выше 0,7 мг КОН. Они пока­
зывают хорошее сцепление с сухой поверхностью минеральных мате­
риалов карбонатных, основных и ультраосновных пород (известняки,
доломиты, базальты, диабазы) и имеют плохую адгезию с поверхностью
минеральных материалов кислых и ультракислых пород (кварциты,
граниты, сиениты). Неактивные битумы с кислотным числом менее
0,7 мг КОН имеют плохое сцепление с поверхностью большинства ми­
неральных материалов, а пленка битума на поверхности этих материа­
лов легко отслаивается водой. Д ля улучшения сцепления битумов с ми­
неральными материалами применяют ПАВ двух типов (классов) —
катионактивные и анионактивные. Оба эти класса веществ представ­
ляют собой углеводородные соединения с длинной ценыо, имеющие по­
лярные группы.
Характерными представителями класса катионактивных веществ
являются соли высших первичных, вторичных, третичных алифатиче­
ских аминов и четырехзамещенные аммониевые основания. Характер,
ными представителями анионактивных веществ являются высшие кар.
57
боновые кислоты, соли (мыла) тяжелых и щелочно-земельных метал­
лов высших карбоновых кислот, высшие фенолы.
| Значительное количество катионактивных и анионактивных ПАВ
входит в состав смол твердых топлив (каменноугольные дегти и смолы,
смолы полукоксования, буроугольные, сланцевые, торфяные, древес­
ные).
Расход ПАВ для улучшения сцепления битума с минеральными
материалами составляет в расчете на минеральный материал: катионак­
тивных — 0,5— 2 , 0 % от массы битума, анионактивных — 3—5% , смол
твердых топлив — 7— 12 %.
Некоторые ПАВ, помимо улучшения сцепления, улучшают некото­
рые другие свойства. Так, введение 0,2—0,5% от массы вязкого биту­
ма высших аминов повышает стабильность его к старению, а железные
соли (мыла) высших карбоновых кислот в количестве 5—7% ускоряют
формирование покрытия с жидкими битумами. Все типы ПАВ улуч­
шают технологический режим приготовления асфальтобетона.
Обработка битумов ультразвуком ведет к увеличению полярности
и улучшению адгезионных свойств. Как показали электронно-микро­
скопические исследования, воздействие ультразвука на битум приво­
дит к разрушению асфальтеновых комплексов. При использовании биту­
мов, обработанных ультразвуком, в производстве асфальтобетонных
смесей заметно повышается прочность, а водоустойчивость возрастает
на 25—30%.
Ввиду того, что в составе асфальтобетона содержится до 50% пес­
ка — минеральной составляющей кислого характера, наиболее ж ела­
тельно применение катионактивных ПАВ. В Союздорнии разработана
инструкция по использованию ПАВ при строительстве дорожных по­
крытий с применением битумов, где указаны выбор, требования к ним,
а также технология применения добавок, особенности технологиче­
ского контроля, методы испытаний, порядок транспортирования и хра­
нения.
В ряде случаев необходимо пластифицировать твердый или вязкий
битум для снижения его температуры хрупкости, расширения интер­
вала пластичности. В качестве пластификаторов можно применять жид­
кие фракции нефти или каменноугольной смолы, богатые ароматиче­
скими соединениями, например, экстракты, получаемые при селектив­
ной очистке масляных фракций, каменноугольное антраценовое масло.
В качестве добавок, повышающих вязкость битума, применяют
природные тугоплавкие битумы-асфальтиты, которые одновременно
повышают и адгезионные свойства битума. В ряде стран применяют
добавку тринидадского асфальта (см. гл. 3). Д ля этих ж е целей слу­
жит и резиновая крошка, получаемая помолом изношенных резиновых
изделий. Введением в нефтяной гудрон 25—40% резиновой крошки
при энергичном перемешивании в течение 2—3 ч при 180° С получают
вяжущее, обладающее высокой пластичностью и теплоустойчивостью,
пригодное для строительства покрытий на дорогах с тяжелым движе­
нием (см. гл. 6 ).
Д ля снижения вязкости битумов с целью облегчения производства
работ вводят разжижители. Выбор разжижителей должен быть осно­
53
ван на том, чтобы он хорошо смешивался с битумом, образуя гомоген­
ную массу и обеспечивал необходимую скорость последующего загустевания вяжущего. Таким образом приготовляют разжиженные би­
тумы, применяя в качестве разжижающих добавок нефтяные фракции,
сырые нефти, продукты углехимической промышленности. Оптималь­
ное содержание разжижителя определяют в лабораториях, оно может
достигать 20—30% по массе. Однако применение разжиженных би­
тумов не рационально как с экологической, так и с экономической то­
чек зрения, поэтому что введенный разжижитель теряется при испаре­
нии, загрязняя окружающую среду.
Д ля улучшения деформативных свойств битумов предложено вести
окисление сырья в присутствии добавок предварительно окисленных
тяжелых парафино-нафтеновых углеводородов. Такими добавками мо­
гут быть окисленный петролатум, кубовые остатки производства син­
тетических жирных кислот (СЖК), концентраты оксикислот кубово­
го остатка СЖК. Эти добавки, введенные в количестве 5—20% от
массы окисляемого сырья, расширяют интервал пластичности полу­
чаемого битума, улучшают его адгезионные свойства и ускоряют про­
цесс окисления в 1,5—2 раза 114].
Предложение основано на следующих теоретических предпосылках.
Хрупкость битумов при низких температурах обусловливают асфальтены, поэтому для получения битумов, отличающихся пластичностью
при низких температурах, необходимо увеличение пластичности асфальтенов. С этой целью технологические процессы при производстве
битумов должны быть направлены на пластификацию асфальтенов.
Пластификация «внутренняя» может быть осуществлена введением
длинноцепных алкильных радикалов в молекулы асфальтенов, т. е.
алкилированием. Посредством обогащения состава битумов смолами,
которые могут служить пластификаторами асфальтенов, обогащением
растворяющей среды (мальтенов) углеводородами ароматического ряда
достигается внешняя пластификация.
Д л я получения битумов, отличающихся теплоустойчивостью при
повышенных температурах в условиях эксплуатации дорожных по­
крытий, технологические процессы при производстве битумов должны
быть направлены на увеличение молекулярной массы асфальтенов.
Д ля получения битумов, имеющих хорошее сцепление с каменными
материалами, необходимо вводить активные полярные группы.
Исследования показали, что уменьшение содержания в сырье парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов с показателем пре­
ломления не выше пЬ° = 1,51 ухудшает показатели температуры
хрупкости, температуры размягчения, интервала пластичности. Мож­
но компенсировать недостаток в указанных углеводородах для глубокообезмасленного сырья, т. е. битумов деасфальтизации за счет высо­
комолекулярных нефтяных фракций, богатых парафино-нафтеновыми
углеводородами и в первую очередь фракциями парафинов или петролатума. Однако высокомолекулярные парафинистые фракции мешают
окислению других углеводородов, а присутствие их в неокисленном
виде ухудшает адгезионные свойства битумов. Поэтому очевидно, для
получения необходимого эффекта высокомолекулярные парафино­
59
нафтеновые фракции должны быть предварительно окислены (можно
в присутствии перманганата калия), при этом наиболее ценной стади­
ей окисления должна быть стадия получения оксикислот и эфиров. Оксикислоты парафинового ряда при окислении и воздействии тепла
образуют полиэфирные смолы, являющиеся энергичными пластифика­
торами.
При окислении гудрона западно-сибирских нефтей в присутствии
10% оксикислот кубового остатка СЖК был получен битум 90/130
с температурой размягчения 60° С, температурой хрупкости ниже
—40° С и растяжимостью при 0° С, равной 40 см. При окислении
с этой же добавкой битума деасфальтизации из урало-волжских неф­
тей был получен дорожный битум 60/90 с температурой размягчения
68 ° С и температурой хрупкости —28° С, растяжимостью при 0° С,
равной 13 см. Эти битумы имеют отличное сцепление с минеральными
материалами как кислого, так и основного характера. Близкий к этому
эффект дает введение в окисляемое сырье таких окисленных нефтяных
фракций, как окисленный петролатум, парафиновый оксидат и т. п.
Д ля улучшения деформативных свойств битумов применяют добав­
ки синтетических смол и каучуков. При выборе добавок необходимо
руководствоваться их совместимостью с битумами для получения мате­
риала однородного и стабильного под воздействием эксплуатационных
факторов.
Смолы и каучуки вводят в виде растворов, порошков, мастик, эмуль­
сий в количествах, не превышающих 2—5% по массе. В большинстве
случаев эти добавки — побочные продукты производства синтетиче­
ских смол и каучуков. Введение таких добавок улучшает эксплуатаци­
онное поведение покрытий, позволяет уменьшить толщину слоя одеж­
ды, применять местные минеральные материалы. Известно применение
побочных продуктов производства поливинилхлорида, полистирола,
полиэтилена, полипропилена. Стоимость введения этих добавок оку­
пается за счет увеличения сроков службы дорожных покрытий. Осо­
бенно целесообразны добавки смол и каучуков в вяжущее при строи­
тельстве дорог с тяжелым интенсивным движением, для устройства
верхних слоев дорожных покрытий и поверхностных обработок. Более
подробно получение вяжущих на основе нефтяных битумов и поли­
мерных соединений, синтетических смол и каучуков рассмотрено
в гл. 6 .
Д ля предотвращения старения, сохранения прочности эластично­
сти, высокой адгезии битума в присутствии воды и повышения сроков
службы дорожных покрытий предложено обрабатывать битум БОд
нефтяными сульфонатами, карбоксилатами, А1С13, гидрофобными ПАВ
с последующей нейтрализацией окислами Са,
и др.
Д ля повышения стабильности битумов к термо- и фотохимическо­
му окислению (старению) предложено вводить в окисленный битум 2 —
5% печной сажи. Эффект достигается за счет присутствия в саже соеди­
нений с функциональными группами, содержащими Э и О и имеющими
противоокислительные свойства.
Д ля повышения огнестойкости битумов при устройстве аэродром­
ных, гидроизоляционных и кровельных покрытий в них вводят 1—5%
60
по массе фосфатов, Квасцов, сульфата аммония, бикарбонатов и карбо­
натов натрия, производных брома (тетрабромбутана, тетрабромэта
на, тетрабромциклогексана).
Из фосфатов доступно использовать ортофосфорную кислоту, трикрезилфосфат, трефенилфосфат. Введение 2,5— 10 % соединений типа
арсената свинца, сульфида сурьмы такж е повышает огнестойкость
битумов.
Для повышения устойчивости битумов к воздействию микроорга­
низмов вводят добавки 1—3% перманганата калия, 3—5% сульфата
и нафтената меди, солей или окиси цинка, 2 —5% производных феноловпентахлорфенола, пентахлорфенолята натрия, парахлорметакрезола, пентахлорфенилового эфира. Можно вводить 2— 6 % хлорирован­
ного креозота, гексафторсиликат натрия, 5— 10% фенольного пека,
5— 15% тяжелого каменноугольного масла или дегтя.
Устойчивость битумов к воздействию топлив обеспечивается вве­
дением каменноугольных дегтей, серы. Битумы, содержащие в своем
составе большие количества ароматических соединений, устойчивы к
радиационному воздействию, особенно при использовании в качестве
наполнителей солей бария или свинца.
2.3.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИТУМОВ
О бщ ие закономерности поведения битумов
Битумы являются термопластичными материалами и их механиче­
ские свойства изменяются в широких пределах при переходе от жидко­
го состояния в условиях высоких температур до твердого состояния
при низких температурах. Под воздействием нагрузок в битумах воз­
никают одновременно обратимые (упругие) и необратимые (пластиче­
ские) составляющие деформации. Поэтому битумы следует рассматри­
вать как тела различной степени пластичности. В связи с тем, что раз­
витие обратимых и необратимых деформаций подчиняется разным за­
конам, проявляющимся в различных соотношениях в зависимости от
условий деформирования, общая картина поведения битумов может
быть весьма сложной. При изучении деформативных свойств битумов
опираются на методы реологии.
Теория деформирования материалов различной степени пластично­
сти, занимающих промежуточное положение между твердыми телами
и жидкостями, находится еще в стадии формирования, встречаются
расхождения в терминологии, нет общей теории, охватывающей на
единой основе весь спектр реологических свойств. Работа в этом на­
правлении является одной из важнейших задач реологии. Важно вы­
работать единый подход при изучении реологии битумов, которые в
зависимости от температуры и условий деформирования проходят все
стадии от твердого тела до вязкой жидкости.
Теоретический анализ закономерностей развития деформаций в би­
тумах показал, что для описания на единой основе поведения под дей­
ствием нагрузок материалов разной степени пластичности может быть
61
и с п о л ь з о в а н о у р а в н е н и е , в ы т е к а ю щ е е из о б щ н о с т и с т р у к т у р у р а в н е ­
ний обратимого (упругого) и необратимого (пластического) деформи­
рования [14]:
где е — деформация;
а — напряжение;
G — модуль сопротивления;
t — время;
Р — п о казател ь степени пластичности м атери ала.
При Р — 0 уравнение обращается в закон Гука для идеально уп­
ругих тел (пластичность равна нулю), при Р = 1 уравнение обращает­
ся в закон Ньютона для идеальных жидкостей. Д ля случая ст Ф const
общее уравнение деформирования имеет вид:
t
B= j - § о
(2.2)
Использование обобщенного уравнения деформирования, опираю­
щегося на количественную оценку степени пластичности битумов, по­
зволяет применить единый подход при изучении механических свойств
битумов в широком диапазоне изменения их состояний (от твердого до
жидкого) и дает ключ к объяснению на единой основе разнообразных
реологических свойств, проявляемых битумами в различных усло­
виях, а такж е взаимосвязи их между собой.
Анализ поведения битумов с использованием этого уравнения по­
зволяет установить связь между показателями степени пластичности,
вязкости, модуля упругости, модуля деформации, релаксации, уста­
лости. Так, связь между вязкостью битумов и их пластичностью при
изменении Р в пределах от 0 до 1 выражается уравнением
1*П=Л«ч (1-.Р) + 1вт|т !п.
(2 -3)
где
— диапазон изменения вязкости при изменении Р от 0 до I ;
flmin — наименьшее значение вязкости при Р = 1.
Соответственно связь между модулем упругости битумов (при оп­
ределенном режиме нагружения) и их пластичностью выражается
уравнением
Ig £ = М Е (1 — Р) + lg £ m ln .
(2.4)
Общие закономерности изменения свойств битумов в широком диа­
пазоне при переходе от жидкого состояния к твердому определяются
зависимостью пластичности битумов от температуры. Рассмотрение
зависимости пластичности битумов от температуры (рис. 2 .6 ) показы­
вает, что график Р (Т) имеет типичный вид для интегральной функции
нормального распределения и может быть выражен
р
= 0' 5 + т Ы
у
о
Ч
- £^
]
10''
( 2 ' 5 )
где Т„ — температура, при которой Р = 0,5;
6 — показатель, характеризующий реологический тип битума (величина
2 6 — интервал пластичности).
62
Подобная закономерность яв­
ляется следствием вероятностной
природы параметра Р, поскольку
он характеризует среднюю вероят­
ность преодоления кинетической
частицей тела в единицу времени
потенциального барьера, а распре­
деление высот потенциальных барь­
еров в сложном многокомпонент­
ном материале можно считать под­
чиняющимся нормальному зако­ Рис. 2.6. Зависимость ДР/ДТ от тем­
пературы для двух битумов с различ­
ну распределения.
ным интервалом пластичности:
Пользуясь уравнением (2.5),
1 — битум БН Д 40/60 с ИП = 78° С: 2 — би­
тум БН Д 40/60 с И П =60°С
можно построить весь график Р (Т),
если известны значения Р при двух
температурах. Например, для битума Б Н Д 60/90 известно, что при
То = 5° С, Р = 0,5 и п р и ^ 7 = 20°С, Р = 0,7. Требуется найти
величину б.
Так как Р 20 = 0,5 + 0,20 = 0,70, следовательно, Ф (г20) = 0,2.
По таблице находим, что в случае стандартного распределения ( 6 = 1 )
значению Ф (г) = 0,2 соответствует г = 0,525. В данном случае от­
клонение от центра распределения на 0 ,2 происходит при изменении
температуры на Т — Т0 = 20 — 5 = 15° С, откуда находим 5 для
данного битума:
б= -
Т -Т 0
15
2<Р
0,525
=28,5.
Аналогично может быть решена обратная задача: зная реологичес­
кий тип битума б = 28,5 и Т0 = 5° С, найдем значение Р при темпе__20_5
ратуре, например —20° С.
Вычисляем г _ 20 =
28~д ' = — 0>88.
По таблице находим Ф (г_20) = — 0,31. Следовательно, Р = 0,5 —
0,31 = 0,19 = 19%.
Таким образом, зная две характеристики — условную температуру
плавления Т 0 и реологический тип б, можно полностью представить
характер изменения какого-либо свойства материала во всем темпера­
турном диапазоне.
Н а рис. 2.6 приведены кривые чувствительности Р к изменению
температуры (т. е. изменение Р при изменении температуры на 1° С)
в диапазоне от —45 до 35° С для двух битумов различного реологиче­
ского типа. Зависимость с1Р/с1Т от температуры
йР_______ 1
ат ~
~
б- ~[/2п
г
° хр
(Г — Гр)2 '
2 б2
(2 . 6 )
Максимум йР/й'Г находится в точке, соответствующей условной
температуре плавления Т0 и равен 1/6 У 2л. Д ля однородных материа­
лов с очень малыми значениями б, когда интервал пластичности неве­
лик и переход от твердого состояния к жидкому совершается на очень
узком интервале температур, величину Т 0 можно рассматривать как
63
истинную температуру плавления (так, например, для воды переход
от жидкого состояния к твердому осуществляется на отрезке в доли
градуса). Характерно, что размерность параметра б совпадает с раз­
мерностью температуры. Кривая Гаусса имеет две точки перегиба при
Т = Т0 ± б. Точки перегиба делят температурную шкалу на три
характерных участка. При температурах Т > Т0 + б в поведении ма­
териала основную роль играют вязкие свойства, при температурах
Т < Т0 — б материал проявляет в основном упругие свойства. В ин­
тервале температур от Т 0 — б до Т 0 + б материал проявляет харак­
терные вязко-упругие свойства. Интервал между точками перегиба,
равный 2 б, дает величину интервала пластичности.
. На практике границы интервала пластичности для битума опреде­
ляются температурой размягчения по «кольцу и шару» и температурой
хрупкости по Фраасу. Представляет интерес установление корреляции
между величиной б и индексом пенетрации битума, выражающим ве­
личину его интервала пластичности в виде отвлеченного числа.
При обеспечении необходимой точности испытаний достаточно пол­
ное представление о поведении материала на всем интервале пластич­
ности может быть получено по результатам всего двух испытаний на
ползучесть (при двух разных температурах). Испытание на ползучесть
под воздействием постоянной нагрузки дает возможность определить
значения пластичности материала Р и его модуля сопротивления О.
Эти два параметра позволяют получить достаточно полное представле­
ние о деформативных свойствах материала при данной температуре.
Зная значения Р при двух каких-либо температурах, можно опреде­
лить параметры Т 0 и б функции нормального распределения. Напри­
мер, по результатам эксперимента известно, что пластичность битума
при Т = 10° С равна Р = 0,61 и при Т = — 30° С Р = 0,13. Следо­
вательно,
/> = 0 ,1 3 = 0 , 5 - 0 , 3 7
Ф ( г _ 30) = - 0,37;
Р = 0 ,6 1 = 0 ,5 + 0 ,1 1
Ф (г10) = 0 ,1 1 ;
г _ 30= — 1,13;
г 10 = 0,28;
Ю -Г 0
0 ,2 8
Отсюда То = 2° С, б = 28,5° С.
Рассмотренная закономерность изменения свойств битумов в ин­
тервале пластичности справедлива и по отношению к другим характе­
ристикам битумов. Можно проследить характер изменения вязкости,
используя данные экспериментальных исследований в широком диапа­
зоне температур.
Н а рис. 2.7 приведена типичная зависимость вязкости г| от темпера­
туры Т (кривая /). Соответствующая ей зависимость А ^ )|/А7’ от
температуры (кривая 2) представляет собой кривую Гаусса, для ко­
торой могут быть найдены значения б и Г„. Т ак для битума, представ­
ленного на рис. 2.7, найдено, что б = 37,5° С и Т ц = 17° С.
Одним из наиболее простых испытаний, позволяющих в то же вре­
мя получить достаточно точное представление о деформативных свойст­
вах битума, является испытание на ползучесть под воздействием по64
стоянной нагрузки. Развитие де­
формаций при этом испытании про­
исходит в соответствии с уравне­
нием е =
¿р, что позволяет оп­
ределить степень пластичности и
модуль деформации битумов, а так­
же их вязкость.
Типичная картина развития де­
формаций прогиба образца битума
во времени при воздействии посто­
янной нагрузки приведена на
рис. 2.8. При построении графика
е (¿) в координатах с логарифмиче­
ской шкалой зависимость деформа­
ций ползучести от времени выра­
жается прямой линией, наклон ко­
торой к оси времени характеризует
в соответствии с уравнением (2 . 1)
пластичность материала.
Экспериментальные данные по
ползучести битумов разных марок
хорошо ложатся на прямые ли­
нии, что указывает на примени­
мость уравнения (2 . 1) для описа­
ния поведения битумов.
Н а рис. 2.9 приведены резуль­
таты испытания на ползучесть би­
тума № 2 при разных температу­
рах. С понижением температуры
наклон линий к оси времени умень­
шается, что отражает снижение
значений пластичности материала.
Исследования влияния величин
действующей нагрузки на кинети­
ку развития деформаций ползучести
показали, что при сопоставлении
графиков е (/), полученных при
различных величинах а с достаточ­
ной степенью точности, соблюдает­
ся принцип подобия.
Важной характеристикой деформативных свойств битума, при­
менимой в широком диапазоне из­
менения температуры и длительно­
сти действия нагрузки, служит мо­
дуль деформации 5. Он представ­
ляет собой отношение дейетвующ'е3
З а к . 1743
-МТд-б О Т„ 40 Т„*6 80
по Т,°С
Рис. 2.7. Зависимость вязкости биту­
ма от температуры:
/ — в и д ф ункци и
п (П :
2
— вид
ф ун к ц и и
й1 \!Л Т
д/^мнм1
Р~0,530,45,
1000
300
100
’0,41
30
400 8004 с
о
ю юо г, с
Рис. 2.8. Развитие деформаций про­
гиба { образца битума во времени <
под действием постоянной нагрузки:
и — в к о о р д и н а т а х с а р и ф м ет и ч еск о й ш к а ­
л о й ; б — в к о о р д и н а т а х с л о г а р и ф м и ч е ск о й
ш калой
Рис. 2.9. Влияние температуры на
кинетику развития деформаций пол­
зучести битумов
65
го напряжения а к полной деформации е, возникающей под действием этого напряжения:
8 = ~ъ = Ы ~ р.
(2.7)
Значения модуля деформации зависят от температуры и длительности
загружения. При низких температурах и динамических загружениях
значение модуля деформации совпадает со значением’ модуля упруго­
сти. В табл. 2.14 приведены значения модуля деформации битума, со­
ответствующие ряду конкретных условий загружения [14]. Значения
модулей деформации вязких и жидких битумов разных марок приведе­
ны в табл. 2.15. При низких температурах и коротких сроках загруже­
ния все битумы ведут себя как чисто упругие тела. Модуль деформации
в этом случае идентичен модулю упругости и имеет для всех битумов
примерно одинаковое предельное значение около 3-10 3 МПа.
Т аблица
В ид загруж ен и я
Неравномерные поднятия
и осадки дорожной одежды
Температурные
дефор­
мации
Стоянки
транспортных
средств
Испытание по определе­
нию глубины проникания
битума
Торможение
транспорт­
ных средств
Проезд автомобилей
2.14
М одуль деф ор м ац и и , М П а
Д ли тел ь­
н ость
за г р у ж е н и я
— 10° С
25° С
50° С
1 мес
2 ,8 -1 0 ~ 3
1 ,6 -ю - 7
1 ,3 -i o - 9
1 сут
6 ,8 -1 0 -s
4,8-10-«
4 ,0 -1 0 - 3
1 ч
0,3
1 ,2-1 0 -4
8,0 -1 0 - 7
0,4 с
3 ,2 -102
0,4
9,2 -1 0 - 3
0,1 с
0,01 с
0,001 с
5 ,2 -102
1,1 - 103
1 ,6 -103
1,3
9
40
1 ,6 -1 0 -г
0,1
1,0
П р им еч ание.
З н а ч ен и я м о д у л ей д е ф о р м а ц и и
п р оникани я, р ав н ой 100 при т е м п е р а т у р е 25° С.
п р и в ед ен ы д л я б и т у м а
с
гл у б и н о й
Т аблица
2.15
М о д у л ь д е ф о р м а ц и и , М П а , при
Н ом ер
о б р а зц а
б и т ум а
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Глубина
п р он и к ан и я
п р и 2 5 °С
Т ем п ер а т у р а
р а зм я г ч е н и я ,
°С
Т ем п ер а т у р а
хр уп к ости .
47
67
83
111
158
195
295
350
165
92
54
49
60
45
42
37
36
34
32
28
— 11
— 15
—28
-2 0
— 18
-2 3
—22
—23
—25
— 26
°С
i=
0°С ,
0°С ,
0 ,0 2 с
t=
450
350
40
110
100
110
40
25
15
10
90
70
10
30
15
10
3
2
1
0 ,6
1
—
с
<=
1 0
*с,
1 0 0 0 0
с
2
0 ,8
0 ,7
0 ,2
0,1
0 ,0 5
0 ,0 2
0,01
0,005
0,003
П р и м е ч а н и е . Д л я б и т у м о в № 9 и ¡0 , и м ею щ и х г л у б и н у п р он и к ан и я б о л е е 350, п р и ­
в ед ен ы зн а ч ен и я усл ов н ой в я зк ости при 60° С.
С одерж ание
асф а л ь т ен о в ,
%
47
—2 ,2
1,2
54
48
— 1,8
5,1
44
55
—0 ,3
15,5
°С
И н д ек с
п ен ет р а ц и и
47
Т ем п ер а т у р а ,
Г лубина
п роникани я
( 1 0 0 г» 5 с)
при 2 5 °С
1 0 " 1 мм
Т ем п ер а т у р а
р а зм я гч ен и я ,
°С
Т а б л и ц а 2.16
25
40
49
20
40
49
21
30
40
Д авл ен и е, МПа
°
10
2 0
30
40
50
О т н ош ен и е м о д у л я д еф о р м а ц и и при
повы ш енном д а в л ен и и к м о д у л ю
д е ф о р м а ц и и при норм альн ом д а в л ен и и
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4 ,0
—
2 ,2
2,5
2,1
1,8
2 ,2
2 ,0
1,9
13,0
—
5 ,8
6 ,6
4 ,5
3 ,7
4 ,9
4 ,2
3,6
15,0
2 0 ,0
15,0
17,0
9 ,2
7,1
11,0
8 ,5
7 ,0
167
59
37
44
19
14
24
18
14
597
170
90
115
40
27
54
36
26
Помимо температуры, длительности действия нагрузки и ее вели­
чины, значительное влияние на деформативные свойства битумов ока­
зывает давление. Асфальтобетон в дорожном покрытии под действием
колес автомобиля работает не только на изгиб и сдвиг, но одновременно
и на сжатие. Вследствие всестороннего сжатия, возникающего под дей­
ствием колес автомобиля, реакции основания и ограниченности боко­
вого расширения, асфальтобетон, а следовательно, и битум работают в
условиях повышенного давления. Величина давления влияет на зна­
чения вязкости и модуля деформации битума.
Так как различные битумы имеют одинаковую сжимаемость, равную
примерно 4 - 10-4 МПа, то изменение модуля деформации при увеличе­
нии давления будет большим для битумов с низким содержанием асфальтенов. Влияние повышенного давления на модуль деформации бу­
дет меньшим при более высокой температуре. Данные о влиянии давле­
ния на модуль деформации битумов при разных температурах показа­
ны в табл. 2.16, из которой видно, что влияние изотропного гидростати­
ческого давления на битум довольно значительно. Д ля битумов с высо­
ким индексом пенетрации изотропное давление в меньшей степени вы­
зывает увеличение модуля деформации.
Кинетика протекания релаксационных процессов в битумах за­
висит от их структуры, температуры и других факторов, влияющих на
пластичность битума. Как следует из уравнения (2.1), процесс релак­
сации напряжений в битумах протекает в соответствии с уравнением
о = г 0а ~ р. Таким образом, релаксация напряжений в битумах
непосредственно зависит от их пластичности.
Значения модулей упругости битумов
Модуль упругости~является одной из важнейших характеристик ме­
ханических свойств материалов. Значения модулей упругости материа­
лов широко используются при проведении инженерных расчетов кон­
струкций
3*
67
Дорожные покрытия под дейст­
вием динамических воздействий от
движущихся транспортных средств
работают преимущественно в упру­
гой стадии. В связи с этим оценка
свойств битумов при динамическом
го
5
режиме деформирования
имеет
большое значение для анализа их
,
работы в дорожных покрытиях.
В условиях динамических воз­
10~3
Ю'г
Ь,с
действий, особенно при невысоких
Рис. 2.10. Зависимость модуля упру­
температурах, поведение битумов
гости битума от температуры в дина­
близко к упругому, причем значе­
мическом режиме испытаний
ния модулей упругости битумов
при кратковременных загружениях
и низких температурах могут достигать довольно высоких значений —
до 3 ООО МПа. При этом зависимость модуля упругости от длительно­
сти действия нагрузки в координатах с логарифмической шкалой близ­
ка к линейной.
Численные значения модулей упругости битума Б Н Д 60/90, опре­
деленные при различных температурах и длительностях действия ди­
намической нагрузки, приведены в табл. 2.17 и на рис. 2.10. Эти дан­
ные показывают, что между модулем упругости и длительностью дейст­
вия динамической нагрузки в координатах с логарифмической шкалой
соблюдается линейная зависимость.
Наклон к оси времени линии, выражающей зависимость ^ Е от
/, определяется степенью пластичности материала:
.
-45°С -3 0 -15
/
Г
/
'
18 Е = 1ё О - Р
(2.8)
или
Е = в г р,
(2.9)
где О — численно равно модулю упругости битум а при (н = 1 с.
Таким образом, зная пластичность битума, можно вычислить зна­
чения модуля упругости при любой интересующей длительности дей­
ствия динамической нагрузки
если известны хотя бы одно значение
модуля упругости битума Ех (разумеется, при данной температуре)
и длительность загружения
которой этот модуль соответствует:
Ы Е { = \ц Е 1 -
Р (\g t-\g t,),
(2.10)
Таблица
2.17
М о д у л ь у п р у г о с т и б и т у м а , М П а , п р и т е м п е р а т у р е , °С
Д ли тел ьн ость
дей стви я
н агрузк и , с
0,002
0,006
0,012
0,028
0,144
68
— 45
— 30
— 15
—5
1230
1070
970
850
690
1180
1040
920
850
660
1100
850
720
580
390
1040
730
580
440
270
5
940
510
340
210
—
2 0
700
315
173
86
—
35
385
150
70
38
—
Т а б л и ц а 2.18
Т ем п ер а т у р а 10° С (50 Г ц )
Н о м ер о б р а зц а
битум а
2
3
6
9
Т ем п ер а т у р а 20” С (10 Гц)
М одуль упруго­
сти при сд в и ге,
МПа
Ф азовы й уго л ,
гр ад
М од ул ь у п р у г о ­
сти при сд в и ге,
МПа
Ф азовы й у го л ,
град'
11,4
16,4
5,1
17,4
31
22
46
31
2,8
4,3
49
55
3,6
5
_
--
или
А .
Е,
(2 . 11)
Модуль упругости битума может быть также определен по скорости
прохождения в нем звуковых или ультразвуковых волн. Модуль упру­
гости битума при акустических испытаниях
E = v* р,
где v — скорость прохождения продольных упругих волн в битуме;
р — плотность битума.
Получаемые при применении акустических методов значения моду­
лей упругости соответствуют загружениям чрезвычайно малой продол­
жительности.
Влияние температуры и частоты нагружения на свойства битумов
видно при данных, приведенных в табл. 2.18.
Величина сдвига фаз между напряжениями и деформациями при
циклическом деформировании битумов зависит от степени пластично­
сти материала и часто характери­
зуется тангенсом угла потерь tg а,
определяющим отношение рассеи­
ваемой энергии при периодических
деформациях к запасенной.
Характеристики ряда битумов
при температуре 20° С и частоте
воздействия циклической нагрузки
50 Гц приведены в табл. 2.19, дан­
ные о скорости прохождения зву­
ковых волн частотой 10 ООО Гц в
битумах в широком диапазоне тем­
ператур на рис. 2 . 11 , характери­
стики битумов —• в табл. 2 .2 0 .
Необходимо учитывать, что зна­
чения модулей упругости битумов,
определяемые по результатам ис­
пытаний с высокой частотой, соот- Рис- 2.11. Зависимость скорости звуц р н к
м я ка
энерветствуют нагружениям почень
магии v Q11ввнутренней
битуме от диссипации
теМпературы
Г:
Л О И продолжительности, И Д Л Я И С , _ 3 _ н о м ер а б и т у м о в
r p t p t r v i o t
н я г п у ж р н и я м
69
Т а б л и ц а 2.19
Н ом ер
о б р а зц а
битум а
Г л уби н а
п р он и к ан и я
при 2 0 °С
Т ем п ер а т у р а
И н д ек с
р азм я гч ен ия» пен етрац и и
40
41
49
81
92
186
300
1
2
3
4
5
6
7
8
57,5
61,0
52,5
48,0
45,5
37,0
32,0
91,0
74,5
11
9
°с
29
+
С одерж ан ие
а сф а л ь т ен о в ,
%
М одуль
уп ругости
при с д в и г е ,
МПа
16,8
20,1
0 , 1
+ 0 ,7
- 0 ,6
- 0 ,5
—0 ,9
— 1 ,8
—2,1
+ 1 ,9
+ 2 ,2
51
47
43
52
55
63
62
17
43
5,1
5 ,5
9 ,4
4 ,3
4 ,3
2 ,4
1 1 , 8
15,9
9 ,7
9 ,2
5 ,4
24,8
20,8
Ф азовы й
угол ,
гр ад
—
11,3
4,1
Таблица
Н о м ер
о б р а зц а
битум а
С одерж ан ие
а сф а л ь т ен о в ,
% по м ассе
Г л уби н а
п р оникани я,
1 0 - 1 мм
1
2
3
39,8
39,2
35,5
10
29
24
Т ем п ер а т у р а
р а зм я гч ен и я ,
°С
112
90
90
2.20
И н д ек с
п ен ет р а ц и и
П л о т н о ст ь ,
г /с м 3
+ 4 ,8
+ 4 ,2
+ 3 ,4
1,029
1,036
1,027
пользования при расчете дорожной конструкции значения модулей
упругости надо приводить к расчетной продолжительности действия
нагрузки согласно формуле 2 . 10 .
Вязкость битумов
Подобно тому, как в условиях динамических воздействий (особен­
но при низких температурах) наиболее удобной характеристикой деформативных свойств битума является модуль упругости, так оценка
поведения битума в конструкции в случае длительно действующих на­
грузок при повышенных температурах может быть произведена по его
вязкости. Кроме того, вязкость битума'является одним из важнейших
технологических свойств, от которой зависят условия и качество пере­
мешивания, укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси.
Вязкость битума в значительной степени определяется его составом
и структурой, в первую очередь содержанием асфальтенов и их средней
молекулярной массой. Приведенная вязкость растворов высокомоле­
кулярных соединений пропорциональна молекулярной массе раство­
ренного соединения:
Т1ПР = К М а ,
(2.12)
где М — молекулярная масса;
а и К — постоянные, зависящ ие от свойств высокомолекулярного соединения.
70
Приведенная вязкость
(2.13)
% Р=
где Г| — вязкость битума;
т]м — вязкость мальтенов;
С — содержание асфальтенов, %.
Н а рис. 2.12 показано влияние
температуры на вязкость в широком
диапазоне (от — 50 до 150° С).
Очень важно учитывать зависи­
мость вязкости битума от действую­
щей нагрузки. Битум может прояв­
лять как ньютоновское, так и не­
ньютоновское поведение в зависимо­ Рис. 2.12. Зависимость вязкости биту.
от температуры:
сти от условий загружения. Значе­ I — б и т ум мов
БНД
60/90;
2 — битум
МГ
ния вязкости полезно знать при рас­
130/200
четах оборудования для перемеши­
вания битума с минеральными материалами, трубопроводного транс­
портирования битума и т. п. Д ля анализа поведения битумов в дорож­
ном покрытии, деформации которого относительно малы, важно знать
характеристики вязкости битумов при малых деформациях, т. е. для
случая ненарушенной структуры.
Д ля описания неньютоновского течения битумов широкое распро­
странение получила степенная зависимость вязкости от напряжения
или скорости деформирования:
П—1
(2.14)
откуда
п —1
'П1
ие1
*1 г
ие2
п —1
или
<?1
а3
ие1
(2.15)
82
где п — индекс течения;
1’е — скорость деформирования.
Значения вязкости битумов, свойства которых даны в табл. 2.15
при различных температурах и величинах действующего напряжения,
приведены в табл. 2.21 и 2 .2 2 .
С использованием указанных данных определены зависимость вяз­
кости битумов от величины действующих напряжений (рис. 2.13) и вы­
числены значения показателя индекса течения, характеризующего сте­
пень проявления битумом неныотоновских свойств. Величины индек­
са течения для исследованных битумов лежат в пределах 0,60—0,77
при 25° С и в пределах 0,725—0,90 при 60° С. Вследствие нелинейности
свойств битумов при анализе значений их вязкости необходимо учиты­
вать не только температуру, но и уровень напряжений, которому соот­
ветствуют приводимые значения вязкости.
71
Т ем п ер а т у р а ,
°С
1
0.0100
0,0135
0 ,0335
0,0800
0,1270
25
60
80
135*
В я з к о с т ь о б р а зц о в
Н а п р я ж ен и е,
МПа
12-105
10-105
6,5-10?
4,5-105
3,8-105
2
3
4
3 ,5 -Ю 5
2,8-105
2,1-105
1,6-Ю 5
1,35-105
5,0-105
4,0-105
2 , 3 - 106
1,3- ю 5
1,0-105
1,6-10*
1,4-105
9,3-10*
6,3-10*
5,0-10*
0,0100
0,0135
0,0335
0,0800
0,1270
0,0100
0,0135
0,0335
0,0800
0,1270
560510
400
320
290
62
58
53
46
44
280
256
220
190
160
50
48
44
41
38
830
780
570
400
370
65
53
46
210
180
134
102
90
24
22
17
—
—
36
11
0,0100
0 ,6
0 ,4
0 ,7
0 ,3
* В я зк о с т ь при 135° С о п р ед ел я л а сь капил ляр ны м м ет од о м .
Нелинейность свойств битумов проявляется во всем диапазоне
эксплуатационных температур, причем величина индекса течения п
достигает минимума вблизи Т0, а по мере повышения температуры
величина п постепенно возрастает, стремясь к 1. При высоких техно­
логических температурах поведение битумов близко к ньютоновскому.
Следует учитывать, что при воздействии эксплуатационных на­
грузок на дорожное покрытие в конструкции возникает объемное на­
пряженное состояние, т. е. битум работает в условиях повышенного
(в зоне сжатия) давления.
Исследования влияния давления на вязкость различных битумов,
проведенные при температурах 10, 25 и 60° С, показали, что давление
существенно влияет на свойства битума. Характеристики битумов и
Номер о б ­
разца б и ­
ту м а
Таблица
0,012
1
2
4
6
7
9
3900
1200
300
50
40
10
72
В я зк о с т ь при 0° С М П а-с,
и н ап р я ж ен и и , М П а
0,006
6200
1900
400
80
50
20
0,0012
8300
3300
600
100
70
30
2.22
В я зк о с т ь при — 30° С , Г П а • с,
и н а п р я ж ен и и , М П а
0,03
37
8,7
5,6
0,9
1,3
0,8
0,012
42
9,5
6.2
1,1
1,6
0,9
0,006
49
18
7
1,7
2,6
1,1
Т а б л и ц а 2.21
битум а, Па - с
5
-
6
7
8
9
1,8-10*
1,6-10*
1,0-10*
6 , 4 - 103
5 ,0 -1 0 3
9 , 0 - 103
7 , 0 - 103
5 , 6 - 103
3 ,9 -1 0 3
3 , 0 - 103
3 , 8 - 103
3 , 4 - 103
2 , 6 - 103
2 , 0 - 103
1,75-10*
17
16
15
14
13
4
3
3
12
11
11
10
6,0-10*
5,1-10*
3,6-10*
2,6-10*
2,2-10*
3,5-10*
3,1-10*
2,2-10*
1,6-10*
1,3-10*
1,5-10*
1,4-10*
9 , 6 - 103
7 ,6 - Ю3
6 , 4 -103
135
125
96
76
66
18
16
12
90
82
69
57
51
11
9
7
55
50
41
33
29
6
6
5
8
6
5
3
0 ,2
0 ,2
0,1
0,1
31
30
27
25
24
5
4
4
1 0
—
3
3
2
О
О
С
О
—
0,1
0,1
значения вязкости при нормальном и повышенном давлении приведены в табл. 2.23. Влияние давления на зависимость между напряжением
и скоростью сдвига битума № 4 показано на рис. 2.14. Отмечается, что
в условиях повышенного давления хрупкость битума проявляется при
более высоких температурах, чем в условиях испытаний при атмосфер­
ном давлении.
§
§■
0,001
0003
6, мпа
Рис.
2.13. Зависимость
вязкости
битумов
от напряжения а (циф­
рами указаны номера битумов из
табл. 2.21)
Рис. 2.14. Влияние давления на з а ­
висимость между скоростью сдвига V
и напряжением а в битуме:
/ — д а в л е н и е 0,1 М П а; 2 — 11,5; 3 - 2 4 , 1 4 — 36,4; 5 — 46,2 М П а
73
Таблица
Номер
образца
битума
Глубина
проникания
при 25° С
Температура
размягчения,
“С
1
22
92
2
33
73
87
89
68
3
4
5
И ндекс
течения
Вязкость при 25° С,
М П а-с. и давлении, М Па
0,57
0,57
0,56
0,54
0,69
51
46
48
2.23
0,1
50
0,590
0,330
0,055
0,062
0,074
2,58
1,89
0,38
0,55
0,73
Вязкость битумов изменяется во времени в результате комплек­
са физико-химических процессов, рассматриваемых как старение.
В табл. 2.24 приведены данные об изменении_свойств битума после 17
лет эксплуатации покрытий. Глубина проникания битумов, экстра­
гированных из покрытия, составляет 48—73% первоначальной вели­
чины, растяжимость 3— 12%, а температура размягчения 130— 165%.
Несмотря на значительное изменение свойств битума асфальтобетон»
ное покрытие после длительной эксплуатации находилось в удовлетво­
ренном состоянии.
Интерес представляет то, что растяжимость после длительной экс­
плуатации составляла всего 3—5 см, т. е. 3— 12 % от первоначальной
величины, причем наибольшую растяжимость после 17 лет эксплуата­
ции показал битум, имевший наименьшую начальную растяжимость,
т. е. высокая начальная растяжимость не всегда связана со стабиль­
ностью этого показателя во времени.
Данные, характеризующие изменения показателей вязкости и глу­
бины проникания иглы при 25° С в процессе старения, приведены в
табл. 2.25.
Таким образом, вязкость битума в результате старения асфальто*
бетона в покрытии может возрастать в десятки раз. Установлено, что
в результате теплового прогрева образцов битума инфракрасными излу­
чениями вязкость битума возрастает в 30—50 раз после 1000 ч прогре­
ва, что соответствует примерно 5-летнему периоду эксплуатации покрытия.
Исследования битумов, подвергнутых старению при прогреве, по­
казали, что в результате выдерживания битумов в расплавленном соТаблица
Участок
покрытия
Срок службы
покрытия, лет
Глубина проника­
ния иглы
при 25° С
1
1
2
2
3
3
0
17
0
17
0
17
53
39
63
35
68
33
Растяж и м ость
при 25° С, см
42
5
100
3
100
5
2.24
Т ем п ер а т у р а
р а зм я г ч е н и я ,
56
73
52
73
42
70
°С
1
Таблица
Глубина проникания
битума
Вязкость битума, МПа-с
Условия испытания
№1
№2
№1
№2
0,06
0,14
0,20
0,86
1,24
1,54
80
50
47
38
26
20
100
63
54
41
30
28
|
0,09
0,23
0,66
1,24
1,50
2,86
Исходные показатели
После смешения
Через 2 недели
» 4 мес
»
1 год
»
2 года
Таблица
Номер об­
разца би­
тума
1
В язкость битума, М П а-с, при
температуре, °С
0
2
280 000
100 000
3
4
5
21 000
—
—
25
42
12
15
5 ,5
2,2
Номер об­
разца би­
тума
60
0 ,0 1 9
0,010
0,025
0,007
0,005
2.25
6
7
2.26
Вязкость битума, М П а-с, при
температуре. °С
0
3100
2600
8
—
9
10
1100
—
25
1 ,0
0 ,6
0 ,7
0 ,3
0 ,2
60
0 ,0 0 3
0,002
0,001
0,001
0,0005
стоянии при наибольшей технологической температуре в течение 5 ч
их вязкость увеличивается в 3—4 раза. Прогрев битумов № 1—7, от­
носящихся к вязким маркам, осуществлялся при 160° С в слое толщи­
ной 1 мм, а жидких битумов № 8 — 10 — при 110° С. Значения вяз­
кости битумов после старения соответствуют напряжению 0,001 МПа
(табл. 2.26). Значения вязкости битумов до прогрева даны в табл. 2.21.
Исследования зависимости погодостойкости битумов от качества
асфальтенов, проведенные с использованием аппарата искусственной
погоды, показали, что с уменьшением в асфальтенах отношения С : Н
увеличивается стабильность свойств битума. При воздействии солнеч­
ной радиации показатель отношения С : Н резко повышается. Так, если
в начальный период битум имеет С : Н = 0 ,7 2 , то после облучения сол­
нечной радиацией дозой 1 рад* показатель С : Н повышается до 0,82,
а после 2 рад — до 0,92. На стабильность свойств битума оказывает
влияние не только количество, но и химическая природа компонентов.
Специфическим фактором старения является действие микроорга­
низмов, при котором разрушение битума происходит в результате пре­
вращения его компонентов под влиянием биологических ферментов в
водорастворимые соединения. На степень разрушения влияют темпера­
тура, влажность и кислотность среды, доступ воздуха. В табл. 2.27
показано изменение свойств битума под действием микроорганизмов,
содержащихся в грунте.
* 1 рад = 2,388-10е кал/г.
75
Т а б л и ц а 2.27
П р оба
Исходный
После 30 сут
грунте
Т е м п ер а т у р а
р а зм я гч ен и я , °С
Г л уби н а пр оникани я
иглы при 25° С
Растяж им ость
при 25° С , см
39
245
135
46
150
64
в
Помимо необратимых явлений старения в битумах могут происхо­
дить обратимые изменения вязкости, которые зависят от вида сырья и
способа производства битума. Увеличение вязкости со временем служит
показателем тиксотропии и может быть нарушено нагреванием или ме­
ханическим перемешиванием.
Оптимальное значение вязкости битумов на стадии смешения с ми­
неральными материалами составляет 0,2 П а-с, а на стадии уплотне­
ния смесей при устройстве дорожной одежды — 20 Па-с. Соответствен­
но температуры приготовления и укладки материалов назначают в за­
висимости от марки применяемого битума так, чтобы вязкость его при
указанных операциях была близка к оптимальной.
Стандартные методы оценки реологических
свойств битумов
На практике для оценки свойств битумов широкое распространение
получил ряд условных методов испытаний, нашедших отражение в
стандартах многих стран. К ним относятся такие методы, как определе­
ние глубины проникания иглы, температуры размягчения, температуры
хрупкости, растяжимости. В частности, маркировка битумов произ­
водится в большинстве стран по показателю глубины проникания. Р а з­
ность между температурой размягчения и температурой хрупкости
характеризует условный интервал пластичности битумов ИП = Гр —
Т хр. Значения ИП, выраженные в виде отвлеченного числа, назы­
ваемого индексом пенетрации /, также используются в стандартах ря­
да стран.
Ориентировочно связь между величиной / и условным интервалом
пластичности может быть выражена для большинства выпускаемых в
настоящее время битумов как ИП = 6,5 (10 + /).
Изучение связи условных показателей свойств битумов со значе­
ниями их вязкости, модуля деформации, модуля упругости показало,
что ориентировочно показатель температуры размягчения характери­
зует такую температуру, при которой вязкость битума становится рав­
ной 1000 Па-с. Показатель температуры хрупкости характеризует тем­
пературу, при которой модуль деформации битума составляет около
110 МПа при длительности нагружения 11 с, а вязкость битума при
температуре хрупкости — около 1011 Па-с.
Однако существенным недостатком условных методов является то,
что режим воздействия нагрузок на битум при испытаниях совершенно
7®
не соответствует характеру его деформирования в процессе эксплуата­
ции. Поскольку свойства битумов в очень широких пределах зависят от
температуры и условий деформирования, проведение испытаний в ре­
жимах, не соответствующих эксплуатационным, и использование ус­
ловных методов может приводить к неверной оценке их эксплуатаци­
онных свойств. Поэтому в области совершенствования методов оценки
качества дорожных битумов и уточнения технических требований,
предъявляемых к ним, в настоящее время основной тенденцией являет­
ся стремление перейти от определения условных показателей реологи­
ческих свойств (глубины проникания иглы, температуры размягчения
и т. п.) к прямому определению таких характеристик материала,
как вязкость, модуль деформации. Оценка свойств битумов по их вяз­
кости позволяет получать более однородные по консистенции вяжущие,
чем при использовании принятой теперь системе маркировки битумов
по глубине проникания иглы. Разные битумы, имеющие одинаковую
глубину проникания, могут различаться по вязкости в 3—5 раз.
Например, битум с глубиной проникания 40—60 может иметь вяз­
кость при 60° С (после прогрева) в пределах 400—3000 П а-с, битум
марки 60/90 — соответственно 250— 1200 Па-с, 90/130 — 125—700
П а-с, 130/200 — 80—350 П а-с, битум 200/300 — 35—200 П а-с.
В связи с этим целесообразность перехода на маркировку битумов по
вязкости вместо глубины проникания обосновывается повышением точ­
ности оценки консистенции битумов.
В США, в частности, осуществлена в соответствии с нормами
ASTM М226 маркировка битумов по вязкости при 60° С, а определение
глубины проникания иглы временно сохранено в технических требова­
ниях как вспомогательное испытание.
Определение вязкости битума дает объективную характеристику
консистенции вяжущего и отвечает современному уровню требований
к оценке качества материалов. В частности, система маркировки биту­
мов по вязкости, введенная в ряде штатов США, предусматривает пять
марок битумов — A R -1000, AR-2000, AR-4000, AR-8000 и AR-16 000
с вязкостью при 60° С (определяемой после прогрева) в пределах соот­
ветственно 75— 125, 150—250, 300—500, 600—1000 и 1200—2000 П а-с.
Дополнительно нормируется минимальное значение вязкости при
135° С и ряд других показателей. В частности, для битума AR-1000
вязкость при 135° С должна быть не менее 0,14, а для битума AR-1600
не менее 0,55 Па-с.
Д л я жидких медленногустеющих битумов Институтом асфальта
(США) разработаны четыре марки: SC-70, SC-250, SC-800 и SC-3000 с
предельными значениями вязкости при 60° С соответственно 0,4—7,
0,8—10, 2— 16 и 4—35 Па-с.
Однако в отличие от разработанных Институтом асфальта (США)
систем маркировки битумов по вязкости при 60° С для условий нашей
страны более эффективной следует признать маркировку по вязкости
при 0° С. Характерные диапазоны значений вязкости при 0 и 25° С
битумов, относящихся к различным маркам, приведены в табл. 2.28.
Д ля обеспечения необходимой величины интервала пластичности
(теплоустойчивости) битума необходимо нормировать соотношение
77
Т а б л и ц а 2.28
М арка битум а
Д и а п а з о н зн ач ен и й в я зк о сти
би тум а, П а - с , при т ем п е­
р а т у р е , °С
0
БНД
БНД
БНД
БНД
М арка битум а
25
Д и а п а з о н зн а ч ен и й в я зк о с т и
б и т у м а , П а . с , при т е м п е ­
р а т у р е , °С
0
25
(1 0 - 5 0 ) -108 (1— 5) - 105 Б Н Д 200/300 ( 0 , 6 - 3 ) . ю 8 (0,06—0 ,3 )-1 05
40/60
( 6 - 3 0 ) - 1 08 (0,2—3 )-1 0 5 МГ 130/200 (0,3— 1) - 108 (0,03— 0 ,1 ). 105
60/90
(0,1—0,5) -10® (0,01—0 ,0 5 )-1 05
90/130 (3— 15) - 108 (0,3—1,5)- Ю5 М Г 70/130
130/200 (1—5) - 108 (0,1—0,5) - 10?|
между значениями вязкости при 0 и 25° С (или 60° С), а для обеспече­
ния стабильности битумов при нагреве — соотношение между значе­
ниями вязкости до и после прогрева при температуре, соответствующей
установленной технологической температуре нагрева, рекомендуемой
для битума данной марки.
Д ля широкого внедрения в производственных дорожных лаборато­
риях системы контроля качества битумов по их вязкости необходима
разработка простого и оперативного метода определения вязкости, не
требующего сложного оборудования. В качестве такого метода может
быть принято определение вязкости битумов при сжатии между па­
раллельными дисками. Метод сжатия может быть использован для би­
тумов с вязкостью 2— 1 ООО ООО М Па-с. Д ля жидких битумов вязкость
может определяться методом истечения через калиброванное отверстие.
Прочность битумов
Прочность битума является одной из важнейших его эксплуатаци­
онных характеристик, оказывающих значительное влияние на работо­
способность и долговечность асфальтобетонных покрытий. Значитель­
ная часть разрушений асфальтобетонных покрытий связана именно
с потерей прочности в упругой или пластической стадии, причем раз­
рывы или смещения в слое асфальтобетона происходят, как показы­
вают наблюдения, в большинстве случаев по битуму.
Прочность битума очень важна с точки зрения практического при­
менения, так как позволяет установить границу допустимых напряже­
ний. Д л я материала, в котором могут возникать как упругие, так и
пластические деформации, критерий разрушения не может быть связан
непосредственно с величиной действующего напряжения а или величи­
ной полной деформации под нагрузкой, а в значительной степени за­
висит от фактора времени, т. е. от условий загружения. Прочность би­
тума не является величиной постоянной, а зависит от температуры и
условий загружения. При низких температурах и коротких динамиче­
ских" загружениях наибольшее значение прочности битума при сдвиге
составляет 2—ЗМПа. Эта величина снижается при увеличении длитель­
ности действия'нагрузки. Т ак как наибольшее значение модуля упру­
гости битума в этих условиях составляет примерно 3000 МПа, то по­
теря прочности наступает, когда относительная упругая деформация
78
достигает в битуме еупр — 10~3 или
0 , 1 %, т. е. когда а кр = 0 , 001 £ .
О днако^если деформирование
битума не чисто^упругое, то разру­
шение может не произойти и при
больших деформациях.. Величина
е„_
зависит—от вязкости битума.
Ис­
кр
*
следования показали, что чем боль­
0
10
20
30
40 50 ВО Т°С
ше битум проявляет отклонения
от ньютоновского типа течения, тем Рис. 2.15. Зависимость растяжимости
меньше его растяжимость при 25° С, от температуры для битумов различ­
ного реологического типа:
но сохраняется достаточная растя­
битум с
жимость при 0° С (рис. 2.15). Оче­ 1 — ИбПи т=ум73° С;с 3 #—Д =б5и7ту° См ; с 2И П—= 84°
С
видно, необходимо вы брать.такую
характеристику деформативных свойств битума, которая отвечала бы
реальным условиям работы дорожного покрытия при его эксплуата­
ции. Поэтому для оценки эксплуатационных свойств битумов контроль
растяжимости необходимо осуществлять в условиях, когда прочность
и деформативность битума исчерпывается уже при достаточно малых
деформациях. Таким испытанием может служить определение растя­
жимости при 0° С и скорости растяжения 50 мм/мин. Сравнительная
оценка растяжимости большого числа битумов различных типов и ма­
рок при температурах 0 и 25° С и скоростях 5 и 50 мм/мин пока­
зала, что значения растяжимости при 0° С и V = 50 мм/мин не кор­
респондируются со значениями растяжимости при 25° С и V = 50 мм/мин
и значениями растяжимости при 0° С и V = 5 мм/мин. Как видно из
табл. 2.29, растяжимость битумов при 0° С и V — 50 мм/мин увеличиТаблица
н
ОX
Р.О.
СБ
Лк
5к к
к,-,
\£> сз<->
>> *о
Ч кю
Ь- кем
£
н
о
О
Я *
Р я
о -н
£ и
£ Я
К Со
38
83
88
96
177
50
40
73
68
47
95
98
72
76
74
69
57
55
55
54
57
60
61
60
60
65
59
58
68
69
87
76
Р а с т я ж и м о с т ь , СМ
П
(в
°
„6 0
Д 25
До
Ьз
осл
о
т
сз
а
ХО м
° &
р.
«к
8 «
5 я
X я
>> к о
4 * 0
КО!
а
н
и
_ о
ч
со я
В
т н
о .?
ш5
н «
К со
117
87
40
118
103
90
82
63
112
111
116
157
209
133
158
206
67
70
68
80
66
66
72
66
70
65
67
69
55
59
60
66
О8
0 .0 .
1
ЕО
5
X я
я
С В
я к1
с я
1.
2.29
Р а с т я ж и м о с т ь , см
77БО
М
2 5
6
До
1 00+
74
55
11,5
23
64
50
100+
100+
100476
100+
88
100+
60
32
7 ,0
6 ,0
4 ,5
3 ,5
5 ,0
6 ,5
7 ,5
5 ,0
6 ,0
16,0
9 ,0
10,0
6 1 ,0
5 1 ,0
3 7 ,0
2 2 ,5
л5 0
До
«№ >*
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ю
11
12
13
14
15
16
100+
100 +
1 00 +
100+
92
100+
59
100+
100+
100+
76
100+
53
82
4 ,5
9 ,5
1,5
9 ,5
1,5
3 8 ,5
6 7 ,5
1,5
3 ,5
5 ,5
5 ,0
11,0
4 ,2
6 ,5
5 ,5
2 ,5
3 ,5
0 ,5
0 ,5
0 ,5
0 ,6
0 ,7
0 ,5
0 ,5
0 ,5
0 ,7
0 ,5
0 ,9
1,0
0 ,9
1,0
2 ,5
2 ,8
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
3 ,0
3 ,0
3 ,0
3 ,0
3 ,3
4 ,0
4 ,0
4 ,5
4 ,5
5 ,0
5 ,0
5 ,0
6 ,3
9 ,0
Ю,7
10,7
79
вается по мере снижения вязкости (или увеличения глубины проника­
ния), а при одинаковой глубине проникания возрастает с увеличением
интервала пластичности битума. Д ля более полного изучения влияния
температуры и скорости деформирования на растяжимость битумов
часть из них испытана на разрывной машине со скоростями растяже­
ния 110 и 500 мм/мин.
Помер образца битума .
Растяжимость, см, при
18° С и а = 500 мм/мин
Растяжимость, см, при
25°С и к = 110 мм/мин
57
3
48
9
21
5 ,9
6 ,0
9 ,6
11, 6 12,0 1 2 ,9 2 5 ,0 101 1 0 0 +
55,0
7 ,0
2 9 ,5
—
3 0 ,9
54
16
37
38
— 100+100+100+
По мере увеличения интервала пластичности битума чувствитель­
ность показателя растяжимости к изменению скорости деформирова­
ния уменьшается.
Статистическая обработка результатов испытаний большого числа
битумов на растяжимость в области Д < Д тах при различных темпе­
ратурах и скоростях растяжения позволила выразить связь между ре­
ологическим типом битума и степенью влияния температуры и скорос­
ти растяжения на Д эмпирическими уравнениями:
(1вД 5*-1вД 8°М ЯЛ -55)=14;
Ой До — и Д о 0) - (Я Я — 55) = 2 , 5 .
(2.16)
Из сопоставления этих уравнений следует, что повышение (пониже­
ние) температуры испытания на 5,6° С может быть компенсировано
увеличением (уменьшением) скорости испытания в 10 раз. Иными
словами, режим работы материала при одной температуре может быть
имитирован испытанием при другой температуре, если это произволь­
ное изменение АТ компенсировать соответствующим изменением ско­
рости испытания. Этот прием базируется на использовании принципа
температурно-временной суперпозиции Больцмана. Н а основе исполь­
зования этого принципа процесс растяжения битумных пленок в рас­
четных эксплуатационных условиях работы дорожного покрытия (ста­
тический режим Т — — 20° С, V = 0,05 мм/мин и динамический ре­
жим Т = 5° С, V = 500 мм/мин) может быть имитирован испытанием
при 0°С и V = 50 мм/мин, и расчетным путем определены требования
к растяжимости битумов при 0° С и V = 50 мм/мин в зависимости от
климатических условий района применения битума и его интервала
пластичности.
Д ля быстрого нахождения ориентировочных значений предельной
растяжимости битума екр в заданных условиях по температуре и дли­
тельности растяжения может быть использована номограмма (рис.
2.16), позволяющая определять екр исходя из известных стандартных
характеристик битума — глубины проникания иглы и температуры
размягчения.
Из примера, приведенного на рис. 2.16, видно, что предельная
растяжимость битума с индексом пенетрации + 1 при температуре,
равной температуре размягчения данного битума, и продолжитель­
ности растяжения до разрыва 1 с, равна 15.
80
Для'оценки прочностных свойств
битумов в условиях растяжения
наиболее распространенным явля­
ется испытание на растяжимость с
определением величины Д . Сог­
ласно государственному стандарту,
100 50 0 20 I/O SO 80 100
Выше Tp
Ниже Tp
" |......... .. i
растяжимость битумов определяют
Разность
температур T-Jp
при 25й С и скорости растяжения
50 мм/мин. Рекомендуется также
определять растяжимость битумов
при 0°С. Отмечается несомненная
связь между растяжимостью при О С
и поведением битума в покрытии.
П оказатель
растяжимости
при 25 °С подвергается серьез­
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000100000
ной критике как критерий экс­
время Но разрушения, с
плуатационных качеств битума,
поскольку принятый режим ис­ Рис. 2.16. Номограмма для определе­
пытаний совершенно не соответ­ ния предельной растяжимости биту­
мов
ствует условиям работы битума
в дорожной конструкции. В про­
цессе эксплуатации дорожной конструкции битум работает в усло­
виях малых деформаций и его способность вытягиваться в нити
длиной 50— 100 см и более не реализуется при работе конструкции.
Наиболее распространенным видом повреждений асфальтобетонных
покрытий в большинстве районов страны является образование тре­
щин, связанное с недостаточной деформативностью материала. В связи
с этим большое значение имеет оценка деформативной способности би­
тумов при растяжении. Величина предельной относительной деформа­
ции в битуме может быть вычислена по результатам испытания битумов
при растяжении исходя из эффективной начальной длины образца Ь0
и конечной длины Ь в момент разрыва. Поскольку деформации битума
при испытании являются конечными, то величина удлинения X =
L -L „
обычно принимаемая за меру деформации при рассмотре­
i .i-j
L0
нии бесконечно малых деформаций (согласно определению Коши),
в данном случае неприменима и деформацию следует определять (со­
гласно Хенке) как с/е =
Таким образом,
dL
-= 1n (1 -}- А,) =
2 ,3
1g (1—
)- Я.).
(2.17)
Связь между значениями екр и удлинением образца битума Д = Ь
Ь0 (для Ь0 = 1 см) приведена ниже:
Деформация
растяже­
ния
................................
Удлинение образца, см
0 ,0 9
0,1
0 ,6 9
1
1, 10
2
1,38
3
1,90
5
2 ,4 0
10
3,03
20
81
Вследствие того, что разруше­
ние материала в процессе эксплуа­
тации происходит под действием
многократно прилагаемых^нагрузок, потерю^прочности следует рас­
сматривать как кинетический про­
цесс, начинающийся с момента
приложения к телу любых, сколь
угодно малых напряжений. Вслед­
ствие этого значение предела проч­
ности всегда следует давать с ука­
Рис. 2.17. Влияние температуры и ча­
стоты воздействия нагрузки на уста­
занием длительности действия раз­
лость битумов:
рушающей нагрузки и таким обра1 ~ 50 Г2Ц0” С :Т - /о°гц при~20°с гц приЙ й 3° м с физической точки зрения бо­
лее обоснованно говорить не о пре­
деле прочности, как о некотором
критическом напряжении, а о долговечности образца под действием
данной нагрузки.
~Т_В общем случае явление снижения прочности при продолжи­
тельном воздействии постоянной или повторных нагрузок называет­
ся усталостью. Явление усталости битума — одно из важнейших по­
казателей, характеризующих эксплуатационные свойства под дей­
ствием многократно прилагаемых нагрузок. Вследствие пластичности
битумов влияние фактора времени на их прочностные и деформативные свойства сказывается в значительной степени. Поэтому при
изучении свойств битумов и асфальтобетонов характеристики уста­
лости имеют большое значение.
Подробные исследования, проведенные на битумах, полученных из
нефтей различных месторождений, показывают прямую связь между
пластичностью битума и влиянием времени на показатели прочности.
На рис. 2.17 приведены результаты испытаний битумов на усталость
под действием циклической нагрузки [27].
Битум в тонких пленках имеет физические свойства, отличающиеся
от свойств в массе (объеме). Изучение разрыва стальных пластинок,
склеенных битумом слоем разной толщины, показало, что битумы в
пленках толщиной менее 0,1 мм имеют свойства, приближающиеся к
свойствам твердого тела. Значение модуля объемного сжатия для би­
тума принимают равным 2200—2300 МПа при 25° С, а теоретическая
прочность пленки вне зависимости от ее толщины рассчитана равной
170 МПа. Действительная прочность пленки значительно ниже и из­
меняется с ее толщиной. Оптимальная толщина пленки меняется в за­
висимости от поверхностной активности битума, т. е. от его химиче­
ского состава. Прочность пленки битумов зависит от их состава и про­
исхождения примерно в такой же степени, как и величина поверхно­
стного натяжения, т. е. от содержания компонентов гетероциклического
и ароматического характеров. Действительная прочность пленки
близка для всех битумов и по разным данным составляет 1,5—2 МПа.
Однако в дорожном покрытии необходимо рассматривать свойства би­
тума не в чистом виде, а в битумоминеральных составах [9].
82
Зависимость деформативных свойств битумов
от их химического состава и структуры
Реологические свойства битумов зависят как от химического соот­
ношения компонентов, входящих в их состав, так и от их качества.
Химический состав сырья (т. е. природа нефти) влияет на структуру
битумов и, следовательно, на их реологические свойства.
Способ производства битума также оказывает большое влияние
на показатели его свойств. Отогнанным битумам, как правило, при­
суща большая стабильность, но меньшая величина интервала пластич­
ности, чем битумам, полученным при окислении тяжелых нефтяных
фракций воздухом.
Длительность и температура окисления оказывают значительное
влияние на свойства. При окислении до одинаковых температур раз­
мягчения нефтяных фракций различной консистенции, полученных
при перегонке нефти одного месторождения, показано, что битумы из
маловязкого сырья больше отклоняются от ньютоновского типа тече­
ния, а из сырья с высокой вязкостью — меньше. Таким образом, окис­
ление увеличивает отклонение от ньютоновского типа течения, а ком­
паундирование сильно окисленного битума фракцией той же нефти
обычно увеличивает это отклонение в еще большей степени. Битумы
показывают увеличение вязкости со временем, которое не связано с
потерей летучих веществ. Размер этого процесса зависит от вида сырья
и способа производства битума. Затвердевание нарушается нагрева­
нием или механическим перемешиванием (явление тиксотропии).
Н а реологические характеристики битумов оказывают влияние в
первую очередь свойства асфальтенов, которые определяются в основ­
ном размерами их молекул, гибкостью и взаимодействием молекул и
отдельных их звеньев между собой. Н а прочность и деформативность
битума оказывают влияние объемность молекул асфальтенов и их вза­
имодействие (ассоциация при понижении и диссоциация при повыше­
нии температуры). Чем больше размер молекул асфальтенов и меньше
их склонность к диссоциации при повышении температуры, тем выше
прочность пленки битума. Чем выше молекулярная масса высокомо­
лекулярного вещества, тем лучше его механические свойства, тем разветвленнее и длиннее боковые цепи молекулы, тем выше пластичность.
Мальтены должны иметь низкую температуру хрупкости и хорошую
растворяющую способность по отношению к асфальтенам.
При постоянном отношении количества смол к циклическим угле­
водородам увеличение содержания насыщенных углеводородов ведет
к получению битумов с увеличивающейся глубиной проникания. При
постоянном отношении количества смол к насыщенным углеводородам
увеличение содержания ароматических углеводородов оказывает очень
малое влияние на глубину проникания иглы.
Увеличение количества смол при постоянном отношении насыщен­
ных углеводородов к циклическим ведет к повышению температуры
размягчения, уменьшению индекса пенетрации, увеличению модуля
упругости.
83
Повышение содержания насыщенных углеводородов при постоян­
ном отношении количества ароматических углеводородов к смолам
практически не меняет температуру размягчения, повышает индекс
пенетрации, дает битумы с более пологой кривой температурной за­
висимости вязкости, мало влияет на значения модуля упругости.
Увеличение содержания ароматических углеводородов при постоян­
ном отношении насыщенных углеводородов к смолам практически не
изменяет индекс пенетрации, но при достижении очень высоких кон­
центраций ароматических углеводородов индекс пенетрации несколько
снижается, вязкость битума не увеличивается, но кривая зависимости
вязкости от температуры становится более крутой.
2.4. СВОЙСТВА БИТУМОМИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Битумы применяются в дорожном строительстве главным образом
для приготовления различных битумоминеральных материалов.
Асфальтобетоны различного состава являются основным материа­
лом для строительства дорожных покрытий усовершенствованного
типа. Основные черты асфальтобетонов как термопластичных материа­
лов определяются особенностями свойств битумов, в связи с чем общие
закономерности влияния температуры и времени загружения на пове­
дение асфальтобетона под нагрузкой имеют сходный с битумами харак­
тер. Реологические свойства асфальтобетона в значительной мере опре­
деляются свойствами битума, применяемого для его приготовления.
Так, например, два разных асфальтобетона с одинаковым составом мине­
ральной части, но с битумами различного реологического типа (т. е.
с различной величиной интервала пластичности) будут иметь раз­
личную температурную чувствительность, т. е. могут быть отнесе­
ны к различным реологическим типам. Сравнение влияния температу­
ры на пластичность битумов и асфальтобетонов подтверждает, что
может быть приведена аналогия между реологическим типохм битума
и реологическим типом асфальтобетона.
Соотношение между пластичностью асфальтобетона и пластично­
стью битума характеризует жесткость асфальтобетона
(2 . 18)
Рб
Жесткость асфальтобетона определяется составом минеральной ча­
сти, содержанием битума и его свойствами. Поскольку объемная концен­
трация битума в асфальтобетоне меняется при изменении температу­
ры, то и величина г|) меняется с температурой. Влияние состава мине­
ральной части асфальтобетонов на соотношение между их модулем де­
формации и модулем деформации битума показано на рис. 2.18.
Результаты испытаний асфальтобетонов на ползучесть под дейст­
вием постоянной нагрузки показывают, что развитие деформаций во
времени подчиняется уравнению е = -2 84
[15].
Характерные кривые, выража- $ мпа
;
ющие развитие во времени величи­
ны прогиба балки из асфальтобето­
10к
3
на под действием постоянной на­
грузки для разных температур,
приведены на рис. 2.19. Анализ
10е
графиков, выражающих деформа­
цию как функцию времени, в ко­
ординатах с арифметической шка­
лой менее удобен, чем анализ гра­
101
фиков е (¿), построенных в коорди­
натах с логарифмической шкалой.
Кривые, представленные на рис.
2.19, а в координатах с арифметиче­
10
ской шкалой, при использовании
ю ц 8Б, м п а
10е
10е
логарифмической шкалы обращают­
ся в прямые линии (рис. 2.19, б). Рис. 2.18. Влияние состава минераль­
Наклон линий к оси времени оп­ ной части асфальтовых материалов
ределяется, согласно уравнению на соодношение между их модулем
деформации 5 М и модулем деформа­
(2 . 1), степенью пластичности мате­
ции битума 5о:
риала при соответствующей темпе­ 1 — м ел к озер н и ст ы й а с ф а л ь т о б ет о н ; 2 —
песчан ы й
а сф а л ь т о б ет о н ;
3 — литой
ас­
ратуре.
ф а л ь т о б ет о н ; 4 — а сф а л ь т о в а я м асти к а;
5 — б и ту м
Как следует из результатов ис­
следований, уравнение(2.5) описы­
вает зависимость пластичности от температуры в диапазоне экс­
плуатационных температур, характерных для асфальтобетонных по­
крытий (обычно в пределах от -—30 до 70° С).
Испытания на ползучесть, проведенные при воздействии постоян­
ных нагрузок разной величины! показали, что в сравнительно узком
диапазоне нагрузок, реально используемых при испытаниях, соблюда­
ется принцип подобия и, следовательно, выбор величины нагрузки
практически не оказывает влияния назначения пластичности асфаль­
тобетона. Имеются данные, что линейность свойств асфальтобетона
сохраняется при деформациях до 0,1% [16, 5].
Пластичность зависит в значительной степени от содержания и
свойств вяжущего в асфальтобетоне.
По результатам испытаний на ползучесть могут быть определены
значения модулей упругости, модулей деформации и вязкости асфаль­
тобетонов различных типов.
Модуль упругости является одной из важнейших характеристик
асфальтобетона, имеющей первостепенное значение при инженерных
расчетах дорожной конструкции. Данные о значениях модулей упру­
гости асфальтобетонов необходимы как для расчета всей дорожной кон­
струкции в целом, так и для определения величин напряжений и де­
формаций, возникающих в слое асфальтобетона при различных усло­
виях эксплуатации (табл. 2.30). С использованием уравнения (2.9)
может быть осуществлен переход от значений модуля упругости,
определенных в одном режиме, к значениям, соответствующим выб­
ранному расчетному режиму.
85
Рис. 2.19. Развитие деф ор­
маций прогиба в образце
асфальтобетона под дейст­
вием постоянной нагрузки:
а — в к о о р д и н а т а х с а р и ф м ет и ­
ческой ш к ал ой ; б — в к о о р д и н а ­
т а х с л о г а р и ф м и ч е ск о й ш кал ой
100
500 Ь,С
0
10
100 ь,с
В табл. 2.31 приведены значения модулей упругости, соответст­
вующие динамическому и кратковременному режимам нагружения,
асфальтобетонов различных типов (1 — горячий, 2 — теплый, 3 —
холодный).
Как видно из рис. 2.20, в диапазоне динамических нагружений за­
висимость модуля упругости от длительности действия нагрузки со­
ответствует уравнению Е — Е х1~р.
Экспериментальные данные показывают, что значения модуля уп­
ругости асфальтобетонов могут варьировать в очень широких преде­
лах (от 30 ООО МПа при низких температурах и кратковременных воз­
действиях нагрузок до значений модуля деформации 5—7 МПа при
высоких температурах). При циклических нагружениях снижение зна­
чений модуля упругости с ростом температуры сопровождается увели­
чением фазового угла между напряжениями и деформациями. Очень
большое влияние на реологические свойства асфальтобетона оказы­
вают его состав и технология приготовления.
Таблица
Д лител ь­
н о ст ь д е й ­
ствия н а г ­
р у зк и , с
0,0022
0,0063
0,0122
0,0283
0,1440
2.30
М о д у л ь у п р у г о с т и а сф а л ь т о б е т о н а , М П а , при т е м п е р а т у р е , °С
— 45
-3 0
— 15
—5
5
2 0
9400
8900
8350
8150
7400
8900
8500
8250
7900
7400
7750
7150
6600
6150
5250
7450
6300
5600
4870
3700
6300
5600
4080
3000
2170
3700
2400
1800
1260
660
35
50
1960
1380
825
500
250
825
440
275
184
—
Таблица
2.31
М одули, МПа
А сф а л ь т о ­
б ет о н
1
2
3
1
2
3
86
Т ем п ер а т у ­
р а, °С
0
0
0
20
20
20
уп р у г о с т и
при 0,02 с
уп р у го с т и
п р и 0,2 с
5000
3000
2500
2500
1750
1250
3000
1600
1100
1100
650
400
деф орм ац и и
при 1 с
2300
1000
650
650
330
170
П л а ст и ч ­
н о ст ь
0,20
0,28
0,35
0,35
0,43
0,50
Таблица 2.32
В я зк о с т ь а сф а л ь т о б ет о н а П а -с,
п р и т ем п ер а т у р е, °С
В и д а сф а л ь т о б ет о н а
50
Горячий на битумах с вяз­
костью 100—500 П а-с
при
60° С
Теплый на битумах с вязко­
стью 25— 100 П а-с при 6 0 ° С
Холодный на
битумах
с
вязкостью
5—25 П а-с при
60° С
20
о
-1 0
-3 0
»
I
I
'
3-10*
4 - Ю10
2-1013
4-Ю1*
2 -1 0 « ]
2-10«
МО9
З-Ю12
7-1013
Ы 0 1в
8-105
8-107
5-Ю10
ы о 12
1•1015
Вязкость является основной характеристикой, определяющей тех­
нологические свойства асфальтобетонных смесей на стадиях переме­
шивания, укладки и уплотнения. Вязкость асфальтобетона в верхнем
слое дорожного покрытия непосредственно влияет на интенсивность на­
копления пластических деформаций в процессе эксплуатации. Сред­
ние значения вязкости асфальтобетонов разных типов приведены в
табл. 2.32 для условий ползучести при изгибе.
Такая характеристика асфальтобетона, как коэффициент Пуассо­
на, не является величиной постоянной, а зависит от величины самой
деформации, температуры и скорости деформирования (рис. 2 . 21 ).
Асфальтобетон в дорожном покрытии работает в условиях колеба­
ний температур. В результате изменений температуры покрытия в ас­
фальтобетоне возникают напряжения, в значительной мере влияющие
Рис. 2.20. Зависимость модуля упру­
гости асфальтобетона от температу'
ры и длительности действия нагрузок
стоты нагружения со на значения ко­
эффициента Пуассона V асфальтобе­
тона
87
Т а б л и ц а 2.33
Температура, °С
— 10
0
10
20
30
Динамический
модуль упругости,
МПа
12
8
5
2
1
500
500
000
300
000
П р е д е л прочности
П редел ьная
МПа
относительная
деформация
7,5
9,0
10,0
8,5
6,5
0,0011
0 ,0 0 1 4
0 ,0 0 2 7
0 .0 0 9 0
0 ,0 1 3 0
при растяжении,
на срок службы покрытий. В связи с этим для анализа работы дорож­
ных покрытий большое значение имеют теплофизические характери­
стики асфальтобетона.
Теплопроводность асфальтобетона в среднем равна 0,9 ккал/(м - ч -СС),
удельная теплоемкость 0,4 ккал/(кг- °С), температуропроводность
1 • 10- 3 м2/ч, коэффициент теплоусвоения 20 ккал/(м 2 -ч-°С).
Коэффициент линейного температурного расширения а асфальто­
бетона зависит от содержания в нем битума и составляет обычно
(2—4)-10~Б. С увеличением содержания битума коэффициент а асфаль­
тобетонов возрастает.
Д ля расчета дорожных конструкций используются значения проч­
ности асфальтобетона при растяжении — важнейшая характеристика,
определяющая трещиноустойчивость материала при воздействии транс­
портных нагрузок (растяжение при изгибе) и при температурных де­
формациях.
Величина прочности битумоминеральных материалов при растяже­
нии зависит от состава смеси, свойств битума, степени уплотнения и не
превышает обычно 3,5— 10 МПа.
В табл. 2.33 приведены значения прочности, полученные при дина­
мическом растяжении материала, приготовленного из гравийно-песчаной смеси на битуме с глубиной проникания 90, при разных темпера­
турах.
При изгибе прочность асфальтобетонов такж е в значительной сте­
пени зависит от температуры и скорости деформирования. Однако ха­
рактер зависимостей, получаемых при испытаниях на изгиб, имеет су­
щественное отличие от аналогичных зависимостей, полученных при
сжатии. Как видно из рис. 2.22, график
(Т) имеет явно выражен­
ный максимум. При температурах выше и ниже точки максимума мате­
риал имеет более низкие значения прочности. Падение прочности при
понижении температуры связано с проявлением хрупкости. Эта важная
особенность в поведении асфальтобетонов совершенно не проявляется
при стандартных испытаниях на сжатие.
Показательным в этом отношении является сопоставление результа­
тов испытаний асфальтобетона на прочность при сжатии со скоростями
3 и 250 мм/мин. Это сопоставление показывает принципиальное разли­
чие в характере получаемых закономерностей (см. рис. 2 .22 ).
В отличие от прочности при сжатии /?сж, непрерывно возрастающей
при понижении температуры, график Риз° (Т) имеет максимум при
температуре 20°С. Вследствие различия получаемых зависимостей вы­
воды о качестве асфальтобетона, полученные на основании результатов
88
1_
испытаний на прочность при сжатии, не будут однозначны с выводами,
которые могут быть сделаны на основе испытаний на прочность при
быстром изгибе. Это существенно меняет принцип подбора оптимального
состава асфальтобетона. Для того чтобы получить асфальтобетон, об­
ладающий наибольшей трещиноустойчивостью, необходимо подобрать
состав, который имел бы наибольшую прочность при быстром изгибе
при температурах, принятых за расчетные по условию трещиностойкости, и в то же время обладал достаточной сдвигоустойчивостью при
высокой температуре.
Прочность при изгибе и положение максимума на кривой /?113Г (Т)
зависят от скорости деформирования, свойств и количества битума,
гранулометрического состава и свойств минеральной части асфальтобе­
тона. При увеличении скорости испытания максимум смещается в об­
ласть более высоких температур. Это еще раз указывает на то, что ско­
рость деформирования, принятая при испытаниях, должна быть увя­
зана с реальными условиями работы асфальтобетона в процессе эксплу­
атации дорожного покрытия.
Большое влияние на характер кривой /?пзг (Г) оказывает реологи­
ческий тип битума. Так, испытания образцов асфальтобетона, имеющих
одинаковый гранулометрический состав минеральной части, приго­
товленных на битумах разных марок, показали резкое различие в ходе
зависимости прочности при быстром изгибе от температуры (рис. 2.23).
С увеличением вязкости битума максимум смещается в область более
высоких температур.
Асфальтобетон должен сохранять достаточно высокую трещиностойкость как при отрицательных температурах, характерных для зимнего
периода эксплуатации, так и при невысоких положительных темпера­
турах, характерных для весеннего и осеннего периодов эксплуатации.
Рис. 2.22. Зависимость предела проч­
ности асфальтобетона от темпера­
туры:
Рис. 2.23. Зависимость предела проч­
ности асфальтобетона различного со.
става от температуры:
1 — я а и зг и б при с к о р о ст и д е ф о р м и р о в а ­
ния 250 м м /м и н ; 2 — на с ж а т и е при ск о р о ­
сти д еф о р м и р о в а н и я 3 м м /м и н
1 — горяч ий; 2 — х о л о д н ы й
89
Таким образом, необходим состав,
обладающий достаточно высокой
прочностью при быстром изгибе в
широком температурном диапазо­
не. Это может быть достигнуто в
случае применения теплоустойчи­
вого битума с широким интерва­
лом пластичности.
Поскольку асфальтобетон в до­
рожном покрытии подвергается
многократным воздействиям, посто5 . 1 ,2о4^
Т
“ ^ Г * с г 0.г
»«“ » приводящим к его разруше1 - горячий; 2 — теплый; з-холодны й
нию, очень важна оценка усталост­
ных характеристик асфальтобето­
нов. РезультатьГиспытаний на усталость асфальтобетонов различного
состава приведены на рис. 2.24. Большое влияние на усталостную дол­
говечность оказывает степень уплотнения асфальтобетона, его пори­
стость. Влияние пористости особенно сильно проявляется при цик­
лическом деформировании асфальтобетона, находящегося в водонасы­
щенном состоянии.
Наблюдения показывают, что асфальтобетонные покрытия в про­
цессе эксплуатации значительную часть срока службы работают в ус­
ловиях увлажнения и циклического замораживания-оттаивания. Д ли­
тельность периодов работы в указанных условиях неодинакова в раз­
личных районах страны и зависит от таких климатических факторов,
как количество солнечных дней в году, количество выпадающих осад­
ков и температура воздуха.
Результаты наблюдений за состоянием асфальтобетонных покрытий
показывают, что минимальная влажность асфальтобетона в покрытии
в летние месяцы составляет 0,5—'1, 5 %.
Длительная эксплуатация покрытии в условиях увлажнения приво­
дит к изменениям в структуре асфальтобетона и отражается на кинети­
ке развития процессов усталостного разрушения асфальтобетона.
Исследованиями, проведенными в Гипродорнии, показано, что ме­
ханизм ускоренного усталостного разрушения водонасыщенного ас­
фальтобетона в покрытии при работе в режиме циклических динамиче­
ских нагружений обусловлен в определенной степени возникновением
импульсных гидродинамических давлений в насыщенных водой порах
асфальтобетона. В этом плане значительный интерес представляет изу­
чение закономерностей изменения усталостных свойств асфальтобето­
на в зависимости от длительности его пребывания в воде и количества
циклов замораживания-оттаивания.
Полученные данные могут послужить основой при выявлении оп­
тимальных типов асфальтобетонов для устройства дорожных покрытий
в зависимости от региональных климатических условий и особенностей
эксплуатационного режима покрытий.
Гипродорнии совместно с Союздорнии^проведены исследования ус­
талостных свойств асфальтобетонов,^ предварительно, подвергнутых
различным режимам воздействия воды и мороза [16].
90
Таблица
Д л и т ел ь н о ст ь
в ы д ер ж и в ан и я
Номер
образца
1
2
3
4
5
К ол и ч ест зо цикл ов д о р а зр у ш ен и я
при а* ш л и т у д е п р оги ба, м м
в воде
Сухие
Водонасыщенные
5 сут
15
30
»
»
0,42
0,32
8 88 0
8 100
7 960
7 09 0
5 500
37100
31 9 0 0
30 200
30 400
21 6 0 0
|
0,26
148
85
74
70
55
00 0
700
30 0
80 0
00 0
2.34
К оэф ф и ц и ен т
устал ости
1
0 ,1 7 5
0 ,1 9 0
0 ,2 0 0
0 ,2 0 0
0 ,2 0 0
Результаты усталостных испытаний образцов асфальтобетона, под­
вергнутых различным срокам выдерживания в воде после водонасыщения под вакуумом, приведены в табл. 2.34. Водонасыщение асфальтобе­
тона резко снижает его усталостную долговечность. Так, при длитель­
ности пребывания в водонасыщенном состоянии 30 сут усталостная дол­
говечность снижается в 1,6—2,7 раза.
Существенно влияет на усталостную долговечность асфальтобето­
на циклическое замораживание-оттаивание воды в порах. После 25
циклов замораживания-оттаивания водонасыщенных образцов их ус­
талостная долговечность снижается в 1,5—2,5 раза, а после 200 циклов
она составляет 10—30% от долговечности сухих образцов (табл. 2.35).
Поскольку за срок службы асфальтобетонного покрытия общее ко­
личество циклов замораживания-оттаивания воды в порах для многих
районов может достигать 100 и более, резкое снижение усталостной
долговечности в результате совместного воздействия воды и мороза
может являться одной из основных причин преждевременного раз­
рушения асфальтобетонных покрытий в процессе эксплуатации.
Исследования условий разрушения асфальтобетона при растяже­
нии и сжатии, проведенные в широком диапазоне температур (от — 8
до 65°С) и скоростей деформирования (от 10~4 до 10 мин-1), показали,
что для горячего асфальтобетона предельная деформация растяжения
составляет 0 ,0022 —0 , 012 ^ в зависимости от условий нагружения,
при этом разрушающее напряжение находится в пределах 0,1—3,4
МПа. При сжатии соответственно предельная деформация составляет
0,01—0,03, а разрушающее напряжение 0,1— 10 МПа. Соотношение
Т а б л и ц а 2.35
Номер
обр азц а
1
6
7
8
9
10
К ол и ч ество
ци к л ов з а м о ­
раж иванияоттаи в ан и я
Сухие
5
25
50
100
200
К ол и ч ест в о ц и к л о в д о р а зр у ш ен и я
при а м п л и т у д е пр оги ба , мм
0,42
8 88 0
7 23 0
5 760
4 34 0
3 560
2 720
0,32
37
26
22
17
10
7
100
780
400
000
000
600
К оэф ф и ц и ен т
у с т а л о ст и
0,26
148
79
61
45
21
14
000
400
600
70 0
000
150
0 ,1 7 5
0 ,1 9 0
0 ,2 0 0
0 ,2 0 0
0 ,2 6 5
0 ,2 9 0
91
между разрушающим напряжением
<т и предельной деформацией впр
показано на рис. 2.25.
Как следует из результатов ис­
пытаний на прочность при раз­
личных режимах нагружения, в
том числе испытаний на усталость,
зависимость прочности асфальтобе­
тона от длительности действия наг­
рузки
Я ^ 1 у - р,
(2.19)
где И — прочность при ( — 1 с.
Поскольку разрушение асфаль­
тобетона в условиях эксплуатации
дорожных покрытий всегда носит
усталостный характер, т. е. являет­
Рис. 2.25. Соотношение меж ду вели­
ся
результатом длительного воздей­
чинами разрушающего напряжения и
ствия переменных по величине на­
предельной деформацией:
1
при сжатии; 2 — при растяжении
пряжений, расчет требований к
прочности асфальтобетона для кон­
кретных условии применения должен опираться на анализ его пове­
дения в течение срока службы с учетом нестационарного характера
изменений напряженно-деформированного состояния асфальтобетона,
его старения, развития процессов усталости и воздействия факторов
окружающей среды.
—
2.5. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НЕФТЯНЫМ
БИТУМАМ
Выбор битума определяется областью его применения, принятой
технологией производства работ и технико-экономическими требова­
ниями к сооружаемой конструкции.
Технологические условия применения битумов на стадии приготов­
ления асфальтобетонных смесей в значительной степени зависят от мар­
ки битума. Поскольку оптимальная вязкость битума в процессе при­
готовления асфальтобетонных смесей составляет около 0,2 П а-с, тем­
пература его нагрева при смешении с минеральными материалами при­
нимается такой, чтобы вязкость соответствовала оптимальной.
Д ля битумов разных марок, обладающих различной консистенци­
ей, температура, при которой достигается указанная вязкость, будет
неодинаковой. Рекомендуемая температура нагрева при смешении с
минералами принимается 150— 160°С для битумов Б Н Д 40/60, 140—
150 °С для БН Д 60/90, 130— 140 °С для Б Н Д 90/130, 1 10— 120 °С для
БН Д 130/200, 100— 110 °С для Б Н Д 200/300. Продолжительность вы­
держивания битума при этой температуре должна быть не более 5 ч во
избежание развития процессов старения. При температуре не выше
80°С вязкие битумы допускается выдерживать не более 12 ч, а жидкие
битумы класса МГ — при температуре не выше 60°С не более 12 ч.
92
Оптимальная вязкость битума при укладке асфальтобетонной смеси
равна 20П а-с. Температура асфальтобетонных смесей при укладке
должна быть для составов на битумах с глубиной проникания 40— 130
не ниже 120°С, с глубиной проникания 130—300 не ниже 80°С.
Битум должен отвечать определенному комплексу требований,
предъявляемых к его физико-химическим, механическим и адгези­
онным свойствам, а также стабильности этих свойств в условиях экс­
плуатации. Требования к физико-механическим свойствам битумов
устанавливаются исходя из общих требований к эксплуатационной на­
дежности конструкции, района строительства и вида конструктивного
слоя, в котором используется битум.
Разнообразие климатических условий нашей страны и различия
эксплуатационных условий работы битума в асфальтобетонных покры­
тиях в зависимости от района расположения дороги и положения слоя
в конструкции дорожной одежды обусловливают необходимость диффе­
ренцирования требований к свойствам дорожных битумов с учетом
области их применения.
Основными реологическими параметрами, определяющими эксплу­
атационное поведение битумов в конкретных условиях применения,
являются интервал пластичности, консистенция (вязкость) и предель­
ная растяжимость.
Д ля строительства дорожных одежд необходимо применять такие
битумы, интервал пластичности которых соответствует реальному диа­
пазону температур, характерному для данного конструктивного слоя
в процессе эксплуатации дорожной одежды. Консистенция битума в
общем случае должна подбираться такой, чтобы середина интервала
пластичности совпадала с серединой диапазона эксплуатационных тем­
ператур.
Анализ опыта строительства и эксплуатации асфальтобетонных
покрытий в различных районах страны позволяет сделать вывод, что
в зависимости от климатических условий для устройства верхних слоев
дорожных покрытий следует применять вяжущие с интервалом
пластичности 60—90°С и температурой плавления Т 0 в пределах от 12
до 30 °С. Д ля устройства нижних слоев покрытий пригодны вяжущие с
интервалом пластичности 50—70°С и температурой плавления в пре­
делах от 0 до 15°С. Д л я устройства дорожных оснований могут быть
использованы вяжущие с интервалом пластичности 35—55°С и темпе­
ратурой плавления в пределах от —5 до -(-5°С. Д ля верхних слоев по­
крытий необходимо дифференцировать выбор битумов как по величине
интервала пластичности, так и по консистенции, тогда как для слоев
оснований достаточна дефференциация только по консистенции, так
как требуемый интервал пластичности практически одинаков.
При изменении вязкости асфальтобетона по толщине слоя и для обес­
печения одинаковой консистенции материала с увеличением глубины
расположения материала на каждые 5 см можно переходить на приме­
нение битума с вязкостью в 5— 8 раз меньшей. В пасмурную погоду
и в зимнее время градиент температур в слое покрытия незначителен,
поэтому при установлении рекомендаций по выбору марки битума не­
93
обходимо учитывать приведенную продолжительность периодов экс­
плуатации с различной величиной градиента температур.
В то же время, как показывает анализ напряженного состояния ма­
териала в покрытии, возникающие в нем сжимающие напряжения сни­
жаются с глубиной, а растягивающие напряжения в нижнем слое по­
крытия тем меньше, чем меньше жесткость асфальтобетона в нижнем
слое. Это указывает на целесообразность использования маловязких
и жидких битумов для устройства нижних слоев, граничащих с несвяз­
ными слоями дорожной конструкции.
Таким образом, для устройства слоев, расположенных на глубине
8 — 10 см, следует применять битум с вязкостью в 5— 10 раз ниже, чем
в верхнем слое, а на глубине 10— 20 см — в 10— 20 раз ниже для обес­
печения равных условий работы по напряженному состоянию. Н а ос­
нове анализа работы асфальтобетона в верхних слоях покрытия могут
быть определены требования к вязкости битума при принятой темпера­
туре испытания (например, 60°С) и установлена его марка, реко­
мендуемая для данного района применения (табл. 2.36).
В табл. 2.37 приведены значения требуемого интервала пластично­
сти битума для нижнего слоя покрытия, его вязкости при 60°С и пример­
но соответствующей ей марки по глубине проникания иглы при 25°С,
определенные для различных климатических условий. В табл. 2.38
приведены требования к прочности и деформативности асфальтобе­
тонов для строительства верхних слоев дорожных покрытий в разных
районах страны.
Р а й о н стр ои т ел ь ст в а
Д орож нок л и м ат и ч е­
ск а я зо н а
В я зк ост ь
би т у м а при
60° С, П а-с
М ар к и б и т у м а по
гл у б и н е п р он и к ан и я
при 25° С , со о т в ет ­
ст в у ю щ и е р ек о м ен ­
д а ц и я м гр аф ы 3
1
2
3
4
5
Северо-западный
РСФСР
район
и
50—250
65
и
100—500
65
100— 500
72
БН Д 60/90
Б Н Д 90/130
IV
200— 1000
60
Б Н Д 40/60
II—IV
2 5 -2 0 0
75
БН Д 90/130
БН Д 130/200
I
25— 100
75
БНД 130/200
БН Д 200/300
100— 500
72
БН Д 60/90
БНД 90/130
Западный район РСФСР
Центральный и средне­
волжский районы РСФСР
Южный и юго-восточный
районы РСФСР
Уральский и западно-си­
бирский районы РСФСР
Восточно-сибирский
он РСФСР
Дальневосточный
РСФСР
94
2.36
И нтервал
пласти чн ости ,
°С, не м ен ее
Таблица
п ,
ш
БНД
БНД
БН Д
БН Д
90/130
130/200
60/90
90/130
рай­
район
II
1
В я зк о с т ь 1
б и т у м а при
60° С, П а -с
2
М ар ки б и т у м а , с о о т в е т с т ­
в у ю щ и е р е к о м ен д а ц и я м
гр а ф ы 3
4
5
3
Северо-западный рай­
II
он РСФСР
II
Западный
район
РСФСР
Центральный и сред­ I I , I I I
неволжский
районы
РСФСР
IV
Южный и юго-восточ­
ный районы РСФСР
Уральский и западно­ I I , I I I
сибирский
районы
РСФСР
I
Восточно-сибирский
район РСФСР
II
Дальневосточный рай­
он РСФСР
7— 70/5—25
10— 100/5—25
10— 100/5—25
2.37
Интервал1
пластичности,
*С, не менее
Р а й о н ст р ои тел ьств а
Д орож но-кли­
матическая
зона
Таблица
60/57
МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
60/57 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
65/60 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
25—250/10—50 57/55 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
10— 100/5—25 65/60 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
7 -7 0 /5 -2 5
15— 100/5—25
65/60 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
65/60 МГ 70/130, МГ 130/200
БН 200/300, БН 130/200
■ В ч и сл и т е л е — д л я н и ж н и х сл оев покры тий, в з н а м е н а т е л е — д л я о сн о в а н и й .
Таблица
Р а й о н стр ои т ел ь ст в а
П р е д е л п р оч н ост и на р а с ­
т я ж е н и е при д и н а м и ч еск о м
и зг и б е при 0° С , М П а
д л я к ат егор и и д о р о г
I, II
Западный
Северо-западный
Центральный
Средневолжский
Юго-восточный
Южный
Уральский
Западно-сибирский
Восточно-сибирский
Дальневосточный
9,0
9,0
9,5
9,5
9,0
8,0
11,0
11,5
12,0
9,0
III
7,0
7,0
7,5
7,5
7,0
6,5
8,5
9,0
9,5
7,0
2.38
В я зк о с т ь при 50° С,
М П а -с д л я к а т ег о р и и д о р о г
I. II
20
15
20
65
65
145
20
30
20
65
III
15
10
15
55
55
125
15
20
15
55
П рим еч ания:
1. Т р еб у ем ы е зн а ч ен и я в я зк о ст и д ан ы д л я прям ы х го р и зо н т а л ь н ы х
у ч а ст к о в . Д л я у ч аст к ов т о р м о ж е н и я , к р уты х у к л о н о в т р е б у е м а я в я зк о ст ь о п р е д е л я е т с я у м ­
н о ж е н и е м на к о э ф ф и ц и е н т усл ов и й р а б о т ы К у = 1 ,5 — 8 .
2. Т р е б у е м ы е зн а ч ен и я п р оч ности дан ы д л я гор я ч и х а сф а л ь т о б ет о н о в п о у сл о в и ю о б е с ­
печ ен и я 6 8 % -ного у р ов н я эк сп л у а т а ц и о н н о й н а д е ж н о с т и покры тия. Д л я о б ес п еч ен и я 95%иого уровня э к с п л у а т а ц и о н н о й н а д е ж н о с т и зн а ч ен и я табл и ц ы н а д о ув ел и ч и ть на 15%.
95
Г л а в а
3
ПРИРОДНЫЕ БИТУМЫ И Б И ТУМ С О Д ЕРЖ А Щ И Е ПОРОДЫ
3.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ И БИТУМСОДЕРЖАЩИХ
ПОРОД
Природные битумы представляют собой темную термопластичную
массу, состоящую из сложной смеси углеводородов нефтяного проис­
хождения и некоторого количества растительных и минеральных при­
месей. Природные битумы встречаются различной консистенции — от
твердых до жидких. Твердые природные битумы— тугоплавкая масса,
почти полностью растворимая в некоторых органических растворите­
лях. К твердым природным битумам относятся все разновидности ас­
фальтитов. Вязкие природные битумы, содержащие, как правило, ми­
неральные примеси, иногда называют природными асфальтами. Жид­
кие природные битумы — мальты, представляют собой вязкую жид­
кость, полностью растворимую в органических растворителях.
К мальтам относят и тяжелые смолистые нефти.
Согласно принятому делению классификационные границы, оп­
ределяющие место асфальтитов, асфальтов и мальт, установлены по со­
держанию масляных компонентов или смолисто-асфальтеновых ве­
ществ.
Асфальтиты содержат менее 25% масел или более 75% смоли сто-асфальтеновых веществ. В зависимости от соотношений в групповом со­
ставе асфальтиты разделены на две группы—грегемиты и гильсониты.
Грегемиты по сравнению с гильсонитами содержат меньше водорода
и больше кислорода. Они богаче гильсонитов асфальтенами, но содер­
жат меньше смол. Одной из особенностей грегемитов является присут­
ствие твердых углеводородов в их масляной фракции. Они отличаются
повышенной хрупкостью, неровным тусклым изломом, не плавятся без
разложения. Температура размягчения их значительно выше, чем у
гильсонитов (достигает 300°С), при этом размягчение сопровождается
вспучиванием с признаками разложения. Удельная масса составляет
1,15— 1,20 г/см3.
Гильсониты по элементному и групповому составу ближе к вязким
битумам — асфальтам, чем грегемиты. Гильсониты имеют блестящий
раковистый излом, при нагревании плавятся без видимого разложения.
Удельная масса их равна 1,05— 1,15 г/см3.
К твердым битумам отнесены такж е кериты — вещества, частично
растворимые в органических растворителях и плавящиеся с разложе­
нием.
96
Вязкие природные битумы содержат 25—40% масел или соответст­
венно 60—75% асфальтосмолистых веществ. Они имеют раковис­
тый блестящий или тусклый излом, размягчаются при небольшом
нагревании. Вязкие природные битумы могут значительно различаться
по содержанию асфальтенов — от 10— 15 до 45—50%. Асфальты с ма­
лым содержанием асфальтенов и соответственно с высоким содержа­
нием смол и масел приближаются по свойствам к мальтам.
Элементный состав вязких битумов: С = (80-ь85)% , Н = (94-10) %.
Содержание Б может достигать 7— 10%.
Мальты — жидкие битумы — содержат масел более 40% и соответ­
ственно менее 60% асфальтосмолистых веществ. Элементный со­
став близок к составу вязких битумов. Удельная масса их равна 0,9—
1,1 г/см3.
Значительно большие запасы природных битумов содержатся в со­
ставе битумсодержащих пород. Эти породы представлены главным об­
разом песками, песчаниками, известняками, доломитами. Реже встре­
чаются супесчаные и суглинистые грунты, глины. Содержание природ­
ного битума в песках и песчаниках, т. е. в обломочных осадочных поро­
дах, может достигать 50% и более. В большинстве случаев минераль­
ная часть этих осадочных обломочных пород представлена мелкими
песками. В песчаниках — сцементированных обломочных породах час­
то содержатся, кроме природных битумов, также и природные мине­
ральные вяжущие вещества. Эти породы вмещают природные битумы
различной консистенции от твердых до жидких.
Битумсодержащие известняки и доломиты, т. е. осадочные карбо­
натные скальные породы, в подавляющем большинстве содержат при­
родные битумы в количестве не более 15% преимущественно твердой
и вязкой консистенции. Большинство осадочных обломочных и скаль­
ных битумсодержащих пород включают природный битум, образовав­
шийся при совместной миграции нефти и воды в условиях воздействия
различных окисляющих агентов и в первую очередь микроорганизмов.
При этом от нефти отделялись и закреплялись на поверхности осадоч­
ной породы и в ее порах наиболее поверхностно-активные смолистоасфальтеновые вещества с примесью адсорбированных ими тяжелых уг­
леводородов. Таким образом, битумсодержащие породы образовались
в процессе природной деасфальтизации нефти.
Особой разновидностью битумсодержащих пород являются киры.
Они образуют так называемые «кировые шляпы» озокеритовых место­
рождений, покровы и залежи осадочных закированных пород, образо­
вавшихся не в результате миграции воды и нефти, а в результате вы­
хода на поверхность нефтеносных пластов с последующим их субаэральным выветриванием.
В зависимости от глубины залегания киры имеют разную консистен­
цию. Битумная часть киров специфична по составу — в ней преоблада­
ют метановые и нафтеновые углеводороды. Минеральная часть состоит
преимущественно из мелких (барханного типа) песков, супесчаных
или суглинистых грунтов. Таким образом, по происхождению и со­
ставу киры значительно отличаются от битумсодержащих пород, обра­
зовавшихся в результате природной деасфальтизации нефти.
4
З а к ,' 1743
97
Таблица
Подгруппа
Группа
1. Твердые с температурой размягчения выше
90° С
2. Вязкие с температурой размягчения 35—90° С
3. Жидкие с температурой размягчения ниже
35° С
Природные битумы
Битумсодержащие
роды
3.1
по­
1. Осадочные обломочные:
а) рыхлые— пески, супеси, суглинки
б) сцементированные — песчаники
в) киры.
2. Осадочные карбонатные скальные:
а) известняки
б) доломиты
На основании изучения природных битумов и битумсодержащих
пород и систематизации данных о месторождениях различных типов ав­
торами разработана общая классификация, включающая все основные
группы природных битумов и битумсодержащих пород (табл. 3.1).
Осадочные обломочные породы встречаются с малым содержанием
битума (менее 4%), средним (4— 14%), с повышенным (14—25%) и с
высоким (более 25%).
По прочности при сжатии Я осадочные битумсодержащие породы
разделены на породы малой прочности (Д < 30 МПа), средней прочно­
сти [£! = (304-60) МПа], высокой прочности (/? > 60 МПа).
Н а основе указанной классификации могут быть разработаны более
детальные частные классификации для каждой из групп или подгрупп.
Классификационные признаки месторождений могут отражать данные
по условиям залегания, запасам, минералогическому составу, обвод­
ненности месторождения, мощности полезного слоя и вскрышных по­
род.
Детальное изучение месторождений и свойств природных битумных
материалов позволяет разработать общие для каждой группы рекомен­
дации по рациональной технологии их добычи, переработки и исполь­
зования для целей дорожного строительства.
Природные битумы являются ценным углеводородным сырьем,
которое должно найти широкое применение в народном хозяйстве. Ис­
пользование природных битумов является дополнительным ресурсом
к нефтяным битумам. По имеющимся данным общие мировые запасы
природных битумов сопоставимы с мировыми запасами нефти.
Природные битумы характеризуются рядом отличительных осо­
бенностей, определяющих их высокие технико-эксплуатационные
качества — реологические и адгезионные свойства.
В составе природных битумов имеется значительное количество ме­
таллсодержащих компонентов, включающих ванадий, цирконий, ни­
кель, кобальт, уран, железо. Содержание, например, ванадия или
циркония иногда таково, что делает некоторые породы перспективны­
ми в отношении промышленного выделения их из этого вида сырья,
99
Месторождения природных битумов, битумсодержащих пород й
тяжелых смолистых нефтей найдены на всех континентах, за исключе­
нием Австралии и Антарктиды. В СССР месторождения природных
битумов, битумсодержащих породи тяжелых нефтей многочисленны, но
распространены по территории неравномерно. Сведения о их разме­
щении, геологических условиях залегания, составе и характеристи­
ках недостаточно систематизированы.
З а рубежом наиболее известны месторождения природных битумов,
тяжелых нефтей и битумсодержащих пород в Венесуэле, на о. Три­
нидаде, Ближнем Востоке, в Албании, Канаде, США.
Природные вязкие битумы — асфальты
В СССР на Сахалине известно Охинское месторождение в северной
части острова. Площадь озера более 5 га, толщина слоя природного
битума в нем в среднем 2 м, содержание минеральных примесей до 2% .
Битум содержит 42,8% асфальтенов, 19,4% смол, 37,8% масел, имеет
температуру размягчения 70—75°С, глубину проникания иглы 10—15.
На Сахалине имеются и более мелкие озера с природным битумом, а
также месторождения битуминозных пород. Так, Эхаби-Восточное мес­
торождение содержит эмульсию воды и окисленной нефти. Количество
воды достигает 38,5%.
В районе пос. Нутово имеются кировые поля или озера площадью
0,5— 11 тыс. м2. Верхний слой состоит из корки твердого асфальта бу­
рого цвета толщиной в несколько сантиметров. Мощность слоя до 2 —
2,5 м. Битума содержится около 75—95% , остальное — органичес­
кие примеси (торфяные) в количестве 2—15% и вода. Температура раз­
мягчения битума в верхнем слое 54— 116° С. Содержание воды 10—20 %.
В битуме мало смол, много асфальтогеновых кислот и ангидридов.
В Венесуэле крупнейшие месторождения тяжелых нефтей — мальты,
вязких битумов и битумсодержащих песков сосредоточены в основном в бассейне
реки Ориноко (Оринокский нефтяной пояс). Запасы тяжелых нефтей бассейна
Маракайбо оцениваются в 4,4 млрд. т (плотность добываемых нефтей составляет
0,9659— 0,9930 г/см3). В этой стране имеются месторождения озерного битума,
который содержит небольшое количество минеральных примесей и до 30% воды.
В верхней части и по краям самого большого Бермудецкого озера битум медлен­
но затвердевает, образуя корку толщиной в несколько десятков сантиметров.
Очищенный венесуэльский (бермудецкий) природный битум имеет температуру
размягчения 63—70° С, глубину проникания иглы 2 0 — 30 при 25° С. Содержание
асфальтенов 20—37% , смол 14— 20, масел 3 9 —50, серы до 6, асфальтогеновых кис­
лот 3,5, их ангидридов 2% . Содержание минеральных веществ невелико — всего
5 —6 % . Его экспортируют во многие страны мира для использования в лако­
красочной и химической промышленности, для гидроизоляции и в строительстве
дорог.
На о. Тринидаде имеется широко известное месторождение озерного битума.
В сыром виде битуминозная порода представляет собой эмульсию битума,
воды, газа, песка и глины (29% воды, 39% битума, 27% минеральных составляю­
щих и 4,5% воды в гидратной форме в минеральной части). После очистки тринидадский асфальт имеет плотность 1,40— 1,42 г/см3, глубину проникания иглы
1,5— 4,0 при 25°С, растяжимость 1,8 см при 25° С, температуру размягчения
96— 97°С. Он содержит 53— 55% растворимого битума, 36—37% минеральных
веществ, 9— 10% прочих примесей. Его называют тринидад-эпюрв,
4*
99
После отделения минеральных веществ температура разМяМенИя битума
равна 68—78°С, глубина проникания иглы 3 — 12 при 25°С. Битум содержит 6 —
8% «еры, 6—7% асфальтогеновых кислот, их ангидридов до 4%. Содержание асфальтенов 3 7 % , смол 23% , масел 3 1 % .
Для удобства транспортирования (в мешках) в продажу поступает тринидадпорошок, состоящий из 50% тринидад-битума очищенного и 50% каменной муки.
Этот материал содержит природного битума 2 3 —31% по массе, минеральных ве­
ществ 65—72% и прочих веществ 4 —5% . Минеральный порошок содержит 40%
по массе частиц мельче 0,09 мм и 100% частиц мельче 2 мм. Тринидадский
асфальт экспортируют в ряд стран Америки и Европы, в том числе во Францию,
Англию, Бельгию, ФРГ, Швецию, Норвегию, Финляндию.
В Албании имеются богатые жилы твердого битума с содержанием 10—
25% минеральных примесей. Битум тугоплавкий, близкий к асфальтитам.
Температура размягчения его около 123°С, содержание асфальтенов 45,2% ,
вмол 30,3% , масел 24,5% .
Его применяют в кровельной промышленности и в дорожном строительстве
после компаундирования с маловязкими нефтяными фракциями. Албанский би­
тум »кспортируют в ряд стран Европы. Запасы его составляют около 62 млн. т.
Природные твердые битумы — асфальтиты
В СССР залежи асфальтитов сосредоточены в основном в Оренбург­
ской обл., где разрабатывается Садкинскоеместорождение (пос. Садки
близ г. Бугуруслана). Плотность асфальтита около 1 г/см3, темпе­
ратура размягчения 144—215°С, содержание асфальтенов 62—67%,
смол 14—24, масел 14—20, серы до 7% . Добывают почти чистый
асфальтит с содержанием минеральных примесей менее 5 % и зольный
асфальтит, содержащий минеральных примесей 25% и более.
В 30 км от пос. Садки на Ивановском месторождение разведаны
запасы асфальтита в несколько миллионов тонн. Температура размяг­
чения ивановского асфальтита 189—204°С. Он содержит несколько
больше асфальтенов, чем садкинский асфальтит.
Садкинский асфальтит применяют в лакокрасочной промышленно­
сти, для электро- и гидроизоляции. Зольный асфальтит может быть ис­
пользован в строительстве дорог.
Твердые битумы — гильсониты имеются в значительном количест­
ве в США в штатеЮ та. Ж илы гильсонита простираются в некоторых
местах на 13 км, толщина жил от нескольких сантиметров до 5,5 м.
Битум содержит ванадий (У20 5 до 4%) и уран ( и 30 8 до 1,75%). Ас­
фальтиты имеются и в ряде других штатов США.
В Колумбии найдены значительные залежи асфальтита («глянце­
вый пек») с температурой размягчения 138°С, который употребляют для
изготовления лаков.
Асфальтиты встречаются в других странах Южной Америки, на
о. Тринидаде, Кубе, Ближнем Востоке, в Сирии.
Природные ж идкие битумы — мальты
Жидкие природные битумы — это в основном тяжелые смолистые
нефти. Большие запасы тяжелых нефтей находятся в Венесуэле. Эти
нефти характеризуются высокой плотностью (0,9042—1,0143 г/см3),
содержат около 10% асфальтенов, 2—5 серы и 0,02 —0,05% вана­
дия и никеля.
100
Залежи тяжелых нефтей имеются и на территории СССР. Некото­
рые тяжелые нефти по своему составу являются высококачественным
сырьем для производства дорожных битумов. Краткая характеристика
некоторых тяжелых нефтей приведена в табл. 3.2. Нефти отличаются
значительным содержанием асфальтенов (4— 18%), силикагелевых
смол (18—30,2%), сравнительно малым содержанием парафина (2,65—
6 %), небольшим количеством фракций, выкипающих до 350°С
(25,6—44,8%), высокой вязкостью самой нефти [ВУ 50 = ( 114 - 66 ) с],
а также высокой вязкостью остаточных фракций, получаемых после
удаления летучих компонентов, выкипающих до 350° С [ВУ 60 = (2044 -65) с].
Месторождения битумсодержащих пород различных типовимеются
в СССР, Европе, Азии, Африке, Америке. Ниже приводятся краткие
сведения о наиболее известных месторождениях битумсодержащих
пород.
С С С Р. На территории Российской Федерации наиболее обследованы
месторождения битумсодержащих пород в Куйбышевской, Ульянов­
ской, Оренбургской областях, Татарской, Башкирской, Коми АССР,
Сибири, на о. Сахалине. Однако значительные месторождения битум­
содержащих пород имеются в Краснодарском и Алтайском краях,
Грозненской обл., на Камчатке, в Хабаровском крае.
В Куйбышевской обл. наиболее обследованы пять месторождений
битумсодержащих пород — Байтуганское, Верхнеорлянское, Алексеевское, Первомайское, Бахиловское.
В Байгуганском месторождении имеется песчаник (глубина залега­
ния от 0 до 5 м), содержащий тугоплавкий битум (температура раз­
мягчения 100°С) в количестве от 0,7 до 11,8%. Запасы исчисляются
десятками миллионов тонн.
Верхнеорлянское месторождение Сергиевского района имеет песча­
ники и доломиты (глубина залегания 4—45 м). Содержание в них биту­
ма 5,7— 22% , температура размягчения 30—40°С. Там же имеются пес­
чаники (так называемые гаревые песчаники), содержащие тугоплав­
кий битум (температура размягчения 100°С) в количестве до 10%.
В Алексеевской месторождении Кинельского района залегают из­
вестняки с содержанием битума в породе в среднем 4% (температура
размягчения 100— 150°С).
Первомайское месторождение состоит из битуминозных известня­
ков и доломитов. Содержание битума в породе в среднем 4,5% , однако
имеются шахты, где оно достигает 13% (температура размягчения око­
ло 100°С).
Это месторождение разрабатывалось асфальтобетонным заводом
до_, 1962 г., порода^ использовалась для производства асфальтовой
мастики и холодного асфальтобетона.
Бахиловское месторождение содержит песчаник, количество биту­
ма в котором достигает 18% (температура размягчения 30—40°С).^
В Ульяновской обл. имеются месторождения битумсодержащих до­
ломитов, песчаников, карбонатных пород, запасы которых превышают
1 млрд. т. Содержание битума в породе от 2 до 40% . Температура р а з ­
мягчения битумов различна — от 30 до 160° С.
101
Таблица
С о д е р ж а н и е в н еф т и , % п о м а с с е
3.2
серы
ф ракций
до 3 0 0 °
фракций
до 3 5 0 °
сум м а]
а сф а л ь т енов и
см ол
4
5
6
7
8
9
22,00
6,0 0
3,0 5
27,2
34,8
26,47
22,67
16,00
н еф т и
при 5 0 ° С
п ар аф ина
уО
Яо о
3
си-
2
лик агел ев ы х
1
СМОЛ
Н еф ть (м е с т о ­
рож ден и е)
асф а л ь тен ов
|
В я зк о с т ь В У .с
к о®
аш ®
К
сО я "<
га1'
0.0 о.
•& « с
10
Куйбышевская
обл.
Радаевская
(смесь)
Чубовская
Серноводская
4,4 7
_
18,00
4,70
32,00
32,80
2 ,9 0
3,40
2,58
3 ,0 7
—
48,0
37,7
50,00
36,50
15,00
16,80
36,00
29,80
6,00
7, 15
6, 16
20,00
21, 13
20,72
3,80
3,96
4,40
1,68
3,30
—
3 8 ,0
3 1 ,0
—
44,8
38,6
—
26,00
28,25
26,88
11,29
20,00
10,90
14,00
22,00
—
1,68
8,9 6
9,53
5 ,6 7
26,85
20,60
29,10
25,93
2,04
2,65
3,97
3,36
—
37,4
31, 2
38,5
24,5
4 5 ,4
—
12,05
4 5 ,6
34,4
27,53
29,46
38,63
31,60
6 ,3 0
16,90
4,00
18,30
22,00
30,20
3 ,0 0
7,50
5,70
2,62
1,90
3,44
3 5,2
42,8
37,4
3 4 ,0
24,60
38,90
34,20
30,80
10,30
65,80
68,00
28,10
5 9 ,4
33,08
7 0 ,0 2 6 ,8 0 35.40
12,60
34,60
47,4
43,4
4 3 ,9
39,6
6 ,7 0
11, 10
12,50
16,90
16,50
35,00
35,00
12,30
Оренбургская обл.
Родинская
Мощтовская
Красноярская
Пермская обл.
Степановская
Готанбыркинская
Нотовская
Москудьинская
—
—
—
—
—
—
—
—
29,80
(100)
Удмуртская АССР
Вятская
Золотаревская
Мишкинская
—
2 5 ,6
—
Коми АССР
Ярегская
Усинская
Башкирская
АССР
Арланская
Орыбашская
Чераульская
Чекмагушская
—
3,6 8 29,40 1,45
18,8
10,30— 16,50— 0 ,0 8 — 1,83— 8 4 ,0
12,70 21,70 0,60 2, 11
—
—
9,3 0
4,21
9,52
8 ,0 0
23,10
26,80
21,00
21,70
4 ,6 0
5,34
3,31
4,0 3
5,70
12,40
3,60
7,09
6 ,9 0
14,91
26,90
2,31
0,80
—
_
—
7 ,0
41, 5
14,8
22,00
33,80
9 ,2 0
27 ,0 0
22,00
—
14,90
2 ,0 0
0,20
—
—
27 ,0
16,90
—
—
—
—
—
39,1
34 ,9
35 ,4
3 1 ,6
32.40
31,09
30,52
29,70
Татарская АСС Р
Шугуровская
Бугульминская
(смесь)
18,10
Западная Сибирь
Южно-Балыкская
Айяукская
о. Сахалин
Катанглийская
1 0 2
Татарская АССР богата месторождениями битумсодержащих по­
род. Здесь залегают песчаники, пески, суглинки, глины с содержанием
битума в среднем 6% (температура размягчения от 20 до 100°С). Зап а­
сы по предварительной оценке исчисляются миллионами тонн. Битуми­
нозные песчаники имеются такж е в Лениногорском районе. При разве­
дочных работах на нефть выявлены Казанское месторождение асфаль­
титов, а также обширные залежи битумсодержащих песков, которые
можно разрабатывать открытым способом.
В Башкирской АССР в пойме р. Белой залегают известняки, пески,
песчаники, конломераты, содержащие от 4 до 48%, а иногда даже до
80% битума. Температура размягчения различна — имеются как мяг­
кие, так и тугоплавкие битумы.
В Краснодарском крае разведан ряд месторождений битумсодер­
жащих пород, главным образом песков и малопрочных известняков.
Из них только в двух месторождениях в районе поселка Нефтегорска
запасы породы достигают 1 млн. м3. Битум—мягкий (близкий по свой­
ствам к жидкому МГ 70/130), содержание его в породе составляет
6—8% . Групповой состав битума: асфальтенов 29—31%, смол 21—
24% , масел 38—44%.
Месторождения битумсодержащих пород имеются в Грозненской
обл., Северо-Осетинской, Чечено-Ингушской, Дагестанской, Кабар­
дино-Балкарской АССР, в Ставропольском крае. В Грозненской обл.
известен ряд месторождений песков, песчаников, глин, киров, содер­
жащих преимущественно мягкий битум в количестве от 6 до 85%. К се­
веру от г. Грозного залегают породы (киры) с 6— 12% битума.
Залежи битумсодержащих пород имеются у г. Горячеводского,
между реками Тереком и Аргунью, близ г.Серноводска.
В районе г. Орджоникидзе имеется месторождение кира, содержа­
щего 6— 12% мягкого битума, смешанного с грунтом, имеются также
сланцы, пропитанные битумом. В ущелье р. Безымянной содержание
битума в породе достигает 70 — 85%. Битум — тугоплавкий, смешан
с глиной. Битумсодержащие породы (в основном пески) имеются в рай­
оне г. Ленинкента, в районах Черных Гор, Пирауза, Караха.
В Коми АССР находятся значительные запасы битумсодержащих
пород, главным образом асфальтитов. Ижемское месторождение Коми
АССР содержит залежи гильсонита (гильсонит является одним из са­
мых ценных видов битумов группы асфальтитов и применяется для про­
изводства лаков, высших сортов эмалей и так называемых японских ла­
ков). Содержание гильсонита в породе составляет 75% от общего коли­
чества природного битума, а 20% приходится на другую разновидность
асфальтита — грегемит и 5% на оксикерит. Запасы составляют
3,9 млн. т. Здесь же имеется месторождение пород с содержанием вяз­
кого битума в среднем 3—5% . Усть-Войское месторождение в Коми
АССР имеет запасы битумсодержащих пород, в основном песчаников
(битума в них от 2,5 до Ю°/0). Битумы преимущественно вязкие и твер­
дые типа асфальтитов.
Ярегское месторождение главным образом состоит из пеочаников
с содержанием тугоплавкого битума около 5 %.
103
В Якутской АССР Оленекское и Силигир-Мархинское месторожде­
ния имеют большие запасы природных битумов в составе карбонатов,
песчаников, алевролитов. Содержание битума в'породах от 0,1 до
5% . Битумы разной консистенции — от мягких до твердых типа ас­
фальтитов. Из породы битум может быть извлечен вываркой водой или
экстрагированием и использован для производства котельного топли­
ва, дорожного битума и ряд других продуктов.
В Красноярском крае на севере залегают песчаники с содержанием
битума от 0,4 до 1 %. Запасы значительны, но труднодоступны из-за
суровых природных условий. В Минусинской впадине имеются карбо______ ___
наты.
В Хабаровском крае битумсодержащие породы представлены из­
вестняками, доломитами, песчаниками. Отмечено присутствие Кировых
песчаников и небольших линз асфальтитов в Камчатской обл.
В Казахской ССР Эмбенский район имеет до 50 месторождений К и ­
ров с содержанием битума в среднем 15—23%, а в отдельных горизон­
тах до 50%. Минеральная часть породы состоит из мелкого песка и су­
песи. Консистенция битума — от твердого до жидкого, вязкость его
снижается с увеличением глубины залегания породы.
В этом же районе имеются ряд месторождений асфальтитов, залежи
чистого битума разной консистенции — от твердого до мягкого. Наи­
более известны и обследованы в Грурьевской обл. месторождения К и ­
ров Иман-Кара с содержанием битума в породе около 18,9%, МунайлыМола с содержанием битума 26,6% , Кара-Мурата и Ак-Чия с содержа­
нием битума в породе 17,6 %. Н а последних двух месторождениях до­
бычу киров производили с 1961 г. и использовали их при строительст­
ве автомобильных дорог.
В Актюбинской обл. имеются месторождения киров и асфальтитов.
Разведаны значительные залежи киров с содержанием мягкого биту­
ма от 10,15 до 18%. В месторождениях Соркуцук и Киактысай залега­
ют песчаники, содержащие тугоплавкий битум от 9 до 22%.
В Шевченковской обл. находятся разобщенные проявления пород,
главным образом песчаников, выходящие на поверхность и содержа­
щие от 5 до 10% мягких и вязких битумов [21].
В Узбекской ССР в месторождении Майли-Сай (в Ферганской доли­
не) имеются разрозненные залежи озокеритов, битумов, тяжелых неф­
тей в песках, песчаниках, известняках с содержанием битума до 25%.
Температура размягчения битума 25—30°С.
В месторождении Сель-Рохо имеются озокериты, битумы, тяже­
лые нефти. Битум содержится в песках, песчаниках, известняках. Тем­
пература размягчения битума различна— от 15 до 60 °С, содержание
битума в породе неодинаково — от 2 до 80%.
Месторождение близ г. Серова содержит разрозненные проявле­
ния битуминозных песков, песчаников, известняков. Характеристики
битумов разнообразны. Встречаются породы, пропитанные тяжелой
нефтью, и породы, содержащие вязкий битум с температурой размяг­
чения 50—60°С и выше. Содержание битума в породе неравномерно.
104
£ Туркменской ССР битуминозные породы имеются на о. Челеке­
не (Нефтяная гора), где залегают озокериты и мальты. В западной части
Туркмении расположены небольшие закирования в районе Небит-Дага.
Группа поверхностно закированных пород (песчаных пластов) с
содержанием мягкого битума (мальты) находится в месторождениях
Малого Балхана, Кум-Дага, Кара-Чернека, Котур-Тепе в виде раз­
розненных проявлений. Вместе с битумами имеются проявления
серы.
В Таджикской и Киргизской ССР имеются месторождения битум­
содержащих пород преимущественно в виде разрозненных проявлений,
обычно находящихся вблизи эксплуатируемых месторождений нефти.
Запасы их незначительны. Битумы имеют консистенцию от жидкой
до вязкой. Минеральная часть пород представлена главным образом
песчаниками и известняками.
I,Содержание битума в породах различно и колеблется от1 до 50%.
Битумам сопутствуют проявления серы.
В Азербайджанской ССР имеется много мелких разрозненных про­
явлений Кировых пород. Содержание битума различно — от 9 до 46%.
Битумы чрезвычайно разнообразны по свойствам: от жидких (тяжелая
нефть) до твердых (асфальтитов). Минеральная часть в основном пред­
ставлена суглинками и супесями. Район г. Баку также имеет место­
рождения битумсодержащих пород. Здесь залегают мелкие пылеватые
пески, суглинки, содержащие от 9 до 27% битумов мягкой консистен­
ции с малым количеством асфальтенов и смол и значительным со­
держанием масел. В этом же районе имеется небольшое асфальтовое
озеро.
В месторождении близ г. Агдама минеральная часть пород боль­
шей частью представлена суглинками, пылеватыми песками. Битумы
имеют консистенцию от жидких типа нефти до твердых —- асфальтиты.
Содержание битума в породе от 11 до 73% .
В Грузинской ССР наиболее известно месторождение битумсодер­
жащих пород близ ст. Нотанеби, где имеются залежи Кировых пород в
виде мелко- и крупнозернистых песков, галечников, глин с содержани­
ем битума от 2 до 15%. Там же имеются выходы довольно чистого би­
тума. Разведанные запасы^н’е велики. Месторождение разрабатывали с
1931 г. местные организации для нужд дорожного строительства. По­
роды — песчаники, пески, содержащие как мягкий, так и твердый би­
тум, имеются также недалеко от Тбилиси, в окрестностях Сухуми,
Кутаиси, Гагр 110].
Характеристики битумов, выделенных из битумсодержащих по­
род некоторых месторождений, приведены в табл. 3.3.
Европа. В Швейцарии обширные месторождения битумсодержащ их известня­
ков известны в районе Валь-де-Траверс. Содержание битума в породе в среднем
составляет 10— 15%, температура размягчения около 90°С. Породу успешно не
только применяли в дорожном строительстве в самой Ш вейцарии, но и экспорти­
ровали в ряд стран Западной Европы и даж е в США.
В, Румынии найдены большие залеж и битумсодержащ ей породы в виде жил
мощностью 30—40 м. Порода содержит 25— ЗЗЙ битума с температурой раз­
мягчения 40— 50® С. Запасы природных битумов исчисляются около 4 млн. т.
105
В Италии известны два наиболее богатых месторождения пород, а именно за*
Лежи известняков Абруцци (мощность пластов до 40 м) с содержанием битума от
9 до 30% разной консистенции. Этот материал успешно применялся для дорож но­
го строительства и особенно он зарекомендовал себя при строительстве дорог в
тропическом климате (в Каире, Бомбее, Рио-де-Ж анейро). Второе месторожде­
ние находится в Сицилии в Р агузе. Это известняки с содержанием битума от 2 до
30% . Здесь залегают пласты мощностью 3 — 15 м. Породу экспортировали в ряд
стран.
Во Франции наиболее известно богатое месторождение битумсодержащего из­
вестняка по берегам р. Роны. Порода содержит от 8,8 до 15% битума с
температурой размягчения 35— 40°С. М есторождение разрабатывают тоннельным
способом много лет.
Азия. Обширные залежи битумсодержащих пород с запасами в несколько
миллионов тонн битума имеются у г. Бейрута и далее между Латакией и Апенно.
Породы представлены преимущественно мергелями с содержанием битума 32—
34% .
Богатые залеж и битумсодержащих пород имеются на Мертвом море, а также
на о. Бахрейн. Содержание битума в них примерно 23% .
Африка. Алжир имеет значительные залеж и известняка с содержанием
битума в среднем 40%, битум мягкий.
Нигерия богата залежами песков, содержащих до 70% битума разной кон­
систенции в зависимости от глубины залегания.
В Народной Республике Конго, в западной части страны, имеются месторож­
дения битумсодержащих песков, включающих от 5 до 20% битума. В верхних сло­
ях породы битум вязкий, имеющий температуру размягчения 45— 55° С, в нижних
слоях битум в основном жидкий. Мощность месторождения значительна. Порода
может быть использована как для выделения битума, так и непосредственно для
приготовления дорожных битумоминеральных смесей.
Северная Америка. В США имеются месторождения битумсодержащ их пород
в 24 штатах. В основном это пески и песчаники с 4 — 12% битума разной консис­
тенции. Имеются также известняки и песчаники с содержанием битума 20% и бо­
лее. Значительные месторождения, суммарный потенциал которых составляет
4,6 млрд. м3 тяжелой нефти, находятся в штатах Калифорния, Кентукки,
Т ехас, Юта. Пески месторождения Юта содержат 5— 10% битума с вязкостью
1300—3200 кПа • с при 25 С, содержание серы в нем до 0,4% .
Богатейшие месторождения битумсодержащ их песков имеются в Канаде.
Группа наиболее мощных залежей расположена на севере провинции Альберта
на площади 49 тыс. км2: Атабаска (мощность покрывающего пласта достигает до
600 м), Вабаска, Эдмонтон, Калгари, Колд-Лейк. Другой мощный пласт располо­
ж ен на арктических островах к северу от Канады. В настоящее время деталь­
но разведаны месторождения провинции Альберта. Их потенциальные запасы
жидкого битума — мальты или высоковязкой тяжелой нефти составляют около
145 млрд. т. из которых современными способами открытой разработки и подзем­
ной переработки может быть получено около 48 млрд. т. Считают, что при сущ е­
ствующей технологии добычи и переработки битумсодержащих песков перспек­
тивны для открытой разработки залеж и песков с продуктивной мощностью
пластов 30—45 м, толщиной перекрывающих пластов не более 46 м и насыщен­
ностью битумом не менее 6% .
Из всех битумсодержащих песков Атабаски только 10% доступны для откры­
той разработки, остальные расположены глубоко и могут быть разработаны толь­
ко внутрипластовыми способами. Основные свойства битума из битумсодержа­
щих песков Атабаски: плотность 1,08 г/см3, вязкость 2 — 5 к П а-с при 10 °С, тем­
пература размягчения около 17°С. Минеральная часть породы представлена мел»
ним одномерным песком, содержание битума от 0 до 18% по массе. В песке содер­
жится 10— 13% глинистых частиц и до 10% воды.
106
Таблица
3.3
М есторож ден и е
Х арак тери ­
стика
пор од ы
С одерж ание
битум а, %
Тип
битум а
Т ем п ер а т у р а
р а зм я г ч е ­
н ия, °С
серы
а сф а л ь т ен о в
параф ина
С о д е р ж а н и е . % п о м а ссе
ю
Куйбышевская
обл.
Байтуганское
Орлянское
Ллексеевское
Первомайское
Бахиловское
Песчаник
Песчаники,
доломиты
Известняки
Доломит,
песчаник
Песчаник
32—45
36,0—39,0
23,5—39,5
16,0— 17,0
11,2—67
12—55
8 ,3 2 - 4 9 ,3
4 ,8 —5,8
3 ,8 4 —3,94
0 ,3 6 -5 ,6 7
0,4— 11,2
30— 100
95— 112
18,0
25,3
27,7
39,2
53.4
2 5 ,8
7,79
6,07
17,8
3 6 ,5 - 4 9
100— 150
30,8
27,6
43.5
3 ,1 3 —4,24
Асфальт,
мальта
17— 70
34,0
9,4
55,66
3,00
6—10
Мальта
18—20
29,8
11,6
5 7 ,4
4—7
4 -8 ,5
»
18—20
8,4
21,43
8,4
13,26
28,0
65,27
58,6
6,2
5,7— 22
Асфальт
Ульяновская обл.
Мелекесское
Доломит,
песчаники
4,15— 10
Татарская АССР
Шугуровское
Сугушлинское
Сюкеевское
о
-4
Песчаники,
пески
Песчаник
Доломит
8,1
М есторож ден ие
1
Х арак тери с­
С одерж ан ие
ти к а п о р о д ы
битум а, %
2
3
Т ип би тум а
Т ем п ер а т у р а
р а зм я гч ен и я ,
°С
4
5
Башкирская
АССР
Ишимбаевское
Пески,
песчаники,
суглинки
По р. Белой
4—80
5—8
39
—_.
__
Гильсонит
(75% ),
грегемит
(20%)
Оксикерит
5%,
асфальтит,
асфальт
Асфальтит
200
Коми АССР
Ижемское
(Намедское)
Известняки,
доломиты
Усть-Войское
Песчаник
3 -5
2,5— 10,0
1—5
Ярегское
45
Якутская АССР
Силигир-Мархинское
Оленекское
Карбанаты
Песчаники,
алевролиты
0 ,5 -5
и более
0,3—5
и более
Мальта,
асфальт
То ж е
—
Продолж. табл 3.3
Гасфальтенов
серы
п араф ина
Содержание, % по массе
Ю
38.5
22,6
3 9 .0
2,0
47,2
20,25
32,2
4 ,2
12.5
57,7
2 3 .0
6,1
34,45
42,98
23.28
5 ,9 —9 ,7
23,65
59,29
16.29
3 ,7 4
28—59
10—39
30—52
1—2
31—55
12—29
35—57
3 -8
2—6
3.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ В ДОРОЖНОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Проведенные исследования, опытные и производственные работы
позволяют наметить основные способы использования природных би­
тумов и битумсодержащих пород в дорожном строительстве.
Природные твердые битумы — асфальтиты могут быть использова­
ны как в чистом виде, так и с примесью минеральных веществ (золь­
ные асфальтиты) после пластификации (разжижения) до требуемой тем­
пературы размягчения. В качестве пластификаторов можно применять
все нефтяные фракции, содержащие преобладающее количество аро­
матических углеводородов и имеющие соответствующие температуры
начала кипения. Д ля пластификации вполне пригодны масла камен­
ноугольного происхождения (например, антаценовое масло). Могут
быть использованы также гудроны и тяжелые смолистые нефти.
Вязкие природные битумы (тринидадский и венесуэльский озер­
ный) за рубежом используют в качестве добавок к нефтяным битумам
для улучшения качества дорожных покрытий, особенно для устройства
дорог из литого асфальта и для шероховатых поверхностных обработок.
Жидкие природные битумы — мальты и тяжелые смолистые нефти
могут’быть применены для пластификации твердых битумов, укрепле­
ния грунтов и малопрочных каменных материалов, устройства ос­
нований.
Применение твердых природных битумов
Асфальтиты и, в частности, гильсониты отличаются высокой по­
годоустойчивостью. Этим объясняется высокое качество асфальтовых
лаков для наружных покрасок, получаемых с применением гильсонитов и грегемитов (асфальтитов). Введение асфальтита в нефтяной до­
рожный битум или в гудрон не только повышает погодоустойчивость
дорожного битума, но значительно улучшает его адгезионные свойства
благодаря высокому содержанию в природном битуме поверхностно­
активных веществ — асфальтогеновых кислот и их ангидридов. Вслед­
ствие этих свойств материал может быть рекомендован для устройства
шероховатых покрытий’' и поверхностных обработок, обеспечивая
хорошее сцепление частиц щебня и высокую погодоустойчивость по­
верхностного слоя.' Такое вяжущее’может быть применено для литого
асфальта.
F f Природный асфальтит содержит^некоторое^количество минераль­
ных примесей (в том числе и глинистых частиц), которые не ухудшают
качества вяжущего, а придают’ему’большую стабильность к тепловым
и_механическим воздействиям.
При использовании твердых природных битумов — асфальти­
тов в дорожном”строительстве”натих основе приготовляют вязкие би­
тумы компаундированием асфальтитов с гудронами, тяжелыми смо­
листыми нефтями, экстрактами селективной очисткй’масляных фракций’ или другими нефтяными фракциями с соответствующей вязкостью
и содержащими достаточное количество растворяющих веществ —
углеводородов ароматического ряда.
100
Таблица
3.4
Характеристики вяжущ их
П оказатели
Содержание асфальтита, %
Глубина проникания иглы:
25° С (100 г, 5 с)
при 0°С (200 г, 60 с)
Растяжимость при 25° С, см
Температура
размягчения,
°С
Температура хрупкости, °С
Сцепление с:
мрамором
гранитом
Глубина проникания иглы в
остаток после прогрева в тече­
ние 5 ч при 160° С, % от пер­
воначальной величины
Температура
размягчения
после прогрева, °С
Гудрон
1
2
3
-4
10
15
20
25
230
41
—
153
36
91
91
23
88
54
15
45
38
—22
41
-2 0
46
— 18
53
— 16
34
—23
Хор.
Удовл.
Неуд.
Хорошее
Удов л.
С |0= 1 6 5 с
—
Неуд.
Удов л .
76
79
79
81
-----
39
43
47
54
—
В нагретый до 100— 110° С гудрон постепенно при постоянном пере­
мешивании загружают предварительно измельченный (не крупнее
120 мм) асфальтит. Продолжительность перемешивания при темпера­
туре 160— 180°С зависит от вязкости исходного компонента, количест­
ва вводимого асфальтита и обычно составляет не более 3 ч. Введение
даже 10% асфальтита в гудрон существенно влияет на свойства полу­
чаемого вяжущего. Варьируя процентным содержанием асфальтита,
можно получить весь диапазон вязких марок дорожных битумов без
процесса окисления гудрона.
Свойства получаемых вязких битумов приведены в табл. 3.4. Ис­
пользовался асфальтит садкинского месторождения Оренбургской
обл. с температурой размягчения 204°С.
Н а основе асфальтита могут быть получены вязкие битумы улуч­
шенного качества. Д ля этой цели асфальтит компаундируют аромати­
ческим пластификатором, например экстрактом селективной очистки
масляных фракций. В результате получают концентрат, близкий по
составу и свойствам к тринидадскому асфальту. Приготовление кон­
центрата осуществляется в следующей последовательности: пластифи­
катор разогревают, затем в него равными порциями в несколько при­
емов засыпают измельченный асфальтит при непрерывном перемеши­
вании. Температуру постепенно повышают до 200—210 °С и прогре­
вают смесь в течение 1—2 ч.
Использование асфальтита с более низкой температурой размяг­
чения позволяет снизить длительность приготовления концентрата.
Такой же результат получается при применении более высокоароматизированного и менее вязкого пластификатора.
При объединении 60% асфальтита с 40% экстракта селективной
очистки масляных фракций (смеси остаточного и дистиллятного экст­
рактов) можнр получить продукт со следующими’ свойствами: глубиПО
1
2
3
4
50
40
30
50
(тринидадс­
кий асфальту
50
60
70
50
20
29
34
30
Интервал :
тнчности,
Нефтяной
битум
Б Н Д 6 0/90
хруп­
кости
Концентрат
и
Л
40
размяг­
Вяж ущ ее
Температура,
•С
чения
Состав вяж ущ его,
% по массе
Глубина прони­
кания иглы при
25°С
Таблица
—5
99
66
61
64
о ..
с „
— 15
0
Растяжимость,
см, при
О
к
25°С
о»с
3 ,0
10
2 ,0
35
80
2 ,5
3 ,0
5 ,0
« а
74
76
76
64
— 10
3.5
1,5
7 ,0
Таблица
3.6
Литой асф альт на основе
вяж ущ его из асф альтита
Ф изико-механические свойства
1
Предел
прочности при
сжатии, МПа, при:
20° С
0°С
50° С
в водонасыщенном со­
стоянии
Глубина
вдавливания
штампа, мм
Водонасыщение, % объе­
ма
2
3
1
нефтяного
битума
5,6
12,5
2,4
7,7
11,6
3,6
6,0
11,0
1,4
5,5
7,9
1,2
5,1
7,2
5,9
5,0
3,15
2,50
2,28
7,90
0,2
0
0
2,5
на проникания 8— 11 при 25°С, температура размягчения 82—89°С,
растяжимость при 0°С равна 1 см. Содержание асфальтенов 39, смол
28, масел 33%. Групповой состав полученного продукта почти полно­
стью соответствует составу тринидадского асфальта.
Этот продукт (концентрат) может быть использован при получении
вяжущего для литого асфальта смешением с нефтяным дорожным
битумом. Свойства таких вяжущих приведены в табл. 3.5. Литой ас­
фальт имеет высокие физико-механические свойства (табл. 3.6). Состав
литого асфальта: щебень гранитный фракций 3— 10 мм 34%, песок реч­
ной 15, песок дробленый 15, минеральный порошок 25, вяжущее 8%.
Применение вязких природных битумов
И з вязких природных битумов наиболее широкое применение вследствие вы­
соких эксплуатационных свойств нашли битумы венесуэльский (бермудецкий)
и тринидадский (о. Тринидад). Эти битумы применяют главным образом для ул уч ­
шения свойств нефтяных остаточных битумов при устройстве верхних слоев по­
крытий на городских дорогах, площ адях, стоянках автомобилей, на аэродром ах.
111
В _продажу
поступают тринидадасфаЛЫ',
оЧйщеййый («эпюре»), размель-
чвнный на куски и содержащий 53—55% чистого битума, и тринидадпорошок 50/
50, содержащий 50% молотого тринидадасфальта («эпюре») и 50% минерального
порошка. Тринидадпорошок содержит битума 2 3 —31% , минеральных частиц
65— 72% и разных примесей 4 — 5% . Этот состав и поступает в массовую продаж у.
В табл. 3.7 приведены составы вяжущ их с тринидадским асфальтом, применяемые
в Европе для устройства верхних слоев покрытий. Тринидадасфальт улучшает
адгезионные свойства вяжущ его, удобоукладываемость смесей, повышает тепло­
стойкость асфальтобетона, его сдвигоустойчивость, оказывает стабилизирующее
действие на материал. Среди отличительных качеств тринидадбитума от­
мечается его высокая стойкость к атмосферным воздействиям и исключительная
деформативность. Положительные свойства тринидадбитума объясняются его
особыми структурными связями с коллоидно-диспергированными частицами ми­
неральных примесей (в естественном виде), среди которых имеются и глинистые
частицы. Однако искусственным путем до сих пор не удалось создать подобного
материала. Тринидадский битум — в высшей степени однородный и стабильный
вяжущий материал, мало изменяющий свои свойства при нагревании.
Т аблица
3.7
Содержание в смеси,
% по массе
Состав вяж ущ его, %
Вид асфальтобетона
нефтяного
битума
Литой для интенсивного дви­
жения
Литой для среднего движ е­
ния
Литой для мостов
Асфальтобетон с содержани­
ем щебня 20— 40%
тринидададфальта
вяж ущ его
битума
70—80
20—30
8 ,0
70
75
30
25
8 ,0
8 ,5
2 ,8
2 ,4
6 ,6
7 ,3
70
30
7 ,5
2 ,6
Тринидад
порошок
5 ,2
6 ,2
6 ,5
1 ,5 -1 ,8
_.
Асфальтобетон с содержани­
ем щебня 50%
трини­
дад­
асфальта
75— 80
25—30
2 ,2 —2 ,8 ^ 6,6—6 ,9
5 ,6 — 5 ,8
П р и м е ч а н и е . Дл я литого асф альта используют битум В-45 — В-65, д л я асф альтобе­
тона с 20—40% щ ебня — битум В-80, с 50% щ ебня — В-200.
В Англию для дорожного строительства ввозили ежегодно 45— 50 тыс. т три­
нидадасфальта и 10— 25 тыс. т для гражданского и промышленного строительства. Покрытия, устроенные с применением тринидадбитума, в Лондоне служ ат
свыше 60 лет.
Применение жидких природных битумов—*
тяжелых нефтей
В 1930— 1936 гг. проводились исследования по^применению тяже*
лых нефтей для устройства дорожных одежд в условиях Средней Азии.
Были построены участки дорог с высокссмолистой уч-кызылской Неф­
тью.
В 1939— 1940 гг. применяли тяжелые эмбенские нефти для улучше­
ния грунтовых дорог Гурьевской обл. В 1950— 1960 гг. при строитель112
ct-ве дорог в Узбекистане использовали в верхнем слое гравийные смё*
си, обработанные тяжелой джар-курганской нефтью, с защитным сло­
ем по типу поверхностной обработки. Характеристика нефти: плот­
ность 0,942—0,943, содержание асфальтенов 5—7% , легких фракций
16—22%, парафина 3% , вязкость 14—20 с. Проведенные работы пока­
зали, что прочность и водоустойчивость грунтов, обработанных тяж е­
лыми нефтями, может быть достаточной для нижних слоев дорожных
одежд.
С
Для повышения физико-механических свойств, ускорения форми­
рования и повышения водоустойчивости рекомендуется активация
минеральных материалов введением извести или цемента. При этом
предел прочности при сжатии материала возрастает почти вдвое. Тяж е­
лые нефти могут быть использованы для обеспыливания грунтовых,
грунтогравийных и грунтощебеночных дорог по методу пропитки и
смешения на месте, для устройства защитных ковриков из пропитан­
ных нефтью песчаных и супесчаных грунтов, для устройства основа­
ний и покрытий на дорогах V категории и внекатегорийных дорог с
интенсивностью движения не более 200—300 авт./сут. В отдельных
случаях можно приготовлять комплексные вяжущие из сырой тяжелой
нефти и вязкого или твердого (строительного) битума. Д ля укрепле­
ния грунтов, грунтогравийных и грунтощебеночных смесей можно
применять тяжелые высокосмолистые нефти с вязкостью С®о не менее
7 с. Нефти с меньшей вязкостью могут быть использованы для обес­
пыливания грунтовых и грунтогравийных профилированных дорог
способом пропитки и для приготовления разжиженных битумов. Ко­
личество фракций, выкипающих до 360°С, не должно превышать 35%
по объему. Если содержание воды в нефти больше 5% , то при назна­
чении нормы расхода воду следует учитывать. Содержание парафинов
в нефти_нежелательно, так как они ухудшают прилипание к каменным
материалам. Расход нефти при работах по методу пропитки в один-два
приема составляет 1,5—3 л/ма, при повторном розливе (через 1—2 мес)—
1—2,5 л/м2. Расход нефти для укрепления грунтов рассчитывают
ориентировочно по формуле, а затем уточняют лабораторным путем.
При формировании укрепленных нефтью материалов происходит
испарение из нефти летучих фракций, окисление компонентов нефти в
результате взаимодействия с кислородом воздуха и полимеризация
под воздействием тепла и света. Эти процессы протекают одновре­
менно, но в начальный период преобладает процесс испарения летучих
компонентов. В этот период и происходит,^ основном формирование и
нарастание прочности материала. Затем идет процесс стабилизации,
при котором преобладают процессы^окисления и полимеризации, а так­
же нарастание прочности, водо- и теплостойкости. Срок формирова­
ния покрытия, устроенного с применением тяжелой нефти в усло­
виях Казахстана, равен 60 сут, что и следует принимать во внимание
при организации работ с применением тяжелых нефтей [2].
Тяжелые смолистые нефти могут быть использованы не только для
вышеуказанных работ, но также в качестве разжижителей для вязких
и твердых битумов, а после отгона легких фракций— для производст­
ва дорожных битумов окислением путем продувки воздуха.
113
Использование сырых тяжелых нефтей без переработки, т. е. без
выделения широкой топливной фракции, целесообразно только для
нефтей, добываемых при разведочном бурении или при малом дебите
скважин, когда строительство завода по переработке нефти эконо­
мически нецелесообразно. В этих случаях нефти можно использовать
для укрепления грунтов, местных малопрочных каменных материалов
(известняков), гидрофобизации минеральных порошков.
Работы по использованию сырых тяжелых нефтей проводились и в
БССР. Нефть Речицкого месторождения БССР использована вместе с
карбамидной смолой для укрепления тяжелых супесей и песков. Рас­
ход нефти 3% , смолы 4% от массы грунта.
Тяжелые нефти западных областей УССР (Бориславского и Надворнянского месторождений), имеющих вязкость СЦо = 5—8 с, при­
меняли для укрепления гравийно-песчаных смесей.
Н а территории РСФСР проводились работы по использованию тя­
желых нефтей Татарии — нефтей разведочного бурения. В среднем
содержание в них смол 20—25%, асфальтенов 3—7, парафина 2—5,
серы 2—3,5% . Нефти применяли при укреплении лёссовидных суглин­
ков, в которые вводили добавку местного гравийного материала. Рас­
ход нефти составлял 7% от массы грунта.
Работы, освещающие применение сырых легких маловязких неф­
тей для укрепления грунтов при строительстве нефтепромысловых до­
рог в условиях Западной Сибири (в Тюменской обл.) появились а
1969 г. Использование малосмолистых легких нефтей для дорожного
строительства неоправдано как с экономической, так и с экологичес­
кой точек зрения. Такие нефти могут быть допущены к использованию
в строительстве нефтепромысловых дорог только как материал разово­
го применения, добываемый при разведочном бурении на нефтяных
месторождениях.
Легкие нефти содержат значительное количество (до 80—85%)
летучих фракций, которые должны быть использованы в нефтепере­
работке по прямому назначению, т. е. для производства ценных свет­
лых топлив, смазочных масел.
1.3. ВЫДЕЛЕНИЕ БИТУМОВ ИЗ БИТУМ СОДЕРЖ АЩ ИХ ПЕСКОВ
Выделение битума из битумсодержащих песков рентабельно в оп­
ределенных условиях. Отделение битума от песка производят обработ­
кой горячей водой, паром, растворителями, причем легче отделяется
менее вязкий битум.
В России природный битум выделяли на битумном заводе в пос.
Шугурово (Татария). Завод начал работать в 1906 г. Песок и песчаник,
содержащие 6— 10% битума с температурой размягчения 18—20°С,
предварительно измельчали на вальцевой дробилке, затем загружали
в варочные котлы, куда подавали воду, подкисленную серной кисло­
той для улучшения отделения битума от породы. Воду нагревали до
кипения, при этом отделяющийся битум всплывал. Его отводили в от­
стойник для отделения увлеченных минеральных примесей и воды.
114
Выделенный битум нагревали для удаления летучих фракций и нем­
ного окисляли воздухом для получения дорожного битума требуемой
марки. Этим способом извлекали около 50% содержащегося в породе би­
тума. После ряда усовершенствований степень извлечения удалось до­
вести до 75%. Отвалы отработанного песка содержали 2—2,5% битума,
их применяли в дорожном строительстве. Д л я более полного отделе­
ния от породы битума применяют обработку ее растворителями (бен­
зином, толуолом, трихлорэтиленом). При такой обработке битум пере­
ходит в раствор, его отделяют от минеральной части в отстойниках.
Выделение битума из раствора производят отгонкой растворителя.
Крупнейший в мире комбинат по переработке битумсодержащих песков, вве­
денный в эксплуатацию в 1967 г ., работает в Канаде в провинции Альберта.
Кроме битума, комбинат производит котельное топливо, кокс, серу, водород.
Разработку породы ведут открытым способом. Пласты битумсодержащего
песка мощностью 15,4—83,6 м разрабатывают многоковшовым экскаватором с
объемом ковша 1 м3 и расчетной производительностью 9000 т/ч. Верхний слой поч­
вы предварительно очищают бульдозерами и скреперами. Из карьера песок з а ­
гружают на скоростной конвейер, который передает породу на основной конвей­
ер, движущийся со скоростью 290 м/мин, и транспортирует песок на завод.
Для извлечения 7300 т/сут битумного сырья (первоначальная мощность комбина­
та) необходимо переработать 120 тыс. т/сут битумсодержащего песка. Соотноше­
ние продуктивного и покрывающего пластов в среднем составляет 2:1, поэтому
в сутки требуется удалять около 60 тыс. т покрывающего пласта. Всего в сутки
приходится транспортировать 275—300 тыс. т твердого материала, т. е. для выде­
ления 1 т битумного сырья — 3 8 —40 т твердого материала (отработанный пе­
сок транспортируют в отвалы).
Д ля выделения битума используют горячую воду. Установка состоит из че­
тырех параллельных технологических линий, каждая из которых рассчитана н а
переработку 2300 т/ч битумсодержащего песка. Вначале перед подачей песок
подвергают непрерывной проверке на содержание битума (спектрометром), з а ­
тем его подают во вращающийся барабан для кондиционирования, где переме­
шивают с водой и едким натром при 80— 85° С. В барабан подают такж е водяной
пар для поддержания требуемой температуры. Полученная пульпа поступает н а
вибрационный грохот для удаления комьев глины, камней, смерзшихся кусков
песка, откуда насосом передается в экстрактор. Пульпа содержит 10— 60% воды,
30— 85% битума, 5— 10% минеральных частиц. После обработки в экстракторе
масса поступает в сепаратор, где частицы песка оседают на дно, а затем гидро­
транспортом песок отводят в отстойник и далее в отвал. Битум всплывает на по­
верхность в виде пены, и после разбавления нафтой его перекачивают насосом н а
центрифугирование для отделения воды и минеральных примесей.
Из центральной части экстрактора слой пульпы, содержащий глину, ил, во­
ду и битум, выводят на пневматическую флотацию, откуда извлеченный битум
вместе с основным потоком направляют на центрифугирование.
Выделенное битумное сырье содержит около 5% серы, следы ванадия, нике­
л я, ж елеза. Нафту, используемую в качестве разбавителя, выводят как головную
фракцию при нагревании битумного сырья до 360°С, а битумное сырье подверга­
ют дальнейшей переработке для получения керосина, газойля, котельного топ­
лива и других продуктов. Глубина извлечения составляет 92—93% . Д ля эффек­
тивного извлечения битума из битумсодержащих песков Атабаски предложено
много усовершенствований процесса.
Образующуюся при обработке песков паром или водой битумную пенистую
эмульсию предложено пропускать через специальное устройство, в котором мас­
са, имеющая температуру 35— 65° С, проходит через зазор между двумя парал­
лельными плоскостями, расположенными на расстоянии 3 — 12 см друг от друга.
Эти плоскости вследствие колебательных движений под действием усилия 0,35—
2,8 МПа вибрируют, передавая движение пропускаемой в^ зазор пенистой мас­
се. Длина пути в зазоре должна быть не менее 30 см.
115
Для повышения эффективности извлечения битума из породы вводят каусти­
ческую соду, доводя значение pH среды до 8 —8,5. Рекомендуется также в водную
суспензию битумсодержащего песка (количество воды не менее 15%) при 24—
45° С добавлять 0 ,5 — 10% от массы битума легкого углеводорода с температурой
кипения 49— 71°С (например, гексана), после чего массу направляют в воду с тем­
пературой на 5°С выше температуры кипения углеводорода. При этом последний
вскипает и выделяющиеся пары способствуют вспениванию и отделению битум­
ной пленки от песка. Для интенсификации процесса углеводородный разжиж итель рекомендуется насыщать газом (этаном, пропаном) в количестве 50—200%
от объема битума. Этот способ позволяет достигнуть 95% выделения битума из
песка.
Применяют способ ультразвуковой обработки битумсодержащего песка, сме­
шанного с растворителем. Растворителем служ ит смесь 23% этилбензола, 14% оксилола, 55% — м-ксилола, 8% — п-ксилола (по объему). Соотношение между
количествами растворителя и битумсодержащего песка составляет 2:1. Процесс
ведут без подогрева. Имеется промышленная ультразвуковая установка с лопаст­
ной мешалкой, дающей 1000 об/мин. В СССР изучено влияние ультразвука с час­
тотой 2 0—22 кГц на процесс выделения битума. При 5-кратной обработке уль­
тразвуком выделено 80% битума из кира.
В Канаде запатентован способ криогенного выделения битума из битумсодер­
жащего песка посредством замораживания породы до — 30-^— 130° С. Измель­
чение породы и отделение битума производят в шаровой мельнице с псевдожижением, при этом достигают выделения 88%!'битума. Проводились опыты по микро­
волновой обработке битумсодержащих песков; степень выделения битума со­
ставляла 86% . Использовали источник микроволн с частотой 24 5 0 0 ± 5 0 МГц.
Предложен способ выделения битума из породы обработкой серой и водой.
Битумсодержащий песок смешивают с 3 — 10% серы (размер частиц 1— 100 мкм)
и 40—400% воды при 3 8 — 52°С. В’результате получают систему из трех фаз: би­
тум — серный агломерат, песок, вода. Агломерат удаляют с поверхности водно­
го слоя, а затем декантацией отделяют воду от песка. Выделение битума произво­
дят нагреванием агломерата до температуры плавления серы с последующим раз­
делением битума и серы. При содержании серы в агломерате 4—5% выход битума
достигает 80% .
Д л я извлечения битума можно обрабатывать породу при 37— 92°С вод­
ным раствором, содержащим 0 ,1 — 5% неорганического полифосфата и 0 ,1 — 5%
щелочного агента, так, чтобы pH раствора было более 10. В качестве полифос­
фата используют водорастворимую соль пирофосфорной кислоты, пирофосфат
Ыа, Ыа3Н Р 20 7, Ма4Р 20 7, К Н 3Р 20 7; Ь Ш 3Р 20 7. В качестве щелочного агента
служ ат ЫаОН, КОН, МН4ОН. Дополнительно рекомендуется обрабатывать по­
роду углеводородным растворителем для отделения оставшегося битума.
При переработке битумсодержащих песков значительными проблемами яв­
ляются удаление отработанного песка и глинистых частиц, очистка и регенера­
ция отработанной воды, охрана окружающ ей среды, восстановление рельефа
местности.
С целью более полного использования породы предложено организовать вы­
деление ванадия и циркония.
Н а основе анализа битумсодержащих пород отечественных место­
рождений Баш НИИНП разработана принципиальная технологическая
схема извлечения битума из пород Сугушлинского месторождения в
Татарии. Схема ^включает следующие стадии: горные разработки,
транспортирование породы, подготовку ее к переработке, извлечение
органической части способом выварки водой, регенерацию разбавите­
ля. Рассмотрены три схемы традиционных процессов переработки с
целью получения различных продуктов. Первая схема включает ат­
мосферную перегонку, гидроочистку получаемого дизельного топлива,
производство битума, серы и водорода. Выход битума составляет 92%
по массе. Вторая и третья схемы направлены на значительное увеличе116
ние топливных продуктов. Нефтяное сырье из песков Татарии содер
жит 20—29% керосино-газойлевых фракций и 26—35% масляных
фракций. Остаточная фракция с температурой кипения выше 500°С
составляет 39—51%, содержание серы 3,4—4,1% . Парафиновые угле­
водороды почти полностью отсутствуют. Это потенциальное сырье для
получения низкозастывающих дизельных топлив и масел, а также до­
рожных битумов.
Наряду со способом выделения битума из породы, добываемой от­
крытым способом, обработкой водой, разрабатывают способы подзем­
ной переработки битумсодержащих песков.
Большая часть битумсодержащих песков Канады непригодна для
открытой разработки из-за большой глубины залегания. Поэтому пред­
ложена разработка внутрипластовыми способами: закачкой водяного
пара высокого давления или горячей воды (с добавками) в пласт, а так ­
же внутрипластовым горением.
Опыт организации работ по извлечению битума из битумсодержа­
щих песков показал эффективность процесса при определенном содер­
жании битума в породе, лежащей на небольшой глубине, и при доста­
точно больших запасах месторождения.
Если месторождение битумсодержащих песков обладает мощными
запасами не слишком вязкого битума и расчет рентабельности показы­
вает, что извлечение битума из песков экономически выгодно, в этом
случае целесообразно строительство предприятия по добыче и перера­
ботке битумсодержащего песка с целью получения битума, жидкого
топлива и ряда других продуктов.
Опыт организации работ по извлечению битума из битумсодержа­
щих песков в Канаде показал эффективность процесса при определен­
ном содержании битума в породе (более 6%), лежащей на небольшой
глубине, при больших запасах месторождения. В Канаде разработан
эмпирический показатель рентабельности разработки битумсодержа­
щих песков:
где 5 — содержание битума в породе, % по массе;
47 — общая мощность пустых пород;
V — общая мощность продуктивного пласта.
При 3 ^ 5 разработку месторождения карьерным способом счита­
ют рентабельным.
Битумсодержащие песчаники обычно содержат минеральные вяж у­
щие вещества, придающие породе определенную механическую проч­
ность. Это затрудняет использование битумсодержащих песчаников
для извлечения битума, так как перед обработкой требуется дополни­
тельная технологическая подготовка породы — дробление или измель­
чение, что вызовет удорожание готового продукта. Поэтому песчаники
экономичнее использовать без извлечения битума.
Работами Гипродорнии показано, что для дорожного строительства
представляет особый интерес проблема использования битумсодержа­
117
щих пород без извлечения битума. В этих случаях наиболее перспек­
тивно использовать залежи битумсодержащих пород, находящихся на
глубине, допускающей разработку породы силами и механизмами дорожно-строительных организаций, с малыми пластами вскрышных по­
род, при запасах битума в месторождении, которые не экономичны для
строительства завода по извлечению битума. В этих случаях могут
быть использованы не только пески, но и песчаники, известняки, до­
ломиты, переработанные в высококачественные дорожно-строитель­
ные материалы.
3.4. ПРИМЕНЕНИЕ БИТУМ СОДЕРЖ АЩ ИХ ПОРОД БЕЗ ИЗВЛЕЧЕНИЯ
БИТУМА
Применение битумсодержащих песков и песчаников
Природные битумсодержащие пески применялись в дорожном стро­
ительстве в 1963 г. в районе г. Апшеронска, где имеется месторожде­
ние мелкозернистых песков, содержащих около 4% глины и 12% биту­
ма. Температура размягчения битума 86°С. Отмечена значительная не­
однородность породы. Добавлением в битуминозную породу 37—47%
песчано-гравийной смеси и 4% нефтяного битума были получены би­
тумоминеральные смеси объединением материалов при температуре
170° С. Уплотнение производилось катком (2,5 т). Образцы, приготов­
ленные из таких смесей, имели прочность при сжатии при 20°С 2,7—
3,7 МПа, при 50°С около 1 МПа, водонасыщение 1,7—3,7% и набуха­
ние 1,7—0,55%.
В 1970 г. построен опытный участок дороги на обходе г. Краснодара
с применением в смеси для нижнего слоя покрытия битуминозных пес­
ков Нефтегорского месторождения. Состав смеси был следующий: ще­
бень 20—40 мм — 30%, 10—20 мм — 20%, 5— 10 мм — 15%, битуми­
нозный песок—35%, битум Б Н Д 90/130—2,2% . Температура при при­
готовлении смеси 160°С, при укладке 130— 135°С. Прочность при сжа­
тии образцов при 20°С была 4,6 МПа, при 50°С — 1,1 МПа, набуха­
ние — 1%. Благодаря применению природного битуминозного песка
стоимость 1 т черной щебеночной смеси снизилась на 1,3—-1,5 руб.
Битумсодержащий песок Нефтегорского месторождения Красно­
дарского края имеет около 90% зерен крупностью 0,63—0,14 мм. Объ­
емная масса 1,61 г/см3, пористость 39—40%. Содержание битума 10—
11%. В минеральной части преобладают S i0 2 (92%). Содержание
R 2O s = 2,77%, CaO + MgO = 2,57%, N asO + K 20 = 0,5% . Битум
содержит 9,84% асфальтенов, 20,32% смол, 69,82% масел, 3,15% па­
рафина. Вязкость С ®0 = (16-^24) с.
Песчаник Фиков-Колокского месторождения (Татария) имеет зе­
рен крупностью 0,315—0,071 мм около 95,5%, его объемная масса
1,97 г/см3, прочность при сжатии 1—5 МПа, содержание битума 3— 6%.
Состав битума: 10—29% асфальтенов, 28—39% смол, 31—59% масел,
5— 6% серы. Температура размягчения битума 28—48 °С, вязкость
Сбо = (40-^70) с. Песчаник содержит 5— 6% глинистых частиц. В ми118
керальной части имеются кварц, халцедон, опал, кремень, плагиоклаз,
роговая обманка.
В естественном состоянии песчаник пригоден для устройства ниж­
них слоев оснований, обработанных 2—4% гудрона. Он удовлетворя­
ет требованиям на грунты, укрепленные битумами или битумными
эмульсиями.
При добавлении 2—4% извести битумсодержащий песчаник ФиковКолокского месторождения, несмотря на высокое содержание глины,
имеет набухание значительно ниже (0,3— 2%), чем допускается для
укрепленных грунтов. При этом прочность при сжатии сухих образ­
цов при 20°С достигает 3,5—4,9 МПа, а в водонасыщенном состоянии
3—4 МПа, что значительно превышает требования для укрепленных
грунтов.
При испытании на усталость при 20°С образцы дают результаты,
близкие к усталости холодного песчаного асфальтобетона на битуме
МГ 70/130 с активированным минеральным порошком. Битумсодержа­
щий песчаник может быть использован для приготовления холодных
асфальтобетонных смесей.
Породы Пираузского месторождения представляют собой кварце­
вые пески с Мк = 0,8—2,0, содержащие мягкий битум в количестве
0,8—9,3% (асфальтенов 15%, смол 34%, масел 51%). С использова­
нием песка Пираузского месторождения получены асфальтобетонные
смеси горячего, теплого и холодного типов.
Песчаник Бахиловского месторождения (гаревый песчаник или
гарь) представляет собой выветрившуюся породу, содержавшую ранее
жидкий или вязкий битум. Содержание битума 15—21% (температура
размягчения 145°С), асфальтенов 64%, смол 25%, масел 11%. В мине­
ральной части преобладает S i0 2, CaO + MgO = 0,37%, R 20 3 = 9,91% .
Выбор рационального способа применения битумсодержащих пес­
ков и песчаников зависит от количества в них битума, его консистен­
ции, зернового состава минеральной части. Битумсодержащие пески и
малопрочные песчаники при низком проценте в породе битума любой
консистенции можно использовать для устройства подстилающих сло­
ев дорожных одежд. Эти же породы со средним или повышенным со­
держанием жидкого битума допустимо применять для устройства у к ­
репленных и неукрепленных дорожных оснований.
Битумсодержащие песчаники прочностью более 20 МПа при малом
количестве битума любой консистенции могут быть использованы в про­
изводстве щебня, для устройства укрепленных и неукрепленных осно­
ваний.
Эти песчаники при любом содержании битума в породе можно при­
менять в качестве компонентов (щебня и песка) асфальтобетонных сме­
сей для устройства оснований и покрытий.
Битумсодержащие пески и песчаники с высоким процентом биту*
ма вязкой и жидкой консистенции целесообразно использовать для из­
влечения битума, если экономически целесообразна добыча и достаточ­
ны запасы месторождения. Песок, остающийся после переработки, в
котором еще имеется до 3% битума, может быть также использован в
* дорожном строительстве.
Применение кирей
Битумсодержащие породы— киры, значительные месторождения ко­
торых имеются в Западном Казахстане, начали использовать в дорож­
ном строительстве с начала 50-х годов. Д л я большинства месторожде­
ний киров Западного Казахстана характерна однородность пластов
полезной толщи по пористости,^составу минеральной части и процен­
ту битума. Поверхностные слои^киров (на глубинул2—3 м) обычно ме­
нее однородны. Верхнюю часть слоя составляет очень твердый кир»
содержащий вязкий или твердый битум. Разработка твердого кира
возможна только с применением буро-взрывных работ.
Расположенные ниже слои содержат менее вязкий битум. Такой кир
имеет рыхлую консистенцию и может разрабатываться обычными зем­
леройными машинами.
Состав минеральной части киров характеризуется значительным
количеством мелких частиц. Так, общее количество частиц мельче
0,15 мм составляет 46—82%. Содержание пылеватых и глинистых час­
тиц мельче 0,074 мм изменяется от 4,6 (Иман-Кара) до 27,1% (Тюбеджик), в отдельных случаях достигает 30—40%. Таким образом, мине­
ральная часть киров представлена супесями, суглинками и даже
глинами. Однако в большинстве случаев минеральная часть киров
представлена преимущественно мелкими песками крупностью 0,074—
0,25 мм.
|
Содержание битума в кирах достигает нередко 15—25% и более.
Так, в месторождении Мунайлы-Мола содержание битума колеблется
в пределах 12—50% , составляя в среднем 26%, в месторождении АкЧий 9—44%, Копа 7—31%, Беке-Таспас 7— 18%. Характеристики би­
тумов ряда месторождений приведены в табл. 3.8. Свойства битумов
в кирах неоднородны даже в пределах одного месторождения.
Битумы киров содержат незначительное количество серы, твердые
парафины в них не обнаружены. Как правило, природные битумы об­
ладают высокими адгезионными свойствами. Плотность битума в ки­
рах составляет в среднем 0,983 г/см3.
Природные битумы имеют довольно низкую температуру хрупкости.
Например, битум месторождения Беке-Таспас имеет температуру
хрупкости — 12-=----- 21°С.
Объемная масса киров 2,05—2,17г/см3» пористость 23,8—37,2% ,
коэффициент насыщения битумом 0,60—0,87.
Т а б л и ц а 3.3
Содержание, % по массе
Месторождение
Мунайлы-Мола
Иман-Кара
Ак-Чий
Беке-Таспас
120
масел
69,0—70,8
69,4
69,2—70,5
48,7—74,9
смол
асфальтеиов
2 0 ,8 -2 2 ,2
21,8
21,3—22,0
1?,7— 38,7
6,6—7,8
7,8
7,2— 7,8
4,5— 12,5
Температура
размягчения,
•С
20—24
20
1 5 -3 8
10—40
Важной характеристикой киров, определяющих технологические
возможности их применения, является липкость. Работы, проведен­
ные в Казахстане, показали, что при малом содержании битума (менее
10%) кир не прилипает к металлическим поверхностям. При содер­
жании битума до 19—20% липкость кира незначительна и специаль­
ных мер защиты оборудования не требуется. Липкость кира с 20% би­
тума возрастает с повышением температуры, тогда как липкость Ки­
ров с высоким содержанием битума (30—50%) с ростом температуры
снижается. Если битума в кире 20—25%, необходимо обеспечить при­
нудительную механическую очистку рабочих органов машин или обра­
ботку их составом, предотвращающим налипание кира. При содержа­
нии битума в кире свыше 25% месторождение целесообразно разраба­
тывать путем локального разогрева с последующим перекачиванием
расплавленной массы кира насосной установкой.
Киры применяют для устройства дорожных одежд способом сме­
шения на месте, приготовления холодных смесей в установках при­
нудительного смешения. Прогрев в течение 5 ч при температуре
70—120° С практически не приводит к изменению свойств кира. Про­
грев кира при 160°С в течение 5 ч приводит к резкому ухудшению рас­
тяжимости битума. Как показали опытные работы, проведенные в
Казахской ССР, применение киров обеспечивает экономию нефтяного
битума, сокращение применения привозных каменных материалов и
позволяет получить ощутимый экономический эффект при строительст­
ве дорог в районе месторождений [ 21].
Применение битумсодержащих известняков
и доломитов
Битумсодержащие известняки и доломиты без извлечения битума
можно применять после дробления в виде щебня и песка, а при помоле
получать высококачественный минеральный порошок. Щебень из та­
ких пород может быть использован для приготовления асфальто- и це­
ментобетонных смесей для верхних и нижних слоев покрытий, для уст­
ройства оснований.
Д ля производства дробленого песка пригодны известняки и до­
ломиты прочные и средней прочности с малым и средним содержанием
битума твердой и вязкой консистенции. Д л я производства минераль­
ного порошка применимы, кроме этих пород, также известняки проч­
ностью выше 20 МПа, содержащие твердый битум.
Порода малой прочности с низким и средним содержанием битума,
а также отходы дробления при производстве щебня могут быть исполь­
зованы для подстилающих слоев дорожных одежд. Д ля снижения вяз­
кости содержащегося в породе битума можно вводить гудрон, мазут,
сырую тяжелую нефть и другие разжижители.
При устройстве покрытий и оснований из черного щебня пригодны
прочные и средней прочности породы с малым и средним содержанием
битума. При использовании фракционированного щебня с пропиткой
для устройства покрытий и оснований могут быть применены все проч­
ные битумсодержащие известняки и доломиты.
121
Во Франции известняк с содержанием 10% битума применяют с 1977 г. в д е­
партаменте Эндр-э-Лувр.
Мелкозернистый асфальтобетон приготовляли из обычных щебня и песка е
добавкой 8% асфальтового порошка, полученного дроблением битумсодержащей
породы. В результате добавка природного битума составила 0,8% по отношению
к минеральному материалу. В смесь добавляли 5,65% нефтяного битума с глуби­
ной проникания 40—80 при 25°С. Испытания показали несколько меньшую плот­
ность материала по сравнению с контрольными образцами (без природного биту­
ма), несколько большую прочность на сжатие при 20 и 50° С и меньшую при 0°С.
Асфальтобетон с добавкой природного битума имел меньшую склонность к колееобразованию (глубина колеи 4,9 мм, а у контрольного образца 7,4 мм) и боль­
шую шероховатость, причем она сохранялась после 27 мес эксплуатации.
Добавка природного асфальтового порошка в асфальтобетонные смеси была
применена также при строительстве дороги близ Парижа. Использовали битум­
содержащий известняк, состоящий из 93,8% СаС03, 2 —4% воды, 6 ,5 — 10% би­
тума и имевший плотность 2,1 г/см3.
В мелкозернистую асфальтобетонную смесь, содержащ ую 12,5% природного
асфальтового порошка, вводили нефтяной битум в таком количестве, чтобы о б ­
щее содержание битума составляло 5,6% . Полученный асфальтобетон имел плот­
ность 2,48—2,49 г/см3, стабильность по Маршалу 820— 876 кг, прочность на сж а ­
тие при 50°С 0 ,9 — 1,0 МПа.
Характеристики битумсодержащих карбонатных пород ряда мес­
торождений РСФСР приведены ниже. Так, битумсодержащий доломитизированный известняк Ижемского месторождения Коми АССР имеет:
предел прочности при сжатии 80МПа, битума до 5% с температурой
размягчения 180°С, плотность 2,67 г/см3, объемную массу 2,65 г/см3,
пористость 0,7% , водопоглощение 0,8% , марку по морозостойкости
150—300.
Известняк Ярилкинского месторождения Куйбышевской обл. име­
ет: предел прочности при сжатии 40 МПа, 8— 10% битума с темпера­
турой размягчения 80— 100°С, плотность 2,33 г/см3, объемную массу
2,21 г/см3, пористость 2%, водопоглощение 1,8%, марку по морозо­
стойкости 100—300.
Доломит Торнового оврага Куйбышевской обл. имеет: прочность
при сжатии 40 МПа, битума 11— 14% по массе с температурой размяг­
чения 130°С, плотность 2,37 г/см3, объемную массу 2,37 г/см3, порис­
тость 0%, водопоглощение 0,5— 1%, морозостойкость 100— 150.
Н а базе месторождений такого типа могут быть созданы предприя­
тия по производству гидрофобизированных щебня, песка и минераль­
ного порошка. Экономический эффект от использования битумсодер­
жащих карбонатных пород в дорожном строительстве составляет
2—8 тыс. руб/км.
Использование в народном хозяйстве природных битумов и битум­
содержащих материалов является важной задачей, способствующей
повышению эффективности и качества дорожного строительства, вов­
лечению в народнохозяйственное использование дополнительных ре­
сурсов углеводородного сырья, экономии нефтепродуктов. В целях рас­
ширения использования различных видов природных битумов и би­
тумсодержащих материалов необходимо дальнейшее развитие геолого­
разведочных работ, а также развитие соответствующей промышленной
базы по разработке перспективных месторождений и применению ука­
занных материалов в дорожном строительстве,
№
Глава 4
ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ
ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ
4.1. ПРОИЗВОДСТВО ВЯЖУЩ ИХ ИЗ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО
РАЗЛОЖ ЕНИЯ КАМ ЕННЫХ УГЛЕЙ
Одним из значительных по объему производства и проверенных в
эксплуатационных условиях, а также доступных в настоящее время
органических вяжущих материалов являются каменноугольные дегти, смолы и пеки, получаемые в процессах разложения ископаемых уг­
лей при высоких температурах без доступа воздуха (коксования, га­
зификации, полукоксования).
Масштабы производства каменноугольной смолы определяются
главным образом выпуском чугуна, а следовательно, количеством по­
требляемого кокса. Доменный процесс в производстве черных метал­
лов сохранит свое значение на продолжительную перспективу. Мас­
штабы коксования каменных углей для получения металлургического
кокса возрастают, следовательно, будет увеличиваться и выра­
ботка каменноугольной смолы. Производство каменноугольных смол,
пеков, дорожных дегтей в настоящее время достигает значительных
объемов.
Выход каменноугольной смолы составляет в среднем 2,8—4,5%
от массы угля. Выход каменноугольного пека в зависимости от его кон­
систенции равен 40—75% от массы смолы.
В настоящее время в СССР не весь объем каменноугольных смол
перерабатывают на коксохимических и коксогазовых заводах в до­
рожный деготь. На этих предприятиях в значительных объемах оста­
ется без переработки каменноугольная смола, а также ряд побочных
продуктов — кубовые остатки ректификации бензола, полимеры бен­
зольного отделения, углеводородная и углеводородформальдегидная смолы, кислые смолки, фусы и др. Однако дорожные организации
еще не в полной мере используют вяжущие из каменного угля, требую­
щие более тщательного соблюдения температурных режимов примене­
ния, чем нефтяные битумы, некоторых дополнительных мероприя­
тий по обеспечению охраны труда.
Каменноугольные дорожные вяжущ ие получают в настоящее вре­
мя путем переработки смолы, образующейся при коксовании или гази­
фикации каменных углей, и в незначительных количествах при полу­
коксовании. Коксование каменного угля производят с целью получе-
123
ййя Металлургического кокса и осуществляют в коксовых печах при
температуре около 800—900°С без доступа воздуха. В качестве побоч­
ных продуктов образуются светильный газ, аммиачная вода, каменно­
угольная смола, состоящая из маслянистых, смолистых, углистых ве­
ществ и воды. Эти продукты улавливают конденсацией в воздушных
и водяных холодильниках. При этом осаждаются увлекаемые твердые
частицы угля и кокса. Те побочные продукты, которые не могут быть
сконденсированы в холодильниках, улавливают адсорбцией водой
(получая аммиак) и маслом (получая бензол). Выход кокса составля­
ет 70—77%, смолы около 10, бензоладо 1, аммиака до 1, газа 15—25%.
Газификацию углей ведут с целью получения горючего газа раз*
ложением угля при температуре выше 1000°С без доступа воздуха.
В качестве одного из побочных продуктов образуется каменноуголь­
ная смола, которая содержит большее количество углистых частиц,
чем смола, полученная при коксовании углей.
Каменноугольные смолы — ценное сырье для получения ряда хи­
мических веществ (красителей, фотохимикалий, полупродуктов для
производства синтетических волокон), поэтому их подвергают фрак­
ционной разгонке, выделяя по пределам температур кипения фракции
масел: легких (до 170°С), средних (170—270°С), тяжелых (270—300°С),
антраценовых (300—360° С). В остатке получают пек. Перед разгон­
кой сырую смолу подвергают обессоливанию и обезвоживанию промыв­
кой конденсатом от улавливания газа в первичных газовых холо­
дильниках, применяя деэмульгаторы, а также дешламацию смолы спо­
собом центрифугирования. При этом обязательным условием является
отстой смолы. Промывка смолы конденсатом первичных газовых холо­
дильников в одну ступень обеспечивает ее обезвоживание на 70, обеззоливание на 45 и обессоливание на 80%.
При очистке смолы в осветлителях, отстойниках и на центрифугах
образуются фусы. Они содержат угольную и коксовую пыль, мине­
ральные примеси, до 50% смолы и могут быть использованы для ук­
репления грунтов.
В СССР каменноугольную смолу перерабатывают по непрерывной
схеме на разных по мощности и техническому оснащению установках,
входящих в состав коксохимических предприятий.
Н а качество каменноугольной смолы оказывают влияние качест­
во исходного угля, температура, время коксования и другие условия
процесса. Каменноугольная смола, поставляемая в дорожные органи­
зации, содержит до 4% воды, не более 9% веществ, нерастворимых
в толуоле в пересчете на безводную смолу, до 10% нафталина и до
0,2% золы. Условная вязкость ее при 80°С равна 2,5—4,5 с.
Пек получают дистилляцией смолы в большинстве случаев на уста­
новках непрерывного действия. Н а некоторых заводах прибегают к до­
полнительной термической обработке, или продувке паром для полу­
чения пека с температурой размягчения 65—83°С (среднетемператур­
ного пека). Разделение фракций производят на одной колонке (темпе­
ратура в трубчатой печи 410—415°С, длительность нагрева 9 мин).
Имеются не только трубчатые, но также и трубчато-кубовые установ­
ки и кубы периодического действия.
124
В СССР пек выпускают трех Марок с температурами размЯгчёНИй
65—75°С (А), 76—83°С (Б), 135— 150°С (В), содержанием веществ,
нерастворимых в толуоле соответственно 24—28, 25—31 и более 31% ,
веществ, нерастворимых в хинолине, соответственно не более 6, 8 и
12%, зольностью не более 0,3% .
Отличительной особенностью зарубежных норм на пек является
наличие в номенклатуре сортов с пониженной температурой размягче­
ния (40—65°С) — мягких пеков, которые используют в строительстве.
В СССР для этих целей применяют композиции из среднетемператур­
ных пеков и высококипящих фракций каменноугольной смолы, что
более целесообразно.
Наиболее изучены каменноугольные дорожные дегти, получаемые
из смол коксования. В меньшей мере изучены и нашли применение
в дорожном строительстве дегти, получаемые при газификации углей
и их полукоксовании.
Технология изготовления дорожного дегтя применяется в двух ва­
риантах: по первому его получают непосредственно при дистилляции
каменноугольной смолы (остаточный деготь или мягкий пек), по вто­
рому — способом смешения высококипящих продуктов переработки
каменноугольной смолы (фракций) и среднетемпературного пека (со­
ставленный деготь). В последние годы в СССР и мировой практике
все большее распространение получает второй вариант [13].
В дорожные организации часто поступает дорожный деготь мень­
шей вязкости, чем требуется для производства дорожных работ, или
обезвоженная каменноугольная смола (менее вязкие продукты легче
и быстрее заливать в цистерны), а также пек (навалом на платформы).
В связи с этим дорожным организациям приходится самим доводить
полученные материалы до требуемой вязкости.
Приготовление вяжущих в условиях строительства
Составленный деготь требуемой вязкости приготовляют из средне­
температурного пека и масла или среднетемпературного пека и мало­
вязкого дегтя. Д ля определения количественного соотношения между
ними в лаборатории составляют сплав пека и масла или пека и маловяз­
кого дегтя исходя из того, что содержание фракций, выкипающих до
300°С в готовом составленном дегте заданной вязкости, приблизитель­
но отвечает количеству каменноугольного масла М (% по массе), не­
обходимого для получения этого дегтя. Количество пека равно (100—
М) %.
После проведения испытаний в соответствии с требованиями тех­
нических норм уточняют, если необходимо, состав дегтя с целью полу­
чения требуемых характеристик.
Составленные каменноугольные дегти приготовляют на специально
оборудованной базе, которая включает хранилище для каменноуголь­
ного масла или маловязкого дегтя, склад для пека, несколько метал­
лических котлов с подогревом, агрегаты для подачи в котлы состав­
ляющих, их дозирования и перемешивания, выдачи готового дегтя.
125
В котле пек расплавляют и нагревают при температуре около 100°С
до прекращения вспенивания (для обезвоживания). Затем темпера­
туру доводят до 140— 150°С, после чего нагрев прекращают и в котел
постепенно добавляют предварительно обезвоженное в отдельном
котле при температуре 105— 110°С каменноугольное масло или мало­
вязкий каменноугольный деготь при непрерывном перемешивании.
Приготовление составленного дегтя заканчивают, когда получается
однородное по консистенции вяжущее. Основным условием получения
качественных материалов является строгое соблюдение температур­
ного режима. Продолжительный нагрев готового вяжущего недопус­
тим. Длительность выдерживания вяжущего при рабочей температу­
ре разрешается не более 3 ч с обязательным контролем вязкости.
Можно приготовлять составленный деготь путем нагревания ка­
менноугольного масла или маловязкого дегтя при температуре 105—
110°С для обезвоживания, затем постепенного введения расплавлен­
ного пека при перемешивании до однородного состояния массы и по­
вышения температуры до 140 °С.
Во избежании выбрасывания обводненного вяжущего из котла
вследствие вспенивания при нагревании загрузку котлов производят
не более чем на 50% их полного объема, разогрев ведут медленно, при
перемешивании применяют пеногасители.
Отогнанный дорожный деготь приготовляют из обезвоженной ка­
менноугольной смолы на базе в специально оборудованных котлах,
выпариванием смолы при 105— 110°С для полного удаления влаги с по­
следующим нагреванием при 130— 150°С в течение 4—8 ч для испаре­
ния части легколетучих фракций.
Если позволяет оборудование, приготовление отогнанного дорож­
ного дегтя (или дорожной смолы) из сырой смолы производят отгоном
фракций, выкипающих до температуры 280°С (по возможности под ва­
куумом), с последующим выдерживанием при 150— 170°С при атмос­
ферном давлении для достижения требуемой вязкости.
Обезвоженная каменноугольная смола имеет вязкость Clo = (5-г-^70) с. При выдерживании смолы в котле в условиях отвода летучих
компонентов в течение 3—5 ч при 110— 120° С ее вязкость достигает
Q o = (54-50) с.
В связи с увеличением потребности в дорожном дегте проводят ис­
следования с целью его производства на основе других видов сырья.
Так, в качестве главного компонента сырья для производства дорож­
ного дегтя может быть использован пек, полученный из антраценовой
фракции методом дегидрополиконденсации. При этом можно получить
стандартный среднетемпературный пек с выходом 87—90% и на его ос­
нове смешением с антраценовой фракцией — дегти всех марок.
Возможно также прямое получение дорожных дегтей любой марки
из высококипящих фракций каменноугольной смолы путем термичес­
кой обработки их при подаче воздуха. Дорожный деготь можно гото­
вить на основе смолы и пека, для чего используют в нагретом виде обез­
воженную каменноугольную смолу и жидкий пек в соотношениях со­
ответственно 70—65 и 30—35% в зависимости от марки дегтя,
126
4.2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА КАМ ЕННОУГОЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ
Химический состав
В составе каменноугольных смол, получаемых при коксовании и
газификации, преобладают ароматические углеводороды, гетероцик­
лические соединения и их производные. Каменноугольные смолы и дегти содержат следующие группы веществ: 1) вещества, нерастворимые
в толуоле и прежде называемые «свободный углерод». Эту группу со­
ставляют частицы угля, кокса, а также наиболее богатые углеродом
высокомолекулярные соединения; 2) твердые смолы (типа асфальтенов в битумах) кристаллической структуры, растворимые только в пи­
ридине; 3) пластичные плавкие смолы красно-бурого цвета, раствори­
мые в бензоле и хлороформе; 4) нейтральные углеводороды — жид­
кие и вязко-жидкие, представляющие собой масла; 5) фенолы—вещест­
ва кислого характера; 6) основания — вещества щелочного характера.
Кроме указанных групп веществ, в смолах содержатся вода (до
15%), нафталин (8— 12%), антрацен, фенантрен, высокомолекуляр­
ные, в основном гетероциклические, соединения (азотистые основания),
содержащие в молекулах атомы N и О (1—3%).
При содержании в смолах нафталина, антрацена и фенантрена ме­
нее 10— 15% они растворены в маслах, а выше этого предела (при тем­
пературе ниже 10°С) эти вещества выпадают в виде кристаллов, созда­
ют зернистую структуру, снижая вяжущие свойства смол. Поэтому
содержание нафталина в дорожных каменноугольных вяжущих строго
нормируется. Фенолы растворимы в воде, ядовиты, легко окисляются,
содержание их в дорожном вяжущем такж е строго регламентируется.
Содержание нафталина в дорожных дегтях в зависимости от их марки
не должно превышать 4—7% , фенолов 3—5%. В нормах некоторых
стран на дорожные дегти регламентируют содержание антрацена до
3 -4 % .
Каменноугольные дорожные дегти разделяют на марки в зависимо­
сти от вязкости. Они содержат не более 18—20% веществ, нераствори­
мых в толуоле. Количество легких масел, выкипающих до 170°С, не
превышает 1,5—3% , средних масел, выкипающих до 270°С,— 10—20%
(в зависимости от марки дегтя), а тяжелых масел, выкипающих до
300°С,— от 20 до 35% . В дегтях нормируют также температуру раз­
мягчения остатка после отбора этих фракций.
Таким образом, дорожные дегти в сумме содержат от 30 до 58% ма­
сел. Кроме веществ, нерастворимых в толуоле, и суммы всех масел,
выкипающих до 300°С, дегти содержат еще от 24 до 48,5% тяжелых мас­
ляных (выкипающих выше 300°С) и смолистых фракций. Из них на до­
лю пластичных смол приходится 10— 15%, а на долю твердых смол —
5— 10%. По сравнению с нефтяными битумами каменноугольные
дегти содержат значительно меньшее количество смолистых веществ
(в битуме оно достигает 35—40%), что сказывается в первую очередь
на их интервале пластичности.
Смолы, получаемые при полукоксовании (разложении угля без
доступа воздуха при температурах 500—600°С), называемые часто
127
низкотемпературными, вследствие специфических свойств и состава
используют в дорожном строительстве, смешивая их со смолами или
дегтями, получаемыми при коксовании или газификации. Д л я смеше­
ния применяют тяжелые остатки смолы полукоксования каменных
углей, полученные после отбора топливных фракций. Низкотемпера­
турные смолы и дегти содержат смесь парафиновых, нафтеновых угле­
водородов, твердых парафинов (до 15%). В них почти нет нафталина,
антрацена и других ароматических и гетероциклических углеводоро­
дов, которые имеются в высокотемпературных смолах, хотя содержа­
ние фенолов в них очень велико (25—30%). Низкотемпературные дег­
ти не содержат веществ, нерастворимых в толуоле, более 8%, а количе­
ство масел, отгоняемых от 270 до 300°С, обычно не превышает 5— 10%.
Суммарное количество всех масел, отгоняемых до 170—300°С, состав­
ляет 14—27%.
Химический состав пека (основного компонента дорожного дегтя)
до настоящего времени мало изучен. Как правило, при изучении хими­
ческого состава используют не сам пек, а продукты его переработки:
фракции, получаемые при разделении экстрагентами; дистилляты, вы­
деляемые в процессе нагрева с целью повышения температуры размяг­
чения пека; смолу, получаемую при коксовании пека. Объясняется
это специфическими свойствами пека. Его нельзя растворить полно­
стью ни в одном из известных растворителей, подвергать фракцион­
ной разгонке, так как при температуре 360—400°С в нем начинают про­
исходить изменения вследствие термохимических превращений, а при
более высоких температурах возможен пиролиз.
Ввиду сложности химического состава каменноугольный пек ха­
рактеризуют групповым составом (аналогично битуму). Его разделя­
ют на три фракции, условно называемые а , Р, у, используя в качестве
растворителей толуол (бензол) и петролейный эфир (бензин). В послед­
ние годы начали разделять а-фракцию (нерастворимую в толуоле) на
две: а 1 — нерастворимую в хинолине и толуоле; а 2— растворимую
в хинолине, но нерастворимую в толуоле. (3-фракция нерастворима
в бензине, 7-фракция растворима в толуоле и бензине. Среднетемпе­
ратурный пек (температура размягчения 79°С), например, содержит
23% а-фракции, 37% [3-фракции, 40% 7-фракции.
Каменноугольный пек — сложная гетерогенная система высококонденсированных карбо- и гетероциклических соединений и продук­
тов их уплотнения, различающихся степенью ароматичности, соста­
вом, свойствами, молекулярной структурой, а следовательно, и отно­
шением к растворителям.
Групповой и элементный состав пека и его фракций, а в некоторых
случаях выделенные из пека и идентифицированные отдельные соеди­
нения в определенной мере отражают его химический состав, но не да­
ют полного представления о типе, количественном содержании и свой­
ствах соединений, в том числе кислород- и азотсодержащих, а также
о характере связи гетероатомов с атомами углерода. Часть гетероато­
мов присутствует в пеке в составе полярных гетероциклических соеди­
нений и активных функциональных групп,
т
Таблица
С одерж ание
Вяжущ ее
о
4.1
%
N
С
н
Пек
91—93
3 ,2 —6 ,0
1 ,0 —2 ,0
0 ,9 — 1,8 0 ,3 — 1,0
1 ,7 —3 ,4
Битум
8 0 -8 5
8 ,0 — 11,5
0 ,2 —4 ,0
0 ,2 —0 ,6 0 ,5 —0 ,7
0 ,7 —0 ,9
Б
С : Н
Структура каменноугольных вяжущих
Считают, что в состав пека входит большое число соединений, по
некоторым литературным данным — порядка 5000. Идентифициро­
вано, однако не более 500 соединений.
В каменноугольном пеке 97% углерода в ароматических и гетеро­
циклических соединениях, состоящих преимущественно из 5—7-член­
ных структур. Из них 60% приходятся на конденсированные аромати­
ческие углеводороды, 20% на азотсодержащие гетероциклы, 10% на
кислородсодержащие соединения, 3% на серосодержащие гетероцик­
лы [13].
Сравнение элементного состава каменноугольного пека (средне­
температурного) и нефтяного битума (с глубиной проникания 90) по­
казывает, что основным структурообразующим элементом пека явля­
ется углерод (табл. 4.1).
Каменноугольные смолы и дорожные дегти имеют более сложную
и гетерогенную структуру, чем нефтяные битумы. Эти вяжущие, полу­
чаемые из смол коксования и газификации, содержат вещества, не­
растворимые в толуоле, и твердые смолы (аналогичные асфальтенам
в битумах), которые ограниченно растворимы в смоляных (дегтевых)
маслах. Нафталин, его производные, антрацен, фенантрен, карбозол
и некоторые другие углеводороды, растворимость которых резко падает
с понижением температуры, выделяются в виде кристаллов при тем­
пературе ниже 10°С. При этом ухудшаются эксплуатационные свойст­
ва каменноугольных вяжущих, их деформативная способность, погодо­
стойкость и адгезия. При повышенных температурах нафталин легко
испаряется'из покрытия (сублимируется), образуя поры.
Каменноугольные вяжущие содержат водорастворимые соединения—
в основном фенолы и их производные, которые в условиях эксплуа­
тации вымываются водой, что ведет к разрушению покрытия. Ограни­
ченно растворимые компоненты образуют дисперсную фазу, частицы
которой адсорбируют вязкопластичные смолы и поверхностно-ак­
тивные вещества, содержащиеся в системе (соединения кислого и ос­
новного характера) и придающие ей некоторую стабильность.
Содержание ограниченно растворимых в маслах, кристаллизую­
щихся и водорастворимых веществ в каменноугольных вяжущих строго
регламентировано для того, чтобы обеспечить стабильность структуры
материала. Температура, при которой происходит кристаллизация и
5
Зак. 1743
129
выпадение в осадок компонентов каменноугольных вяжущих, зависит
от их количественного содержания, а также влияния поверхностно­
активных (основных и кислых) веществ.
Кристаллизирующиеся компоненты могут образовывать твердые
растворы. С нафталином и антраценом большинство компонентов ка­
менноугольной смолы или дегтя образуют эвтектические системы.
Представления о структуре каменноугольного пека различны. Некото­
рые авторы характеризуют его как коллоидную систему, где Р-фракция
является важнейшей составляющей, которая гомогенизирует систему.
Другие считают пек переохлажденной жидкостью с тонкодиспер гированным наполнителем, проявляющей себя как неорганизованное твер­
дое тело. На основании экспериментальных данных допускается, что
пек может находиться как в коллоидном, так и в стеклообразом состоя­
нии в зависимости от температуры.
При рассмотрении пека под микроскопом обнаруживаются дисперс­
ные частицы различной величины. В среднетемпературном пеке раз­
мер включений 1—3 мкм, в высокотемпературном они значительно
крупнее. Много включений наблюдается и в исходной каменноуголь­
ной смоле.
Некоторые авторы считают, что пек представляет собой многоком­
понентную эвтектику — кристаллический твердый раствор близких
по природе компонентов, обладающих термопластичными свойствами.
Средняя молекулярная масса веществ, входящих в состав среднетем­
пературного пека, равна 300—350. Наиболее высокомолекулярные
вещества в составе каменноугольных дегтей имеют молекулярнукГмассу 1600. В то же время дегтевые масла могут содержать вещества со
средней молекулярной массой всего 130. Таким образом, кривые мо­
лекулярно-массового распределения каменноугольных дегтей значи­
тельно отличаются от таковых для нефтяных битумов (интервал между
максимальным и минимальным значениями молекулярных масс мень­
ше). Этим можно объяснить меньший интервал пластичности каменно­
угольных дегтей, а следовательно, и их худшие реологические свойст­
ва. Поэтому для улучшения реологических характеристик каменно­
угольных дегтей и смол требуется введение высокомолекулярных ве­
ществ — синтетических смол, хорошо совместимых с масляной частью
дегтей, таких, как поливинилхлорид, полистирол, компенсирующих
недостаток смолистых веществ самого дегтя. В смолах полукоксова­
ни я— низкотемпературных— обычно содержится значительное количе­
ство парафина, который сообщает системе неоднородность. Поэтому
предпочитают на основе смол полукоксования приготовлять смешан­
ные вяжущие, совмещая их с тяжелыми маслами, получаемыми в про­
цессах коксования и газификации, богатыми ароматическими компо­
нентами, которые способствуют стабилизации системы.
Каменноугольные дегти, как и нефтяные битумы, можно считать
растворами высокомолекулярных соединений, содержащими, однако,
некоторое количество веществ не полностью растворимых, но набуха­
ющих в масляной части, стабилизированных плавкими смолами и поверхностно-активными веществами, имеющимися в дегте,
130
Физические свойства каменноугольных вяжущих
Плотность дорожных каменноугольных вяжущих больше, чем неф­
тяных битумов, и составляет 1,20— 1,25 г/см3. Плотность окисленной
каменноугольной смолы равна 1,23— 1,25 г/см3, каменноугольного
тяжелого или антраценового масла 1,09— 1,15 г/см3, а каменноуголь­
ного пека 1,28— 1,32 г/см3.
Теплофизические свойства дорожных каменноугольных вяжущих
изучены мало и их условно принимают близкими к свойствам нефтяных
битумов. Однако коэффициент теплопроводности каменноугольных
дегтей близок к этому показателю для каменных углей, равному 0,21—
0,23 ккал/(м-ч-град).
Пек относится к плохим проводникам тепла. Пек с температурой
размягчения 75°С и содержанием веществ, нерастворимых в толуоле,
21,8% имеет коэффициент теплопроводности при 110 °С, равный
0,0976 Вт/(м-К), а при 182 °С — 0,1068 Вт/(м-К). Пек с температурой
размягчения 150°С и содержанием нерастворимых веществ в толуоле
48,2% имеет коэффициент теплопроводности при 69°С, равный 0,1316
Вт/(м-К), а при 202°С — 0,1605 Вт/(м- К). Теплоемкость С пеков также
невелика. Ее значения в зависимости от температуры нагрева Тя даны
в табл. 4.2.
Температура вспышки среднетемпературных пеков составляет 200—
250°С, высокотемпературных 360—400°С. Электропроводность ка­
менноугольных вяжущих более высокая, чем нефтяных битумов.
Поверхностное натяжение каменноугольной смолы выше, чем у неф­
тяного битума, п составляет 37—38 дин/см, поверхностное натяжение
каменноугольного пека равно 45,9 дин/см, тогда как окисленного би­
тума — 32 дин/см.
Каменноугольные вяжущие обладают значительно более высокими
адгезионными свойствами по сравнению с нефтяными битумами. Так,
остаточная прочность образцов из смесей кварцита с каменноугольной
смолой, модифицированной каменноугольной пылью, составляет 90%
после 18 сут выдерживания в воде с температурой 50°С, тогда как сме­
си из кварцита или гранита с битумом в этих же условиях имели оста­
точную прочность всего 20%. Вследствие этого каменноугольные смо­
лы и дегти добавляют в битум для улучшения адгезии в количестве до
10 %.
Водостойкость каменноугольных вяжущих ниже, чем нефтяных би­
тумов, вследствие того, что они содержат в своем составе водораствоТ аблица
тразм« °г^ та.
63
5*
«с
88,3
111,1
150,6
212,2
С.
Д ж /(к г -К )
1358
1492
1659
1860
тразм’ °г^
98
та
,°с
127,7
196,6
2 0 6 ,0
225,5
С.
Д ж /(к г- К)
155о
1772
1835
1990
4.2
С.
т
°г т °г
разм’
1Н' *- Д ж /(к г- К)
154
195,0
2 5 6 ,7
294,4
317,7
1693
1894
2045
2011
131
римые вещества — фенолы; в окисленном дегте содержание водораст­
воримых веществ значительно меньше и не превышает 0,5—0,7% .
Оптические свойства дорожных дегтей изучены мало. Ряд работ
посвящен изучению состава и структурных особенностей компонентов
смолы и пека с применением ИК-спектроскопии, электронного пара­
магнитного резонанса, масспектроскопии.
Н а рис. 4.1 показаны полосы поглощения в ИК-спектрах пека и его
фракций. Значения интегральных интенсивностей поглощения арома­
тическими и алифатическими СН-связями для пека и его фракций сви­
детельствуют о том, что в них содержатся соединения, различающиеся
степенью конденсации ароматических колец и числом групп атомов с
алифатической связью.
Каменноугольный пек характеризуется наличием большого числа
парамагнитных центров (ПМЦ), которые могут принимать активное
участие в образовании химических связей между связующим материа­
лом и твердым наполнителем. Концентрация ПМЦ в пеках с различной
температурой размягчения и в их фракциях разная. По мере перехода
от у к а-фракции она повышается так же, как и по мере повышения тем­
пературы размягчения пека. Приведенные в литературе абсолютные
значения ПМЦ в пеках сильно различаются.
Старение каменноугольных дорожных вяжущих проходит значи­
тельно интенсивнее, чем нефтяных битумов (рис. 4.2), что обусловлено
специфичностью их состава и особенностью структуры молекул. Масла,
выкипающие до 300°С, в дорожном покрытии в основном испаряются
и частично полимеризуются под действием солнечного тепла и света.
Высокомолекулярные соединения, входящие в состав каменноуголь­
ных вяжущих, образовавшихся в результате термической деструкции
каменного угля в жестких условиях температуры без доступа воздуха
(при коксовании, газификации), имеют ненасыщенные связи. Вслед-
1500
1700
2800
0000
СП'
Ь ,с у т
Рис. 4.1. Полосы поглощения в ин­
фракрасных спектрах среднетемпера­
турного пека и его фракций в обла­
стях 1612, 2915 и 3043 см-1 :
1 — пек; 2, 3, 4 — его фракции
венно а , р, у
132
соответст­
Рис. 4.2. Влияние теплового старения
при 75° С на вязкость каменноуголь­
ной смолы:
1 — нефтяной битум; 2 — каменноугольная
смола, модифицированная молотым углем;
3 — каменноугольная смола без наполни­
теля
ствие этого они легко подвергаются воздействию кислорода воздуха,
солнечного света, тепла и других погодных факторов, образуя продук­
ты уплотнения и взаимодействия молекул.
Изменение вязкости (при 25°С) каменноугольной смолы наблюдает­
ся с 2- 105до 9 - 105Па- с в течение 13 сут, тогда как нефтяного битума с
1-10° до 4-10° П а-с, а наполненной (углем) каменноугольной смолы с
2 - 106до 8-10° П а-с. Старение каменноугольной смолы, модифициро­
ванной каменноугольной пылью, значительно меньше, чем не модифи­
цированной наполнителем, однако все же больше, чем нефтяного би­
тума.
Имеются сведения, что за 100 ч испытания в аппарате искусственной
погоды температура размягчения каменноугольного вяжущего по
КиШ возрастает с 33 до 75°С, тогда как за это же время температура
размягчения нефтяного битума возрастает с 44 до 64°С.
Старение в естественных условиях теплого климата вязких каменно­
угольных дегтей в течение 2 лет представлено в табл. 4.3. Старение
вяжущего происходит за счет потери компонентов с температурами
кипения до 340СС. Потери компонентов с температурами кипения выше
340°С очень незначительны. После 2 лет старения очень сильно повыша­
ется температура размягчения вяжущего, что, несомненно, отражается
на трещиностойкости дорожной одежды.
Биостойкость. Вследствие того, что в каменноугольных вяжущих
содержатся фенолы, являющиеся превосходными антисептиками, ток­
сичные серу- и азотсодержащие соединения, эти вяжущие не только не
подвергаются гниению, т. е. атаке микроорганизмов, но сами являются
очень сильными антисептиками и убивают микроорганизмы. Поэтому
при проведении гидроизоляционных работ с использованием нефтяных
битумов к ним для придания биостойкости и для улучшения адгезион­
ных свойств добавляют до 10% каменноугольногсгдегтя.
Т а б л иц
В яж ущ ее
1
2
3
4
5
6
Состав исходного дегтя, % по массе, при содержании
фракций, °С
200—270
2 7 0 -3 0 0
4 ,6
4 ,6
1,9
5 ,8
5 ,3
3 ,3
4 ,0
2 ,7
2 ,6
3 ,6
3,1
4,1
2 ,0
1,1
1,8
1,9
1,5
1,6
а
Температура
размягчения,
°С
34 0 —370
370 —400
11,0
8 .6
7 ,3
10,5
9 ,8
10,4
5 ,8
4 ,0
3 ,6
5,1
4 ,2
5,1
14,0
11,3
10,6
14,2
12,5
13,6
23,3
30,4
39,0
28,7
25,7
29,4
8 ,4
5 ,8
6,1
8 ,6
6 ,9
6 ,3
5 ,5
3,1
3 ,3
4 ,3
3,1
3 ,2
14,7
10,8
10,7
13,9
11,3
11,0
60,7
61,7
58,7
6 2 ,8
61,5
62,1
300 — 340 1
4.3
После 2 лет старения
1
2
3
4
5
6
0 ,8
0 ,8
1,1
0 ,9
0 ,7
0,4
133
Масло- и бензостойкость. Так как в каменноугольных вяжущнх’содержатся вещества, нерастворимые в толуоле, твердые смолы, раство­
римые только в пиридине, а также антрацен и некоторые вещества, не­
растворимые в бензоле, то дорожные покрытия, получаемые с приме­
нением каменноугольных вяжущих, отличаются хорошей стойкостью
к воздействию моторных топлив и масел.
Токсичность. Вследствие содержания в своем составе ряда токсич­
ных веществ (хризена, бензпирена, коронена и др.) каменноугольные
вяжущие, особенно пеки, могут вызывать раздражение слизистых обо­
лочек, зуд и покраснение кожи, головные боли, тошноту. Солнечный
свет активизирует вредное влияние указанных веществ. Вследствие
этого не разрешается применение каменноугольных вяжущих для
верхних слоев покрытий в городах и поселках, для устройства полов в
промышленных и бытовых зданиях, потому что пыль, образующаяся
при износе, может оказать вредное влияние на живые организмы.
4.3. М ЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАМ ЕННОУГОЛЬНЫХ ВЯЖУЩ ИХ
И СПОСОБЫ ИХ УЛУЧШЕНИЯ
Каменноугольные вяжущие представляют собой термопластичные
материалы, свойства которых в общих чертах сходны со свойствами би­
тумов. Особенности свойств каменноугольных вяжущих определяются
их составом и структурой.
Вязкость каменноугольных вяжущих зависит от содержания в них
веществ, нерастворимых в толуоле, и твердых смол, аналогичных асфальтенам в битумах. По мере увеличения содержания этих компонен­
тов в составе вяжущего его вязкость значительно возрастает.
Н а рис. 4.3 показана зависимость вязкости каменноугольного дег­
тя от температуры в сравнении с вязкостью нефтяного битума и камен­
ноугольного дегтя, модифицированного угольной пылью. В табл. 4.4
приведены значения вязкости каменноугольных дегтей и пеков в ин­
тервале температур от 0 до 160°С.
Установлено, что температурная зависимость вязкости уменьшает­
ся с повышением содержания в дегте веществ, нерастворимых в толуо­
ле.
Т аблица
Вязкость каменноугольных дегтей и пеков,
Па-с, при температуре, °С
В яж ущ ее
0
50
95
110
130
160
50
0,42
0,18
0 ,1
._
2 , 7 • 10а
0 ,7 3
0 ,2
0,1
—
Деготь составленный С |й =
66 с
2 , 3 - Ю7
Деготь составленный
—
154 с
2 , 0 - Ю8
Пек с температурой размяг­
чения 79° С
—
Пек с температурой размяг­
чения 94° С
—
134
4.4
—
96,4
7 ,3
1,2
0 ,1 3
—
—
171
10,5
1,3
Интервал пластичности каменноугольных дегтей составляет в сред­
нем 40°С, тогда как нефтяных битумов на 15—25°С больше. Исследова­
ния показали, что нерастворимые в толуоле компоненты дегтя мало вли­
яют на интервал пластичности вяжущего. Совершенно неожиданно вы­
явлено, что использование для приготовления дегтя каменноуголь­
ного масла, содержащего значительное количество кристаллизирую­
щихся веществ, увеличивает интервал пластичности дегтя. При вве­
дении такого масла температура размягчения повышается, тогда как
температура хрупкости остается почти без изменения. Это объясняет­
ся тем, что часть углеводородов, кристаллизуясь, образует жесткий
скелет и температура размягчения повышается. Кристаллические ве­
щества в дегтевом вяжущем ведут себя аналогично наполнителю, повы­
шая температуру размягчения. В дегтях с высоким содержанием не­
растворимых в толуоле веществ тенденция к кристаллизации невелика,
тогда как при небольшом их содержании такая тенденция значительна.
Предполагают, что нерастворимые в толуоле вещества имеют высокую
адсорбционную способность и поэтому противодействуют силам ас­
социации молекул углеводородов, приводящим к кристаллообразова­
нию.
За рубежом консистенцию дегтей характеризуют чаще всего по тем­
пературе эквивалентной вязкости (рис. 4.4).
В некоторых странах, например в Финляндии, вязкость дегтя изме­
ряют в стоксах, разделяя деготь на четыре марки: 170—500 сСт при
20°С, 450—900 при 50°С, 1100—2200 при 50°С и 3000—6000 сСт при
50°С. Такая характеристика вязкости дегтей позволяет подходить к их
Д-6
Д-5
II
Д-Ч-
И
Д -з
5
20 80 320
Условная вязкость,с
Рис. 4.3. Зависимость вязкости ка­
менноугольного дегтя от температу­
ры:
I — каменноугольный деготь; 2 — кам ен­
ноугольный
деготь,
модифицированный
каменноугольной
пылью; 3 — нефтяной
битум
Рис. 4.4. Номограмма, определяющая
соотношение между вязкостью дегтя
по стандартному дорожному вискози­
метру и температурой эквивалентной
вязкости:
1 — при температуре 30° С; 2 — при темпе­
ратуре 50° С
135
выбору при производстве дорожных работ в разных условиях климата
и эксплуатации на основании инженерных расчетов, тогда как при ус­
ловных характеристиках этого выполнить невозможно.
Под действием механических нагрузок каменноугольные дегти бо­
лее устойчивы, чем нефтяные битумы той же консистенции. Поэтому
для получения дорожных бетонов можно применять дегти меньшей
вязкости, чем битумы. При одной и той же вязкости прочность дегтя
в меньшей степени зависит от длительности нагружения, чем прочность
битума. Испытания при одинаковых условиях показали, что прочность
пленки каменноугольного пека составила 1,9 МПа, тогда как остаточно­
го битума 1,5, а окисленного битума 1,3 МПа.
Способы улучшения свойств каменноугольных
вяжущих
Улучшение свойств дорожных каменноугольных вяжущих направ­
лено в основном на повышение их вязкости и погодостойкости, расшире­
ние интервала пластичности. Д ля этих целей: окисляют дегти (смолы)
воздухом; повышают содержание веществ, нерастворимых в толуоле,
введением среднетемпературного пека; вводят тонкодисперсные напол­
нители; смешивают с нефтяным битумом; смешивают с природным вяз­
ким битумом или асфальтитом; вводят небольшие количества синте­
тических смол, каучуков или побочных продуктов их производства;
добавляют серу и серосодержащие отходы.
Простейшим способом улучшения реологических свойств каменно­
угольных дегтей и смол является их окисление путем продувки воз­
духа при температуре 160—180°С. При этом можно получить окислен­
ную смолу с глубиной проникания 40—60 при 25°С, температурой раз­
мягчения по КиШ выше40°С, растяжимостью при 25°С до 100 см. Такое
вяжущее имеет отличное сцепление с песком, после нагревания в те­
чение 5 ч при 160°С глубина проникания его составляет до 65% от на­
чальной. При такой переработке фенолы, содержащиеся в дегте (смо­
ле), подвергаются окислению и полимеризации, вследствие чего устра­
няется их вредное влияние на качество вяжущего. Другим способом по­
вышения теплостойкости дегтя является использование среднетемпера­
турного пека, имеющего повышенное содержание веществ, нераство­
римых в толуоле. Такие дегти обладают большей вяжущей способ­
ностью и лучше прилипают к минеральным материалам. Некоторые ав­
торы считают, что хороший деготь должен содержать не менее 10% ве­
ществ, нерастворимых в толуоле.
Д ля придания большей вязкости и погодостойкости в каменноуголь­
ные вяжущие рекомендуется вводить тонкомолотый минеральный по­
рошок — наполнитель. Количество наполнителя не должно быть бо­
лее 40%. Приближенно состав наполненного дегтя требуемой вязкости
можно рассчитать по формуле
Эде
— — отношение количества наполнителя к количеству дегтя;
К — коэффициент, равный 0 ,4 —-0,5;
у н, 7д — плотность наполнителя и дегтя;
Сн , Сд — вязкость по стандартному вискозиметру наполненного и исходного
дегтя.
Во Франции в качестве наполнителей применяли тонкоизмельченные каменные угли и известняки. Приготовление наполненных дегтей осуществлялось в специальном смесителе с подогревом. В деготь
или каменноугольную смолу, нагретую до 110— 120°С, вводили сухой
тонкоизмельченный наполнитель в количестве 30—40% и при тщатель­
ном перемешивании поднимали температуру до 120— 130СС. Дегти с
каменноугольным наполнителем не расслаиваются при транспортиро­
вании на расстояние до 30 км, тогда как дегти с известняковым напол­
нителем расслаиваются при дальности возки более 6—9 км. Наполни­
тели в значительной степени повышают вязкость дегтя, его погодостой­
кость и адгезию (см. рис. 4.2).
Угольный порошок в большей степени улучшает пластичность дег­
тя, чем минеральные наполнители. Частицы угля набухают в дегте­
вых маслах, в результате чего их объем увеличивается и вяжущее ста­
новится более стабильным. При добавке мелкодисперсного угля можно
получить высокостабильные дегти с хорошими термопластичными свой­
ствами. Положительные результаты дает введение сланцевого порошка
вследствие особой структуры частиц сланца.
Применяемый иногда в качестве наполнителя цемент усиливает ад­
гезию дегтя к кислым породам вследствие образования фенолятов Са
компонентами цемента с фенолами, содержащимися в дегте. Цемент под
действием влаги гидратирует, образуя кристаллы, увеличивает жест­
кость вяжущего и его теплостойкость. Можно улучшить качество дегтя
путем введения тонкомолотой извести (3—5%).
Введение в каменноугольный деготь небольших количеств нефтя­
ного битума (до 15%) улучшает его свойства, несколько увеличивая
интервал пластичности, а следовательно, теплостойкость. Однако это
справедливо только в случаях хорошей совместимости дегтя с битумом,
т. е. если мальтеновая часть битума богата компонентами ароматическо­
го ряда, а пек или деготь содержит достаточное количество у-фракций.
Природные вязкие битумы и асфальтиты хорошо совмещаются с к а­
менноугольными вяжущими. Асфальтиты могут в значительной мере
повысить теплостойкость дегтей. Это объясняется присутствием в при­
родных битумах значительного количества компонентов ароматическо­
го ряда и смол.
Реологические и адгезионные свойства каменноугольных дегтей
улучшают небольшими добавками синтетических смол или побочных
продуктов их производства, некоторых видов синтетических каучуков
или изношенной резины, добавками серы.
Значительное распространение получило применение каменноуголь­
ного дегтя с добавками 1—3% поливинилхлорида или полистирола, ли­
бо побочных продуктов их производства. Такие вяжущие успешно при­
меняют не только в СССР, но также во Франции, Англии, Бельгии,
Швейцарии, ФРГ, Японии.
137
Таблица
В яж ущ ее
Каменноугольный деготь:
№ 1
№ 2
№ 3
Каменноугольный деготь № 1+ 1,5%
ПВХ
Каменноугольный деготь № 2+1,5%
ПВХ
Каменноугольный деготь № 3+1,5%
ПВХ
Температура
размягчения,
°С
Температура
хрупкости,
°С
4.5
Интервал
пластично­
сти, “С
25,3
28,2
23,9
—7
—5
— 11
32,3
33,2
34,9
33,4
—5
38,4
37,1
— 4,5
41,6
33,1
—8
41,1
Поливинилхлорид представляет собой порошок белого цвета, при
производстве которого в качестве побочного продукта образуется кек—
белый комковатый материал, который перед применением должен быть
измельчен. Могут быть использованы также пыль, шлам, отсевы. Д ля
этих целей служит также полистирол. В качестве побочного продукта
производства полистирола может быть использована полистирольная
пыль.
Добавка поливинилхлорида или его побочных продуктов к камен­
ноугольному дегтю или смоле значительно улучшает реологические и
адгезионные свойства, ускоряет формирование покрытия, сообщает ему
повышенную водостойкость, сдвиго- и трещиностойкость, позволяет
продлить строительный сезон [5]. Добавление поливинилхлорида улуч­
шает деформативные свойства дегтебетонных покрытий, увеличивает
их стабильность к атмосферным воздействиям. Исследование старения
дегтей с добавками поливинилхлорида в жарком климате показало вы­
сокую стабильность такого вяжущего. Эти материалы отличаются вы­
сокой бензомаслостойкостью.
В табл. 4.5 приводятся данные о температурах размягчения, хруп­
кости и интервале пластичности каменноугольных вязких дегтей без
добавки и с добавкой поливинилхлорида.
Приготовление вяжущих из каменноугольного дегтя (или смолы)
и поливинилхлоридной, полистирольной смол или побочных продук­
тов их производства производят на специально оборудованных базах.
При улучшении вяжущих из каменноугольного дегтя или каменно­
угольной смолы поливинилхлоридной (ПВХ) и полистирольной (ПС)
смолами или побочными продуктами их производства соотношение
между количеством дегтя (или смолы) и количеством вводимой добавки
устанавливают в лаборатории. Обычно это количество составляет
0,5—3% от массы каменноугольного дегтя (или смолы).
Введение в дорожный деготь вязкостью Сз§ = (20+50) с и Сз§ =
(50-ь 120) с поливинилхлоридных смол или побочных продуктов их
производства (кека) в количестве 1,5—2% позволяет получить вяж у­
щее соответственно с Сзо = ( 120-4- 200) с и С 50 = (10-^80) с.
138
Технология приготовления вяжущих: нагревают каменноугольный
деготь (смолу) до 50—70°С, вводят измельченные добавки при энергич­
ном перемешивании, повышают температуру до 120—130°С и нагрева­
ют в течение 1 ч при продолжающемся энергичном перемешивании.
При устройстве поверхностной обработки распределение каменно­
угольной смолы или дегтя, модифицированных поливинилхлоридом,
производят при 110— 130°С, расход вяжущего 1,1— 1,55 л/м2. С 1962 г.
во Франции каменноугольные смолы или дегти, улучшенные добавка­
ми полистирола, применяют для устройства шероховатых слоев изно­
са, покрытий на автостоянках и перекрестках дорог. Материал отлича­
ется высокой бензомаслостойкостыо. Это вяжущее нашло применение
при строительстве аэропортов.
С целью улучшения свойств вяжущих для поверхностных обработок,
получения герметизирующих и гидроизоляционных мастик в каменно­
угольные смолы, дегти или масла вводят синтетические каучуки. Н е­
большие количества синтетических каучуков (до 10%) изменяют кон­
систенцию дегтя, значительно повышают вязкость, растяжимость и
теплостойкость исходного каменноугольного вяжущего. Из дегтя вяз­
костью С 50 = (10+200) с после введения 3% синтетического бутадиенстирольного каучука можно получить вяжущее с глубиной проника­
ния иглы 290—310.
Модификацию дегтя и смолы можно производить введением серы
или побочных продуктов производства серной кислоты (серный шлам,
содержащий до 60% элементарной серы) в количестве более 5% . При
высоких температурах (выше 150°С) компоненты дегтя реагируют с се­
рой. Сера действует на деготь аналогично кислороду воздуха. При тем­
пературах ниже 140°С сера растворяется в ароматических компонентах
дегтя, улучшая его реологические свойства (см. гл. 8).
4.4. СВОЙСТВА ДЕГТЕМ ИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Физико-механические свойства дегтебетонов подчиняются основ­
ным закономерностям, присущим термопластичным конгломератным
материалам. Общий характер проявления прочностных и деформативных свойств в зависимости от температуры и режима воздействия на­
грузок в целом близок к аналогичным зависимостям, рассмотренным
для нефтяных битумов и асфальтобетонов (см. гл. 2).
Некоторые особенности свойств дегтебетонов связаны с особенно­
стями свойств дегтей. В частности, дегтебетоны обладают, как правило,
более высокой по сравнению с асфальтобетонами устойчивостью к воз­
действию моторных топлив и масел, что делает их применение эффек­
тивным на площадях бензозаправочных станций, складов ГСМ и т. п.
Вместе с тем относительно меньший интервал пластичности дегтей по
сравнению с нефтяными битумами приводит к большей хрупкости и
меньшей теплостойкости плотных дегтебетонов по сравнению с асфаль­
тобетонами. Поэтому дегти чаще применяют для устройства оснований,
приготовления открытых смесей типа черного щебня или поверхност­
ной обработки.
13")
Необходимо учитывать, что износостойкость дегтеминеральных ком­
позиций меньше, чем у аналогичных составов на основе нефтяного би­
тума. Дегти обладают, как правило, более высокими адгезионными
свойствами по сравнению с битумами, однако вследствие большего со­
держания в них водорастворимых соединений, водостойкость дегте­
бетонов относительно невысока.
Старение дегтебетонов происходит значительно быстрее, чем ас­
фальтобетона, что вызвано худшей погодостойкостью дегтей по сравне­
нию с нефтяными битумами.
Если применяют окисленные дегти (в которых фенолов мало) для
приготовления дегтебетона, то он отличается высокой водостойкостью.
Горячие дегтебетоны, разделяемые на плотные и пористые, имеют
прочность при сжатии не менее 1,6—2,2 МПа при 20°С и не менее 0,6— 1
МПа при 50°С. Водонасыщение их 1,5—5% по объему, набухание не бо­
лее 1,5—2,0% по объему, а коэффициент водостойкости не менее 0,6—•
0,85. Остаточная пористость плотных дегтебетонов 3—5, пористых
5—10%. Предел прочности при сжатии при 0°С — не более 13 МПа.
Холодные дегтебетоны имеют прочность при сжатии в водонасы­
щенном состоянии при 20°С (в зависимости от марки) не менее 0,4—0,8
МПа, а после прогрева образцов при 90°С в течение 2 ч не менее 1,5
МПа. Прочность при сжатии при 20°С в сухом состоянии после прогре­
ва не более 1,5 ^воД, водонасыщение 7— 12% по объему, а после про­
грева при 90°С в течение 2 ч не более 10%. Набухание до прогрева рав­
но 3—4, после прогрева 1%.
Сведений о величинах модулей упругости и усталости дегтебетонов
имеется очень немного. Д ля песчаного дегтебетона модуль упругости
равен 2500 МПа при 20°С, 12 500 при 0°С, 31 500 при —20°С (частота
нагружения 1 Гц) и соответственно 5000, 20 000, 40 000 МПа при часто­
те 10 Гц. Усталостные испытания показали, что время до разрушения
1000спри20°С наблюдается при напряжении 0,8 МПа, при 0°С —
4 МПа, а при — 10°С — 7,5 МПа.
4.5. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К ДОРОЖНЫМ
КАМЕННОУГОЛЬНЫМ ВЯЖУЩИМ
Каменноугольные вяжущие применяют для устройства оснований
и покрытий, ремонта и содержания дорог. Их используют для обеспы­
ливания, подгрунтовки оснований и нижних слоев покрытий, укреп­
ления грунтов и малопрочных каменных материалов, устройства осно­
ваний и покрытий способом пропитки, смешения на дороге, производ­
ства смесей вяжущих с минеральными материалами в установке, холод­
ных и горячих дегтебетонов, устройства слоев износа, активации ми­
неральных материалов.
Каменноугольные вяжущие применяют для устройства оснований
на дорогах II категории, оснований и покрытий на дорогах III и IV ка­
тегорий. В табл. 4.6 приведены рабочие температуры при применении
дегтей. Д ля дегтейДулучшенных добавками ПАВ, температура нагре­
ва допускается до_130°С.
140
Таблица
Марка
дегтя
д.
д2
Дз
Вязкость
дегтя, с
С*о = 5 - 7 0
Ci о = 5 —20
q « = 2 0 -5 0
Допустимая
температура
нагрева, °С
50—60
60—70
70— 80
М арка
дегтя
Д4
Д5
Дб
4.6
Вязкость
дегтя, с
Д опустимая
температура
нагрева, °С
С зо = 5 0 — 120
C i§ = 1 2 0-20 0
4 8 = 1 0 -8 0
80—90
80— 100
90— 120
Д ля устройства оснований и покрытий способом смешения на доро­
ге используют дегти вязкостью Сз 0 = (5+70) с и Сзо = (5+50) с.
Ориентировочный расход дегтя (процент от массы минеральных мате­
риалов): для песков и супесей 3—6, суглинков и пылеватых грунтов
6— 11, для тяжелых суглинков 10—13, для чернозема 8— 15, гравийно­
песчаных и щебеночно-песчаных смесей 3—4. Количество дегтя, раз­
ливаемого за 1 раз, составляет не более 2—2,5 л/м2. При холодной и
влажной погоде небольшой избыток дегтя (0,3—0,5%) сверх оптималь­
ного не ухудшает качества, тогда как в жарком и сухом климате са­
мый незначительный перерасход вызывает появление наплывов на до­
рожной одежде.
Д ля устройства покрытий способом пропитки и полупропитки вяз­
кость дегтя должна быть Сзо = (20+200) с. Деготь вязкостью Сз§ =
(20+50) с используют при работах со щебнем малопрочных пород.
Ориентировочный расход вяжущего при пропитке для первого розлива
составляет 5—7, а при последующих розливах 2,5—3 л/м2.
При устройстве покрытий из щебня и щебеночных смесей, получае­
мых в установке, используют дегти вязкостью Сзо = (20ч- 200) с и С 50 =
(10+80) с. Ориентировочный расход дегтя для получения черного
щебня крупнее 15 мм равен 1,5—3,5% , а для щебня мельче 15 мм
1,5—4%.
Д ля поверхностной обработки применяют дегти вязкостью С 38 =
(20+120) с при использовании минеральных материалов твердых по­
род, устройстве обработки по черным основаниям и работах в теплую
погоду. Дегти вязкостью Сз§ = (20+50) с применяют при работах с
минеральными материалами из пород средней прочности, устройстве
обработки по водосвязным основаниям и в прохладную погоду. Ориен­
тировочный расход вяжущего при одиночной обработке 1,5—2,0 л/м 2
при минеральных породах высокой прочности и 2,5 л/м 2 при исполь­
зовании минеральных материалов из пород средней прочности.
При двойной и тройной поверхностной обработке производят пер­
вый розлив дегтя в количестве 1,2— 1,5 л/м 2 при минеральных материа­
лах из твердых пород и 1,5—2 л/м 2 при минеральных материалах сред­
ней прочности. На второй и третий розлив расход того же вяжущего
1,0— 1,8 л/м2.
Д ля обеспыливания грунтовых, щебеночных и гравийных дорог
используют деготь вязкостью Сзо = (5+70) с и расходом 0,75— 1 л/м2.
Д ля подгрунтовки применяют деготь вязкостью Сзо = (5+ 70) с и рас­
ходом его 0,5—0,8 л/м2. Д ля обеспыливания дорог можно использовать
составленные каменноугольные смолы вязкостью С 30 = (5+70) с и
141
Сзо = (5-4-200) с, а для подгрунтовки — обезвоженную или составлен­
ную каменноугольные смолы вязкостью Сз 0 = (5-4-70) с. Д л я укреп­
ления малопрочных каменных материалов рекомендуется применять
дегти вязкостью СЦ0 = (5+70) с и С^§ = (5+200) с, а также каменно­
угольную смолу такой же вязкости.
Д ля улучшения сцепления битума с минеральными материалами
проводят их активацию сжиганием в сушильной камере асфальтобе­
тонного смесителя каменноугольного пека или смолы с ориентировоч­
ным расходом 0,1—0,4% от массы минеральных материалов.
Д ля приготовления холодного дегтебетона применяют дегти вязко­
стью Сзо = (50+200) с. При холодной погоде и длительном сроке
хранения материала лучше использовать деготь вязкостью С|§ (5 0 +
-4- 120) с, а при теплой погоде и малом сроке хранения — Сзо до 200 с.
Ориентировочный расход дегтя составляет 6—9% от массы минераль­
ных материалов.
Д ля горячего дегтебетона применяют составленный, окисленный
или улучшенный добавками ПВХ каменноугольный деготь вязкостью
С 50 = (40-ь200) с и более. Расход дегтя для плотных дегтебетонов
составляет от 6до 11% по массе в зависимости от крупности щебня, для
пористых дегтебетонов— от 4 до 6%. Температура смеси должна быть
не ниже 100°С, а при производстве работ в холодную погоду (при тем­
пературе воздуха ниже 10°С) не ниже 110°С. Уплотнение дегтебетон­
ной смеси катками начинают при температуре смеси 70—90°С. В холод­
ную погоду уплотнение должно производиться следом за укладкой.
Д ля приготовления плотного дегтебетона смешивают щебень, пе­
сок, минеральный порошок и вязкий деготь в горячем состоянии и
после уплотнения получают покрытие, выдерживающее любой тип
движения. Плотный дегтебетон существенно отличается от каркасных
смесей на основе дегтя («термакадама»), которые укладываются в теп­
лом или холодном состоянии. Этот материал долговечен, устойчив
к износу и воздействию моторных масел.
В качестве минеральных материалов используют щебень, шлак,
гравий. Покрытие может быть одно- или двухслойное. Песок рекомен­
дуется применять дробленый, чистый карьерный или речной с углова­
той формой частиц. Содержание дегтевого вяжущего зависит от вида
и количества щебня и минерального порошка. При использовании гра­
нитного щебня расход вяжущего (с температурой размягчения 29—
37°С) для получения дегтебетона составляет 4—5,5% . При шлакоТ а б л и ц а 4.7
Температу­
ра разм яг­
чения
дегтя, °С
29—33
33—37
142
Температура при приготовлении смесей,
°С, для устройства
основания
Температура смеси
при укладке, “С
покрытия
Д ег оть
М инераль­
ные
материалы
Д еготь
90— 100
9 5 -1 0 5
6 0 —80
75 —90
90— 100
9 5 -1 0 5
Минераль­ основания покрытия
ные
материалы
8 0 -9 5
90— 105
50—70
60— 80
70—90
80— 100
Темпера­
тура
смеси при
уплотне­
нии, °С
50—70
6 0 -8 0
Вом щебне расход вяжущего увеличивается до 4,25—5,75% , а в случае
применения гравия —-до 4,75—6,0% от массы минеральных материа­
лов. Консистенцию дегтя устанавливают с учетом ожидаемой интенсив­
ности движения и климатических условий района:
Интенсивность движения, а в т ./ с у т ............................до 2000
Температура размягчения дегтя, °С
.
.
.
.
29—33
свыше 2000
33—37
Температуру материалов при приготовлении смесей, их укладке и
уплотнении поддерживают в пределах, указанных в табл. 4.7.
Требования к дорожным каменноугольным вяжущим
Каменноугольные вяжущие так же, как и нефтяные битумы, долж­
ны отвечать комплексу требований, предъявляемых к их физико-хими­
ческим и механическим свойствам, для обеспечения эксплуатационной
надежности дорожной одежды. Основными параметрами механических
свойств, определяющими условия применения вяжущих, являются
вязкость, интервал пластического состояния и предельная деформация
(растяжимость).
Существующие нормативные документы характеризуют меха­
нические свойства дегтей и смол не в общепринятых физических, а в
условных единицах — условной вязкостью, не позволяющей перейти
к инженерному расчету выбора вяжущего.
Требования к различным видам каменноугольных вяжущих приве­
дены в «Руководстве по применению каменноугольных вяжущих в до­
рожном строительстве» (М.: Транспорт, 1979), которое содержит так­
же указания по выбору вяжущих для различных условий применения,
технологии производства работ с позиций требований дорожного стро­
ительства, методы контроля качества. Д о настоящего времени такие
показатели, как интервал пластичности, деформативность, адгезия,
стабильность свойств, не включены непосредственно в требования тех­
нических норм. При строительстве дорожных одежд практически при­
меняют материал, недостаточно охарактеризованный в отношении экс­
плуатационного поведения, что, несомненно, отражается на сроках
службы одежд. Помимо общих с нефтяными битумами требований к
каменноугольным вяжущим вследствие специфики их химического со­
става и физико-химических свойств, к ним предъявляют дополнитель­
ные требования: ограничение содержания нерастворимых в толуоле
веществ, кристаллизирующихся веществ — нафталина, антрацена, а
также водорастворимых веществ — фенолов.
Вследствие того, что в СССР имеется опыт использования более вяз­
ких дегтей, чем предусмотрено нормами, полезно иметь нормативные
документы раздельно на жидкие дорожные дегти (смолы) и на вязкие
дорожные каменноугольные вяжущие (составленные, окисленные,
улучшенные добавками), которые могут быть применены для производ­
ства плотных дегтебетонов.
143
4.6.
КАМЕННОУГОЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ, ПОЛУЧАЕМЫЕ
ТЕРМ ОПЛАСТИФИКАЦИЕЙ ИЛИ ТЕРМОРАСТВОРЕНИЕМ ИСКОПАЕМ ЫХ
УГЛЕЙ
Перспективным направлением в области производства органичес­
ких вяжущих материалов является термическая пластификация или
терморастворение твердых горючих ископаемых углей, сапропелитов,
кеннелей, сланцев.
В последние годы в связи, с увеличением потребления нефтяного
сырья значительное внимание уделяется развитию технологических
процессов ожижения твердых горючих ископаемых и получению на
этой основе жидких топлив и термопластичных продуктов. Перспек­
тивность этого направления обусловлена значительными запасами
твердых горючих ископаемых, во много раз превосходящими ресурсы
нефтяного сырья.
Процессы термопластификации и терморастворения более эффектив­
ны при получении из угля жидких и термопластичных вяжущих мате­
риалов по сравнению с процессами термической деструкции (газифика­
ции, полукоксования, коксования), лежащими в основе получения вя­
жущих типа дегтей, каменноугольных смол, пеков и т. п.
При коксовании около 10— 15% угля переходит в смолистые про­
дукты, тогда как при терморастворении в среднем 60—70% массы уг­
ля переходит в термопластичный материал.
Кроме того, процессы коксования идут при температурах 900—
1000°С, что вызывает большой расход тепловой энергии, тогда как
терморастворение осуществляется при мягких и более экономичных ре­
жимах, а именно при температурах 350—450°С.
Глубина протекания процессов терморастворения зависит от соста­
ва и структуры перерабатываемого сырья и технологических факторов
(температуры, давления, вида растворителя и др.).
Наиболее легко поддаются процессам термопластификации и тер­
морастворения твердые горючие ископаемые, содержащие в своем со­
ставе большее количество водорода. Содержание водорода составля­
ет, в частности, в антраците 1,3— 1,5%, каменных углях 4,3—5,7, в бу­
рых углях 5,5—6,5, в сапропелитах и кеннелях 7— 11, в керогене слан­
цев 7— 10% (для сравнения в битумах содержится 8— 10% водорода).
Наиболее пригодны для терморастворения сапропелиты, бокхеды, кеннели, рабдописситы, сланцы, бурые угли. Выход термопластичных про­
дуктов их них может достигать 97—98% на органическую массу.
Ископаемые угли можно рассматривать как сложную смесь высоко­
молекулярных веществ со структурой, близкой к трехмерной структу­
ре высокополимеров. С известной степенью допущения можно отнести
угли к своеобразным природным «сшитым» высокомолекулярным ве­
ществам. На этой теоретической предпосылке базируются основные
принципы технологии их переработки. Образование при нагреве углей
зоны пластического состояния, сопровождающееся изменением моле­
кулярной структуры, приводит к мысли о возможности термическо­
го метода «расшивания» жесткой структуры органических веществ уг­
лей с образованием устойчивых молекул. Эта задача и выполняется при
144
термопластификации и терморастворении углей. Большинство реак­
ций, происходящих при этом, относится к свободно-радикальному ти­
пуЧтобы превратить основную массу образовавшихся в процессе де­
струкции свободных радикалов в относительно небольшие, но устой­
чивые молекулы, надо не дать возможность этим радикалам соединить­
ся с другими свободными радикалами. Это легче всего осуществляется
при перераспределении собственного водорода углей, образующегося
в атомарном состоянии при деструкции. Глубина протекания таких
процессов определяется составом и структурой углей, а также техноло­
гическими факторами — степенью измельчения, скоростью нагрева,
введением добавок.
В углях содержится значительно большее количество циклических
и гетероциклических соединений углерода, чем в нефтях, и это обуслов­
ливает высокую адгезионную способность каменноугольных смол и дегтей.
Работы по термопластификации ткибульских (Грузия) рабдописситов показали, что для термопластификации этого угля необходимо срав­
нительно быстро нагреть его до 370—380 °С и выдержать при этой тем­
пературе 30—40 мин. Полученный при термопластификации материал
нашел применение в производстве фенолформальдегидных пластмасс
и может заменить 40—60% фенольного вяжущего.
В Харьковском автомобильно-дорожном институте проведены р а ­
боты по использованию донецких кеннелей для приготовления дорож­
ного вяжущего материала путем растворения их в антраценовой фрак­
ции каменноугольной смолы. Это вяжущее, названное кеннель-антраценовым, получали на полупромышленной установке периодического
действия. В металлическую емкость с нагревателем загружали антра­
ценовую фракцию каменноугольной смолы и доводили температуру
до 300—320°С, после чего перемешивали с молотым кеннельским углем
при нагревании до 340—360°С. Полученное вяжущее, содержащее 19%
кеннеля, имело температуру размягчения 53°С, температуру хрупко­
сти —9°С, растяжимость 74 см и отличалось высокими адгезионными
свойствами. Дорожные бетоны, приготовленные на этом вяжущем, име­
ли пределы прочности на сжатие при 20°С в 1,2— 1,5 раза и 50°С в
1,5—1,9 раза выше, чем соответствующие прочности обычного асфаль­
тобетона. В то же время предел прочности на сжатие при 0°С не пре­
вышал 8— 10 МПа, что свидетельствует о хорошей теплоустойчивости
материала. Водонасыщение не превышало 1,5%, материал отличался
повышенной бензо-маслостойкостью.
Н а принципе термического растворения углей основано производ­
ство углемасляных пеков, используемых в качестве связующего при
брикетировании углей и в дорожном строительстве. Над получением
углемасляных пеков работали многие исследователи. Опыты велись как
в лабораторных, так и в промышленных условиях. В качестве раство­
рителей могут быть использованы продукты переработки каменноуголь­
ной смолы. Ориентировочная температура процесса 350°С.
Углемасляные пеки, получаемые растворением углей в пековой или
каменноугольной смолах, по физическим свойствам не отличаются от
145
Обычных каменноугольных пеков. Если в качестве разжижителя при­
меняют антраценовое масло или пековые дистилляты, то такие углемас­
ляные пеки пластичнее каменноугольных и не хрупки. Температура
размягчения искусственных пеков находится в прямой зависимости от
количества растворенного угля, поэтому можно получать пек любой
температуры размягчения. При постоянном технологическом режиме
растворения выход углемасляного пека в основном зависит от характе­
ра растворителя и качества угля и составляет 70—97% от количества
сырья. Углемасляные пеки дали положительные результаты при ис­
пользовании их в дорожном строительстве.
В настоящее время работы по ожижению твердых горючих ископае­
мых интенсивно ведутся в СССР, Индии, США, ФРГ, Японии.
С целью терморастворения уголь измельчают до крупности не более
0,071 мм, сушат, нагревают до температуры 200°С и перемешивают с
растворителем в соотношении 1:1 — 1:4. Полученную пасту загружают
в автоклав, где выдерживают при 340—425°С и давлении 0,5— 1 МПа
при непрерывном перемешивании с подачей свежих порций раствори­
теля и отводом образующихся газов и паров углеводородов. После за ­
вершения процесса давление сбрасывают и отделяют термопластич­
ную массу от твердой фазы. Выход термопластичной массы при этом
способе составляет 35—55% от массы угля.
Существенное влияние на интенсивность протекания процессов тер­
морастворения угля оказывает выбор вида растворителя. Главной ха­
рактеристикой, определяющей эффективность растворителя, является
его способность быть донором водорода. Хорошие результаты дает ис­
пользование для этих целей креозотового или антраценового масла
(особенно после их гидрирования), а также легкого мазута. Наиболее
активным растворителем углей является тетралин.
Изучение свойств вяжущих, полученных способом термораство­
рения каменных углей, проводилось в Гипродорнии. Вяжущие приго­
товляли на опытной установке института горючих ископаемых. Уголь*
ный порошок смешивали с нефтяным или каменноугольным раствори­
телем, выдерживали смесь в автоклаве при температуре и давлении, ко­
торые обеспечивали протекание процесса терморастворения угля с по­
следующим отгоном легких фракций. Результаты испытаний образцов
вяжущих, полученных обработкой александрийского угля со смолой
полукоксования черемховского угля (температура кипения 200—230°С)
в автоклаве, с последующим отгоном легких фракций (при температу­
рах: 240°С — образец № 1, 244°С — образец № 2, 250°С — образец
№ 3) приведены в табл. 4.8.
Все вяжущие имели отличное сцепление с песком, но недостаточ­
ную растяжимость при 0 и 25°С. Последнее в определенной степени свя­
зано с присутствием в составе вяжущих зольных примесей (минераль­
ных частиц и нерастворенного угля). Степень растворимости угля со­
ставляла 40%. Смешением угля Кузнецкого бассейна с нефтяным раст­
ворителем (фракция нефти с температурой кипения выше 260°С), обра­
боткой смеси в автоклаве с последующей фильтрацией термопластич­
ной массы для отделения минеральных примесей и нерастворившегося
угля и затем отгоном летучих фракций при температурах 360, 370 и
146
Т а б л и ц а 4.8
Номер вяж ущ его
П оказатели
Глубина
проникания иглы
при 25° С
Температура
размягчения
по КиШ, °С
Индекс пенетрации
Вязкость, М П а-с, при:
0°С
60° С
i
2
3
4
5
6*
229
125
156
300 +
300+
54
43,0
+ 1,9
58,0
+ 3 ,3
69,5
+ 6 ,5
19,0
—
4 0 ,0
+ 2 ,0
58,1
+ 1,0
1
3
20
_
0 ,5
—
1
20 1
15
4
0 ,7
?30
* Вяжущ ее получено окислением продукта фильтрации в течение 4 ч при
с отгоном легких фракций.
170—180° О
380°С получены вяжущие, не содержащие зольных примесей (см. табл.
4.8 — образцы № 4, 5, 6).
Растяжимость вяжущего № 4 при 0°С составляет 35 см (при скоро­
сти растяжения 50 см/мин), а вяжущего № 5 — 6 см. При температуре
25°С их растяжимость соответственно равна 50 и 13 см.
Терморастворение углей с использованием в качестве растворителя
тетралина достигает 70%. После терморастворения производят отде­
ление не растворившейся части. Жидкую часть отгоняют при темпера­
турах 210—240°С. Н а основе этого продукта терморастворения получе­
ны дорожные вяжущие, свойства которых даны в табл. 4.9. Все они име­
ют отличное сцепление с песком. Вяжущие имеют достаточную тепло­
стойкость, их интервал пластичности составляет 50—65°С.
Использование неотфильтрованных золосодержащих (зольных) про­
дуктов термического растворения углей или зольных остатков от про­
цесса фильтрационной очистки термопластичной части продукта тер­
морастворения углей в качестве компонента при приготовлении ас­
фальтобетонных смесей представляет большой практический интерес.
Соотношение между содержанием термопластичного вяжущего и
твердого остатка составляет примерно 2:1, что позволяет рассматри­
вать неразделенные продукты термического растворения углей как
аналог асфальтового вяжущего в асфальтобетоне.
Т аблица
4.9
Номер вяжущ его
П оказатели
Глубина проникания иглы
при 25° С
Температура
размягчения
по КиШ, °С
Растяжимость при 25° С
Индекс пенетрации
Вязкость М Па-с, при:
0°С
60° С
7
8
9
10
11
12
37
95
186
87
20
267
52,5
50+
- 1 .5
7 0 ,5
+ 4 ,6
3 2 ,5
50+
— 1,5
100
4
3
50
500
0 ,2
—
4 2 ,5 3 4 ,0
50+
50+
- 2 , 0 — 3 ,0
30
1
7
0 ,5
38,5
36,5
+ 0 ,2
2
1
147
Таблица
4.10
Номер образца
П оказатели
Содержание частиц, % по массе:
мельче 1,25 мм
»
0,071 мм
Пористость, % по объему
Набухание в смеси с битумом, % по объему
Показатель битумоемкости
Влажность, % по массе
.
2
100
76,5
30
1,7
100
75,0
32
1,9
60
0,62
0,63
Использование зольного продукта термического растворения уг­
лей как компонента при производстве асфальтобетонных смесей позво­
лит снизить расход битума, решить проблему качественного минераль­
ного порошка.
Характеристика нерастворимой части, получаемой при фильтра­
ционном разделении продукта терморастворения каменного угля при­
ведена в табл. 4.10.
В табл. 4.11 приведены характеристики асфальтобетонов, получен­
ных с использованием зольных продуктов термического растворения
угля. Испытания проводились на образцах песчаного асфальтобетона
следующих составов:
1) песок 86%, минеральный порошок известняковый 14%, битум
БН 60/90 8%;
2) песок 86%, остаток, полученный от фильтрации продукта термо­
растворения угля, 14%, битум БН 60/90 8°/0;
3) песок 86%, минеральный порошок 7% , остаток, полученный от
фильтрации продукта терморастворения угля, 7% , битум БН 60/90
8%;
4) песок 85%, минеральный порошок 15%, беззольное вяжущее,
полученное терморастворением угля с 30% смолы черемховского угля.
Песчаные асфальтобетоны имеют хорошую теплостойкость, доста­
точно водостойки. Следует отметить, что при дальнейшей отработке
процессов получения дорожных вяжущих из ископаемых углей спосо­
бом терморастворения качество вяжущих может быть повышено,
оно может соответствовать качеству дорожных нефтяных битумов.
Т аблица
4.11
Номера составов
П оказатели
Предел прочности при сжатии, МПа:
при 0° С
» 20° С
в водонасыщенном состоянии
при 50° С
Водонасыщение, %
148
1
2
3
4
6 ,8
4 ,0
3 ,5
1,40
3 ,4
7 ,5
2 ,6
2 ,0
1,38
3 ,5
6 ,6
3 ,9
3 ,6
1,38
1,8
7 ,2 5
4 ,5
4 ,2
2,1 0
5 ,0
Одним из наиболее пригодных для получения качественных дорож­
ных вяжущих являются сапропелитовые угли, элементный состав ко­
торых приближается к элементному составу нефтяных битумов.
Они залегают на небольшой глубине вместе с гумусовыми углями и
горючими сланцами. Сапропелитовые угли (сапропелиты), образо­
вавшиеся из простейших водорослей и микроорганизмов в услови­
ях «гниющего ила», характеризуются большим содержанием водорода
в макромолекуле, чем обычные каменные угли, в отличие от гумусовых
углей, образовавшихся из наземных растений. По своему происхожде­
нию органическая масса сапропелитовых углей аналогична органичес­
кой массе горючих сланцев.
Элементный состав сапропелитов: С — 69,5—77,9%; Н — 7,8 —
9,9; N — 1,0— 1,5; 5 — 0,7 — 0,9; О — 10,5—20,3%; содержание гуминовых кислот 0,8— 18,4%; выход летучих веществ 61,96 — 85,9%,
смолы 11,5—62,2%; содержание золы 8,8—39,7%, содержание влаги
до 5%.
Во время Великой Отечественной войны из сапропелитов Иркутских
месторождений (будаговского и хахарейского) было организовано про­
мышленное производство искусственного жидкого топлива (способом
полукоксования). В Сибирском отделении Академии наук СССР велись
работы по термопластификации иркутских сапропелитов с целью полу­
чения пленкообразующих материалов и дорожных вяжущих. Спосо­
бом термопластификации можно переводить в жидкие и пластичные
продукты 89,9% органической массы иркутского сапропелита (49,02%
смолы + 40,88% битума).
Добавление вяжущего из термопластифицированного сапропелита в
количестве 15% к дорожному битуму улучшает его свойства. Темпера­
тура размягчения битума несколько повышается, а температура хруп­
кости понижается. Водонасыщение песчаного асфальтобетона, приго­
товленного на таком вяжущем, значительно снижается, увеличивается
предел прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии, по­
вышается морозостойкость.
Дорожные вяжущие можно получать и терморастворением сапро­
пелитовых углей. Д ля этого предварительно измельченный и просеян­
ный через сито с диаметром отверстий 1—3 мм сапропелит смешивают
с высококипящим органическим растворителем в соотношении 1:1,3
или 1:3 и подвергают термическому растворению при температуре 380—
390 °С в течение 20—30 мин. Скорость нагрева 2— 10°С в минуту. В ка­
честве растворителей можно использовать фракции среднего масла
смолы полукоксования углей с температурами кипения 180—240, 180—
210, 210—310, 180—310°С, а также эти фракции с добавками тетралина или каменноугольного масла. Давление собственных газов де­
струкции может достигать 6,0—7,0 МПа. После окончания термо­
растворения массу охлаждают и твердый остаток отфильтровывают
от продуктов терморастворения (термоэкстракта), отгоняют раствори­
тель и образовавшиеся легкие фракции до температуры 280—300°С.
Отогнанные от термоэкстракта жидкие фракции возвращают в тех­
нологический процесс'в качестве растворителя. Выход термоэкстрак­
та в зависимости от вида растворителя и условий процесса составляет
149
Таблица
Групповой
состав
Масла
Смолы
Асфальтены
4.12
Фракции смолы с температурами кипения, °С
180—240
180—310
180—210
210—310
62,3
20,7
17,0
68,9
11,4
19,7
73,9
14,9
11,2
66,3
14,9
18,8
Т аблица
4.13
Номер вяжущ его
П оказатели
2
3
290
40
38
165
35
45
100
20
45
105
16
43
50
28
—21
28
7
—22
50
1,5
— 11
50
1,8
— 12
—21
— 22
— 11
—9
0 ,2
59
0 ,2
67
0 ,3
56
0 ,2
55
1
Глубина проникания иглы:
при 25° С
» 0°С
Температура размягчения, °С
Растяжимость, см:
при 25° С
» 0°С
Температура хрупкости, °С
То же, после 5 ч прогрева при 120° С,
°С
Содержание водорастворимых соединений, % по массе
Интервал пластичности
4
50—70%. Средняя молекулярная масса термоэкстракта равна 320—
470.
Групповой состав сапропелитовых вяжущих, полученных при ис­
пользовании разных фракций смолы полукоксования угля, по данным
Иркутского политехнического института, приведен в табл. 4.12, а свой­
ства — в табл. 4.13 (по данным Гипродорнии).
С использованием сапропелитового вяжущего были приготовлены
образцы песчаного асфальтобетона. Приведенные в табл. 4.13 данные
показывают, что образцы вяжущих из сапропелитового угля, получен­
ные способом терморастворения, близки по свойствам к нефтяным би­
тумам и лучше, чем сланцевые битумы. Эти вяжущие отличаются хоро­
шими адгезионными свойствами, вследствие чего песчаные асфальто­
бетонные смеси показывают хорошую водостойкость.
Коэффициент усталости образцов из песчаного асфальтобетона, при­
готовленных на сапропелитовом вяжущем, такой же, как у образцов
на нефтяном битуме, а прочность при изгибе вдвое выше (табл. 4.14).
Технико-экономическая оценка производства дорожного вяжущего
из ископаемых углей показывает, что себестоимость их не выше себе­
стоимости нефтяного битума, а себестоимость вяжущих из сапропели­
товых углей может быть в 1,5 раза ниже себестоимости нефтяного би­
тума.
Учитывая, что ресурсы сырья для производства дорожных вяж у­
щих из ископаемых углей значительно превосходят ресурсы нефтяного
150
1' а б л и д а 4.14
Свойства песчаного асфальтобетона
П оказатели
Предел прочности при сжатии, МПа:
при 20° С
» 20° С в водонасыщенном состоя­
нии
при 50° С
» 0°С
Вязкость при 25° С, П а-с
Пластичность
Коэффициент усталости
Предел прочности при изгибе при
20° С, МПа
Модуль упругости при 25° С и дли­
тельности нагружения 0,02 с, МПа
с сапропелитовым
вяжущ им состава
1
2
3,3
3,4
4,4
4,1
1,60
0,85
7,7
7,9
4,98-10'°
0,36
0,3
с битумом
Б Н Д 60/90
2,4
2,0
1,20
11,0
5 - 1010
0,40
0,4
6,0
6,2
3,0
2580
2700
2000
сырья, организация производства таких вяжущих весьма перспектив­
на. Особенно актуален этот вопрос для районов Восточной Сибири, име­
ющих источник местного сырья (сапропелитов для получения качест
венных дорожных вяжущих).
Вопрос о переработке ископаемых углей путем термопластифи­
кации и терморастворения для производства вяжущих материалов,
жидких топлив и химических продуктов является типичной межотрас­
левой проблемой, имеющей важнейшее народнохозяйственное значе­
ние. Следует подчеркнуть настоятельную необходимость развития пер­
спективных исследований и опытных работ, направленных на вовлече­
ние больших запасов ископаемых углей в переработку путем термо­
пластификации и терморастворения.
Глава 5
ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ
ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
5.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРЮ ЧИХ СЛАНЦЕВ
Горючие сланцы — это осадочные горные породы, иногда сланце­
ватого строения, которые содержат в своем составе органическое ве­
щество — кероген — горючий материал различного происхождения.
В керогене содержатся сапропелитовые вещества, являющиеся также
основным компонентом сапропелитовых углей (сапропелитов или богхедов).
Собственно горючими сланцами считают породы, в органической
части которых преобладают сапропелевые вещества, а содержание гу­
мусовых веществ (образующихся при разложении остатков наземных
растений) не превышает 25%. По составу органической массы сланцы
близки к сапропелитовым углям, но отличаются от них высоким содер­
жанием минеральных веществ. Минимальное содержание золы в горю­
чих сланцах принято считать равным 30%. В ряде случаев месторожде­
ния сланцев сопутствуют месторождениям сапропелитов. Сапропелиты
в чистом виде встречающиеся редко, обычно включают минеральные ве­
щества и примеси гумусовых углей. Чистые сапропелиты в основном
характерны для иркутского бассейна.
Органическая часть горючих сланцев, как и сапропелитов, характе­
ризуется сравнительно высоким содержанием водорода (8 ,5 — 11%)
и небольшим содержанием кислорода (в среднем 5— 12%). Содержание
углерода в них составляет 66,5—79,7%.
По элементному составу кероген сланцев, как и сапропелиты, бо­
лее близко, чем остальные виды горючих ископаемых, стоит к неф­
тям, природным и нефтяным битумам, содержание углерода в которых
составляет 80—86, водорода 9— 12, кислорода 0,1—3%.
Химическая природа сапропелевых веществ иная, чем гумусовых
углей (бурых и каменных). Сапропелевые вещества содержат насыщен­
ные монокарбоновые кислоты жирного ряда, моно- и полициклические
карбоновые кислоты, их соли и ангидриды, а также кислородсодержа­
щие соединения с нейтральным характером и циклическим строением.
В сапропелевых веществах отсутствуют ароматические структуры.
Горючие сланцы, по внешнему виду представляющие собой твер­
дый материал от желтого до коричневого цвета, без запаха, содержат в
среднем 30—40% керогена, 60—70% минеральных веществ, из кото­
рых некоторая часть составляет двуокись кремния и силикаты, а
152
большая часть представляет собой карбонаты, окись Са и некоторые
количества окислов Mn, Fe, Ti, Mg, K.
В золе сланцев, например, Гдовского месторождения содержится
в среднем 30% S i0 2, 8,7% Fe20 3, 8,6% А120 3, 42,6% CaO, 2,56% MgO,
7,35% SO 3. Зола сланцев Сысольского месторождения (Коми АССР)
содержит 42,5% S i0 2, 28,3% CaO, а зола кашпирских сланцев (Повол­
жье) имеет 38,52% S i0 2 и 27% СаО.
Составы и свойства горючих сланцев разных месторождений колеб­
лются в широких пределах, поэтому вопрос об их техническом исполь­
зовании требует в каждом отдельном случае разработки наиболее целе­
сообразной схемы с учетом особенностей характеристик сланца.
Предусматривается расширение геолого-разведочных, научно-ис­
следовательских и опытно-промышленных работ с целью развития до­
бычи горючих сланцев и комплексного использования их для производ­
ства углеводородного сырья, электрической энергии, химических про­
дуктов, строительных материалов, а также в сельском хозяйстве.
Особое внимание, уделяемое сланцам и низкосортному топливу
в СССР, является прямым следствием дальновидности экономической
политики в условиях планового хозяйства. Переработка сланцев в зна­
чительной мере сократит необходимость в дальнепривозных топливных
продуктах и вяжущих для дорожного строительства. Использование
сланцев для дорожного строительства имеет особое значение в пробле­
ме применения местных материалов.
Отходы бедной керогеном породы могут служить для производства
высококачественных щебня и минерального порошка, а сам горючий
сланец как таковой или после обогащения может служить источни­
ком вполне качественных вяжущих материалов.
Месторождения горючих сланцев распространены на территории
СССР широко: в Эстонии, в Ленинградской и Горьковской областях,
Коми, Удмуртской, Чувашской, Татарской, Башкирской АССР, в
Ульяновской, Куйбышевской, Саратовской, Оренбургской, И ркутс­
кой, Читинской областях, Красноярском крае, Восточной Сибири.
В Казахской ССР сланцы расположены в Кустанайской и ВосточноКазахстанской областях. Сланцы имеются на Украине, в республиках
Средней Азии и Закавказья.
Все сланцы СССР делятся на две группы — сернистые (2—8%) и
малосернистые (до 2% серы). Представителями сернистых сланцев яв­
ляются волжские — Среднего и Нижнего Поволжья. Малосернистые
сланцы залегают в Эстонии [10].
В настоящее время добыча сланцев ведется в Эстонии, в Ленинград­
ской обл. в районе г. Сланцы (Гдовское месторождение), в Куйбышев­
ской обл. (Кашпирское месторождение) и на Украине.
В Гдовском месторождении слои горючей породы мощностью 30—
60 см залегают на глубине 70— 100 м между слоями мергелистого из­
вестняка толщиной 20—40 см. Разработка месторождения ведется в
шахтах, где породу взрывают и транспортерами подают на дробление
для получения кусков максимального размера 150 мм. Затем обогаща­
ют сланцы способом флотации с целью отделения примесей известняка
и бедной породы. При этом известняк как наиболее тяжелый материал
153
(объемная масса 2,2 г/см3) оседает на дне, а горючий сланец, имеющий
объемную массу значительно меньшую (1,5 г/см3), всплывает, и его от­
деляют.
Бедная органической массой порода, отходы добычи и обогащения
сланцев могут быть использованы в качестве компонентов асфальтобе­
тонных смесей. Исследования, проведенные в 1969 г. и последующие го­
ды по выявлению возможности применения в дорожном строительстве
менилитовых сланцев Карпат, показали, что при дроблении сланцев в
щековой дробилке вторичного дробления можно получить смесь опти­
мального состава для мелко- и крупнозернистого асфальтобетонов. По­
казано, что органическая часть сланцев—кероген улучшает смачивае­
мость минерального материала битумом, улучшает прилипание битум­
ной пленки, повышает водостойкость и прочность асфальтобетонных
смесей, уменьшает процесс старения битума. По предварительным под­
счетам применение минерального порошка, щебня и высевок из горю­
чих сланцев или отходов их обогащения позволит достигнуть экономии
нефтяного битума на 20—40%.
При нагревании сланцев до 170— 180°С выделяются вода, окклюди­
рованные газы и воздух; около 200° С начинается активное разложение
высокомолекулярных соединений органической части. При темпера­
турах от 360 до 420°С происходит деполимеризация керогена
с небольшим крекингом, битуминизация сапропелевого вещества и об­
разуется термобитум с выделением незначительного количества смолы
и газа.
5.2. ПОЛУЧЕНИЕ СЛАНЦЕВЫХ БИТУМОВ ИЗ ПРОДУКТОВ
ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖ ЕНИЯ ГОРЮ ЧИХ СЛАНЦЕВ,
ИХ СО СТАВ И СВОЙСТВА
При битуминизации сланцевой мелочи Эстонского месторождения,
содержащей 39% органического вещества, в интервале температур
400—420°С в течение 1 ч 20 мин (с отделением газов и жидкой фазы в мо­
мент их образования) был получен битумированный сланец с темпера­
турой размягчения 130°С. Выделенный из этой массы сланцевый битум
имел температуру размягчения 87—90°С.
Эти работы показали, что путем битуминизации сланцевой мелочи
не удалось получить материала, который мог бы быть непосредственно
применен в дорожном строительстве. Д ля снижения температуры раз­
мягчения битумированного материала в процессе термообработки слан­
ца было предложено вводить около 20% сланцевой смолы, полученной
при газификации сланца. При этом получалась асфальтоподобная мас­
са, содержащая около 48% битума с температурой размягчения 48—
50°С.
Начиная с 1935 г. проводились исследования по битуминизации
гдовских сланцев, были построены опытные участки тротуарных по­
крытий с целью проверки пригодности битумированного сланца для по­
лучения литого асфальта. Гдовские сланцы в отличие от других имеют
узкий интервал битуминизации (образования битума — в пределах
300—400°С).
154
Исследования по битуминизации были возобновлены после Великой
Отечественной войны в 1948 г. ва связи с вопросом об использовании
весьма значительных отходов, получаемых при добыче сланца. Было
установлено, что битуминизация мелочи без ее предварительного из­
мельчения до тонкости помола минерального порошка, входящего в
состав бетона, нецелесообразна.
Достаточная однородность битумированного сланца, приготовлен­
ного из размолотой мелочи, при условии соблюдения постоянного и
тщательного перемешивания позволили получить материал, который
послужил для приготовления асфальтобетонных смесей.
Свойства битумированного сланца изучались Ленинградским фи­
лиалом Союздорнии совместно с Научно-исследовательским институ­
том сланцев. В результате был получен материал, пригодный для
приготовления асфальтобетона. Содержание битума в битумированном сланце колеблется в пределах 40—45%, растяжимость состав­
ляет 6—20 см.
Однако асфальтобетонные смеси, приготовленные с применением
битумированного сланца, имели слишком высокие показатели прочно­
сти при сжатии. При добавлении 23% тяжелой сланцевой смолы полу­
чен материал с температурой размягчения 40—50°С, который при ис­
пользовании в асфальтобетонных смесях обеспечил хорошие показате­
ли: предел прочности при сжатии составил 5,2— 10,2 МПа при 20'С и
1,5—4,8 МПа при 50°С. Материал был использован при опытном строи­
тельстве. В результате сделан вывод, что достаточная тонкость помола
сланца делает возможным использование битумированного сланца
как дорожно-строительного материала, причем используемая в асфаль­
тобетоне минеральная составляющая служит высококачественным за­
полнителем.
Интерес представляет установление возможности применения биту­
мированного сланца для устройства покрытий способом смешения на
дороге путем использования высоковязкого битумированного сланца
в виде порошка, рассыпаемого для смешения с гравийным материалом,
предварительно обработанным жидким сланцевым битумом. Таким
способом можно получить быстротвердеющее дорожное покрытие, осо­
бенно пригодное для условий влажного климата.
Первые попытки получения сланцевых битумов возникли в опытном
порядке почти одновременно в 1924 г. на базе прибалтийских сланцев
в Кашпирского месторождения, а затем на базе гдовских сланцев Ле­
нинградской обл.
При нагревании сланца выше 400СС термобитум разлагается с об­
разованием газа, смолы и полукокса. Максимальный выход смолы наб­
людается при 500°С. Эта температура и принята при переработке слан­
цев способом полукоксования. При дальнейшем подъеме температуры
до 800— 1000°С происходит увеличение выхода газа за счет уменьшения
количества смолы (газификация сланца).
Н а сланцеперерабатывающих предприятиях переработку сланцев
после обогащения осуществляют на газогенераторных, камерных или
тоннельных установках.
155
На газогенераторных установках ведут полукоксование сланца при
температуре 500—550°С в верхней части. В нижней части установки
происходит сжигание полукокса при температуре около 1000°С с по­
лучением газа и шлака. Образующаяся в результате конденсации про­
дуктов полукоксования сланцевая смола при дальнейшей переработке
дает жидкое топливо, смазочные масла, ряд химических продуктов и
сланцевый битум.
В камерных печах при высокотемпературном (850—900°С) разло­
жении сланца в основном получают газ и небольшое количество (5%)
сланцевой смолы.
Д ля производства сланцевого битума поступает смола после отбора
от нее топливных и масляных фракций, выкипающих до 300—350°С.
Это сырье имеет примерно следующие характеристики: плотность
0,98— 1,1 г/см3, условную вязкость при 75°С не менее 6 с, температуру
вспышки выше 120 °С, содержание фракций, выкипающих до 300 °С, не
более 10%.
Сланцевые смолы содержат примерно 20% углеводородов, 25% кис­
лых фенольных соединений, 35% нейтральных кислородных соедине­
ний, 5% сернистых соединений, 15% асфальтенов.
Наибольшее содержание (25—30%) фенольных веществ и нейтраль­
ных кислородных соединений найдено в тяжелых фракциях смол, вы­
кипающих выше 300°С.
Производство и применение сланцевых битумов получило развитие
в сравнительно крупном масштабе в Эстонии, начиная с 1927 г. Начало
переработки гдовских сланцев относится к 1932 г.
Д л я производства сланцевого битума сырье предварительно нагре­
вают в реакторе через змеевик (паром) до 70°С, после чего начинают по­
дачу воздуха в количестве около 3 м3/м3 сырья в час. После достижения
температуры 110°С подачу воздуха увеличивают до 7— 14 м3/м3 сырья
в час, следя за тем, чтобы не было переброса. При подъеме температу­
ры выше 110°С, т. е. после удаления воды (пены) количество подаваемо­
го воздуха увеличивают до 50 м3/м3 сырья в час и более. При 140°С на­
чинается экзотермическая реакция и подогрев прекращают, допуская
подъем температуры до 175—180°С. Если температура превысит 180°С,
начинают подачу воды, что позволяет снизить температуру на 10—
15 °С. Продолжительность окисления сырья при получении жидких
дорожных битумов составляет менее 4 ч, вязких битумов—5—8 ч.
Д ля производства качественных сланцевых вяжущих следует ис­
пользовать тяжелые сланцевые смолы, дающие более теплостойкие вя­
жущие. Окисление сырья следует вести при температуре не выше 180°С.
Наибольший интервал пластичности получают из тяжелых смол окис­
лением их при более низкой температуре и большой подаче воздуха.
Промышленность вырабатывает вязкие и жидкие сланцевые дорож­
ные битумы и вязкие битумы для гидроизоляционных и кровельных ра­
бот. Вязкие дорожные битухмы выпускают двух марок с глубиной про­
никания 251—330 и 190—250, температурой размягчения не ниже 30
и 34°С, температурой хрупкости не выше — 14 и — 12°С. Температура
при производстве асфальтобетонных смесей должна быть 90— 110°С
и 110— 130 °С соответственно. Ж идкие сланцевые битумы выпускают
156
Таблица
Групповой состав, %
Элементный состав, %
£
К
i 2
2 со
Сланцевый с глуби160—
ной проникания
200
Сланцевый с глубиной проникания 120—
160
Сланцевый с глубиной проникания 35—60
Нефтяной с глубиной
проникания 160—200
° ^
X
° ¿О
I
й
Битум
5.1
А с­
фаль­
тены
и
SO , N ,
S
S
Смолы
Масла
17,9
4 6 ,0
84,40
9,27 6 ,3 3
12,30
С
B?Sa
36
30
39
39,1
8 ,4
5 0 ,8
84,75
9,22 6 ,0 3
6,05
42
37,2
25 ,4
3 5 ,4
84,73
8,91
6 ,3 6
2 ,4 8
39
12,2
2 6 ,8
59,8
83,69
10,72 5 ,5 9
9,8 5
пяти марок с вязкостью Q o от 12 до 200 с (12—20,20—35,35—70,
70— 130, 130—200). Температура нагревания их при смешении состав­
ляет 40—90°С соответственно марке (40—50, 50—60, 60—70,
70—80, 80—90).
Групповой состав сланцевых битумов, полученных из гдовских слан­
цев окислением отогнанной сланцевой смолы при 270—290°С, приведен
в табл. 5.1. Молекулярные массы асфальтенов сланцевых битумов ле­
жат в пределах 850— 1200, смол 370—650, а молекулярные массы ма­
сел 350—500.
Обращает на себя внимание высокое содержание асфальтенов в
сланцевых битумах и их небольшая молекулярная масса. Асфальтены
сланцевых битумов отличаются большим содержанием кислорода в
молекулах (особенно в гидроксильной форме), достигающим 10,6—
16,7%. В нефтяных асфальтенах содержание кислорода не превыша­
ет 8% , отмечается присутствие большого числа гетероциклов. В отли­
чие от нефтяных асфальтенов сланцевые плавятся при температуре
около 100°С, а при 400—500° С выделяют жидкие продукты раз­
ложения.
Количество смолистых веществ и масел в сланцевых битумах не­
сколько меньше, чем в нефтяных, молекулярная масса смол из слан­
цевых битумов несколько ниже, чем у смол, выделенных из нефтяных
битумов, а молекулярные массы масел почти одинаковы.
Интервал пластичности сланцевых битумов на 10— 15°С меньше,
чем у нефтяных битумов, однако больше, чем у каменноугольных вяж у­
щих. По некоторым свойствам сланцевые битумы занимают промежу­
точное место между нефтяными битумами и каменноугольными дегтями, обладая меньшей, чем нефтяной битум, погодостойкостью, несколь­
ко пониженной теплостойкостью и нестабильностью к воздействию ще­
лочей. Сланцевые битумы отличаются от нефтяных меньшей величиной
вязкости при равной глубине проникания. Пониженные погодостойкость
и теплостойкость сланцевых битумов проявляются в значительно мень­
шей степени, чем у каменноугольных дорожных дегтей. Меньшая вяз157
Кость сланцевого битума по сравнению с нефтяным (при одной и той же
пенетрации) в процессе работ по розливу или смешению с каменным ма­
териалом и при уплотнении покрытия имеет положительное значение,
в то же время не оказывая практически заметного влияния на качество
дорожного покрытия, вследствие повышенной активности сланцевого
вяжущего при объединении с каменным материалом, особенно с его
мелкодисперсной частью. По этой же причине в покрытии на сланце­
вом битуме не замечается деформаций (наплывов, сдвигов, волн), ха­
рактерных для вяжущих с пониженной вязкостью вследствие хороше­
го объединения с каменным материалом.
Жидкие сланцевые битумы по скорости загустевания приближают­
ся к жидким нефтяным битумам типа средне- или медленногустеющих.
При смешении жидкого сланцевого битума с вязкими нефтяными би­
тумами или нефтяными гудронами получают однородные материалы.
Добавки нефтяного вяжущего даже в небольшом количестве (15—20%)
способствуют повышению теплостойкости сланцевого битума.
При переработке сланцевой смолы получают сланцевый пек, кото­
рый может быть применен в дорожном строительсгве при пластифика­
ции его тяжелой сланцевой смолой или нефтяным гудроном. Характе­
ристика сланцевых пеков приведена в табл. 5.2 [13].
В Эстонии и Ленинградской области для дорожного строительства
применяют не только сланцевые битумы, но и сланцевые смолы. Слан­
цевые смолы могут быть использованы в дорожном строительстве для
обеспыливания дорог, укрепления грунтов, получения эмульсий, ком­
плексных и композиционных дорожных вяжущих. Тяжелые сланце­
вые смолы можно применять для разжижения нефтяных и сланцевых
битумов. Однако вследствие низкой водостойкости сланцевых смол их
не следует вводить в нефтяной битум более 5— 10%. Введение смолы в
этом количестве улучшает адгезионные свойства нефтяного битума и его
биостойкость.
Т аблица
Номер состава образцов
сланцевого пека
П оказатели
Температура размягчения, °С
Плотность, г/см3
Летучие вещества, %
Элементный состав, %:
С
Н
Групповой состав, % по массе:
а
Р
V
5.2
I
2
|
3
67
1,200
68,0
82
1,231
61,0
101
1,250
58,5
89,2
6,2
89,2
5,8
90,05
5,8
16,1
25,0
58,9
21,8
17,0
62,2
27,5
18,5
54,0
П р и м е ч а н и е , а — вещ ества, нерастворимые в толуоле; Р — вещ ества, нераствори­
мые в бензине; 7 — вещества, растворимые в толуоле и бензине.
158
Значительное развитие получило применение эмульсий из сланце­
вых битумов и смол [11]. Лучшими эмульгаторами для сланцевых биту­
мов являются продукты лесохимической промышленности — талловое
масло, сульфатное мыло, получаемые при варке целлюлозы сульфат­
ным методом.
Д ля приготовления эмульсий можно использовать смеси сланцево­
го битума с нефтяным гудроном в количестве 20—50%.
К настоящему времени накоплен определенный опыт применения
эмульсий из сланцевых вяжущих. Имеются данные о применении эмуль­
сий из сланцевых смол для обеспыливания, укрепления грунтов, гра­
вийных и щебеночных дорог, устройства покрытий пропиткой, поверх­
ностной обработкой, смешением в установке. Отмечаются хорошие ре­
зультаты при использовании для обеспыливания и поверхностной обра­
ботки дорог высококонцентрированных эмульсий из тяжелых сланце­
вых смол, содержащих до 90% вяжущего, и разжижении эмульсии во­
дой до концентрации 20—30% благодаря тому, что они устойчивы при
длительном хранении, высокоэффективны для обеспыливания дорог.
Нашли применение обратные эмульсии для строительства и ремонта
покрытий, устройства слоев износа на дорогах I II —V категорий и для
устройства оснований.
С использованием сланцевых битумов и тяжелых смол приготов­
ляют пасты для производства холодных битумоминеральных смесей,
применяемых при устройстве слоев износа или других дорожных рабо­
тах. При приготовлении паст на жидком сланцевом битуме можно до­
бавлять каучуковую крошку — отход производства синтетического
каучука для повышения вязкости, пластичности и адгезии.
Известь-пушонка непригодна в качестве эмульгатора при получе­
нии паст, так как фенолы сланцевого битума дают с известью феноляты
кальция — нерастворимые вещества, препятствующие образованию
паст.
Вследствие того, что сланцевые смолы содержат большие количества
фенольных соединений, которые ведут к ухудшению свойств сланце­
вых битумов, рациональным способом улучшения их качества является
обеспечение химического взаимодействия фенолов с активными компо­
нентами и образованием новых, химически стойких вяжущих для по­
лучения композиционных вяжущих. Это предпочтительнее, чем полу­
чение комплексных вяжущих, получаемых простым смешением без хи­
мического взаимодействия.
Все сланцевые вяжущие, отличаясь высокой химической активно­
стью, кроме фенольных соединений, содержат альдегиды, карбоновые
кислоты, эфиры, которые могут образовывать продукты конденсации
с формалином, фурфуролом, мочевиной.
Д ля обработки сланцевой смолы формалином (водный раствор),
мочевиной и карбамидными смолами следует использовать водную сре­
ду, приготовляя сланцевые эмульсии. Фурфурол и его производные
не требуют использования эмульгированных вяжущих.
Полимербетоны на композиционных вяжущих не хуже холодного
асфальтобетона, но уступают по качеству горячему асфальтобетону.
Они могут быть использованы для строительства покрытий на дорогах
159
Таблица
Компоненты состава № 1
Содержание,
% по массе
5.3
Содержание,
% по массе
Компоненты состава № 2
'
' Высококонцентриро­
ванная сланцевая эмуль­
сия
Технический формалин
»
карбамид
Сульфат окисного ж е­
леза (гидрат)
48—53
28—36
7— 9
Сланцевая смола
Технический фурфурол
»
карбамид
Сульфат окисного ж е­
леза (гидрат)
68
13,8
6,6
11,6
7— 12
III и IV категорий. Примерные составы сланцевых композиционных
вяжущих для полимербетонов приведены в табл. 5.3. Расход вяжущего
составляет 6—8% по массе при укреплении грунтов [11].
5.3. ПОЛУЧЕНИЕ ВЯЖ УЩ ИХ ТЕРМИЧЕСКИМ РАСТВОРЕНИЕМ
ГОРЮ ЧИХ СЛАНЦЕВ
С 1978 г. развиваются работы по получению дорожных вяжущих
способом термического растворения сланцев. Этот способ более эконо­
мичен, чем способ термического разложения, описанный выше. Тер­
морастворение ведется при более низких температурах, чем термораз­
ложение, и, следовательно, требует меньших энергетических затрат.
Сущность способа термического растворения заключается в воздей­
ствии на кероген сланца органических растворителей преимуществен­
но углеводородного состава при высоких температурах (360—450°С),
вызывающих деполимеризацию, растворение и значительный крекинг
растворившегося органического вещества. Глубина процесса зависит от
природы растворяемого материала, условий растворения, состава и
свойств растворителя.
В общих чертах процесс сводится к следующему: измельченный до
порошкообразного состояния материал смешивают в соотношении 1:1
или 1:2 с растворителем и нагревают при 380—440 °С в течение 10—30
мин под давлением паров растворителя (2—3 МПа) при непрерывном
перемешивании.
Растворители для термического растворения следует применять та ­
кие, которые образуются в самом процессе термического растворения,
или такие, которые могут быть регенерированы и возвращены в цикл.
В результате достигается в большей или меньшей степени превращение
нерастворимого или малорастворимого в органических веществах керогена в растворимое состояние и значительное обескислороживание
за счет выделения кислорода в виде пирогенетической воды, углекисло­
ты и окиси углерода.
При термическом растворении и пластификации сланцев (твердых
топлив) происходят в совокупности следующие процессы: деполимери­
зация, растворение деполимеризованного вещества в растворителе, декарбоксилирование, дегидратация и крекинг полученных растворов.
Возможны такж е реакции уплотнения, дегидрирования и гидрирова­
160
ния. В результате этих процессов и происходит выделение пирогенетической воды, углекислоты и окиси углерода.
С технологической точки зрения терморастворение можно рассмат­
ривать как сочетание процессов битуминизации, экстрагирования и
крекинга твердого топлива, проводимых в очень мягких условиях.
Работами Института горючих ископаемых по исследованию термо­
растворения прибалтийских, кашпирских и некоторых других слан­
цев показано, что оптимальными условиями терморастворения явля­
ются: температура 430—444°С, длительность 15—20 мин, раствори­
тель — фракция, выкипающая в пределах 220—370 °С, выделенная из
продуктов растворения. Д ля термического растворения сланцев можно
использовать сланцевую мелочь, которая является отходом при пере­
работке сланцев. Эту мелочь, согласно данным Научно-исследова­
тельского института сланцев, можно обогащать до содержания мине­
ральной части 12— 15%.
Простота технологической схемы позволяет с относительно неболь­
шими затратами создавать промышленные установки для переработки
сланцев в материал, пригодный для дорожного строительства.
Получение вяжущих для дорожного строительства способом терми­
ческого растворения сланцев проводилось с использованием обогащен­
ного прибалтийского сланца с содержанием минеральной части 27,5%
и в качестве растворителя—фракции сланцевой смолы с температурой
кипения 230—240 °С.
В результате терморастворения из органического вещества сланца
образуется около 90% термопластичного продукта. После его дистил­
ляции при температуре 250—330 °С отогнанный продукт — термоэкст­
ракт содержит около 30% мелкодисперсного минерального на­
полнителя.
Смеси термоэкстракта с дистиллятом сланцевой смолы, имеющим
температуру кипения 310—330 °С, дали вяжущие, свойства которых
приведены в табл. 5.4 (по данным Гипродорнии). Вяжущее 1 представ­
ляет собой экстракт терморастворения обогащенного сланца, а вяж у­
щие 2—6 — термоэкстракт, содержащий соответственно 2,4 6, 8 и 10%
дистиллята сланцевой смолы.
Т аблица
5.4
Номер состава образцов сланцевого вяж ущ его
П оказатели
Глубина проникания иглы
при 25° С
Температура
размягчения,
°С
Температура хрупкости, °С
Индекс пенетрации
Растяжимость при 0° С, см
Вязкость, М П а'с, при:
0°С
60° С
6
Зак. 174 3
*
2
3
4
5
6
45
49
59
90
143
226
49
- 1 ,7
48
—7
-1 ,7
4 5 ,5
—8
— 1,2
50
41
—9
— 1,0
36,5
— 10
- 1 ,4
100
5
90
5
30
1
10
1
5
0 ,5
4 7 ,5
—7
-1 ,6
Более
80
3
161
Таблица
5.5
Номер состава асфальтобетона
1
Предел прочности при сжатии,
при:
0°С
20° С
20° С водонасыщенных
50° С
Набухание, % по объему
Коэффициент водостойкости
2
3
4
10,1
9 ,6
6 ,9
1,8
0 ,8 4
0 ,7 2
9,1
5,1
5 ,0
0 ,9
0,1
0 ,9 8
МПа,
9 ,0
4 ,9
4 ,4
3 ,3
0,65
0 ,9 0
9 ,8
6 ,0
4 ,4
2 ,5
3 ,0
0,73
Испытания на термостабильность показали, что температура раз­
мягчения термоэкстракта (№ 1), после прогрева в течение 5 ч при 160°С
возрастает на 1 °С, а вяжущих (№ 2—6) — на 4 °С. Все вяжущие, по­
лученные терморастворением сланца, имеют отличное сцепление с ми­
неральными материалами.
Характеристики образцов' песчаного асфальтобетона, приготов­
ленные с использованием сланцевых вяжущих, полученных способом
терморастворения, приведены в табл. 5.5.
Состав № 1 содержал 10% вяжущего, полученного как экстракт
термического растворения рядового прибалтийского сланца, с добав­
кой 5% сланцевой смолы. Состав № 2 содержал 10% экстракта терми­
ческого растворения сернистого сланца. Состав № 3 приготовлен на ос­
нове 11,5% зольного сланцевого вяжущего, содержащего 30% золы.
Состав № 4 содержал 9% беззольного продукта терморастворения обо­
гащенного сланца. Зола, образующаяся в процессе терморастворения
сланца после отделения термопластичного вяжущего (беззольного
экстракта), может быть использована при приготовлении асфальтобе­
тонных смесей в качестве активированного минерального порошка.
Таким образом, при комплексной переработке горючих сланцев для
целей дорожного строительства различными технологическими сред­
ствами могут быть получены как сланцевые вяжущие различных ви­
дов, так и минеральные материалы — щебень и минеральный порошок.
Значительные сырьевые ресурсы горючих сланцев делают этот материал
перспективным для использования в дорожном строительстве.
Глава
6
ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Д л я целей дорожного строительства в качестве самостоятельных
органических^вяжущих^или^их компонентов при устройстве верхних
и нижних слоев покрытий или оснований могут быть использованы по­
бочные продукты, отходы или некоторые некондиционные материалы
ряда отраслей промышленности. Известно использование в дорожном
строительстве побочных продуктов нефтехимии, таких, например, как
смолы, образующиеся при пиролизе нефтяных фракций для получения
олефинов, кубовые остатки производства синтетических жирных кислот,
фенольные смолы. Из побочных продуктов коксохимии нашли приме­
нение кубовые Остатки ректификации сырого бензола, полимеры бен­
зольного отделения, углеводородная смола, фусы.
В последнее десятилетие развивается использование побочных про­
дуктов лесохимии и целлюлозно-бумажной промышленности, образую­
щихся в больших объемах. К ним относятся талловый пек, гидролиз­
ный лигнин, смолы пиролиза коры и др.
В качестве компонентов для модификации вяжущих нефтяного и ка­
менноугольного происхождений используют побочные продукты про­
изводства синтетических каучуков и смол, синтетических волокон.
К ним относятся коагулюм, олигомерные жидкие каучуки, фильтра­
ционный кек ПВХ, отсевы ПВХ, отходы и отсевы полистирола, низко­
молекулярный полиэтилен, полипропилен, остаточные фракции при по­
лучении синтетического волокна лавсан.
Н аряду с побочными продуктами и отходами этих производств в не­
которых случаях дорожные организации могут получать и некондици­
онные каучуки, смолы, олигомеры и мономеры, не удовлетворяющие
техническим требованиям других потребителей.
Получение кондиционных каучуков, смол в требуемых количествах
вряд ли возможно для дорожных организаций, являющихся многотон­
нажным потребителем органических вяжущих материалов. Д ля до­
рожных целей доступны наиболее дешевые из’указанных продуктов и
не востребованные заказчиком в силу отклонения от технических усло­
вий. Технологические процессы указанных производств непрерывно
совершенствуются, модернизируются и те побочные продукты, которые
еще недавно не находили применения, становятся полезными для ряда
отраслей народного хозяйства. Наиболее постоянными многотоннажны6*
163
ми источниками органических вяжущих в настоящее время, кроме неф­
ти и битумсодержащих пород, являются ископаемые угли и сланцы, ле­
сохимия и побочные продукты переработки этих видов сырья. Осталь­
ные виды органических вяжущих или побочных продуктов могут быть
использованы как местные материалы при строительстве участков до­
рог небольшой протяженности вследствие ограниченного объема их
производства. Синтетические каучуки и смолы или побочные продукты
их производства как добавки к нефтяным битумам или каменноуголь­
ным дегтям, значительно улучшающие их свойства, используют в ос­
новном для устройства верхнего слоя покрытий. Побочные продукты
лесохимии и других отраслей промышленности как материалы еще не­
достаточно апробированные в эксплуатации дорог в основном применя­
ют в нижних слоях покрытий, а отходы — при устройстве оснований.
В этой главе рассмотрены материалы наиболее известные, доступные
и проверенные в дорожном строительстве для производства органичес­
ких вяжущих или применяемые как компоненты для улучшения свойств
известных вяжущих. На примерах применения этих побочных про­
дуктов могут быть развиты работы по выявлению пригодности других
вновь появляющихся некондиционных материалов — побочных про­
дуктов и отходов промышленности.
При работах с ними можно применять основные теоретические по­
ложения, рассмотренные в гл. 1, в отношении совместимости и раство­
римости высокомолекулярных составляющих с пластификаторами. Фи­
зические и механические свойства получаемых новых вяжущих надо
сравнивать с нефтяным битумом, выбранным как эталон, причем в пер­
вую очередь характеризовать однородность, вязкость в широком интер­
вале эксплуатационных температур, стабильность при нагревании, ад­
гезию к минеральным материалам.
Одним из перспективных вяжущих для дорожного строительства за
рубежом считают пластифицированную серу. Хотя сера и не принад­
лежит к материалам органического происхождения, но для ее пласти­
фикации применяют органического происхождения богатые аромати­
ческими компонентами побочные продукты нефтехимической, химичес­
кой и других отраслей промышленности в количестве 20—80% от мас­
сы серы.
6.2. ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПОБОЧНЫ Х ПРОДУКТОВ НЕФТЕХИМИИ
В настоящее время для дорожных целей доступны побочные продук­
ты пиролиза нефтяных фракций — смолы. Ценным побочным продук­
том являются кубовые остатки производства синтетических жирных
кислот. Значительно менее ценными отходами являются кислые гудроны и отбеливающие глины, которые могут быть применены для уст­
ройства оснований и нижних слоев покрытий.
Смолы пиролиза нефтяных фракций образуются в виде побочного
продукта при пиролизе газообразных и жидких углеводородных (неф­
тяных) фракций с целью получения низших олефиновых углеводородов
этилена, пропилена и т. д. Состав и свойства смол зависят от вида сырья
и технологического режима пиролиза. Так, при пиролизе нефтяного
164
газа, бензиновой фракции, керосина получают смолистую жидкость
темного цвета, кипящую в пределах 200—360 °С вязкостью 0,5—2 Па - с
при 20° С. Эта смола содержит до 95% ароматических углеводородов,
в том числе стирола, нндена и дициклопентадиена в сумме 30—50% .
Некоторую часть смол пиролиза перерабатывают вместе с нефтью для
увеличения выхода бензина, часть используют для производства инденкумароновых и нефтеполимерных смол, часть применяют в качестве
тяжелого котельного топлива.
При полимеризации смол пиролиза получают нефтеполимерные смо­
лы. Они имеют температуру размягчения от 50 до 100° С, цвет от светло-желтого до темно-коричневого, плотность 0,86—0,90 г/ см3 при 20 °С
и почти полностью растворимы в бензоле.
При пластификации нефтеполимерных смол экстрактами селектив­
ной очистки масляных фракций или другими пластификаторами полу­
чают вяжущие для дорожного строительства, в том числе для цветных
пластобетонов. С этой целыо пластификатор нагревают до 70—80 °С
и загружают в подготовительный котел, куда подают нефтеполимерную
смолу, измельченную до кусков не более 200 мм. Д ля полного растворе­
ния смолы температуру в котле поддерживают в пределах 120— 130° С
при циркуляции массы. Готовое вяжущее перекачивают в рабочий ко­
тел, откуда берут пробы для установления однородности вяжущего и
его температуры размягчения. Рабочий котел оборудован мешалкой для
дополнительного (если требуется) перемешивания вяжущего. Здесь
поддерживают температуру 110— 130 °С.
Технологический процесс приготовления пластбетонных смесей
аналогичен приготовлению асфальтобетонных. Температура готовой
смеси должна быть 120— 150 °С. После уплотнения материал имеет
следующие характеристики: предел прочности при сжатии 2,5—4 МПа
при 20 °С, 0,85— 1,5 МПа при 50 °С и 6,0—8,0 МПа при 0 °С, коэф­
фициент водостойкости 0,92— 1,0, набухание 0—0,4% , водонасыщение 0,3—0,4% . Нефтеполимерные смолы светлого цвета позволяют
получать цветные пластбетонные смеси.
* N
Инден-кумароновые смолы получают из нефтехимического и коксо­
химического сырья. Они являются олигомерными продуктами, их мо­
лекулярная масса лежит в пределах 400— 1200, а степень полимериза­
ции — от 2 до 16. Эти смолы хорошо растворяются в ароматических уг­
леводородах, набухают в бензине и керосине, совмещаются с каменно­
угольными и нефтяными маслами. Инден-кумароновые смолы различа­
ются по температуре размягчения (от 60—70 до более чем 140 °С) и
цвету (от соломенно-желтого до темно-коричневого).
В дорожном строительстве нашли применение как светлые, так и
темные инден-кумароновые смолы, пластифицированные антрацено­
вым, талловым маслами, экстрактами селективной очистки нефтяных
масляных фракций, смолой пиролиза нефтяных фракций и др. Светлые
смолы применяют для производства цветных пластбетонов [20].
На тех предприятиях, где получают смолы пиролиза, имеется дру­
гой побочный продукт — фенольные смолы. Полимеризацией пиролиз­
ной и фенольной смол при 160—170 °С получено дорожное вяжущее,
названное пирофеном. Оптимальное содержание фенольной смолы в
6в З а к . 1743
165
этом вяжущем лежит в пределах 5— 15%, длительность реакции 60—
65 мин.
Свойства вяжущего, полученного при добавке 5 и 15% фенольной
смолы к смоле пиролиза, соответственно следующие: глубина проника­
ния иглы при 25° С — 141 и 203, глубина проникания иглы при 0°С—
24 и 32; температура размягчения 30 и 25 °С; температура хрупко­
с т и — 14 и — 16 °С, растяжимость при 25 °С более 100 см. Пластбетоны с применением такого вяжущего дают высокие показатели проч­
ности на сжатие при 20 °С (более 8 М Па)'и при 50 °С (около 3 МПа),
коэффициент водостойкости близок к 1, а'прочность при изгибе 5,7—
6,6 МПа при 10 °С [20].
Кубовые остатки производства синтетических жирных кислот
(КОСЖК) могут быть использованы как анионная добавка к вязким
битумам в количестве 3—5% , а такж е как добавка, улучшающая рео­
логические свойства при введении в окисляемый гудрон в количестве
10—30%.
Разработан технологический режим получения полимеризата из ку­
бовых остатков производства синтетических жирных кислот их окисле­
нием. Полимеризат имеет хорошую адгезию к каменным материалам,
хорошо совмещается с битумами. Он обладает следующими свойства­
ми: глубина проникания иглы при 25 °С 15—25, температура размяг­
чения 60—65 °С, растяжимость при 25 °С до 15 см, температура хруп­
кости около —5 °С. Вследствие высокой вязкости полимеризат нельзя
использовать как самостоятельное вяжущее, но введение его в битум в
количестве 40—65% (в зависимости от вязкости бутума) дает вяжущее
с повышенной температурой размягчения, более широким интервалом
пластичности и значительно более высокими адгезионными свойствами.
Асфальтобетоны, полученные с применением битума, содержащего по­
лимеризат, имеют повышенную водо- и теплостойкость, деформативность при низких температурах. Асфальтобетонные смеси лучше уплот­
няются. Расход вяжущего снижается на 10— 15% [5].
Рекомендовано использовать в дорожном строительстве для устрой­
ства оснований отбеливающие земли, накапливающиеся на нефтепере­
рабатывающих предприятиях в процессах очистки масляных фракций.
Эти земли содержат значительные количества адсорбированных смо­
листых веществ и масел (до 50%).
Кислые гудроны представляют собой черную вязкую массу, образо­
вавшуюся в процессе очистки нефтяных масляных фракций (трансфор­
маторных, белых, фреоновых масел) концентрированной серной'кислотой для удаления смолистых веществ. Кислые гудроны являются отхо­
дом производства на нефтеперерабатывающих заводах, работающих по
старой технологической схеме (на территории РСФСР таких Н П З име­
ется три). В целях очистки территории заводов от этих отходов, слива­
емых в пруды-отстойники, охраны окружающей среды в 30-е годы пред­
принимались попытки использовать кислые гудроны в качестве котель­
ного топлива или дорожного вяжущего. Однако все предложения в этих
направлениях не получили развития по двум причинам: из-за содержа­
ния в кислом гудроне больших количеств серной кислоты, вызываю­
щих коррозию аппаратуры, и низкого качества выделяемого из них
166
топлива или вяжущего. Кислые гудроны текущего выпуска имеют не­
большую вязкость и содержат значительное количество концентриро­
ванной серной кислоты (до 50%). Содержание в кислых гудронах орга­
нических веществ, включая масляные компоненты, составляет 35—
50%, в том числе масел 12—15%, воды 3— 10%. После слива кисло«
го гудрона в пруды-отстойники его вязкость значительно возрастает,
он становится почти твердым, обводняется, а часть серной кислоты
вымывается дождями и снегом.
Основной способ утилизации кислого гудрона заключается в нейт­
рализации серной кислоты известью с последующим удалением воды.
Однако нейтрализованный гудрон не отличается удовлетворительными
свойствами как вяжущий материал. Его используют как компонент до­
рожного битума, но не улучшающий качество, а скорее, как добавку,
позволяющую увеличить выход битума.
6.3. ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО
РАЗЛОЖ ЕНИЯ ТВЁРДЫХ ГОРЮ ЧИХ ИСКОПАЕМЫХ
Из побочных продуктов коксохимических производств в дорожном
строительстве нашли применение кубовые остатки ректификации сыро­
го бензола, полимеры бензольного отделения, углеводородная смола,
кислые смолы, фусы.
На разных коксохимических предприятиях эти побочные продукты
могут иметь несколько различающиеся характеристики, тем не менее
им присущи в целом общие свойства.
Кубовые остатки ректификации сырого бензола представляют собой
вязкую жидкость (вязкость Сзо от 20 до 100 с). Они содержат до 16%
фракций, отгоняющихся до 270 °С, и не более 25% фракций, отгоняю­
щихся до 300 °С. После отбора этих фракций температура размягчения
остатка составляет 15—20°С. Содержание веществ, нерастворимых в то­
луоле, может достигать 20%, фенолов до 4% , нафталина до 5—6% ,
золы до 7 %, воды до 1 %. Этот продукт может служить для пластифика­
ции каменноугольного пека с целью получения вяжущего, для разжи­
жения вязких нефтяных битумов, в качестве добавки при окислении неф­
тяных гудронов (не более 30% ), а такж е для пластификации серы в ко­
личестве до 50% от ее массы с целью получения дорожного вяжущего.
Если в кубовые остатки ректификации бензола добавить 7— 13%
элементарной серы и массу нагревать при 120— 140°С в течение 2 ч
при непрерывном перемешивании, то получают дорожное вяжущее,
пригодное для производства холодного дегтебетона.
Полимеры бензольного отделения образуются в процессе регенера­
ции поглотительного масла при улавливании бензола и предста ляют
собой продукты полимеризации масла в смеси с его высококипящими
фракциями. Этот побочный продукт имеет плотность 1,19— 1,24 г/см3,
вязкость Сзо » 1 5 с , температуру размягчения 50—80° С, при фрак­
ционной разгонке до температуры 170°С отделяется всего не более
2% , до температуры 270 °С— не более 10%, а до 300 °С — около
25—30%.
167
Полимеры бензольного отделения можно использовать в качестве
компонента вяжущего при укреплении грунтов, малопрочных камен­
ных материалов, в качестве добавки к каменноугольным дорожным
дегтям и битумам, добавки при окислении гудрона в битум в количест­
ве 5— 10%.
Полимеры бензольного отделения использовали для приготовления
дорожных вяжущих путем совместного окисления их с каменноуголь­
ной смолой в соотношении 60:40« Окислением при 150 °С в течение 4 ч
получают вяжущее с характеристиками, аналогичными свойствам вяз­
кого битума (например, глубина проникания 62—69 при 25°С, темпера­
тура размягчения 42—46 °С, температура хрупкости — 12-;— 14°С,
растяжимость 83—89 см при 25° С).
Пластбетоны на таких вяжущих имеют предел прочности при сжа­
тии при 20 °С 2,2—2,8 МПа, а при 50 °С 1,0— 1,2 МПа, водонасыщение
3—3,5% и набухание до 2,0% .
В процессе ректификации каменноугольных масел в виде донного
продукта образуется углеводородная смола. Она может быть исполь­
зована в качестве компонента вяжущих для дорожного строительства
при смешении с нефтяным гудроном, каменноугольными дегтями и смо­
лами. Донный продукт содержит более 70% этой смолы. Смола углево­
дородная, отпускаемая дорожным организациям, имеет глубину про­
никания иглы при 25 °С в пределах 20—60, содержит нафталина не бо­
лее 8% и водорастворимых веществ не более 2% . В ее состав входят в
основном компоненты инден-кумароновой смолы (инден, кумарон,
стирол). Температура вспышки ее выше 185 °С.
Смола углеводородформальдегидная является побочным продук­
том производства нафталина формальдегидной очисткой. Она представ­
ляет собой смесь продуктов конденсации формальдегида с нафталином
и его примесями, относится к олигомерным продуктам и может быть
использована как самостоятельное вяжущее в дорожном строительстве.
Смола имеет плотность 1,15— 1,18 г/см3 при 20°С, вязкость С£ 8 = (45 -44- 200) с, содержит нафталина не более 8— 10% и водорастворимых
соединений до 3% . Продукт, отпускаемый дорожным организациям,
содержит не менее 70% углеводородформальдегидной смолы. Тем­
пература вспышки ее свыше 140°С. Она хорошо прилипает к минераль­
ным материалам.
Пластбетоны, полученные с использованием углеводородформаль­
дегидной смолы, характеризуются свойствами, аналогичными для
горячих и теплых асфальтобетонов. Особенностью их является ус­
тойчивость к воздействию горюче-смазочных материалов. Приготов­
ление пластбетонной смеси необходимо вести при температуре не
выше 120 °С, а уплотнение — при 65—80 °С. Углеводородформальдегидную смолу можно применять также в смесях с нефтяным битумом,
кумароновой смолой, каменноугольным пеком.
Свойства пластбетонов, полученных с использованием углеводород­
формальдегидной смолы, следующие: пластбетоны мелкорезнистый
типа В и песчаный типа Г показывают соответственно: предел прочно­
сти при сжатии 6—8 МПа и около 5,5 МПа при 20°С, а при 0°С около
18—20 и 16— 17 МПа, коэффициент водостойкости составляет 0,93—0,96.
168
Пластбетои на углеводородформальдегидной смоле подчиняется зако­
номерностям, присущим асфальтобетонам. Однако он обладает высо­
кой стойкостью к воздействию жидких топлив и смазочных материа­
лов. После 7 сут выдерживания в автомобильном бензине снижение
прочности такого пластбетона не превышает 20%. Снижение прочности
пластбетонов в керосине или маслах мало и может не приниматься во
внимание [51.
Антраценовая смола, получаемая из второй антраценовой фрак­
ции каменноугольной смолы при производстве электродного пека,
может быть переработана в дорожную смолу окислением при 290—
320 °С. Антраценовые смолы в зависимости от длительности термоокис­
лительной обработки могут дать дорожные вяжущие с вязкостью С38=
(54- 200) с и С|8 = (Ю ч- 200) с.
Смеси дорожных антраценовых смол с минеральными материалами
соответствующего состава обладают свойствами, близкими к асфаль­
тобетонным смесям (горячим, теплым, холодным). Эти смолы могут
быть использованы как добавка к битуму в количестве 7— 10%, зна­
чительно улучшая его адгезионные свойства.
Кислые смолки сульфатных отделений образуются при улавлива­
нии серной кислотой аммиака из газообразных продуктов коксования.
Они представляют собой смесь каменноугольной смолы, выделяющей­
ся из коксового газа, и продуктов полимеризации непредельных соеди­
нений, образовавшихся при коксовании.
Кислые смолки имеют примерно следующие характеристики: плот­
ность 1,24— 1,26 г/см 3 при 20° С, содержание воды 20—25% , содержа­
ние свободной серной кислоты около 5% . После нейтрализации (ам­
миачной водой) вязкость Сзо = (20-^30) с, содержание фракций, отго­
няющихся до 270 °С, составляет примерно 15%, а до 300 °С — менее
10%, температура размягчения остатка от разгонки более 45°С, содер­
жание веществ, нерастворимых в толуоле, 20—30% , содержание золы
до 2% , сульфата аммония до 45%. После нейтрализации кислые смол­
ки используют для укрепления грунтов и малопрочных каменных ма­
териалов, устройства оснований, а также в качестве компонента с дру­
гими вяжущими.
Кислые смолки цеха ректификации образуются при очистке сер­
ной кислотой фракций каменноугольной смолы и могут быть исполь­
зованы только после нейтрализации серной кислоты. Плотность этого
отхода составляет 1,22— 1,24 г/см 3 при 20 °С, содержание влаги 16—
20% , кислоты 25—30%, золы до 0,3% , вязкость Сз§ более 20 с,
количество фракций, отгоняющихся до270°С , составляет менее 10%,
а до 300 °С—менее 20%, температура размягчения остатка от разгонки
около 45 °С. Кислые смолки после нейтрализации применяют для ук­
репления грунтов и малопрочных каменных материалов, устройства
оснований, а также в качестве компонента с другими вяжущими.
Фусы каменноугольные образуются в процессе отстаивания камен­
ноугольной смолы в хранилищах и содержат 50—80% смолы, уголь­
ную и коксовую пыль, механические примеси. Фусы используют для
устройства оснований, укрепления грунтов и малопрочных каменных
материалов.
169
Фусы сланцевые представляют собой смесь тяжелой сланцевой смо­
лы, воды (6— 10%), сланцевой пыли, золы и механических примесей,
Фусы могут содержать до 90% тяжелой сланцевой смолы.
Фусы сланцеперерабатывающих заводов собирают в специальные
хранилища, где они расслаиваются. В верхнем слое, составляющем до
40% общей массы, остаются фусы, содержащие 80—90% тяжелой слан­
цевой смолы, в среднем слое содержание смолы меньше — от 40
до 80%, а в нижнем слое — всего 5—40%.
Фусы верхнего слоя могут быть использованы так же, как тяжелая
сланцевая смола (см. гл.5), фусы среднего и нижнего слоев — при ук­
реплении грунтов, обеспыливании низших категорий дорог.
Смолы полукоксования каменных углей могут быть использованы в
дорожном строительстве как компоненты вяжущих. Ж идкая смола,
например, Черемховских углей имеет следующие показатели: плот­
ность 0,968—0,970 г/см3, начало кипения 230—240 °С. При 232 °С вы­
кипает 10%, при 262 °С — 50%, а при 329° С — 90%, конец кипения
при 340°С.
Содержание фенолов в смоле очень велико (30%), поэтому приме­
нение ее непосредственно в дорожном строительстве не может дать по­
ложительных результатов. Смола полукоксования может быть исполь­
зована для термопластификации углей, в том числе сапропелитов, а
также сланцев.
6.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ПРОИЗВОДСТВА
СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ВЕЩЕСТВ
Синтетические полимерные вещества — это смолы, каучуки, волок­
на. Основными видами сырья для их производства служат нефть и
уголь. Из них получают исходные вещества мономеры, молекулы ко­
торых могут объединяться друг с другом, образуя полимеры.
Мономеры имеют строго определенные для каждого из них неболь­
шую молекулярную массу и физико-химические свойства. От других
веществ их отличает то, что они реакционноспособны и могут соеди­
няться друг с другом или другими молекулами, образуя полимеры.
Полимерные вещества состоят из гигантских молекул, включающих
тысячи и десятки тысяч мелких молекул (мономеров), соединенных
между собой. Полимеры в отличие от мономеров представляют слож­
ную смесь соединений, отличающихся размером молекул. Степень по­
лимеризации зависит от условий реакции образования полимера —
температуры, давления, щелочности или кислотности среды, вида ка­
тализатора. Степень полимеризации оказывает значительное влияние
на свойства высокомолекулярного соединения. Сравнительно низко­
молекулярные полимеры имеют большей частью жидкую консистен­
цию.
Синтетические полимерные вещества образуются в результате поли­
меризации или поликонденсации. При полимеризации мономера или
сополимеризации (двух разных мономеров) не происходит выделения
побочных веществ, а при поликонденсации мономера или двух разных
мономеров образуются эти вещества (вода, галоидоводороды и др.).
170
В современной химической технологии оба эти вида реакций
используют для получения синтетических смол, каучуков, волокон.
Так, при полимеризации этилена получают полиэтилен, который в за ­
висимости от условий процесса может быть относительно низкомоле­
кулярным, воскообразным или высокомолекулярным, очень прочным
и гибким.
При полимеризации изобутилена получают полиизобутилен, ко­
торый при малой степени полимеризации дает ценные добавки к неф­
тяным смазочным маслам, а при высокой степени полимеризации —
каучукоподобный материал.
При поликонденсации многоатомных спиртов и многоосновных кис­
лот получают алкидные смолы, одним из представителей которых яв­
ляется лавсан, образующийся из этиленгликоля и терефталевой кис­
лоты и служащий для производства синтетического волокна.
Подразделение синтетических полимерных веществ на смолы, каучуки и волокнистые материалы достаточно условно. Резкой грани меж­
ду ними нет. Синтетические смолы - высокополимерные соединения,
которые в зависимости от поведения при воздействии тепла разде­
ляют на термореактивные, термопластичные и термостабильные.
Термореактивные смолы при нагревании легко переходят в вязко­
текучее состояние, но с увеличением длительности действия повышен­
ных температур и в результате химической реакции они необратимо
переходят в твердое нерастворимое состояние. К таким смолам отно­
сятся, например, фенольно-формальдегидные и мочевино-альдегидные.
Термопластичные смолы (полиэтилен, полистирол, поливинил­
хлорид) при нагревании приобретают пластичность, а при охлаждении
вновь возвращаются в первоначальное состояние.
Термостабильные смолы при нагревании не переходят в пластич­
ное состояние и физические свойства их мало изменяются до темпера­
туры термического разложения. К ним относятся, например, поли­
эфирные смолы, политетрафторэтилен.
Каучуками считают высокомолекулярные соединения, обладающие
способностью к вулканизации, в результате которой образуется рези­
на. Эти материалы отличаются низким модулем упругости и высокой
растяжимостью — от 2,5 до 2000%. Вулканизацию каучуков произ­
водят обработкой серой, в результате чего они превращаются в упр у­
гий материал — резину. Вулканизация обусловлена образованием
мостикоподобных связей между отдельными звеньями или цепями мо­
лекул, что приводит к утрате пластичности и образованию твердых вулканизатов (эбонита).
Продукты низкотемпературной полимеризации изобутилена —
полиизобутилены, во всем напоминая каучук, лишены способности
вулканизации. Это объясняется отсутствием двойных связей в поли­
мерных молекулах. Полиизобутилен приобретает способность к вул­
канизации при наличии хотя бы небольшой непределыюсти (наличия
двойных связей). Это достигается добавкой к изобутилену нри|полимеризации 2—3% диена (соединения с тройными связями). Получающие­
ся при этом продукты — бутилкаучуки обладают в вулканизованном
171
виде рядом очень ценных свойств: они малопроницаемы для газов, ма­
ло стареют, не разрушаются под действием ультрафиолетовых лучей,
почти инертны в отношении кислот. При нагревании каучука проис­
ходит его деполимеризация, приводящая к выделению мономера.
Синтетические волокна получают из полимеров, которые при оп­
ределенной степени полимеризации способны вытягиваться в нити.
Так, например, при степени полимеризации1 полиоксидекановой кис­
лоты менее 40 и молекулярной массе полимера менее 7000 нити из по­
лимера не образуются, при степени полимеризации 50—70 и молеку­
лярной массе 9000— 12000 из полимера образуются малопрочные нити,
а при степени полимеризации выше 70 и молекулярной массе более
12 000 образуются прочные эластичные нити.
Олигомерны е добавки
При производстве полимерных продуктов из мономеров могут по­
лучаться и олигомерные вещества, занимающие промежуточное по­
ложение между полимерами и мономерами. Олигомеры имеют относи­
тельно невысокую молекулярную массу, как правило, жидкую консис­
тенцию, что обеспечивает им технологические преимущества по срав­
нению с полимерами, которые при использовании в дорожном строи­
тельстве требуют предварительного растворения. Использование спо­
собности ряда олигомеров к частичной полимеризации при воздействии
относительно невысоких температур, обычных для процесса приготов­
ления асфальтобетонных смесей, обусловливает возможность осуществ­
ления простой и эффективной технологии производства олигомербитумных вяжущих, заключающейся во введении жидкого олигомера в
битум и выдержки этой смеси в течение времени, необходимого для по­
лимеризации олигомера.
Олигомеры, как правило, хорошо совмещаются с битумами. П о­
скольку битумы имеют относительно непрерывный спектр распреде­
ления молекулярных масс компонентов, то введение в них полимеров
с молекулярной массой порядка сотен тысяч единиц приводит к нару­
шению указанного спектра и снижению стабильности структуры вя­
жущего. Введение ж е олигомеров с последующей их частичной поли­
меризацией в составе битума способствует получению практически не­
прерывного спектра молекулярных масс и, следовательно, вяжущего
с большей стабильностью.
В качестве таких добавок к битумам можно использовать олигоме­
ры олефинов с молекулярной массой 500— 2000. Продолжительность
перемешивания битума с олигомером 5—30 мин. Так, например, при
введении в вязкий окисленный битум с глубиной проникания 52 при
25° С жидкого олигомера пропилена с молекулярной массой 740—900,
вязкостью 5,0—7,0 Па • с при 100° С и температурой вспышки 190° С
в количестве 10% перемешивание производили в течение 5 мин при
163— 190° С. Полученное вяжущее имело глубину проникания 73 при
1 Степень пол им ери заци и опр еделяется как отнош ение м олекулярной массы
полимера к м олек уля рн ой массе и сходн ого мономера.
172
25° С, а температуру размягчения на 6° С выше, чем у Исходного биту­
ма.
В результате введения в битум с глубиной проникания 152 при
25° С олигомера изобутилена (10%) с молекулярной массой 730 с по­
следующим перемешиванием при 204 °С и выдерживанием в течение
30 мин при 163° С получено вяжущее с глубиной проникания 220 при
25' С, имеющие значительно более широкий интервал пластичности,
чем исходный битум.
Технологические преимущества, достигаемые при модификации
битумов олигомерами, обеспечиваются и при введении в битум моно­
меров при обязательном добавлении ускорителей полимеризации. Для
этой цели могут быть использованы мономеры группы диенов: бутади­
ен, стирол, пентадиен и др.
Д ля модификации битумов можно применять не только мономеры
или олигомеры, но и некоторые побочные продукты производства син­
тетических каучуков и полимеров. Известен опыт введения в битум ку­
бовых остатков ректификации стирола (коре), представляющих собой
смесь продуктов различной степени полимеризации стирола (в основ­
ном олигомерных).
Выдерживание смеси коре с битумом при повышенных температу­
рах способствует развитию процессов полимеризации стирола и его
олигомеров, одновременно происходит испарение растворителя, ко­
торый присутствует в поставляемом промышленностью товарном Кор­
ее, причем наблюдается рост вязкости получаемого дорожного вяжу­
щего. Оптимальная температура полимеризации 100— 150° С, что ха­
рактерно для технологического процесса приготовления асфальтобе­
тонных смесей. В результате во время пребывания битума в горячем
состоянии (5—6 ч) происходит существенная модификация свойств
битума, увеличивается растяжимость вяжущего при 0° С и скорости
растяжения 50 мм/мин, а также интервал пластичности, снижается
ударная хрупкость материала. Показатели свойств битума с добавка­
ми коре приведены в табл. 6.1.
Асфальтобетоны, полученные с применением битума, модифици­
рованного коре, имеют повышенную прочность и вязкость при вы­
соких эксплуатационных температурах, улучшенные показатели у с­
талости при многократном динамическом деформировании. В началь­
ный период асфальтобетонная смесь имеет большую пластичность и
соответственно лучшую удобоукладываемость и уплотняемость. Коэф­
фициент сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием на 15—
20% выше при использовании добавки коре в битум по сравнению с
тем же показателем при применении битума без добавки.
В качестве олигомерных добавок могут быть использованы некото­
рые виды жидких каучуков, как, например, дивинилпипериленовып
(СКДПН), дивинилкарбоксилатный,
дивинилакрилонитрильный и
ряд других. Эти жидкие каучуки вырабатывают из недефицитного
сырья, они могут быть доступны для дорожных организаций.
Олигомерные каучуки можно вводить в битум в количестве 2— 15%
по массе. После перемешивания при 150° С в течение 3—5 мин и вы­
держивания при этой температуре до требуемой степени полимериза173
Т а б л и ц а 6.1
Состав вяж ущ его (
битум
)> % по массе
коре
П о к а за т ел и
1 0 0
94
90
8 6
80
94
90
86
80
0
6
10
14
20
6
1 0
14
2 0
П осле прогрева 8 ч
при 9 0 °С
Д о прогрева
Глубина
проникания
иглы при 25° С
Растяж имость при
0° С
и
скорости
50 мм/мин, см
Температура
разм яг­
чения, °С
Интервал
пластично­
сти, 0 °С
Ударная хрупкость, °С
Вязкость при
25° С,
М П а -с
Вязкость при
60° С,
П а 'С
М одуль
деформации
при 0° С и длительности
0,02 с, М П а
М одуль
деформации
при — 20° С и длительно­
сти 10 с, М Па
58
192
247
300
300
89
150
173
211
3
11
11
12
15
8
10
12
16
50
42
38
37
34
48
43
40
39
63
—5
70
70
71
70
—
68
— 10
67
—
—
—
70
—
— 10
— 10
— 10
0 ,1 8
0 ,0 3
0 ,0 8
0 ,0 3
0 ,0 1 5
0 ,0 1 2
300
150
80
70
50
300
150
80
80
400
60
40
30
1 ,5
120
50
80
40
19
0 ,8
0 ,3
3 ,2
0 ,1
6
0 ,9
0 ,9
0 ,4
0 ,0 1 0,0 0 8 0 ,0 0 5
ции (5—8 ч) получают олигомербитумное вяжущее, отличающееся вы­
сокой растяжимостью при 0° С, низкой температурой хрупкости и ши­
роким интервалом пластичности (табл. 6.2).
Асфальтобетон, полученный с использованием олигомербитумного вяжущего, имеет на 10—20% выше прочность на сжатие при 50° С,
более низкую прочность на сжатие при 0°С, чем асфальтобетон, пригоТаблица
6.2
С ост ав в я ж у щ е г о , % п о м а с с е
П о к а за т ел и
Б и т ум
Глубина проникания иг­
лы при 25° С
То ж е, при 0° С
Р астяж имость при 0° С,
см
Температура
размягче­
ния, °С
Температура
хрупкости,
°С
И нтервал
пластичности,
°С
174
Б и тум -98,
С К Д П Н -2
Б и ту м -9 5 ,
С К Д П Н -5
Б и тум -90,
С К Д П Н -1 0
65
—
130
30
136
35
162
48
1
34
40
46
46
46
45
43
— 10
— 20
— 25
— 29
70
72
56
66
товленный на битуме, что свидетельствует о большой трещиностойко­
сти такого асфальтобетона. Асфальтобетонные смеси на олигомербитумном вяжущем отличаются лучшей удобоукладываемостью и уплотняемостыо. Повышается производительность оборудования при приго­
товлении и укладке смесей, продлевается строительный сезон.
Исследования, проведенные с целью разработки наиболее эффектив­
ной технологии строительства асфальтобетонных покрытий, показали,
что в качестве олигомерных добавок могут быть использованы дивинилпипериленовый, дивинилкарбоксилатный, дивинилакрилонитрильный или дивинил-карбоксилатно-акрилонитрильный жидкий каучуки, а также продукты, содержащие олигомеры стирола. Введение в
асфальтобетонную смесь в процессе ее приготовления добавок дивинилпипериленового каучука СКДПН позволяет за счет последующей
полимеризации в битуме на стадиях приготовления, транспортирова­
ния, укладки и уплотнения смеси в процессе строительства асфальто­
бетонного покрытия обеспечить повышение деформатнвных и прочност­
ных характеристик слоя покрытия. Регулирование степени полимери­
зации олигомера достигается введением добавок-инициаторов, а так­
же изменением температуры смеси и продолжительности прогрева.
Влияние добавок олигомерного каучука и инициатора на свойства би­
тума БН 60/90 показано в табл. 6.3. Модификация битумов олигомера­
ми с введением инициаторов позволяет улучшать качество вяжущих
и соответственно асфальтобетонов. Это показано в табл. 6.4: состав № 1
на битуме БН 60/90, № 2 на битуме БН 6 0 /9 0 + 10% СКН-10-1А, № 3
на битуме БН 60/90 + 10%СКДПН, № 4 на битуме БН 130/200 +
+ 10% СКДПН+ 0,5% инициатора.
Введение мономеров или олигомеров в гудрон или каменноуголь­
ную смолу с перемешиванием и выдерживанием при 80— 150° С в те­
чение времени, достаточного для протекания реакций полимеризации,
позволяет избежать трудностей, связанных с измельчением и растворе-
Г л у б и н а п р он и к ан и я
при
С остав в я ж у щ ег о
25° С
Б + 1 % О К + 0 ,0 1 % И
Б + 1 0 % О К + 0 ,1 5 И
Б+15% ОК+ОЛ5И
Б + 2 0 % О К + 0 ,0 2 % И
Б + 1 % О К + 0 ,0 3 % И
Б + Ю ° /о О К + 0 ,3 % И
Б + 1 5 %О К + 0 , 4 5 %И
Б + 20% О К + О ,6% и
Б + 1 %О К + 0,05 %И
Б + 10% О К + О ,5% и
Б +1 5% О К + О ,7 5% и
Б + 2 0 % О К + 1 ,0 % И
П рим ечание.
76
92
90
86
78
87
83
84
73
70
71
72
0
Т е м п е р а т у р а , °С
Р астяж и­
м о ст ь при
0 ° С , см
°С
26
28
31
36
27
39
43
44
28
45
87
35
4,5
15,0
15,5
16,5
5,0
8,5
10,0
15,0
6,0
10,0
12,0
15,0
р а зм я г­
чения
хрупкости
50
52
56
62
51
57
63
67
52
60
71
98
—24
-2 5
-27
—30
—25
—30
—33
—33
— 26
-29
-3 5
— 35
6.3
И нтервал
пласти чн ости ,
°С
Таблица
74
77
83
92
76
87
9(1
102
78
89
106
133
Б — би тум ; О К — ол и гом ер н ы й к ауч ук ; И — ини ц и атор.
175
Таблица
6.4
Н ом ер со с т а в а а сф а л ь т о б ет о н а
П о к а за т ел и
1
Плотность, г/см 3
Водонасыщ ение, % по объему
Н абухание, % по объем у
П редел прочности при сжатии, М П а,
при:
0°С
20° С
20° С водонасыщенных
50° С
Коэффициент водостойкости
Вязкость при 20° С, М П а-с
М одуль упругости при 20° С, М Па
П редел прочности при изгибе при
20° С, М Па
Пластичность при 20° С
2
3
4
2 ,3 5
2 ,2 2
0 ,1 2
2 ,3 5
1,80
0 ,0 8
2 ,3 5
2 ,1 4
0 ,1 0
2 ,4 0
1,07
0 ,0 3
7 ,9
3 ,3
3 ,0
1,1
0 ,9 0
50
1900
6 ,6
3 ,3
3,1
1,2
0 ,9 2
370
1490
5 ,4
3 ,1
2 ,9
1,1
0 ,9 3
720
2130
6 ,9
3 ,3
3 ,3
1 ,7
0 ,9 9
657
2030
3 ,0
0 ,5 2
2 ,6
0 ,4 9
3 ,9
0 ,4 7
3 ,7
0 ,4 8
нием полимерных смол перед их введением в битум, гудрон или камен­
ноугольную смолу.
В качестве жидких олигомерных продуктов можно использовать
производные олефиновых углеводородов пропилена, бутилена со
средней молекулярной массой 500— 2000, вводимых в битум или гуд­
рон в количестве 5—35%.
Добавки синтетических смол
Улучшение свойств нефтяных битумов и каменноугольных смол
и дегтей синтетическими смолами получило развитие в последнее де­
сятилетие. С этой целью используют побочные продукты производства
полиэтилена (низкомолекулярный полиэтилен), поливинилхлорида
(фильтрационный кек), полистирола (отсевы). Введение этих полиме­
ров в количестве 1,5— 3% достаточно для значительного улучшения
качества битума или дегтя.
В основе модификации свойств битумов или дегтей добавками поли­
меров лежит процесс структурообразования. Формирование структуры
полимера в битуме, а следовательно, и изменение свойств битума или
дегтя зависят от степени распределения молекул полимера в битуме
или дегте и являются функцией трех факторов — молекулярной мас­
сы полимера, содержания асфальтенов в битуме или веществ, нераство­
римых в толуоле (для дегтя), содержания соответствующих растворяю­
щих компонентов в масляной фракции битума или масел в дегте. Н аи­
большее влияние оказывает введение полимеров на свойства менее вяз­
ких битумов и дегтей, а оптимальными условиями приготовления поли­
мер битумных вяжущих является температура 130— 150° С в течение
1,5 ч при энергичном перемешивании. Улучшение свойств каменно176
Т аблица
6. 5
К о л и ч ес т в о п оли м ера в б и т у м е. %
10
Интервал I
тичности, '
Глубина п р о н и ­
кания иглы при
25° С
60
88
99
67
68
55
74
40
23
73
_
_
_
_
63
81
51
53
—35
— 25
— 18
— 19
98
106
69
72
79
24
15
83
58
— 32
90
29
59
-3 3
92
28
79
— 22
100
32
86
— 25
111
24
.
О
л
= О.
С о
§ !
С£
И нтервал
т и ч н о сти ,
О
«3
хрупкос­
ти
хруп к ос­
ти
— 10
-2 6
— 27
-1 6
— 18
°с
р азм я г­
чения
р а зм я г­
чения
Битум без добавки
Полиэтилен П Э-1000
Полиэтилен П Э -19000
П оливинилацетат
Полиэтиленгликоль
Сополимер этилена с ви­
ниловым спиртом (20% )
Сополимер этилена с винилацетатом (10% )
Т ем п ер а т у р а ,
°С
50
62
72
51
50
Т ем п ер а т у р а ,
В и д п ол и м ер а
Л з
к ~
о
>> X о
^ ЯЗЮ
. £ сч
угольных смол н дегтей добавками отходов поливинилхлорида кратко
изложено в гл. 4. Здесь приведены некоторые данные по улучшению
свойств битума добавками полиэтилена и некоторых его производных.
Влияние добавок этих полимеров на свойства битумов приведены в
табл. 6.5.
Прочность при сдвиге в результате введения в битум добавок сопо­
лимеров, содержащих полярные группы, повышается в 3—6 раз и мо­
жет достигать 2,5—3,0 МПа (по сравнению с битумом, для которого
прочность при сдвиге составляет 0,8 МПа), тогда как при введении в
битум самого полиэтилена прочность при сдвиге полученного вяжущего
уменьшается почти вдвое.
Побочным продуктом производства полистирола является полистирольная пыль. При введении ее в битум в количестве 3% снижают­
ся вязкость битума и его температура размягчения, значительно воз­
растает растяжимость при 0° С. Асфальтобетоны, содержащие битум,
модифицированный полистирольиой пылью, лучше уплотняются и
более пластичны при отрицательных температурах.
Для получения комплексных вяжущих предложено применять фурановые смолы вследствие их сравнительно невысокой стоимости.
Наиболее доступными являются фурфурол-ацетоновый мономер
ФА (1:1) и его модификация ФАМ (1,5:1), отвердителями смол служат
бензолсульфокислоты (15—25% от массы смолы), керосиновый кон­
такт Петрова (25—35%), серная кислота. Эти мономеры представляют
собой жидкости от желтого до темно-коричневого цвета. Мономеры ФА
и ФАМ применяли для получения вяжущих, совмещая их со сланцевой
смолой или жидким сланцевым битумом (оптимальное содержание ФА
и ФАМ составляет 50%) [11].
Пластбетоны на таких вяжущих имели следующие характеристи­
ки: предел прочности при сжатии 30 МПа при 20° С, 19— 20 МПа при
177
50° С, коэффициент водостойкости 0,81—0,82, модуль упругости при
изгибе 4 ,3 -Ю3— 4,6-ТО3 МПа при 20° С.
Карбамидоформальдегидную смолу с добавкой 30%-ного раствора
сульфата окисного железа в качестве отвердителя (твердение за 3,0—
3,5 ч) применяли в сочетании с высококонцентрированной сланце­
вой эмульсией для приготовления пластбетона, рекомендованного при
строительстве покрытий и других слоев на дорогах III и IV категорий.
Синтетические смолы применяют в незначительных количествах
для укрепления грунтов. Однако эти работы ограничены ввиду высо­
кой стоимости и дефицита смол для такой крупной области примене­
ния, как дорожное строительство.
Синтетические полимеры вводят в грунт в небольших количествах —
всего 1—-3% , а иногда и менее 1% от массы грунта.
В настоящее время исследована и проведена в опытном строитель­
стве возможность использования для укрепления различных грунтов —
смол фурфурол-анилиновых, карбамидных, инден-алкилароматических, резорцин-формальдегидных, производных поливинилового спир­
та, акрилатов.
Фурфурольные смолы получают из фурфурола, сырьем для произ­
водства которого служат растительные остатки (стебли початков ку­
курузы, подсолнуха, хлопка, а также древесина).
Известно применение фурфурол-анилиновой смолы, образующейся
при конденсации фурфурола с аналином при обычной температуре.
Смола термопластична. При введении в грунт в количестве 1— 2%
она придает ему достаточную прочность в водонасыщенном состоянии.
Фурфурол и анилин рекомендуется вводить в грунт раздельно при
соотношении между ними 1 : 2 — 1 : 3 .
Для укрепления грунтов используют карбамидные смолы, которые
получают из недефицитного сырья. Их стоимость значительно ниже,
чем других синтетических смол. Они являются продуктами конденса­
ции карбамида (мочевины) с формальдегидом и его производными. Карб­
амидные смолы термореактивны. К числу пригодных для укрепления
грунтов смол относятся мочевиноформальдегидные, мочевинофурфуролформальдегидные, мочевиномеламиноформальдегидные [2].
Инден-алкилароматические смолы получают из продуктов вторич­
ной переработки нефти. Они термопластичны.
Резорцин-формальдегидная смола рекомендуется для укрепления
переувлажненных грунтов и в тех случаях, когда требуется обеспечить
достаточную прочность укрепленному грунту в короткий срок.
Для отверждения смолы используют щелочные или кислые реаген­
ты (молотую негашеную известь, силикат натрия, сульфат аммония,
соляную кислоту, контакт Петрова). Соотношение между резорцином
и формальдегидом составляет 1 : 1— 1 : 2 / расход’смолы 1—2% от мас­
сы грунта.
Для получения цветного пластбетона предложено применение пер­
хлорвинила (хлорированного поливинилхлорида). С этой целью пер­
хлорвинил пластифицировали сольвентом нефтяным или каменноуголь­
ным, бензолом, ксилолом или ацетоном (при соотношении 1 : 2 ) .
178
Объединением нагретых до 100" С минеральных материалов с х о ­
лодным вяжущим получали пластбетон, постепенно твердеющий в те­
чение 14—25 сут. Этот материал имел высокую прочность на сжатие
при 20° С (около 20 МПа) и при 50° С (более 10 МПа) и высокую водо­
стойкость [20].
Добавки каучуков
Имеется значительное количество работ, посвященных улучшению
свойств битумов добавками каучука. Синтетические каучуки увеличи­
вают растяжимость битумов, их ударную прочность, снижают темпе­
ратуру хрупкости, повышая теплостойкость. Разработаны три спосо­
ба введения каучука в битум: 1) смешение битума с небольшими (2—
5%) добавками каучука при температуре не выше 150° С и энергичном
перемешивании; 2) предварительное растворение каучука и объедине­
ние этого раствора с битумом; 3) введение латекса каучука в битум.
При введении каучука в битум необходимо строго соблюдать тем­
пературный режим. Излишне высокая температура перемешивания
влияет на свойства как битума, так и каучука. При интенсивном пере­
мешивании битума с каучуком под действием повышенных температур
(140—200° С) происходит разрыв молекул каучука, причем снижается
эффективность воздействия каучука на свойства битума. Чтобы избе­
жать этого, длительность и температура перемешивания битума с
каучуком должны быть ограничены. При температуре 130° С каучуко­
битумные смеси можно выдерживать не более 72 ч, при 160° С — не
более 12 ч, а при 200° С — не более 1 ч.
Одним из основных направлений исследований в настоящее время
является разработка способов введения каучука в битум, которые по­
зволили бы уменьшить деструкцию при нагреве и таким образом повы­
сить эффективность введения добавки. С этой целью разработаны спо­
собы введения каучука в виде растворов и латексов.
Предварительное растворение каучука в достаточно эффективном
и не слишком легком растворителе для получения раствора, хорошо
совмещающегося с битумом, является принципиально иной техноло­
гией введения каучука (или полимера) в битум. Этот способ не требует
работы при повышенных температурах и позволяет избежать деструк­
ции каучука.
Другим направлением является применение латексов (эмульсий)
каучука. Эффективным является введение 2— 3% латекса в маловяз­
кие битумы при температуре 80—90° С. Для этого можно использовать
хлоропреновые или дивинилстирольные латексы. Н е рекомендуется
применять латексы с кислой или нейтральной реакцией. С вязкими
битумами латексы совмещаются труднее.
При введении каучука в нефтяной гудрон при температуре 120° С
получают вязкие дорожные битумы с улучшенными реологическими
характеристиками. Свойства вяжущих, полученных из гудрона ромашкинской нефти (вязкость С|о = 269 с, температура размягчения
36° С) с добавкой 2 и 5% изопренстирольного (ИСТ-30) каучука, при­
ведены в табл. 6.6.
179
Т а б л и ц а 6.6
П ок азатели
Глубина проникания иглы:
при 25° С
» 0 °С
Температура размягчения, °С
»
хрупкости, °С
Интервал пластичности, °С
Условная вязкость С | 0 . с
Вязкость при 50° С, П а -с
»
» 20° С, П а -с
М одуль деформации, М П а (0,02 с при
0 °С )
Б итум Б Н Д
200/300
265
51
36
— 21
57
_
2 -1 0 2
2 -1 0 8
80
Г у д р о н +2%
к аучука
290
130
46
- 29
75
410
2 -1 03
2-10®
1
Г у д р о н +5%
каучука
242
102
77
— 29
106
500
—
—
_
Добавки каучука в количестве 2—3% рекомендуются для устрой­
ства покрытий дорог с умеренным движением, добавки каучука 5—
7% — для дорог с тяжелым интенсивным движением. Наблюдения по­
казали, что срок службы покрытий, построенных с использованием
каучукобитумных вяжущих возрастает примерно на 50%. Затраты,
связанные с введением добавок каучука в битум, увеличиваются на
20%, но они окупаются за счет увеличения сроков службы покрытий.
В ряде стран получило широкое распространение устройство слоев
поверхностной обработки с применением каучукобитумных вяжущих.
Положительным свойством этих вяжущих является меньшая чувст­
вительность слоев поверхностной обработки к колебаниям дозировки
при розливе вяжущего. При избытке битума покрытие не «потеет», при
недостатке — не выкрашивается.
В Австралии, например, на всех аэродромах с асфальтобетонным
покрытием поверхностную обработку ведут с применением каучуко­
битумных вяжущих.
Д ля улучшения свойств нефтяных битумов предложено вводить
дивинилстирольный термоэластопласт (ДСТ) в количестве 2% от
массы битума. Д ля этого ДСТ растворяли в сольвенте, ксилоле или
бензине при 100— 110° С для получения 15—20%-ного раствора.
Асфальтобетоны на таком вяжущем отличаются повышенной деформативной способностью, прочностью и теплостойкостью. Смеси
лучше укладываются и уплотняются. Однако процесс не технологичен
вследствие необходимости применять легколетучие, огнеопасные ра­
створители.
Разработан технологический режим модификации битума бутилкаучуком с целью получения мастик для дорожного и аэродромного
строительств (или герметизации швов) и устройства безрулонных кро­
вель. Состав мастик: 65—76% нефтяного битума, 7,6—8,5% бутилкаучука; 3—6% пластификатора (автол-18), 12— 17,5% наполнителя
(тальк). Бутилкаучук значительно расширяет интервал пластичности
вяжущего, повышая деформативные свойства мастики. Применение
каучукобитумных мастик получило широкое применение.
180
В США, Канаде, Австралии применяют специальные сорта каучуков для дорожного строительства. Битумы, модифицированные
добавками каучуков, применяют главным образом для устройства тон­
кослойных покрытий износа на асфальтобетонных дорожных одеждах.
Стоимость каучукобитумного вяжущего примерно на 50% выше
стоимости битума, срок службы дорожных покрытий возрастает в сред­
нем в 2 раза.
Вяжущие из отходов производства волокон
При производстве волокон лавсана образуются отходы при техноло­
гических операциях получения диметилтерефталата и полиэтилентерефталата. Это — кубовые остатки испарительной камеры (КОИК),
колонны многоцелевой дистилляции, процесса метанолиза и регене­
рации этнленгликоля при производстве полиэтилентерефталата.
Наибольшее распространение в настоящее время получили кубо­
вые остатки испарительной камеры (КОИК), которые представляют со­
бой смолистый темно-коричневый продукт, по консистенции близкий
к вязким нефтяным битумам (глубина проникания иглы 200—500 при
25° С и 70 при 0° С, температура размягчения 25—30° С, растяжимость
около 60 см при 25° С). Отход имеет неприятный специфический запах.
Без предварительной обработки его можно применять для укреп­
ления грунтов. Длительное нагревание его при 220—230° С позволяет
получить вяжущее с температурой размягчения около 42° С, глубиной
проникания 30—60 при 25° С, растяжимостью более 40 см при 25° С,
которое может быть использовано для приготовления обычных и цвет­
ных пластбетонов. Это вяжущее отличается удовлетворительным сцеп­
лением с минеральными материалами и не имеет неприятного специ­
фического запаха. КОИК применяют для термопластификации лигнина.
В качестве пластификатора инден-кумароновых и нефтеполимерных
смол используют кубовые остатки многоцелевой дистилляции при по­
лучении диметилтерефталата.
6.5. ВЯЖУЩИЕ ИЗ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ЛЕСОХИМ ИЧЕСКОЙ
И ЦЕЛЛЮ ЛОЗНО-БУМ АЖ НОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В лесохимической и целлюлозно-бумажной промышленности в на­
стоящее время скапливаются большие количества побочных продук­
тов. К ним относятся лигнин, талловый пек, сульфитно-дрожже­
вая бражка (сдб), сульфитно-спиртовая барда (ссб), кора, всплывные
смолы (масла) и др.
Предприятия указанных отраслей промышленности расположены
на севере и северо-западе европейской части СССР, в Сибири и на Д аль­
нем Востоке. Проблемы квалифицированного применения побочных
продуктов этих отраслей промышленности в полной мере еще не реше­
ны, а использование в дорожном строительстве развивается медленно.
Гидролизный лигнин является отходом спиртового и дрожжевого
производства при переработке древесины хвойных и лиственных пород
181
гидролизом разбавленной серной кислотой. Выход лигнина в зависи­
мости от вида древесины составляет 17—32%, его образуется ежегодно
около 5 млн. т. Сульфатный (щелочной) и сульфитный (лигносульфонаты) лигнин отличаются от гидролизного. Д ля производства дорож­
ных вяжущих их пока применяют мало.
Гидролизный лигнин представляет собой природное высокомолеку­
лярное вещество с разветвленными макромолекулами, образовавшими­
ся при полимеризации спиртов ароматического ряда. Он имеет моле­
кулярную массу около 11 ООО, нерастворим в воде и органических ра­
створителях. Его плотность 1,2— 1,3 г/см3, насыпная объемная масса
300—350 кг/м3. Этот рыхлый побочный продукт с размером кусков до
40 см имеет коричневый цвет и влажность до 70%. При нагревании
до температуры 400—600° С в парогазовой среде он распадается с вы­
делением 40—50% угля (полукокса), 13—20% смолы, 15—30% надсмольной воды, небольшого количества жидких (ацетона, метилового
спирта) и газообразных продуктов (СО, С0.2, этилена).
Лигнин используют как наполнитель при производстве кирпича,
при производстве пластиков и дубителей, в металлургической про­
мышленности, в качестве удобрения.
В дорожном строительстве наметились два пути использования гид­
ролизного лигнина: 1) в качестве наполнителя в асфальтобетоне;
2) в качестве сырья для производства лигниновых вяжущих.
Д ля производства дорожных вяжущих предложено нагревать гид­
ролизный лигнин в растворителе при температуре 310—320° С в те­
чение 50—60 мин при хорошем перемешивании. В качестве растворите­
лей для этого процесса могут служить каменноугольные дорожные
маловязкие дегти, смолы, нефтяные гудроны, мазут, сланцевые смо­
лы, смолы пиролиза нефтяных фракций, отходы лавсанового произ­
водства [19].
Процесс переработки лигнина в дорожный вяжущий материал ана­
логичен процессу термопластификации или терморастворения иско­
паемых углей и сланцев, описанному в главах 4 и 5. Поэтому в даль­
нейшем изложении принят термин «термопластификация» лигнина.
В зависимости от вида растворителя и его вязкости соотношение
между количествами лигнина и растворителя находится в пределах
от 1 : 2,9 до 1 : 7,5. Количество растворителя выбирается таким, что­
бы температура размягчения продукта термопластификации была не
выше 140— 160° С.
Технологические процессы при производстве лигниновых вя­
жущих с разными растворителями однотипны и состоят из следующих
операций: обезвоживание растворителя, подача его в реактор и нагре­
вание до 300— 310° С, загрузка лигнина в реактор при одновременном
перемешивании и поддержании температуры около 310° С, термоплас­
тификация лигнина в течение 50—60 мин при 310—320° С, включение
шестеренчатого насоса в конце процесса термопластификации для го­
могенизации получаемого продукта в течение 15— 20 мин (дисперги­
рование нерастворившейся части лигнина), подача некоторого коли­
чества растворителя, нагретого до 90— 110° С для доведения продуктов
термопластификации до требуемой вязкости.
182
При получении лигнино-смоляного вяжущего для термопластифи­
кации лигнина используют каменноугольную смолу или жидкие ка­
менноугольные дегти Д-1 —Д-4 (температура процесса 300—315° С,
длительность 60 мин). Вяжущее отличается хорошей адгезией, пре­
восходит по этому показателю каменноугольные дегти и рекомендо­
вано к применению в дорожных смесях для нижних и верхних слоев
покрытий.
Для термопластификации лигнина применяли КОИК лавсанового
производства, с которыми процесс протекает при 300—320° С быстрее
(45 мин), чем при использовании каменноугольной смолы или дегтя.
Вяжущее имеет хорошую адгезию к каменным материалам, однако
неудовлетворительную температуру хрупкости. После введения раст­
ворителя это вяжущее может быть использовано для устройства осно­
ваний.
Из продукта термопластификацин лигнина в КОИК лавсанового
производства добавлением смолы пиролиза нефтяных фракций или
каменноугольной смолой получали комплексные вяжущие.
При добавлении смолы пиролиза от 52 до 67% к продукту термо­
пластификации лигнина в КОИК получены вяжущие, приближающие­
ся по свойствам к нефтяным битумам соответствующих марок и отли­
чающиеся повышенной адгезией к каменным материалам и растяжи­
мостью при 0° С (15—35 см). Это позволило рекомендовать вяжущее
для устройства верхних слоев дорожных одежд.
Старение лигнино-лавсанового и комплексного лигнинового вяж у­
щего с каменноугольной смолой проходит замедленно.
Введением в продукт термопластификапии лигнина в КОИК, ка­
менноугольной смолы или дегтя (20— 80%) получали вяжущее, отли­
чающееся хорошими адгезионными свойствами, пониженной темпера­
турой размягчения и большой растяжимостью при 0° С (вяжущее с
температурой размягчения 32—33° С имеет растяжимость более 70 см).
Его можно применять для устройства оснований и нижних слоев по­
крытий. Лигнино-сланцевые и лигнино-гудроновые вяжущие можно ис­
пользовать для устройства оснований, нижних и верхних (на дорогах
не выше II категории) слоев покрытий [19].
Талловый (сульфатный) пек получают при варке целлюлозы с об­
работкой щелочью. При этом выделяют талловое масло, которое при
ректификации в остатке дает пек.
Талловый пек образуется в количестве около 30% при переработке
масла хвойных пород и до 50% — масла лиственных пород. Его приме­
няют в качестве анион-активной добавки, пластифицирующей и эмуль­
гирующей добавок к вязким нефтяным битумам или гудрону.
Пек (А) из хвойных пород древесины имеет кислотное число не бо­
лее 45 мг КОН/г, температуру размягчения выше 25° С, вязкость С|о
не менее 200 с. Пек (Б) из древесины лиственных пород имеет кислот­
ное число менее 70 мг КОП/г, температуру размягчения выше 19° С.
Температура вспышки таллового пека 240—270° С.
Добавка таллового пека к гудрону позволяет получить вяжущее,
обеспечивающее асфальтобетону свойства, соответствующие техничес­
ким требованиям.
183
Талловое масло содержит 40% смоляных и 50% жирных кислот,
10—20% нейтральных и нерастворимых в петролейном эфире веществ.
Оно имеет темный цвет, плотность 0,96—0,99 г/см3, температуру вспыш­
ки около 180° С, содержит 93% веществ, выкипающих в пределах тем­
ператур 245—360° С. Талловое масло может служить пластификатором
нефтеполимерных и инден-кумароновых смол.
Талловое масло или пек совмещают с малеиновым ангидридом, малеиновой, фумаровой, акриловой или метакриловой кислотами в при­
сутствии гидратов окисей или хлоридов щелочных или щелочно-зе­
мельных металлов и алюминия. Полученную массу добавляют к би­
туму в количестве 3—8%, получая высококачественное дорожное вя­
жущее.
Кроме гидролизного лигнина, таллового пека и масла показана воз­
можность использования следующих побочных продуктов лесохими­
ческой и целлюлозно-бумажной промышленности: сухоперегонной
смолы, всплывных смоляных масел, смолы пиролиза коры, таллового
лигнина, сульфитно-дрожжевой бражки, лигно-сульфонатов. Эти
побочные продукты могут быть полезны для улучшения транспортно­
эксплуатационного состояния дорог, санитарно-гигиенических усло­
вий окружающей среды путем обеспыливания дорожных покрытий,
устройства защитных ковриков. Их можно употребить также в каче­
стве адгезионных и пластифицирующих добавок к нефтяным битумам.
Г л ав а
7
ВЯЖУЩИЕ, ПОЛУЧАЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
7.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗНОШ ЕННОЙ РЕЗИНЫ
Применение изношенной резины в дорожном строительстве р аз­
вивается двумя способами. Более простой способ, но не использующий
в полной мере ценных свойств каучуков и резин, состоит в применении
резиновой крошки в качестве замены части наполнителя в асфальтобе­
тоне.
Рекомендовано вводить резиновую крошку в минеральные смеси в
процессе перемешивания. Количество резиновой крошки должно со­
ставить 1,5—3% от массы минеральной части асфальтобетона и крошка
должна иметь не менее 80% зерен размером мельче 0,63 мм. При этом
битума должно быть не менее 10 % для песчаного и не менее 7 % для щебе­
нистого асфальтобетона, а температура нагрева минеральных материа­
лов 160— 180° С при производстве уплотняемых асфальтобетонных сме­
сей и 190—250° С при производстве литых смесей. Длительность пере­
мешивания минеральных материалов и резиновой крошки до подачи
битума составляет 15—30 с, а полное время перемешивания смеси
120— 180 с. Температура при выходе из смесителя для уплотняемых
смесей равна 140— 160° С, литых 190—220° С, а при укладке соответст­
венно 120— 140 и 180—210° С. Уплотнение асфальтобетонных смесей,
содержащих резиновую крошку, рекомендуется проводить при более
низкой температуре. Отмечается, что асфальтобетон с резиновой крош­
кой имеет повышенную теплостойкость, морозостойкость и деформативность при низких температурах, а также повышенный коэффициент
сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием. Введение в ас­
фальтобетон резиновой крошки снижает уровень шума. Асфальтобе­
тонная смесь с резиновой крошкой плохо уплотняется, однако после
хранения в накопительных бункерах при 160° С в течение 3—5 ч уплотняемость улучшается.
Дробленую резину с размером зерен 0— 12,5 мм рекомендуется при­
менять в качестве теплоизоляционного слоя, с размером зерен 6 —
20 мм (70%), 20—30 мм (10%) и мельче 6 мм (20%) — при устройстве
поверхностной обработки. Для ремонта покрытий предложено укла­
дывать тонкий слой дробленой резины, а затем наносить слой износа.
При использовании изношенной резины в виде наполнителя— по­
рошка или более крупных гранул не утилизируются ценные свойства
185
самого каучука, входящего в состав резин. Более эффективным на­
правлением является перевод резины в растворимое состояние и приме­
нение в качестве вяжущего для производства уплотняющих, гидроизо­
ляционных и кровельных мастик, дорожных смесей.
Наибольшее количество изношенной резины собирается в виде ав­
топокрышек и камер. В них содержатся такие ценные виды каучука,
как натуральный, изопреновый, бутадиеновый, бутадиен-стирольный,
бутил-каучук. Посредством термомеханической обработки в присут­
ствии пластифицирующих материалов изношенная резина может
быть девулканизирована. В качестве пластифицирующих материалов
могут быть использованы нефтяные гудроны или маловязкие битумы,
тяжелые экстракты селективной очистки масляных фракций (предпоч­
тительно остаточные), каменноугольные тяжелые масла, смолы, до­
рожные дегти. При этом могут быть получены резино-битумные и резино-дегтевые вяжущие высокого качества. Технологические парамет­
ры процесса зависят от типа каучука, входящего в состав резин, и
вида пластификатора.
Процесс пластификации резиновой крошки посредством термоме­
ханической обработки ведут пропусканием набухшей в нефтяном гуд­
роне (или битуме) резины через аппарат-пластификатор, объединенный
с шестеренчатым насосом, при оптимальной температуре 225—235° С.
Набухшая резина под воздействием зубьев шестеренчатого насоса по­
степенно пластифицируется, и органические компоненты переходят в
раствор. Продолжительность термомеханической обработки составляет
от 30 мин до нескольких часов в зависимости от вида каучука и раство­
рителя. Снижение температуры и сокращение времени пластификации
ухудшает свойства готового продукта. Термопластификация резины
может быть проведена в лопастном или роторно-эксцентриковом сме­
сителе.
Рекомендовано при термомеханической пластификации резины ис­
пользовать поверхностно-активные вещества, как, например, сульфит­
но-дрожжевую бражку (сдб) или препарат ОП-Ю. Процесс термомеха­
нической пластификации изношенной резины протекает следующим
образом: при совместной термомеханической обработке измельченная
резина набухает в масляных фракциях битума (гудрона или дегтя),
что ослабляет межмолекулярные связи в резине; в условиях продол­
жающихся подвода тепла и механических воздействий происходит раз­
рыв по этим ослабленным связям, т. е. осуществляется девулканизация
резины с образованием каучукового вещества, которое структурирует
битум (гудрон или деготь).
По мере увеличения содержания резиновой крошки резинобитум­
ные смеси все больше приближаются по физико-механическим свойст­
вам к каучуковым материалам.
При исследовании методом ИК-спектроскопии резинобитумных
составов наблюдаются значительные изменения на полосе поглощения
с частотой 970 см-1 , которая отсутствует в спектре исходного битума
(гудрона). Появление этой интенсивной линии, характерной для ИКспектров каучуков, обусловлено колебаниями двойных — С-С —• свя­
зей в трансположеиии, что следует отнести за счет деструктурирован186
Т а б л и ц а 7.1
Т ем п ер а ­
тура
хрупко­
сти, °С
И сходны й гудрон
Г удрон с 20%
крошки
И сходны й гудрон
Гудрон с 20%
крошки
И н тер в ал
пластич­
ности ,
«С
3 3 ,3
300
99
— 23
5 6 ,3
100,0
3 6 ,0
2 8 ,0
167
300
69
250
-2 0
—21
6 6 ,0
4 9 ,0
15,8
100 ,0
3 2 ,5
215
107
— 22
5 5 ,5
2 9 ,4
Т ем п ер а­
тура р а з­
м ягчения
гудрона,
°С
В яж ущ ее
Г л уби н а п р о ­
ник ан и я
иглы при
25° С | 0° С
Растяж и­
м о ст ь при
0 ° С , см
резиновой
резиновой
ной в результате термомеханической обработки резины и образовав­
шегося каучукового вещества.
Данные о свойствах резинобитумных вяжущих, полученных при
совмещении резиновой крошки (20%) с нефтяным гудроном при тем­
пературе 220—230° С (длительность термомеханической обработки 4 ч),
приведены в табл. 7.1.
Термомеханической пластификацией резиновой крошки с битумом,
имеющим температуру размягчения 70° С, а температуру хрупкости —
10° С при содержании 5% резиновой крошки получено резинобитумное
вяжущее с температурой размягчения 78° С и температурой хрупко­
сти —21° С. При увеличении содержания резиновой крошки до 15%
эти температуры составили соответственно 104 и —30° С, а при 30%
резиновой крошки 119 и —36° С. Начиная с 30%-ной добавки резины
к битуму резинобитумное вяжущее при нагревании не растекается и
в то ж е время имеет температуру хрупкости —30° С и ниже.
Скорости растворения и девулканизации зависят от влажности ре­
зиновой крошки и от способа ее введения. Влажная крошка в нагре­
том гудроне растворяется быстрее, чем сухая, по-видимому, вследст­
вие разрыва структурных связей резины под давлением паров воды.
Рекомендуется проводить обработку гудронов, содержащих растворен­
ную (девулканизированную) резиновую крошку, введением серы при
повышенной температуре и в присутствии ускорителей вулканизации,
таких, как мочевина и ее производные, окиси М^, 2п, РЬ или гидрат
окиси кальция (известь). При этом получают резинобитумные вяжущие
с широким интервалом пластичности (70—80° С), улучшенными пока­
зателями температуры хрупкости, глубины проникания иглы при 0° С
и растяжимости при 0° С.
Резинобитумные вяжущие дают асфальтобетоны с высокими экс­
плуатационными свойствами, повышенной износо- и теплостойкостью,
стабильностью при старении. Асфальтобетон, приготовленный на ре­
зинобитумном вяжущем, отличается также меньшим водонасыщением
и набуханием. Д ля него характерна меньшая прочность при 0° С, мень­
шая жесткость.
На основе резинобитумных вяжущих при введении наполнителей
получают мастики для заполнения швов бетонных покрытий. При ис­
пользовании пластификаторов (нефтяных масел, полиолефинов, бутилкаучука) получают мастичные материалы с температурой хрупко­
187
сти До —35° С, которые можно применять в суровых климатических ус­
ловиях. Эти мастики успешно применяют в аэродромном строительст­
ве. Д ля заполнения швов при устройстве и ремонте цементобетонных
покрытий автомобильных дорог рекомендованы мастики из резиноби­
тумных вяжущих, при производстве которых резиновую крошку под­
вергают сначала термопластификации тяжелым каменноугольным мас­
лом (антраценовым) при 160° С в течение 4 ч в герметически закрытом
смесителе, а затем вводят битум и минеральные наполнители. Резино­
вую крошку рекомендовано вводить порциями в предварительно на­
гретое до 60—70° С каменноугольное масло. Состав мастики для запол­
нения швов следующий: битум БН-1У 60—70%, каменноугольное
масло 8 — 1 0 %, резиновая крошка 8 — 1 0 %, асбестовый порошок 5—
1 0 %, известняковый порошок 5— 1 0 %.
Мастики для заполнения швов получают также путем энергичного
перемешивания битума с резиновой крошкой при температуре 200° С
в присутствии добавок ксантатов, дитиокислот, тиофенолов или их
металлопроизводных,
дитиокарбаматов, тетраметилтиурамсульфидов, меркаптобензотиазолов, диарилдисульфидов (т. е. агентов вулка­
низации образующегося каучука), вводимых в количестве 0 , 1 — 5,0% от
массы резины. В качестве наполнителя применяют асбестовое волокно.
Резинобитумные вяжущие используют для ремонта покрытий, име­
ющих густую сетку трещин. Д ля этого применяют битум с глубиной
проникания около 300 при 25° С, который нагревают до 180° С, и в не­
го вводят резиновую крошку (0,071— 12 мм), получаемую как отход
в мастерских по ремонту шин. После перемешивания при этой темпе­
ратуре получают резинобитумное вяжущее, которое разливают на по­
врежденное покрытие с расходом 1,6—3,2 л/м2. После остывания об­
разуется слой толщиной 5—6,5 мм, на который рекомендуется рассы­
пать мелкий щебень или песок. Открывать движение можно через
45 мин.
Резинобитумные составы рекомендуют также для заделки крупных
трещин на асфальтобетонном покрытии. Расход материала 2,25—
2,5 л/м 2 или 0,25 л на 1 м трещин. После розлива вяжущего произво­
дят россыпь и укатку мелкой каменной крошки на толщину 0,95—
1,25 см.
Предложено резинобитумное вяжущее, содержащее до 70% рези­
ны, распределять при температуре 90—235° С на дорожное основание в
количестве 0,9—4,5 л/м2, после чего наносить тонкий слой щебня, а
затем асфальтобетонное покрытие.
Если ввести 30% резиновой крошки в каменноугольный деготь с
вязкостью С5 0 = 70 с, можно получить резинодегтевое вяжущее с
глубиной проникания 360 при 25° С, которое может быть применено
для гидроизоляции и производства дегтебетона. Работы по резиноби­
тумным и резинодегтевым вяжущим показали преимущества их по
сравнению с исходными битумами, гудронами, дегтями. Технологи­
ческие процессы получения таких вяжущих достаточно разработаны.
Однако производство резиновой крошки из изношенной резины являет­
ся весьма энергоемким процессом. При этом надо учитывать, что для
успешной термомеханической пластификации резины требуется тонко188
измельченная резиновая крошка, размер зерен которой должен быть
менее 1 мм. В патентной литературе рекомендуется измельчение рези­
ны производить в присутствии жидкого азота из-за его химической
инертности и низкой температуры (— 196° С), легкости получения и
использования, а пластификацию резины производить «ароматизиро­
ванным» битумом при 195и С в течение 1 ч. Институтом «Резинопроект»
разработан типовой проект производства резиновой крошки из изно­
шенной резины, однако все ж е объемы производства ее меньше, чем
поступление изношенной резины. Таким образом, значительное коли­
чество изношенных покрышек, камер и других резиновых изделий еще
не используется, накапливается, а нередко даже подвергается сжига­
нию. Некоторую часть изношенной резины перерабатывают на спе­
циальных регенерационных заводах в регенерат и снова используют
для производства резиновых изделий. Однако с ростом автомобильно­
го парка и других машин растет и количество изношенной резины, ко­
торая может быть успешно использована в производстве высококаче­
ственных дорожных вяжущих материалов. Вследствие большой энер­
гоемкости процессов измельчения резины и ее термопластификации
получаемое резинобитумное вяжущее дороже, чем нефтяной битум, хо­
тя покрытия из такого вяжущего значительно долговечнее.
7.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОСТАТКОВ ОТ РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ
СМ АЗОЧНЫХ М АСЕЛ
Эти остатки представляют собой смесь нефтяных смазочных ма­
сел (70—80% ), включающих продукты окисления, смолистые веще­
ства, частицы металла, механические примеси, активные присадки.
Это вторичное сырье образуется в процессах регенерации отработан­
ных смазочных масел, которые включают отстаивание, центрифугиро­
вание, обезвоживание, фильтрацию, обработку поверхностно-актив­
ными веществами и электролитами, очистку адсорбентами, фракци­
онирование. В результате получают смазочные масла для повторного
использования и остатки от регенерации, которые по применяемой в
настоящее время технологии составляют 30—40% от массы собранных
отработанных масел. Количество отработанных масел по СССР значи­
тельно. Остатки от регенерации обычно содержат около 5% воды и ме­
нее 5% механических примесей, имеют вязкость СЦо = (15-=-30) с, тем­
пературу вспышки выше 140° С. Они содержат в основном парафино­
нафтеновые углеводороды 45—60%, небольшое количество моноциклоароматических и бициклоароматических веществ 10—20%, смол
5% и асфальтенов 5%.
Остатки от регенерации отработанных смазочных масел могут быть
использованы в дорожном строительстве: в качестве разжижающей
добавки для вязких битумов; после термоокисления остатка регене­
рации масел как пластифицирующая добавка к вязким битумам; в ка­
честве добавки в сырье для получения битума.
При добавлении остатка от регенерации в количестве 5— 10% к би­
туму с глубиной проникания 60—90 получают битум с глубиной про­
никания 90— 130, а при введении до 15% остатка получают битум с
189
С остав в я ж у щ ег о
Битум
»
с добавкой
от регенерации
_
остатка
Битум с добавкой окислен­
ного остатка от регенерации
5
Ю
14
10
20
30
Т ем п ер а т у р а , °С
р а зм я г ­
хр у п к о ст и
чения
55
50
42
39
52
46
32
—5
—8
— 14
— 18
— 13
— 20
Н иж е
— 25
И н тер в ал
п л а ст и ч ­
н о с т и , °С
60
58
56
57
65
66
Более
57
7.2
Г л уби н а
проника­
ни я при
25° С
Растяж и­
мость при
25° С, см
К о л и ч ес т в о
добав к и , %
Т аб л и ц а
40
60
100
200
60
100
210
100
100
80
54
90
70
40
глубиной проникания 200—300, который может быть использован для
производства теплого асфальтобетона.
Окисление остатка от регенерации масел можно производить на
обычных установках для переработки гудрона в битум. Рекомендуется
ступенчатый режим окисления: первые 2 ч процесс надо вести при
150° С, а затем до конца при 200—210° С. В результате окисления по­
лучают продукт вязкостью Q o = (180ч-250) с, температурой хруп­
кости ниже — 25° С, температурой вспышки выше 200° С. В зависимо­
сти от вязкости исходного битума количество добавляемого окислен­
ного продукта лежит в пределах от 10 до 30%.
Остатки от регенерации или окисленный продукт применяют по­
догретыми до 60—80 °С. Смешение с вязким битумом производят в те­
чение 30 мин при температурах, выбранных в соответствии с маркой
исходного вязкого битума в пределах от 100 до 160 °С.
В результате окисления остатков от регенерации масел происходит
накопление асфальтенов (до16%) и смол (до 20%) за счет уменьшения
содержания углеводородов. В табл. 7.2 приведены свойства вяжущих,
полученных при введении в битум остатков от регенерации масел
с целью разжижения или пластификации.
Окисленные остатки от регенерации оказывают заметное пласти­
фицирующее действие на вязкий битум, снижая его температуру хруп­
кости на 15—20 °С при введении их в количестве 20—30%, а также
позволяют наряду с улучшением деформативных свойств увеличить
соответственно выход вяжущего. Увеличение количества пластифици­
рующей добавки сверх 30% может привести к ухудшению свойств би­
тума. Отмечается улучшение адгезионных свойств битумов с пласти­
фицирующей добавкой [4].
Асфальтобетон на битумах с пластифицирующей добавкой х а ­
рактеризуется лучшей водо- и морозостойкостью. Отработанные
смазочные масла и остатки от их регенерации могут быть исполь­
зованы в строительстве асфальтобетонных дорог с применением
местных материалов — малопрочных известняков для повышения
их водо- и морозостойкости. Гидрофобизация таких известняков
190
производится в присутствии поверхностио-активпых веществ. О с­
татки от регенерации смазочных масел могут быть использованы
при восстановлении свойств битума старого асфальтобетона.
7.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТАРОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
В последнее десятилетие развились работы по использованию мате­
риала старых асфальтобетонных покрытий при их восстановлении не­
посредственно на дороге или снятии покрытия и переработка старого
асфальтобетона в смесительных установках. Повторное использование
старого асфальтобетона позволяет существенно сократить расход
нефтяного битума при производстве
ремонтно-восстановительных
работ.
Разрушение асфальтобетонных покрытий вызывается воздействием
погодно-климатических условий и механических перегрузок от дви­
жущихся автотранспортных средств. При этом битум стареет — ста­
новится более жестким, повышается его температура размягчения и
хрупкости, увеличивается вязкость, уменьшается растяжимость, на­
растает содержание асфальтенов.
Минеральные частицы в асфальтобетоне вследствие механичес­
ких воздействий подвергаются дезинтеграции, изменяется грануло­
метрический состав.
Д ля расчета состава асфальтобетона, получаемого из старого ма­
териала с добавлением нового битума и минеральных составляющих,
необходимо определить гранулометрический состав и плотность мине­
рального остова старого асфальтобетона после экстрагирования из
него битума, вязкость или температуру размягчения и глубину про­
никания выделенного битума и его количественное содержание. Затем
рассчитывают необходимое количество вновь добавляемых минераль­
ных составляющих и битума, его вязкость. Регенерация на АБЗ дает
экономию средств и материалов на 15—20% , регенерация на месте —
примерно 30% (по сравнению с укладкой нового слоя толщиной 4 см),
холодная регенерация 30—40%.
Для восстановления свойств битума необходима его пластификация
путем добавления менее вязкого битума, гудрона или высокоароматизированных тяжелых нефтяных фракций (например, экстрактов се­
лективной очистки масел). Количество вводимых пластифицирующих
добавок в старый битум составляет 8— 12% от массы битума, содержа­
щегося в старом асфальтобетоне.
В связи с изменением гранулометрического состава старого асфаль­
тобетона при его регенерации вводят свежие каменные материалы в ко­
личестве 10—20% по массе.
На основании накопленного опыта в практику использования ста­
рых асфальтобетонных материалов вошли в основном четыре способа:
1)
предварительное нагревание отслуживших срок слоев асфаль­
тобетонных покрытий, их разрыхление на глубину 4—5 см, добавление
новых каменных материалов и битума (или готовой смеси), разравни­
вание и уплотнение. Все операции производят на ремонтируемом уча­
191
стке автомобильной дороги. Битум ,может быть введен в виде эмульсии.
Можно добавлять гудрон или тяжелый экстракт селективной очистки
масел для пластификации старого битума из покрытия;
2) снятие старого асфальтобетона, его транспортирование к смеси­
тельной установке, дробление до размеров не крупнее 50 мм, загрузка
в смеситель принудительного действия с одновременным добавлением
новых каменных материалов и вяжущего, доставка полученной асфаль­
тобетонной смесн к месту восстановительных работ, ее укладка и уп­
лотнение. Смесь может содержать до 80% старого асфальтобетона;
3) снятие старого асфальтобетона, перевозка на строительство дру­
гой автомобильной дороги для устройства нижних слоев дорожной
одежды и применение в качестве горячих или холодных смесей. Этот
старый асфальтобетон может быть использован и для покрытий при
строительстве дорог низших категорий с добавлением новых материа­
лов или без них;
4) снятие старого асфальтобетона и переработка его на месте в спе­
циальной установке (для исключения транспортных операций) с до­
бавлением 15—20% по массе свежей асфальтобетонной смеси, уклад­
ка и уплотнение.
Глава
8
КОМПЛЕКСНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ
8.1. БИТУМОДЕГТЕВЫЕ, ДЕГТЕБИТУМНЫЕ И ПЕКОБИТУМНЫЕ
ВЯЖУЩИЕ
Дегтебитумные, битумодегтевые и пекобитумные вяжущие приме­
няют для строительства дорог и особенно для гидроизоляции подзем­
ных сооружений, тоннелей, трубопроводов. Эти вяжущие отличаются
высокой устойчивостью к гниению, совершенно не подвержены воз­
действию гнилостных грибковых микроорганизмов. Изоляция, вы­
полненная с применением дегтебитумных и пекобитумных вяжущих,
надежно защищает подземные сооружения в течение нескольких де­
сятков лет, тогда как в аналогичных условиях битумная гидроизоля­
ция под влиянием воздействия микроорганизмов в неблагоприятных
условиях среды может разрушиться в течение 1— 2 мес. Дегтебитум­
ные и пекобитумные вяжущие получили распространение в ГДР, Фран­
ции, Англии, ФРГ, Голландии, где налажено их промышленное произ­
водство и разработаны нормативные документы. Известен опыт при­
менения дегтебитумных и битумодегтевых вяжущих при строительстве
дорог в РСФСР. ЦНИЛ Гушосдора РСФСР в 1964 г. разработаны оп­
тимальные составы этих вяжущих, подробно изучены их характеристи­
ки, даны рекомендации по приготовлению этих материалов в условиях
строительства и их применению.
При приготовлении вязких дегтебитумов требуемой вязкости с ис­
пользованием каменноугольных дегтей и вязких нефтяных битумов
марку и количество дегтя подбирают в лаборатории, начиная с 5 до
30% по массе с интервалом через 5%. Оптимальный состав принимают
по наименьшей добавке дегтя, обеспечивающей требуемую вязкость
(пенетрацию) и наилучшее сцепление с каменным материалом.
При приготовлении жидких дегтебитумов требуемой вязкости с
использованием каменноугольных маловязких дегтей или каменноу­
гольного масла и вязких нефтяных битумов количество каменноуголь­
ного дегтя или масла подбирают, начиная с 10% с интервалом в 5%,
и оптимальный состав принимают по наименьшей добавке их, обеспе­
чивающей требуемую вязкость и наилучшее сцепление с каменным ма­
териалом.
При приготовлении битумодегтей требуемой вязкости с использо­
ванием вязких нефтяных битумов и каменноугольных дегтей количест­
во вязкого битума, вводимого в деготь, подбирается, начиная с 5 до
193
30% по массе с интервалом 5%. Оптимальный состав принимают по
наименьшей добавке битума, обеспечивающей требуемую вязкость.
Деготь должен смешиваться с битумом без расслоения. Чем меньше
в дегте веществ, нерастворимых в толуоле (свободного углерода), тем
лучше он смешивается с битумом и тем стабильнее получаемое дегтеби­
тумное вяжущее. Для ориентировочной оценки смешиваемости камен­
ноугольных дегтей с вязкими нефтяными битумами рекомендуется
пользоваться табл. 8.1 и проверять предварительно смешиваемость в
лаборатории.
Битум должен смешиваться с дегтем без расслоения. Чем больше
интервал пластичности битума, тем лучше он смешивается с дегтем и
тем стабильнее получаемое битумодегтевое вяжущее. Д ля ориентиро­
вочной оценки смешиваемости вязких нефтяных битумов с каменно­
угольными дегтями рекомендуется также пользоваться табл. 8.1.
Оценку смешиваемости можно ориентировочно произвести следую­
щим методом. Сразу после приготовления в лаборатории составленный
дегтебитум или битумодеготь доводят до рабочей температуры и выдер­
живают при этой температуре 30 мин, перемешивают стеклянной па­
лочкой и каплю вяжущего наносят на часовое стекло. Если на палочке
и стекле не видно сгустков и отдельных комков выпавших в осадок
асфальтенов и веществ, нерастворимых в толуоле, вследствие несов­
местимости их, то это указывает на хорошую смешиваемость дегтевого
вяжущего с битумом. Если ж е на стеклянной палочке и стекле наблю­
даются комки и сгустки, это показывает на неудовлетворительную
смешиваемость вяжущих, их несовместимость и неоднородность мате­
риала.
Если ж е на палочке и стекле наблюдается незначительное об­
разование отдельных мелких комочков, это служит признаком удов­
летворительной смешиваемости вяжущих.
Хорошая смешиваемость определяется после более длительного вы­
держивания смешанного вяжущего при рабочей температуре (не меТаблида
И н тер в ал
п л а сти ч н ости
б и т у м а , °С
Б олее 70
70— 62
61— 57
56—54
М енее 54
194
С м еш и в аем ост ь
в я зк и х би т у м о в
с к ам ен н оуголь н ы м
д егт е м
Отличная
Хорош ая
Удовлетворитель­
ная
Н е всегда у д о в ­
летворительная
Н еудовлетвори­
тельная
С одерж ан ие
в дегте
в ещ ест в ,
н ер а ст в о р и ­
мых в толу­
оле, %
п о м а ссе
С одерж ание
в ещ ест в , н е ­
р а ств ори м ы х
в толуол е,
в о ст а т к е
п о с л е о т гон а
ф ракций,
вы к ипаю щ их
д о 300° С ,
% п о м а ссе
3— 6
7— 9
М енее 10
О коло 10
10— 14
»
15
15— 25
»
20
Б олее 25
Более 20
8.1
С м еш и в а ем о ст ь
к а м ен н о у г о л ь н ы х
д е г т е й с вя зк и м
битум ом
Отличная
Хорошая
У довлетворитель­
ная
Н е всегда у д о в ­
летворительная
Н еудовлетвори­
тельная
Т а б л и ц а 8.2
П ок азател и
В я зк и е д егт е б н гу м ы
Глубина проникания при:
25° С
0 °С
Температура размягчения, °С, не вы­
ше
Температура хрупкости, °С, не выше
Растяж им ость при 25° С, более
Интервал пластичности, °С, более
Сцепление с кварцевым песком
Повышение температуры размягчения
п осле прогрева при 160° С 5 ч, °С, не б о ­
лее
Температура хрупкости после прогре­
ва при 160° С 5 ч, °С, не выше
Р абочая температура при применении
дегтебитумного вяж ущ его, °С
280— 320
10
180— 220
6
46
—4
50
50
38
42
— 14
— 8
20
30
50
50
Отличное
35
— 16
20
51
6
6
— 10
100— 120
40—20
1
8 0 -1 2 0
3
—
6
6
8
110— 130
—5
—
1 2 0 -1 4 0
2
1 3 0 -1 5 0
Т а б л и ц а 8.3
Ж и д к и е д е г т е б и т у м ы в я зк о сть ю С в о П ок азатели
5 — 15
С одерж ани е фракций,
отгоняемых д о 360° С,
35
% по массе, не более
Сцепление с кварце­
вым песком
Р абочая
тем перату­
50— 60
ра, °С
1 5 — 25
30
25 — 40
4 0 — 100
25
20
1 0 0 —
2 0 0
с
2 0 0 — 500
15
10
Отлич ное
50— 70
60— 80
80— 100
90— 110
1 0 0 -1 2 0
Т а б л и ц а 8.4
Б и тум о д ег т и в я зк о ст ь ю
<-'10.
с
С -5 0
4 8 - с
П о к а за т ел и
4 0 — 80
Глубина
проникания
иглы при 0° С, более
100
Температура
разм яг­
—
чения, °С, выше
Температура
разм яг­
чения остатка после от­
бора фракций до 300° С,
60
°С. не выше
Сцепление с кварце­
вым песком
Р абочая
температу­
6 0 —90
ра, °С
15-75
75-200
1 3 0 — 250
2 5 0 — 500
70
50
40
18
12
—
—
—
20
30
60
60
60
--
--
100— 130
110— 130
8 0 — 130
Отличное
80— 100
90— 110
90— 120
195
нее 2 ч). Длительное выдерживание смешанного вяжущего при рабо­
чей температуре или перегрев вызывают расслоение и распад его с вы­
делением твердых веществ.
Дегти, содержащие меньшее количество веществ, нерастворимых
в толуоле, лучше смешиваются со всеми битумами. Такие дегти содер­
жат большее количество масляных компонентов ароматического строе­
ния, способствующих растворению высокомолекулярных соединений,
наиболее склонных к выпадению в осадок. В случае неудачного соче­
тания дегтя с битумом происходят расслоение дегтебитумной смеси,
агрегация высокомолекулярных веществ дегтя, нерастворимых в то­
луоле, вместе с асфальтенами и твердыми смолами и отделение их в
виде коксоподобной нерастворимой массы на дне котлов, на стенках
трубопроводов, что грозит тяжелыми последствиями для работы уста­
новки. Процесс расслоения ускоряется с повышением температуры.
Свойства вязких и жидких дегтебитумов приведены в табл. 8.2 и
8.3, а битумодегтей — в табл. 8.4.
Приготовление дегтебитумных и битумодегтевых
вяжущих в условиях строительства
В зависимости от производственных возможностей и потребности
в вяжущих их можно приготовлять в одном или нескольких котлах.
При наличии на базе одного котла дегтебитумные вяжущие приготов­
ляют следующим образом: при практически безводном дегте (воды
до 2%) в котлы загружают расчетное количество битума (но не [более
50% объема котла), который выпаривают и доводят до рабочей темпе­
ратуры дегтя, после чего вводят заранее отмеренное количество дегтя
(масла) или ж е замеряют требуемое их количество в котлах по тарировочной рейке. Подачу дегтя или масла производят насосом непосред­
ственно из хранилища с подогревом.
При обводненном дегте (воды более 2:%) выпаренный битум охлаж­
дают до 80—90° С, в него вводят требуемое количество дегтя ( с учетом
содержащейся в нем воды) и производят выпаривание воды при тем­
пературе не выше 110 °С.
Перемешивание дегтевого материала с битумом производят до пол­
ной однородности при помощи механических мешалок или продувки
сжатым воздухом.
При выдаче вяжущего в автогудронатор введение безводного дег­
тевого материала можно производить непосредственно в цистерну гуд­
ронатора, а перемешивание— включением циркуляционного устрой­
ства не менее чем на 30 мин.
* Рабочие температуры исходных и готовых дегтебитумных вяжущих
ни в коем случае не должны превышать пределы, приведенные в
табл. 8.2— 8.4, а'п р одо лжител ьност ь нагрева не должна превышать
5 ч. Перегретые материалы не допустимы к применению. Исходные
вяжущие не должны содержать механических примесей, так как очист­
ка плавильных котлов длительна и вредна для здоровья рабочих. Н а­
личие на базе двух плавильных котлов позволяет загружать один ко196
тел битумом, а второй дегтем, производить их раздельное обезвожива­
ние и раздельное введение в дозировочные устройства смесителей или
цистерны автогудронаторов, а при безводном дегте — разогрев и вы­
паривание битума в одном котле, а смешение с дегтем во втором.
При применении вязких дегтебитумов могут быть использованы
как заранее приготовленный дегтебитум, так и раздельная обработка
минерального материала сначала дегтем, а затем битумом. В первом
случае для получения дегтебитума безводный дегтевый материал вво­
дят в плавильный котел через перфорированную трубу, расположен­
ную в толще битума, с непрерывным перемешиванием до полного объе­
динения материалов. По окончании приготовления отбирают пробы и
производят испытания полученного дегтебитума.
Второй способ применяют для приготовления смесей с каменными
материалами в установке. Битумоплавильня должна состоять не менее
чем из двух котлов, каждый из которых имеет циркуляционные уст­
ройства для раздельной подачи исходных вяжущих в дозировочные
устройства смесительной установки.
Жидкие дегтебитумы следует расходовать сразу после приготовле­
ния, а в случае вынужденного их хранения в котлах последние долж ­
ны быть закрыты, и температура снижена до 70 °С. Перед употребле­
нием следует производить контроль вязкости материалов и, если не­
обходимо, корректировать состав.
При изготовлении битумодегтей в котел сначала загружают битум,
выпаривают его и нагревают при постоянном перемешивании до рабо­
чей температуры. Затем подогрев прекращают, в котел вводят неболь­
шими порциями при перемешивании обезвоженный деготь, при этом
температуру снижают до допустимой.
Приготовление пекобитумных вяжущих
При приготовлении пекобитумных вяжущих из нефтяных битумов
или гудронов и среднетемпературного пека количественное соотно­
шение между ними для получения необходимой вязкости устанавлива­
ется лабораторией. Количество вводимого пека не должно превышать
25—30% от массы битума или гудрона. Пек должен смешиваться с
битумом или гудроном, не вызывая расслоения.
Для получения гомогенного пекобитумного вяжущего Британская
дорожная исследовательская лаборатория (где детально проводилось
исследование этой проблемы) рекомендует использовать специальный
гомогенизатор, который позволяет перемешивать компоненты в жидком
виде при очень высоком напряжении сдвига. В этих условиях образу­
ется стабильная гомогенная дисперсия высокосмолистой фазы в мас­
ляной среде. Разработан непрерывный процесс производства диспер­
сии пека в битуме. Этим способом при хорошем контроле получены
многие тысячи тонн пекобитумных вяжущ их, стабильных к расслаи­
ванию. Разработан метод оценки стабильности вяжущего при темпе­
ратуре хранения его: пекобитумное вяжущее наливают в стеклянную
пробирку длиной 30,5 см и внутренним диаметром 1,25 см и хранят при
117
160 °С в течение 4 сут. За этот период выпадение осадка углистых час­
тиц и наиболее высокомолекулярных веществ заканчивается. Затем
пробирку охлаждают и содержимое разделяют на три секции. Со­
держимое донной трети осторожно перемешивают и затем определяют
плотность. Плотность донной части сравнивают с плотностью пекобитумного вяжущего, взятого для испытания. Разница в значениях плот­
ности, умноженная на 100, названа индексом стабильности. Если ин­
декс стабильности меньше 1 ,2 , то никаких трудностей при работах с
пекобитумным вяжущим не возникает. Если ж е этот индекс более
1 , 2 , то при работах с вяжущим может выпасть тяжелый осадок полу­
твердой или твердой консистенции, который засорит котлы, трубопро­
воды, прочее оборудование и может вывести его из строя.
Применение дегтебитумных, битумодегтевых
и пекобитумных вяжущих
При устройстве оснований и покрытий способом смешения на доро­
ге в качестве вяжущего применяют жидкий дегтебитум вязкостью
Cio = (154-40) с или битумодеготь вязкостью Сзо = (40ч—130) с. При
смешении в передвижном смесителе применяют жидкий битумодеготь
вязкостью C¡o = (254-100) с или битумодегти вязкостью Сзо =
= (804-250) с. Д ля устройства покрытий способом пропитки и полупропитки можно применять: вязкие дегтебитумы с глубиной проника­
ния 81— 120 при 25 °С или жидкие битумодегти вязкостью C5 Ô =
= (154-75) с в V дорожно-климатической зоне; вязкие дегтебитумы
глубиной проникания 120— 180 или жидкие битумодегти вязкостью
Сзо = (2504-500) с в IV дорожно-климатической зоне; вязкие дегте­
битумы глубиной проникания 280—320 или жидкие битумодегти вяз­
костью Сзо = (130ч-250) с для работ в III и II дорожно-климатичес­
ких зонах; жидкие дегтебитумы вязкостью С |о = (2004-500) с или
битумодегти Сз§ = (1304-250) с в I дорожно-климатической зоне.
Д ля устройства покрытий из щебня или щебеночных смесей, об­
работанных вяжущим в установке, применяют: вязкие дегтебитумы
глубиной проникания 80— 120 при 25 °С или жидкие битумодегти
вязкостью С 5 0 = (154-75) с для работ в V дорожно-климатической
зоне; вязкие дегтебитумы глубиной проникания 180— 120 или жидкие
битумодегти вязкостью Сзо = (2504-500) с в IV дорожно-климати­
ческой зоне; вязкие дегтебитумы с глубиной проникания 280—320 или
жидкие битумодегти вязкостью С 3 0 = (1304-250) с во II и III дорож­
но-климатических зонах; вязкостью Cjjo = (2004-500) с или С3 0 =
= (1304-250) с при работах в I дорожно-климатической зоне.
Для поверхностных обработок используют дегтебитумы с глубиной
проникания 180— 120 при 25 °С в V дорожно-климатической зоне,
280—320 во II— IV и вязкостью С§о = (2 0 0 4 - 5 0 0 ) с в1 дорожно-кли­
матической зоне.
f Для холодных смесей и черного щебня можно использовать дегте­
битумы Cio = (4 0 4 - 7 0 ) с при длительном хранении смеси, вязкостью
Сбо = (704-100) с при хранении смеси не более 3 сут, вязкостью Cio =
198
= (100-=-150) с при немедленной укладке при температуре воздуха
ниже 20° С и вязкостью CÜ0 = (150-^200) с при немедленной укладке
и температуре воздуха выше 20 °С.
Д ля приготовления теплых смесей применяют вязкие дегтебитумы
с глубиной проникания 280—320 при 25 °С или жидкие битумодегти
вязкостью Q 8 = (15-^200) с или Сз§ = (250ч-500) с.
Для приготовления горячих смесей применяют вязкие дегтебиту­
мы глубиной проникания: 40—80 при 25 °С в V дорожно-климатичес­
кой зоне; 80— 120 в IV дорожно-климатической зоне; 120— 180 в III
и II и 280—320 в I дорожно-климатической зоне. Содержание вяжущего
в смеси 5—8% в зависимости от крупности и пористости минеральных
материалов.
Д ля приготовления мелкозернистых и крупнозернистых смесей в
ФРГ применяют вяжущее из 70—85% нефтяного битума В-45 или
В-65 и 30— 15% дегтя Т-40/70—Т -140/240. Битумы В-65 и В-45 имеют
глубину проникания 50—70 и 35—50, температуру размягчения 49—
54 и 54—59 °С, растяжимость при 25 °С не ниже 100 и 40 см, темпера­
туру хрупкости не выше 8 и 6 °С соответственно.
Температура в смесителе при использовании дегтебитумных вя­
жущих не допускается выше 140° С; вяжущего в хранилище должна
быть не выше 150 °С; смеси, выпускаемой из смесителя, 90— 140 °С.
Для мелкозернистых смесей, содержащих щебня 35—65% , количе­
ство вяжущего составляет 5,8—7,5% по массе. Для крупнозернистых
смесей, в которых щебня 50—70%, минерального порошка 5— 10%,
а также для смесей, где содержание щебня составляет 62— 82%, ми­
нерального порошка 1— 6%, вяжущего 3— 6% в зависимости от содер­
жания и крупности щебня. Температура смеси, выпускаемой из сме­
сителя, должна быть 80— 140° С. В ряде стран известен опыт промыш­
ленного производства комплексных вяжущих на основе битума
и дегтя или битума и мягкого пека для дорожного строительства.
Применение пекобитумных вяжущих
Пекобитумные вяжущие, содержащие 20—30% каменноугольного
пека с температурой размягчения 55—80 °С, применяют как для до­
рожного строительства, так и для гидроизоляции подземных соору­
жений, трубопроводов. В настоящее время промышленность ФРГ вы­
пускает вяжущее из сплавов битумов с мягкими пеками (такие сплавы
называют карбобитумами). Эти сплавы имеют глубину проникания
10—40, температуру размягчения около 54 °С. Такие вяжущие при
температуре ниже 75 °С имеют более высокую вязкость, чем нефтяной
битум с глубиной проникания 65 (В-65), а при температуре выше 75 °С
вязкость этого материала более низкая, чем вязкость у нефтяного
битума. На рис. 8.1 показана вязкостно-температурная зависимость
для указанных двух видов вяжущих. Вязкие битумы с глубиной про­
никания 40—60 требуют при работе повышенных температур (170—
200 °С). Смеси, приготовленные с ними, быстро остывают, благодаря
чему на уплотнение остается очень короткое время. При температурах
199
воздуха ниже 6 °С строительство
практически невозможно. Этих за­
труднений можно избежать, приме­
няя сплавы битумов с пеком, так
\
10в
как вязкость пекобитума в интер­
10 5 ------ Л
вале температур от 175 до 75 °С
меньше, чем битума, и следователь­
но укладка и уплотнение смесей
104
-----более легко выполнимы.
V
/
7
10*
Пекобитумные вяжущие (с пеками из высокотемпературных и низ­
котемпературных смол) в опытном
порядке начали применять в Англии
102
в 1957 г. Наблюдения за покрытия­
ми, проводившиеся в течение 10 лет,
1
!
г
"
\
\
го
показали, что применение пекоби\
тумных вяжущих, содержащих 20%
1 1
ю
пека (с температурой размягчения
175
7, °С 80 °С по КиШ), показало замет­
О
5 0 75 100
ную стойкость покрытий к износу,
Рис. 8.1. Сравнение зависимостей в яз­
кости битума ( / ) и пекобитума (2)
более высокую, чем при использо­
от температуры
вании обычного нефтяного битума,
и приближающуюся к стабильно­
сти покрытий, полученных с использованием сплавов с тринидадским
битумом. После 12 лет эксплуатации при очень тяжелом движении
покрытия были в хорошем состоянии. Предполагают, что покрытия,
построенные с использованием пекобитумных вяжущих, могут рабо­
тать около 20 лет.
Обширные дорожные работы с применением пекобитумных вяж у­
щих были начаты в Англии в 1958 г. Устойчивость к износу опытных
дорожных секций измеряли ежемесячно в течение 6 лет. В се покрытия
оставались в хорошем состоянии в течение этого периода при очень
тяжелом движении. На покрытиях, устроенных с применением биту­
ма, вероятность возникновения Д ТП в 10 раз больше по сравнению с
покрытиями, построенными с применением пекобитумного вяжущего.
Добавка пека в битум снижает вероятность возникновения Д ТП .
Исследования показали, что покрытия из плотных смесей на осно­
ве битума являются значительно более скользкими, чем покрытия из
плотных смесей на основе пека.
Вяжущие, получаемые смешением пека с битумом обеспечивают
более высокую долговечность покрытий из плотных смесей и более
стабильную шероховатость.
Согласно техническим нормам Англии вяжущее должно быть со­
ставлено из 75— 80% нефтяного битума и 20—25% каменноугольного
пека. Температура размягчения пека должна быть в пределах 55—
80 °С, а битум должен иметь глубину проникания не более 150.
К комплексным вяжущим, получаемым из каменноугольных смол,
дегтей и нефтяных гудронов, могут быть отнесены продукты их совмест­
ного окисления.
п,
V
/
У
МПа - с
2 00
Вяжущие, получаемые окислением смеси нефтяного гудрона с ка­
менноугольной смолой, характеризуются повышенной адгезионной спо­
собностью к каменным материалам и улучшенными реологическими
характеристиками, что обусловливает повышение водостойкости ас­
фальтобетона и расширяет его интервал пластичного состояния. Та­
кое вяжущее отличается и высокой биостойкостью.
Каменноугольная смола, введенная в гудрон в количестве до 20%
по массе перед его окислением, не оказывает отрицательного воздей­
ствия на устойчивость к старению получаемых вяжущих при эксплуа­
тационных температурах. При совместном окислении каменноугольной
смолы и нефтяного гудрона получаемое комплексное вяжущее по кон­
систенции может соответствовать вязким битумам.
Для приготовления комплексного вяжущего битумную базу дообо­
рудуют емкостями для хранения смолы, технологической линией по­
дачи смолы и объемным дозатором. Емкость оборудуется закрытой
системой подогрева. Технологический процесс приготовления комп­
лексного вяжущего включает обезвоживание и нагревание гудрона в
битумных котлах до температуры не ниже 150— 160 °С. Затем каменно­
угольную смолу (без предварительного обезвоживания) подают в
объемный дозатор. В холодное время года смолу предварительно по­
догревают до 40—50° С. Если смола обводнена свыше 4%, ее перед по­
дачей на смешение обезвоживают, а затем через дозатор подают в би­
тумный котел для смешения с гудроном. Скорость подачи смолы регу­
лируют таким образом, чтобы не было значительного пенообразования
(во избежание выброса пены). Через 15—20 мин после окончания вве­
дения смолы сырье готово для подачи в окислительную установку.
Температуру смеси до 170— 180 °С можно поднимать как в битумном
котле, так и в реакторе, совмещая процесс подъема температуры с пе­
рекачкой сырья из котла в реактор.
Окисление сырья ведут на обычных окислительных установках.
Температура начала экзотермической реакции окисления должна быть
снижена на 10— 15 °С. При окислении рекомендуется поддерживать
температуру на 20 °С ниже, чем при окислении гудрона. Этот опыт
накоплен в Воронежском дорожном управлении. Подобным образом
можно получать комплексные вяжущие совместным окислением неф­
тяного гудрона и сланцевой смолы или масла в количестве до 30%.
Этот опыт получил развитие в Эстонии и Ленинградской обл. [11].
8.2. СЕРНОБИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ
Одним из возможных источников пополнения ресурсов и улучшения
качества вяжущих для строительства и ремонта дорожных покрытий
и оснований является сера. Серу можно использовать как самостоятель­
ное вяжущее, а также в композициях с битумом, дегтем или цементом.
В настоящее время накоплен опыт применения серы при строитель­
стве и ремонте автомобильных дорог. В частности, с 1970 г. отмечается
развитие применения серы при строительстве дорог в США, Канаде
и некоторых странах Западной Европы: Финляндии, ФРГ, Франции.
7
З а к . 1 743
201
Это объясняется рядом причин, основными из которых являются рост
стоимости нефтяных битумов и увеличение производства серы из
вторичных источников сырья (при очистке нефтяных газов, переработ­
ке нефти, улавливании газов, образующихся при сжигании твердых
топлив и др.), что приводит к тенденции снижения ее стоимости.
В основном развиваются три направления использования серы
в строительстве автомобильных дорог. Одно из них предусматривает
введение серы в битум в относительно небольших количествах (до 20%)
с целью получения сернобитумного вяжущего с улучшенными, чем у
битума, свойствами для приготовления асфальтобетонных смесей.
Второе направление — введение значительно большего количества
серы (более 20%), причем избыточная часть ее, не объединившаяся с
битумом, проявляет себя как своеобразный наполнитель, что позволя­
ет использовать рядовые пески и низкосортный щебень (известняко­
вый) для получения высококачественных дорожных покрытий. Такие
составы в США получили название «термопав».
Третье направление — пластификация серы органическими|пластификаторами (экстрактами селективной очистки масляных фракций
нефти, каменноугольными маслами, смолой, отходами коксохимии),
что позволяет полностью заменить битум. Вяжущие на основе пласти­
фицированной серы получили название «сульфлексов»— сульфопластов.
При диспергировании серы в битуме она образует при определен­
ных концентрациях коллоидный раствор или дисперсию, остающуюся
стабильной длительное время. Хорошо диспергируется (растворяет­
ся) в битуме при температуре 130— 140 °С до 20% серы. Хорошее дис­
пергирование серы достигается при перемешивании в обычных смеси­
телях для производства горячих асфальтобетонных смесей за счет
сдвиговых усилий, возникающих между частицами каменного мате­
риала. Время перемешивания для получения тонкой однородной дис­
персии серы в битуме зависит от скорости перемешивания, конструк­
ции мешалки, температуры. Если в смесь каменных материалов вво­
дят 6% битума и 12% серы (по способу термопав), то принимая во вни­
мание, что 20 % серы растворяется в битуме, эффективное содержание
комплексного сернобитумного вяжущего в смеси будет: 6% +
+ (6% • 0,20) = 7,2% по массе. Избыточное (нерастворившееся) ко­
личество серы (12— 1,2) = 10,8% будет проявлять себя как наполни­
тель в асфальтобетонной смеси. Это избыточное количество серы (бо­
лее 20%) коагулирует, образуя крупные частицы, которые при охлаж­
дении кристаллизуются. При этом возникают дополнительные кристал­
лизационные связи, что ведет к увеличению прочности асфальтовых
материалов. Переход из жидкой фазы в кристаллическую серу сопро­
вождается увеличением плотности на 13%. Плотность твердой серы
равна 2,05 г/см®.
Сера плавится при 119 °С и имеет более низкую вязкость, чем би­
тум. Так, в диапазоне 120— 150 °С вязкость серы составляет (8— 10)
10_3 Па • с, а вязкость битума (с глубиной проникания при 25° рав­
ной 150—200) 0,35 Па • с при 110 °С и 0,16 Па • с при 150 °С.
Плотность жидкой серы равна 1,75 г/см8, а битума 0,95— 1,05 г/см3,
поэтому перед подачей сернобитумного вяжущего в смеситель его сле202
дует хорошо перемешать. По этой ж е причине сернобитумные вяж у­
щие вводят в количествах несколько больших, чем битума.
При введении серы в битум при относительно невысоких температу­
рах может идти образование полисернистых соединений, при повышен­
ных температурах процессы полимеризации усиливаются. Сера хоро­
шо растворима в сероуглероде, бензоле, толуоле и ряде других орга­
нических веществ. Таким образом, можно ожидать, что ряд компонен­
тов мальтеновой части битума (соединения ароматического ряда) бу­
дут хорошими растворителями для серы.
Хотя в большинстве работ указывается, что серы растворяется в
битуме около 20% от его массы, но, по-видимому, предельное количе­
ство растворенной серы зависит от содержания в мальтеновой части
битума ароматических углеводородов, наиболее активно растворяющих
серу. Проведенные исследования взаимодействия серы с битумом в ин­
тервале температур от 0 до 300 °С для смесей различных типов биту­
мов с 10% серы показали, что при температуре ниже 150 °С в течение
30 мин не происходит заметного взаимодействия компонентов. Ско­
рость реакции возрастает при температурах выше 175 °С, когда сера
присутствует в смеси в виде линейного полимера.
Исследования показывают, что введение в битум до 10% серы при
140 °С способствует увеличению глубины проникания и снижению
температуры размягчения. Увеличение количества серы не вызывает
существенных изменений глубины проникания и температуры раз­
мягчения. Растяжимость битума практически не зависит от введения
серы и ее количества и равна исходной. Количество асфальтенов не
изменяется. Это объясняется тем, что сера при температуре 140 °С не
взаимодействует с компонентами битума.
Однако нагревание битума с серой в количестве 10% при температу­
ре 200 °С вызывает резкий рост температуры размягчения, снижение
глубины проникания, увеличение содержания асфальтенов. Влияние
серы на битум определяется температурой взаимодействия, типом би­
тума и количеством серы.
Сера при высоких температурах (выше 200 °С) действует на битум
аналогично кислороду. Обработка нефтяных остатков серой была из­
вестна около 100 лет назад для получения осерненных битумов, одна­
ко когда стали появляться окисленные битумы, осерненные битумы
прекратили вырабатывать. В последнее время снова возник интерес
к применению серы для улучшения реологических свойств битумов.
При обработке битума серой сначала образуются полисульфидные
соединения, которые при более высоких температурах переходят в
циклические сульфиды со структурой тиофенового типа, сопровождаю­
щейся образованием межмолекулярных поперечных связей. Имеются
данные, что при смешении битума с серой в соотношении от 1 : 1 до
1 : 4 и минеральными материалами при температуре не выше 147 °С
реакции с битумом не происходит.
Если сера реагирует с битумом при высоких температурах, содер­
жание асфальтенов повышается, а парафиновых углеводородов падает.
Так, при нагревании битума с добавкой 5% по массе серы в течение
10 ч при 180 °С количество асфальтенов, составлявшее в начальный
7*
203
Т а б л и ц а 8.5
С ер н оби тум н ы е в я ж у щ и е
П о к а за т ел и
1
Плотность при 60° С,
г/ем3
Температура
размяг­
чения, °С
Глубина
проникания
при 25° С
(100 г, 5 с)
Растяж имость
при
25° С, см
Температура вспышки,
°С
Температура
хрупко­
сти, °С
Содерж ание в вя ж у­
щем:
битума с глубиной про­
никания 85— 100, % по
массе
серы, % по массе
2
3
4
5
6
1, 1828
1,2320
1,2854
1,3442
1,4337
112
107
108
109
11 1
134
92
181
183
168
70
72
100
29
25
47
44
23
293
174
168
165
160
163
— 13
-1 4
_
60
40
55
45
55
50
1,0268
— 16
100
0
— 12
70
30
40
60
момент 8,2% , через 2 ч стало 10,3%, через 6 ч — 15,9%, а через 10 ч —
20,9% . При этом содержание парафина снизилось с 1 до 0,5% . При сме­
шении битума с серой в количествах до 60% несколько снижается тем­
пература размягчения вяжущего, немного повышается температура
хрупкости. Глубина проникания сначала (до содержания серы 50%)
значительно увеличивается, а затем (после 50%) резко падает; растя­
жимость заметно уменьшается (табл. 8.5).
Значительной проблемой при приготовлении сернобитумных сме­
сей является предотвращение образования и выделения токсичных
газов при нагревании серы с битумом. Опыты показали, что выделение
газов начинается при температуре выше 150 °С; хотя растворимость
серы в битуме увеличивается с повышением температуры, максималь­
ная безопасная температура с точки зрения образования вредных вы­
делений не должна превышать 150 °С. Кроме того, необходимо учиты­
вать, что при температуре выше 140 °С происходит энергичное взаимо­
действие серы с компонентами битума, ведущее к процессам полиме­
ризации и значительному увеличению содержания асфальтенов. При
этом резко снижаются растяжимость и глубина проникания, возрас­
тает температура размягчения. Сернобитумное вяжущее становится
хрупким. Это подтверждает, что сера при повышенных температурах
воздействует на битум аналогично кислороду (оба элемента входят в
одну группу системы Менделеева).
При смешении битума с серой необходимо остерегаться превышения
рабочих температур (выше 140— 150 °С) еще и потому, что сера явля­
ется горючим материалом, а вредные выделения вызывают коррозию
аппаратуры. При укладке асфальтобетона с добавкой серы необходи­
мо также принимать меры предосторожности, так как токсичные га­
зы — сероводород и двуокись серы (сернистый ангидрид) вызывают
головную боль, тошноту, имеют неприятный запах, раздражают сли204
зистую оболочку глаз, носа, горла, легких. Поэтому рабочим и, в
частности, водителям асфальтоукладчиков рекомендуется работать в
респираторах.
Добавление силиконов при смешении способствует прекращению
выделения токсичных веществ. Силиконы выполняют роль поверхно­
стно-активных веществ и облегчают объединение серы с битумом. Кро­
ме того, введение силиконов в количестве сотых долей процента от
массы битума облегчает приготовление асфальтобетонных смесей, их
укладку, улучшает стабильность смесей.
Комплексное сернобитумное вяжущее можно приготовить двумя
способами: 1) эмульгированием расплавленной серы в битуме в колло­
идной мельнице (зазор 0,04 см, частота вращения ротора 7000 об/мин,
температура 140— 150 °С, длительность эмульгирования 8 мин); 2)
простым смешением расплавленной серы и битума в заданных коли­
чествах и немедленной подачей этого материала на смешение с мине­
ральными компонентами асфальтобетона.
В США жидкую серу с температурой около 135 °С доставляют на
асфальтобетонный завод в автоцистернах (расстояние возки до 60 км).
Горячую серу перекачивают в котлы, где смешивают с горячим биту­
мом. В смеситель сернобитумное вяжущее вводят при температуре
135— 140 °С, т. е. на 10 °С ниже, чем при использовании битума без
добавки серы. Это позволяет на 10—20% сократить расход энергии на
нагревание смеси.
Разработана специальная установка для непрерывного смешения
битума с серой при производстве асфальтобетонной смеси. Основные
части этой установки: два насоса, непрерывно подающие жидкий би­
тум с температурой 121— 177 °С и жидкую серу с температурой 121 —
150 °С, а также смесительное устройство, позволяющее равномерно
распределить в битуме серу с образованием частиц размером 1—50 мкм.
В установке смонтированы контрольно-измерительные приборы, обес­
печивающие точную дозировку битума и серы и температуру готового
сернобитумного вяжущего в пределах 121— 154 °С. Содержание серы
в вяжущем может достигать 50—80%, содержание вяжущего в ас­
фальтобетонной смеси рекомендуют в пределах 5— 12% по массе.
Исследование свойств сернобитумных вяжущих не показало раз­
ницы в способах их приготовления. Так как способ смешения более
прост, чем эмульсионный, то он и принят для производства работ.
Вязкость сернобитумных вяжущих в интервале температур от 4 до
150 °С для битума с глубиной проникания 85/100 с различным содер­
жанием серы показана на рис. 8.2. Значения вязкости соответствуют
скорости сдвига 5 • 10~2 с-1 . Вязкость сернобитумных вяжущих за­
висит от температуры, содержания серы, марки битума. При высоких
температурах вязкость сернобитумных вяжущих, содержащих дис­
персную серу, ниже, чем битумов без добавки серы. Степень снижения
вязкости зависит от количественного содержания серы.
При эксплуатационных температурах сернобитумные вяжущие,
содержащие более 20% серы, имеют более высокую вязкость, чем би­
тумы. Повышение вязкости становится наиболее заметным в интер­
вале температур 25—60 °С. При 4 °С разница в вязкости битума и сер205
15000
/
- - 1
/
г
/
/
/
£
/
10000
- 5
/
У
'
I
^
2
* ----------- —
-О
■I
У '
5000
С
Ж
6- -------------------------
20
50
Содержание серы ,%
Рис. 8.2. Зависимость вязкости сер­
нобитумных
вяж ущ их
от темпе­
ратуры:
1 — би тум б е з д о б а в к и серы ; 2 — б и т у м с
20% серы ; 3 — б и ту м с 40% серы ; 4 — б и ­
т у м с 50% серы
Рис. 8.3. Зависимость модуля упру­
гости асфальтобетона от содерж ания
серы для разных битумов при тем пе­
ратуре от 10 д о 52° С:
1 — в я ж у щ е е н а о сн о в е б и т у м а Б Н Д 40/60
при 10° С; 2 — то ж е , при 24° С; 3 — то ж е ,
при 38° С; 4 — то ж е , при 52° С; 5 — в я ж у ­
щ е е на о сн о в е б и т у м а
Б Н Д 90 /1 3 0 при
10° С; 6 — то ж е , при 24° С; 7 — т о ж е , при
38° С
нобитумного вяжущего снижается. Эти данные показывают, что при
технологических температурах (смешения, укладки смеси) битум раз­
мягчается диспергированной в нем серой, однако при охлаждении она
затвердевает и вязкость увеличивается в зависимости от количества
кристаллизующейся серы. Введение серы приводит к повышению эф­
фективности смешения и укладки асфальтобетонных смесей. Битумы
и сернобитумные вяжущие при 90 °С близки по свойствам к ньютонов­
ским жидкостям, однако при 25 °С битумы и сернобитумные вяжущие
проявляют неньютоновские свойства, причем степень отклонения от
ньютоновского типа течения не зависит от содержания серы. Значения
модулей упругости асфальтобетонов при 20 °С в зависимости от содер­
жания серы показаны для двух марок битума при разных температу­
рах от 10 до 52 °С на рис. 8.3. С увеличением содержания серы модуль
упругости асфальтобетона значительно возрастает.
Деформативность при изгибе (максимальный прогиб при разруше­
нии) понижается с ростом содержания серы в вяжущем до 40 и 50 % по
массе без увеличения общего содержания вяжущего. Так как величи­
на деформации изгиба характеризует склонность материала к хруп­
кому разрушению и является важной характеристикой при проекти­
ровании смесей для предотвращения образования трещин на покры206
тии, то рекомендуется проектировать смеси так, чтобы содержание
серы в вяжущем было на уровне, необходимом для получения доста­
точно прочного материала, однако без снижения его деформативности
при изгибе, т. е. содержание серы должно составлять 20—30%. И зу­
чение влияния концентрации серы на свойства смесей «термопав» по­
казало, что применение больших количеств серы при соотношении се­
ра: битум, равном 1, позволяет получать литые смеси со значительно
отличающимися физическими свойствами. Так, песчаный асфальто­
бетон на битуме Б Н Д 130/200 без серы имеет относительно невысокую
деформационную устойчивость. Добавление серы позволяет получить
асфальтобетоны с высокой устойчивостью. Нестандартные минераль­
ные материалы — морской песок и отходы карьеров известняка, по
зерновому составу не соответствующие оптимальному, дают смеси, ко­
торые после уплотнения отличаются высоким качеством.
Для асфальтобетона с серой оптимального состава (песок 80,5% ,
битум 6% , сера 13,5% по массе) динамический модуль упругости при
10 °С и частоте 50 Гц равен 7000 МПа, а коэффициент Пуассона —
0,28. Для сравнения модуль упругости асфальтобетона того же соста­
ва, но с вяжущим без серы в тех ж е условиях составил 1400 МПа, а
коэффициент Пуассона 0,40.
Введение серы несколько снижает теплопроводность асфальтобе­
тона (обычно на 20—30%).
Усталостная долговечность дорожных смесей при постоянных ус­
ловиях напряжений зависит от содержания серы. Обычный дорожный
асфальтобетон, приготовленный на известняковом щебне с 5,7% биту­
ма, имеет усталостную долговечность при 25 °С, равную 1 млн. цик­
лов (что эквивалентно 15 годам эксплуатации при среднем движении)
при постоянном уровне напряжений около 0,07 МПа. Асфальтобе­
тоны того ж е состава, приготовленные с применением сернобитумного
вяжущего, имеют такую ж е усталостную долговечность при более вы­
соком уровне напряжений (0,2— 0,3 МПа). Смеси на сернобитумном
вяжущем, имеющие улучшенные эксплуатационные характеристики,
дадут более долговечные покрытия или ж е позволят укладывать более
тонкие слои дорожного покрытия, в результате экономятся битум и
каменные материалы.
Усталостная долговечность асфальтобетонов на сернобитумных
вяжущих заметно возрастает с добавлением серы более 20% . Большее
увеличение долговечности может быть получено при том ж е содержа­
нии серы в случае применения битума с хорошей теплостойкостью.
Влияние добавки серы на температурную зависимость модуля уп­
ругости показано на рис. 8.4, где нижняя пунктирная линия характе­
ризует смеси, оптимальные для применения при низких эксплуатаци­
онных температурах, т. е. с достаточно низким модулем упругости,
позволяющим противостоять низкотемпературному растрескиванию,
но недостаточно устойчивые к работе при повышенных температурах.
Верхняя пунктирная линия характеризует смеси, оптимальные для
применения при повышенных эксплуатационных температурах. Сплош­
ная линия характеризует смеси, которые могут рассматриваться как
207
оптимальные при эксплуатации в
условиях как низких, так и высо­
ких температур.
При низких температурах сме­
си на основе жидкого битума с
§.§' 50% серы имеют характеристики,
«7*^ 5 ; аналогичные обычным смесям на
жидком битуме без серы, а при высоких температурах смеси на осно­
ве жидкого битума с добавкой 50 %
серы имеют модуль упругости в
пределах, характерных для обыч­
ных смесей на вязком битуме ти­
па Б Н Д 40/60. Таким образом,
-зо -го -ю о ю го 30 40
Температура, °С
смесь на жидком битуме с 50 % се­
ры будет давать меньше трещин,
Рис. 8.4. Влияние добавки серы на
чем обычная смесь на битуме типа
температурную зависимость м одуля
Б Н Д 40/60 при низких температу­
упругости асфальтобетонов на разных
^вяжущих:
рах, и иметь большую прочность
/ — б и т у м 40/50: 2 — б и т у м 300/400; 3 —
и стабильность при высоких тем­
б и т у м 300/400 с 50% серы ; 4 — б ы стр ое н а ­
г р у ж е н и е (д в и ж е н и е ); 5 — м е д л е н н о е н а ­
пературах.
г р у ж е н и е (т ем п ер а т у р а )
Модуль упругости асфальтобе­
тонов на сернобитумном вяжущем,
как и на битуме, понижается с повышением температуры. Однако ас­
фальтобетон на сернобитумном вяжущем при низких температурах
имеет несколько более высокий модуль упругости, чем обычный ас­
фальтобетон. С повышением температуры снижение значений модуля
упругости для асфальтобетона на сернобитумном вяжущем не так за­
метно, как для обычного асфальтобетона на битуме. Асфальтобетон на
сернобитумном вяжущем имеет более высокий модуль упругости при
повышенных температурах. Чем выше модуль упругости, тем меньше
может быть толщина слоя покрытия, что обеспечивает значительную
экономию материалов. Насыщение водой под вакуумом и заморажива­
ние-оттаивание оказывают меньший отрицательный эффект на асфаль­
тобетон с сернобитумным вяжущим, чем на обычный асфальтобетон.
После выдерживания в воде сернобитумный асфальтобетон показы­
вает очень малое водопоглощение и небольшое увеличение модуля уп­
ругости, а замораживание и оттаивание вызывает незначительное сни­
жение модуля упругости.
Отмечено, что склонность к нарушению сцепления пленки вяж у­
щего с поверхностью каменного материала под действием воды значи­
тельно снижается при введении в битум добавки серы. Результаты
определения устойчивости вяжущего к воздействию воды приведены в
табл. 8.6.
Результаты показывают, что сцепление пленки вяжущего с квар­
цевым песком при выдерживании в воде при 60 °С значительно
улучшается при добавлении серы в вяжущее. Сернобитумные вя­
жущие значительно повышают морозостойкость асфальтобетона
(табл. 8.7).
208
Т а б л и ц а 8.6
В я ж у щ е е , о ст а в ш е еся н а к ам ен н о м м а т ер и а л е, %
Д л и т ел ь н о ст ь
в ы д ер ж и в а н и я
в в о д е при 60° С,
мин
15
30
45
60
240
Б итум Б Н Д
130/200
С ер а 40% +
б и т у м 60%
80
75
75
70
55
90
90
85
80
80
С ер а 50% +
б и т у м 50%
95
95
95
90
90
Таблица
8. 7
М е л к о зер н и ст ы й а сф а л ь т о б ет о н
П о к а за т ел и
на би тум н ом
вяж ущ ем
на сер н о б и ту м н о м
вяж ущ ем
Плотность, г/см 3
М одуль упругости в сухом состоянии
при 20° С, М Па
М одуль упругости в водонасыщенном
состоянии, М П а
М одуль упругости после 10 циклов
замораж ивания-оттаивания, М П а
2,34
2,37
750
1820
480
1680
250
1430
Асфальтобетоны на сернобитумном вяжущем показывают повы­
шенную устойчивость к действию моторных топлив и масел. Покры­
тия из смесей с вяжущими, содержащими добавки серы, рекомендует­
ся устраивать на площадках обслуживания самолетов, стоянках ав­
томобилей, в гаражах, на автозаправочных станциях и т. п. Серу мож­
но использовать для восстановления свойств старого асфальтобетона.
Она способна снижать вязкость нагретых сернобитумных вяжущих
и повышает модуль упругости возобновленного асфальтобетона после
укладки.
Серу и битум вводят в старую асфальтобетонную смесь как отдель­
но, так и в виде сернобитумного вяжущего. Влияние добавок серы, но­
вого битума и пластификатора на свойства старого асфальтобетона
представлено в табл. 8.8. Применение серы в качестве размягчающего
Таблица
8.8
С о д е р ж а н и е д о б а в к и , % по м а ссе
серы
0
0
1,25
1,25
н ов ого
битум а
0
1,0
0,25
0
пластиф ика­
т ор а
0
0,5
0
0
М одуль
у п р у го с т и ,
МПа
3
6
12
13
400
700
650
650
П л о т н о ст ь,
г /с м 3
П о р и сто сть,
%
2,288
2,340
2,330
2,349
6,8
0,6
2,8
3,2'
209
реагента для восстановления битума приводит к экономическому эф­
фекту и увеличивает срок службы дорожных покрытий. При этом сера
заменяет ароматические углеводороды, которые обычно применяют в
качестве пластификатора при восстановлении свойств битумов в до­
рожных покрытиях. Сера, являясь неорганическим веществом, прак­
тически не стареет. Основной проблемой при добавке серы в случае
обновления старого битума является недопущение выделения вредных
газов, образующихся при нагревании. Так как выделение газов начи­
нается при температуре выше 150 °С, а плавление серы наступает в
интервале температур от 121 до 149 °С, то следует строго соблюдать
температурный режим.
Ремонт с применением сернобитумного вяжущего выполняли на
опытных участках дорожных покрытий в США с использованием сме­
сей следующего состава: битум (с глубиной проникания 60— 70) 6%,
сера 17%, песок 77%. Исходные материалы нагревали до 150° С, за­
тем смешивали песок с битумом в течение 20 с, после чего добавляли
серу и перемешивали еще 30 с. Использование такого материала по­
зволяло исключить работы по уплотнению. Материал отличался вы­
сокой прочностью, водо- и маслостойкостью.
Серу используют для устройства термоизоляционных слоев дорож­
ных одежд, причем смешение выполняют непосредственно на месте
работ. Для устройства термоизоляционных слоев расплавленную серу
смешивают с пенообразующим агентом. Уложенный в жидком виде на
грунт материал застывает в течение нескольких минут. В слое 10— 15 см
пенообразный материал приобретает достаточную прочность пример­
но за 12 ч. Его укладывают для устройства термоизоляционных слоев
дорожных одежд на тех участках, где имеется опасность морозного
пучения, а также в районах вечной мерзлоты в целях предотвращения
оттаивания грунта. По данным испытаний 1 см слоя вспененной серы
эквивалентен по своим термоизоляционным свойствам слою гравия
толщиной 12 см. Расход материала составляет 62,5 т на 1 км дороги
при ширине 6,1 м. Опыт устройства термоизоляционных слоев имеет­
ся в Канаде и Финляндии.
Изучение сернобитумных вяжущих выявило ряд преимуществ,
достигаемых при использовании их в асфальтобетоне: применение серы
позволяет заменить значительное количество битума в составе вяжу­
щих при приготовлении дорожных асфальтобетонных смесей; для при­
готовления смесей можно широко применять местные каменные мате­
риалы (более низкого качества) и мелкие пески; могут быть использо­
ваны менее вязкие битумы с целью снижения возможности трещинообразования покрытий и одновременного достижения их сдвигоустойчивости при повышенных температурах; при приготовлении и приме­
нении асфальтобетонных смесей на сернобитумных вяжущих можно
использовать обычное технологическое оборудование, смесители, ук­
ладчики, катки; покрытия, построенные с применением сернобитум­
ных вяжущих, имеют лучшие усталостные характеристики, более ус­
тойчивы к воздействию воды, моторных топлив и масел, заморажива­
нию-оттаиванию; использование добавки серы позволяет вести уклад­
ку смесей при температурах на 30 °С ниже, чем для обычных асфаль210
тобетонных смесей (уплотнение можно вести также при более низких
температурах, что позволяет экономить энергетические ресурсы);
наиболее эффективно применение сернобитумных вяжущих для про­
изводства асфальтобетонных смесей низких марок при широком исполь­
зовании местных минеральных материалов, жидких остаточных биту­
мов и гудронов; введение серы в битум повышает модуль упругости
асфальтобетонов, что позволяет укладывать более тонкие слои; сер­
нобитумные вяжущие повышают долговечность дорожных покрытий,
улучшают качество регенерированного асфальтобетона.
Серу можно использовать и для улучшения реологических свойств
каменноугольных дегтей и смол. Химическое взаимодействие между се­
рой и каменноугольной смолой или маловязким дегтем начинается при
температуре 150 °С, а с более вязким дегтем при 180 °С, при этом вы­
деляется значительное количество сероводорода, вязкость материала
значительно возрастает. При температуре 120— 150 °С сера практичес­
ки не взаимодействует со смолой или дегтем, частично растворяется в
них, улучшая теплоустойчивость. Вместо серы можно использовать
побочные продукты производства, например серный шлам.
Наряду с рассмотренными видами комплексных вяжущих в до­
рожном строительстве могут быть использованы разнообразные вя­
жущие композиции. Их применение позволяет решать две основные
задачи: получение вяжущих с заданными свойствами и повышение
эффективности строительства за счет использования разнообразных
местных материалов и отходов промышленности. Комплексные орга­
нические вяжущие являются, таким образом, перспективным видом
материалов, для широкого внедрения которых требуется организация
их промышленного производства. Можно применять комплексные вя­
жущие, содержащие нефтяные и природные битумы, каменноуголь­
ные и сланцевые вяжущие, разнообразные термопластичные органи­
ческие отходы промышленности и продукты переработки вторичного
сырья. Состав композиций подбирается в зависимости от требований,
предъявляемых к вяжущему с учетом совместимости компонентов,
эффективности их использования, технологичности приготовления
и применения вяжущих.
Глава 9
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
9.1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩ ИХ
МАТЕРИАЛОВ
Оценка качества органических вяжущих осуществляется на осно­
вании определения показателей их технологических и эксплуатацион­
ных свойств и сопоставления указанных показателей с требованиями,
предъявляемыми для конкретных условий применения. Оценка ка­
чества может быть сравнительной, когда комплекс показателей свойств
конкретного органического вяжущего сравнивается со свойствами дру­
гого органического вяжущего (эталона), например нефтяного битума.
Оценка качества может осуществляться также применительно к кон­
кретным условиям использования, когда комплекс показателей
свойств вяжущего сравнивается с требованиями для данных условий
применения.
Основными характеристиками качества органических вяжущих
являются: адгезионные свойства, определяющие сцепление вяжущих
с минеральными материалами; реологические свойства, определяю­
щие технологические и эксплуатационные параметры деформативности и прочности; физико-химические свойства, определяющие устойчи­
вость к воздействию погодно-климатических и эксплуатационных фак­
торов в течение срока службы (устойчивость к тепловому и радиаци­
онному старению, водостойкость, биостойкость и др.).
При этом органические вяжущие должны отвечать всему комплек­
су технологических и эксплуатационных требований, предъявляемых
в дорожном строительстве. Органические вяжущие различного про­
исхождения требуют некоторых дополнительных испытаний, специ­
фических для данного вида вяжущего, и могут иметь различные зна­
чения показателей основных свойств вследствие различий в составе и
структуре, механизме взаимодействия с минеральными материалами,
термоокислительной стабильности и т. д.
Для каждого конкретного вида органического вяжущего при со­
вершенствовании методов оценки качества и требований надо прежде
всего учитывать опыт их практического применения. При этом должны
учитываться требования, предъявляемые к асфальтобетонам, дегтебе­
тонам и другим конгломератным материалам, а также эксплуатацион­
ные требования к конструктивным слоям дорожных одежд в целом,
212
Методы испытаний вяжущих различного происхождения должны
быть по возможности унифицированы, однако система оценки и тре­
бования к качеству должны учитывать специфику их свойств.
Наиболее распространенной является система оценки качества и
требований, предъявляемых к нефтяным битумам. Они могут быть при­
няты за основу при разработке методов оценки качества и требований
к другим видам органических вяжущих.
Оценка качества органических вяжущих должна базироваться на
единой системе взаимосогласованных методов, опирающихся на опре­
деление показателей, необходимых для принятия проектных, техноло­
гических и эксплуатационных решений. Методы определения требуе­
мых показателей должны быть доступны для производственных лабо­
раторий. Определение показателей качества вяжущих и материалов
на их основе включает ряд условных методов испытаний, не корреспон­
дирующихся с условиями работы в процессе эксплуатации. Так, на­
пример, прочность асфальтобетона определяют при сжатии со скоро­
стью 3 мм/мин, тогда как критериями прочности асфальтобетонного
покрытия являются прогиб и растяжение при изгибе под действием
расчетной нагрузки, причем скорость деформирования покрытия при
проезде автомобиля составляет 250—500 мм/мин.
Прочностные свойства битумов определяют растяжением при ско­
рости 50 мм/мин. Такие испытания битумов, как определение глу­
бины проникания иглы и температуры размягчения по условиям де­
формирования в процессе испытания, не имеют связи с эксплуатаци­
онными условиями работы битумов в дорожных конструкциях. Не­
согласованность в методах оценки качества применяемых материалов
и отсутствие четкой связи между условиями работы в процессе испыта­
ния и в реальных условиях эксплуатации служат причиной недоста­
точно обоснованного назначения требований к различным материалам
и выбора области их применения.
Непосредственная связь между качеством вяжуших и покрытия до
тех нор не может быть установлена на основе инженерных расчетов
(а только эмпирически), пока свойства вяжущих оцениваются в одних
условных показателях, а свойства полученных с их применением ма­
териалов в других.
Условность методов оценки качества органических вяжущих и ас­
фальтобетонов или других конгломератов и отсутствие связи между
ними и эксплуатационными режимами работы материалов ограничи­
вают возможность прогнозирования поведения их в различных усло­
виях и осложняют выбор эффективных и рациональных проектных и
технологических решений в дорожном строительстве. Условные ме­
тоды оценки не дают возможности непосредственного выбора парамет­
ров, необходимых для расчетов при проектировании конструкции до­
рожных одежд.
Помимо условности методов оценки качества вяжущих и бетонов,
существенным недостатком является то, что они не согласованы между
собой как по температурному режиму испытания, так и по режимам
деформирования, т. е. не представляют собой единой системы оценки
качества. Так, определение таких показателей свойств битумов, как
213
глубина проникания и растяжимость, предусматривается при 25° С,
а определение прочности асфальтобетонов — при 20 °С. Прочностные
показатели битума определяют в режиме растяжения (определение
растяжимости), тогда как прочность асфальтобетонов определяют при
сжатии.
Серьезным недостатком является то, что методы испытаний и тре­
бования к различным видам органических вяжущих не согласованы
между собой. Назрела необходимость отказаться от условных и не­
согласованных оценок качества вяжущих.
Д ля оценки деформативных и прочностных свойств органических
вяжущих лучше всего определить их вязкость (марку), интервал плас­
тичности (теплоустойчивости), растяжимость и стабильность свойств.
Д л я определения вязкости нужен метод, доступный для применения в
производственных лабораториях и позволяющий оценивать вязкость
в физических единицах, принятых в инженерных расчетах. Теплоус­
тойчивость вяжущих можно контролировать определением вязкости
при двух температурах.
Растяжимость вяжущих необходимо контролировать путем опре­
деления предельной деформации удлинения образца при растяжении
в условиях, корреспондирующихся с режимом деформирования биту­
ма в процессе эксплуатации.
Стабильность свойств вяжущих при прогреве надежно определя­
ется по изменению вязкости после выдерживания при температуре,
рекомендуемой для смешения с каменным материалом. Определение
вязкости органических вяжущих даст возможность перейти от условных
методов испытаний к более объективной оценке их физического состоя­
ния и сопоставлять разные виды вяжущих, что не позволяет сделать,
например, принятая в настоящее время система характеристик кон­
систенции по глубине проникания иглы или по показателю условной
вязкости.
Исследования показывают, что для оценки зависимости вязкости
органических вяжущих от температуры и длительности действия на­
грузки может быть применена интегральная функция нормального рас­
пределения. Ее использование дает возможность определить вязкость
при любой температуре, если известна вязкость при двух каких-либо
температурах. Отсюда следует, что методика должна предусматривать
контроль вязкости вяжущих при двух температурах, например 60 и
25 °С. Это даст возможность определить основные реологические ха­
рактеристики вяжущего, по которым можно найти вязкость при любой
температуре.
Для широкого внедрения в производственных дорожных лабора­
ториях системы контроля качества вяжущих по их вязкости имеется
простой и оперативный метод определения вязкости, не требующий
сложного оборудования (см. гл. 2).
Вязкость вяжущих необходимо учитывать при контроле сцепления
с минеральными материалами. В настоящее время для характеристи­
ки сцепления битумов с минеральными материалами используют ус­
ловные методы оценки активного или пассивного сцепления, основан­
ные на воздействии кипящей воды. При этом продолжительность ки214
пячения принята для битумов вязкой консистенции 30 мин, а для би­
тумов жидкой консистенции 3 мин.
Несмотря на условность метод доступен для проведения в полевой
лаборатории, что дает ему определенные преимущества по сравнению
с перспективными, но более сложными методами, например воздейст­
вием ультразвука.
Вместе с тем анализ метода кипячения показывает, что энергия,
необходимая для деформирования пленок вяжущего и их отделения
от минеральной поверхности, пропорциональна вязкости материала
при температуре испытания. В связи с этим вяжущие, имеющие раз­
личную консистенцию, например битумы Б Н Д 40/60 и Б Н Д 200/300,
различающиеся по вязкости в 15—20 раз, при одинаковой длительности
кипячения находятся в неравных условиях и, следовательно, оценка
сцепления более вязких битумов будет завышенной по сравнению с
менее вязкими битумами того ж е класса. Это указывает на необходи­
мость введения дифференцированных норм в отношении длительности
кипячения вяжущих разных марок. Исследования показали, что зави­
симость требуемой длительности кипячения от вязкости вяжущего мо­
жет быть выражена эмпирическим соотношением
*= а
где
Юг).
а—
1,5;
г\ — вязкость в я ж ущ его при 60° С, Па - с .
Рекомендуемая продолжительность кипячения в зависимости от
марки битума:
М арка битума .
. БНД
4 0 /6 0
П родолж итель­
ность
кипяче­
ния, мин . . .
30
БНД
6 0 /9 0
23
БНД
90/130
БНД
130/200
БНД
2 0 0 /3 0 0
МГ
130/200
17
12
9
7
МГ
7 0 /1 3 0
5
Определение сцепления с минеральными материалами необходи­
мо для всех органических вяжущих (применяемых и новых).
Требуется уточнение методики определения растяжимости до­
рожных вяжущих с целью согласования режима работы материала в
процессе испытания с характерными режимами работы его в дорожном
покрытии.
Известно, что развитие трещин в асфальтобетоне начинается в рас­
тянутой зоне вследствие превышения предела деформативной способ­
ности материала при растяжении, причем разрыв происходит преиму­
щественно по битуму. В связи с этим объективная оценка деформатив­
ной способности вяжущих при растяжении имеет первостепенное зна­
чение для обеспечения требуемой прочности покрытия. Д ля использо­
вания критерия предельной деформации вяжущих при растяжении в
оценке прочности и деформативной способности материала покрытия
необходимо выражать этот критерий в виде предельной относительной
деформации екр, а не предельной величины растяжения образца Д .
Величина екр может быть вычислена по результатам испытания на
растяжимость образцов вяжущих исходя из эффективной начальной
длины образца Ь0 и конечной длины I в момент разрыва.
215
Требуемая растяжимость вяжущего может быть определена для
конкретных условий применения:
1йе =
\ар/Е р +
т
^ лр ,
где V — объемное содержание вяжущего в смеси;
Ор - расчетное напряжение в рассматриваемом слое дорожной конструкции;
Е р — расчетный модуль упругости данного слоя;
т — коэффициент усталости слоя;
Яр ■— число расчетных циклов воздействия нагрузки за срок службы.
В зависимости от климатических и эксплуатационных условий ра­
боты органических вяжущих в составе дорожной конструкции качество
их может быть различным. Так, интервал пластичности органических
вяжущих диктуется районом расположения дороги и конструктивным
слоем (покрытия или основания), в котором оно будет использовано.
В табл. 9.1 приведены данные об эксплуатационном диапазоне тем­
ператур, при которых работают органические вяжущие в конструк­
тивных слоях дорожных одежд в разных районах страны. Из табл. 9.1
следует, что вяжущие, имеющие малый интервал пластичности, могут
быть рекомендованы к применению при устройстве оснований, но они
неэффективны для устройства верхних слоев покрытий (особенно в
районах с континентальным климатом). Д ля оснований могут быть ре­
комендованы вяжущие, имеющие ограниченное применение по усло­
виям охраны окружающей среды. Д ля верхних слоев покрытий, сло­
ев износа следует применять вяжущие повышенного качества — неф­
тяные битумы улучшенных марок, битумы с добавками синтетических
смол или каучуков (для улучшения теплоустойчивости и адгезии).
В районах с влажным климатом особое внимание уделяется адге­
зионным характеристикам вяжущих. В теплом и влажном климате,
а также при необходимости устройства гидроизоляции сооружения
важна оценка биостойкости во всех дорожно-климатических зонах
строительства.
Таблица
В ер х н и й сл о й
покры тия
Район р асп олож е­
ния д о р о г и
Л енинград
Калининград
Москва
Свердловск
Новосибирск
Хабаровск
Владивосток
Волгоград
Краснодар
В оронеж
Красноярск
Тмакс
Гмин
АТ
45
54
52
53
55
59
52
70
73
60
54
— 17
— 12
—
— 25
-2 9
— 33
— 24
— 19
— 12
— 19
— 27
62
66
72
78
84
92
76
89
83
79
81
Н и ж н и й сл о й
пок р ы ти я
г макс | г мин | д т
32
34
33
34
34
35
33
38
38
36
34
— 17
— 12
— 20
— 25
— 29
-3 3
— 24
— 19
— 12
— 19
—27
49
46
53
59
63
68
57
57
50
55
61
П р и м е ч а н и е. 7м ак с — с р ед н я я н а и б о л ь ш а я т ем п ер а т у р а з а
н а и м ен ь ш ая т ем п е р а т у р а за год; А Т — ср ед н и й д и а п а з о н т ем п ер а т у р .
216
9.1
С лой о с н о в а н и я
Тмакс г мпн
23
23
23
23
21
23
22
23
23
23
21
год;
— 17
— 12
-2 0
— 25
— 29
— 39
— 24
— 19
— 12
— 19
— 27
АТ
40
35
43
43
50
56
46
42
35
42
48
7 м и н — ср ед н я я
9.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОХРАННОСТИ КАЧЕСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЯЖУЩ ИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ, ХРАНЕНИИ,
ПОДГОТОВКЕ К ПРИМЕНЕНИЮ
Принципы обеспечения сохранности качества вяжущих в дорожном
строительстве в основном опираются на опыт применения нефтяных
битумов. Все основные положения по транспортированию, хранению
и подготовке к применению в общем справедливы и для других орга­
нических вяжущих. Однако для каждого из них имеются специфичес­
кие особенности, обусловленные различием в свойствах и составе.
Несмотря на непрерывный рост производства нефтяных битумов
встречаются затруднения в обеспечении ими дорожно-строительных
организаций, что связано с необходимостью транспортировать этот
материал с крупных битумных установок (цехов) нефтеперерабаты­
вающих предприятий потребителям на большие расстояния. Транс­
портирование к месту потребления осуществляется нередко на расстоя­
ние 1000 км и более. Более 70% битумов, производимых на нефтепере­
рабатывающих предприятиях, вывозят железнодорожным транспор­
том на дальние расстояния.
Транспортируют нефтяные битумы в специальных железнодорож­
ных цистернах грузоподъемностью 50—60 т, бункерных полувагонах
грузоподъемностью 40— 60 т, в автогудронаторах с цистернами вмес­
тимостью 3600—7000 л или битумовозах с цистернами вместимостью
7000—22000 л. Эти транспортные средства имеют теплоизоляцию и
устройства для разогрева битума (паровые змеевики). Бункерные по­
лувагоны имеют двойные стенки для подачи пара (паровые рубашки).
Теплоизоляция цистерн обеспечивает сохранение температуры около
100 °С при температуре воздуха выше — 10 °С в течение 10 сут. При
температуре 80-—100 °С битум можно сливать. Из железнодорожных
цистерн битум сливают через специальное сливное устройство. Из
бункерных полувагонов битум выгружают опрокидыванием отдельно
каждого бункера на широкий лоток, откуда битум сползает в хранили­
ще. Из автоцистерн или битумовозов битум сливают самотеком через
патрубок или перекачивают насосом.
Транспортирование и хранение гудронов и сырья для производ­
ства битумов, поставляемого на локальные установки' потребителей,
осуществляется в соответствии с Государственным стандартом. Д опус­
кается отгрузка их в железнодорожные цистерны с парообогреваемой
рубашкой. По согласованию с потребителем разрешается отгрузка в
железнодорожные цистерны с универсальным сливным прибором или
сливным прибором других типов. Д ля обеспечения слива в холодную
погоду предусмотрены система паро- или электрообогрева, а также
слив под давлением (подача сжатого воздуха в цистерну).
Жидкие битумы, каменноугольные смолы и дегти транспортируют
так ж е, как гудроны или сырье для производства битумов. Сливать в
хранилища их можно без подогрева при температуре воздуха выше
10 °С, в холодное время их разогревают до температуры 40—50 °С.
От нефтеперерабатывающих предприятий в дорожные организации
битум может поступать круглогодично. В связи с этим строят битумные
217
базы с хранилищами большой емкости, достигающей иногда 50% го­
довой потребности в битуме.
Стационарные прирельсовые битумные базы оснащены хранили­
щами, установками для обезвоживания и нагревания битума до рабо­
чей температуры для отпуска к [местам потребления. При большом
расстоянии транспортирования битума к потребителю от прирельсо­
вой базы создают еще притрассовую базу вблизи потребителя.
При транспортировании, сливе и хранении битума возможен доступ
к нему влаги и пыли, следовательно, обводнение и загрязнение. Обез­
воживание битума производят при температуре около 100 °С в течение
длительного времени (5—20 ч). Нагревательные элементы в котле мо­
гут вызвать местный перегрев битума, причем наряду с большой затра­
той тепловой энергии на обезвоживание битума значительно ухудш а­
ются его свойства и в покрытие укладывается битум совсем не с теми
свойствами, которые он имел при отгрузке с нефтеперерабатывающего
предприятия (по паспорту). В связи с этим было организовано произ­
водство битумов на локальных установках потребителей. Преимущест­
вом их является то, что они работают в системе хозяйства потреби­
теля, а это снижает затраты на транспортирование, хранение и глав­
ным образом на подготовку к применению. Локальные установки бескомпрессорного типа имеют малую производительность (10— 15 тыс.
т/год), большую металлоемкость и недостаточно экономичны. Они
рассчитаны на удовлетворение одного потребителя. Сырье поступает
круглый год.
Подсчитано, что наиболее рациональной схемой снабжения биту­
мом дорожных организаций является строительство установок произ­
водительностью 150—200 тыс.т/год, снабжающих потребителей в ра­
диусе 300—400 км, с отгрузкой битума автобитумовозами.
При поставке с нефтеперерабатывающих предприятий битум пе­
ред применением в дорожном строительстве после слива в хранилище
подвергается тепловой обработке по этапам: подогрев в основной части
хранилища до 50— 60 °С, откуда битум самотеком поступает в приямок
хранилища; здесь его нагревают дополнительно до 80—90 °С и перека­
чивают насосом в битумоплавильную установку для обезвоживания и
нагрева до рабочей температуры. По нормам верхний предел темпера­
туры нагрева вязких битумов без ПАВ лежит в интервале 140— 160 °С
в зависимости от марки, а жидких 100— 120 °С. При технологической
обработке вязкие битумы с ПАВ не следует нагревать выше 130—
140 °С, а жидкие выше 70— 100 °С.
В условиях строительства битумы разогревают в больших объемах,
а расходуют порциями, в результате чего битум подвергается действию
указанных температур более 10— 12 ч, что весьма отрицательно сказы­
вается на его качестве.
При разогреве органических вяжущих важное значение имеет тем­
пература нагревательной поверхности. Если она ниже оптимальной,
то удлиняется время разогрева вяжущего. Слишком высокая тем­
пература приводит к закоксовыванию вяжущих на нагревательных
элементах. Асфальтены битумов начинают разлагаться при темпера­
218
турах выше 175—240 °С (в зависимости от происхождения). Поэтому
не следует допускать местный перегрев вязких битумов выше 240 °С.
Каменноугольные дегти и смолы хранят в закрытых хранилищах
раздельно по маркам. Каменноугольный пек, поступающий в гранули­
рованном виде или в кусках, хранят на складах постоянного или вре­
менного типа, а поступающий в жидком состоянии — в закрытых ем­
костях, оборудованных подогревом. Постоянные склады строят за ­
крытого типа, они должны обеспечивать сохранность пека без загряз­
нения и обводнения. Постоянный склад должен быть оснащен механи­
зированным оборудованием для загрузки, выгрузки и дозирования
пека. Временные склады пека устраивают открытого и закрытого ти­
пов. Временный склад открытого типа представляет собой ровную пло­
щадку хорошо уплотненного грунта и оборудованную навесом.
За рубежом обеспечение дорожных организаций битумом и другими
вяжущими, как правило, проводится по схеме, предусматривающей
доставку потребителям вяжущих автотранспортом, так как считается
нецелесообразным хранить большие запасы битума из-за значительных
затрат энергии на подогрев и ухудшения качества вяжущего при пов­
торных разогревах. Чаще всего практикуется хранение 1— 2-суточного
запаса в металлических емкостях на 300— 400 т или бочках. Имеется
опыт транспортирования битумов в контейнерах.
9.3. О ХРАН А ТРУДА ПРИ РАБОТАХ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЯЖУЩИМИ
МАТЕРИАЛАМИ
Все органические вяжущие материалы пожароопасны и токсичны.
Чем ниже температура начала кипения или температура вспышки ор­
ганического вяжущего, тем больше его пожаро- и взрывоопасность.
Наиболее токсичными из всех органических вяжущих являются
каменноугольные пеки, дегти, смолы. Несколько менее токсичны
сланцевые вяжущие, некоторые побочные продукты промышленности
синтетических смол, каучуков, волокон.
При работе с органическими вяжущими следует руководствовать­
ся указаниями СНиП 3-4-80 «Техника безопасности в строительстве»,
«Правилами техники безопасности при строительстве, ремонте и со­
держании автомобильных дорог» (1980 г.), «Правилами по технике
безопасности и производственной санитарии при строительстве и ре­
монте городских дорог и работе на асфальтобетонных заводах и произ­
водственных базах дорожных организаций», «Типовой инструкцией по
охране труда нри работе с каменноугольными пеками» (1981 г.), а так­
ж е требованиями по охране труда, содержащимися в технических у с ­
ловиях на различные виды вяжущих.
Вследствие токсичности и пожароопасности органических вяжу­
щих необходимо очень строго выдерживать температурные режимы,
проверять исправность и герметичность всех аппаратов, трубопрово­
дов и контрольно-измерительных приборов, тщательно соблюдать
правила безопасной работы, установленные соответствующими норма­
тивными документами.
219
Нефтяные битумы, гудроны, сырье для производства битумов, вя­
жущие каменноугольного и сланцевого происхождения, побочные про­
дукты промышленности, используемые в дорожном строительстве —
все являются горючими материалами. Температура вспышки гудронов
и сырья для производства битумов 180—200 °С, а температура воспла­
менения несколько выше 300 °С. Жидкие битумы и разжижители,
пластификаторы и некоторые побочные продукты коксохимической
промышленности имеют температуру вспышки 60—70 °С. Это требует
очень тщательного соблюдения противопожарных мероприятий.
Хранилища для жидкого топлива и разжижителей располагают на
расстоянии не менее 50 м от битумохранилища и битумоплавильной
установки, административное здание, лабораторию, столовую — на
расстоянии не менее 100 м с наветренной стороны.
Котел для разжижения битума устанавливают не ближе 30 м от об­
щей установки. Запрещается разжижать битум в одном из свободных
котлов битумоплавильной установки. При разжижении битума лиг­
роином, керосином или другими разжижителями необходимо прини­
мать меры предосторожности против их воспламенения. Разжижать
битумы допускается только в дневное время и под руководством ответ­
ственного лица.
Подогревать разжиженный битум можно только паром, а вводить
разжижитель в горячий битум только через шланг, опустив конец
его в битум.
Емкость, из которой перекачивается насосом разжижитель, уда­
ляют от котла не менее чем на 10 м. Запрещается курить вблизи котла
или пользоваться открытым огнем.
При производстве битумов на локальных установках потребителей,
особенно на установках бескомпрессорного типа, сырье (гудрон), би­
тум и газы окисления нагреваются в реакторе до 240 °С, что значитель­
но превышает температуру их вспышки. Особую опасность представ­
ляют газы окисления, способные воспламеняться в смеси с воздухом
при любых температурах. Возможность загорания гудрона, битума,
газов окисления в реакторе снижается при уменьшении содержания
кислорода в атмосфере реактора и присутствии паров воды до 22%.
В реакторах непрерывного действия содержание кислорода в от­
ходящих газах окисления не превышает 4%, а в реакторах периоди­
ческого действия по мере окисления гудрона содержание кислорода в
газах окисления увеличивается до 16%. Поэтому реакторы периоди­
ческого действия более взрывоопасны в конечной стадии окисления.
Для обеспечения охраны труда, предотвращения загорания и взры­
ва продукта в котлах и реакторе необходимо контролировать и регули­
ровать температуру продукта в котлах, реакторе, печи дожита, а так­
ж е содержание кислорода в отходящих газах.
Окислительная установка должна быть оборудована предохрани­
тельными взрывоопасными клапанами; к ней следует подвести острый
пар для пожаротушения.
В целях предупреждения выброса продукта из котла или реактора
во время обезвоживания гудрона или битума необходимо в котлах под­
держивать непрерывную циркуляцию для выравнивания температуры
220
массы во всем объеме. При загорании небольших количеств гудрона
или битума очаг пожара следует тушить песком, специальными по­
рошками, пенным огнетушителем, паром, тонкораспыленной водой.
Пожары, развившиеся на большой площади, тушат пенной струей или
мощными струями тонкораспыленной воды. При загорании гудрона,
битума в аппаратах или хранилищах в них надо подать острый пар.
Чистить битумные котлы следует через очистные люки скребками.
Спуск рабочих в котлы допускается в исключительных случаях после
полного их остывания. При этом рабочие должны пользоваться бре­
зентовыми костюмами, предохранительными очками, а при необходи­
мости и противогазами. Работу внутри котла должны выполнять под
наблюдением ответственного лица.
Д ля освещения в котле следует пользоваться низковольтной акку­
муляторной или переносной лампой напряжением 12 В.
Лицам, занятым разжижением битума, следует находиться с навет­
ренной стороны от котла, применять индивидуальные средства защи­
ты — респираторы, очки.
Сланцевые вяжущие относятся к разряду умеренно токсичных ве­
ществ, раздражают кожу, а при длительном воздействии вызывают дер­
матиты и экзему. Предельно допустимая концентрация паров сланце­
вых смол и битумов по фенолам равна 5 мг/м3, а по углеводородам —•
300 мг/м3. Температура вспышки сланцевых битумов составляет 140—•
160 °С.
Фенольноформальдегидные и карбамидные смолы, фурфурол об­
ладают раздражающим действием на кожу, вызывая дерматиты, эк­
земы. Они раздражают слизистую оболочку глаз и верхних дыхатель­
ных путей.
Спецодежда и обувь, защитные очки выдаются на определенный
срок. Не реже одного раза в две недели спецодежду стирают. В темное
время суток запрещается обслуживание битумной базы или установки
без специального искусственного освещения. Принимать пищу непос­
редственно на рабочем месте запрещается. По окончании смены рабоче­
му рекомендуется принять душ и переодеться в другую одежду.
Лица, работающие с ПАВ, также обеспечиваются спецодеждой и
защитными приспособлениями. Для предохранения глаз, кожи лица,
органов дыхания необходимо пользоваться очками в кожаной оправе
или герметичными очками в резиновой оправе и универсальным респи­
ратором.
Рабочие должны быть проинструктированы, а средства защиты
проверены. Не допускаются к работе лица, не имеющие спецодежды и
средств индивидуальной защиты. Спецодежду следует хранить отдель­
но. Бывшую в употреблении спецодежду необходимо выдавать только
после санитарной обработки.
Каменноугольные дегти, пеки, смолы являются наиболее токсич­
ными материалами из всех органических вяжущих, поэтому, помимо
общих требований по охране труда, при работе с ними необходимо со­
блюдать требования, обусловленные их токсичностью, предусмотрен­
ные правилами безопасности в коксохимической промышленности.
221
Все лица, направляемые на работу с каменноугольными вяжущи­
ми, должны пройти медицинское освидетельствование, а страдающие
кожными болезнями, заболеваниями глаз, носоглотки, имеющие
легкие ранения на руках и лице, к работам с дегтевыми и пековыми
материалами не допускаются. Отравления и кожные поражения мо­
гут возникнуть вследствие действия пековой пыли и паров расплав­
ленного пека или дегтя. Токсические действия пека проявляются в
большей степени при солнечном свете и уменьшаются в темноте.
Если при действии пека на кожу появляются покраснения откры­
тых частей тела, чувство жжения на коже и в глазах, раздражение верх­
них дыхательных путей, работы необходимо прекратить. Предельно
допустимая концентрация (ПДК) пыли и паров пека в воздухе рабочих
помещений 0,5 мг/м3. Погрузочно-разгрузочные работы с пеком долж ­
ны быть максимально механизированы, их следует производить ночью
или в пасмурную погоду, брать пек непосредственно руками, даже в
рукавицах не разрешается. Ручки инструмента следует содержать в
чистоте. Открытые части тела рабочих должны быть подвергнуты сани­
тарной обработке наложением до начала работы специальной пасты
на лицо и тело густым слоем с присыпкой белой пудрой. Следует про­
верять чистоту одежды и стекол защитных очков.
После работы рабочие обязаны мыться теплой водой, протирать
лицо и руки ватой, смоченной в спирте или одеколоне, лицо припудри­
вать белой пудрой, а руки тальком. Для снятия следов дегтя с тела
следует применять вазелиновое масло (но не вазелин). При ожогах
деготь снимают с тела керосином, после чего делают примочку или
ванночку из слабого раствора марганцовокислого калия.
Спуск рабочих в варочные котлы для их очистки после приготов­
ления дегтя, смолы, дегтебитумных и комплексных вяжущих разре­
шается только в противогазах после полного охлаждения котла при
обеспечении страховки. В составе бригады должно быть не менее 3
чел., из которых двое обязаны быть наверху.
Все лабораторные работы с пеком, смолой, дегтем, дегтебитумными
и комплексными вяжущими следует выполнять в вытяжных шкафах.
На базе должен быть душ с горячей и холодной водой.
Спецодежду требуется хранить в специальных шкафах и стирать не
реже 1 раза в неделю.
При приготовлении и применении вяжущих с добавкой серы необ­
ходимо соблюдать особые меры предосторожности, так как при темпе­
ратуре выше 149 °С образуются токсичные газы — сероводород и дву­
окись серы. Сероводород вызывает головную боль, тошноту, имеет не­
приятный запах. Двуокись серы раздражает слизистые оболочки, поэ­
тому нельзя допускать нагрева сернобитумных вяжущих при их при­
менении выше 150 °С, а рабочим следует пользоваться респираторами
и защитными очками. Введение силиконов способствует прекращению
выделения токсичных веществ.
Д ля подавления выделения сероводорода и Б 0 2 можно использо­
вать также С пС 03 (0,1— 1,0% от массы смеси), РеС136Н 20 0,1%,
Ре (3 0 4)з 0,1% , гидрохинон 0,1% и некоторые другие вещества.
222
Котлы для разогрева требуется снабж ать противопожарным
оборудованием. За состоянием всего оборудования — котлами, при­
ямками, мерниками, трубопроводами, контрольной аппаратурой
долж ен быть установлен строгий технический надзор. О собое вни­
мание долж но быть обращено на состояние противопожарных
средств, средств индивидуальной защиты, наличия средств первой
помощи при ожогах, отравлениях, травмах.
При работах с олигомерами, полимерами, побочными продукта­
ми нефте-, коксо-, лесохимии ч других отраслей промышленности
следует учитывать специальные правила техники безопасности и
охраны труда, разработанные для областей промышленности, вы­
рабатывающих указанные продукты. Соблюдение правил охраны
труда, контроль выполнения этих правил должны проводиться по­
стоянно и на всех уровнях. Д ля обеспечения санитарно-техниче­
ских и санитарно-гигиенических мероприятий долж ен быть уста­
новлен строгий санитарный контроль, а все работающие с вредны­
ми веществами проходить периодический медицинский контроль.
ЗАКЛЮ ЧЕНИ Е
Дорожные покрытия, устраиваемые с применением органических
вяжущих, обладают высокими технико-эксплуатационными качества­
ми и наиболее полно отвечают требованиям современного автомобиль­
ного движения.
Применение органических вяжущих в дорожном строительстве весь­
ма перспективно в связи с тем, что энергозатраты при их производстве
и использовании почти в 10 раз меньше, чем при производстве и ис­
пользовании минеральных вяжущих, в частности цемента. Таким об­
разом, с позиций экономного расходования энергоресурсов предпоч­
тение следует отдавать органическим вяжущим.
Краткое изложение имеющихся сведений о нефтяных и природных
битумах, каменноугольных дегтях, вяжущих из побочных продуктов
промышленности и вторичных ресурсов, применяемых в строительстве
автомобильных дорог в нашей стране и за рубежом, не позволило охва­
тить более детально всего разнообразия видов органических вяжущих,
дать подробные характеристики свойств, описание приемов технологи­
ческих процессов их получения и применения.
Сделанные обобщения теоретических положений о структуре и свой­
ствах органических вяжущих полезны при разработке новых видов
материалов, получаемых из местного сырья и побочных продуктов про­
мышленности, при сравнительной оценке их качества. Стандартные
методы испытаний и ряд специальных новейших методов, применяемых
при научных исследованиях материалов, сведения о технических нор­
мативных документах на вяжущие, разработанных в нашей стране и
за рубежом, достаточно известны и не нуждаются в подробном изло­
жении.
Основные направления работ в области развития применения ор­
ганических вяжущих в настоящее время:
расширение их ресурсов и изыскание возможностей частичной за­
мены нефтяного сырья, удовлетворения растущих потребностей до­
рожного строительства;
повышение качества применяемых органических вяжущих;
принятие оптимальных решений при их выборе и использовании
в зависимости от конкретных климатических и эксплуатационных ус­
ловий работы в конструктивных слоях дорожных одежд с учетом не­
стационарного характера изменения свойств материалов в процессе
эксплуатации.
Имеющиеся сырьевые ресурсы достаточны для обеспечения потреб­
ности дорожного строительства в вяжущих. К числу наиболее перс­
пективных работ в области освоения ресурсов органических вяжущих
относятся: решение вопросов использования природных битумов, би­
224
тумсодержащих пород и тяжелых нефтей; разработка технологии
производства дорожных вяжущих терморастворением и термопласти­
фикацией ископаемых углей и горючих сланцев; развитие использо­
вания побочных продуктов промышленного производства синтетических
каучуков, смол, волокон, нефтехимии, коксохимии, целлюлозно-бу­
мажной промышленности; разработка и освоение промышленного
производства комплексных органических вяжущих с заданными рео­
логическими и физико-химическими свойствами путем модификации
основного компонента добавками высокомолекулярных соединений,
поверхностно-активных веществ, пластификаторов.
Успешная реализация имеющихся возможностей расширения про­
изводства органических дорожно-строительных вяжущих осуществи­
ма по специальной целевой народнохозяйственной программе исполь­
зования сырьевых ресурсов и побочных продуктов промышленности
при объединении усилий дорожных организаций, геологов, нефтепере­
рабатывающей промышленности и предприятий ряда отраслей, имею­
щих крупнотоннажные отходы.
В целях повышения качества органических вяжущих и рациональ­
ного использования их в разнообразных условиях применения необ­
ходимы единый системный подход к разработке методов оценки ка­
чества и технических требований, согласование режимов испытаний
разных вяжущих между собой и с условиями работы материалов в
дорожной одежде. Совершенствование и внедрение методов расчетно­
го назначения технических параметров вяжущих для разных слоев
дорожных одежд в разных дорожно-климатических зонах с учетом об­
ратимых и необратимых изменений их свойств в процессе эксплуатации
позволит продлить сроки службы дорожных одежд, увеличить межре­
монтные сроки покрытий и в результате повысить эффективность строи­
тельства и эксплуатационную надежность автомобильных дорог.
С ПИСО К ЛИТЕРАТУРЫ
L А х м е т о в а Р. С. , Г л о з м а н Е. П. , Т о р б е е в а Л . Г. В л и я н и е
способа оки слен ия на свойства би т ум ов .— Н еф теп ер ер аботк а и неф техим ия, 1969,
№ 7, с. 2 3 - 2 5 .
2. Б е з р у к В . М. У к р еп л ен и е грунтов в дорож н ом и аэродр ом ном ст р о ­
ительстве. М.: Т р ан сп ор т, 1971, 2 4 7 с.
3 . Б итум ны е материалы (асфальты ,смолы , п ек и )/П од ред. А . Д . Х о й б ер га .
Пер. с англ. М .: Х и м и я , 1974. 248 с.
4. В о л к о в
М. И. , П у ш к а р е н к о
А . С. Влияние пластиф ицирую ­
щей добавки на осн ове остатков от р егенерац ии отработанны х см азочны х масел
на свойства битум ов. М: 1979, с. 4 8 —53 (Труды Гипродорнии; В ы п. 24).
5. Г р у ш к о И. М. , З у б к о 3. Г . , Г а в р и л е н к о А. Д . И сп о л ь зо в а ­
ние отходов кок сохи м ическ ого и неф тяного п р ои схож ден и я в качестве сырья для
пол учени я дорож ны х в я ж у щ и х . V II В сесою зн ое совещ ание д ор ож н и к ов . У ск о р е­
ние науч но-техни ческ ого п р огресса, повы ш ение производи тельности т р у д а и к а ­
чества дорож н ы х работ. Тезисы д окладов и сообщ ений. М .: и зд . С ою здорнии ,
1981, с. 2 3 - 2 5 .
6. Г у н Р . Б. Нефтяные битумы. М .: Химия, 1973, 430 с.
7. З о л о т а р е в В . А. Д ол говеч ность дорож ны х асф альтобетонов. Х а р ь ­
ков: В ищ а ш кола, 1977. 115 с.
8. К о р о л е в И . В . Д ор ож н ы й теплый асф альтобетон. Х арьков: Вищ а
ш кола, 1975. 156 с.
9 . К о р о л е в И . В . М одель стр оен ия битум ной пленки на м инеральны х
зер н а х в асф альтобетоне. И звестия вы сш их учебны х за в е д ен и й .— С троительство
и ар хи тек тур а, 1981, № 8, с. 6 3 — 67.
10. JI ы с и х и н а А . И . П риродны е битумы и битум инозны е породы СССР
и их и спол ьзован ие в дорож н ом стр оител ьстве. В сб.: Н овые св я зу ю щ и е м ате­
риалы для строительства черны х д ор ог. М .: и зд . Г уш осдора, 1939, с. 2 3 5 — 271.
11. П е р ш и н М. Н ., Н и к и ш и н а
М. Ф., А р х и п о в а А . П . С лан­
цевые в я ж ущ и е в д ор ож н ом строительстве. М .: Т ран сп орт, 1981. 151 с.
12. П о к о н о в а Ю . В . Х им ия вы соком олекулярн ы х соеди н ен и й нефти.
Л .: изд. Л Г У , 1980, с. 3 4 — 92.
13. П р и в а л о в В . Е. , С т е п а н е н к о М. А. К ам енноугол ьны й пек.
П ол уч ен и е, пер ер аботк а, прим енение. М .: М етал л ур ги я, 1981, 208 с.
14. Р у д е н с к а я И . М ., Р у д е н с к и й А . В . Р еол оги ч еск и е свойства
битумов. М .: В ы сш ая ш кола, 1967. 118 с.
15. Р у д е н с к и й А. В. , Р у д е н с к а я И . М. Р еол оги ч еск и е свойства
битум ом инеральны х м атериалов. М.: Вы сш ая ш кола, 1971. 131 с.
16. Р у д е н с к и й А . В. , Г е г е л и я Д . И. К а л а ш н и к о в а Т. Н .
У сталость асф альтобетона в усл о в и я х водонасы щ ения и ци кли ческого за м о р а ­
ж и ван ия-оттаивани я. М.: 1979, с 131 — 137 (Т руды Г ипродорнии; Вы п. 24).
17. Р у д е н с к и й А . В. А н ал и з работы асф альтобетонны х покры тий как
конструкций с нестационарны ми эксплуатац ионн ы м и харак тер и сти к ам и . М.:
Г и пр одорни и, 1979, с. 6 6 — 78 (Т руды Г и продорни и; Вып. 27).
18. Р у д е н с к и й А . В . О беспечени е эксп луатац и он н ой н ад еж н ости д о ­
рож ны х асф альтобетонны х покры тий.М .: Т р ан сп ор т, 1975. 63 с.
19. С т а в и ц к и й В . Д . Л игниновы е д орож ны е в я ж у щ и е. М.: Т р ан ­
спорт, 1980. 75 с.
2 0. С ю н ь и Г. К . Д ор ож н ы е пластбетоны . М .; Т ран сп орт, 1976, 2 0 7 с.
21. Т е р в а р т а н о в М. А. , Р а ц е н 3. Э . , С т р е л ь н и к о в а В . Я .
П ерспективы и сп ол ьзован ия битум инозны х п ор од Зап адн ого К а за х ст а н а для
226
н уж д д ор ож н ого строительства. П роблемы переработки тяж елы х нефтей. М ате­
риалы V респ убли к ан ск ой научно-технической
конф еренции по неф техим ии.
Алм а-Ата: Н а у к а , 1980, с. 2 9 9 — 303.
22. Ф р я з и н о в
В. В. , А х м е т о в а Р. С. К лассиф икация нефтей по
их пригодности д л я производства битум ов. Уфа: Х и м и я , 1968, с. 167— 170 (Т р у ­
ды Баш нии Н П ; Вып. 8).
23. Агп К ., B eum er М. V ergleich von B itu m in o se n F a h rb a h n b efestig u n g en
tnid Z e m en tb e to n b e la g en h in sic h tlic h des E n ergieb ed arfes und G esa m tw irtsch a ftic h k e it. S ta t. M ischw erk 1981, № 4, 3 — 6, 8 — 13.
24. D orm on G. М ., S n a sh a ll H . M. M echanical p rop rties of b itu m en in r ela tio n
to road perform ance. Jou rn al of A p p lied C h em istry and B io te c h n o lo g y , 1971,
№ 8, 2 1 3 — 222.
25. H a lstea d \V. J . D e v elo p m en t of sp e c ific a tio n s for v i s c o s i t y — graded
a sp h a lts,, H igh w ay R esearch R ecords, 1971, № 3 50, 11— 20.
26. Low e G. D . S u lp h u r-p a v in g m aterial of th e fu tu re, »Sulphur», 1980, № 150,
2 9 — 30.
27. Q u e d e v ille A. E n rob es h itu m en eu x: fa tii|u e du film de lia n t. R ev u e g e ­
nerate des rou tes e t des aerod rom es, 1971, № 461, 11 — 21.
28. S ch w eyer H . E ., L odge R. W . V isc o sity of a sp h a lt c em en ts at in te r m e ­
d ia te pressu res. In d and E ng. C h em . P rod. R es. and D e v e lo p ., 1973, № 3, 2 0 2 — 20.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Г л ава
.............................................................................................................................
1. Основы
применения
органических
вяж ущ их
3
материалов .
6
1.1. Р есурсы ор ган и ч еск и х вяж ущ и х м а т е р и а л о в ................................................
6
1.2. Р азвитие прим енения органическ их в я ж ущ и х материалов . . . .
8
1.3. Т еорети ческ ие основы применения органическ их в яж ущ и х м атер и а­
лов
......................................... .................................................................................................
9
1.4. Основные свойства в я ж у щ и х ..................................................................................... 16
Глава
2. Н еф тяны е
б и т у м ы ......................................................................................... 18
2 .1 . П рои зводство нефтяных б и т у м о в ............................................................................ 18
2 .2 . Х им ический состав, стр ук тура и ф изико-хим ические свойства б и ­
тумов ............................................................................................................................................ 32
2 .3 . М еханические свойства б и т у м о в ..............................................................................61
2 .4 . Свойства битум ом инеральны х м а т е р и а л о в .........................................................84
2.5 . У словия пр им енения и требования к нефтяным б и т у м а м .......................92
Глава
3 .1 .
3 .2 .
3 .3 .
3 .4 .
3. П риродны е битумы и битум содерж ащ ие
п о р о д ы ....................... 96
Основные виды природны х битум ов и би тум сод ер ж ащ и х п ор од . .
96
И сп ол ьзов ан и е пр ир одны х битумов в д ор ож н ом строительстве . . . .
109
Вы деление битум ов и з би т ум сод ер ж ащ и х п е с к о в .......................................114
П ри м ен ен ие би т ум содер ж ащ и х п ор од без и звлеч ения битум а . . . . 1 1 8
Глава
4. В яж ущ ие
из продуктов переработки ископаемых углей . . 123
4 .1 . П рои зводство вя ж ущ и х и з продуктов терм ического р а зл о ж ен и я
каменны х у г л е й .................................................................................................................... 123
4 .2 . Х им ический состав, стр ук т ур а, ф изи ко-хи м ич ески е свойства к а м ен ­
н о угол ь н ы х в я ж у щ и х ...................................................................................................... 127
4 .3 . М ехан ически е свойства кам ен ноугольны х вя ж ущ и х и способы и х
у л у ч ш е н и я ............................................ *................................ ' ..............................................134
4 .4 . Свойства дегтем ин ер альн ы х материалов ............................................................139
4 .5 . У словия прим енени я и требовани я к дорож ны м каменноугольны м
в я ж у щ и м ................................................................................................................................... 140
4 .6 . К ам енноугольны е в я ж ущ и е, получаемы е терм опластиф ик аци ей или
тер м орастворением ископаем ы х у г л е й .................................................................144
Г л а в а 5 . В яж ущ и е из продуктов переработки горючих сланцев
. . . .
152
5 .1 . К раткая хар ак тер и сти к а горючих с л а н ц е в ...................................................... 152
5 .2 . П олучение сланцевы х битумов из пр одуктов терм ического р а з л о ж е ­
ния горю чих сланц ев , и х состав и с в о й с т в а ..................................................... 154
5 .3 . П олучение в я ж ущ и х термическим растворением гор ю ч их сланцев . 160
Глава
6. В яж ущ ие
из побочны х
продуктов промы ш ленности . . . .
163
6 .1 . Общие сведения
............................................................................................................. 163
6 .2 . В яж ущ и е и з побочны х пр одуктов н е ф т е х и м и и ................................................164
6 .3 . В яж ущ и е и з побочны х продуктов терм ического р а зл о ж ен и я тверды х
горю чих и с к о п а е м ы х ........................................................................................................ 167
6 .4 . И сп ользован ие побочны х продуктов производства синтети ческих п о ­
лимерны х в е щ е с т в .............................................................................................................. 170
6 .5 . В яж ущ ие и з побочны х продуктов лесохим ической и ц е л л ю л о зн о -б у ­
м аж ной п р о м ы ш л е н н о с т и ...............................................................................................181
228
Г л а в а
7. В я ж у щ и е , п о л у ч а е м ы е с и с п о л ь з о в а н и е м в то р и ч н о г о с ы р ь я 185
7.1. И сп ол ьзован и е и знош ен ной р е з и н ы ..................................................................... 185
7.2. И сп ол ьзован и е остатков от регенерац ии отработанны х смазочны х
м а с е л ............................................................................................................................................ 189
7.3. И сп ол ь зов ан и е стар ого а с ф а л ь т о б е т о н а ............................................................ 191
Г л а в а
8.1.
8. К о м п л е к с н ы е о р г ан и ч е ск и е в я ж у щ и е ................................................ 193
Б и тум о д е гтевы е ,
8.2. С ернобитум ны е
д егтеб итум ны е
и
пекоби тум ны е
вяж ущ ие
.
.
в я ж у щ и е .................................................................................. ....
. .
193
• 201
Г л а в а 9. О ц енк а к а ч ес т в а и условия п р и м е н е н и я орг ан и ч е ск и х в я ж у ­
щ и х м а т е р и а л о в ............................................................................................................................ 212
9.1. О пенка качества органических в я ж ущ и х м а т е р и а л о в ............................. 212
9.2. О беспечение сохран н ости качества ор ган и ч еск и х в яж ущ и х м атер и а­
лов при тр ан сп ор ти р ов ан и и , хр ан ен и и , подготовк е к прим енению 217
9.3. О хран а т р уда при работах с органическ им и вяж ущ им и м ат ер и ал а­
ми .................................................................................................................................................... 219
З а к л ю ч е н и е ........................................................................................................................................ 224
Список л и т е р а т у р ы ...................................................................................................................... 226
Ирина М ихайловна Руденская
Андрей Владимирович Руденский
О Р Г А Н И Ч Е С К И Е В Я Ж У Щ И Е Д Л Я Д О Р О Ж Н О Г О С Т РО И Т Е Л Ь С Т В А
П е р е п л ет х у д о ж н и к а В. Я . Я н о в а
Т ехн и ческ и й р ед а к т о р Р. А . И в а н о в а
К орректор-вы ч итчи к С. Н. П а ф о м о в а
К ор рек тор Г. В . Р а у б е к
И Б № 2633
С д а н о в н а б о р 15.08.8.
П о д п и с а н о в печ ать 07.08.84.
Т-17807
Ф ор м ат 60X90716Б ум . тип. № 2.
Г ар н и тур а л и т е р а т у р н а я .
В ы со к а я п еч а ть.
У ел. печ. л . 14,5. У ел. к р .-о т т . 14,69. У ч .-и зд . л. 16,91. Т и р а ж 6500 э к з. З а к а з 1743.
Ц ена 1 р уб.
И з д . № 1-3-1/15 № 1938
О р д ен а « З н а к П о ч ет а » и зд а т е л ь с т в о « Т Р А Н С П О Р Т » ,
107174, М оск ва, Б асм ан н ы й т у п ., 6а
М оск овск ая т и п огр а ф и я № 4 С о ю зп о л и г р а ф п р о м а при Г о с у д а р ст в ен н о м
С С С Р по д е л а м и зд а т ел ь ст в , п о л и гр а ф и и и к н и ж н ой тор говли,
129041, М оск ва, Б. П е р е я сл а в ск а я у л ., 46
к о м и т ет е
Г осударственны й к ом и т ет С С С Р по д е л а м издательств,
п ол игр а ф ии и к н иж но й торговли
О Р Д Е Н А « З Н А К ПО ЧЕТА »
И ЗД А Т ЕЛ ЬС Т В О «ТРАНСПОРТ»
Намечены к изданию книги:
С Ю Н Ь И Г. К., Ф А Й Н Б Е Р Г Э. С., У С М А Н О В К. X. Регенерированны й
д о р о ж н ы й а с ф а л ь т о б е т о н /П о д ред. Г. К. Сюньи. — М.: Транспорт, 1984.—12 л. — 70 к.
Описаны технологические процессы регенерации в заводских условиях
п непосредственно на дороге, технология и механизация устройства и ре­
монта покрытий из регенерированного асфальтобетона. П оказана технико­
экономическая эффективность его повторного использования.
Д л я инженерно-технических работников дорож ного строительства.
Ф И Н А Ш И Н В. Н. Д о р о ж н ы е основания из битум опесчаны х с м е с е й . —
М.: Транспорт, 1984. — 10 л. — 55 к.
Рассмотрены условия работы битумопесчаного слоя под воздействием
колес автомобилей и температурных напряжений, влияния воды. П ри веде­
ны требования к слоям оснований из битумопесчаных смесей, свойства
исходны х материалов, уделено внимание проектированию состава, произ­
водству и контролю качества оснований из смесей, технологические схемы
потоков по строительству оснований.
Д л я инженерно-технических работников дорож ны х проектных и строи­
тельных организаций.
Б Е С П А Л О В Н. А., Р О М А Н Ю К Г. Д., Ш Е Л Ю Б С К И Й Б. В. А грегат­
ный м е т о д р е мо н та д о р о ж н ы х маш ин. — М.: Транспорт, 1984. — 15 л. —
В пер.: 95 к.
Рассмотрена технология агрегатного метода ремонта машин, кратко
описаны способы управления надеж ностью при их эксплуатации, планиро­
вание ремонта машин. Освещена научная организация труда, техника без­
опасности, обобщ ен опыт применения агрегатного метода ремонта.
Д л я механиков дорож но-строительны х организаций.
Д о р о ж н а я терминология: Справочник / Б. Б. Анохин, В . А. Астров,
Н. С. Беззубик и др.; П од ред. М. И. Вейцмана. — М.: Транспорт, 198 4 .—
22 л. — В пер.: 1 р. 50 к. 20 ООО экз.
Дань! пояснения основных терминов по всем вопросам, включая про­
ектирование, технологию и механизацию строительства, ремонта и содер ­
ж ания автомобильных дорог, аэродром ов, мостов, водопропускных труб,
строительные материалы, мостовые переходы, а такж е обустройство д о ­
рог, организацию и регулирование движ ения.
Д л я инженерно-технических работников.
СУХОРУКОВ Ю. М. Пористые каменные дорожно-строительные мате­
риалы. — М.: Транспорт, 1984. — 10 л. — 60 к. — 7000 экз.
Описаны виды пористых каменных материалов, их свойства, методы
подбора оптимальных составов, области использования в дорожном строи­
тельстве. Особое внимание уделено получению укрепленных различными
вяжущими пористых материалов.
Для инженерно-технических работников, занятых проектированием,
строительством и эксплуатацией автомобильных дорог.
Правила установки дорожных знаков на автомобильных дорогах /
М-во автомоб. дорог РСФСР. — М.: Транспорт, 1984. — 10 л. — 50 к.
30 000 экз.
Д ля инженерно-технических работников, связанных с проектировани­
ем, строительством и эксплуатацией автомобильных дорог.
Заказы принимаются
отделениями издательства «Транспорт», центральным магазином «Транс­
портная книга» (107078, г. Москва, Б-78, Садовая Спасская ул., д. 21).
Отдел «Книга—почтой» указанного магазина (113114, г. Москва, 1-й П а­
велецкий пр., д. 1/42, кор. 2) и отделения издательства высылают литера­
туру наложенным платежом.