УДК 625 - Оренбургский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ ОРЕНБУРГСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕМОНТА АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ
Зулькарнаев Р.И., Штерн В.О., Таурит Е.Б.
Оренбургский государственный университет
Регенерация материала покрытий восстанавливает физико-механические
и эксплуатационные свойства материала покрытия. Более полное их
восстановление возможно при обработке ремонтируемой поверхности
растворителями битума. Обоснован оптимальный расход растворителя. В
качестве растворителя битума использовали оренбургские нефти. Предложено
использовать органическую добавку к растворителю, синтезированную в ОГУ.
В настоящее время ремонт дорожных покрытий среди прочих способов
осуществляется путем укладки нового слоя материала на ремонтируемую
поверхность и путем регенерации материала ремонтируемого слоя. Регенерация
материала покрытий направлена на восстановление физико-механических и
транспортно-эксплуатационных свойств покрытия и его структуры. [1,2].
Опыт эксплуатации отремонтированных покрытий автомобильных дорог
свидетельствует
о
тесной
взаимосвязи транспортно-эксплу-атационных
свойств и технологии ремонтных работ. При ремонте асфальтобетонных
покрытий путем укладки нового слоя метериала
качество ремонта в
значительной степени определяется прочностью междуслойного сцепления
на границе вновь уложенного материала с ремонтируемой поверхностью.
Прочность же междуслойного сцепления тесно связана с физико-химическими
процессами взаимодействия битума с ремонтируемой поверхностью,
определяющими степень их контакта, и когезионной прочностью вяжущего в
контактном слое [3].
Основных групп факторов, влияющих на прочность междуслой-ного
сцепления, пять: 1) состояние и свойства ремонтируемой поверхности: 2)
погодно-климатические условия, при которых производятся ремонтные
работы;
3)
вид применяемого вяжущего, который обеспечивает связь
ремонтируемой поверхности с новым слоем асфальтобетона и способ активации
ремонтируемой поверхности перед нанесением вяжущего; 4) свойства вновь
укладываемого материала; 5) технология процесса уплотнения.
Способы
усиления
междуслойного
сцепления
зависят от типа
контактирующих слоев, вида вяжущего материала и климатических условий,
при которых ведутся ремонтные работы. Их обычно делят на три группы:
способы механические, способы физические и способы химические.
Структурообразование контактного слоя при ремонте дорожных покрытий
есть процесс комплексный. Изучение кинетики его протекания дает
возможность найти пути к направленному
регулированию
структуры
контактного слоя при ремонте дорожных покрытий. При этом необходимо
учитывать основные положения физико-химической механики дисперсных
материалов [3,4].
Процесс формирования структуры контактного слоя при ремонте
покрытий зависит от адгезии применяемого вяжущего и его когезионной
прочности.
При образовании соединения вяжущего с ремонтируемой поверхностью
прослеживаются два процесса: перемещение вяжущего и образование связей.
Во время первого процесса происходит смачивание ремонтируемой
поверхности вяжущим и его растекание по поверхности. Влияние смачивания и
растекания вяжущих на прочность адгезионных соединений рассмотрено в
работах
отечественных и зарубежных ученых [1-5]. Смачивание и
растекание обеспечивает контакт молекул вяжущего и молекул вещества
ремонтируемой поверхности. Именно эти процессы определяют качество
адгезии [4].
Для достижения более тесного контакта вяжущего с ремонтируемой
поверхностью, предварительно производят ее очистку от пыли и грязи. Но и
после очистки на поверхности микрошероховатостей остаются частицы пыли,
минеральных материалов, затрудняющих контакт вяжущего и ремонтируемой
поверхности [5].
Механизм формирования адгезионного соединения на стадии
транспортирования адгезива хорошо описывает микрореологическая
теория адгезии [5], изучающая особенности растекания вяжущего в зависимости
от его вязкости, состояния поверхности и характера технологических
воздействий. Во время второго процесса происходит взаимодействие вяжущего
и вещества ремонтируемой поверхности. При этом на границе контактирующих
материалов идут сложные взаимодействия. Из-за этой сложности в настоящее
время нет единого мнения о механизме формирования адгезионного
соединения во время второго процесса. Результат взаимодействия вяжущего и
ремонтируемой поверхности зависит от вида вяжущего, состояния
ремонтируемой поверхности, характера
технологических воздействий.
Сопровождающие
это
взаимодействие
эффекты
объясняются
микрореологической, адсорбционной, диффузионной и механической
теориями. Эффективно управлять процессами формирования структуры
контактного слоя на границе асфальтобетонной смеси с ремонтируемой
поверхностью в отрезок времени, когда происходит перемещение вяжущего.
Здесь имеют место такие явления как растекание и смачивание.
Улучшение смачивания увеличивает площадь контакта вяжущего с
ремонтируемой поверхностью. Соответственно усиливается междуслойное
сцепление. Когезионная прочность слоя вяжущего также оказывает большое
влияние на силу междуслойного сцепления. Зависит она от толщины слоя
вяжущего на ремонтируемой поверхности.
Одним из путей повышения степени контакта вяжущего с ремонтируемой
поверхностью является повышение расхода вяжущего до трех раз по
сравнению с оптимальным. Но в этом случае имеют место как перерасход
дорогого вяжущего, так и снижение когезионной прочности слоя, из-за
увеличения его толщины.
Одним из путей улучшения смачивания ремонтируемой поверхности
битумом без снижения его когезионной прочности может быть
предварительная обработка поверхности растворителем. Растворитель в силу
своей малой вязкости хорошо смачивает микротрещины, микронеровности и
мельчайшие частицы пыли на поверхности старого асфальтобетона.
Предварительная обработка ремонтируемой поверхности растворителем
уменьшает "трение" по периметру смачивания поверхности битумом,
способствует увеличению действительной площади контакта битума с
поверхностью и росту адгезионной прочности при снижении расхода битума до
оптимального. Кроме того, растворитель может в некоторой степени устранить
негативное влияние физического старения битума за счет частичной его
пластификации, а также восполнения утраченных легкокипящих фракций
битума.
В то же время при избытке растворителя на ремонтируемой поверхности
в момент нанесения битума может образоваться смазывающий слой,
затрудняющий контакт битума с поверхностью и вызывающий снижение
прочности междуслойного сцепления. Перерасход растворителя не только не
улучшит качество ремонта, но и повысит его стоимость. Поэтому очень важно
определить его оптимальный расход.
На значение величины оптимального расхода растворителя для
предварительной обработки ремонтируемой поверхности влияет множество
факторов. Основными из них являются: растворяющая способность по
отношению к битуму; испаряемость и вязкость растворителя; время от момента
нанесения растворителя до обработки поверхности битумом; запыленность и
микрошероховатость поверхности; содержание в поверхностном слое
минерального порошка, битума и степени его старения.
В период от нанесения растворителя до обработки ремонтируемой
поверхности битумом происходит два процесса. Во-первых, растворитель
испаряется в факеле распыления и с ремонтируемой поверхности. Скорость
испарения определяется летучестью растворителя, температурой окружающего
воздуха и скоростью ветра над поверхностью. Во-вторых, растворитель
проникает в поверхностный слой старого асфальтобетона по микротрещинам,
открытым порам в результате растворения битума в поверхностном слое.
Суммарный расход растворителя R0 зависит от его удельных потерь в
факеле распыления R1, испарения с ремонтируемой поверхности R2 и
проникновения в поверхностный слой старого асфальтобетона R3
R0 = R1 + R2 + R3
Учитывая это можно обосновать расход растворителя для обработки
ремонтируемой поверхности при проектировании технологии ремонта
дорожных покрытий и определить пути экономии растворителя; сократить
потери на образование мелкодисперсных взвешенных частиц в факеле
распыления за счет его экранирования; уменьшить до минимального
допустимого значения время от нанесения растворителя до обработки
поверхности битумом. При выборе растворителя отдавали предпочтение
материалам с высокой растворяющей способностью по отношению к битуму и
малой испаряемостью. Этим требованиям вполне соответствуют сырые нефти
оренбургских месторождений. Они и были применены в качестве растворителя
в условиях эксперимента.
Выполнен анализ физико-химических свойств оренбургских нефтей.
Выяснено, что оренбургские нефти содержат от 2 до 4,6% серы, есть нефти,
содержащие 1,72% серы, это меньше, чем в среднем по области. Как и все
нефти с таким содержанием серы нефти Оренбургской области содержат
большое количество асфальто-смолистых веществ – от 12 до 21%, и
значительное количество парафина от 3,5 до 5,5%, температура плавления
которого составляет 50-55оС. Содержание фракций, выкипающих до 2000С,
колеблется от 16 до 26%, до 3500С от 37 до 47%. Некоторые нефти содержат
больше фракций, кипящих в интервале 2000С- 3500С и ниже 2000С (до 2000С –
32%, до 3500С – 55%).
Бензиновые фракции, полученные из оренбургских нефтей имеют низкие
октановые числа и содержат большое количество серы. Низкие октановые
числа обусловлены составом фракций. Преобладают в них жирные
углеводороды. Во фракциях, кипящих до 2000С их содержится 67-75%.
Фракции, служащие сырьем для каталитического риформинга, содержат
небольшое количество нафтеновых углеводородов – 17-21%. Есть нефти,
которые содержат нафтеновых углеводородов больше-22-33%. Но и для этих
фракций также характерно высокое содержание серы – 0,2-0,3%; только во
фракциях 62-850С и 62-1050С серы содержится меньше – 0,14 и 0,18%
соответственно. Керосиновые фракции некоторых нефтей имеют хорошие
осветительные свойства – высота не коптящего пламени составляет 20-24 мм, у
большинства же менее 20 мм. Эту нефть предполагается использовать в
эксперименте. Керосиновые фракции содержат много серы – от 0,57 до 0,92%.
Это выше норм для осветительного керосина.
Дизельные топлива из нефтей Оренбургской области имеют температуру
застывания отвечающую требованиям только на летние сорта топлив. Серы в
них содержится от 0,88 до 1,48%. Групповой углеводородный состав масляных
фракций оренбургских нефтей близок. Во фракциях, выкипающих выше 3500С,
преобладают парафиновые и нафтеновые углеводороды. Содержание
ароматических углеводородов составляет во фракциях 350-4000С и 450-5000С
28-35 и 41-42% соответственно. Остаток оренбургских нефтей является
хорошим сырьем для получения дорожных битумов разных марок методом
окисления.
Эти нефти могут быть применены для нанесения на
ремонтируемую поверхность в качестве растворителя. Улучшает качество
растворителя добавка 0,0002% сложного эфира 2-оксикислоты ароматического
ряда. Данные эксперимента подтвердили эти предположения.
Список литературы
1. Дубровин С.А Повышение технического уровня городских
автомобильных дорог: /Дубровин С.Ф. - М.: Транспорт, 1989.- 98 с
2. Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в
дисперсионных системах. Т.2. Физико-химическая механика: /Ребиндер
П.А. – «Наука», 1979.-394 с.
3. Горнаев Н.А. О смачивании минеральных материалов в горячем
бетоне асфальтовом:/Горнаев Н.А. - Известия вузов. Строительство и
архитектура. 1974. № 10 с. 134-136
4. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров:/Гуль В.Е. - М.: «Химия»,
1979.-470 с.
5. Текенов Ж.Т. Адгезия пылевидных материалов: - Фрунзе: «Илим»
1985. - 123с.