1754

Подробные исследования влияния добавки серы на свойства польского битума марки D 50/70 и асфальтобетонов представлены в работах М. Иваньски и Н.Б. Урьева [6, 43]. Серобитумные вяжущие получали при температуре 135 °С в коллоидной мельнице.

Изучение стандартных и реологических свойства битума и СБВ показало, что добавка серы в количестве 5 – 15 % эквивалентна введению пластификатора. При увеличении количества серы в СБВ она выступает в качестве структурирующей добавки, но пластифицирующее действие серы на битум сохраняется до 30 – 50 % ее содержания в СБВ и зависит от определяемого показателя.

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

Таблица 1.3

Сцепление битума и СБВ с поверхностью минеральных материалов

91

Установлены особенности влияния добавок серы на структурнореологические свойства асфальтобетона. Показано, что понижение устойчивости и деформативности асфальтобетона по Маршаллу при содержании серы до 15 %, а затем ее повышение при содержании серы 30 и 40 % (рис. 1.4) тесно связаны с влиянием серы на вязкость и физико-механические свойства СБВ [6].

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

Модули упругости асфальтобетонов на битуме и СБВ при температуре 0 °С равны, а при отрицательных температурах асфальтобетон на СБВ имеет меньшие модули упругости, что указывает на его повышенную деформативность. Кроме того, добавка серы до 15 % в асфальтобетон вызывает повышение прочности при изгибе во всем диапазоне температур, понижение ползучести и повышение трещиностойкости.

92

модуль деформации асфальтобетонных смесей, снижают расход битума при приготовлении асфальтобетонных смесей.

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

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

Содержащий серу асфальтобетон более стоек к действию автомобильного и авиационного топлива [36]. С увеличением содержания серы в СБВ снижается растворяющее действие топлива, а при содержании в вяжущем 35 % серы по объему (52 % по массе) это действие минимально. При такой концентрации серы наблюдается увеличение прочности асфальтобетона. Покрытия из такого асфальтобетона целесообразно применять на площадках обслуживания самолетов, стоянках автомобилей и автозаправочных станциях.

Особое место в комплексе серобитумоминеральных смесей занимают литые ЛСБС [32], в первую очередь смеси, приготовленные на природном песке. Значительное улучшение удобообрабатываемости, снижение температуры приготовления и укладки (соответственно со 220 – 250 ºС до 140 – 150 ºС и со 160 – 180 ºС до 125 – 135 ºС) с одновременным повышением сдвигоустойчивости и трещиностойкости позволяет использовать эти смеси при строительстве автомобильных дорог. При этом экономится до 50 % вяжущего. Возможность укладки таких смесей в покрытие без уплотнения позволяет эффективно использовать ту часть серы, которая не прореагировала с битумом и в процессе остывания смеси (при температуре ниже 120 ºС) выкристаллизовывается. В литых смесях она образует механические связи, оказывающие значительное влияние на прочность слоя, которые в обычных смесях, уплотняемых в диапазоне температур 160 – 180 ºС, разрушились бы и ухудшили качество устраиваемых слоев.

Ремонт с применением СБВ выполняли на опытных участках дорожных покрытий США с использованием смеси следующего состава: битум 6 %; сера 17 %; песок 77 %. Исходные материалы нагревали до 150 °С, затем смешивали песок и битум в течение 20 с, после чего добавляли серу и перемешивали еще 30 с. Использование такого материала позволило исклю-

94

чить работы по уплотнению. Материал отличался высокой прочностью, водо- и морозоустойчивостью.

В некоторых странах (Дания, Голландия) при изготовлении органоминеральных смесей обработку пористых малопрочных каменных материалов проводят расплавом серы, что способствует их упрочнению и повышению физико-механических свойств.

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

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

Влияние содержания серы в битуме марки БН 90/130 на свойства асфальтобетона было изучено на песчаном асфальтобетоне типа Д. Вяжущее получали путем перемешивания расплавленной серы и битума при 140 ºС. Затем СБВ вводили в мешалку с минеральными материалами, нагретыми до такой же температуры. Смесь перемешивали до однородного состояния [20]. Оптимальное содержание СБВ устанавливалось по кривым зависимости прочности асфальтобетона от содержания в нем вяжущего. Как следует из данных табл. 1.4, при увеличении количества серы в вяжущем от 0 до 50 % его оптимальное содержание увеличилось с 7,5 до 9,8 мас. %, экономия битума составила от 4 до 45 %. Независимо от состава вяжущего оптимальное количество СБВ по объему остается постоянным. Следовательно, замена части битума серой не влияет на поровую структуру асфальтобетона.

В Норильском политехническом институте проведены исследования по изучению физико-механических свойств СБВ при ускоренном старении и изучению сущности физико-химических превращений в СБВ [27]. Результаты инфракрасной спектроскопии свидетельствуют о торможении окислительных процессов компонентов битума в присутствии серы.

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

И.М. Руденская приводит данные о том, что обычный асфальтобетон, приготовленный на известняковом щебне с 5,7 % битума, имеет усталостную долговечность при 25 ºС, равную 1 млн циклов (что эквивалентно 15 годам эксплуатации при среднем движении) при постоянном уровне напряжений 0,07 МПа. Асфальтобетоны того же состава на СБВ имеют усталостную долговечность при более высоком уровне напряжений (0,2 − 0,3 МПа). Смеси на СБВ имеют улучшенные эксплуатационные характеристики, дают более долговечные покрытия или же позволяют укладывать более тонкие слои дорожного покрытия, что дает экономию битума и каменных материалов.

После выдерживания в воде асфальтобетон на СБВ показывает очень малое водопоглощение и небольшое уменьшение модуля упругости Е. За- мораживание-оттаивание вызывает незначительное снижение Е (табл. 1.6). Для обеспечения достаточной прочности и деформативности асфальтобетона содержание серы в СБВ составляет 20 – 30 мас. %.

Таблица 1.6

Модули упругости асфальтобетонов на битуме и СБВ

96

Асфальтобетон на СБВ имеет более высокий модуль упругости при положительных температурах. С повышением содержания серы модуль упругости значительно возрастает (рис. 1. 5) [9].

В.А. Веренько рассматривает СБВ как композиционные материалы с позиций полиструктурной теории композиционных материалов [10]. Микроскопическими исследованиями показано, что при содержании серы до 20 % частицы серы разобщены и не взаимодействуют друг с другом. С увеличением содержания серы до 20 – 40 % возникают перколяционные мостики, соответствующие появлению вторичной структуры. Сплошная вторичная структура образуется при содержании серы 60 – 70 %. В этом случае резко возрастает предел текучести и прочность системы. ИКспектрометрическим и дилатометрическим методами установлено отсутствие химического взаимодействия между серой и битумом при температуре их объединения 140 ºС.

97

Рис. 1. 5. Зависимость модуля упругости асфальтобетона от содержания серы при температуре: 1 – 10 °С;

2 – 24 °С; 3 – 38 °С; 4 – 52 °С

Элементарная сера в структуре асфальто- и дегтебетонов действует по механизму активного, кольматирующего и армирующего наполнителей в зависимости от ее содержания в вяжущем [10, 24 – 26]. Действие серы по механизму наполнителя требует рассматривать ее не как эквивалентную замену битуму, а как добавку, повышающую плотность и прочность материала. Свойства бетонов и вяжущих можно направленно регулировать варьированием количества и температуры ввода серы. С целью повышения прочности и долговечности асфальтобетонов с использованием СБВ необходимо, по данным исследований, вводить серу в количестве 20 – 200 % от массы вяжущего при температуре 120 – 140 ºС. В этом случае сера выступает в роли активного, кольматирующего и армирующего наполнителей. При содержании серы до 50 % преобладает эффект активного и кольматирующего наполнителей, а при увеличении ее количества появляется армирующий эффект, связанный с наличием пространственного кристаллического каркаса серы.

Свойства мелкозернистого асфальтобетона типа Б состава в % по массе: щебень 45; песок 45; минеральный порошок 10; СБВ на основе битума

98

БНД 90/130 и серы приведены в табл. 1.7 [27]. Результаты исследований показывают, что добавка серы повышает прочность, плотность и водостойкость асфальтобетона. При приготовлении и применении асфальтобетонных смесей на СБВ можно использовать обычное технологическое оборудование. Возможно использование материалов более низкого качества.

Таблица 1.7

Свойства асфальтобетонов типа Б на битуме и СБВ

Опыт использования серы и побочных продуктов ее производства и переработки (хвосты флотации серных руд, зола и шлак очистки товарной серы от минеральных примесей) в дорожном строительстве освещен в работах В.З. Гнатейко [38, 39]. Показано, что серосодержащие отходы (ССО) можно использовать:

1.В качестве модификатора свойств вяжущего, применяемого для изготовления асфальтобетонной смеси. Разработаны варианты технологических способов приготовления модифицированных вяжущих и смесей на их основе. При первом способе ССО (хвосты флотации) вводят в минеральную смесь, нагревают до 135 – 145 ºС и затем обрабатывают органическим вяжущим. По второму способу ССО перемешивают с органическим вяжущим и обрабатывают им нагретые минеральные материалы. Наблюдается значительное улучшение физико-механических свойств смесей. Это позволяет использовать в смесях малопрочные минеральные материалы (золошлаки, известняки) или маловязкие органические вяжущие (гудроны, сырые тяжелые нефти и др.).

2.При получении вяжущих, используемых для устройства дорожных одежд способом смешения на дороге или пропитки. Это направление является сравнительно новым. При введении в маловязкое органическое вяжущее 20 – 25 % по массе ССО получают вяжущее с широким интервалом пластичности и высокими адгезионными свойствами. Смеси, обработанные таким вяжущим методом смешения на дороге, сохраняют хорошую удобоукладываемость, обладают малым водонасыщением и большой

99

прочностью. При введении ССО в количестве 5 – 10 мас. % (в пересчете на серу) в вязкие битумы, используемые для устройства слоев по способу пропитки, обеспечивается высокая степень пропитки, т.к. вязкость полученной композиции при температуре ее применения ниже, чем вязкость исходного битума.

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

Сера заменяет ароматические углеводороды, которые обычно применяют в качестве пластификатора при восстановлении свойств битумов в дорожных покрытиях. Сера, являясь неорганическим веществом, практически не стареет. Основная задача при использовании серы – соблюдать температурный режим.

Серные вяжущие с общим названием ККИ разработаны ЗАО «КК Интерконнект». В КаздорНИИ проведены испытания одного из видов вяжущих ККИ в соответствии с ГОСТом на испытание нефтяных битумов [8]. При экстрагировании вяжущего ККИ было установлено в его составе около 77 % минеральных частиц, представленных тонкими и очень тонкими песками. По информации ЗАО «КК Интерконнект», в состав вяжущего также входят битуминозные породы (киры), обусловливающие содержание органического вяжущего и минеральных частиц.

На вяжущем ККИ были приготовлены органоминеральные смеси и лабораторные образцы. Свойства органоминерального материала сравнивали с требованиями ГОСТ 9128-97 к горячему мелкозернистому асфальтобетону типа Б марки I. Материал имел такие свойства: предел прочности при сжатии при температуре 20 °С выше требований ГОСТ 9128-97 в 2,5 раза, предел прочности при сжатии при температуре 50 °С – в 4,6 раза. Ко-

100