1754

эффициент водостойкости равнялся 0,95, коэффициент длительной водостойкости – 1,64.

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

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

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

1.2.4. Технологические особенности приготовления серобитумных вяжущих

Серобитумные вяжущие можно приготовить двумя способами:

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

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

Значительной проблемой при приготовлении СБВ является предотвращение образования и выделения токсичных газов при нагревании серы

сбитумом. Выделение газов начинается при температуре выше 150 ºС; хотя растворимость серы в битуме увеличивается с повышением температуры, однако с точки зрения образования вредных веществ максимальная безопасность достигается при температуре не более 150 ºС. Кроме того, при температуре выше 140 ºС происходит энергичное взаимодействие серы с компонентами битума, ведущее к процессам полимеризации и значительному увеличению содержания асфальтенов. При этом резко снижаются растяжимость и глубина проникания, возрастает температура размягче-

101

ния, СБВ становится хрупким. Это подтверждает, что сера при повышенных температурах воздействует на битум аналогично кислороду.

Известно использование для приготовления серного бетона модификаторов [8]:

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

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

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

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

зов [8].

Для поглощения сероводорода, выделяющегося при получении СБВ, рекомендуется использовать силиконы, негашеную и гашеную известь, натриевую щелочь, активированный уголь, дициклопентадиен, амины, ионообменные смолы, ненасыщенные жирные кислоты, нефтеполимерные смолы [33, 35, 58 – 60]. Однако введение дициклопентадиена в СБВ приводит

кповышению вязкости и хрупкости вяжущего (табл. 1.9) [58].

Таблица 1.9

Свойства серобитумных вяжущих с добавкой дициклопентодиена

Одним из эффективных методов модификации битумов является смешение битумов с серой, химически связанной с органическими продуктами. В результате термической сополимеризации серы со смесью высокомолекулярных жирных кислот получаются полисульфиды (ПС), которые при нормальной температуре представляют собой каучукоподобную массу и характеризуются высокой температурой размягчения (до 112 °С), низкой температурой хрупкости (до – 30 °С) и эластичностью (до 71 %).

102

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

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

жидкую серу с температурой 121 – 150 ºС, а также смесительное устройство, позволяющее равномерно распределять в битуме серу с образованием частиц размером 1 – 50 мкм. В установке вмонтированы контрольноизмерительные приборы, обеспечивающие точную дозировку битума и серы и температуру готового СБВ в пределах 121 – 150 ºС. Содержание серы в вяжущем может достигать 50 – 80 %, содержание вяжущего в асфальтобетонной смеси рекомендуется в пределах 5 – 12 мас. %.

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

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

Ваппарате вихревого слоя под воздействием электромагнитного поля

иинтенсивного перемешивания происходит образование серобитумного вяжущего. Из аппарата вихревого слоя СБВ поступает в емкость для готового продукта. Готовое СБВ подается битумной насосной установкой в автоцистерны для отправки на асфальтовый завод либо направляется на склад.

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

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

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

105

Таблица 1.13

Свойства асфальтобетонных смесей на битуме марки БНД 60/90 и серобитумных вяжущих

Поиску состава серного связующего, обладающего термостабильностью в интервале температур 120 – 150 °С, посвящена работа [63]. Путем сополимеризации серы и нефтеполимерной смолы (НПС) получены полисульфидные олигомеры, которые могут быть применены в технологии производства серных цементов и бетонов. Как указывают авторы статьи, решена задача устранения специфического запаха серных связующих путем перевода гидросульфидных групп в сульфидные по реакции взаимодействия с оксидом магния.

Государственным научным центром «Институт Гинцветмет» разработана технология сероасфальтобетона и серобетона на основе модифицированной серы. Модифицированную серу получают сополимеризацией жидкой серы с органическими добавками. Полученный сополимер после охлаждения дробится до крупности 10 – 20 мм и в упакованном виде транспортируется на асфальтобетонный завод.

Блочная установка для получения СБВ [64] позволяет получать тонкодисперсные не расслаивающиеся со временем эмульсии и готовить

106

строительные, изоляционные и кровельные композиции битумов. Вяжущее получают в аппаратах высокоэнергетического гидроакустического воздействия, в которых основными слагаемыми механизма диспергирования являются: гидродинамическое измельчение за счет градиентов скоростей потока, механическое истирание за счет соударений и кавитационное воздействие.

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

В настоящее время применяют два способа введения серы в асфальто-

бетонную смесь [6, 9, 20, 22, 23, 27 – 36, 38, 41]:

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

-непосредственно в асфальтобетонную смесь в процессе перемешивания всех компонентов в смесителе.

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

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

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

130 – 140 °С.

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

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

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

Технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей с добавкой серы включает:

-дозирование минеральных материалов и битума, перемешивание всех компонентов;

-введение серы в смеситель и окончательное перемешивание смеси.

107

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

Работы по приготовлению, укладке и уплотнению асфальтобетонных смесей, а также технический контроль осуществляют в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Температура асфальтобетонных смесей с добавками серы при укладке и уплотнении на 20 – 30 °С ниже, чем асфальтобетонных смесей на чистых битумах, и зависит от дозировки серы. При уплотнении асфальтобетонных смесей с добавками серы число проходов катков всех типов может быть уменьшено на 15 – 30 %.

Асфальтобетонные смеси с добавками серы используют для устройства дорожных и аэродромных покрытий, при устройстве площадок для обслуживания самолетов, стоянок автомобилей, автозаправочных станций.

1.2.5. Проектирование составов асфальтобетонов на серобитумном вяжущем

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

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

После подбора оптимального состава асфальтобетонной смеси на битуме устанавливают дозировку серы. Рекомендуемые соотношения по массе между битумом и серой составляют:

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

90/130;

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

Оптимальное содержание серобитумного вяжущего В (%) в асфальтобетонной смеси корректируют с учетом плотности серы по формуле

108

где Б1 – оптимальное количество битума в смеси, установленное при проектировании состава, мас. %; S1 и Б2 – доля соответственно серы и битума

в вяжущем, мас. %; ρS и ρБ – плотность соответственно серы и битума, г/см3.

Количество битума в смеси в % по массе определяют по формуле

Количество серы в смеси в % по массе определяют по формуле

После расчета состава асфальтобетона на СБВ готовят контрольную асфальтобетонную смесь и определяют весь комплекс показателей физикомеханических свойств. Асфальтобетон на СБВ должен удовлетворять требованиям ГОСТ 9128-2009.

109

2. СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ВЯЗКИХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ РАЗНЫХ МАРОК И ТИПОВ СТРУКТУРЫ

2.1. Структурно-механические свойства серобитумных вяжущих

Физико-механические свойства битума зависят от его группового химического состава и структуры. Введение модифицирующих добавок, в том числе серы, способствует изменению соотношения основных групп углеводородов и структурно-механических свойств битума.

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

Серобитумные вяжущие получали с использованием вязких дорожных битумов разных структурных типов и марок, выпускаемых Омским НПЗ и Ачинским НПЗ: БНД 60/90 и БНД 90/130 со структурой золь-гель (III тип структуры); битумы марок БН 60/90 и БН 90/130 со структурой, близкой к золю (II тип структуры) [45, 46].

Сера элементарная комовая, использованная в качестве добавки к битумам, является отходом производства Омского НПЗ, образующимся в результате очистки нефти и нефтепродуктов. Сера комовая – зернистый материал желтого цвета с размером частиц менее 10 мм. Свойства серы: плотность серы твердой 2050 кг/м3; плотность серы жидкой 1750 кг/м3; температура плавления 119 ºС; вязкость при 120 – 150 ºС составляет 0,08 – 0,10 Па·с, степень чистоты 99,9 %.

Серобитумные вяжущие получали в лабораторном реакторе, снабженном перемешивающим устройством и электрообогревом. Технологические параметры приготовления были СБВ следующие:

-температура при перемешивании 135 – 140 ºС;

-продолжительность перемешивания 30 мин;

-скорость вращения пропеллерной мешалки 500 об/мин. Количество серы изменялось от 2 до 80 мас. %. Сера вводилась в

битум, нагретый до 140 – 150 ºС, в пескообразном состоянии при наибольшем размере частиц 3 – 5 мм.

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

110