1754

В табл. 2.1 даны свойства битума марки БНД 60/90 со структурой золь-гель Омского НПЗ и СБВ на его основе. Добавка серы составляла от 10 до 80 % от массы битума.

Таблица 2.1

Свойства битума марки БНД 60/90 и серобитумных вяжущих

Зависимость структурно-механических свойств от содержания серы в СБВ показана на рис. 2.1. При дозировке серы 10 – 20 % сера пластифицирует битум и, растворяясь в углеводородной среде, разрушает элементы коагуляционного каркаса, характерного для битумов этого типа структуры. В результате повышается пенетрация при температурах 25 ºС (П25) и 0 ºС (П0), несколько снижается температура размягчения Тр, значительно понижается температура хрупкости Тхрф , увеличивается растяжимость при температурах 25 ºС и 0 ºС (Д25 и

Д0), снижаются структурные характеристики СБВ – коэффициент структуры Кстр и индекс пенетрации ИП.

111

Рис. 2.1. Влияние добавки серы на свойства битума марки БНД 60/90

112

Добавка серы свыше 20 % структурирует битум. Свободная сера (не растворенная в битуме) находится после охлаждения вяжущего в виде тонкодисперсных кристаллов, которые играют роль структурообразующего наполнителя.

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

По сравнению с битумом марки БНД 60/90 серобитумные вяжущие при содержании серы до 20 % имеют более широкий интервал пластичности за счет улучшения показателя трещиностойкости Тхрф .

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

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

Так, при содержании серы в СБВ, равном 40 %, снижаются пенетрация и растяжимость при 0 ºС, повышаются температура хрупкости, температура размягчения, индекс пенетрации и коэффициент структуры.

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

Свойства битума марки БН 60/90 и СБВ при дозировке серы от 10 до 30 % даны в табл. 2.2. На рис. 2.2 показано влияние добавок серы на свойства битума.

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

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

-понижаются Тр, Тхрф , Д25 и ИП;

-улучшаются низкотемпературные свойства, но несколько снижается теплостойкость.

Увеличение содержания серы в вяжущем до 30 % способствует

повышению вязкости и Тхрф , значительному снижению Д25. Однако

при содержании серы в СБВ, равном 30 %, вяжущее характеризуется более высокими показателями трещиностойкости, пластичности и

113

деформативности при 0 °С, а также лучшими адгезионными свойствами по сравнению с исходным битумом.

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

Таблица 2.2

Свойства серобитумных вяжущих на основе битума БН 60/90 Ачинского НПЗ

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

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

Результаты исследований, представленные в табл. 2.3 и на рис. 2.4, иллюстрируют зависимость физико-механических свойств серобитумных вяжущих от количества серы в битуме марки БН 90/130. Дозировка серы до 20 мас.% пластифицирует битум, улучшая его низкотемпературные свойства. Добавка серы свыше 20 % структурирует битум, что приводит к снижению П25, П0, Д25 и Д0, значительному повышению Тр, ИП, Кстр.

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

В табл. 2.4 даны свойства битума марки БНД 90/130 и серобитумных вяжущих на его основе. Увеличение концентрации серы в вяжущем от 2 до 15 % способствует значительному повышению П25 и П0, снижению Тр и Тхрф . Растяжимость Д25 не зависит от расхода серы,

Д0 возрастает. Повышение трещиностойкости, пластичности и деформативности при низких положительных температурах вызвано пластифицирующим действием химически связанной и расплавленной в битуме серы. Интервал пластичности и Кстр не изменяются до 15 % содержания серы. Результаты исследований показывают, что для улучшения низкотемпературных свойств в битум марки БНД 90/130 достаточно вводить до 10 % серы.

116

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

Сравнение эффективности воздействия добавки серы на относительные изменения низкотемпературных свойств СБВ, приготовленных на битумах разных марок и типов дисперсной структуры, показано на рис. 2.6.

Таблица 2.3

Свойства серобитумных вяжущих на основе битума БН 90/130 Омского НПЗ

Рис. 2.4. Влияние добавки серы на свойства битума марки БН 90/130

Таблица 2.4

Свойства битумосерных вяжущих на основе битума БНД 90/130 Омского НПЗ

Окончание табл. 2. 4

Рис. 2.5. Влияние добавки серы на свойства битума марки БНД 90/130

Анализ представленных зависимостей (см. рис. 2.6) позволил выявить особенности влияния добавок серы на свойства битумов, имеющих близкие значения пенетрации при 25 °С, но разные типы структуры.

Относительное изменение пенетрации П0 и Тхрф выше у СБВ на

битумах со структурой, близкой к золю, марок БН 60/90 и БН 90/130 по сравнению с изменением этих показателей у СБВ на битумах со структурой золь-гель.

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

119

Рис. 2.6. Относительное изменение температуры хрупкости (а) и пенетрации при 0 °С (б) серобитумных вяжущих в зависимости от содержания серы в битумах марок: БН 60/90 (1), БНД 60/90 (2), БН 90/130 (3), БНД 90/130 (4)

Добавка серы до 10 – 15 % по массе оказывает большее пластифицирующее действие на битумы марок БН 60/90 и БН 90/130.

Добавка серы до 20 % повышает Д0 у битумов всех марок (см. табл. 2.1 – 2.4), но в большей степени у битумов со структурой зольгель марок БНД 60/90 и БНД 90/130.

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

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

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

120