книги из ГПНТБ / Гезенцвей, Лев Борисович. Дорожный асфальтовый бетон

крытия. Поэтому температура хрупкости является важной ха­ рактеристикой битумов. Чем ниже она, тем больше темпера­ турный интервал, в котором битум находится в вязко-пластич­ ном состоянии, а следовательно, тем лучше и его дорожно-экс­ плуатационные свойства. Несмотря на то что методика опре­ деления температуры хрупкости в приборе Фрааса страдает нечеткостью и получаемые результаты очень условны, это оп­ ределение получило распространение и включено в стандарты на битумы во многих странах. В СССР это определение приме­ няется только в исследовательских лабораториях, а темпера­ тура хрупкости не нормируется.

Температура хрупкости зависит от вязкости битума и

свойств исходного сырья. Для. битумов, полученных из однород­ ного сырья, увеличение вязкости приводит к ее повышению, и

наоборот. Большое влияние на температуру хрупкости оказы­ вает содержание в битуме парафина.

Из сказанного выше видно, что оба основных показателя вязкости (глубина проникания и температура размягчения) ха­ рактеризуют вязкость битума лишь при двух температурах (а для улучшенных — при трех). Выяснить глубину проникания при повышенных, а также и при отрицательных температурах нельзя. Определить вязкость вязких битумов при повышенных температурах, когда они приобретают жидкотекучее состояние,

можно по аналогии с определением вязкости жидких битумов

при помощи вискозиметров, о чем сказано ниже. Это принци­

пиально отличается от определения глубины проникания, и

поэтому получающиеся два показателя вязкости (при понижен­

ных и повышенных температурах) трудно между собой связать.

Таким образом, ни один из этих условных показателей вязко­ сти не может быть применен к характеристике битума в широ­ ком температурном интервале. В этом большой недостаток

способов определения вязкости.

Пластичность. Битум, применяемый для производства ас­

фальтобетона, должен обладать определенной пластичностью,

придающей асфальтобетонному покрытию необходимые экс­ плуатационные свойства. Степень пластичности битумов при­

нято оценивать по их способности растягиваться в нить опре­ деленной длины под влиянием приложенной нагрузки. Такое

свойство битума получило название растяжимости (дук­ тильность). Определение растяжимости производится при по­ мощи дуктилометра (рис. 3), в котором испытуемый образец битума растягивается с постоянной скоростью. Длина битум­ ной нити, замеренная в момент ее обрыва, выраженная в сан­ тиметрах, и является показателем растяжимости.

Растяжимость зависит от химического состава битума и его температуры. Как уже отмечалось выше, носителем эластич­ ности битумов являются смолы. Для однородных битумов (по источнику сырья и технологии переработки) наблюдается опре-

20

деленная зависимость между вязкостью и растяжимостью: чем больше вязкость, тем меньше растяжимость. Иными словами, чем меньше глубина проникания, тем меньше растяжимость,

инаоборот.

Срастяжимостью битума тесно связано одно из важнейших

свойств асфальтового бетона — его. деформативная способность при низких температурах, когда асфальтовый бетон испытывает значительные растягивающие усилия. Недостаточная деформа­ тивная способность приводит к быстрому хрупкому разруше­ нию асфальтового бетона — образованию трещин в дорожных покрытиях.

Рис. 3. Дуктилометр.

С этой точки зрения, наиболее показательным является оп­

ределение растяжимости при отрицательных температурах. Од­ нако в обычно применяемых для этой цели дуктилометрах вы­ яснение растяжимости при отрицательных температурах связа­ но с большими трудностями. Сравнительно легко можно узнать показатель растяжимости при 0°, который является более ха­

рактерным, чем определяемый обычно при положительных тем­ пературах.

По действующему в СССР стандарту растяжимость опреде­ ляется при температуре битума +25°, а для улучшенных марок дорожных битумов БН-П-У и БН-1П-У и при температуре 0° Скорость растягивания принята 5 см в минуту. Для вязких до­ рожных битумов растяжимость при температуре +25° колеблет­ ся в пределах от 40 до 100 см и выше, а при температуре 0° для битумов БН-П-У и БН-Ш-У должна быть соответствен­

но не ниже 3 и 2 см.

Проблема повышения пластичности битумов при отрица­ тельных температурах привлекает к себе в последнее время вни­ мание ряда исследователей. Особое значение имеет решение это­

го вопроса для строительства дорог в районах с низкими зим­

ними температурами.

21

Термические свойства

При выборе правильного режима приготовления и нагрева битума важно знать его термические свойства: температурную устойчивость, температуру вспышки, теплоемкость.

Температурная устойчивость. При нагреве би­ тума наиболее легкие фракции улетучиваются. Улетучивание будет тем большим, чем выше температура и продолжительнее нагрев. В результате этого происходят изменения основных

свойств битума, а также .и потеря в весе. Степень изменения свойств битума при нагревании и относительная величина по­ тери веса характеризуют его температурную устойчивость. Из­ менение свойств битума при нагревании выражается главным образом в повышении вязкости.

По принятому стандарту потеря в весе битума и изменение его свойств определяются после нагревания битума до темпе­ ратуры 160° в течение 5 час. Меньшие потери в весе при назре­ вании указывают, что битум мало изменяет свои свойства, а следовательно, и обладает большей температурной устойчиво­ стью.

Температура, при которой происходит воспламенение паров битума при контакте с пламенем, называется температу­ рой вспышки. Для битума, применяемого в асфальтобето­ не, температура вспышки должна быть не ниже 200°. Это важ­ но с точки зрения пажарной безопасности производства работ, связанных с нагревом битума.

Теплоемкость битума для практических расчетов мо­ жет быть принята в пределах от 0,4 до 0,5. Более точно теплоем­ кость 'можно определить по формуле

С = -Лг (0,403 + 0,000450-

свойств и химического состава битумов. Их составные части

меняются, переходя из одних видов в другие: масла переходят в смолы, смолы — в асфальтены. Но процесс превращения ма­ сел в смолы идет значительно медленнее, чем смол в асфаль­ тены. Таким образом, с течением времени в битуме происходит увеличение количества асфальтенов. Количество же смол, при-

22

дающих битуму пластичность, тягучесть, со временем умень­

шается. По мере накопления асфальтенов (постепенно теряются пластические свойства материала и нарастает его хрупкость.

Этот процесс называется «старением» битума.

При наблюдении за битумом, хранящимся длительное вре­ мя на открытом воздухе, можно видеть внешние изменения: он

становится более светлым, с матовой поверхностью, на которой

образуются складки, трещины и другие деформации.

В результате длительного воздействия атмосферных факто­ ров происходит процесс окисления битума за счет присоедине­ ния кислорода воздуха и полимеризации. В связи с этим уве­ личивается вязкость битума, повышается температура размяг чения и уменьшается растяжимость.

Отмечены случаи, когда лабораторные испытания битума,

хранившегося на открытом воздухе ib течение 1 —1,5 лет, пока­ зали изменение его свойств, означающее переход материала из

одной марки в другую. Наибольшим изменениям подвергаются

менее вязкие битумы.

Вопросом погодоустойчивости битумов занималась в Союз-

ДОРНИИ С. И. Гельфанд, которая подвергла битум воздейст­ вию искусственно созданных атмосферных условий в специаль­ но сконструированном аппарате. Эти исследования показали, что степень изменения свойств битума в результате воздействия

атмосферных факторов зависит от характера сырья и способа получения битума. 14з ряда исследованных в СоюзДОРНИИ образцов наименее устойчивыми оказались бинагадинский (ба­ кинский) остаточный и сланцевый битумы.

В связи со старением битума происходит также и старение

асфальтового бетона, что значительно ухудшает свойства До­ рожных покрытий. Повышающаяся с течением времени хруп­ кость битума вызывает такое же явление в асфальтовом бето­

в асфальтобетонных покрытиях при резких понижениях темпе­ ратуры в зимнее время наблюдается усиленное образование трещин. Повышенная хрупкость асфальтового бетона усиливает процесс ого выкрашивания, что снижает срок службы покры­ тия. Создание погодоустойчивых сортов битума, менее подвер­ женных процессу старения, является одной из актуальных за­

дач.

Стандартные испытания битумов не могут с достаточной полнотой характеризовать их качество для практического при­

менения. Качество асфальтового бетона зависит не только от пластичности, вязкости и теплоустойчивости битума. Большое

значение, в частности, имеют и адгезионные свойства битума, т. е. его способность образовывать на поверхности минераль­ ных частиц пленки, хорошо прилипающие к минеральному ма­ териалу. Сцепление битума с поверхностью минеральных ча­

23

стиц оказывает большое влияние на водоустойчивость и долго­ вечность асфальтобетонных покрытий. Поэтому, выбирая би­ тум для асфальтового бетона, важно знать и его адгезионные свойства по отношению к данным минеральным материалам.

В последние годы в СоюзДОРНИИ кандидатом химических наук А. С. Колбанавской разработана более совершенная ме­ тодика определения сцепления битума с минеральными мате­ риалами, о которой более подробно сказано ниже.

ЖИДКИЕ БИТУМЫ

В практике дорожного строительства нашли широкое при­ менение жидкие битумы, имеющие жидкотекучее состояние при

нормальной температуре.

В асфальтобетонном производстве жидкие битумы исполь­ зуются в качестве разжижителей вязких марок битума, а так­ же вяжущего материала в холодном асфальтовом бетоне.

По действующему стандарту (ГОСТ 1972—52) различают­ ся: жидкие битумы класса А— густеющие со средней скоро­ стью; жидкие битумы класса Б — густеющие медленно.

Каждый класс в свою очередь делится на шесть марок в

зависимости от вязкости битума.

Под влиянием улетучивания легких фракций, полимериза­ ции и других факторов жидкие битумы так же, как и вязкие, со временем становятся более вязкими. Вязкость жидких би­ тумов условно характеризуется временем истечения определен­ ного количества материала через отверстие заданного диамет­ ра. Испытание производится в специальном .приборе—вискози­ метре при определенной температуре битума.

Кроме этого, для характеристики жидкого битума выясня­ ют его фракционный состав путем разгонки образца битума при заданных температурах (до 360°). Для жидких битумов класса А в остатке после разгонки определяют глубину прони­ кания и растяжимость так же, как и Для вязких битумов.

Жидкий битум класса А изготовляется путем добавления в вязкие битумы легких разжижителей. Вследствие этого содер­ жание легких фракций, быстрее улетучивающихся, в этом би­

туме больше, чем в битуме класса Б. Это способствует и интен­

сивному повышению вязкости жидких битумов класса А. К со­ жалению, несмотря на то, что последний ГОСТ, предусматрива­ ющий производство жидких битумов класса А, был издан еще в 1952 году, до последнего времени эти битумы не выпускались нашей промышленностью. Их получали на 'месте производства

работ путем разжижения вязких битумов. Значительные преи­ мущества, которые в ряде случаев имеют битумы, густеющие более интенсивно, диктуют необходимость организации их пла­

24

тонных смесей, применяющихся в последние годы. Следует от­ метить, что в ряде зарубежных стран нашли широкое примене­ ние жидкие битумы, густеющие со средней скоростью (т. е. ти­ па класса А) и даже быстрогустеющие битумы, для приготов­

ления которых применяются еще более легкие разжижители.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ

Свойства битумов зависят в основном от свойств нефти и способа ее переработки. Лучшим видом сырья для получения дорожных битумов являются смолистые нефти (нефти с так называемым асфальтовым основанием), содержащие большое количество асфальто-смолистых веществ (до 50%). Такие неф­ ти отличаются большей вязкостью и более высоким удельным

весом (тяжелые нефти).

Выход битума из тяжелых нефтей значительно выше. В среднем он составляет около 10% от веса перерабатываемой

нефти.

По способу получения различают два основных вида дорож­

ных битумов:

при переработке нефти.

Наиболее распространено производство окисленных биту­ мов, имеющих более высокое качество.

Свойства остаточных битумов в большей мере, чем окислеш ных, зависят от свойств нефти. Получение доброкачественных

остаточных битумов возможно только из наиболее пригодных для этой цели нефтей (богатых асфальто-смолистыми вещест­ вами) • Свойства остаточного битума зависят также и от глуби­ ны отбора из нефти различных продуктов. Более глубокий от­

бор (отделение из остаточного продукта тяжелых масел) при­

водит к получению более вязких битумов. При менее глубоком'

отборе, когда в остаточном продукте остается больше масел,

битум имеет меньшую вязкость. Следует иметь в виду, что да­ леко не все остаточные продукты удовлетворяют соответствую­

щим требованиям, предъявляемым к битумам.

Более совершенным и наиболее распространенным являет­ ся способ получения окисленных битумов. Этот способ

дает возможность широко регулировать свойства получаемого' материала. Кроме того, он позволяет получать доброкачествен­

ные битумы из разнообразных по своим свойствам нефтей.

Следует, однако, подчеркнуть, что и при этом способе дорож­ но-строительные свойства битума в большой степени зависят от особенностей исходного сырья.

Для получения окисленных битумов тяжелый нефтяной ос­ таток (или остаточный битум) подвергают окислению путем-

25

■лродувки через него воздуха. Приготовление битума этим спо­ собом производится :в окислительных кубах, имеющих достаточ­

но большой объем (100 т и более)- Окисляемый продукт во время 'продувки воздуха обычно

имеет температуру 250—300°. Чем выше температура, тем быст­ рее протекает процесс окисления, и наоборот. При температу­ ре ниже 220° окисление происходит очень вяло.

Температура окисления оказывает влияние на свойства би­ тума. Установлено, что 'материал, полученный при более низ­ кой температуре (240—260°), отличается более высокой эла­

стичностью и лучшим соотношением между глубиной проника­ ния и температурой размягчения, чем при более высоких тем­ пературах окисления.

В последние годы разработаны новые, более эффективные способы получения окисленного битума. В частности, на не­ которых предприятиях кровельной промышленности применяет­ ся способ, предложенный кандидатом технических наук И. В. Провинтеевым, дающий возможность интенсифицировать

процесс окисления за счет лучшего контакта окисляемого про­ дукта с кислородом воздуха. В данном случае битумы строи­

тельных марок имеют более высокую эластичность в сравне­

нии с полученными из однородного сырья в кубовых окисли­

тельных установках. В настоящее время исследуется целесо­ образность выпуска дорожных битумов по методу И. В. Провин-

теева.

Свойства битумов в немалой степени зависят и от вязкости исходного сырья, иными словами от глубины отбора масел из

нефтяного остатка.

Современные способы переработки нефти за счет совершен­ ствования нефтеперегонной аппаратуры позволяют производить глубокий отбор фракций масел. Получающийся при этом неф­ тяной остаток оказывается обедненным маслами и обогащен­ ным высокомолекулярными соединениями, вследствие чего име­ ет высокую вязкость. На многих нефтеперерабатывающих за­ водах для производства битумов используются нефтяные гуд­

роны с вязкостью, мало отличающейся от вязкости дорожных битумов (температура размягчения по методу «кольцо и шар» в пределах 37—41°).

Таким образом, остающийся интервал для окисления при получении из такого продукта дорожных битумов, например марки БН-П-У, весьма мал. Проведенные опытьи показывают, что при окислении менее вязкого сырья (т. е- гудронов, полу­ ченных при менее глубоком отборе масел) качество битума всегда будет выше: улучшается соотношение между глубиной проникания и температурой размягчения, повышается пластич­ ность при низких температурах (увеличиваются показатели глубины проникания и растяжимости при 0°).

ЭтОт вопрос достаточно подробно исследован Д. Д. Сурме-

26

ли в лабораторных условиях (во ВНИИасбестоцемент) и в опыт­

но-производственных. Аналогичные (результаты получены авто­ ром в СоюзДОРНИИ на лабораторной окислительной уста­ новке.

Таким образом, для получения высококачествен­ ных дорожных битумов должны применяться не случайные нефтяные остатки, свойства которых

'обусловлены лишь технологическим процес­ сом, принятым при переработке нефти, а специ­ альные гудроны с (заданными свойствами.

Стандарты на нефтяные битумы

Согласно действующим стандартам, предприятия Министер­ ства нефтяной промышленности СССР выпускают 18 марок дорожных нефтяных битумов, из них 6 марок вязких и 12 жид­ ких битумов.

Основные свойства, которыми должны обладать дорожные вязкие битумы, приведены в табл. 1. Технические условия на

жидкие битумы даны в табл. 2.

Отнесение вязких битумов к той или иной марке производит­ ся на основании показателей трех основных испытаний — глуби­ ны проникания, температуры размягчения и растяжимости.

Требования, предъявляемые к битумам, применяемым в ас­ фальтовом бетоне, неоднократно менялись на протяжении не­ продолжительного периода строительства асфальтобетонных по­ крытий. В начальный период строительства дорог с такими по­

крытиями использовались битумы с глубиной проникания 40—

70. В последние годы строители предпочитают более мягкие

-битумы, с глубиной проникания 80—120.

При выборе марки битума необходимо учитывать эксплуа­ тационные свойства асфальтобетонных покрытий в течение все­ го интервала температур, в котором протекает их работа. Бо­ лее вязкие битумы снижают пластичность асфальтового бетона, а при отрицательных температурах сообщают ему повышенную хрупкость. Вследствие этого асфальтобетонные покрытия с чрез­ мерно вязким битумом склонны к трещинообразованию в зим­ нее время. Практика применения слишком вязких битумов (с глубиной проникания 40—70) в средней полосе СССР подтвер­ дила это положение.

Использование слишком мягких битумов (с глубиной прони­ кания 120—150) в известной мере устраняет указанный недоста­

ток асфальтобетонных покрытий, но в то же время резко сни­ жает их устойчивость при повышенных температурах. Вслед­ ствие этого такие покрытия подвержены образованию других деформаций — наплывов, сдвигов, волн.

К сожалению, до сих пор нет таких битумов, которые бы совершенно исключали оба недостатка, присущих асфальтобе-

27