Машины по содержанию и ремонту автомобильных дорог и аэродромов

Как известно, битум с давних пор является одним из наиболее распространенных инженерно-строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации, а сегодня битум является основным вяжущим для дорожных работ. В нашей стране и за рубежом с применением битумов строится более 90% автомобильных дорог с усовершенствованным покрытием.

Производится битум путем окисления продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов (асфальтов деасфальтизации, экстрактов селективной очистки), а также компаундированием указанных окисленных и неокисленных продуктов или в виде остатка прямой перегонки нефти. Вязкость битума определяется значением пенетрации (значением, полученным посредством стандартного испытания иглой в соответствии с действующими нормативными документами, регламентирующими требования к битуму). Низкое значение пенетрации, вплоть до 50 – 60, соответствует вязкому битуму; такие битумы используются для сдвигоустойчивых покрытий или в жарком климате. Маловязкие битумы со значением пенетрации до 200 – 300 используются в холодном климате, где покрытие должно быть гибким даже при низких температурах. В большинстве случаев используется битум с пенетрацией 80 – 100. Технические требования к битуму регламентируются СТБ 1062-97 «Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия» и СТБ 1220-2000 «Битумы модифицированные дорожные».

В технологических процессах производства дорожно-строитель- ных материалов, проведения дорожных работ битум нагревается до 100 – 200 С до образования достаточной текучести для смешивания с минеральным материалом, что требует значительных энергозатрат на разогрев и поддержание его рабочей температуры.

Для нагрева битума до рабочей температуры, поддержания ее в расходных емкостях, обогрева битумо- и топливопроводов применяют специальные теплообменные устройства, которые можно классифицировать по видам теплоносителей: с паровым нагревом; с прямым огневым нагревом (дымовыми газами); с косвенным жидкостным нагревом («прямым огнем» нагревается промежуточный жидкий теплоноситель); с электрическим обогревом.

9

При прямом обогреве применяют жаровые трубы, нагреваемые горячими газами, которые образуются при сжигании жидкого или газообразного топлива, либо различные электронагреватели. При косвенном обогреве применяют промежуточный теплоноситель, в качестве которого обычно используют водяной пар и, в незначительном количестве, минеральные масла. Прямой разогрев вяжущего наиболее прост с точки зрения переноса тепла, но не всегда экономичен и часто уступает косвенному.

В настоящее время получили широкое распространение различные установки и системы жидкостного разогрева битума, битумных коммуникаций и оборудования, которые можно разделить по способу нагрева теплоносителя, – огневые и электрические и по компоновке с основным технологическим оборудованием – специальные (объединенные с обогреваемой цистерной) и автономные. Наибольший интерес представляют автономные установки, которые позволяют осуществлять более широкое их использование. Их можно классифицировать также по производительности, которая находится в диапазоне от 200 тыс. до 3 млн ккал/ч.

Общим достоинством систем с косвенным обогревом является возможность нагрева битума при любом его уровне в цистерне, полное исключение опасности коксования, возможность полной выработки емкости резервуара. Однако продолжительность разогрева вяжущего в резервуарах с косвенным обогревом значительно больше, чем в системах с прямым обогревом.

Битумы являются горючими веществами с температурой вспышки выше 220 С и минимальной температурой самовоспламенения 368 С. Предельно допустимая концентрация паров углеводородов битумов в воздухе рабочей зоны составляет 300 мг/м3. Температура битума в технологических процессах производства дорожно-строи- тельных материалов составляет 100 – 200 С.

На основании вышеизложенного данные производства являются производствами, на которых возможно образование опасных и вредных производственных факторов, которые могут причинить ущерб здоровью людей и окружающей среде, что в соответствии с требованиями действующих нормативных документов в области промышленной безопасности относит их к категории опасных про-

10

изводственных объектов, для эксплуатации которых необходимо получение лицензии Проматомнадзора.

Всоответствии с действующими Правилами перевозки опасных грузов автомобильным транспортом по территории Республики Беларусь [3] битум относится к классу 9 опасных грузов согласно ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка», что требует разработки условий его безопасной перевозки и получения лицензии Проматомнадзора.

Вкачестве альтернативы используется холодный битум или праймер-битум, смешанный с летучим нефтяным растворителем, таким как керосин или дизельное топливо, до достижения жидкого состояния, при этом окончательная прочность материала устанавливается только после испарения растворителя.

Для повышения надежности и долговечности асфальтобетонных покрытий в настоящее время внедряются битумы, модифицированные полимерами. Широкое использование модифицированных битумов вместо обычных объясняется их улучшенными свойствами, превосходящими требования ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Так, модифицированные битумы имеют большой диапазон рабочих температур (разница между температурой

размягчения и температурой хрупкости) до 100 С, в то время как обычные битумы – до 60 С.

Дорожные материалы, приготовленные с использованием полимерных битумов, имеют высокую устойчивость к деформациям за счет их большой эластичности. Кроме того, значительно замедляется процесс старения. Исследования зарубежных ученых показывают, что у битумов, извлеченных из дорожных покрытий, прослуживших десять лет, не наблюдается существенных изменений вязкости [4].

Для улучшения свойств дорожных битумов (модификации) используются специально изготавливаемые искусственные материалы. В настоящее время, ввиду многообразия искусственных материалов, предлагаемых нефтехимическими производствами, имеется богатый выбор используемых для модификации полимеров. Условно их можно классифицировать как термопласты (пластомеры); эластомеры и термоэластичные искусственные материалы [4].

11

Термопласты состоят из линейных или малоразветвленных полимеров, размягчающихся при нагревании. При охлаждении они снова становятся твердыми. Добавка пластомеров повышает вязкость и жесткость битумов при нормальных рабочих температурах (от -30 С до +60 С). Но пластомеры не оказывают влияния на эластичность модифицированных с их помощью битумов. При нагревании битумов, улучшенных пластомерами, наблюдается тенденция к разделению фаз битума и полимера, то есть такие битумы неустойчивы к хранению, поэтому должны готовиться непосредственно перед использованием. Наиболее распространено использование в качестве пластомеров полиэтилена и атактического (стереобеспорядочного) полипропилена.

Эластомеры состоят из длинных полимерных цепочек с широкими разветвлениями. Они эластичны в широком диапазоне температур: от низких до 200 С. При добавке эластомеров в битум повышается его вязкость, улучшается эластичность. Но эти системы также неустойчивы при хранении. Для предотвращения разделения фаз между битумом и искусственным материалом требуется постоянное перемешивание. Битум, модифицированный эластомерами, можно назвать битумом с эластичным наполнителем. В качестве эластомеров принято использовать натуральный или регенерированный каучук и полибутадиены.

Термоэластичные искусственные материалы размягчаются при температурах выше обычных рабочих температур и хорошо деформируются в этом состоянии. Термоэластичные искусственные материалы начали использоваться с 1965 года. Самым известным представителем группы термоэластичных пластмасс является стирол – бутадиен – стирол (СБС). Этот искусственный материал представляет собой блокополимер, состоящий из блоков стирола и полибутадиена. Добавка к битуму этого материала составляет, как правило, от 3 до 6% по массе. Необходимое количество добавляемого материала зависит от дисперсного состояния вводимого вещества: если СБС вводится в битум в мелкодисперсной форме, то расход уменьшается, если в крупнодисперсной форме, то требуется большее количество модификатора.

12

Кроме полимеров для улучшения свойств битума могут использоваться другие модификаторы: неорганические соли (хлорид марганца), синтетические или природные смолы, резиновая крошка, а также природные асфальты. Конечные свойства модифицированного битума во многом зависят от технологии введения добавки.

Привнесение в нестабильную дисперсную среду окисленных битумов процессов ступенчатой радикальной полимеризации в режиме «живых цепей» под действием ряда химических агентов позволяет придать ей свойства, подобные природным битумно-асфаль- товым продуктам с их высочайшей стабильностью, а сшитая полимерными цепочками гетерогенная армирующая структура из мелкодисперсных резиновых частиц придает таким материалам вполне достаточные практически для всех применений упругие свойства. Присутствие в битуме химически связанных с его компонентами частиц резины (например после утилизации автомобильных шин) обеспечивает повышение устойчивости материала к окислительной деградации в условиях эксплуатации, замедляет процессы старения при высокой эксплуатационной температуре, а также в условиях нагрева до высоких технологических температур.

Комплекс высоких показателей битумов, модифицированных мелкодисперсной резиновой крошкой, – БМРК битумов – обеспечивает высокую трещиностойкость и долговечность асфальтобетонных покрытий. Высокие адгезионные свойства этих битумов обеспечивают повышенную водостойкость асфальтобетонов и сокращение образования в процессе эксплуатации такого вида повреждений покрытия, как выкрашивание.

Верхний слой покрытия автодороги из такого асфальтобетона снижает шумность и за счет введенных частиц резины обладает повышенным коэффициентом сцепления с колесами транспортных средств, что способствует уменьшению тормозного пути и повышению безопасности движения. Асфальтобетон на вяжущем БМРК отличается хорошей способностью к уплотнению и легкостью укладки по сравнению с тем, в котором использовано полимернобитумное вяжущее с модификатором на основе СБС [5].

Модифицированные битумы изготавливаются по специальным технологиям на нефтеперегонных заводах или в специальных обо-

13

гатительных установках при постоянном лабораторном контроле качества. Полимерный битум является продуктом, готовым к транспортировке, хранению и переработке.

ВЕвропе для модификации битума чаще всего используется СБС. Полимер вводится в виде твердого вещества (гранул или порошка), а также в виде жидкости (эмульсии или раствора).

Для получения смесей, устойчивых при хранении, необходимо выбрать соответствующий базисный битум. Смесь является устойчивой, если при длительном хранении горячего битума в резервуаре не происходит разделение фаз. Современные полимерные битумы могут храниться до шести недель [4].

Традиционно используются два метода для изготовления модифицированного битума:

– приготовление битумно-полимерной дисперсии в смесителях с большими срезывающими усилиями (коллоидных мельницах);

– внесение полимера в битум химическим путем с помощью медленно вращающихся смесителей с незначительным срезывающим усилием.

Впервом случае для стабилизации полимерно-битумной дисперсии применяется сера и ее соединения. Между полимером и серой происходят реакции, в результате которых возникают новые химические соединения, остающиеся равномерно распределенными в битуме благодаря своей решетчатой структуре.

Во втором случае полимер (например СБС) предварительно обрабатывается таким образом, что он растворяется в битуме.

Недостатком коллоидных мельниц является тенденция разделения макромолекул основного материала, что в конечном счете приводит к наличию в битуме полимеров с меньшим средним молекулярным весом, чем до переработки. Это объясняется тем, что возникающие в коллоидных мельницах большие срезывающие усилия ведут к изменению молекулярной структуры полимера.

Смесители с низкими срезывающими усилиями позволяют добиться более высоких значений точек размягчения и намного большей пластичности модифицированного битума.

При использовании полимеров, которые не могут сочетаться с химической системой битумов (полиэтилен, атактический полипро-

14

пилен и натуральный каучук), необходимы установки для приготовления модифицированного битума непосредственно на объектах работ, чтобы приготовленный материал мог быть использован до разделения фаз.

Для переработки полипропилена и природного каучука или регенерированной резины рекомендуется использовать смесители малой скорости. В этом случае перемешивание битума с полимером происходит за счет расплавления полимера. Для получения модификаций на основе полиэтилена используются смесители с большими срезывающими усилиями, которые могут обеспечить дисперсное распределение полиэтилена в битуме.

В Республике Беларусь и в России применение пластомерных добавок не рекомендуется по климатическим условиям. При сильном охлаждении и продолжительных морозах дорожные материалы на основе таких вяжущих подвержены сильномутрещинообразованию [5].

Битумная эмульсия – современный вяжущий материал для дорожных и строительных работ, альтернативный классически используемому битуму. Ее применение имеет ряд принципиальных преимуществ перед традиционными технологиями с использованием битума, которые, по данным ГП «Веска», заключаются в следующем:

–экономия до 30% битума и до 45% щебня за счет лучшей обволакиваемости минерального материала битумной эмульсией;

–высокое сцепление с обрабатываемой поверхностью;

–широкий температурный интервал работ (от 0 С);

–сокращение энергозатрат до 55% в расчете на единицу конечной продукции по сравнению с технологией использования горячего асфальтобетона;

–возможность использования влажных минеральных материалов и проведения работ при неблагоприятных погодных условиях;

–улучшение экологической обстановки на объектах производства работ и подготовки материалов;

–увеличение на 40% срока службы отремонтированного покрытия, т.е. до 6 лет.

15

Наиболее полное и точное определение эмульсии: «Эмульсия – это неоднородная, термодинамически неустойчивая система, содержащая, по меньшей мере, две жидкие фазы, не поддающиеся смешению, из которых одна рассеивается во второй в форме капелек с диаметром, обычно превышающим 0,1 мкм» [6] – охватывает существующую классификацию эмульсий, согласно которой эмульсии классифицируются по происхождению (натуральные и искусственные); по форме (прямые, обратные и многосложные); зернистости (эмульсии – с размером частиц от 1 до 20 мкм и микроэмульсии – с размером частиц от 0,01 до 0,05 мкм).

В прямых эмульсиях, к которым относятся битумные эмульсии, фаза рассеяния, или внутренняя, является липофильной (дисперсной), а внешняя, или рассеивающая, фаза является гидрофильной (постоянной). Таким эмульсиям (рис. 1.1, а) присвоен индекс L/H («масло в воде») [6]. В противоположность прямым эмульсиям у обратных (рис. 1.1, б) дисперсная фаза является гидрофильной, а постоянная фаза – липофильной. Такие эмульсии имеют индекс H/L («вода в масле»). Многосложные эмульсии (рис. 1, в) – это эмульсии типа L/H, в которых сами диспергированные капли содержат небольшие капли третьей фазы, как правило, в виде той же жидкости, что и в непрерывной фазе. Такие эмульсии имеют индекс H/L/H («вода в масле в воде»).

16