Анализ применения улучшенных дорожных битумов (БНДУ) для ремонта федеральных автомобильных дорог

Анализ применения улучшенных дорожных битумов (БНДУ) для ремонта федеральных автомобильных дорог

Д.А. Строев, Б.Л. Балаян, Д.О. Фищуков Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: Исследованы физико-химические свойства проб битумов нефтяных дорожных улучшенных. Установлено, что представленные для испытаний пробы удовлетворяют нормативным требованиям практически по всему спектру испытаний за исключением показателей определяемых после прогрева вяжущего в тонкой пленке по методике EN 12607-2 (BN 12607-1), что, по-видимому, свидетельствует о недостаточной устойчивости данных битумов к термоокислительному старению. Изучено влияние адгезионной добавки на интенсивность смачивания битумом поверхности минеральных материалов.

Ключевые слова: битумы нефтяные дорожные улучшенные, устойчивость к термоокислительному старению, нормативные требования

До недавнего времени для нефтяных компаний Российской Федерации битум был остаточным продуктом переработки, в настоящее время производство этого материала выходит на позиции полноценного сегмента рынка углеводородов. Порядка 90 % производства битумов в нашей стране приходится на дорожные марки, которые используются входе строительства, ремонта и реконструкции объектов дорожного хозяйства, основным заказчиком которых является государство.

При этом рост роли Федерального дорожного агентства и крупных государственных компаний, как основных идеологов отрасли, влечёт некоторое развитие культуры дорожного строительства. Передовой опыт взаимодействия дорожной и нефтяной индустрии можно рассматривать на примере фирмы «Shell», которая практически не занимается простой продажей битума. Располагая мощной научной и экспериментальной базой, компания разрабатывает новые рецептуры не только битума, но и асфальтобетона, предлагая дорожникам решения для различных внешних условий. Учитывая то, что на состав и свойства битумов влияет не только природа исходного сырья, но и технология их приготовления [1],

исследование и совершенствование технологических приёмов для получения более качественного продукта не теряют своей актуальности.

Крупные строительные организации, выполняющие огромные объёмы работ, в условиях возрастающей конкуренции стремятся использовать передовые технологи и материалы. Одними из таких материалов являются битумы нефтяные дорожные улучшенные марок «БНДУ- 60» и «БНДУ- 85», применение которых началось при ремонте федеральных транспортных артерий нашей страны. Незадолго до этого, Государственной компанией «Автодор» был разработан стандарт организации СТО АВТОДОР 2.1. -2011 «Битумы нефтяные дорожные улучшенные. Технические условия», устанавливающий более высокие требования к некоторым физико-химическим показателям, устойчивости к старению и стабильности свойств, для данного типа вяжущих, по сравнению с обычным битумом. Следует отметить, что разработка и производство этих марок битума выполнялись с целью снижения зависимости качества конечного продукта от свойств сырья [2].

С целью определения соответствия свойств улучшенных битумов нормативным требованиям сотрудниками ДорТрансНИИ ДГТУ проводились испытания проб битумов марок БНДУ-60 и БНДУ-85, результаты которых представлены в Таблицах 1,2. Отбор проб осуществлялся непосредственно из цистерны битумовоза по прибытию на объекты ремонта федеральных автомобильных магистралей М-4 «Дон» в Воронежской области, и М-1 «Беларусь» в Смоленской области.

Представленные данные свидетельствуют о значительном снижении показателя растяжимости битумов БНДУ-60 после прогрева в тонкой пленке по методике БК 12607-2 (75-85%), несущественном изменении глубины проникания иглы пенетрометра, не позволившим достичь нормативных значений для данного показателя.

Таблица № 1

Физико-химические показатели пробы битума марки БНДУ- 60

№ п/п Наименование показателей Нормы дл (в соотв( АВТОД я битума марки тствии с СТО [,ОР 2.1-2011) Фактические показатели

БНДУ 60 Метод испытания

1 Глубина проникания иглы при 25°С, 0,1 мм 51-70 ГОСТ 11501 56

2 Температура размягчения, °С не ниже 51 ГОСТ 11506 51

3 Растяжимость при 25°С, см, не менее 70 ГОСТ 11505 >150

4 Вязкость динамическая при 60 °С, Па*м, не менее 300 БК 12596 371,57

5 Вязкость кинематическая при 135°С, мм /с, не менее 295 БК 12595 704

6 Температура вспышки, не ниже, °С 250 ГОСТ 4333 274

7 Температура хрупкости, не выше, °С -15 ГОСТ 11507 -15

8 Глубина проникания иглы при 0°С, 0,1 мм, не менее 13 ГОСТ 11501 17

9 Изменение температуры размягчения после прогрева, не более, °С 5 ГОСТ 18180 5

После прогрева в тонкой пленке по методике БК 12607-2

10 Изменение массы, не более, % от начальной величины 0,3 БК 12607-2 (БК 12607-1) 0,25

11 Растяжимость при 25°С, не менее, см 40 ГОСТ 11505 15,5

12 Глубина проникания иглы при 25°С, не менее, 0,1 мм 65 ГОСТ 11501 58,4

13 Вязкость динамическая при 60°С, Па* с Не нормиру ется БК 12596 1617,51

14 Коэффициент возрастания динамической вязкости, не более 3 БК 12596 4,35

Таблица № 2

Физико-химические показатели пробы битума марки БНДУ- 85

№ п/п Наименование показателей Нормы дл (в соотв( АВТОД я битума марки тствии с СТО [,ОР 2.1-2011) Фактические показатели

БНДУ 85 Метод испытания

1 Глубина проникания иглы при 25°С, 0,1 мм 71-100 ГОСТ 11501 76

2 Температура размягчения, °С не ниже 49 ГОСТ 11506 51

3 Растяжимость при 25°С, см, не менее 100 ГОСТ 11505 100

4 Вязкость динамическая при 60 °С, Па*м, не менее 250 БК 12596 260

5 Вязкость кинематическая при 135°С, мм /с, не менее 230 БК 12595 387

6 Температура вспышки, не ниже, °С 240 ГОСТ 4333 276

7 Температура хрупкости, не выше, °С -17 ГОСТ 11507 -21

8 Глубина проникания иглы при 0°С, 0,1 мм, не менее 20 ГОСТ 11501 23

9 Изменение температуры размягчения после прогрева, не более, °С 5 ГОСТ 18180 4,0

После прогрева в тонкой пленке по методике ЕК 12607-2

10 Изменение массы, не более, % от начальной величины 0,3 БК 12607-2 (БК 12607-1) 0,2

11 Растяжимость при 25°С, не менее, см 80 ГОСТ 11505 74

12 Глубина проникания иглы при 25°С, не менее, 0,1 мм 65 ГОСТ 11501 70

13 Вязкость динамическая при 60°С, Па* с 650-1100 БК 12596 589

14 Коэффициент возрастания динамической вязкости, не более 3 БК 12596 2,8

Для битумов данной марки был зафиксирован высокий коэффициент возрастания динамической вязкости (4,35) свидетельствовавший, по-видимому, о значительных структурных изменениях под действием высоких температур [3], на это же указывает и значительное изменение массы после прогрева (0,2-0,24%).

В результате исследований установлено, что основные физико-химические показатели проб битума БНДУ-60 удовлетворяли нормативным требованиям, однако имелись несоответствия по показателям свойств после прогрева в тонкой плёнке, свидетельствовавшие о недостаточной устойчивости материала к процессам термоокислительного старения.

Схожая ситуация наблюдалась и с пробами битума марки БНДУ-85, которые не соответствовали требованиям по показателю «растяжимость при 25 °С», после прогрева в тонкой плёнке по методике БК 12607-2. Так же следует отметить, что характерной особенностью для обоих марок битумов является увеличение динамической вязкости после прогрева в тонкой плёнке (в 3 - 4 раза) при сравнительно неизменных значениях глубины проникания иглы пенетрометра, что подтверждает точку зрения о недостаточной информативности традиционной методики оценки качества вяжущих [4,5].

Одним из важнейших аспектов определяющих качество асфальтобетонных смесей является сила сцепления битумной плёнки с поверхностью каменного материала. Смачивание поверхности щебня битумом является необходимым условием для обеспечения равномерного распределения и хорошей адгезии вяжущего при перемешивании с минеральным материалом. Интенсивность смачивания вяжущим поверхности заполнителя на прямую связана с поверхностным натяжением на границе раздела фаз воздух - вяжущее, и зависит от температуры компонентов асфальтобетонной смеси при приготовлении. Известно, что поверхностно-активные вещества так же могут влиять на величину

поверхностного натяжения на границе раздела фаз, поэтому определённый интерес представляло исследование влияния адгезионной добавки Амдор-9 на интенсивность смачивания битумом поверхности щебня при разных температурах. Для целей эксперимента определялся краевой угол смачивания битумом эталонной стеклянной поверхности по методу проектирования на экран «сидячей» капли [6]. Исследования проводились на чистых пробах битумов БНДУ-60 и БНДУ-85 и модифицированных 0,5 % добавки Амдор-9. Результаты исследования представлены на Рис.1. и свидетельствуют о снижении краевого угла смачивания вяжущим эталонной поверхности при введении в состав пробы адгезионной добавки. На основе имеющегося опыта исследований критической считается величина краевого угла смачивания равная 15 0. В этой связи, минимальный температурный интервал для приготовления материала с применением битумов данных марок составляет 115-135 0С.

= 30

к я

я 25 ^

са а

Е 20 Е

Ч 15

о

и

я 10 о

03

«

« э а-

И

0

' "" - - —__ 1"

- — —-_

^ __

80 100 120 140 160 18

БНДУ-60

Температура, °С

БНДУ-85

----БНДУ-60+ АМДОР-9

---БНДУ-85+АМДОР-9

Рис. 1. - Влияние адгезионной добавки на изменение краевого угла смачивания битумов марок БНДУ

Введение поверхностно-активного вещества позволяет снизить пороговую температуру при приготовлении на 10-15 0С, что, по-видимому, может дать возможность регулирования технологическими температурами при приготовлении асфальтобетонных смесей [7].

Анализируя сложившуюся на сегодня конъюнктуру рынка битумных материалов, хочется отметить наличие положительных тенденций связанных с разработкой новых продуктов [8,9], однако существуют и некоторые недоработки, требующие пристального внимания, как заказчиков, так и производителей [10,11]. Сегодня, улучшение качества битумных вяжущих применяемых для целей дорожного строительства возможно в случае тесного взаимодействия специалистов нефтеперерабатывающей отрасли совместно с ведущими научно-исследовательскими центрами и строительными организациями занимающимися проблемами дорожно-транспортного сектора.

Литература

1. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М.: Химия, 1973. - 432с.

2. Худякова Т.С. О нормативных требованиях к дорожному битуму как материалу целевого назначения // Вестник ХНАДУ. - 2008. - №40. - С. 21-24.

3. Печёный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия, 1990. -256с.

4. Золотарев В. А. Битумы, модифицированные полимерами и добавками. - СПб.: Славутич, 2013. - 152 с.

5. А.С. Колбановская, В.В.Михайлов. Дорожные битумы. - М.: Транспорт, 1973. - 260 с.

6. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. - М.: Химия, 1986. - 216 с.

7. Черных Д.С., Строев Д.А., Задорожний Д.В. и др. Оценка влияния количества асфальтогранулята и технологии его подачи на свойства

приготавливаемых асфальтобетонных смесей // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2197.

8. Руденский А.В., Калгин Ю.И. Дорожные асфальтобетонные покрытия на модифицированных битумах. / Воронеж. Гос. Арх.-строит. Ун-т. -Воронеж, 2009. - 143 с.

9. Loaded wheel testers in the United States: state of the practice. L.Allen Cooley Jr., Prithvi S. Kandhal, M. Shane Buchanan, and other., NCAT Report 0004, 2000.-15p.

10. Validation of Asphalt binder and mixture tests that measure rutting susceptibility, Kevin D. Stuart, Walaa S. Mogawer, and Pedro Romero, FHWA-RD-99-204, 2000.- 324 p.

11. Николенко М.А., Бессчетнов Б.В. Повышение длительной трещиностойкости асфальтобетона дорожных покрытий // Инженерный вестник Дона, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/856.

References

1. Gun R.B. Neftjanye bitumy [Petroleum bitumens]. M.: Himija, 1973. 432p.

2. Hudjakova T.S. Vestnik HNADU. 2008. №40. pp. 21-24.

3. Pechjonyj B.G. Bitumy i bitumnye kompozicii [Bitumen and bitumen compositions]. M.: Himija, 1990. 256 p.

4. Zolotarev V.A. Bitumy, modificirovannye polimerami i dobavkami [Bitumen modified with polymers and additives]. SPb.: Slavutich, 2013. 152 p.

5. A.S. Kolbanovskaja, V.V.Mihajlov. Dorozhnye bitumy [Road bitumen]. M.: Transport, 1973. 260 p.

6. Laboratornye raboty i zadachi po kolloidnoj himii [Laboratory work and tasks on colloid chemistry]. M.: Himija, 1986. 216 p.

7. Chernykh D.S., Stroev D.A., Zadorozhniy D.V. i dr. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2197.

8. Rudenskij A.V., Kalgin Yu.I. Dorozhnye asfal'tobetonnye pokrytija na modificirovannyh bitumah [Road asphalt-concrete coatings on modified bitumens]. Voronezh. Gos. Arh.-stroit. Un-t. Voronezh, 2009. 143 p.

9. Loaded wheel testers in the United States: state of the practice. L.Allen Cooley Jr., Prithvi S. Kandhal, M. Shane Buchanan, and other. NCAT Report 0004, 2000. 15p.

10. Validation of Asphalt binder and mixture tests that measure rutting susceptibility, Kevin D. Stuart, Walaa S. Mogawer, and Pedro Romero, FHWA-RD-99-204, 2000. 324p.

11. Nikolenko M.A., Besschetnov B.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/856.