Качественный дорожный битум – что это?

Неслучайно в настоящее время модификация состава битумного вяжущего и улучшение внутренних свойств в заданных условиях его эксплуатации на дороге становится все более актуальным направлением. Решение этой задачи осуществлялось в рамках гармонизации с мировыми стандартами по оптимизации битумных вяжущих для дорожного строительства и при разработке новых требований к технологии их получения и применения. 

Получение высококачественных битумных вяжущих, определяющих эксплуатационную надежность и долговечность дорожных покрытий, имеет чрезвычайно важное практическое значение. Учитывая, что крупнотоннажное производство битумных вяжущих осуществляется на НПЗ топливного профиля, сырья для производства битума становится все меньше, а ширина интервала пластичности и номенклатура марок по климатическим условиям эксплуатации и транспортной нагрузке сужается.

Работа современных НПЗ происходит в несколько этапов:

1. Сначала сырая нефть поступает в электрообессоливающую установку (ЭЛОУ) для выведения соли из сырой нефти;
2. После чего через АТ (атмосферную трубчатку) обеспечивается первичная переработка поступающей на НПЗ сырой нефти. Уже на этой стадии можно получить газ, бензин, керосин, дизельное топливо;
3. Затем остатки переработанной нефти (мазут) пропускают через ВТ (вакуумную трубчатку) – для переработки мазута, поступающего с блока АТ. В процессе переработки получаем газ и различное сырье, а мазут становится гудроном, который и является основным компонентом для производства битума;

Однако при этом возникает ряд вопросов: почему с каждым годом количество выпускаемых битумов сокращается; почему, если раньше стоимость битума в зимний период падала в два и более раз и дорожникам было выгодно его закупать, то сейчас стоимость битума не зависит от времени года, оставаясь стабильно высокой в «низкий» сезон?

Изначально (на старых заводах) гудрон был конечным продуктом, который сливали в хранилища, а для того, чтобы не останавливать производство, его продавали с большой скидкой. С модернизацией заводов гудрон стал подвергаться дальнейшей переработке в установке замедленного коксования. На выходе мы получаем тот же газ, бензин, керосин, дизельное топливо и... кокс! Эти продукты, по сравнению с битумом, имеют гораздо большую стоимость, а кокс к тому же очень востребован в металлургической промышленности, причем не только российской – значительное его количество идет на экспорт. Таким образом, производить битум нефтяникам не выгодно.

Поэтому неудивительно, что битум, который приобретается дорожниками для строительства асфальтобетонных покрытий, далеко не всегда оказывается продуктом высокого качества, отвечающим современным требованиям.
Решающим фактором, который определяет особенности битумных вяжущих, является коагуляционная структурная сетка смолисто-асфальтеновых веществ (табл. 1). Все битумы, независимо от вида нефти, нефтяного сырья и технологии получения разделены на три различных типа: золь, золь-гель и гель.

Битумы I типа имеют низкую устойчивость против действия окислительных факторов в процессе технологической переработки при производстве асфальтобетона. К преимуществам битума II типа следует отнести высокую когезию и деформационную устойчивость в упруго- вязком состоянии, повышенную устойчивость против воздействия окислительных факторов, приводящих к старению, к недостаткам – отсутствие эластического и упруго-пластического состояний, низкую теплостойкость и плохую водостойкость. Ко II типу относятся битумы марок БН с регламентированными стандартом показателями свойств. Остаточные битумы принадлежат в основном к этому типу.

Оптимальной же для дорожного строительства считается структура битумов III типа. Эти битумы не имеют явно выраженных недостатков I и II типа. Марки БНД, соответствующие III структурному типу, рекомендованы для применения во всех дорожно- климатических зонах. Для строительства дорог высшей категории во многих странах используют компаундированные вяжущие, полученные путем объединения различных нефтяных фракций, высокомолекулярных смол эластомеров, поверхностно-активных веществ, серы. Введение в битум II структурного типа реакционноспособного ПАВ может привести к преобразованию структуры в III тип.

Достаточно упрощенно можно представить структуру битума в качестве ядра, которое составляют асфальтены, окруженного оболочкой из адсорбционно-сольватных слоев смол. Эти агрегатные частицы распределены в масляной среде.

На основании проведенных исследований битумные вяжущие были разделены на дорожные, строительные и кровельные; сформулированы критерии требований, предъявляемые к их качеству.

Влияние особенностей отдельных структурных элементов на свойства битумных вяжущих, их способности подвергаться химическим и физико-химическим изменениям под влиянием кислорода воздуха, поверхности минерального материала и воды при технологической переработке и эксплуатации в дорожном покрытии научно обосновано, однако не имеет смысла без обеспечения надлежащей структуры битумных вяжущих.

Решающим фактором, определяющим особенности битумных вяжущих, является коагуляционная структурная сетка смолисто- асфальтеновых веществ. Это и определяет структурно-механические, деформационные свойства битумных вяжущих в широком диапазоне температур. Наиболее предпочтительным для дорожного строительства является тип «золь-гель», в котором отдельные агрегаты асфальтенов находятся в дисперсионной среде, структурированной смолами.

В табл. 2 представлены актуальные данные битумных вяжущих, произведенных путем окисления гудронов на ряде нефтеперерабатывающих предприятий: Пермском (ПНОС), Ачинском (АНПЗ), в Ангарской нефтехимической компании (АНХК) и Рязанской нефтеперерабатывающей компании (РНПК), Ново-Уфимском НПЗ из нефтесмесей Западносибирского, Восточносибирского и Ванкорского месторождений. Все исследованные битумы, соответствующие предъявляемым к ним марочным требованиям, были произведены в период с 2018 по 2021 год и использовались для производства асфальтобетона.

Согласно исследованиям, проведенным НПЗ (взято из открытых источников), битумы относятся к I и II структуре битума, и по сути дорожного битума, который относится к III структуре, в стране не производят! 

В результате проведенных дополнительных испытаний битума по углублению их окисления выяснилось, что это не дает значимого результата, поскольку лишь снижает содержание масляной части и стойкости к старению. Образец, наиболее близкий по содержанию асфальтенов и ароматических углеводородов, имеет слишком низкое содержание смол, что указывает на отсутствие рациональной технико-экономической возможности изменения состава битумного вяжущего в процессах нефтепереработки.

Хорошая новость заключается в том, что большинство вырабатываемых битумных вяжущих относятся к коагуляционной структуре «золь», которая имеет самый большой потенциал к их модификации. Все известные подходы, модификаторы, битумные добавки при самых небольших рекомендованных дозировках будут оказывать наибольший эффект. Таким образом, битумные вяжущие могут служить сырьем для модифицированного битума.

Для производства качественного дорожного битумного связующего важное значение имеет правильное сочетание дисперсной структуры битума с качеством основных структурных элементов – асфальтенов, смол и углеводородов. В силу технологии производства, поступающего сырья, а также большего различия внутренних свойств структурообразующих компонентов на НПЗ, целесообразно модифицировать золь.

Возможна модификация полимерами:

1. Эластомеры – каучукоподобные полимеры, например натуральные или синтетические каучуки, полиизобутилен, девулканизированная резиновая крошка;
2. Термопластичные пластмассы – полиэтилен и полипропилен, полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид;
3. Термореактивные пластмассы – фенолформальдегидные и эпоксидные смолы;
4. Термоэластопластичные полимеры – дивинил-стирольный, дивинил-а-метастирольный, изопрен-стирольный, блоксополимеры;
5. Сшитые – сопряженная пространственная сетка асфальтенов и полимера (за счет функциональных групп).

Модификация также может осуществляться по критериям тиксотропности, адгезии, физико- механической прочности и др.
Создание сопряженной структуры возможно при достаточном содержании асфальтенов, связанных в каркас (I и III). В золях асфальтенов для получения сшитых с полимером структур не хватает.

Задача исследований битума, проведенных за последние годы, направлена на улучшение качества битума за счет применения полимерных добавок, придающих битумным вяжущим свойства эластичности. Однако, будучи примененной в неправильной структуре битумного вяжущего, эта технология не дает должного эффекта. А с учетом сложности оборудования, трудностей контроля качества и более высокой стоимости, повсеместное и бездумное применение ПБВ наносит ущерб народному хозяйству.

Проблема заключается в необходимости разработки и применения научно-обоснованного использования битумных вяжущих и ПБВ. Альтернативным направлением модификации битума может стать технология улучшения тиксотропных свойств. Она позволит обеспечить рациональную пространственно-структурную сетку битумным вяжущим, придать им свойства тиксотропности в широком диапазоне температур, и тем самым избежать хрупкого разрушения в процессе эксплуатации при низких температурах, а также необратимых сдвиговых деформаций летом. Технология отличается лучшими показателями качества при меньших затратах на их получение.

Контролировать тиксотропность можно любым вискозиметром, а лучше всего – когезиометром (напряжение сдвига). Задавшись определенным коридором вязко-температурной характеристики для битумов определенного структурного типа, всегда можно получить битумное вяжущее необходимых свойств.

Создание новых рациональных структур в битумных вяжущих путем компаундирования легкими фракциями, высокомолекулярными смолами, поверхностно-активными веществами и полимерами, в сочетании с новыми методами, обеспечит получение устойчивых к атмосферным факторам и транспортной нагрузке материалов, обладающих высокими структурно-реологическими, адгезионными качествами. 

С выходом новых ГОСТов на асфальтобетон (58406 и 58401) при подборе и определении качества смесей большую роль играет качественный битум. Те же асфальтобетонные смеси ЩМА-16 или SMA-16 на битуме с низкой динамической вязкостью подобрать невозможно: средняя глубина колеи будет высокая, а данный показатель является основным. Поскольку в старом ГОСТе (31015) на щебеночно-мастичные смеси не существовало такого показателя, как глубина колеи, то для подбора подходил практически любой битум. К сожалению, такой подход был чреват тем, что битум низкого качества вызывал дефекты и разрушения покрытия на дороге.

Описанная выше проблематика получения правильного и качественного битума в нужном объеме выходит сегодня на первый план – без него не будет качественных, долговечных и безопасных дорог. За качество и долговечность дорог сегодня отвечают дорожно-строительные организации; в контрактах уже прописывают гарантию на верхние слои до восьми лет. При этом никто не может объяснить, как сделать такие асфальтобетонные покрытия, которые должны эксплуатироваться в экстремально тяжелых условиях (летом температура покрытия может достигать +70°С, а зимой –40°С).

Единственный вариант определить, насколько подходит битум, – это классифицировать его по марке PG согласно ГОСТ 58400. По этой марке можно определить максимальную и минимальную температуру эксплуатации вяжущего.
К сожалению, у данной системы есть минусы: очень дорогое и сложное оборудование для испытаний, требуются высококвалифицированные инженеры для работы на этом оборудовании, нет российских аналогов этого оборудования (из-за сложности исполнения). Старыми методами испытаний, которыми мы пользуемся, к сожалению, невозможно определить, подходит ли битум для асфальтобетона.

На сегодняшний день дорожники играют с битумом в русскую рулетку, ведь вяжущее марки PG мало кто производит из-за его высокой стоимости, а в проектах часто указывают обычный битум. Качественный битум, классифицированный по маркам PG, должен закладываться заказчиками в проекты, а затраты подрядчиков должны быть компенсированы.

 

А.Ю. Дедюхин, канд. техн. наук, директор испытательного центра НИИ ЛАДОР (г. Екатеринбург)