Актуальное

В поисках волшебного рецепта: о качестве материалов для дорожного строительства

Удовлетворению растущих потребностей в эффективных дорожных материалах мешает проблема нестабильного качества битумосодержащих смесей. Дорожникам предстоит параллельно разрабатывать нормативы, внедрять новые технологии и материалы и изучать их эффективность.

Дорога
Астахов: “Технологии производства не всегда способны обеспечить стабильное качество дорожных материалов на основе битумов”
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

Чтобы повысить качество и долговечность дорожного покрытия, а, как известно, государством поставлена задача довести межремонтный период эксплуатации дорог до 12 лет, необходимо для начала обеспечить строителей современными и эффективными материалами. Российский рынок дорожного строительства сегодня остро нуждается в первую очередь в качественном битуме.

«Дефицит битумов и их низкое качество – проблемы, которые сейчас чрезвычайно тревожат дорожников, – констатирует заместитель руководителя Федерального дорожного агентства Игорь Астахов. – Нас беспокоит, что государством ставится задача уводить нефтепереработку в сторону увеличения объемов производства светлых нефтепродуктов. Это противоречит интересам отрасли в целом. В цепочке переработки необходимо резервировать возможности для целенаправленного производства битумных материалов, спрос на которые будет расти».

Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) – материалы на основе традиционных битумов с добавлением полимеров типа СБС (стирол-бутадиен-стирол) и пластификатора. ПБВ по сравнению с традиционным битумом имеет лучшие показатели качества. В их числе, например, повышенная сопротивляемость к деформации и старению.

Но проблема не только в том, что отрасли грозит дефицит исходного сырья для столь необходимых материалов. Дело в том, что технологии производства не всегда способны обеспечить стабильное качество дорожных материалов на основе битумов.

«Основными проблемами производства битумов с заданными свойствами является ухудшение качества нефтяного сырья, обусловленное увеличением содержания твердых парафинов. На качество конечного продукта влияют и нестабильность химического состава нефтяных тяжелых фракций и гудрона, а также несовершенная отечественная технология получения битумов методом прямого окисления», – поясняет профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный», д. т. н. Валентин Васильев.

Стабильность нужна всем

«Нефтяные битумы находят широкое применение в дорожном строительстве, – подтверждает технический директор ООО «Лайтхаус Груп» Андрей Коняшин. – Но практика дорожного строительства в России, состояние дорог, в том числе и федерального значения, опровергают мнение о безукоризненности требований Нацио­нальных государственных стандартов к дорожным битумам. Удовлетворить эти требования в полной мере битум не может, поскольку является побочным продуктом производства. Основной целью перегонки нефти на НПЗ является получение фракций, пригодных для дальнейшей переработки в моторные топлива, смазочные масла и продукцию нефтехимического синтеза. А для производства нефтяных битумов в качестве сырья используют остатки. Следовательно, получить битум стабильного качества не представляется возможным».

Не ниже PG 64-28 должна быть марка дорожного битума для Северо-Западного региона

Специалисты подчеркивают, что составы битумных материалов должны разрабатываться более тщательно, поскольку с каждым годом нагрузки на дороги возрастают, увеличивается интенсивность движения транспорта.

«Климатические и погодные условия эксплуатации дорожной одежды на территории РФ, в частности на мостах, путепроводах, развязках, обусловливают необходимость предъявления высоких требований к битумным вяжущим», – констатирует Андрей Коняшин.

Специалисты обращают внимание на то, что по нововведенной системе комплексного проектирования составов асфальтобетонных смесей Superpave требования к качеству битумных вяжущих становятся еще выше. Марка материалов определяется интервалом работоспособности (PG Grade) между двумя температурами испытаниями, соответствующими минимальной и максимальной расчетным температурам асфальтобетонного покрытия в рассматриваемом регионе строительства. В частности, для Северо-Западного региона марка дорожного битума должна быть не ниже PG 64-28.

При этом, по мнению практиков, сейчас не существует ни одного полимера, который в сочетании с битумным вяжущим позволил бы выдержать марку PG, регламентируемую новым стандартом. Поэтому для разработки рецептур качественных асфальтобетонных смесей требуется скрупулезное изучение вопроса производства битума, проведения комплексных лабораторных и натурных испытаний по системе Superpave с последующей укладкой дорожного полотна во всех климатических зонах страны.

«Мониторинг тестовых объектов необходимо вести несколько лет, и только после этого можно разработать новый стандарт, в основе которого будут результаты практических испытаний инновационных смесей», – подчеркивает Андрей Коняшин.

Работа по совершенствованию материалов и стандартов все же ведется. Например, уже согласованы для применения на объектах ГК «Автодор» модифицированные вяжущие «Газпром нефти». А Стандарт организации (СТО) «Газпромнефть – Рязанский завод битумных материалов» на современные модифицированные битумы – полимерно-битумные вяжущие был внесен в реестр ГК «Российские автомобильные дороги».

Производители утверждают, что выпускаемые по новому СТО марки – ПБВ 40, ПБВ 60 и ПБВ 90 – обладают улучшенными качественными характеристиками и по физико-механическим показателям не только полностью соответствуют ГОСТ Р 52056 и EN-стандартам, но и по некоторым параметрам существенно превосходят требования российского ГОСТа.

По информации генерального директора «Газпром­нефть – Битумные материалы» Дмитрия Орлова, рассматривается возможность включения ПБВ «Газпром нефти» в проектную документацию ГК «Автодор».

Снять пробу

Новые материалы проходят различные виды испытаний и подвергаются всестороннему анализу. Так, например, в прошлом году на базе лаборатории «АБЗ-1» была проведена межгосударственная работа по исследованию нефтяных битумов различных производителей, организованная EAPA для членов ассоциации.

Материал
Коняшин: “Мониторинг тестовых объектов необходимо вести несколько лет, и только после этого можно разработать новый стандарт, в основе которого будут результаты практических испытаний инновационных смесей”
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

«Нами проводился цикл физико-механических испытаний по методикам ГОСТ и EN по определению содержания твердых парафинов и взаимосвязи с реологическими характеристиками, – рассказывает заместитель начальника лаборатории ОАО «АБЗ-1» к. т. н. Наталья Майданова. – Кроме того, ставилась задача по определению реологических характеристик по методологии Superpave, исследование на содержание металлов, выявление структурных параметров битумов и их компонентов методом ИК-спектроскопии. На основе полученных данных нами был сделан анализ результатов и выявлены зависимости».

В работе принимали участие специалисты инженерного факультета турецкого университета Dokuz Eylul и химического факультета СПбГЭУ. Для исследования были отобраны отечественные битумы, представленные ОАО «Асфальтобетонный завод № 1», и зарубежные, которые предложили коллеги из Турции. Специалисты изучили такие марки, как IZMIR – турецкий продукт, производимый НК «Tupras» с использованием нефти из Ирака, Азербайджана и Сирии.

А также TURKMENISTAN (из Туркменистана), KWASHY и BEAJY (из Ирака), R3 БНД 60/90 Кинеф (производства ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез», ГОСТ 22245), R 5 – БНД 60 /90 МНПЗ (ЗАО «Газпромнефть БП – МНПЗ», ГОСТ 22245), R 4 – БНД 70 /100 МНПЗ (ЗАО «Газпромнефть БП – МНПЗ», ПНСТ 1-2012), R 6 – БДУ 70/100 Ухта (ЗАО «Лукойл-Ухтанефтепереработка», СТО 00044434-014-2009).

Для анализа применялись два метода – дистилляции, проведенный согласно EN 12606-1, ГОСТ 33139 Б, и метод DSC – дифференциальной сканирующей колориметрии ASTM 4419-90.

«Метод DSC выявляет твердые парафины по наличию кристаллической фазы в битумах, а последнее, как известно, оказывает значительное влияние на их реологические характеристики, – поясняет Наталья Майданова. – Считается, что высокие температуры дистилляции могут разрушить молекулярную структуру парафинов. Иначе говоря, происходит так называемый термический крекинг, что приводит к неполной кристаллизации, и часть парафинов может оставаться в полученном продукте. В результате мелкие молекулы парафина могут раствориться в эфир-этаноле и не кристаллизоваться, что ведет к снижению содержания воска. Либо не выдерживаются условия перегонки и часть парафина не перегоняется. Данные обоих методов коррелируются между собой».

Испытания показали, что для остаточных битумов с незаконченным процессом отгона масляных фракций характерно резкое изменение температуры растяжимости. Содержание парафинов значительно сказывается при низкотемпературных тестах – увеличивается температура хрупкости.

«Не наблюдается связи между пенетрацией и динамической вязкостью у битума марки TURKMENISTAN. Связь вязкостей при высоких температурах с содержанием парафинов необходимо учитывать на АБЗ при выборе диапазонов смешения и укладки, – рекомендует Наталья Майданова. – Содержание Са и S связано с адгезионной способностью битумов к поверхности каменного материала».

По информации специалистов «АБЗ-1», у битумов BATMAN, IZMIR, BEAJY и KWASHI сигнал карбонильной группы практически отсутствует, что характерно для остаточных битумов. После испытаний битумов методом RTFOT появились сигналы карбонильной группы у образцов BATMAN, IZMIR, BEAJY и KWASHI от 0,1 до 1,5%.

Проблемами производства битумов с заданными свойствами являются ухудшение качества нефтяного сырья, нестабильность химического состава тяжелых фракций и гудрона, несовершенная технология получения битумов методом прямого окисления

В ряду от БНД КИНЕФ к туркменскому битуму интенсивность карбонильной группы возрастает с 2,5 до 6,3%. При окислении битумов в долгосрочном режиме по методике PAV в ряду BATMAN, IZMIR, BEAJY и KWASHI интенсивность сигнала карбонильной группы увеличилась с 3,3 до 5,3%, а в ряду от БНД КИНЕФ к туркменскому битуму – с 6,5 до 9,5%.

Исследователи пришли к выводу, что методом ИК-спектроскопии можно отличить остаточные битумы от окисленных, оценить глубину окисления как в исходном состоянии, так и в условиях старения по RTFOT и PAV. Ученые считают, что коррекцию реологии можно выполнять природными битумами.

«Многолетний опыт применения в дорожном строительстве природных асфальтов и асфальтитов нашел свое отражение в серии EN 13108, асфальто-бетонной смеси, в которой регламентировано применение природных асфальтов: тринидадского асфальта и американского асфальтита марки Гильсонит. Известны и товарные марки асфальтитов из Ирана, Албании, ОАЭ, разведаны его месторождения и в РФ. Природные асфальтиты применяют для коррекции реологических свойств дорожного битума, что существенно повышает его динамическую вязкость, увеличивает термоокислительную стабильность, улучшает адгезию и когезию, эластичное восстановление», – объяснила Наталья Майданова.

Отметим, что в 2012 году ООО «БалтХим Инжиниринг» совместно с СПбГТУ разработана уникальная технология производства «Искусственного асфальтита», который работает так же, как и природные аналоги.

По мнению ученых, необходимо разработать специальную стратегию обеспечения стабильного качества дорожных битумов в полном соответствии с условиями их эксплуатации в составе дорожной одежды.

«За последние годы существенно изменился химический состав западносибирской нефти, поступающей на переработку в НПЗ, – подчеркивает Валентин Васильев. – Произошло ее утяжеление, возросло содержание твердых парафинов, что отрицательно сказалось на качестве сырья. Это оказывает влияние на свойства дорожного битума. Так, твердые парафины ухудшают растяжимость, пенетрацию при 0 °С, понижают вязкость, асфальтены и минеральные компоненты нефти, металлы, ускоряют процесс окисления и старения. Увеличение содержания смол не приводит к улучшению качества битума при одновременном уменьшении концентрации ароматических соединений. Нестабильность качества сырья – гудрона в процессе непрерывного производства не позволяет получать битум с заданными узкими значениями пенетрации. Природа остатков западносибирской нефти такова, что из них невозможно только окислением получать качественный дорожный битум, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 33133 и тем более условиям СТО ГК «Автодор».

Для снижения рисков, по мнению ученого, необходимо использовать компаундированное сырье.

«Для оптимизации битумного производства следует создать гибкую систему подготовки сырья методом компаундирования, с объемом сырьевых емкостей, обеспечивающим непрерывную стабильную работу окислительных колонн в течение 3–5 суток, – рекомендует Валентин Васильев. – Для доработки товарных партий дорожного битума следует создать гибкую систему компаундирования, которая обеспечит выработку битума в соответствии с требованиями заказчика. Также необходимо усовершенствовать аналитический контроль сырья – определять пенетрацию, вязкость, групповой и элементный состав. Причем контролировать следует как все сырьевые компоненты, так и состав отходящих газов. Помимо контроля по ГОСТ необходимо определять групповой элементный состав крупных партий товарной продукции. Выполнение вышеперечисленных мероприятий позволит стабильно получать качественные битумы с заданными свойствами по требованию заказчиков».

Своей колеей

Отечественные производители все же не оставляют надежды разработать оптимальную и эффективную технологию для обеспечения качества дорожного покрытия.

Ремонт моста
Необходимо разработать специальную стратегию обеспечения стабильного качества дорожных битумов
(Чтобы увеличить, кликните на фото)

«Самый главный материал для любого типа асфальтобетона – это вяжущее, – считает директор по развитию ООО «Петрохим технологии» Ефим Резник. – От его свойств зависит качество и долговечность асфальтобетона. Нами было принято решение подготовить методику и технологию для возможности использования любого окисленного дорожного битума, изготовленного по ГОСТ 22245-90 и произведенного на любом НПЗ».

Специалисты решили создать систему методик и расчетов параметров вяжущего, с помощью которых можно было бы из битума, изготовленного на любом НПЗ, со 100%-ной гарантией успеха строить качественные и долговечные асфальтобетонные дороги.

«Но битум даже с одного и того же НПЗ на выходе не одинаков. Нефть поступает на переработку из разных скважин, с различными химическими и физическими характеристиками. Битум – остаточный продукт переработки нефти, и обеспечить качество и необходимые параметры невозможно. Единственное, на что могут повлиять переработчики, так это окислить гудрон до определенной степени и получить битум с пенетрацией, близкой к меньшему или большему параметру, но в пределах марки».

Вместе с тем каждый специалист, работающий в отрасли, понимает, что асфальтобетон не должен трескаться от температурных воздействий, нагрузок от тяжелого транспорта, иных факторов. На дорожном покрытии не должны образовываться колея, «гармошки» и другие виды деформации. Более того, асфальтобетон должен легко укладываться, укатываться, и при этом нельзя допускать расслоения слоев дорожного пирога, эрозии от несвоевременного или затянувшегося по времени уплотнения. Отчасти избежать отрицательных нюансов можно с помощью оптимального вяжущего. Специалисты сделали попытку его создать.

«Нами были проанализированы результаты испытаний, создана таблица с наилучшими характеристиками вяжущего и методика для расчета необходимых параметров ПБВ, – рассказывает Ефим Резник. – Для упрощения расчета мы ввели самые главные и необходимые вводные: максимальную и минимальную температуры воздуха, их пиковые значения по статистике за последние 20 лет. А также интенсивность движения по І категории, предполагаемый и расчетный период эксплуатации дорожного полотна без профилактических, ямочных или каких-либо других ремонтных работ».

Испытания проводились в течение трех лет, в том числе и с привлечением специалистов и лабораторного оборудования из Европы. Проведен анализ битумов, полученных НПЗ России, Украины, Белоруссии, Казах­стана, остаточные битумы тяжелой нефти, добытой казахстанскими нефтяниками и компанией «Татнефть».

«Должен отметить, что окисленные битумы некоторых производителей не дотягивают до требований ГОСТ 22245-90. Их тоже можно применять для модификации, но химические элементы, ранее выведенные из нефти в качестве побочного продукта, потом нужно добавлять. Процесс модификации занимает много времени, и дополнительные расходы на добавки приводят к удорожанию ПБВ, – поясняет Ефим Резник. – Общего рецепта для улучшения качества битума, естественно, нет. После анализа образцов асфальтобетона с наилучшими показателями стояла задача отработать весь сегмент параметров ПБВ для любых климатических зон и без всяких ограничений на движение автотранспорта.

В результате мы составили перечень параметров для контроля качества ПБВ в период модификации битума. Он включает показатели, уже имеющиеся в ГОСТ 52056-2003, но к нему добавлены параметры для проверки ПБВ, которые мы считаем необходимыми для анализа качества. Это вязкость, когезия, старение и стабильность. А также проверка фазовой инверсии с применением инфракрасного микроскопа».

Свою методику специалисты назвали направленной модификацией дорожного битума. Уникальность продукта связана со сложностью процесса модификации битумов. Это высокотехнологичный процесс, включающий стадии контроля и проверки исходного битума с дальнейшей его подготовкой, выбор комплекта полимеров и добавок, условий модификации для достижения фазовой инверсии и получения необходимого сегмента параметров в узком допустимом диапазоне.

«Нами рассчитаны и рекомендуются параметры для ПБВ «Полигум» в нижнем, среднем и верхнем слоях асфальтобетона при строительстве новых автомобильных дорог. Такая дорога будет гарантированно эксплуатироваться более 10–12 лет. Далее достаточно поменять только финишный слой и эксплуатировать дорогу еще не менее 10 лет», – резюмирует Ефим Резник.

Изготовленный по этой методике ПБВ «Полигум» применен компанией STRABAG при строительстве автомобильной трассы S8 в Польше. Строители подписали банковскую гарантию сроком на 18 лет. Дорога построена и успешно эксплуатируется.

Любовь Ежелева

В печатной версии название статьи – “В поисках волшебного рецепта” (журнал “Промышленно-строительное обозрение”, № 170, июль 2016 г.)

Related posts

X