Использование серы в дорожном строительстве стран Европы и Северной Америки

Опыт использования серы в качестве добавки или замены битума показывает, что этому способствуют три основные причины.

Первая причина заключается в возможности снижения расхода битума, цена на который в связи с энергетическим кризисом значительно увеличилась. А уменьшение содержания битума в серобитумных вяжущих за счет добавок более дешевой и имеющейся в значительных количествах серы обеспечивает снижение затрат на устройство дорожных одежд.

Вторая причина заключается в значительном истощении запасов каменных материалов, используемых при устройстве слоев дорожных одежд, которые приходится завозить из других, как правило, отдаленных районов. Применение серобитумных вяжущих материалов позволяет широко использовать в дорожном строительстве местные песчаные грунты, слабые каменные материалы, золы и шлаки, что также обеспечивает существенный экономический эффект.

Третья причина заключается в значительном улучшении свойств асфальтобетонных смесей на основе серобитумного вяжущего. К их числу относятся более высокая прочность при сжатии, что дает возможность уменьшить толщины соответствующих слоев дорожных одежд; более высокая теплоустойчивость без значительного увеличения жесткости при низких температурах, что снижает опасность образования в слоях дорожных одежд трещин в холодное (зимнее) время и пластических деформаций в жаркий (летний) период; приготовление смесей на основе серобитумного вяжущего при более низких температурах нагрева компонентов; более высокая устойчивость серобитумных материалов к динамическим нагрузкам; более высокая устойчивость к воздействию бензина, дизельного топлива и других органических растворителей, что позволяет использовать их при устройстве покрытий на стоянках автомобилей, станциях технического обслуживания.

Эти выводы сделаны на основании двадцатилетнего опыта применения серы в дорожном строительстве США, Канады и стран Западной Европы.

Использование серы в дорожном строительстве США и Канады

Наиболее широкое использование асфальтобетонов с добавлением серы наблюдается в США. Здесь серобитумное вяжущее применяют как при новом строительстве, так и при реконструкции дорог и ремонте дорожных покрытий.

Широкому производственному внедрению асфальтобетонных смесей предшествовали значительные научно-исследовательские разработки, проведенные рядом канадских фирм и лабораторией горнодобывающей промышленности США. Наряду с изучением влияния количества серы на различные по свойствам битумы эти фирмы занимались и отработкой технологического режима приготовления таких смесей. При этом много внимания уделялось приготовлению серобитумного вяжущего, смесей и устройству слоев из них с максимальным использованием современного серийного оборудования для дорожного строительства.

Существует два технологических способа применения серы в слоях дорожных одежд из минеральных материалов, обработанных битумом: с использованием незначительного количества серы в качестве разжижителя битума в обычных асфальтобетонных смесях; с применением большого количества серы (используется и как наполнитель смеси). Следует отметить, что введение серы в битум возможно также двумя способами. При первом способе мелкие частицы серы (5 мкм) вводят в горячий битум, непрерывно перемешивая. При этом сера плавится. При втором способе расплавленную серу при температуре ниже 150°С добавляют в горячий битум при интенсивном перемешивании.

В обоих случаях скорость перемешивания должна обеспечивать образование эмульсии и инициировать реакцию химического взаимодействия этих компонентов. Исследования показывают, что по таким технологическим режимам можно приготавливать вяжущие (сме-си на его основе), содержащие до 30% серы в битуме.

Поскольку плотность серы намного выше, чем плотность битума, расход сероорганического вяжущего для приготовления асфальтобетонных смесей несколько выше, чем битума.

Особенностью таких асфальтобетонных смесей на основе серобитумных вяжущих являются их хорошие удобообрабатываемость (вязкость серобитумного вяжущего при равной температуре меньше, чем исходного битума) и уплотняемость. В северных штатах США, где средняя зимняя температура воздуха достигает минус 30°С, с целью уменьшения трещинообразования на асфальтобетонных покрытиях используют в качестве органической составляющей вяжущего битум с глубиной проникания иглы 250-350 мм-1 при температуре 25°С. В него вводят до 20% серы, что способствует повышению термостабильности вяжущего, а значит, и сдвигоустойчивости таких дорожных покрытий в летний эксплуатационный период.

Кроме того, в США изучен способ приготовления сероорганических вяжущих и смесей на его основе, при котором порошкообразная или комовая (кусковая) сера наносится непосредственно на минеральный материал в смесительный барабан, перемешивается в течение 15 с. Затем после расплава серы и обволакивания ею минерального материала производится обработка битумом (перемешивание ведется в течение 35-55 с). Велись также исследования при одновременной подаче и перемешивании всех этих компонентов в смесителе принудительного действия. Свойства смесей, полученных по такой технологии, не всегда удовлетворяли существующим требованиям. Основной причиной этого может быть использование различных по природе минеральных материалов, роль которых во взаимодействии серы и органического компонента весьма значительна, однако в этих исследованиях не учитывалась.

Применение серы в дорожном строительстве Франции

Во Франции, где ежегодно устраивалось около 10 км опытных покрытий дорог из асфальтобетона, использовалась лишь технология, предусматривающая предварительное перемешивание расплавленной серы с разогретым битумом с последующей обработкой этим вяжущим минерального материала.

Интересен опыт Франции в области исследований возможности использования в асфальтобетонных смесях гравия, шлаков, малопрочных каменных материалов. Опытное строительство показывает, что качество смесей, приготовленных из таких материалов с использованием серы, соответствует качеству смесей, приготовленных на основе битумов и кондиционных щебня и минерального порошка.

Возможность использования в серобитумных смесях некондиционных материалов привела к исследованиям и в тех странах, где сера является привозным или еще сравнительно дорогим материалом. Так, в Саудовской Аравии был проведен комплекс исследований с целью выявления возможностей применения дюнных песков в асфальтобетонных смесях. Установлено, что введение 15% серы в смесь дюнного песка с высоковязким битумом позволяет не только снизить оптимальное содержание битума с 6,4 до 5%, но и значительно улучшить физико-механические свойства битумопесчаных материалов.

Исследование возможности использования природных, некондиционных песков в качестве минерального компонента битумосероминеральных смесей вообще является одним из центральных направлений лабораторных и опытно-производственных работ дорожников США, Канады, Англии. Такие смеси в основном предназначаются для ремонта асфальтобетонных покрытий аэродромов или дорог любых категорий. Они отличаются большой технологичностью (удобообрабатываемостью и уплотняемостью) и экономичностью.

Особое место в комплексе серобитумоминеральных смесей занимают литые асфальтосеробитумные смеси, приготовленные на основе природного песка. Значительное увеличение удобообрабатываемости, снижение температуры приготовления и укладки (соответственно с 220-250°С до 140-150°С и с 160-180°С до 125-135°С) с одновременным повышением сдвигоустойчивости и трещиностойкости дает возможность широко использовать эти смеси при строительстве автомобильных дорог. При этом можно экономить до 50% органического вяжущего. Возможность укладки таких смесей в дорожное покрытие без уплотнения позволяет эффективно использовать ту часть серы, которая не прореагировала с битумом и в процессе остывания смеси, то есть уже при температуре 120°С выкристаллизовывается. В литых смесях она образует механические связи, оказывающие значительное влияние на прочность слоя, которые в обычных смесях, то есть уплотняемых в диапазоне температур 60-80°С, разрушались бы и ухудшали качество устраиваемых слов покрытия дорог.

В ряде европейских стран (Дания, Голландия) много внимания уделялось такой технологии приготовления органо-минеральных смесей, как обработка пористых, малопрочных каменных материалов расплавом серы, что способствовало их упрочнению и повышению физико-механических свойств смеси в целом.

Благодаря улучшению свойств асфальтобетонных смесей при помощи серы были исследованы возможности использования серобитумных вяжущих и для других видов дорожно-строительных работ. Так, в Великобритании такое вяжущее применяют для обработки щебня в установке и при устройстве слоев основания или покрытия дороги из щебня по методу заклинки; в Японии - для пропитки щебеночных слоев непосредственно на дороге.

Однако наряду с преимуществами, которыми обладают смеси на основе серы, они имеют и недостатки, препятствующие их широкому использованию. Основными из них являются: токсичность, то есть выделение сероводорода и серного ангидрида, что требует ограничения температурного режима при приготовлении и укладке смесей, а также более строгого контроля за ним; большая коррозия технологического оборудования; необходимость частичного изменения традиционной технологии подготовки вяжущего и приготовления смесей; более длительный контроль качества таких смесей и вяжущих, так как процессы структурообразования протекают в них значительно дольше, чем в традиционных асфальтобетонных смесях.

Применение серы в дорожном строительстве Польши

Следует отметить, что изменения технологического процесса позволяют в значительной степени предотвратить токсичность и коррозию и при этом обеспечить высокое качество сероорганических вяжущих и смесей на их основе с максимальным использованием положительных качеств составляющих.

В настоящее время исследованиям такого характера много внимания уделяется дорожниками Польши, являющейся одной из ведущих стран в мире, занимающихся производством серы.

Исследования, проводимые в этой стране, в основном направлены на разработку оптимальных составов серобитумных вяжущих и смесей на их основе, базирующихся на учете обобщенных данных зарубежных разработок. В Польше изучено влияние количества добавки серы на битумы различных марок и структурно-реологических типов в зависимости от температуры приготовления и времени структурообразования. С целью исследования влияния технологического оборудования на процессы структурообразования в смесях наряду с серийным польским, которое по своим техническим характеристикам соответствует используемому в странах СНГ, широко применяли оборудование западных фирм.

Обе технологии заключаются в предварительном совмещении отдозированных компонентов сероорганического вяжущего и последующей обработке им минеральных материалов в обычных смесительных установках. Заводы по изготовлению асфальтобетонных смесей с добавлением серы отличаются от заводов по приготовлению смесей без добавки серы устройством дополнительного оборудования для подготовки органического вяжущего. С этой целью устанавливают коллоидные (эмульсионные) мельницы или статические смесители, представляющие собой часть трубопровода с размещенными внутри него червячными сегментам из листовой стали (каждая пара сегментов располагается относительно друг друга под соответствующим углом, а перемешивание компонентов и приготовление вяжущего (смеси) происходит в результате многократного разделения струи проходящего вяжущего по червячным поверхностям сегментов).

Оба способа приготовления вяжущего дают возможность равномерно диспергировать серу размером 5-20 мкм в битуме и получить вяжущее, а также смеси на его основе с хорошими характеристиками.

Следует отметить, что даже в случае использования специального оборудования для приготовления вяжущего температура совмещения не должна превышать 150-160°С, так как ее превышение влечет за собой прогрессирующую коррозию этого оборудования.

В Чехии в основном используют серу, осаждающуюся на газофильтрах сталеплавильного производства. Влияние серы на свойства асфальтобетона и на организм человека изучалось совместно со специалистами из России.

О необходимости некоторого изменения традиционной технологии приготовления асфальтобетонных смесей в случае ввода в их состав серы свидетельствуют исследования, проведенные в Венгрии. Результаты этих исследований показывают, что в случае недостаточного совмещения органического вяжущего и серы не происходит заметного улучшения свойств смеси. В данном случае сера выступает лишь как инертный (пассивный) наполнитель.

Несмотря на то что во всем мире сера широко применяется при строительстве автомобильных дорог, выработать на основании существующего опыта универсальные рекомендации по ее использованию еще не представляется возможным. Полученные данные отображают итоги лабораторных и опытных работ конкретных регионов и практически не несут информации о влиянии разновидностей этих материалов на конечный продукт.

При анализе этих данных можно получить сведения лишь технологического порядка и констатировать, что для обеспечения качества серобитумных вяжущих смешение серы и битума должно проводиться в смесительных установках, позволяющих добиться большой гомогенности смеси, равномерного распределения расплавленной серы по всему объему вяжущего. При этом температура смеси не должна превышать 150°С, а количество серы - 20-25% от массы органического компонента. В случае ввода в вяжущее такого количества серы, которое превышает указанную границу растворения битумом серы, следует менять технологию приготовления смесей и укладки слоев дорожных одежд, то есть получать литые асфальтобетонные смеси с добавкой серы.

Евгений МАРГАЙЛИК, инженер и патентовед ВОИР