Применение технической серы для модификации дорожных покрытий
Применение технической серы для модификации дорожных покрытий
Аннотация
Статья посвящена исследованию эффективности применения сероасфальтобетона в дорожном строительстве, акцентируя внимание на преимуществах использования технической серы в качестве модификатора асфальтобетонных покрытий. В ходе проведённого исследования было доказано, что включение серы в состав асфальтобетонных смесей позволяет значительно повысить устойчивость покрытия к образованию колеи, улучшить его прочность и эластичность, а также снизить затраты на производство материала за счёт экономии битума. По показателям прочности сероасфальтобетон более устойчив к изменениям температуры. В заключение даны рекомендации по применению сероасфальтобетона в сфере дорожного строительства и смежных отраслях производства.
1. Введение
Современное дорожное строительство сталкивается с рядом трудностей, вызванных как внешней политической обстановкой и уходом с рынка иностранных компаний, так и дефицитом квалифицированных кадров
, . На этом фоне особенно остро стоят проблемы низкого эксплуатационного качества традиционных асфальтобетонных покрытий (на немодифицированном битуме), необходимости сокращения расходов на строительство и содержание дорог, а также обеспечения устойчивого развития всех отраслей экономики. Традиционные асфальтобетонные покрытия характеризуются низкой устойчивостью и слабым сопротивлением к деформациям, особенно температурным, и воздействию влаги на структуру материала , , . Эти характеристики становятся критичными в условиях постоянного увеличения интенсивности движения, роста осевой нагрузки от транспортных средств, так за последние 5 лет значительно изменились требования к конструкциям по показателю прочности, который, например для III категории дороги вырос более чем в 1,5 раза (с 200 до 320 МПа).Согласно Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года, проведение научных исследований и разработка новых технологий направлены на создание и внедрение долговечных, экономичных и энергосберегающих строительных материалов. Цель этих мер заключается в увеличении межремонтных сроков и повышении производительности дорожно-строительных работ, что соответствует актуальным требованиям современной дорожной отрасли.
Для решения задач импортозамещения и повышения качества дорожных покрытий, используемых в суровых климатических условиях, проводится исследование эффективности модификации асфальтобетонных покрытий технической серой, которая является побочным продуктом нефтепереработки.
Использование технической серы в дорожном строительстве нельзя назвать принципиально новым решением, однако конкретные научные исследования и опыт её применения в России ограничены. Основная масса экспериментальной работы выполнена в западных странах, таких как США и Канада, где применение сероасфальтобетона распространено широко
, , . Однако климатические и инфраструктурные условия эксплуатации дорог в этих регионах существенно отличаются от российских реалий, особенно применительно к территориям центрального и северного регионов Дальнего Востока. Поэтому перед отраслью дорожного строительства встает большой вызов по повышению прочности и долговечности дорожных покрытий, адаптации и разработки материалов обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели с учетом возросших нагрузок.Таким образом, основной целью исследования является оценка эксплуатационной надежности и экономической целесообразности устройства дорожных покрытий из асфальтобетонов, модифицированных отечественными добавками на основе серы.
2. Основные сведения
Вопросы хранения и использования технической серы остро стоят в экологической повестке страны. Несмотря на значительное снижение выпуска технической серы в России по состоянию на сентябрь 2025 года (примерно на 13,9% по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года), отечественная промышленность продолжает производить примерно в полтора раза больше серы, чем способны потребить остальные сектора экономики. По данным Минпромторга РФ, за январь–октябрь 2025 года объем произведенной серы составил около 3,5 млн тонн.
Главными источниками (поставщиками и производителями) технического сероводорода в России выступают нефтегазовые гиганты — Газпром, Лукойл и Роснефть, производящие серу путём выделения её из сероводорода, образующегося при переработке нефти и газа. Дополнительно сера производится в результате переработки пиритов и серосодержащих руд металлов.
Учитывая многообразие источников получения, техническую серу можно разделить на следующие виды:
- каменная сера — добывается естественным путем при открытой разработке месторождений;
- недегазированная сера — обладает наивысшей чистотой и используется главным образом в химической промышленности и фармакологии;
- гранулированная сера — производится промышленным способом и представлена мелкими частицами округлой формы диаметром от 1 до 10 мм (в зависимости от сортировки);
- серные шлаки и концентраты — являются побочными продуктами металлургии и других промышленных процессов, из которых возможно извлечь техническую серу после дополнительной обработки.
Следует отметить, что далеко не вся техническая сера пригодна для использования в качестве модификаторов дорожно-строительных материалов. Для этой цели подходят лишь виды серы с минимально возможным содержанием примесей, негативно влияющих на свойства связующих компонентов, таких как битумы и битумные эмульсии. Хотя наиболее чистой формой является недегазированная сера, её широкое применение ограничено высокими затратами и необходимостью сохранения для нужд медицины и иных чувствительных областей промышленности.
Для целей дорожного строительства подходит к применению гранулированная сера
, . Применение данного материала обусловлено следующими факторами:- материал является достаточно чистым, что обеспечивает хорошую адгезию (зависит от химического состава серы);
- практически полностью растворяется в битуме, обеспечиваю устойчивые связи;
- фракционированный материал удобен в транспортировке и при длительном хранении не теряет своих свойств.
В исследовании для модификации битума используется немодифицированная гранулированная сера Хабаровского НПЗ. Характеристики технической гранулированной серы соответствуют ТУ 2112-140-31323949-2008 и представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение выпускаемой серы на НПЗ Хабаровского края с ТУ 2112-140-31323949-2008
Наименование показателя | Метод испытания | Норма по ТУ 2112-140-31323949-2008. | Фактическое значение |
Внешний вил для марки В | Визуально | Гранулы от светло-зеленого до зеленого цвета | Гранулы от светло-зеленого до зеленого цвета |
Форма гранул | Визуально | Полусферическая | Полусферическая |
Массовая доля гранул диаметром 2.0-70 мм, % | ТУ 2112-140-31323949-2008 | Не менее 90,0 | 99,3 |
Насыпная плотность г/см3 | ГОСТ 127.2-93 | 1,1–1,3 | 1,1 |
Массовая доля серы, % | ГОСТ 127.2-93 | Не менее 99,95 | 99,983 |
Массовая доля золы, % | ГОСТ 127.2-93 | Не более 0,03 | 0,010 |
Массовая доля органических веществ, % | ГОСТ 127.2-93 | Не более 0,03 | 0,002 |
Массовая доля кислот в пересчете на серную кислоту, % | ГОСТ 127.2-93 | Не более 0,003 | 0,001 |
Массовая доля воды, % | ТУ 2112-140-31323949-2008 | Не более 0,2 | 0,004 |
Механические загрязнения | Визуально | Не допускается | Отсутствие |
Следует отметить, что существующие требования сероасфальтобетонам СТО 5718-003-37854292-2012 «Смеси сероасфальтобетонные и сероасфальтобетоны. Технические условия» не подразумевают испытания материалов на стойкость к колееобразованию, а именно этот показатель, в настоявшее время, является оценкой эксплуатационной надежности покрытия. Кроме этого, сероасфальтобетоны не оценивают по критерию прочности на растяжение при изгибе, что так же не позволяет сравнивать данный материал с современными асфальтобетонами.
3. Методы и испытания
Исследование свойств дорожных порытый выполнялось по критериям растяжения при изгибе и стойкости к колееобразованию. Для обоих испытаний необходимо изготовить обазцы-плиты в соответствии с ГОСТ Р 58406.4-2020. Основным оборудованием для испытания образцов является роллерный компактор, модель B039, предназначенный для изготовления образцов-плит из асфальтобетона, а также две машины для испытаний: испытание на растяжение при изгибе на машине ПМ-1А-70АБ и установка возвратно-поступательного нагружения SmarTracker В038A для определения стойкости к колееобразованию.
Для испытаний изготовлено 4 партии плит, по 4 плиты в каждой партии. Перове две партии (партия № 1 и № 2) изготовлены из асфальтобетона для покрытий А16Вн на битуме БНД 100/130 по ГОСТ Р 58406.2-2020. Вторые две партии изготовлены из асфальтобетона для покрытий А16Вн на модифицированном битуме со следующим составом: битум БНД 100/130 в количестве 90 % по массе немодифицированного битума, гранулированная сера в количестве 10 % по массе битума.
Серии плит № 1 и № 3 (модифицированная серой) испытывают на растяжение при изгибе, при этом каждая плита в серии распиливается на 3 образца балочки размером 30,5х7,0х7,0 см. Таким образом, на растяжение при изгибе испытывают две партии образцов балочек № 1 и № 3 (модифицированная серой) по 12 балочек в серии. В соответствии с п. 8.4.1 ГОСТ Р 58406.6-2020 образцы перед испытанием выдерживают 24 ч в морозильной камере при температуре минус 18±2 °С.
Предел прочности при растяжении при изгибеRизг(МПа), а также относительную деформацию растяжения Епр(%) определяют по формулам:
где P — разрушающая нагрузка, Н;
L — расстояние между опорами, см;
b — ширина образца, см;
h — высота образца, см;
lпр — максимальное значение прогиба испытуемого образца в момент разрушения, см.
В соответствии с разделом 9 ГОСТ Р 58406.3-2020 испытание продолжают в течение 10 000 циклов нагрузки (20 000 проходов колеса) или до образования глубины колеи на испытуемых образцах более 15 мм. Температура испытаний составляет 60+1 °С, что не ниже максимальной расчетной температуры слоя, рассчитанной в соответствии с ГОСТ Р 58400.3-2019.
При определении стойкости покрытия к колееобразованию оцениваются такие параметры покрытия, как пропорциональная глубина колеи PRD (%) и угол наклона кривой колееобразования WTS (мм/1000 циклов), которые определяются по формулам:
где RD — глубина колеи при определенном количестве прокатываний, мм;
h — высота образца, мм;
d10000 — глубина колеи после 10 000 циклов нагружения, мм;
d5000 — глубина колеи после 5 000 циклов нагружения, мм.
4. Результаты
Испытания образцов выполнены в сертифицированной дорожной лаборатории. Результаты определения предела прочности на растяжение при изгибе представлены в таблице 2, а стойкости к колееобразованию в таблице 3 и на рисунке 1.
Таблица 2 - Предел прочности на растяжение при изгибе
Наименование | Прочностные показатели | |||
немодифицированный асфальтобетон | асфальтобетон на битуме, модифицированном серой | |||
прочность на растяжение при изгибе, МПа | предельная относительная деформация, % | прочность на растяжение при изгибе, МПа | предельная относительная деформация, % | |
Партия 1 | 8,97 | 0,10 | 10,09 | 0,09 |
Партия 2 | 8,69 | 0,09 | 10,16 | 0,10 |
Партия 3 | 9,19 | 0,10 | 10,47 | 0,09 |
Партия 4 | 8,93 | 0,10 | 10,39 | 0,07 |
Среднее | 8,95 | 0,10 | 10,28 | 0,09 |
Из таблицы 2 видно, что прочность образцов асфальтобетона, модифицированного серой на 10–15% выше, чем у образцов из немодифицированного асфальтобетона и показывает высокую однородность.
Рисунок 1 - График колееобразования
Таблица 3 - Определение стойкости к колееобразованию
Наименование | Прочностные показатели | |||||
немодифицированный асфальтобетон | асфальтобетон на битуме, модифицированном серой | |||||
PRD5000 | PRD10000 | WTS | PRD5000 | PRD10000 | WTS | |
Партия 1 | 3,614 | 4,175 | 0,112 | 3,125 | 3,696 | 0,111 |
Партия 2 | 3,457 | 4,111 | 0,131 | 3,132 | 3,646 | 0,103 |
Среднее | 3,536 | 4,143 | 0,121 | 3,129 | 3,671 | 0,108 |
Результаты лабораторных испытаний позволяют говорить от том, что сероасфальтобетон обладает более высокой прочностью и стойкостью к колееобразованию по сравнению с традиционными асфальтобетонами, а следовательно, является более долговечным.
Также для оценки эффективности применения серы для модификации битумов и приготовления сероасфальтобетона выполнено экономическое сравнение затрат на приготовление асфальтобетона для покрытий А16Вн на битуме БНД 100/130 и сероасфпльтобетона. Результаты расчетов представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Сравнение стоимости смесей
Наименование | Цена за 1 т. материала, р. | Немодифицированный асфальтобетон | Асфальтобетон на битуме, модифицированном серой | ||
расход на 1 т. смеси, кг | стоимость, р | расход на 1 т. смеси, кг | стоимость, р | ||
Крупный заполнитель | 2175 | 540,2 | 1174,94 | 540,4 | 1175,37 |
Мелкий заполнитель | 928 | 323,1 | 299,84 | 323,1 | 299,84 |
Битум 100/130 | 26180 | 44,3 | 1159,77 | 31,4 | 822,05 |
Минеральный порошок | 5100 | 92,4 | 471,24 | 91,6 | 467,16 |
Гранулированная сера | 3500 | 0 | 0 | 13,5 | 47,25 |
Итого | – | 1000 | 3105,79 | 1000 | 2811,67 |
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1. Сероасфальтобетон обладает более высокой стойкостью к колееобразованию и прочностью на растяжение при изгибе (на 25–35% лучше, чем немодифицированный асфальтобетон А16Вн на битуме БНД 100/130 по ГОСТ Р 58406.2-2020), а следовательно является более долговечным материалом.
2. Снижение затрат на производство сероасфальтобетона, за счет экономии битума, позволяет компенсировать затраты на модернизацию асфальтобетонного завода, что в дальнейшем может привести к существенной экономии материальных ресурсов и экономической окупаемости (при обеспечении достаточных объемов производства сероасфальтобетона).
Результаты, полученные авторами сопоставимы с результатами других исследователей изучающих влияние технической серы на прочность асфальтобетонов в центральных регионах страны , , .
5. Заключение
В результате выполненных исследований установлено, что сероасфальтобетон является перспективным и конкурентно способным материалом для устройства дорожных покрытий, эксплуатируемых в условиях возрастающих нагрузок и интенсивности движения транспортных средств. Применение серомодифицированных битумом позволяет повысить прочность на растяжение при изгибе и увеличить стойкость к колееобралованию примерно на 25–35%, по сравнению с традиционными асфальтобетонами, т.е. материал является более долговечным. Кроме этого, применение серы в качестве модификатора битума позволит снизить экологическую нагрузку на окружающую среду и приводит к экономии битумного вяжущего. Таким образом, можно говорить о том, что применение серы для модификации дорожных асфальтобетонов является целесообразным с экономической и технической точек зрения.