The application of technical sulphur for the modification of road surfaces

Современное дорожное строительство сталкивается с рядом трудностей, вызванных как внешней политической обстановкой и уходом с рынка иностранных компаний, так и дефицитом квалифицированных кадров

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

Таким образом, основной целью исследования является оценка эксплуатационной надежности и экономической целесообразности устройства дорожных покрытий из асфальтобетонов, модифицированных отечественными добавками на основе серы.

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

- 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.

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.

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.

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.

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

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.22.3

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.

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

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.