CC BY
79
ДОРОЖНЫЕ БИТУМНЫЕ ВЯЖУЩИЕ
УДК 665.775
ОСОБЕННОСТИ СТАНДАРТИЗАЦИИ ВЯЗКИХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ В ЕВРОПЕЙСКОМ СОЮЗЕ И КОНЦЕПЦИЯ ДСТУ 4044
В.А. Золотарев, проф., д.т.н., Я.И. Пыриг, с.н.с., к.т.н., А.В. Галкин, с.н.с., к. т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Приведен анализ особенностей стандартизации вязких и твердых нефтяных дорожных битумов в Европейском Союзе. Рассмотрены европейские стандарты на твердые битумы и битумы мулътиград, которые находят широкое применение для производства асфальтобетонов с повышенным модулем упругости.
Ключевые слова: вязкий битум, твердый битум, битум мулътиград, ДСТУ 4044.
ОСОБЛИВОСТ1 СТАНДАРТИЗАЦ11 В'ЯЗКИХ ДОРОЖН1Х Б1ТУМ1В В СВРОПЕЙСЬКОМУ СОЮ31 ТА КОНЦЕПЦ1Я ДСТУ 4044
В.О. Золотарьов, проф., д.т.н., ЯЛ. Пирщ с.т.с., к.т.н., А.В. Галкш, с.н.с., к.т.н., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Наведено анал1з особливостей стандартизацп в'язких i твердих нафтових дорож-Hix 6imyMie у Свропейсъкому Cow3i. Розглянуто европейсъю стандарти на meepdi бтуми та бтуми мулътиград, якг знаходятъ широке застосування для виробництва асфалътобетотв iз тдвищеним модулем пружност1.
Ключов1 слова: в'язкий бтум, твердий бтум, бтум мулътиград, ДСТУ 4044.
STANDARDIZATION FEATURES OF PAVING GRADE BITUMENS IN THE EUROPEAN UNION AND THE CONCEPT OF DSTU 4044
V. Zolotariov, Prof., D. Sc. (Eng.), Y. Pyrih, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher, A. Galkin, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The standardization features of paving grade and hard petroleum bitumen in the European Union are analysed. The European standards for hard bitumens and multigrade bitumen, which are widely used for the production of asphalt concrete with an increased modulus of elasticity are considered.
Key words: paving grade bitumen, hard paving grade bitumen, multigrade bitumen, DSTU 4044.
Введение
Качество стандартизации продукции свидетельствует о техническом уровне развития промышленности в той или другой стране. Это относится и к основным битумным вяжущим, собственно к битумам. Основным принципом европейского подхода является наднациональная стандартизация битумов в
33 странах - членах Европейского Комитета по нормализации (СЕ^ с учетом национальных особенностей.
Анализ публикаций
Понятие «битумные вяжущие» объединяет битумы дорожного и промышленного (индустриального) применения. Группа вяжущих
дорожного применения включает: «Битумы дорожные» (EN 12591), «Битумы дорожные твердые» (EN 13924-1), «Битумы дорожные мультиград» (EN 13924-2), «Битумы, модифицированные полимерами» (EN 14023), «Битумы текучие и разжиженные» (EN 15322), «Битумные эмульсии катион-ные» (EN 13808). Среди перечисленных первостепенный интерес представляют дорожные битумы, стандарты на которые адаптируются в Республике Беларусь, Российской Федерации и Украине.
Цель и постановка задачи
Целью работы был анализ технических условий на вязкие битумы, твердые дорожные битумы и битумы мультиград, которые находят широкое применение в странах Европейского Союза.
Анализ технических условий на дорожные битумы
Технические требования и методы испытаний, включенные в эти стандарты, нормируются на основе физико-механической сущности и предназначения показателей в различных условиях и делятся на основные и дополнительные. К основным относятся: консистенция при промежуточной температуре, характеризуемая пенетрацией при 25 °С; консистенция при повышенной температуре, определяемая по температуре размягчения; стойкость против затвердевания, оцениваемая по изменению пенетрации, температуры размягчения и массы под влиянием технологической температуры и продувки воздухом; стойкость против воспламенения, определяемая по Кливленду в открытом тигле; определение растворимости. К дополнительным требованиям относятся: изменение консистенции с температурой, отражаемое индексом пенетрации; динамическая вязкость, определяемая при 60 °С; хрупкость при низкой температуре, оцениваемая показателем хрупкости, определяемым по методу Фрааса; технологическая вязкость (кинематическая или/и динамическая) при высоких температурах. Некоторые показатели не нормируются, но могут быть использованы для обеспечения особых региональных требований: истинная плотность, температурная зависимость консистенции.
В качестве перспективных показателей на будущее, стандарты на все дорожные битумы включают характеристики: температуру трещиностойкости, определяемую как температура эквимодульности (модуль равен 300 МПа, или коэффициент пластичности -0,3) на балочном реометре; комплексный модуль сдвига при температуре 15 °С и частоте 10 Гц; температуру, отвечающую отношению комплексного модуля сдвига к синусу угла механических потерь; устойчивость к старению при высокой температуре и давлении 2,1 МПа. Таким образом, стандарты предопределяют направления дальнейшей стандартизации битумов.
Особенности оценки качества традиционных дорожных битумов по EN 12591-2009, в сравнении с украинским стандартом ДСТУ 4044-2001, рассматривались [1, 2]. В то же время новые разновидности твердых битумов практически не анализировались из-за отсутствия для них нормативной базы, хотя выход на рынки этих битумов под марками отдельных фирм уже был очевиден [3, 4]. Эти битумы уже получили достаточно широкое распространение для производства асфальтобетонов с повышенным модулем упругости (9400 МПа по сравнению с 5000 МПа асфальтобетонов на традиционных битумах по номенклатуре EN 12591). Таким образом, в ЕС намечается тенденция повышения жесткости асфальтобетонных покрытий в условиях возрастающих грузоподъемности транспортных средств и интенсивности движения. Складывается впечатление, что западные дорожники не уделяют надлежащего внимания температурной трещиностойкости покрытий.
За длительный период производства и применения дорожных битумов сложились устойчивые представления о взаимосвязи между основными показателями их качества. В основу этих взаимосвязей был положен принцип изменения различных свойств битумов с изменением их консистенции. Основные зависимости сводились к тому, что с понижением консистенции (ростом пенетрации) растет температура размягчения, снижается температура хрупкости, уменьшается остаточная пенетрация и увеличивается прирост температуры размягчения после старения в разной степени в зависимости от метода испытания, уменьшается температура вспышки, повышается динамическая вяз-
кость, проходит через максимум растяжимость при 25 °С и сцепление с поверхностью каменных материалов. Всем этим закономерностям отвечают классы битумов, относящихся к £N 12591 и EN 13924 (табл. 1). При этом твердый битум 15/25 ненамного превосходит по температуре размягчения битум 20/30 по устойчивости к старению, температуре вспышки, динамической и кинетической вязкости. В то же время он более хрупок, чем обычный битум. Следовательно, повышение твердости, обусловленное простым уменьшением пенетрации, не приводит к большим преимуществам. Можно ожидать опасного трещинообразования покрытий, а также больших осложнений, технологических и энергетических, из-за необходимости нагрева смесей до высоких температур, а само их применение может ограничиваться слоями оснований.
Битумы мультиград, классифицированные по EN 13924-2, принципиально отличаются от двух предыдущих. Их температура размягчения с ростом пенетрации не понижается, а повышается (рис. 1). Здесь обнаруживается эффект, наблюдаемый при расслоении битумов, модифицированных большим количеством СБС, когда в верхнем слое хранилища образуется система с большой пенетрацией и очень высокой температурой размягчения. Этот эффект может быть обусловлен не свойствами системы (среда масел, адсорбированная полимером), а неприменимостью к ним температуры размягчения как характеристики теплостойкости [5].
зкие битумы _ ердые битумы
и - - - -ТВ
пумы л сольти град
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм
Рис. 1. Зависимость нижнего нормированного значения границы температур размягчения от пенетрации для вязких и специальных (твердых и мультиград) дорожных битумов, согласно норм европейской стандартизации
Эффект может быть тем большим, чем больше в составе сырья ароматических углеводо-
родов. Подобным эффектом может быть объяснена и пониженная на 6-7 °С, по сравнению с традиционным битумом (EN 12591), температура хрупкости. Принимая во внимание высокие значения индекса пенетрации, широкий интервал пластичности и высокие температуры размягчения без проявления этим битумом эластичности, можно предположить, что для управления его свойствами может быть использован высокодисперсный термопластичный, наполнитель с параметром растворимости близким к параметру растворимости углеводородной среды битумов. Об этом же может свидетельствовать и повышенная остаточная пенетрация.
Приведенные на рис. 2 зависимости между температурой размягчения, пенетрацией и индексом пенетрации свидетельствуют о битумах мультиград, полученных методом направленного компаундирования. Во всех трех европейских стандартах отсутствует показатель растяжимости при 25 °С, что оправдано для типичных дистилляционных битумов, классифицированных EN 12591. Благодаря тяжелому высокосмолистому сырью, они характеризуются растяжимостью более 100 см. В то же время было бы полезно определять их растяжимость при 0 °С; при этом можно было бы ожидать [6] их хрупкого разрыва. Это же относится и к твердым битумам (ЕК 13924-1), у которых крайне высокая температура хрупкости. Кроме того, в отношении битумов мультиград определение растяжимости при 25 °С было бы информативным в аспекте оценки степени однородности их структуры. Принимая во внимание большие индексы пенетрации, в объективности которых можно сомневаться, можно полагать, что эти битумы представляют собой систему со структурой типа гель, устойчивость которых обеспечивается выбором пластифицируемого маслами наполнителя.
Применение высококонсистентных битумов с пенетрацией при 25 °С ниже 40 х 0,1 мм традиционно требует высоких температур, отвечающих вязкости 0,5 Пас (для дистилляционных битумов - 0,2 Па-с). Стандарты ЕК не содержат таких сведений, что затрудняет выбор технологических режимов приготовления асфальтобетонных смесей. Кроме того, стандарты ЕК не содержат характеристик сцепления битумов с эталонной поверхностью, что необходимо для объективной оценки адгезионной активности.
Стандарт ДСТУ 4044-2001 является нормативным документом, регламентирующим технические требования к окисленным дорожным вязким битумам. По своей сущности и структуре он является логическим продолжением ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия». Эти стандарты отличаются тем, что из ДСТУ 4044-2001 исключены битумы марок
БН, сокращена номенклатура марок, исключен показатель пенетрации при 0 °С, введены показатели оценки старения по изменению массы и остаточной пенетрации, введен показатель сцепления со стеклом и содержания парафинов, изменены пределы индексов пенетрации.
Таблица 1 Технические требования к специальным и вязким дорожным битумам
Показатель Марки по EN12591-2009 Классы по EN 13924-1 Классы по EN 13924-2 Марки по ДСТУ 4044-2001
20/ 30 30/ 45 35/ 50 40/ 60 50/ 70 70/ 100 100/ 150 160/ 220 2 3 4 2 3 4 5 40/ 60 60/ 90 90/ 130 130/ 200
Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм 2030 3045 3550 4060 5070 70100 100150 160220 1525 1020 515 2030 3550 5070 - 4060 6190 91130 131200
Температура размягчения, °С 5563 5260 5058 4856 4654 4351 3947 3543 5571 5878 60 76 5464 5969 6474 - 5157 4753 4349 3945
Стойкость к твердению Изменение массы, не более 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,8 0,8 1,0 0,5 - - 0,5 - - -
Остаточная пенетрация, не менее 55 53 53 50 50 46 43 37 55 - - 50 60 - - 60 55 50 50
Изменение температуры зазмягче-ния, не более 8 -10 8 -11 8 -11 9 -11 9 -11 9 -11 10 -12 11 -12 8 10 - 8 10 12 - 6 6 6 7
Температура вспышки, °С не менее чем 240 240 240 230 230 230 230 220 235 245 - 220 235 250 - 240 230 230 220
Температура хрупкости, °С не выше чем - - 5 - 5 -7 -8 -10 -12 -15 0 3 - -8 -12 -15 -17 -10 -12 -15 -17
Индекс пенетрации -1,5...+0,7 - - - +0,1.. +1,5 +0,3.. +2,0 - - -2,0 +1,0
Динамическая вязкость при 60 °С, Пахе, не менее чем 440 260 225 175 145 90 55 30 550 700 - 300 600 900 1500 - - - -
Кинематическая вязкость при 135 °С, мм2/с, не менее чем 530 400 370 325 295 230 175 135 600 700 - 200 300 700 1200 - - - -
Динамическая вязкость при 135 °С, Пахе, не менее чем 485 365 340 295 270 210 160 125 - - - -
Температура размягчения, °С
Рис. 2. Взаимосвязь между пенетрацией, температурой размягчения и индексом пенетрации, в соответствии с EN 12591 та EN 13924-2
Стандарт ДСТУ 4044-2001 отличается от EN 12591 отсутствием требований к динамической вязкости при 60 и 135 °С, кинетической вязкости при 135 °С, в нем меньшее количество марок с более широким диапазоном пенетраций; отсутствуют низкопенетрацион-ные битумы (ниже 40 х 0,1 мм).
Главным недостатком ДСТУ 4044, по сравнению с EN 12591, является также использование устаревших методов оценки старения (испытания в тонком стационарном слое, в отличие от испытания в перетекающем слое с обдувом горячим воздухом), а также отсутствие вязкостных показателей при повышенных технологических температурах.
При сравнении битумов с одинаковой пенетрацией окисленных и дистилляционных было установлено, что окисленные имеют более высокую (на 4-5 °С) температуру размягчения, на 4-5 °С пониженную температуру хрупкости, меньшую растяжимость при 25 °С и большую при 0 °С, более высокое сцепление с минеральной поверхностью, меньшую устойчивость к старению по TFOT в тонком и перетекающем слое [7].
Общим недостатком европейского и украинского стандартов является отсутствие в них показателя когезии, необходимого для прогнозирования прочности асфальтобетонов и показателя эквивязкой температуры, необходимой для назначения температурных режимов нагрева битума для осуществления качественного перемешивания и уплотнения. Дискуссионным является вопрос объективности индекса пенетрации, определяемого с использованием температуры размягчения.
Приведенные выше соображения о тенденциях изменения температуры размягчения для битумов мультиград (нормированные в пределах +0,1...+2,0 индекса пенетрации) и результаты исследований битумов, модифицированных полимерами, достаточно аргументированно свидетельствуют о необходимости перехода к первоначальной сущности индекса пенетрации, когда для его расчета была использована температура, отвечающая пенетрации (800 х 0,1 мм).
Выводы
В соответствии с изложенными подходами и руководствуясь необходимостью приближения технических требований к европейским,
в проекте национального стандарта ДСТУ 4044, переработка которого начата на кафедре ТДСМиХ ХНАДУ, требования к вязким дорожным битумам разделяются на основные и дополнительные.
Основными показателями качества, включенными в новую редакцию стандарта, являются: глубина проникания иглы при 25 °С (консистенция); температура размягчения (консистенция при высокой температуре); температура хрупкости (трещиностойкость); растяжение при 25 °С (однородность и устойчивость против старения); сцепление со стеклом (адгезионная активность); изменения массы, пенетрации и температуры размягчения после прогрева в тонком слое по ДСТУ и RTFOT (перетекание битума и продувка воздухом).
Дополнительными показателями являются: температура вспышки (пожароопасность); растворимость в углеводородах (однородность); температура, отвечающая пенетрации 800 х 0,1 мм; (прогнозирование сдвиго- и колеестойкости); индекс пенетрации (температур) (структурный тип битума); динамическая вязкость при 60 °С (текучесть битума при высоких температурах эксплуатации); когезия (прочность битумной пленки на сдвиг); изменение вязкости при 60 °С после прогрева и продувки воздухом по RTFOT (наиболее чувствительный показатель к старению); температура при вязкости 0,5 Па-с -температура битума при перемешивании асфальтобетонных смесей; температура, отвечающая вязкости 10 Па-с (минимальная температура уплотнения).
В соответствии с европейской классификацией по пределам пенетрации битумы распределяются по маркам на такие: БНД 35/50; БНД 50/70; БНД 70/100; БНД 100/150 и БНД 150/200.
Литература
1. Золотарев В. А. Особенности стандартиза-
ции вязких битумов / В.А.Золотарев // Автошляховик Украши. - 2002. - № 3. -С.43-46.
2. Ипполитов Е.В. Технология производства
битумов / Е.В. Ипполитов, И.Б. Грудников // Химия и технология топлив и масел. - 2000. - № 4. - С. 26-33.
3. Всемирная дорожная ассоциация. Техничес-
кий комитет «Нежесткие дороги» (С8). Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительстве / пер. с франц. д.т.н. В.А. Золотарева, инж. Л.А. Беспаловой; под общей ред. д.т.н.
B.А. Золотарева, д.т.н. В.И. Братчуна. -X.: ХНАДУ, 2003. - 228 с.
4. Золотарьов В. О. Пор1вняльне дослщження
властивостей окислених i залишкових бпушв // В.О. Золотарьов, ЯГ Пирщ A.B. Галкш, C.B. Кудрявцева-Вальдес // Автошляховик Украши. - 2010. - № 4. -
C.32-37.
5. Кортэ Ж.-Ф. Твердые битумы и высокомо-
дульные асфальтобетоны на их основе / Ж.-Ф. Корте // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2002.-№ 3.- С. 30-31.
6. Золотарев В.А. Эквипенетрационная тем-
пература как альтернатива температуре размягчения битума / В.А. Золотарев, Я.И. Пыриг, A.B. Галкин // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2007. - № 2. - С. 36-39.
7. Золотарев В.А. Сравнительное исследова-
ние окисленных и остаточных битумов в статическом и динамическом режимах старения / В.А.Золотарев, И.В.Копинец // Дороги и мосты. - Вып. 35. - 2016. -С.215-232.
Рецензент: С.Н. Толмачев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
