Сорта битума и области применения

Битумы, наиболее часто использующиеся для создания упругого дорожного покрытия, можно разделить на три группы:

1. Битумные вяжущие вещества

2. Эмульгированные битумы

3. Дистиллятные растворы битума

Битумное вяжущее

Как сообщалось ранее, битумное вяжущее получают в процессе перегонки сырой нефти с использованием различных методов очистки. При температуре окружающего воздуха битумное вяжущее представляет собой липкое, полутвердое, высоковязкое вещество черного цвета. Это прочное и стойкое цементное вещество с прекрасными адгезионными и гидроизоляционными свойствами. Оно также устойчиво к действию большинства кислот, щелочей и солей. Основная область применения битумного вяжущего – это производство горячей асфальтобетонной (ГАС или HMA), которая, во всем мире используется, главным образом, для создания упругого дорожного покрытия. Битумное вяжущее легко разжижается под действием тепла и смешивается с минеральными заполнителями для получения HMA. Поскольку вещество является очень липким, оно приклеивается к частицам заполнителя и связывается с ними, формируя, таким образом, HMA. После охлаждения до температуры окружающего воздуха HMA становится прочным материалом для дорожного покрытия, которое может выдерживать большую нагрузку от транспортных средств, как, например, на межштатных автомагистралях и аэродромах с интенсивным режимом работы. Из 2,3 миллионов миль дорог с твердым покрытием в Соединенных штатах, 2,2 миллиона, или 96 процентов, имеют покрытия из асфальтобетонных смесей.

 

В литературе встречаются многочисленные синонимы для горячей асфальтовой смеси. Ее называют асфальтобетон, асфальтовый цемент, асфальтовая смесь, асфальтовая дорожная смесь, битумный бетон, битумная дорожная смесь и т.д. В настоящей работе мы попытались сделать более распространенным употребление термина горячая асфальтовая смесь.

В продаже имеется несколько стандартных сортов битумного вяжущего, различающихся по консистенции. Для разделения битумного вяжущего по сортам используются три методики, учитывающие показатели пенетрации, вязкости и эксплуатационные характеристики. Классифицирование битумного вяжущего по показателю пенетрации специфицируется ASTM D946 (Американское общество по испытанию материалов) и контролируется посредством пенетрометра. Пять стандартных, сортированных по показателю пенетрации битумного 40-50, 60-70, 85-100, 120-150 и 200-300 используются для дорожных сортов битума. Испытание на твердость пенетрометром и система оценки пенетрации будет рассмотрена далее в этой главе. Достаточным будет упомянуть, что испытание на твердость включает измерение глубины проникания стандартной иглы в образец битумного вяжущего при стандартных значениях температуры, времени и нагрузки. Очевидно, что чем выше глубина проникания, тем мягче битумное вяжущее. Следовательно, показатель 40-50 свойствен для самого твердого сорта, а 200-300 – для самого мягкого.

Второй метод классификации битумного  вяжущего – это сортировка по вязкости, специфицированная ASTM D3381. Сортировка производится с учетом вязкости оригинального битумного  вяжущего и вязкости битумного  вяжущего после состаривания его при испытании в печи прокатки тонких пленок (RTFO). Оба показателя вязкости измеряются при температуре 140°F (60°C) и выражаются в пуазах. К сортам, определенным по вязкости оригинальных битумов относятся: АС-2,5, АС-5, АС-10, АС-20, АС-30 и АС-60. Численные значения обозначают вязкость при 140° (60°C) в сотых долях пуаза. К сортам, определенным по вязкости битумного остатка, полученного после испытания RTFO, относятся: AR-1000, AR-2000, AR-4000, AR-6000 и AR-8000. Численные значения вязкости при 140° (60°C) выражается в пуазах. Испытания на вязкость и системы сортирования по вязкости рассматриваются далее в этой главе.

Третий метод классифицирования битумного вяжущего это определение эксплуатационных характеристик. Метод разработанный в рамках Программы стратегических исследований в области автомобильных дорог (SHRP). Он рассматривается далее, в разделе под названием «Испытания системы Superpave и спецификация».

Эмульгированные битумы

Эмульгированный битум (упрощенно называемый эмульсией) представляет собой смесь из битумного вяжущего, воды и эмульгирующего агента. Поскольку битумное вяжущее не растворяется в воде, то битумного вяжущее и вода существуют в виде отдельных фаз, как показано на рисунке 2-8.

 

 

Рисунок 2-8. Эмульгированный битум

Горячие битум и вода, содержащая эмульгирующий агент (например, мыло) проходят под давлением через коллоидную мельницу, образуя мельчайшие (5-10 микрон) сферические частицы или капели битумного вяжущего взвешенные в воде (Рисунок 2-9). Эмульгирующий агент создает электрический заряд на поверхности капель, благодаря чему они отталкиваются друг от друга и не частицы не слипаются между собой. Эмульгированные битумы относятся также к группе жидких битумов, поскольку в отличие от битума они остаются жидкими при температуре окружающего воздуха. Эмульсии предназначаются для того, чтобы уменьшить вязкость битума при использовании в условиях низких температур.

Два наиболее часто используемые сорта эмульгированных битумов специфицируются в ASTM D977 ASTM D2397:

1. Анионные отрицательно заряженные капли битума

2. Катионные положительно заряженные капли битума

Если эмульгирующий агент является анионом, то капли битума несут отрицательный заряд. Если эмульгирующий агент является катионом, то капли битума несут положительный заряд.

Большинство минеральных заполнителей имеют на поверхности положительный, отрицательный или смешанный заряд. Основная часть кремнистых заполнителей, таких как песчаник, кварц и кремнеземсодержащий гравий, имеет отрицательный заряд и, следовательно, совместима с положительно заряженными катионными эмульгированными битумами. С другой стороны, некоторые заполнители, такие как известняк, несут на поверхности положительный заряд и, следовательно, совместимы с отрицательно заряженными анионными эмульгированными битумами. Это происходит потому, что противоположные заряды притягиваются.

Когда эмульгированный асфальт смешивается с наполнителем, он «схватывается» или «ломается» поскольку капли битума реагируют с заполнителем и соединяются, вытесняя воду в пространство между ними. Испарение воды – это основной процесс, который в конечном итоге приводит к тому, что анионный эмульгированный битум «ломается» или «схватывается» и образуется непрерывная пленка битума на заполнителе или дорожном покрытии. Катионные эмульгированные битумы разрушаются, главным образом, вследствие электрохимических процессов.

Рисунок 2-9. Получение эмульгированного битума

Как анионные, так и катионные эмульгированные битумы далее сортируются в соответствии со скоростью затвердения. Согласно спецификации ASTM D977 анионные эмульгированные битумы включают: битумы быстрого затвердевания (RS), среднего затвердевания (MS) и медленного затвердевания (SS). Сведения приводятся в таблице 2-2. Скорость затвердения зависит от типа и количества эмульгатора. К анионным сортам относятся RS-1, HFRS-2, RS-2, MS-1, HFMS-2, MS-2, MS-2h, SS-1 и SS-1h. Маркировка h означает, что для эмульсии использовался битум с более твердой основой. Маркировка HF обозначает высокоплавкий остаток, который является признаком химического желирования эмульсионного остатка.

Катионные эмульгирующие битумы, специфицированные в ASTM D2397, приводятся в таблице 2-3 и включают быстро твердеющие (CRS), средне твердеющие (CMS) и медленно твердеющие (CSS) сорта. Катионные сорта – это CRS-1, CRS-2, CMS-2h, CSS-1 и CSS-1h.

Выбор и использование эмульгированных битумов приводятся в ASTM D3628. как правило, они используются следующим образом:

1. Сорта быстрого затвердевания: поверхностная обработка и щебеночное покрытие с пропиткой вяжущими материалами.

2. Сорта среднего затвердевания: холодные смеси с прерывистым гранулометрическим составом

3. Сорта медленного затвердевания: протравка, поверхностная обработка битумной эмульсией, холодные смеси с гранулометрическим составом, защитный слой из готовой битумно-эмульсионной смеси.

 

Таблица 2-2. Выборочные требования для анионных эмульгированных битумов.

Испытания	Высокая скорость отверждения			Средняя скорость отверждения						Низкая скорость отверждения
	RS-1	RS-2	HFRS-2	MS-1	MS-2	MS-2h	HFMS-1	HFMS-2	HFMS-2h	HFMS-2s	SS-1	SS-1h
Испытания на эмульсиях:
Условная вязкость по Сейболту при 77°F Фурол	20-100			20-100	100+	100+	20-100	100+	100+	50+	20-100	20-100
Условная вязкость по Сейболту при 122°F Фурол		75-400	75-400				20-100	100+	100+	50+	20-100	20-100
Минимальный остаток после перегонки,%	55	63	63	44	65	65	55	65	65	65	57	57
Испытания на остатках перегонки:
Пенетрация при 77°F 100г, 5s	100-200	100-200	100-200	100-200	100-200	40-90	100-200	100-200	40-90	200+	100-200	40-90
Определение вязкости поплавковым вискозиметром			1200				1200	1200	1200	1200

Таблица 2-3 Выборочные требования для катионных эмульгированных битумов

Испытания	Быстрое отверждение		Среднее отверждение		Медленное отверждение
	CRS-1	CRS-2	CMS-2	CMS-2h	CSS-1	CSS-1h
Испытания на эмульсиях:
Вязкость по Сейболту при 77°F Фурол	-	-	-	-	20-100	20-100
Вязкость по Сейболту при 122°F Фурол	20-100	100-400	50-450	50-450	-	-
Перегонка Нефтяной дистиллят, % Минимальный остаток,%	3 60	3 65	12 65	12 65	- 57	- 57
Испытания на остатке после перегонки: Пенетрация при 77°F, 100 г, 5s	100-250	100-250	100-250	40-90	100-250	40-90