Проектирование состава битума

Проектирование группового состава битумного вяжущего для дороги М-3 «Украина» в Калужской области

Компания ОАО «ДСК «АВТОБАН» строит дороги в условиях долгосрочных инвестиционных соглашений (ДИС) и контрактов жизненного цикла (КЖЦ), поэтому высокая долговечность дороги – это залог ее длительного существования. И от того, какого качества будет вяжущее, во многом зависит продолжительность жизни самой дорожно-строительной организации, принявшей к исполнению условия ДИС и КЖЦ. Транспортно-эксплутационные показатели обеспечиваются за счет средств строителя. Сегодня перед нами стоит задача обеспечения ровности дорог, планка которой выставлена почти в 2 раза выше, чем ровность по СНиПу на оценку «Отлично». Это связано с изменением требований по продольной ровности дорожного покрытия и повышением показателей с 2,2 м/км по IRI до 1,2. Мы понимаем, что продольная ровность зависит от многих факторов: от того, как и из чего устроено земляное полотно, как мы укладываем асфальтобетонную смесь и в какую погоду, и многого другого. Земляное полотно можно стабилизировать, асфальтобетонную смесь можно укладывать в хорошую погоду, а оборудование и дорожно-строительная техника сегодня настолько совершенны, что для того, чтобы выполнить устройство асфальтобетонного покрытия неровно, нужно очень «постараться». Сегодня мы стремимся во всех технологических процессах исключить влияние человеческого фактора. 3D- системы не дают человеку построить неровную дорогу, даже машинист катка уже имеет программу, которая не позволяет ему перейти на новую захватку, если он не завершил полный цикл на старой. Мы в состоянии предусмотреть почти все нюансы, оказывающие влияние на показатели будущей дороги, кроме одного – не можем повлиять на химический состав битума, от которого зависят как срок службы дорожной одежды, так и ее ровность. Именно по этой причине российские дорожники начали «увлекаться» прикладной химией. Спросите у итальянского инженера: «Каково содержание СБС полимера в ПБВ для вашего нижнего слоя асфальтобетонного покрытия?» – он вам не ответит на этот вопрос, потому что для нижнего слоя идет одно вяжущее под одной торговой маркой, а для верхнего слоя – другое вяжущее под другой торговой маркой, и непосредственно в сам состав вяжущего ему вникать нет никакого смысла. Теперь задайте аналогичный вопрос российскому инженеру-дорожнику. Наверное, ответ очевиден.

Теперь о проблеме,  которая легла на плечи строителя, принявшего на себя выполнение условий КЖЦ и ДИС при работе на имеющихся у нас битумах. Начнем с предположения, что окисленный битум, входящий в состав асфальтобетонных смесей на момент устройства асфальтобетонного слоя, уже находится примерно в 10-летнем возрасте по шкале остаточного битума. Доказывать это предположение будем позже, а пока давайте посчитаем: КЖЦ на 19 лет, плюс год с момента устройства свежеуложенного покрытия до момента сдачи участка в эксплуатацию, т. е. 20 лет, складываем предполагаемые 10 и обязательные 20 и получаем, что наше вяжущее обязано прожить не менее 30 лет со дня своего рождения, то есть с момента завершения процесса окисления в колонне на НПЗ.

Проблема, о которой мы упомянули, заключается в том, что день рождения только что устроенного асфальтобетонного слоя, а это будем считать последний проход тяжелого катка заключительного этапа уплотнения, предположительно совпадает с датой гибели вяжущего, входящего в его состав, или, если так можно выразиться, оно находится в глубоко престарелом возрасте. Мы думаем, что многие дорожники, занимающиеся экстрагированием вяжущего из уже уложенных асфальтобетонных слоев, с нами согласятся.

Будем сравнивать с остаточным битумом, который по многим показателям даже уступает нашему окисленному (узкий интервал пластичности, плохая адгезия с каменным материалом), но у которого есть одно огромное преимущество, перевешивающее все эти вместе взятые показатели, –  гомогенность и высокая стойкость против старения.

Итак, почему же 10 лет? Начиная с рождения, мы получаем битум из парафинистой малосмолистой нефти, которая изначально является не лучшим сырьем для битума, необходимого нашей дороге. Здесь мы ничего не поделаем, но именно это и есть один из основных аспектов, от которого зависит прочность когезионных связей, так необходимых дорожникам, потому что именно от нее зависит целостность дорожных покрытий. Возьмите, к примеру, причину, по которой происходит шелушение асфальтобетонного  покрытия, вызванное снижением способности вяжущего к тиксотропному (обратному) восстановлению разрушенных после нагрузки связей. Технологический процесс выделения парафинов из остатков переработки нефти в мировой практике пока не реализован, единственный способ их снижения – окисление.

Долговечность построенной дороги зависит в том числе и от нефтепереработчиков, от того, как битум был произведен. Сегодня в мировом дорожном сообществе  уже есть  понимание того, что от группового состава битума  во многом (не во всем!) зависит срок службы дорожной одежды и ее ровность. Ведущие мировые балансодержатели дорог, инвесторы и дорожные строители начали скрупулезнее учитывать расход бюджетных или инвестиционных средств – проводить не просто корреляцию между результатами испытаний лабораторных асфальтобетонных образцов с основными параметрами свойств вяжущего (пенетрация, КиШ и т. д.), а пошли дальше – стали отслеживать зависимость группового углеводородного состава битума от натурных показателей реально построенной дороги во времени, то есть от количества трещин и  размеров пластических деформаций на асфальтобетонном покрытии, уложенном в заданных климатических условиях по истечении определенного промежутка времени (абразивный износ в расчет не берем, потому что многие продвинутые пользователи дорог давно отказались от  использования шипованной резины в своих странах).

Сама технология окисления способствует повышению содержания в битуме количества асфальтенов (более 25 %) и создавшегося в результате нагревания дефицита необходимых (пластичных, а не твердых) смол, образованию карбенов и карбоидов, которые усугубляют ситуацию и снижают сопротивляемость асфальтобетона старению. Чрезмерное содержание твердых парафинов, асфальтенов, карбенов и карбоидов как кристаллических веществ, не обладающих пластическими и клеящими свойствами, делают битум хрупким и ослабляют когезионные связи, что напрямую влияет на основные виды разрушений дорожных покрытий – остаточную деформацию (колея), низкотемпературное и усталостное трещинообразование (сетка трещин).

Разрушения проявляются не сразу, не в первый год эксплуатации, а спустя несколько лет после устройства асфальтобетонного покрытия, поэтому дорожники не могут ничего предъявить нефтепереработчикам сразу же после строительства дороги. И потом, когда гарантийный срок обычно заканчивается и подрядчик снимает с себя всякую ответственность, начинают образовываться усталостные трещины. В результате заказчик ничего не может предъявить подрядчику, а из года в год вынужденно меняет верхний слой покрытия, потому что в соответствии с законом он не может выполнить замену уже разрушенного нижнего слоя и тратит приличные суммы на ямочный ремонт, чтобы дотянуть до очередной регламентной реконструкции или капитального ремонта, предусматривающего замену всех слоев асфальтобетонного покрытия покрытия. Все потому, что строитель, зная о реальном сроке жизни нашего вяжущего, не может позволить себе дать гарантийный срок, который равнялся бы периоду очередного ремонта, закрепленного в нормативных документах у заказчика.

Открывая объекты, мы видим, что редко какая дорога, дожившая до планового капитального ремонта или реконструкции, соответствует даже предельным требованиям по ровности или прочности. Обычно это полуразрушенная дорога, эксплуатация которой должна быть по сути запрещена, если соблюдать соответствующие нормы. Все, наверное, наблюдали глубину колеи, вызванную пластическими деформациями. И если пластика пошла, то она обычно превышает максимально дозволенные два сантиметра, а значит, заказчик обязан ее устранить.

Наше вяжущее живет меньше, чем это предусматривают расчетные регламентные ремонты по плановой замене асфальтобетонных слоев.  И вот из-за чего битум, использованный в асфальтобетонном слое сегодня, отправляется по своему групповому составу, как мы выше предположили,  в 2026 год – это  ситуация с твердыми парафинами, которые практически не извлекаемы  из нефти и большое количество асфальтенов, карбенов и карбоидов как результат окислительного процесса, и длительный контакт битума с воздухом при его транспортировке на АБЗ с температурой, иногда достигающей 220 градусов (пустоты в битумовозах азотом, к сожалению, у нас никто не заполняет, дабы сократить время контакта битума с воздухом при высоких температурах), и хранение битума при той же высокой температуре в горизонтальных емкостях на АБЗ, где площадь контакта с воздухом в несколько раз превышает площадь контакта, если бы мы использовали вертикальные емкости. Можно еще долго перечислять все нюансы, которые отправляют наш битум на «пенсию» до того, как мы с вами окончательно уплотним асфальтобетонную смесь. Думаю, с нами согласятся многие, что, в зависимости от весомости и глубины перечисленных причин, в устроенном слое покрытия вяжущее оказывается ориентировочно в 7–10-летнем возрасте по шкале остаточных битумов. За шкалу примем спецификацию EN12 591, отражающую скорость старения остаточных битумов, потому что под них она и разрабатывалась (рис. 1)

На рисунке 1 хорошо видно, что пенетрация битума после старения PAV, соответствующая 7–10-летнему возрасту вяжущего, сопоставима со среднестатистической пенетрацией нашего битума в только что устроенном слое покрытия. Наиболее ярко это отражается по шкале КиШ. Разделив показатели до старения на показатели после старения, мы получим степень старения в процентном соотношении. Степень старения остаточных битумов по евронормам не должна превышать 65 %, однако фактическая степень старения наших окисленных битумов примерно на 15–20 % отличается от европейской не в лучшую сторону.

В связи с этим мы предложили бы диверсифицировать межремонтные сроки эксплуатации автомобильных дорог: до 5 лет в случае, если содержание твердых парафинов в используемом битуме превышает 3 %, а содержание асфальтенов – более 25 %, и до 9 лет – если битум имеет оптимальный (запроектированный) групповой углеводородный состав и реологию при содержании твердых парафинов до 3 % и асфальтенов до 20 %. Иными словами, только в случаях, когда групповой углеводородный состав битума оптимален (благодаря применению особого сырья или компаундированию  определенными  компонентами в заданной пропорции в условиях промышленного производства),  срок жизни покрытия можно установить почти как в Европе, т. е.  9 лет. «Почти», потому, что до 12-летнего возраста способен дожить исключительно остаточный битум, полученный в результате вакуумной дистилляции.

Декларируемый сегодня межремонтный срок эксплуатации автомобильных дорог  12 лет не учитывает реальный срок жизни вяжущего, входящего в состав асфальтобетонного покрытия, который, исходя из нашего более чем 50-летнего опыта строительства дорог, составляет 3–5 лет в зависимости от климатических условий и нагрузок. Срок жизни асфальтобетонного покрытия регулируется нагрузкой и температурой окружающего воздуха. Чем ниже температура воздуха и меньше нагрузка, тем дольше срок жизни дороги, и наоборот. Значит, на севере страны дорога с нашим битумом при низких температурах и низких нагрузках будет жить около 5 лет, а южнее, в условиях высоких температур и, предположим, высоких нагрузок, – 3 года (под словом «жить» мы подразумеваем – «соответствовать установленным значениям транспортно-эксплуатационных показателей в период эксплуатации).

Недоразумение  с установлением нереального 12-летнего межремонтного срока эксплуатации автомобильных дорог повторили и при формировании условий ДИС и КЖЦ. Разница только в том, что за допущенную неточность будет платить не заказчик из госбюджета, а строитель из своей прибыли.

Но выход есть. И мировой опыт нам продиктовал его еще 20 лет тому назад. Наш окисленный битум сможет прожить заданный период, даже с учетом перечисленных ранее нюансов, если его модифицировать и применять в нижних слоях асфальтобетонного пакета. Мы не будем подробно останавливаться на преимуществах ПБВ по отношению к обычному битуму, они прекрасно известны, расскажем только о том, каким образом нам переломить ситуацию, то есть дать проектировщику инструмент, позволяющий смело включать ПБВ в асфальтобетонные смеси нижних слоев, а главгосэксперту – полное право идти на удорожание асфальтобетонного слоя в связи с увеличением срока его службы.

На сегодняшний день эта задача гораздо важнее бесконечных дискуссий о  преимуществах ПБВ над обычным битумом. Нужно модификацию сделать обязательной для заказчика, законной для проектировщика, обоснованной для главгосэксперта и оплачиваемой для строителя, иначе, сколько бы ни говорили о преимуществах ПБВ над обычным битумом, все потуги будут тщетны.

Российский битум непригоден для строительства долговечных дорог с требуемым сроком службы, однако он лучше других битумов совместим с полимером, соответственно, следовало бы раз и навсегда прекратить работать на  немодифицированных вяжущих, особенно на дорогах с высокой интенсивностью движения. Здесь мы рассматриваем применение исключительно СБС полимера как наиболее эффективного из сотен модификаторов, известных мировому дорожному сообществу, и по цене, и по качеству.

Мы пришли к выводу, что для российского окисленного битума будет работать «Правило 80» (рис. 2). Это означает, что, если сложим верхний предел с нижним и получим значение больше 80, мы должны использовать модификатор, его неиспользование будет экономически неэффективно.

При этом нужно понимать, что даже если мы стандартизируем «Правило 80», при использовании ПБВ в асфальтобетонных слоях, выполненных на окисленных битумах, все равно в сравнении с ПБВ на остаточных битумах получим снижение модуля упругости примерно в 1,5 раза, снижение критического напряжения –  в 1,7 раза и снижение критической деформации – примерно на 15 % по сравнению с асфальтобетонными слоями, выполненными на основе ПБВ из остаточных битумов. Казалось бы, тупик. Но в любом случае двукратное улучшение эксплуатационных показателей ПБВ на окисленном битуме над самим окисленным битумом тоже хороший результат. Тем более понимаем, что скорость старения битума в составе ПБВ значительно снижается.

Поэтому мы предложили бы принимать решение об использовании модифицированного или немодифицированного вяжущего через «Правило 80», а степень и глубину модификации  определять по кривой модификации, что также достаточно просто. Эту кривую можно перевести в табличную форму, и в каждой клеточке с соответствующим PG поставить коэффициент пересчета, то есть коэффициент удорожания, связанный с увеличением степени модификации. Обосновать марку вяжущего  будет легче, чем доказывать главгосэксперту каждый раз, почему нужно 5,5 % полимера, а не 3 в данном конкретном случае.

Теперь давайте разберемся, какие именно показатели нужно задавать при проектировании группового углеводородного состава битума. В таблице 1 приведены некоторые из них.

Исходя из данных таблицы 1, мы задались целью проверить, насколько гостовские показатели ПБВ (ГОСТ 52056-2003), по которым мы призваны работать, отличаются от расчетных, обеспечивающих заданную надежность конструкции в течение всего срока инвестиционного соглашения (19 лет) с учетом рассчитанного нами PG, реальных нагрузок и главное – функциональных свойств каждого их асфальтобетонных слоев. За эталон взяли ПБВ во всех конструктивных слоях асфальтобетонного пакта, то есть идеально возможную картину, и решили посмотреть, насколько велика разница показателей  ПБВ для «общего пользования» с ПБВ для реально строящегося объекта М-3 «Украина» в Калужской области.

При определении максимальной расчетной температуры покрытия применялись известные формулы:

При определении минимальной расчетной температуры покрытия применялись следующие формулы:

 

 

 

 

 

 

 

Мы подставили известные данные и получили максимальную и минимальную расчетные температуры с учетом стандартного отклонения семидневных положительных и минимальных отрицательных температур уже в покрытии дороги. В соответствии с расчетами, ближайшей маркой битумного вяжущего для нашего объекта стала PG 52-28.

Согласно рекомендациям ПНСТ «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные. Технические требования», для применения битумного вяжущего в Калужской области в условиях высоких эксплуатационных нагрузок мы увеличили верхнее значение марки вяжущего на 2 шага, в результате чего для условий, в которых находится наш объект, будет справедливо применение битумного вяжущего марки PG 64-28.

Учитывая, что ни одна из серийно производимых в РФ марок битумов не  обеспечивает рабочий диапазон температур по выведенному PG 64-28, мы, вполне логично, обратились за помощью именно к производителям ПБВ (см. табл. 2). 

Исходя из  расчетных показателей и рекомендаций (табл. 2)  стало ясно, что, даже если мы будем применять гостовское ПБВ во всех трех асфальтобетонных слоях без учета адресной или направленной модификации (PG, нагрузка, функциональное назначение каждого слоя), это не гарантирует нам безболезненную эксплуатацию построенного объекта в течение всего 19-летнего периода. Вероятность образования незапланированных разрушений достаточно высока.

Теперь можно себе представить, насколько наше положение усугубляется, ведь вместо ПБВ в нижнем слое покрытия и верхнем слое основания используется вяжущее, в котором растяжимость при 0 ^оС всего 3,5–3,8 см!

Более того, не откроем большого секрета, что капитальный ремонт, запланированный на 19-м году жизни дороги, не предусматривает замену самого нижнего слоя асфальтобетонного пакета, то есть верхнего слоя основания. В соответствии с контрактом будет произведена замена только двух верхних слоев. Если мы сделали верхний слой основания дороги из обычного битума в его «предпенсионном» возрасте, то можно себе представить, во что превратится слой, отработавший 19 лет! Даже грубый подсчет показывает, что со средней скоростью старения (возьмем, к примеру, 1,25 единицы в год и прямую зависимость) наш битум с исходной пенетрацией 33 через 19 лет превратится в битум с пенетрацией 9, что гарантирует нам сетку усталостных трещин, которую невозможно будет надолго закрыть никакими свежеуложенными сверху слоями. Конечно же, это предположение нужно уточнять результатами большого количества испытаний и измерений, выполненных в составе мониторинга множества объектов. Без объединения данных сотен лабораторий, в одиночку,  не вывести фундаментальные зависимости нашего среднестатистического по стране вяжущего. В первую очередь этим вопросом должен быть обеспокоен именно заказчик, дабы привести в соответствие межремонтные регламентные сроки к средним гарантийным срокам подрядчиков, заявляемых на торгах. Это прежде всего вопрос безопасности дорожного движения, а значит, и наши с вами жизни.

Проектировщик, несмотря на веские доводы профессионального сообщества, почему-то снова и снова закладывает в верхний слой основания вместо плотного пористый асфальтобетон из крупно-зернистой смеси, который имеет мало битума и много пор, содержащих кислород. Получается, что наш многострадальный и уже состарившийся битум с 10-летним стажем по шкале остаточного битума продолжает стареть, используя заключенный в порах воздух.

Теперь что касается  линейки производимых по действующим в нашей стране ГОСТам битумов. Производитель-нефтепереработчик   отвечает за показатели битумов в соответствии с линейкой, заложенной  в данных НТД,  и  получение широчайшего ассортимента, диапазон выдаваемых марок битумов – не его зона ответственности. Его основная задача – обеспечение дорожного рынка РФ качественными отечественными дорожными битумами.

Наступило время формирования нового сегмента дорожного рынка в России – рынка направленного производства  вяжущих под требования конкретного объекта. В других странах этим занимаются отдельные компании. Они закупают у  нефтепереработки базовые марки битумов, нецелевые компоненты, пластификаторы, модификаторы и т. д. Затем, в зависимости от расчетных показателей (пример – объект М-3 «Украина» в Калужской области), производят необходимые марки битума, модифицированные  различными добавками.

Мы уверены, что сегодня в России есть все условия и профессиональные кадры по организации производства расширенной линейки битумных материалов для достижения расчетных параметров рабочего диапазона температур и нагрузок, обусловленных сроком жизненного цикла отдельно взятого объекта и отдельно взятого асфальтобетонного слоя.

 

А. Семянихин, главный специалист по технологии и качеству ОАО «ДСК «АВТОБАН»,

 В. А. Погуляйко, докторант СамГТУ, канд. хим. наук