МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
СОЮЗДОРНИИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
С ДОБАВКОЙ СЕРЫ И ПО ТЕХНОЛОГИИ
СТРОИТЕЛЬСТВА ИЗ НИХ
ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Утверждены замдиректора Союздорнии
канд. техн. наук В.М. Юмашевым
Одобрены
Главдорстроем (письмо № 5603/204
от 9.4.85)
Москва 1986
Приведены общие сведения о сере, используемой в виде добавки для повышения качества асфальтобетонов; требования к ее свойствам; технология введения серы в битум и непосредственно в минеральный материал.
Показаны особенности технологии приготовления асфальтобетонных смесей с добавкой серы различными способами и устройства из них дорожных покрытий.
Применение серы позволяет снизить расход битума, повысить производительность АБЗ и уплотняющих механизмов, увеличить срок службы асфальтобетонных покрытий.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
В последние годы в ряде зарубежных стран успешно используется сера в качестве добавки к нефтяным битумам. Добавка серы позволяет снизить расход битума, повысить производительность асфальтосмесителей и уплотняющих механизмов, уменьшить расход условного топлива на 1 т на 1 км, повысить срок службы асфальтобетонных покрытий.
Исследования Союздорнии за последние годы и результаты опытно-экспериментальных работ, проведенных в 1982 - 1985 гг. в Волынской и Оренбургской областях, а также анализ зарубежного опыта явились основой для разработки «Методических рекомендаций по применению асфальтобетонов с добавкой серы и по технологии строительства из них дорожных покрытий».
В настоящих «Методических рекомендациях» приведены общие сведения о сере, используемой в виде добавки для повышения качества асфальтобетонов, и требования к ней, принцип проектирования состава получаемых асфальтобетонов, технологические способы приготовления асфальтобетонных смесей, особенности технологии строительства, техники безопасности при работе с серой.
«Методические рекомендации» составили кандидаты технических наук И.А. Плотникова, Е.М. Гурарий и инж. И.В. Степанян.
Замечания и предложения по данной работе просьба направлять по адресу: 143900, Московская обл., Балашиха-6, Союздорнии.
1.1. В практике дорожного строительства ряда стран в течение последних лет прослеживается тенденция использования серы в асфальтобетоне взамен части нефтяного битума.
Применение серы в качестве добавки позволяет уменьшить расход битума, повысить производительность применяемых асфальтосмесителей и уплотняющих механизмов, снизить температуры нагрева битумов и приготовления асфальтобетонных смесей, повысить водо- и морозостойкость асфальтобетона и, следовательно, долговечность дорожных покрытий.
1.2. Анализ литературных данных по этой проблеме и выполненные исследования дают основание полагать, что сера, введенная в битум, находится в нем в двух агрегатных состояниях - жидком и твердом.
Соотношение между количеством жидкой и кристаллической серы зависит от ряда факторов: химического состава и дисперсной структуры битумов, температуры смеси и времени, прошедшего с момента введения серы.
Сера, введенная в битум при температуре 120 - 140 °С, расплавляется и равномерно распределяется в нем. В процессе перемешивания сера частично растворяется в масляных компонентах битума. Растворенная и расплавленная сера оказывает на битум пластифицирующее действие.
При температуре ниже 120 °С расплавленная сера начинает выкристаллизовываться. После охлаждения асфальтобетона до температуры окружающего воздуха процесс кристаллизации серы продолжается еще длительное время (более месяца). Кристаллическая сера играет роль дисперсного наполнителя в асфальтобетоне, повышает его прочность и теплостойкость.
1.3. Разработаны два способа введения серы в асфальтобетонную смесь:
в виде серно-битумного вяжущего (СБВ), полученного предварительным введением серы в битум;
непосредственно в асфальтобетонную смесь в процессе перемешивания всех ее компонентов в смесителе.
Первый способ проще, легче осуществим в производственных условиях при современном серийном оборудовании АБЗ.
Второй способ требует дополнительного оборудования асфальтосмесительных установок линией подачи и дозирования серы в мешалку, однако он более эффективен.
2.1. В качестве добавки в асфальтобетонную смесь
рекомендуется использовать техническую серу: комовую, молотую или жидкую (см. приложение к данным «Методическим рекомендациям»)
Физико-химические свойства серы должны отвечать требованиям ГОСТ 127-76.
2.2. Техническая сера при обычных условиях находится в твердом состоянии. Она отличается малой теплопроводностью, плохо проводит электрический ток, растворима в сероуглероде, нефти, бензине и многих других органических растворителях. В воде и кислотах сера практически не растворяется.
При 120 °С сера плавится и превращается в легкоподвижную жидкость желтого цвета, вязкость которой изменяется с повышением температуры.
При температуре выше 160 °С сера темнеет и при 190 °С превращается в темно-коричневую вязкую массу, С дальнейшим повышением температуры вязкость массы уменьшается, а при температуре около 300 °С расплав серы становится легкоподвижным. Температура кипения серы 444,6 °С.
2.3. Комовую серу получают из расплавленной серы, которую при температуре 125 °С разливают на открытые бетонированные площадки, где она постепенно охлаждается и застывает. Для ускорения застывания серу разливают на большие площади тонким слоем, наращиваемым в течение не скольких суток по мере ее охлаждения. Застывшая сера в блоке высотой 3 м и более разрыхляется экскаватором и складируется в штабели, при этом происходит частичное дробление серы (крупность частиц колеблется в широких пределах).
Требования к зерновому составу серы приведены в табл. 1.
Разновидность серы |
Остаток, %, не более, на сите размером, мм |
Прохождение через сито 200 мм,%, не менее |
|
0,14 |
0,071 |
||
Комовая |
- |
- |
95 |
Молотая класса |
|
|
|
2 |
0,1 |
3,5 |
- |
3 |
3,0 |
4,0 |
- |
2.4. Молотая сера является продуктом размола комовой серы, имеет строго определенный зерновой состав (см. табл. 1) и отвечает всем требованиям, предъявляемым к физико-химическим свойствам серы. Кроме того, для молотой серы дополнительно регламентируется содержание металлов, а именно: железа, марганца, меди.
2.5. Жидкая сера является наиболее перспективным видом серы. При хранении и транспортировке жидкой серы отпадает необходимость в открытых складах, облегчается механизация погрузочно-разгрузочных работ, сохраняется качество серы. Затраты тепла, расходуемого на поддержание серы в расплавленном состоянии, значительно меньше, чем при расплавлении ее потребителем.
3.1. В основу проектирования составов асфальтобетон с добавками серы заложен принцип сохранения постоянства объема вяжущего, т.е. независимо от количества добавки серы общий суммарный объем серно-битумного вяжущего должен быть равен объему нефтяного битума в асфальтобетон без добавки серы. Только соблюдением этого условия обеспечивается оптимальная поровая структура асфальтобетона.
3.2. Зерновой состав минеральной части асфальтобетонной смеси и оптимальное количество вяжущего (нефтяного битума) проектируют в соответствии с ГОСТ 9128-84.
3.3. После подбора оптимального состава асфальтобетонной смеси на нефтяном битуме устанавливают дозировку серы. Рекомендуемое соотношение по массе между битумом и серой составляет: для битумов марок БНД 40/60, БНД 60/90, БН 60/90, БН 90/130 - 70:30, для битума марки БНД 90/130 - 60:40. Изменять вышеуказанные соотношения можно лишь в сторону уменьшения содержания серы в вяжущем.
3.4. Так как плотность серы в 2 раза превышает плотность битума, необходимо корректировать оптимальное содержание вяжущего В (%) в асфальтобетонной смеси по формуле
|
где Б1 - оптимальное количество битума в смеси, установленное при проектировании состава, % массы;
S1 и Б2 - доля соответственно серы и битума в вяжущем, %;
ρʹS, ρб - плотность соответственно серы и битума, г/см3.
3.5. Количество битума (%) в смеси определяют по формуле
|
Количество серы (%) в смеси определяют по формуле
|
Пример расчета. Допустим, что при проектировании состава асфальтобетонной смеси установлено оптимальное содержание битума 7 %. Назначаем соотношение между битумом и серой 70:30.
Определяем количество вяжущего в смеси:
|
Содержание нефтяного битума в смеси составляет
|
а серы
|
На 1 т смеси это составит: битума - 57 кг, серы - 25 кг.
3.6. После расчета состава асфальтобетона с добавкой серы следует приготовить контрольную смесь и определить весь комплекс показателей физико-химических свойств. Асфальтобетон с добавкой серы должен отвечать тем же требованиям, что и асфальтобетон с нефтяными битумами без добавки серы в соответствии с ГОСТ 9128-84.
4.1. Асфальтобетонные смеси с добавками серы следует приготавливать в соответствии с требован и ям и СНиП 3.06.03-85 «Организация, производство и приемка работ. Сооружения транспорта. Автомобильные дороги».
4.2. Добавку серы вводят в асфальтобетонную смесь двумя способами - либо в битум, либо непосредственно в смесь.
4.3. Для введения в битум можно использовать комовую или жидкую серу. Технологический процесс приготовления смесей при введении серы в битум включает приготовление СБВ и подачу его в смеситель через Дозатор битума (см. рисунок).
Серу, отдозированную по объему или массе, постепенно вводят в битумный котел, заполненный битумом не более чем на 0,75 его объема.
Технологическая схема приготовления СБВ
4.4. Серу смешивают с битумом в рабочем котле мешалкой пропеллерного или шнекового типа при температуре не выше 130 - 140 °С.
Продолжительность перемешивания при введении жидкой серы в битумный котел - 10 мин, при введении комовой серы - 20 мин.
4.5. Готовое СБВ допускается выдерживать в битумном котле не более одной рабочей смены.
4.6. СБВ можно приготовить также путем введения дозировочным насосом расплавленной и нагретой до 130 °С серы в трубопровод, по которому битум подается в дозатор смесителя. В трубопроводе сера перемешивается с битумом и в дозатор уже поступает готовое СБВ.
4.7. Продолжительность перемешивания асфальтобетонных смесей с СБВ приведена в табл. 2.
Асфальтобетонная смесь |
Продолжительность, с, перемешивания минеральных компонентов |
|
без вяжущего |
с вяжущим |
|
Песчаная |
15 |
35 - 45 |
Мелкозернистая |
15 |
25 - 35 |
Крупнозернистая |
15 |
25 - 30 |
4.8. Температура смеси при выпуске из смесителя должна быть 130 - 140 °С.
4.9. При введении серы непосредственно в смесь е качестве самостоятельного компонента можно использовать молотую или жидкую серу.
Молотую серу в холодном состоянии подают элеватором в отдельный отсек бункера по типу минерального порошка.
При использовании жидкой серы смеситель оборудуют дополнительным дозатором, аналогичным битумному.
4.10. Технологический процесс приготовления асфальтобетонных смесей с добавкой серы включает: дозирование минеральных материалов и битума, подачу, перемешивание этих компонентов до полного обволакивания минеральных зерен битумом, введение серы в смесь и окончательное перемешивание смеси.
Ввиду того, что серу вводят в смеситель после предварительного перемешивания битума с минеральными материалами, время приготовления смеси увеличивается на 30 - 45 с.
4.11. Технологический режим приготовления асфальтобетонной смеси с добавкой серы непосредственно в смесь должен обеспечивать равномерное распределение в ней серы и однородность смеси. Следует строго выдерживать время перемешивания, соблюдать однородность применяемых исходных материалов, точность их дозирования и не нарушать температурного режима подготовки исходных материалов и приготовления асфальтобетонной смеси.
5.1. Все работы по приготовлению, укладке и уплотнению асфальтобетонных смесей, а также технический контроль следует осуществлять в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.
5.2. При укладке асфальтоукладчиками толщина укладываемого слоя должна быть больше проектной на 5 - 10 %, а при ручной укладке - на 15 - 20 %.
5.3. Температура асфальтобетонных смесей при укладке в конструктивный слой дорожной одежды при содержании серы до 2 % должна быть не ниже 110 °С, при содержании серы свыше 2 % - не ниже 120 °С согласно ГОСТ 9128-84.
Температуру смеси необходимо проверять в каждом прибывающем автомобиле-самосвале.
5.4. Длина полосы при укладке смеси одним укладчиком в зависимости от температуры воздуха и типа местности приведена в табл. 3.
Температура воздуха, °С |
Длина укладываемой полосы, м |
|
на защищенных от ветра лесных участках |
на открытых участках |
|
5 - 15 |
30 - 80 |
25 - 40 |
15 - 25 |
80 - 120 |
40 - 60 |
Выше 25 |
120 - 180 |
60 - 80 |
5.5. Уплотнение конструктивных слоев следует начинать сразу же после укладки смеси, чтобы не допускать ее остывания.
При уплотнении смеси число проходов всех видов катков при содержании серы до 2 % может быть уменьшено на 15 - 20 %, а при содержании серы больше 2 % - на 25 - 30 % по сравнению с асфальтобетонными смесями на нефтяных битумах без добавки серы.
6.1. Комовую и молотую серу транспортируют по железной дороге в вагонах или полувагонах, а также любым другим видом транспорта согласно действующим правилам перевозки ядохимикатов с соблюдением мер противопожарной безопасности.
6.2. Жидкую серу транспортируют в специально предназначенных для этой цели железнодорожных или автодорожных цистернах с обогревом.
6.3. Жидкую серу хранят в специальных железобетонных, устойчивых к агрессивному воздействию расплавленной серы резервуарах, оснащенных устройствами для обогрева и перекачки, а также измерительными приборами и вытяжными трубами.
Паровой обогрев осуществляется с помощью змеевиков, устанавливаемых у днища и в центральной части резервуара. Перекачка осуществляется с помощью погружных насосов.
6.4. Открытое складирование серы не допускается во избежание ухудшения качества серы в связи с загрязнением ее посторонними примесями (при длительном хранении увеличивается содержание золы). Кроме того, при открытом хранении повышается влажность серы, что приводит к увеличению ее кислотности.
6.5. Транспортное оборудование, используемое для перемещения серы, должно быть полностью укрыто; из-под укрытия должен быть обеспечен отсос воздуха. Высота перепадов материала при перегрузках должна быть минимальной.
7.1. При использовании серы необходимо руководствоваться «Правилами техники безопасности при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог (М.: Транспорт, 1978).
7.2. В твердом виде сера - горючее вещество, нетоксична, класс опасности 4. Жидкая сера токсична.
Серная пыль взрывоопасна. Нижний предел взрываемости серной пыли фракции 850 мкм - 2,3 г/м3, температура самовоспламенения - 575 °С.
Образующиеся при переливе и хранении жидкой серы пары серы и сероводорода взрывоопасны и могут вызвать отравление. Предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-76 составляют: для сероводорода 10 мг/м3, сернистого газа - 10 мг/м3, серной пыли - 2 мг/м3. Контроль за ПДК осуществляется местным отделением санэпидстанции.
7.3. Производственные помещения и лаборатории, где ведутся работы с серой, должны быть оборудованы приточно-вытяжной механической вентиляцией, обеспечивающей соблюдение в воздухе рабочей зоны ПДК вредных веществ.
7.4. Складские площадки и склады должны быть оснащены стационарными системами пожаротушения. Запрещается применение всех видов открытого огня. Тушение горячей серы производится распыленной водой со смачивателем, а также пеной.
7.5. При работе с серой обслуживающий персонал должен быть обеспечен защитными очками, резиновыми перчатками и респираторами.
7.6. Лица моложе 18 лет к работе с серой не допускаются .
7.7. Использование серы в качестве добавки в асфальтобетонные смеси допускается в условиях строительства дорожных покрытий вне населенных пунктов.
Применение асфальтобетона, модифицированного серой, по сравнению с традиционным асфальтобетоном позволяет:
сэкономить до 30 % битума;
повысить производительность асфальтосмесителей на 10 % за счет уменьшения времени перемешивания в случае применения СБВ;
увеличить производительность уплотняющих механизмов на 30 % за счет уменьшения числа проходов катков;
снизить температуры нагрева вяжущего и минеральных компонентов асфальтобетонных смесей на 20 - 30 °С;
снизить расход условного топлива на 0,672 - 1 т на 1 км;
увеличить срок службы покрытия на 5 %.
Вид серы |
Характеристика |
Завод-изготовитель |
Сорт |
Цена на 1 т, руб. |
Комовая |
Твердое вещество желтого 3 цвета. Плотность 2,07 г/см3 при 95,6 °С и 1,96 г/см3 при 119,3 °С, Температура плавления 119,3 °С |
Роздольское ПО «Сера», Яворовское ПО «Сера», Оренбургский ГПЗ, Мубарекский ГПЗ, Гаурдакский серный завод, Медногорский медно-серный комбинат и др. |
9998 9990 9985 9920 |
70 69 65 60 |
Жидкая |
При 119,3 - 155 °С представляет собой легкоподвижную жидкость желтого цвета, вязкость которой изменяется с повышением температуры. Температура кипения серы 444,6 °С. Вязкость при 154 °С составляет 0,0066 Па⋅с |
Роздольское ПО «Сера», Яворовское ПО «Сера», Гаурдакский серный завод, Оренбургский ГПЗ, Московский НПЗ, Ново-Уфимский НПЗ и др. |
9998 9985 9900 |
72 67 65 |
Молотая |
Продукт размола комовой серы. Порошкообразный материал светло-желтого цвета. Остаток на сите 0,071 мм - не более 3,5 % |
Роздольское ПО «Сера», Куйбышевский серный завод |
9990 9950 9990 9950 |
94 90 89 85 |