Т. С. ХУДЯКОВА, к. т. н., специалист в области битумных вяжущих, независимый эксперт
ДОРОЖНЫЙ АСФАЛЬТОБЕТОН — СЛОЖНЫЙ ПО СОСТАВУ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, КОТОРЫЙ ДОЛЖЕН ХАРАКТЕРИЗОВАТЬСЯ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ В СПЕЦИФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ. ПРИ ПРОЧИХ
РАВНЫХ УСЛОВИЯХ ЭТО ТРЕБОВАНИЕ ВЫПОЛНИМО ТОЛЬКО В СЛУЧАЕ ПРАВИЛЬНОГО ВЫБОРА ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОЙ СМЕСИ — ИНЕРТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО, А ТАКЖЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ИХ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ.
Внашей стране к разработке стандартных требо ваний к орожному битуму приступили еще в 70-е годы прошлого столетия, а за основу при выборе регламентируемых показателей физико-механических свойств этого вида дорожно-строительного материала были взяты зарубежные стандарты. Без существенных изменений ГОСТ 22245-90 действует и сегодня.
Прочность асфальтобетона в условиях разрушающего воздействия динамических нагрузок, оказываемых движущимся автотранспортом, напрямую зависит от деформативности дорожного битума — как непрерывной фазы в структуре композиционного материала. Поэтому в перечень стандартных требований к качеству дорожного битума включен показатель «растяжимость при 25 °С» и регламентированы его значения.
В отличие от зарубежных стандартов, ГОСТ 22245-90:
- регламентирует низкие значения показателя «растяжимость при 25 °С», что обусловлено: принципиальным различием химической природы нефтяного сырья, используемого для изготовления дорожного битума (в России — легкие и средние по вязкости нефти и их смеси, за рубежом — тяжелые нефти); отличием технологии изготовления битума (в России — окислением остатков переработки нефти, за рубежом — прямой остаток переработки);
- не предусматривает: проведение испытания на прогрев битума в тонкой пленке по методике RTFOT (имитирующего негативное воздействие на его физико-механические свойства кислорода воздуха при высокой температуре приготовления горячих асфальтобетонных смесей) и, соответственно, регламентацию значений показателей «динамическая вязкость при 60 °С» и «растяжимость при 25 °С» до и после прогрева, от значений которых напрямую зависит сдвигоустойчивость дорожного асфальтобетона.
На практике установлено, что соответствие качества битума требованиям ГОСТ 22245- 90 не является гарантией обеспечения высокой эксплуатационной надежности дорожных асфальтобетонных покрытий в современных условиях их эксплуатации.
Наиболее характерные виды разрушений: пластические деформации и трещинообразование.
В связи с разрушающим воздействием воды и гидрофильностью всех видов каменного материала, используемых в качестве компонента АБС, во избежание эрозионных разрушений асфальтобетонного покрытия особого внимания требует обеспечение высокой прочности сцепления битума с минеральным компонентом на границе раздела фаз. Несмотря на это, зарубежными стандартами не предусмотрено регламентирование требований к показателю сцепления битума, так как адгезионная прочность дорожного асфальтобетона зависит от особенностей химического состава как битума, так и минерального материала. В силу особенностей структуры нефтяные дорожные битумы способны образовывать прочные, не разрушаемые водой связи с минеральными материалами только основной породы и габброидными.
Расширенными исследованиями, проведенными в 80-е годы БашНИИНП и Ленинградским технологическим институтом им. Ленсовета, было подтверждено, что присутствие в требованиях ГОСТ 22245 показателя «сцепление битума с мрамором или песком» бессмысленно, а с точки зрения необходимости обеспечения адгезионной прочности дорожных асфальтобетонных покрытий, устраиваемых в разных регионах нашей страны из различных по химическому и минералогическому составу минеральных материалов, — вредно.
Задача устранения эрозионных разрушений асфальтобетонных покрытий в Санкт-Петербурге была решена в 90-е годы прошлого столетия путем:
- замены в составе асфальтобетонных смесей, предназначенных для верхних слоев дорожных покрытий, минеральных материалов кислой породы (граниты) на породы габбро;
- модификации битума адгезионными добавками, способными сохранять эффективность действия в массе горячего битума (в случае использования в качестве компонента асфальтобетонной смеси гранитного щебня).
Результаты многолетней практики создания в СанктПетербурге адгезионнопрочных асфальтобетонных покрытий, устойчивых к разрушающему воздействию воды, свидетельствуют о том, что наиболее объективно оценить прочность сцепления компонентов смеси позволяет проведение испытаний смеси битума и щебня (фракции 5-10 мм), предназначенных для изготовления промышленной партии АБС, по методике ГОСТ 11508-74, но в режиме бурного кипения воды (методика МИ 8-84). Однако этот простой по исполнению метод испытаний, пригодный и для получения объективной информации об эффективности модифицирующего действия на адгезионные свойства дорожного битума той или иной адгезионной добавки, не заинтересовал нормотворцев, «разработавших» новый стандартный метод — ГОСТ 58400.2-2020, известный еще с 1981 года и предназначенный исключительно для оценки сцепления с крупным (20-40 мм) щебнем битумной пленки, образовавшейся после распада катионной битумной эмульсии (см. ГОСТ 18159-81)…
С целью улучшения состояния дорожных покрытий в Ленинграде и Ленинградской области, увеличения безремонтного срока их службы за счет повышения устойчивости к воздействию сдвиговых деформаций, по инициативе и при активном участии научных сотрудников Ленинградского технологического института им. Ленсовета в 1992 году на Ухтинском НПЗ был поставлен на производство битум нефтяной дорожный улучшенный марки БДУ 70/100, сырьем для изготовления которого явилась тяжелая нефть Ярегского месторождения Республики Коми. Впервые этот битум был использован для устройства верхнего слоя дорожного асфальтобетонного покрытия на Невском проспекте в 1992 году. о результатам мониторинга состояния покрытий, устроенных в период 1992–1995 гг., в 1995 году в ТУ 38.1011356-91 было внесено изменение №2, свидетельствующее о принципиальном отличии БДУ 70/100 от БНД 60/90 (табл. 1), а в 2009 году Технические условия были заменены на СТО 00044434-014-2009, включающий в себя, по аналогии с зарубежными стандартами, нормативные требования к показателям вязкости битума: «кинематической при 135 °С» и «динамической вязкости при 60 °С» до и после прогрева в динамическом режиме.
По значению показателей физико-механических свойств битум нефтяной дорожный улучшенный марки БДУ 70/100 удовлетворял требованиям не только ГОСТ 22245-90, но и стандартам европейских государств, а потому был признан зарубежными компаниями качественным аналогом остаточного дорожного битума, изготавливаемого компаниями Nynas, Neste, Shell из тяжелой нефти, доставляемой в Европу водным транспортом из Венесуэлы, Ливии (табл. 2).
На протяжении18 лет в 1992-2010 гг. битум нефтяной дорожный улучшенный марки БДУ 70/100 применялся взамен традиционного для Северо-Запада России битума марки БНД 60/90, в том числе и для устройства верхних слоев дорожных покрытий на грузонапряженных трассах Санкт-Петербурга и Ленинградской области. При этом Специализированной лабораторией нефтяных вяжущих (СЛНВ), созданной Правительством Ленинградской области, оснащенной полным комплектом испытательного оборудования, позволяющего проводить испытание по стандартным методикам ГОСТ, ASTM, EN, постоянно осуществлялся входной и текущий контроль качества дорожного битума марки БДУ 70/100, поступающего на местные асфальтобетонные заводы и используемого для приготовления асфальтобетонных смесей, предназначенных для устройства дорожных покрытий на указанных заказчиком адресах.
По данным городской дорожно-строительной лаборатории, постоянно осуществляющей мониторинг состояния дорожных покрытий, замена традиционно применяемого битума марки БНД 60/90 на БДУ 70/100 позволила увеличить безремонтный срок службы асфальтобетонных покрытий от традиционного в 1–3 года до 10–15 и более лет.
В связи с низкой эксплуатационной надежностью асфальтобетонных покрытий, устраиваемых с использованием дорожного битума марки БНД в разных регионах нашей страны и в странах Содружества, Межправительственным Советом дорожников стран СНГ в 2007 году была создана рабочая группа по подготовке проекта требований к физико-механическим свойствам дорожного битума, способного обеспечивать повышенный срок службы дорожных покрытий в современных условиях их эксплуатации.
Результатом работы специалистов России, Казахстана, Азербайджана, Белоруссии в 2008 году явился согласованный членами рабочей группы проект требований к дорожному битуму, базирующийся на основных принципах требований, предъявляемых к дорожному биту-му национальными стандартами США и стран Европы (табл. 3).
В связи с единством взглядов специалистов разных государств на то, какие нормативные требования необходимо предъявлять к физико-механическим свойствам дорожного битума для обеспечения его способности выдерживать без разрушения внутренней структуры высокие сдвиговые воздействия, оказываемые на асфальтобетонное покрытие движущимся транспортом, стала возможной разработка единого Европейского стандарта EN 12591-2009 (табл. 4).
Следует отметить отсутствие в Европейском стандарте требований к показателю «растяжимость при 25 °С», что обусловлено его фактическими значениями, всегда превышающими 140 см, даже после прогрева по методике RTFOT. Это гарантированно обеспечивается использованием в качестве исходного сырья для приготовления дорожного битума только тяжелой нефти, а потому позволяет исключить затраты денежных средств и рабочего времени на их контроль.
В 2014 году был введен в действие Межгосударственный стандарт ГОСТ 33133-2014, разработчиками которого фактически проигнорировано мнение специалистов рабочей группы стран СНГ и Евросоюза о том, какие требования к дорожному битуму следует предъявлять в настоящее время (табл. 5).
Этот стандарт:
- формально в свободной форме как бы гармонизирован с Европейским стандартом EN 12591:2009, разработанным CENTС 336 «Битумные вяжущие» по поручению Комиссии Европейского сообщества в Европейской ассоциации свободной торговли М/124 «Дорожные строительные материалы»;
- отягощен дополнительными показателями, обязательно подлежащими регламентированию (19!), но сомнительными с точки зрения влияния их на эксплуатационную надежность дорожного битума; по сути это подтверждено официальным письмом Федерального дорожного агенства (№ 01-28/5235 от 14.02.2018), которое «считает достаточным соответствие битума основным показателям качества, указанным в разделе «Основные показатели» в таблице ГОСТа 33133-2014 при декларировании и паспортизации продукции»;
- так же, как и ГОСТ 22245-90, не предусматривает регламентацию показателей «растяжимость при 25 °С» и «динамическая вязкость при 60 °С» не только до, но и после прогрева в динамическом режиме по методу RTFOT, от значений которых напрямую зависит прочность на сдвиг асфальтобетонного покрытия.
Результаты входного контроля качества и традиционно проводимых дополнительных комплексных испытаний свидетельствуют о том, что битумы нефтяные дорожные марок БНД 60/90 и БНД 70/100, поступающие на асфальтобетонные заводы Санкт-Петербурга, представляют собой битумные вяжущие одного и того же качества, характеризующиеся отсутствием стабильности значений показателей физико-механических свойств в пробах, отбираемых из разных промышленных партий товарной продукции даже одного производителя. А иначе и не могло быть, поскольку постановка на производство битума новой марки не потребовала внесения каких-либо изменений в состав традиционно используемого в нашей стране исходного нефтяного сырья и в технологию изготовления битума (табл. 6).
Уместен вопрос: какова эффективность денежных средств, затраченных из российского бюджета на разработку такого уровня нормативного документа (Межгосударственного стандарта), если:
- одним росчерком пера федерального заказчика подтверждается ненужность присутствия в стандарте большого количества показателей физико-механических свойств, подлежащих, по неаргументированному мнению разработчиков документа, регламентации;
- введение в действие этого нормативного документа не способствовало (и не могло способствовать) повышению качества дорожного битума отечественного производства, улучшению его потребительских свойств;
- отношение к стандарту специалистов Казахстана, Белоруссии и др., мягко выражаясь, настороженное.
В первой редакции ГОСТ 33133-2014 было указание на то, что официальной целью его разработки являлось «повышение инновационности государственных закупок в транспортном комплексе» (удаленное из текста при переиздании этого стандарта), а не приведение качества дорожного битума марки БНД, отвечающего требованиям ГОСТ 22245-90, в соответствие с реальными условиями его работы в составе дорожного асфальтобетонного покрытия. А потому не удивительно, что соответствие качества дорожного битума, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 33133-2014 (так же, как и ГОСТ 22245-90), не является гарантией обеспечения высокой эксплуатационной надежности асфальтобетонных покрытий.
С целью повышения эксплуатационной надежности асфальтобетонных покрытий 31 января 1995 года ФДС издал приказ № 9 об улучшении качества битума нефтяного дорожного вязкого марки БНД путем модификации его полимером. Предприятия дорожной отрасли страны должны были приступить к изготовлению полимернобитумного вяжущего при отсутствии необходимой нормативно-технической и соответствующей технологической документации, при отсутствии в штате заводских лабораторий квалифицированных специалистов соответствующего профиля, а также специальных необходимых для этого производственных технологических узлов. Работники асфальтобетонных производств того времени понимают, о чем я говорю...
Стандартные требования к полимерно-битумному вяжущему — ГОСТ Р 52056-2003 — были введены в действие только в 2003 году (табл. 7), при этом по форме и содержанию повторяли ГОСТ 22245-90, за исключением присутствия в таблице требований нового показателя — «эластичность». Удивительно, но разработчиками стандарта в перечень требований к показателям физико-механических свойств ПБВ включен показатель «сцепление с мрамором или песком», нецелесообразность регламентирования которого в нормативных требованиях к дорожным битумным вяжущим была обоснована еще в 1985 году... Как бы то ни было, но и сегодня изготовители ПБВ по правилам обязаны проводить это испытание для подтверждения соответствия своей продукции действующим стандартным требованиям. А как иначе? Другой вопрос: происходит ли это на самом деле, а самое главное — не это ли является причиной эрозионного разрушения устраиваемых полимер-асфальтобетонных покрытий?
Кроме того, ГОСТ Р 52056-2003 допускает введение в состав полимерно-битумного вяжущего, изготавливаемого путем совмещения полимера типа СБС с дорожным битумом, нефтяного пластификатора для достижения целей, довольно странных с точки зрения влияния на долговечность дорожных покрытий:
обеспечения однородности ПБВ при смешивании компонентов обычными лопастными, пропеллерными и др. типами механических мешалок без использования дорогостоящих коллоидных мельниц;
- снижения количества полимера;
- снижения содержания вяжущего в смеси;
- уменьшения энергозатрат;
- ускорения процесса приготовления ПБВ;
- повышения удобоукладываемости и уплотняемости смеси;
- обеспечения температуры хрупкости ПБВ вплоть до –60 °С.
В дополнение к ГОСТ Р 52056-2003 разработан ОДМ 218.3.007-2011, в котором для каждого региона нашей страны установлены предельно допустимые значения показателя «температура хрупкости по Фраасу» (до –60 °С!) и количество пластификатора (вплоть до 30%!), необходимое для обеспечения соответствия температуры хрупкости применяемого полимерно-битумного вяжущего значению, указанному в документе.
Возникает подозрение, что разработчикам вышеуказанных документов неведомы основные положения органической, коллоидной химии и химии растворов полимеров. Иначе они бы знали, что любые нефтяные пластификаторы являются инородными по отношению к химическим соединениям, входящим в состав нефтяного дорожного битума, а потому приводят к разбалансировке внутренних координационных связей разных групп соединений, входящих в состав окисленного битума, и, как следствие, к разрушению его коллоидной структуры, снижению когезионной прочности.
Трехкомпонентные полимерно-битумные вяжущие являются менее термодинамически устойчивыми, по сравнению с двухкомпонентными (битум-полимер), вследствие более благоприятных условий для коагуляции полимера, сопровождающейся синерезисом (выделением) жидкой масляной фракции, что приводит, как показывает опыт Санкт-Петербурга, к появлению пластической колеи, образующаяся под воздействием движущегося автотранспорта даже через 1-2 года после устройства полимер-асфальтобетонного покрытия.
При этом, несмотря на вынужденную необходимость применения пластификаторов, до настоящего времени не разработаны нормативные требования к этому обязательному компоненту ПБВ, а потому каждый изготовитель ПБВ использует в качестве пластификатора нефтепродукты по своему усмотрению. О какой стабильности качества ПБВ одной и той же марки и полимер-асфальтобетонных смесей может идти речь (табл. 8)?
В отличие от России, за рубежом модификация битума полимером СБС осуществляется с целью создания нового вида битумного вяжущего, характеризующегося
более высокой когезионной прочностью, по сравнению с битумом (табл. 9), а ПБВ представляют собой двухкомпонентные системы, изготавливаемые на основе только остаточных битумов.
Возьмется ли кто-нибудь сегодня утверждать, что путем замены битума марки БНД на ПБВ удалось кардинально увеличить безремонтный срок службы дорожных асфальтобетонных покрытий в нашей стране? Какова технико-экономическая эффективность устройства дорожных покрытий на битумах, модифицированных дорогостоящим полимером? Кстати, официальные документы, подтверждающие это, отсутствуют.
Стабильность значений показателей физико-механических и реологических свойств остаточного битума, изготавливаемого из тяжелой нефти, способность выдерживать без разрушения воздействие высоких растягивающих усилий, а также накопленный более чем за 40 лет опыт применения на практике дорожного битума, маркированного по значению показателя «динамическая вязкость при 60 °С» (исходного битума и битума после прогрева в тонкой пленке в динамических условиях), позволили США создать систему маркировки битумных вяжущих по показателям реологических свойств — PG, уникальную, с точки зрения обеспечения высокой эксплуатационной надежности асфальтобетонных покрытий, устраиваемых в конкретном климатическом регионе для работы в конкретных эксплуатационных условиях (табл. 10).
В 2019 году введены в действие разработанные в России (на самом деле переведенные на русский язык) новые нормативные требования к качеству материалов вяжущих нефтяных битумных марок PG, актуализированные со стандартами США:
- ГОСТ Р 58400.1-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы вяжущие нефтяные битумные. Технические условия с учетом температурного диапазона эксплуатации»;
- ГОСТ Р 58400.2-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы вяжущие нефтяные битумные. Технические условия с учетом эксплуатационных транспортных нагрузок»
Битумное вяжущее марки PG отечественного производства — не новый вид, а все тот же битум марки БНД и полимерно-битумное вяжущее — ПБВ, только классификация основана на его реологических характеристиках при максимально высоких и низких температурах.
Разработаны, в том числе, и документы по определению порядка определения марки вяжущего и правила выбора марок: ГОСТ Р 58400.3-2019 и ГОСТ Р 710092023. Сформулирован полный перечень лабораторного испытательного оборудования, необходимого для оценки параметров реологических свойств битумного вяжущего.
По причине высокой стоимости лабораторное оборудование (как правило, импортное), однако, оказалось недоступным большинству асфальтобетонных производств нашей страны. При отсутствии возможности осуществлять входной контроль качества вяжущего предприятия вынуждены полностью полагаться на данные паспорта производителя, в котором указана марка вяжущего в товарной партии продукции, поступившей на АБЗ. Однако практический опыт работы с вяжущими PG подтверждает факты отличия его фактической марки от паспортных данных (табл. 11), что обусловлено термодинамической неустойчивостью структуры битумных вяжущих по причине разнородности исходного сырья, используемого для изготовления битума, и разных видов нефтяных пластификаторов в составе ПБВ.
Правомерен вопрос: в этом случае на ком реальная ответственность за отступление подрядчика от проекта?
При существующем в нашей стране в настоящее время вольном подходе к формированию исходного смесевого сырья (использовании разных по химическому составу видов нефтяных фракций) для изготовления дорожного окисленного битума отечественного производства, введении в ПБВ пластификатора неужели ктото всерьез думает, что для кардинального повышения эксплуатационной надежности асфальтобетонных и полимер-асфальтобетонных покрытий в России будет достаточным просто разработать новые стандартные требования к дорожным битумным вяжущим, взяв за основу зарубежные стандарты (разработанные исключительно под остаточные битумы, изготавливаемые только из тяжелой нефти), и ввести их в действие?
Надо отдать должное нефтеперерабатывающим заводам нашей страны (работающим по топливной схеме и внедряющим процессы глубокой переработки с целью увеличения выхода светлых нефтепродуктов) за то, что, несмотря на все сложности работы, они пытаются удовлетворять запросы дорожников, налаживая выпуск новых марок битумных вяжущих, формально отвечающих вводимым в действие новым нормативным требованиям. Претензии предприятий дорожной отрасли в адрес отечественных НПЗ в части отсутствия стабильности качества битума марок БНД и битумных вяжущих PG в разных промышленных партиях товарной продукции вполне обоснованы, но не могут быть решены нефтеперерабатывающими предприятиями по объективным причинам. И в такой ситуации ответственным за преждевременное разрушение дорожных покрытий априори является подрядчик. Это нормально?
Повышение стабильности качества дорожного битума марки БНД в промышленных партиях товарной продукции возможно в случае организации на НПЗ технологического узла для предварительной подготовки оптимизированного по составу исходного нефтяного сырья. Но, что очевидно, это не решит задачу улучшения потребительских свойств окисленного битума, как материала целевого назначения.
С целью увеличения безремонтного срока службы полимер-асфальтобетонных покрытий следует:
- пересмотреть завышенные требования к низкотемпературным свойствам полимерно-битумного вяжущего;
- исключить использование нефтяных пластификаторов в составе полимерно-битумного вяжущего (ПБВ);
- для приготовления двухкомпонентного полимернобитумного вяжущего применять дорожные битумы марки БНД с пенетрацией 70-100, 100-130, 130-200, выпуск которых не представляет технологической сложности для НПЗ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Зарубежный и имеющийся в Санкт-Петербурге 18-летний опыт свидетельствует о том, что кардинально решить проблему увеличения срока службы дорожных покрытий и, как следствие, повысить эффективность расходования бюджетных средств на их ремонт возможно только при обеспечении предприятий дорожной отрасли нашей страны высококачественными дорожными битумами, сырьем для производства которых является исключительно тяжелая нефть, запасы которой на территории России огромны.
Необходимо довести эту информацию до сведения руководства нашей страны с целью включения темы «Вовлечение тяжелой нефти российских месторождений в целевую переработку для нужд дорожной отрасли России» в перечень актуальных глобальных проектов, требующих государственной поддержки. В интересах дорожной отрасли страны требуется:
- прекратить слив и отгрузку на экспорт тяжелой нефти Ярегского месторождения Республики Коми — уникального сырья для производства высококачественных дорожных битумов, необходимых для создания в России высококачественных и безопасных дорог;
- восстановить промышленное производство битума нефтяного дорожного улучшенного марки БДУ, остановленное в 2010 году по инициативе нефтяной компании — владельца Ярегского месторождения;
- поставить вопрос об организации целевой переработки тяжелой нефти Приразломного месторождения, в настоящее время в полном добываемом объеме экспортируемой в Китай.
