МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВСЕСОЮЗНЫЙ ДОРОЖНЫЙ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ С ДОБАВКОЙ СЕРЫ
И ПО ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ИЗ НИХ
ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ

Утверждены зам. директора 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.

Государственный всесоюзный дорожный научно-исследовательский институт, 1986.

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. Общие положения

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. Требования к сере и ее свойства

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 нескольких 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.

Таблица 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. Проектирование составов асфальтобетона с добавкой серы

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 сернобитумного 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, %;

- 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.

3.8. 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. Особенности технологии приготовления асфальтобетонных смесей с добавками серы

4.1. Асфальтобетонные смеси с добавками серы следует приготавливать в соответствии с требованиями 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.

Таблица 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 в 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. Особенности технологии строительства конструктивных слоев дорожных одежд из асфальтобетонных смесей с добавками серы

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.

Таблица 3

Температура воздуха, °С	Длина укладываемой полосы, м
	на защищенных от ветра лесных участках	на открытых участках
8-15	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. Транспортирование и хранение 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 цепи 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. Техника безопасности при работе с серой

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.

8. Технико-экономическая эффективность использования асфальтобетона с добавками серы

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 %.

Приложение

Вид серы	Характеристика	Завод-изготовитель	Сорт	Цена 1 т, руб
Комовая	Твердое вещество желтого цвета. Плотность 2,07 г/см3 при 119,3 °С. Температура плавления 119,3 °С	Роздольское ПО «Сера», Яворовское ПО «Сера», Оренбургский ГПЗ, Мубаревский 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

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 1. Общие положения 2. Требования к сере и ее свойства 3. Проектирование составов асфальтобетона с добавкой серы 4. Особенности технологии приготовления асфальтобетонных смесей с добавками серы 5. Особенности технологии строительства конструктивных слоев дорожных одежд из асфальтобетонных смесей с добавками серы 6. Транспортирование и хранение серы 7. Техника безопасности при работе с серой 8. Технико-экономическая эффективность использования асфальтобетона с добавками серы Приложение