На протяжении многих лет нефть является самым востребованным полезным ископаемым во всем мире. При этом, в нынешнее время, все большее внимание направлено на разработку альтернативных источников углеводородного сырья, а в особенности высоковязких нефтей и природных битумов. Благодаря своему составу и физико-химическим свойствам, природные битумы и высоковязкие нефти могут быть рассмотрены в различных отраслях промышленности, как универсальное сырье [1].
Мировые запасы тяжелых нефтей и природных битумов (> 810 млрд. т.) намного больше мировых запасов легкой нефти, тем не менее доля их добычи все еще не превышает 1%. Для увеличения доли природных битумов весьма актуальным является усовершенствованием технологии их добычи и перераотки [1].
Природные битумы являются окисленными высоковязкими, плотными нефтями жидкой, полужидкой и твердой консистенции с высоким содержанием серы, масел, смол и асфальтенов, а также с большым содержанием других примесей (таких как ванадий, никель и молибден) [1].
«Битум (природный или получаемый в промышленности)» является черным (темноокрашенным) цементирующим веществом твердого, полутвердого или вязкого агрегатного состояния, содержащим преимущественно высокомолекулярные углеводороды (обычно гудроны, пеки и асфальты) [8].
«Асфальт» – цементирующий материал темной или от коричневой до черной окраски на основе полученного в естественных условиях или в промышленности (в качестве остатка при отчистке нефти) битума [8].
Отличительной чертой высоковязких нефтей и природных битумов по сравнению с легкими нефтями является малое содержание в них светлых фракций (температурой начального кипения – 350 C). При отсутствии в их составе бензиновой фракции, природные битумы считаются не текучими [1].
Увеличение переработки высоковязких (смолистых и сернистых) нефтей и природных битумов нефти должна сопровождаться эффективному управлением возникающими в этом процессе нефтяными остатками, содержащими большое количество смолисто-асфальтеновых веществ [1].
В этом контексте в России и других странах вопрос управлением качеством битумов для дорожных покрытий является до сих пор актуальным.
Современная мировая практика напряженности и интенсивности передвижения грузов на автодорогах подчеркивает важность применения специальных асфальтобетонных покрытий на основе битума, которые способны обеспечить необходимые физико-механические свойства автодорог и их долговечность. Для продления срока службы автодорожных покрытий применяют полимер-битумный материал, позволяющий также увеличить их работоспособность [22].
В связи с этим, в нефтеперерабатывающей промышленности России и за рубежом значительно выросло производство дорожных, строительных и специальных битумов [24]. Нефтяные битумы являются дефицитными многотоннажными нефтепродуктами, качества которых является ключевым фактором для обеспечения долговечности автодорог [22].
Однако, 70% битумов, выпускаемых в России и В странах СНГ не соответствует требованиям современного рынка по ассортименту и качеству [22].
Из-за недостаточного качества битумов, автодорожные покрытия преждевременно изнашиваются, а их ремонт требует значительные капитальные затраты и трудоемких работ. Такое положение усугубляется непрерывным увеличением грузоподъемности и интенсивности движения транспортных средств, приводящим к значительному росту динамических нагрузок на автодорожное покрытие и тем самым повышению требований к качеству битума [22].
Автомобильная дорога является комплексным транспортным сооружением, включающим проезжие части, обустройство, сооружение, конструкция элементов, которых направленные на обеспечение ее надёжности т.е. способность длительного (нормативного или заданного) срока службы при оптимальной безопасной скоростью движения [17].
Автомобильная дорога является ключевым элементом в системе «водитель – автомобиль – дорога – среда». К критериям, определяющим надежности автодорог относятся [17]:
– нагруженность отдельных ее участков;
– высокая неравномерность перераспределения интенсивности движения в отдельных ее участках во времени;
– существенные ограничения скоростей движения носят местный характер и ограничены на дороге отдельными её участками (конфликтными зонами);
– единственный элемент системы «водитель – автомобиль – дорога – среда», который подвергается непрерывным суточным и круглогодичным воздействиям погодных, сезонных и климатических условия окружающей среды. Эти факторы приводят к частичному или общему, постепенному или внезапного характеру отказа автомобильных дорог.
При постепенном разрушении дорожного покрытия наблюдается снижение его эксплуатационной надежности (т.е. ее работоспособности), что приводить к ухудшению её микропрофиль, а тем самым к снижению плавности хода автомобилей, скорости движения и пропускной способности, а также росту количества чрезвычайных ситуаций [17].
По статистике увеличение числа ДТП, соблюдаемое на определенных участках автодороги связан со снижением скорости движения. Изменение допустимой скорости при въезде с одного в другой участок не должно превысить 20%. Несоблюдение данной меры приводит к постепенному появлению дополнительных деформаций и разрушений автодорог [17].
Наибольше разрушение автодорог происходят при изменении температурного режима (переход от отрицательного до положительного и обратно). За сезон в Центральной части РФ такого рода изменения температуры может возникать более 40 раз. Поэтому требуется воспроизводство более эластичного связующего битума [Бурмистрова М. Ю.].
К факторам, определяющим устойчивость асфальтобетонных покрытий к разрушению относятся [17]:
1) свойства битума (эластичность, прочность и др.);
2) прочность адгезии битума с заполнителем. Наиболее распространенными присадками к битуму являются полимерные и адгезионные.
Выбоины и трещины являются дефектами дорожного покрытия, которые появляются вследствие его преждевременного износа (разрушения) дорог ускоряют необходимость в преждевременному ремонту. Вода, проникающая через выбоины в нижние слои автодорожного покрытия, способствует преждевременному разрушения дорог [6].
Более глубокое проникновение воды обеспечивается образованием трещин на дорожных покрытиях [6].
С одной стороны, при повышении содержания битума в асфальте или применении более мягких сортов битума значительно улучшается устойчивость асфальта к трещинообразованию при низких температурах, но повышает риск образования избыточных борозд при повышенных температурах. С другой стороны, предотвращение появлению борозд может быть достигнута путем снижения количества битума в асфальте или путем применения более твердых сортов битума. В таком случае снижается устойчивость к образованию трещин, поскольку смесь становится менее пластичной [6].
