Свойства и применение дорожных битумов: вязких, жидких, модифицированных

Битум в том или ином виде можно встретить на любом дорожно-строительном предприятии. Его используют как для создания асфальтобетонных смесей, так и для других целей, например производства битумной эмульсии или укрепления грунтов. Широкое применение этого материала способствовало нормированию показателей свойств вяжущего, направленного на улучшение качества слоев оснований и покрытий дорожных одежд.

Для того, чтобы битум стал компонентом, к примеру, асфальтобетонной смеси, его физико-механические показатели в полной мере обязаны соответствовать требованиям российских стандартов. Для этого, сначала на нефтеперерабатывающих заводах, а позже на дорожно-строительных предприятиях, — лаборанты проводят ряд испытаний, результаты которых являются количественным отражением свойств битума. Так, результат испытания на определение глубины проникания иглы характеризует его вязкость и твердость; температуры размягчения — теплостойкость; растяжимости — пластичность и так далее.

В дорожно-строительной отрасли используют четыре, если так можно выразиться, вида битумов: наиболее популярные вязкие; жидкие; модифицированные вязкие — полимерно-битумные вяжущие; а также PG-битумы, то есть вяжущие, классифицированные в зависимости от их эксплуатационных характеристик, с учетом температурного диапазона применения, а также показателей устойчивости к транспортным нагрузкам.

Свойства вязких битумов

На вязкие битумы распространяет требования стандарт ГОСТ 33133-2014. В соответствии с ним, испытания образцов вяжущего осуществляют для определения основных и дополнительных физико-химических показателей битума.

К основным показателям относят:

• глубину проникания иглы при 25 °С
• температуру размягчения по методу кольца и шара
• растяжимость при 0 °С
• температуру хрупкости
• температуру вспышки
• изменение массы образца после старения
• изменение температуры размягчения после старения

К дополнительным показателям причисляют:

• динамическую вязкость
• изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия
• динамическую вязкость после старения
• изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия после старения
• растяжимость при 25 °С
• максимальное усилие при растяжении при 25 и 0 °С
• температуру хрупкости после старения
• глубину проникания иглы при 0 °С
• растворимость
• содержание твердых парафинов
• индекс пенетрации

Конечно, не по каждому показателю стандарт предъявляет строгие нормируемые требования. Некоторые испытания, например связанные с динамической вязкостью, проводят для набора статистических данных. Более того, в соответствии с ГОСТом при приемо-сдаточных испытаниях, — например при поставке битума на дорожно-строительное предприятие, — определяют только основные показатели вяжущего и то за исключением температуры вспышки.

Глубина проникания иглы характеризует такие свойства битума как вязкость и твердость. Результат испытания получают путем измерения глубины, на которую погружается стержень с наконечником-иглой весом 100 г в образец битума в течение 5 с. при температуре водной среды 25 °С. При испытании на определение дополнительного показателя, которое проводят при температуре 0 °С, вес стержня с иглой увеличивают до 200 г, а время — до 60 с. Основным прибором для проведения испытания служит пенетрометр.

Показатель глубины проникания иглы при 25 °С тесно связан с наименованием марки битума. Так, если результат испытания по шкале пенетрометра составил 110 единиц, что соответствует погружению иглы на 11 мм, битум получает марку БНД 100/130; если 60 единиц, то БНД 50/70 и так далее.

Температура размягчения по кольцу и шару характеризует такое свойство битума как теплостойкость: при достижении определенной температуры битум переходит из пластичного состояния в вязкотекучее. Результат испытания получают регистрацией температуры, при которой битум, залитый в кольцо заданных размеров и охлажденный до температуры испытания, при постепенном нагреве водной среды размягчается и, под действием стального шарика диаметром чуть меньше 10 мм и весом 3.5 г, опускается до нижней пластины.

Растяжимость характеризует такое свойство битума как пластичность. Ее определяют с помощью специального прибора — дуктилометра. Сначала битум заливают в специальные формы, состоящие из двух частей, и дают остыть. После этого формы устанавливают в аппарат, представляющий собой продолговатую металлическую ванну, в которой находится жидкость, температура которой соответствует требованиям выполнения испытания — 25 или 0 °С. Формы закрепляют на специальные рейки, одна из которых при испытании движется со скоростью 5 см/мин, а другая — статична. По достижению максимальной растяжимости нить битума рвется и дуктилометр фиксирует расстояние, которое прошла рейка.

Температура хрупкости характеризует низкотемпературные границы битума, а также определяет примерный условный нижний предел вязкоупругого состояния вяжущего. Испытание заключается в равномерном охлаждении и периодическом изгибе небольшой пластины с битумом и определении температуры, при которой на образце с вяжущим появляются трещины или он ломается. Снижение температуры среды обеспечивает охлаждающий агент, который подают порциями для поддержания скорости падения температуры, равной 1 °С/мин. Основным устройством для измерения температуры хрупкости является аппарат Фрааса.

Температура вспышки связана с безопасностью использования битума. Во время испытания образец вяжущего, находящийся в открытом тигле, нагревают с помощью зажигательного устройства до тех пор, пока пары нефтепродукта не вспыхивают над поверхностью битума. За результат испытания принимают температуру, показываемую термометром при первой вспышке.

Динамическая вязкость характеризует такое свойство битума как устойчивость к сдвиговым нагрузкам, — она представляет собой отношение напряжения сдвига к скорости сдвига. Испытание для определения динамической вязкости проводят на специальном приборе — вискозиметре, который поддерживает необходимую температуру образца битума и сохраняет одну скорость сдвига во время работы. После завершения испытания на экране подключенного к вискозиметру компьютера создается отчет, в котором представлены данные о динамической вязкости битума.

Изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия регистрируют на вискозиметре — он определяет динамическую вязкость при определенной скорости сдвига и температуре образца. Затем скорость сдвига сильно увеличивают и, после достижения максимальной скорости, вискозиметр снова фиксирует показатель динамической вязкости. Далее происходит обратное снижение скорости сдвига до первоначальной и снова определяют динамическую вязкость. По разности значений, полученных до и после повышения скорости сдвига, оценивают устойчивость структуры битума к воздействию сдвиговых нагрузок.

Изменение массы образца после старения, изменение температуры размягчения после старения, температура хрупкости после старения, динамическая вязкость после старения, изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия после старения — все эти показатели характеризуют изменение того или иного свойства битума после воздействия на него высокой температуры и потока воздуха. Как это работает: сначала определяют параметры нефтепродукта в соответствии с выбранным испытанием, после чего помещают образцы в сушильный шкаф с температурой 163 °С на 85 минут (метод RTFOT). Затем снова проводят исходное испытание и вычисляют разность между двумя результатами.

Показатели максимальных усилий при растяжении при 25 °С и 0 °С определяют на дуктилометре, но результат указывают не в сантиметрах, как в случае с испытанием на растяжимость, а в ньютонах. Прибор автоматически фиксирует максимальное усилие, при котором происходит разрыв нити битума.

Растворимость характеризует максимально возможную концентрацию битума в растворителе, соответствующую равновесию с метастабильной твердой фазой при определенных условиях. Проще говоря, растворимость косвенно показывает количество твердых загрязнений в вяжущем. При проведении испытания битум и растворитель смешивают в колбе и нагревают. После этого полученную смесь пропускают через фильтр, помещенный в воронке. По окончании фильтр с нерастворенной частью высушивают и взвешивают. Результат испытания получают путем расчетов по формуле, в которой участвуют массы битума и нерастворимого осадка на фильтре.

Для всех марок битума, произведенных по ГОСТ 33133-2014, растворимость должна быть не ниже 99%.

Содержание твердых парафинов в вяжущем оказывает негативное влияние на основные свойства битума — пластичность и адгезию, а также снижает морозостойкость нефтепродукта. Для определения количества парафинов применяют один из двух методов — экстрагирование или дистилляцию. Экстрагирование заключается в предварительном осаждении изооктаном или гептаном асфальтенов из растворенного в толуоле битума, адсорбции смолистых веществ окисью алюминия и выделении парафинов из десорбированной фракции вымораживанием. Второй метод — дистилляция — заключается в получении твердого парафина в дистилляте, который формируют в процессе специфической перегонки.

Для всех марок битума, произведенных по ГОСТ 33133-2014, содержание твердых парафинов не должно превышать 3%.

Индекс пенетрации выражается числовым значением, которое характеризует связь между такими свойствами битума как твердость и теплостойкость. Индекс вычисляют по формуле, для расчета которой используют данные испытаний вяжущего на определение глубины проникания иглы при температуре 25 °С и температуры размягчения битума.

После проведения испытаний и определения показателей физико-химических свойств вяжущего, специалисты лаборатории заносят полученные данные в протокол. Частично информацию о результатах испытаний дублируют в паспорте продукта, который выдается вместе с отгрузочными документами на битум.

Свойства жидких битумов

Показатели свойств жидких битумов, применяемых в дорожно-строительной отрасли, должны соответствовать требованиям ГОСТ 11955-82. В стандарте указаны лабораторные испытания, на основании результатов которых выбирают ту или иную марку нефтепродукта. В отличие от вязких битумов, где наименование марки указывают в зависимости от глубины проникания иглы, в жидких наименование марки получают исходя из показателя условной вязкости и скорости формирования структуры вяжущего.

Для установления физико-химических свойств жидких битумов определяют:

• условную вязкость по вискозиметру
• количество испарившегося разжижителя
• температуру размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя
• температуру вспышки
• сцепление с мрамором или с песком

Условная вязкость характеризует основное свойство битума — текучесть. Процесс выполнения испытания заключается в измерении времени, в течение которого определенное количество битума протекает через 5-миллиметровое отверстие цилиндра специального аппарата при температуре 60 °С.

Как было сказано выше, показатель условной вязкости частично формирует марку битума. К примеру, если результат испытания составил 50 секунд, а вяжущее относится к классу медленногустеющие, то битум получает марку МГ 40/70.

Количество испарившегося разжижителя характеризует способность битума удерживать частицы веществ, добавляемых для снижения вязкости нефтепродукта. Сначала образцы битума, помещенные в чаши, взвешивают. После этого их помещают в сушильный шкаф или вакуум-термостат, где выдерживают, в зависимости от аппарата нагрева и класса битума, от 2 до 5 часов при температуре 100 °С. После чего чаши вынимают, охлаждают и снова взвешивают. Количество испарившегося разжижителя вычисляют по формуле, в которой участвуют массы битума до испытания и после.

Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя характеризует теплостойкость битума после испытания, описанного выше. Показатель температуры размягчения, как и в испытании вязкого битума, осуществляют методом кольца и шара.

Температура вспышки связана с безопасностью использования битума. Лабораторное испытание жидкого нефтепродукта проводят точно также, как и вязкого: нагреванием образца в открытом тигле до тех пор, пока не произойдет вспышка паров битума.

Сцепление с мрамором или песком характеризует такое свойство битума, как адгезию, то есть способность разнородных материалов сцепляться между собой. При проведении испытания на «пассивное» сцепление: вяжущее и песок (или измельченный мрамор) металлической ложкой смешивают в чашках. Далее полученную битумоминеральную смесь выкладывают на специальную сетку и погружают в кипящую воду на 30 минут. По этого сетку со смесью охлаждают в стакане с холодной водой и материал выкладывают на фильтровальную бумагу.

При испытании на «активное» сцепление измельченный мрамор или песок, воду и битум поочередно добавляют в стеклянную пробирку и закрывают пробкой. Пробирку помещают в водяную баню с температурой 55—60 °С на 10 минут. После этого пробирку встряхивают и смесь выкладывают на стеклянную пластинку.

Для оценки сцепления битума смесь сравнивают с фотографиями контрольных образцов.

Свойства полимерно-битумных вяжущих (ПБВ)

Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) создают на основе вязкого битума с добавлением полимеров и, при необходимости, других компонентов, например серы или полифосфорной кислоты. Такой «супербитум» характеризуется повышенной устойчивостью к многократным динамическим нагрузкам, увеличенной деформативностью при пониженных температурах и другими положительными качествами. Конечно, стоимость ПБВ при этом значительно выше стоимости вязкого битума. Если в июле 2026 года средняя цена за тонну вязкого битума составляла 37 тысяч рублей, то ПБВ — около 53 тысяч рублей.

Наиболее популярный в России модифицированный битум создают с добавлением в вяжущее термоэластопластичного полимера — блоксополимера типа стирол-бутадиен-стирол. Требования к такому битуму, в том числе к основным и дополнительным физико-механическим показателям, указаны в стандарте ГОСТ Р 52056-2025.

К основным показателям относят:

• однородность
• глубину проникания иглы при 25 °С
• температуру размягчения по методу кольца и шара
• динамическую вязкость при 135 °С
• температуру хрупкости
• температуру вспышки
• изменение массы образца после старения
• изменение температуры размягчения после старения
• эластичность при 25 и 0 °С
• эластичность при 25 °С после старения

К дополнительным показателям причисляют:

• эластичность при 0 °С после старения
• глубину проникания иглы при 0 °С
• энергию деформации при 10 °С
• стабильность при хранении: изменение температуры размягчения, а также глубины проникания иглы при 25 °С
• сцепление с мрамором или песком

Большинство наименований показателей из стандарта на ПБВ аналогичны наименованиям показателей из ГОСТа на вязкий битум. Глубина проникания иглы так же характеризует такие свойства вяжущего как вязкость и твердость; температура размягчения по кольцу и шару — теплостойкость; динамическая вязкость — устойчивость к сдвиговым нагрузкам; температура хрупкости — низкотемпературные границы битума; температура вспышки — безопасность в использовании; сцепление с мрамором или песком, как и в случае с жидким битумом, — адгезию; изменение массы образца, температуры размягчения и эластичности после старения — преобразование массы, теплостойкости и эластичности битума соответственно, после 85-минутного воздействия на него высокой температуры и потока воздуха.

Однородность определяют визуально по характеру стекания ПБВ по стеклянной палочке. Если вяжущее стекает равномерно и в битуме не наблюдается сгустков или комков — оно считается однородным.

Эластичность связана с восстановлением длины образца битума после разрыва. Испытание проводят на том же приборе, что и для определения растяжимости у вязкого битума, — на дуктилометре. Нагретый ПБВ также заливают в специальные формы, состоящие из двух частей, дают остыть, погружают в продолговатую ванну с водой, закрепляют и запускают прибор. При достижении определенной длины растянутого образца или самопроизвольного разрыва — разрезают ножницами пополам или сразу замеряют длину образца после восстановления. По формуле, учитывающей растяжимость по таблице или в момент разрыва, а также длину образца до растяжения и после восстановления, определяют эластичность вяжущего в процентах.

Энергию деформации вычисляют для оценки в том числе когезии битума, то есть его способности сопротивляться сдвигу слоев на молекулярном уровне. Энергию деформации определяют по характеристикам растяжения битума, используя данные с дуктилометра.

Стабильность при хранении говорит сама за себя. Она характеризует устойчивость показателей битума при хранении вяжущего и воздействии высоких температур. Испытание состоит в следующем: сначала нагретый образец битума заливают в вертикальную трубку высотой не менее 16 см и диаметром от 2,5 до 4 см, закрывают крышкой и оставляют на 3 дня при температуре 180 °С. После этого вяжущее охлаждают и разрезают нагретым ножом на 3 части. После чего оценивают показатели свойств — в данном случае температуру размягчения и глубину проникания иглы — только в верхней и нижней частях образца.

Свойства PG-битумов

PG-битумы, то есть вязкие или полимерно-битумные вяжущие, классифицированные с учетом температурного диапазона эксплутации и/или показателя устойчивости к транспортным нагрузкам, на сегодняшний день применяют редко. Во-первых, по причине узкой области применения. Во-вторых, в силу более высокой цены, связанной в том числе с необходимостью проведения дополнительных испытаний для классификации вязких битумов или ПБВ.

Стандарты на PG-битумы — ГОСТ Р 58400.1-2019 (с учетом температурного диапазона эксплуатации) и ГОСТ Р 58400.2-2019 (с учетом уровней транспортных нагрузок) — предъявляют требования к показателям свойств вяжущего в трех разных состояниях: в исходном виде, в состаренном методом RTFOT — под воздействием температуры 163 °С и потока воздуха в течение 85 минут, а также еще одном состаренном, но уже методом PAV — под воздействием давления и температуры 90 или 100 °С в течение 20 часов.

К показателям исходного битума относят:

• температуру вспышки
• динамическую вязкость при 135 °С
• сдвиговую устойчивость

Показатели свойств для состаренного битума по методу RTFOT:

• изменение массы после старения
• сдвиговая устойчивость (только по ГОСТ Р 58400.1-2019)
• устойчивость при многократных сдвиговых нагрузках (только по ГОСТ Р 58400.2-2019)

Показатели для состаренного битума по методу PAV:

• усталостная устойчивость
• низкотемпературная устойчивость

Если о таких показателях свойств как температура вспышки, динамическая вязкость и изменение массы после старения было рассказано в разделах с вязким битумом и ПБВ, то параметрам PG-битумов, связанных с устойчивостью, стоит уделить особое внимание. Дело в том, что в отличие от испытаний других вяжущих, в данном случае для определения показателей устойчивости применяют не используемый ранее прибор — динамический сдвиговой реометр. Он деформирует тонкий образец битума диаметром 25 или 8 мм и автоматически определяет значения комплексного модуля сдвига и фазового угла, — так получают показатели сдвиговой и усталостной устойчивости, устойчивости при многократных сдвиговых нагрузках.

Низкотемпературную устойчивость, характеризующую способность PG-вяжущего сопротивляться нагрузке при отрицательных температурах, также можно определить на реометре, но уже другом — изгибающем балочку. Как проводится испытание: сначала нагретый битум заливают в специальную алюминиевую форму, чтобы после предварительного охлаждения образца и снятия элементов формы получилась балочка длиной 12,7 см, шириной 1,27 см и высотой 0,6 см. Далее образец без формы помещают на опоры в испытательную ванночку, которая наполнена охлаждающей жидкостью с температурой, к примеру, ‒18 °С. После этого прибор прикладывает к балочке вертикальную нагрузку, — сначала контактную, потом большую посадочную, потом снова контактную, потом посадочную, — и сохраняет полученный массив данных. В дальнейшем с их помощью по формуле рассчитывают жесткость битума в зависимости от времени нагружения.

Применение битумов

Применение битумов в дорожно-строительной отрасли разнообразно. Их используют на всех этапах жизненного цикла дорог — как при устройстве конструкционных слоев дорожных одежд, так и при обслуживании, например во время текущего ремонта.

Вязкие дорожные битумы, отвечающие требованиям стандарта ГОСТ 33133-2014, применяют главным образом в качестве связующего компонента горячих, в том числе щебеночно-мастичных, теплых, литых и даже цветных асфальтов, значительно реже — для обработки щебеночно-гравийно-песчаных (ЩГП) смесей.

Вязкие битумы служат основой для создания битумных эмульсий, которые в свою очередь используют для подгрунтовки поверхности перед укладкой асфальта, для ямочного ремонта, укрепления грунтов, в качестве компонента литых эмульсионно-минеральных смесей и других целей. Более того, из вязких битумов получают жидкий битум, вспененный битум и полимерно-битумное вяжущее.

Жидкие дорожные битумы, по действующему стандарту ГОСТ 11955-82, применяют в качестве связующего компонента холодного асфальта, для укрепления и стабилизации грунтов, обработки ЩГП-смесей.

Полимерно-битумное вяжущее, созданное в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р 52056-2025, используют главным образом в качестве компонента горячих, в том числе щебеночно-мастичных, теплых и литых асфальтов.

ПБВ может служить основой для производства битумно-полимерной эмульсии, которая применяется в качестве одного из основных компонентов в смесях, предназначенных для устройства защитных слоев и слоев износа на покрытиях дорог.

PG-битум, по стандарту ГОСТ Р 58400.1-2019 или ГОСТ Р 58400.2-2019, на данный момент широко не используется. Его основное предназначение — в качестве связующего компонента горячих, в том числе щебеночно-мастичных, и теплых асфальтов.

Компания SOLOMATIC поставляет современное оборудование и резервуары для работы с разными видами битума.

• — Асфальтосмесительные комплексы производительностью от 120 до 520 т/ч;
• — Установки для выпуска ПБВ — от 5 до 30 т/ч;
• — Установки для производства битумной эмульсии — от 3 до 15 т/ч;
• — Битумные емкости объемом от 20 м3;
• — Нагреватели жидкого теплоносителя разной мощности.

Для получения более подробной информации обо всех производственных возможностях компании SOLOMATIC, а также условиях поставки, позвоните по телефону 8 (800) 555-73-40 , отправьте запрос на sale@solomatic.ru или свяжитесь любым другим удобным способом, указанном в разделе с контактами.

Компания SOLOMATIC — ваш партнер в построении эффективных технологических линий.