Физико-химические свойства битумов

Важнейшими свойствами дорожных битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости, свойство адгезии, обусловливающее способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей [19].

Основной характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость - сопротивление внутренних слоев битума перемещению относительно друг друга [19]. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Па*с) или выразить ее в условных единицах.

Вязкость является важнейшей реологической характеристикой, изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава и температуры. Наиболее существенное влияние на вязкость битума оказывает количественное соотношение асфальтенов и масел. С увеличением количества асфальтенов вязкость повышается и наоборот. Жидкие битумы, характеризующиеся жидкотекучим состоянием при положительных температурах, имеют сравнительно небольшую вязкость, во много раз меньшую, чем у вязких дорожных битумов. Вязкостью битума определяются свойства асфальтобетона, важного композиционного материала на основе битума, в весьма широком температурном интервале. Для получения долговечного покрытия важно, чтобы вязкость битума в меньшей степени изменялась в интервале температур, при которых протекает работа дорожных покрытий.

Пластичность является важным свойством битумов. Она повышается с увеличением содержания масел, длительности действия нагрузки и повышения температуры. Пластические свойства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) - способностью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе при температурах испытания 25°С и 0°С. Показателем растяжимости служит длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содержания смол и асфальтенов пластичность при постоянной температуре битумов возрастает.

Дуктильность характеризует степень структурированности битумов. Дуктильность при 0⁰С характеризует пластичность при низкой температуре и косвенно устойчивость к образованию температурных трещин. Дуктильность при 25°С характеризует степень структурированности вяжущих. Низкие значения дуктильности при 25°С свидетельствуют об их недостаточной устойчивости к старению [5].

Растяжимость зависит от химического состава битума и его температуры. Как уже отмечалось, носителями эластичности битумов являются смолы. Для однородных битумов (по источнику сырья и технологии переработки) существует определенная зависимость между вязкостью и растяжимостью: чем больше вязкость, тем меньше растяжимость. С растяжимостью битума (при низких температурах) тесно связано одно из важнейших свойств асфальтобетона — его деформативная способность при этих температурах, когда асфальтобетонное покрытие испытывает значительные растягивающие усилия. Недостаточная деформативная способность приводит к быстрому разрушению асфальтобетона, в дорожных покрытиях появляются трещины. В связи с этим наиболее показательным является определение растяжимости битумов при низких температурах, например при 0°С [22].

Для вязких дорожных битумов растяжимость при температуре 25°С колеблется в пределах от 40 до 65 см и выше. Следует, однако, признать, что сопоставление поведения дорожных покрытий с показателем растяжимости битумов при температуре 25 °С не позволяет с достаточной достоверностью оценивать качество битумов по этому показателю [22]

Существенной характеристикой свойств битума является температура размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» («КиШ»), Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в пределах от 20 °С до 95°С.

Товарные свойства битумов определяются концентрацией дисперсной фазы (асфальтенов), компонентным составом дисперсионной среды (мальтенов) и степенью их ароматичности. Температура размягчения повышается с повышением концентрации асфальтенов в битуме [39]. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы образуют соответственно золь, золь-гель или гель-структуры. Для разрушения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с большим содержанием асфальтенов, имеющие гель-структуру, имеют более высокую температуру размягчения.

Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости. Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем на латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на тонком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температуру хрупкости, например, дорожных битумов может быть от (-20 °С) до (+5°С). Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостойкость и выше качество.

Хрупкость битума, следовательно, и хрупкость асфальтобетона отрицательно сказываются на эксплуатационных свойствах дорожных покрытий: повышается склонность к образованию трещин, к деформациям и разрушениям, связанным с выкрашиванием покрытия. Поэтому температура хрупкости является важной характеристикой битумов. Чем ниже температура хрупкости, тем больше температурный интервал, в котором битум находится в вязко-пластичном состоянии, а, следовательно, тем лучше и его дорожно – эксплуатационные свойства [22].

Температура хрупкости зависит от вязкости битума и свойств исходного сырья. Для битумов, полученных из однородного сырья, увеличение вязкости приводит к повышению температуры хрупкости и наоборот. Большое влияние на температуру хрупкости оказывает содержание в битуме парафина [22].

Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, то есть текучести битумов, принимается условный показатель - глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум определяют на приборе при действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0 °С при грузе 200 г в течение 5 с. Пенетрация твердых или вязких битумов выражается в единицах (градусах), равных 0,1 мм проникания иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.

Для перехода от глубины проникания иглы к динамической вязкости можно пользоваться формулой Зааля:

где Е - динамическая вязкость битума, П - глубина проникания иглы (пенетрация).

По таким показателям битума, как температура размягчения и пенетрация при 25°С, определяют индекс пенетрации, позволяющий характеризовать коллоидную структуру битумов (рис. 1.4)

Рис. 4. Номограмма для определения индекса пенеграции

Температура хрупкости и пенетрация зависят в большей степени от свойств дисперсионной среды. Температура хрупкости битума, как и температура размягчения, повышается с увеличением дисперсной фазы (асфальтенов), так как их жесткий каркас становится хрупким. С другой стороны повышается температура хрупкости, потому что уменьшается количество дисперсионной среды и повышается температура перехода ее в твердое состояние. Температура хрупкости характеризует момент, когда вся система теряет пластичность, становясь аморфным твердым телом.

Пенетрация, будучи по существу параметром вязкости, также характеризует изменение пластичности среды в зависимости от изменения ее количества и состава.

Пенетрация, определяемая при 25°С и 0°С, характеризует изменение пластичности (вязкости) дисперсионной среды и в определенных случаях переход ее в твердое тело.

Плотность нефтяных битумов при 20°С обычно находится в пределах 0,95-1,15. Плотность битумов определяют по плотности его смеси с равным объемом растворителя известной плотности ареометром или пикнометром. Плотность битума также можно определить методом взвешенных капель и капельно-пикнометрическим методом. Плотность является весьма важной характеристикой битума, так как по ней судят о происхождении битума. Окисленные битумы из остатков высокосмолистых нефтей имеют большую плотность при одинаковой температуре размягчения, чем битумы из высокопарафинистых нефтей. Плотность остаточных битумов возрастает с увеличением отбора масел. Плотность битумов повышается по мере увеличения глубины окисления и повышения температуры размягчения.

Плотность битумов, как и пенетрация, зависит от их химического состава. Увеличение содержания ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания насыщенных соединений - уменьшает; с повышением содержания серы, плотность битума увеличивается.

Существенной особенностью битумов является их достаточно высокая адгезия - прилипание к поверхности различных минеральных и органических материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов [13 - 15]. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума (5 баллов) в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в 1 балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды.

Весьма важным показателем качества битума является его температурный интервал работоспособности - разность показателей температур размягчения и хрупкости. Для России требуемый температурный интервал работоспособности составляет более 110 °С.

По всем вышеуказанным показателям битумы должны соответствовать

требованиям соответствующих стандартов. В настоящее время битумы выпускаются по трем нормативным документам:

- ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие» (на марки БН и БНД);

- ТУ 0256096- 00151807-97 (на марку БДУС);

- ТУ 0256097-00151807-97 (на марки БНН).

Битумы марок БНД, БН получают окислением нефтяного остатка,

БДУС - путем окисления с последующим компаундированием переокисленпого продукта с исходным сырьем; битумы марок БНН получают вакуумной перегонкой высокосернистых нефтей или компаундированием асфальта пропанобутановой деасфальтизации с различными разбавителями [2].