35. Битумы, их разновидности. Групповой состав и его влияние на свойства битумов. Сущность процессов старения органических вяжущих

Би́ту́мы (от лат. bitumen — горная смола, нефть) — твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95—1,50 г/см³.

Природные битумы — полезные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления. По составу, зависящему от состава исходных нефтей и условий их преобразования, условно подразделяются на несколько классов: мальты, асфальты, асфальтиты, кериты и антраксолиты. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески).

Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами.

В групповой состав битумов входят:

• масла (45 ...65%) — вязкие жидкости светло-желтого цвета с плотностью менее 1, состоящие из углеводородов с молекулярной массой 100 ...500; масла придают вяжущему подвижность и текучесть;

• смолы (15... 30 %) — вязкопластичные высокомолекулярные аморфные вещества темно-коричневого цвета с плотностью около 1 и молекулярной массой 500... 1000; от их содержания зависят степень пластичности битумов и вяжущие свойства;

• асфальтены (10... 30%) — твердые хрупкие вещества кристаллического строения с плотностью больше 1 и молекулярной массой 1000... 5000; их содержание определяет теплоустойчивость, вязкость и хрупкость вяжущего;

• карбены и карбоиды (1... 2%) — твердые углеродистые вещества, образующиеся при высоких температурах; их содержание повышает вязкость и хрупкость вяжущего.

В битумах содержатся также асфальтогеновые кислоты (до 1 %) — смолообразные вещества, способствующие более интенсивной адгезии битумов к каменным материалам.

Примесь в битуме кристаллического парафина (0,6... 8 %) понижает его качество, в частности повышает хрупкость при пониженных температурах.

Групповые углеводороды, как компоненты битума, образуют сложную систему. Дисперсионной средой в этой системе является молекулярный раствор смол или их части в маслах, а дисперсной фазой служат асфальтены. В пограничной зоне адсорбированы асфальтогеновые кислоты. Если в системе имеется избыток дисперсионной среды, то комплексные частицы (мицеллы) свободно в ней перемещаются и не контактируют между собой. Это характерно для жидких битумов при нормальной температуре и для вязких битумов при повышенных температурах. При пониженном количестве дисперсионной среды и большем количестве мицелл они контактируют друг с другом и образуют мицеллярную пространственную сетку. Такие битумы характеризуются высокой вязкостью и твердостью при комнатной температуре.

Основная причина старения органических вяжущих заключается в испарении масел, которое зависит от температуря их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров, насыщающих пространство. Испаряются вещества с молекулярной массой ниже 400.

Вторым существенным фактором старения органических вяжущих является химическое изменение их компонентов и образование новых веществ. Эти изменения в основном связаны с процессом окисления. Процесс окисления может ускоряться под действием ряда факторов: солнечного света, теплового или механического воздействий, солей металлов переменной валентности: железа, меди, марганца и др.

Неразрывно с изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышаются вязкость, теплоустойчивость, упругость, понижается пластичность, через определенное время битумы становятся хрупкими.

Проведенные исследования на Западе и в СНГ по повышению устойчивости высокомолекулярных (полимерных) материалов к окислению (старению) показали, что для их замедления можно вводить специальные добавки - ингибиторы (противостарители). По механизму воздействия они разделяются на две группы. К первой группе относятся вещества, обрывающие окислительную цепь реакций, ингибиторы, реагирующие со свободными радикалами на стадии их образования. Такими веществами являются антоксиданты аминного и фенольного типа.

Ко второй группе относятся вещества, предотвращающие разложение гидропероксидов по радикальному механизму, то есть разрушающие гидропероксиды до неактивных для развития окислительной цепи продуктов. К ним относятся сульфиды, тиофосфаты, соли диалколдитиокарбоминовых кислот.

Замедляющее действие на старение вяжущих веществ оказывают соли олеиновой, нафтеновой, стеариновой и других жирных кислот в количестве 0,5%. Положительное влияние оказывают антиокислители фентиазина, дефиниламина, гидрохинона. Содержание серы 0,07%, танина 0,2, нафтола 0,1, сульфаниламида 0,01, полиэфирной насыщенной смолы 3-5,5, винилпиридина до 1,5, кумароновой смолы до 10% оказывает замедляющее действие на старение битума.

Для повышения структурной стабильности битума, особенно в химически активных средах (кислых и щелочных), рекомендуется применять регенераты бутилкаучуковых отходов шинной промышленности в количестве 6-10%. Такая добавка является комплексной, ибо она, помимо замедления старения, оказывает пластифицирующее действие, расширяет интервал пластичности как в области положительных, так и в области отрицательных температур.