4.5 Физико-химические методы оценки структурных свойств битумов

Очень важным в практическом отношении является поиск наиболее рациональных критериев определения структурного типа битумов. Знание структурного типа битумов способствует правильному прогнозированию физических, реологических свойств и назначению рациональных областей применения битумов. Из числа известных критериев оценки структурного типа дорожных битумов одни основывается на учете группового состава, другие являются косвенными, и основываются на учете физических или механических свойств.

К первым могут быть отнесены: описанный выше комплекс характеристик типов битумов А.С. Колбановской, коэффициент дисперсности Тракслера, показатель дисперсности В.В. Фрязинова и соотношение (среда/фаза), предложенное Л.М. Гохманом.

Как отмечено выше, разделение битумов на структурные типы по Колбановской А.С. основано на количественном содержании асфальтенов, смол и масел и их соотношении, но не учитывает их химические характеристики. Коэффициент дисперсности Тракслера, учитывает соотношение между суммой смол и ароматических углеводородов и суммой асфальтенов и насыщенных углеводородов:

Д = , где

Д – коэффициент дисперсности Тракслера; С – смолы;

АУ – циклические углеводороды; А – асфальтены; ПНУ – насыщенные парафинонафтеновые углеводороды.

Показатель дисперсности В.В. Фрязинова уточняет коэффициент Тракслера с учетом растворяющей способности масел, но не учитывает структурирующую способность спиртобензольных смол (СБС). Предложенное Л.М. Гофманом соотношение (среда-фаза) – А+СБС/У+ПБС (где СБС – спиртобензольные смолы, ПБС – петролейные смолы), учитывает структурирующую роль смол, но игнорирует особенности ароматических и парафинонафтеновых углеводородов.

Ко второй группе критериев относят аномалии вязкости, индекс пенетрации и интервал пластичности. Как отмечается в работе, коэффициент аномалии вязкости, характеризующий отклонение кривых течения битумов от ньютоновского, достаточно чувствителен к составу и структуре битума. Индекс пенетрации и тем более интервал пластичности недостаточно полно отражают характеристики состава и свойств битумов, но они хорошо пригодны для характеристики температурных особенностей битумов.

При выборе показателя, характеризующего структурный тип битума, необходимым условием является простота определения и надежная связь его с групповым составом вяжущего. Статистический анализ показывает, что между отдельными компонентами битума и некоторыми стандартными показателями существует прямая корреляционная связь. Так, увеличение в битумах общего содержания асфальтенов и парафинонафтеновых углеводородов при одновременном уменьшении содержания смол и ароматических углеводородов, в значительной степени сказывается на характеристиках температурных переходов битума (рисунок 5). Приведенные на рисунке зависимости служат экспериментальным обоснованием знаменателя коэффициента дисперсности Тракслера, представленного суммой А+ПНУ. Именно такая взаимосвязь числителя и знаменателя формулы Тракслера со стандартными свойствами битумов позволили В.А. Золотареву предложить показатель структурного типа, основанный на учете таких общепринятых характеристик его качества, как температура хрупкости (Т_хр), температура размягчения (Т_р) и растяжимость (Д) при 25⁰С:

К_стр = (Т_р – Т_хр)/Д

Построенная зависимость К_стд от обратной величины коэффициента Тракслера, а также от предложенного Л.М. Гофманом соотношения среда/фаза позволила установить количественные значения коэффициента стандартных свойств, отвечающие разным структурным типам битума. Во всех случаях граница рассеяния битумов третьего структурного типа по классификации СоюздорНИИ не выходили за пределы К_стд=0,65-1,1.

Для более глубокого физико-механического обоснования коэффициента стандартных свойств нужно учитывать не только структурообразующую роль спиртобензольных смол (СБС), что предложено Л.М. Гофманом, но и пластифицирующую роль ароматических углеводородов, что предложено Л.М. Гофманом и В.В. Фрязеновым. С учетом этого показатель структурного типа битума, определяемый по данным группового состава К_гр В.А. Золотаревым, представлен как объединенная формула Тракслера-Фрязинова-Гофмана:

К_гр=(А+СБС+ПНУ)/АУ+ПБС

Графическая связь между К_стд и К_гр до значения К_гр=1,1 описывается прямой линией, выходящей из начала координат, с погрешностью 10% К_стд=К_гр. Выше К_гр=1,05 линейная связь нарушается, и значение К_стд резко возрастает. Это обусловлено образованием каркаса из частиц дисперсной фазы, взаимодействующих либо непосредственно, либо через тонкие слои парафинонафтеновых углеводородов при недостатке полимероподобной среды. Подобные структуры образуются и при старении.

Рисунок 5. Влияние суммарного содержания асфальтенов и парафино-нафтеновых углеводородов (А+ПНУ) в битумах на: а) интервал пластичности; б) температуру хрупкости; в)температуру размягчения

Таким образом, совокупность рассмотренных здесь результатов позволяет заключить, что область значений К_стд>1,05 соответствует битумом типа «гель», не имеющих практической полезности из-за коллоидной нестабильности, склонности к старению, малой когезии и др. При значениях К_стд<0,65 битумы обладают структурой «золь» (второго структурного типа по классификации СоюздорНИИ), что присуще битумам БН по ГОСТ 22245-90 и остаточным битума. Значение коэффициента стандартных свойств от 0,65 до 1,05 характерны для битумов с типом структуры «золь-гель», наиболее полно отвечающих эксплуатационным требованиям в условиях нашей страны. Степень приближения к типу «гель» или «золь» оценивается по значению К_стд.

В производственных условиях возможно направленное регулирование структурного типа битума. Один из путей – изменение консистенции сырья, предназначенного для окисления. Битумное сырье с условной вязкостью менее 20с и температурой размягчения ниже 24⁰С (легкое сырье) приводит к получению битумов типа «гель» с К_стд>1,05, которое по комплексу присущих им свойств не могут быть рекомендованы к применению. Тяжелое сырье с условной вязкостью более 60 с и температурой размягчения больше 34-36⁰С позволяет получить битумы типа «золь» с К_стд<0,65. Это же достигается и в случае получения битумов вакуумной дистилляцией. Битумы такого типа (с небольшим значением глубины проникания иглы), отличающиеся узким интервалом пластичности и высокой температурой хрупкости, целесообразно применять в южных районах страны. При этом рационально используется их способность противостоять старению.

Из сырья с условной вязкостью 20-40 с и температурой размягчения 24-36⁰С как в промышленных условиях, так и на локальных установках легко производят битумы типа «золь-гель» с К_стд=0,65-1,05. Такие битумы обладают комплексом свойств, обеспечивающих их долговременную эксплуатационную надежность, хорошую устойчивость против атмосферного и технологического старения, прочное сцепление с каменными материалами.

Перевод битума, полученного с применением тяжелого сырья из типа «золь» в «золь-гель» с расширением интервала пластичности и улучшением сцепления с каменными материалами, что является залогом водо- и морозостойкости асфальтобетона, возможен компаундированием переокисленного до глубины проникания иглы (20-30)·0,1 мм битума с исходным гудроном. Улучшение свойств битума типа «гель» и перевод его в тип «золь-гель» могут быть достигнуты смешением его с близким по глубине проникания иглы битумом марки БН. Принципиальные особенности битумов разных типов, установленные на основе комплекса реологических исследований, приведены В.А. Золотаревым в таблице 8. Выявление структурного типа битума с помощью стандартных характеристик, нормируемых ГОСТ 22245-90, позволяет производственным лабораториям прогнозировать его поведение в конкретных условиях и определять рациональные области его применения.

Таблица 8. Определение структурного типа битумов с помощью стандартных характеристик

Реологические свойства	Структурный тип битума
	«гель» Кстд>1,05	«золь» Кстд<0,65	«золь-гель» Кстд=0,65-1,05
Истинная вязкость при равной глубине проникания иглы	В 10-100 раз выше, чем у типа «золь»	В 10-100 раз ниже, чем у типа «гель»	Обладает промежуточными свойствами
Зависимость вязкости от скорости сдвига (аномальная вязкость)	Очень сильная	Слабая
Предел сдвиговой прочности по Г.В. Виноградову	Имеется	Практическиотсутствует
Температура зависимости вязкости	Достаточно сильная	Умеренная
Тиксотропные свойства	Разновыраженные	Слабо выраженные
Амплитудная чувствительность модуля упругости	Сильная	Слабая
Температурная и частотная зависимость модуля упругости	Пологие	Крутые
Корреляция характеристик, определяемых при непрерывном и циклическом деформировании	Отсутствует	Имеется
Растяжимость и когезия при 250С	Низкая	Высокая
То же при 00С	Высокая	Низкая
Температура размягчения	Высокая	Низкая
Температура хрупкости	Низкая	Высокая
Интервал пластичности	Широкий	Узкий
Индекс пенетрации	Высокий	Низкий