2. Битумы сланцевые

Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие.

Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных генераторах или туннельных печах до 550°С, при этом выделяется газ, низкотемпературная смола в количестве 15...20 % от массы сланца и полукокс. В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин - с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо - от 180 до 250°С; дизельное топливо -от 225 до 325°С; мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций - до 300 или 325°С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум.

По составу и свойствам сланцевые битумы несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах также определяют грунтовый состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше.

Характеристика сланцевых битумов

Показатели	С-1	С-2	С-3	С-4	С-5	С-6
Вязкость по стандартному вискозиметру: С525, не более	20
С560, не более	-	5...12	12...2	20...3	35...10	100...20
Фракционный состав: выкипает при нагревании до 360°С, % к объему	10...4	10...35	5...25	2...15	0...10	0...5
Температура вспышки в открытом тигле, °С не ниже	70	70	100	100	120	120

Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов.

Физико-химические свойства органических вяжущих.

Реологические свойства (рео - течь) - это наука о течении деформации реальных тел.

Вязкость (вязких и твердых) битумов.

Для характеристик вязкости пользуются условным показателем - глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) при действии на нее груза 100 г в течение 60 с при температуре 25°С. Глубину проникания определяют на пинетрометре. Она выражается в градусах (1° = 0,1 мм) и обозначается П25. Например, пенетрация дорожного вязкого битума П25 = 40...300°.

Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму «восьмерки». Это испытание проводят при температуре 25 и 0°С и скорости деформации (растяжения 0,5 см/мин.)

Д ₂₅ > 40 см До > 1...3 см.

Когезия – сцепление, молекулярное взаимодействие между частицами одного и того же материала, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Характеризует прочность межмолекулярных связей. Ее определяют на приборе, состоящем из двух пластинок, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм. Когезия зависит от содержания в битуме смол и составляет для вязких битумов от 0,07 до 0,3 МПа.

Вязкость, растяжимость и когезия зависят от температуры и группового состава битума, т.е. содержания в битуме масел, смол, асфальтенов.

Чувствительность органических вяжущих к изменению температуры оценивают температурой размягчения и температурой хрупкости.

Температуру размягчения определяют на приборе «Кольцо и шар». Кольцо заполняют битумом, на его поверхности укладывают шарик и помещают в подогреваемую водяную баню, по мере размягчения битума шарик опускается на нижнюю полочку прибора. Температура размягчения колеблется в пределах 30...50°С.

Температуру хрупкости определяют на приборе Фрааса. Тонкий слой битума наносится на латунную пластинку и постепенно охлаждается. За температуру хрупкости принимают показания термометра в момент появления первой трещины на битуме при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов колеблется в пределах от -20 до -50°С. Чем ниже температура хрупкости, тем выше его качество. Асфальтобетонные покрытия более морозостойки, на них меньше образуется трещин.

Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия).

Адгезия – свойство сцепления (прилипания) поверхностей разнородных тел, например, битумов и основания. От адгезии зависит прочность и стабильность слоя вяжущего на поверхности заполнителя.

Адгезия определяется действием сил притяжения на граничной поверхности различного рода твердых и жидких тел. По природе и механизму действия различают:

- специфическую (химическую) адгезию, объясняющую ее возникновение молекулярным или атомарным взаимодействием. Таким образом, химическая адгезия появляется там, где может произойти реакция на границе поверхности, там, где есть валентные связи или действуют Вандер-Ваальсовые силы. Более характерна для плотных гладких материалов.

- физическую (механическую) адгезию, для которой характерно проникновение жидкого вяжущего в поры основания путем миграции и отвердевания там. Механическая адгезия типична для пористых или волокнистых поверхностей, всегда меньше химической, но может быть повышена благодаря обработке «взъерошиванию» поверхности химическим или механическим способами. Степень проникновения вяжущего зависит от структуры поверхности (глубины пор основания, угла наклона стенок пор, поверхностного натяжения жидкого вяжущего). Механическая адгезия интенсифицирует химическую, поэтому у пористых материалов может быть и химическая адгезия.

Следует отметить, что на интенсификацию адгезии влияют следующие факторы :

• полярные вещества лучше сцепляются с полярными, неполярные с неполярными; изменить полярность можно введением добавок, например, кислот;

• адгезия улучшается механическим взъерошиванием или химической обработкой поверхности;

- повышению адгезии способствует химическая реакция между вяжущим и поверхностью;

- для лучшего совмещения материалов важную роль играет смачиваемость.

Величина адгезии оценивается по величине работы или усилию при отрыве покрытия от основания по формуле:

W б-о =σ в-в (1+cosφб-о)

где σ б-в – поверхностное натяжение вяжущего вещества (б) на границе раздела с воздушной средой (в);

φ – краевой угол смачивания на границе раздела органическое вяжущее (битум) - основание (б-о).

Из формулы очевидно, что для увеличения адгезии необходимо увеличить поверхностное натяжение σ б-в или улучшить смачивание (снизить φ) или производить одновременно то и другое.

Величина краевого угла смачивания φ зависит, главным образом, от природы основания.

Смачиваемость можно улучшить повысив температуру битума, уменьшив вязкость и толщину пленки (1/φ ~ TºC; ~1/η; ~1/δ).

Но, основным регулятором адгезии является поверхностное натяжение σ б-в, которое в свою очередь прямо пропорционально вязкости и обратно – квадрату толщины пленки вяжущего (σв-в ~ η ; ~1/δ²).

Принципиально правильно применять битумы с низким поверхностным натяжением (хорошим смачиванием), но нельзя увлекаться, могут образовываться пузыри на граничной поверхности, т.е. снизиться когезия вяжущего.

Для того, чтобы соединение было прочным адгезионные и когезионные силы должны быть примерно одинаковы.

Оценка адгезии битумов производится по величине сдвига, отрыва и т.п.

Сцепление битума оценивают в зависимости от степени смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов, приведенных в ГОСТ. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбации красителей, меченых атомов и др.

В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки:

1. Для дорожного строительства предусмотрены пять марок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60, где цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С, и четыре марки БН от 200/300 до БН-60/90.

2. Для строительных работ предусмотрено три марки, обозначаемые «БН» — битум нефтяной: БН-50/50, БН-70/30 и БН-90/10, где числитель дроби соответствуют показателю температуры размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а знаменатель — указывают на средние значения пределов изменения пенетрации при 25°С.

3. Для кровельных работ предусмотрены марки: БНК (битум нефтяной кровельный)-45/180, БНК-90/40 и 90/30. Числитель соответствует значению температуры размягчения по «К и Ш», а знаменатель — среднему значению показателей пенетрации при 25°С.

Старение органических вяжущих и методы повышения их стабильности

Органические вяжущие в процессе их работы в дорожных покрытиях подвергаются воздействию всего комплекса атмосферных факторов и с течением времени изменяют свои свойства.

По условиям, механического износа асфальтобетонные покрытия толщиной 4 см должны служить 30 .. 40 лет, но нередко их разрушение происходит раньше (через 7 . 10 лет) за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств.

Процесс старения органических вяжущих прежде всего обусловливается испарением масел, которое зависит от температуры их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров, насыщающих пространство. Считается, что испаряются вещества с молекулярной массой ниже 400.

Вторым важным фактором старения органических вяжущих является химическое изменение их компонентов и образование новых веществ. Эти изменения в основном связаны с процессом окисления. Сам процесс окисления может ускоряться под действием многих факторов: теплового, солнечного света, механических воздействий и солей металлов— железа, меди, марганца и др.

При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных веществ с выделением газообразных и жидких веществ (СО, С0₂, Н₂0, СН₂0, СН₃ CHOR - СООН).

В процессе старения битума происходит изменение группового состава сначала в результате испарения масел, затем накопления смол и асфальтенов и, наконец, превращения смол в асфальтены.

Неразрывно с изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышается вязкость, теплоустойчивость, упругость, понижается пластичность, и, наконец, битумы становятся хрупкими. Если содержание асфальтенов достигает 30 ... 40 %, то битум переходит в такое хрупкое состояние, при котором покрытие разрушается.

Для замедления старения можно вводить специальные добавки-ингибиторы (противостарители). По механизму их действия они разделяются на две группы.

К первой группе относятся вещества, обрывающие окислительную цепь реакций, т. е. ингибиторы, реагирующие со свободными радикалами на стадии их образования. К ним отно­сятся антиоксиданты аминного и фенольного типа.

Ко второй группе относятся вещества, предотвращающие разложение гидро-пероксидов по радикальному механизму, т. е. разрушающие гидропероксиды до неактивных для развития окислительной цепи продуктов. К ним относятся сульфиды, тиофосфаты, соли диалколдитио-карбоминовых кислот.

Замедляющее действие на старение оказывают соли олеиновой, нафтеновой стеариновой и других жирных кислот в количестве 0,5 %. Для повышения структурной стабильности битума особенно в химически активных средах (кислых и щелочных), рекомендуется применять регенераты бутилкаучуковых отходов шинной промышленности в количестве 6 ... 10 %. Эта добавка является комплексной, так как, помимо замедления старения, она оказывает пластифи­цирующее действие: расширяет интервал пластичности как в области положительных, так и в области отрицательных температур.

Минеральные порошки из талька, сланца, доломита, слюды, диабаза, извести, известняков адсорбируют на своей поверхности соединения битума с активными функциональными группами, понижают запас их химической энергии, а следовательно, снижают склонность к старению. Некоторые порошки, содержащие полуторные окислы Fe₂0₃ и А1₂0₃ оказывают катализирующее воздействие и способствуют старению.

В настоящее время нет общепринятых методов повышения их стабильности и для отдельных видов битумов надо выбирать соответствующие методы их стабилизации. Установлено, что погодоустойчивость зависит от происхождения и состава нефти, а также от технологии ее переработки и получения битума.

Остаточные битумы более устойчивы, чем окисленные, а битумы, полученные с добавлением крекинг-остатков, как правило, имеют больше ненасыщенных связей по сравнению с другими битумами. Интенсивное термическое воздействие на битум в процессе его получения способствует образованию менее устойчивых соединений.

Погодоустойчивость определяется путем длительной экспозиции битума под воздействием атмосферных факторов.

Для ускоренного определения погодоустойчивости битумов применяется специальная установка, воспроизводящая естественные условия работы органических вяжущих в конструкциях (воздействие температуры, ультрафиолетовых лучей, кислорода и влаги). Везерометр.