Входной контроль качества битумов для производства дорожно-строительных материалов
Классификация битумов
По способу получения различают два основных типа дорожных битумов: окисленные, получаемые в результате окисления остаточных продуктов нефтепереработки, и остаточные, получаемые как остаточный продукт при переработке нефти.
В России и странах СНГ распространено производство окисленных битумов. В США и других развитых странах, наряду с окисленными, производится большое количество остаточных битумов, свойства которых в большей степени зависят от свойств нефти.
По химическому составу нефтяные битумы представляют собой смеси сложных высокомолекулярных углеводородов метанового (CnH2n+n) и нафтенового (CnH2n) рядов и их неметаллических производных, которые изменяют свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. Основные элементы – углерод (от 70 до 87%) и водород (до 14%). Кроме того, в состав битумов могут входить кислород (до 10%), сера (до 1,5%) и другие элементы.
Битумы принято характеризовать по количественному содержанию в них определенных групп соединений или групповому составу. Основные группы соединений, различающиеся по молекулярной массе. и определяющие его свойства:
- асфальтены (3…30% и более)
- смолы (15…30%)
- масла (45…60%)
Асфальтены – это твердые хрупкие вещества с плотностью 1,1…1,15 г/см3. Это наиболее высокомолекулярная фракция (молекулярная масса 1000…6000) битумов, сообщающая им вяжущие свойства.
Смолы (молекулярная масса 600..900) – вязкопластичные тягучие вещества. По консистенции – от текучих и вязких до твердых (чаще полутвердых). Присутствие смол обуславливает эластичные свойства битумов. С увеличением количества смол повышается растяжимость битумов.
Масла – наиболее легкая часть битума. Увеличение количества масел снижает вязкость битума (повышается глубина проникания иглы, снижается температура размягчения). Они представляют собой вязкие жидкости с молекулярной массой 300…500.
Групповой состав битума не является стабильным. В частности, при нагреве битума во время приготовления асфальтобетонной смеси или при воздействии атмосферных факторов групповой состав может существенно изменяться, а именно: масла превращаются в смолы, а смолы в асфальтены.
Соотношение между основными группами, входящими в состав битума, определяют его важнейшие свойства: вязкость, восприимчивость к изменению температуры, хрупкость, эластичность.
4.2. Типы структур битумов
Зачастую агрегатное состояние и поведение битумов нельзя описать с точки зрения поведения твердых систем. Достаточно часто они ведут себя как коллоидные системы. Поэтому необходимо ввести терминологию, используемую в коллоидной химии.
Коллоидное состояние вещества – это высокодисперсное (сильно раздробленное) состояние, в котором отдельные частицы являются не молекулами, а агрегатами, состоящими из нескольких десятков или сотен молекул, которые называются мицеллами. Поскольку коллоидные частицы состоят из множества молекул, то им присущи все свойства фазы. Их называют дисперсной фазой. Молекулы среды, в которой диспергированы (распределены) коллоидные частицы, образуют другую фазу, которую называют дисперсионной средой. Дисперсная фаза отделена от дисперсионной среды поверхностью раздела. Все коллоидные системы являются гетерогенными, состоящими из двух или более фаз.
Все высокодисперсные коллоидные системы подразделяются на свободнодисперсные и связнодисперсные.
К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сетку и свободно перемещаются в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы называются золями.
В связнодисперсных системах частицы связаны друг с другом межмолекулярными силами, образуя в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). К таким системам относятся гели. Гели могут образовываться как в результате коагуляции (осаждения) коллоидных систем и объединения в одно целое выпавшего осадка (коагели), так и вследствие молекулярного сцепления частиц золя, образующих сравнительно рыхлые сетки или каркасы (лиогели). Образованию геля всегда способствует повышение концентрации дисперсной фазы в системе. Переход золя в гель называется гелеобразованием.
По своему строению битум – коллоидная система, в которой диспергированы асфальтены (дисперсная фаза), а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума в виде частиц размером 18…20 мкм являются ядрами (или мицеллами), каждое из которых окружено оболочкой убывающей плотности от тяжелых смол к маслам. Свойства битума как коллоидной системы определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов ведет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Увеличение содержания смол повышает растяжимость битума, т.е он становится более эластичным.
Комплексные частицы дисперсной системы, называемые мицеллами, разрушаются при нагревании битума за счет усиления броуновского движения и частичного растворения асфальтенов, но при охлаждении структура битума самопроизвольно восстанавливается.
По классификации А.С. Колбановской различают битумы I, II и III структурных типов, которые можно отождествлять с коллоидными системами гель, золь, золь-гель.
При плотной упаковке объема битума мицеллами образуется структура типа «гель» и битум отличается высокой вязкостью и твердостью. Битумы I типа не рекомендованы для дорожного строительства в связи с низкой устойчивостью против действия окислительных факторов в процессе технологической переработки при производстве асфальтобетона.
Если есть избыток дисперсионной среды и мицеллы не контактируют между собой и свободно перемещаются, то структура относится к типу «золь». Такая структура характерна для жидких размягченных битумов с малой вязкостью. Преимущества битума II типа: высокая когезия и деформационная устойчивость в упруго-вязком состоянии, повышенная устойчивость против воздействия окислительных факторов, приводящих к старению. Недостатки: отсутствие эластического и упруго-пластического состояний, низкая теплостойкость и плохая водостойкость. Ко II типу относятся битумы марок БН с регламентированными стандартом показателями свойств. Остаточные битумы принадлежат в основном к этому типу.
Для структуры типа «золь-гель» характерна некоторая связность мицелл между собой, но она значительно слабее выражена, чем в битуме типа «гель». Структура битумов III типа считается оптимальной для дорожного строительства. Этот тип битумов не имеет явно выраженных недостатков I и II типа. Марки БНД битумов соответствует III структурному типу и рекомендованы для применения во всех дорожно-климатических зонах.
Для строительства дорог высшей категории во многих странах используют компаундированные вяжущие, полученные путем объединения различных нефтяных фракций, высокомолекулярных смол эластомеров, поверхностно-активных веществ. серы. Введение в битум II структурного типа реакционноспособного поверхностно-активного вещества может привести к преобразованию структуры в III тип.
Состояние и свойства битума зависят от его фазового состава, изменить который можно регулированием технологических свойств битумных вяжущих: нагреванием и охлаждением, добавлением маслянистых углеводородов (мазута, лигроина, нефти и др.), а также введением тонкодисперсных минеральных наполнителей, разжижением растворителями и переводом в эмульсионное состояние.
Строение битумов всех 3 структур представлено на рис. 3.
Достаточно упрощенно можно представить структуру битума как состоящую из ядра, которое составляют асфальтены, окруженного оболочкой из адсорбционно-сольватных слоев смол. Эти агрегатные частицы распределены в масляной среде.
Рис. 3. Схема строения битумов:
1 – сольватные оболочки из смол;
2 – асфальтеновое ядро;
3 – масла.