1754

Таблица 2.5

Технические требования к серобитумным вяжущим

Рекомендуемое содержание серы в серобитумном вяжущем должно составлять от 5 до 30 % от массы битума. Количество серы в серобитумных вяжущих устанавливается опытным путем в лаборатории.

2.2. Влияние температуры приготовления на свойства серобитумных вяжущих

Процессы структурообразования в битумах разной дисперсной структуры существенно различаются и зависят от концентрации серы в СБВ и температуры приготовления серобитумного вяжущего.

Для изучения влияния температуры приготовления на свойства СБВ при различном содержании серы использовали битум со структурой, близкой к золю, марки БН 90/130 (рис. 2.7) [56].

Рис. 2.7. Относительное изменение свойств серобитумных вяжущих в зависимости от содержания серы и температуры

122

приготовления: 140 ºС (–––); 200 ºС (- - - - )

Вяжущие готовили при температурах 140 и 200 ºС, продолжительности перемешивания 1 ч и содержании серы от 2 до 20 мас. %. Введение серы до 10 % и приготовление СБВ на основе битума марки БН 90/130 при температуре 140 ºС вызывает увеличение П25 (см. рис. 2.7). При таком количестве серы в СБВ температура размягчения и растяжимость понижаются незначительно. С увеличением содержания серы до 20 % повышается вязкость СБВ и пенетрация П25 уменьшается. При практически постоянной Тр появляется тенденция к уменьшению растяжимости. Количество асфальтенов в СБВ при температуре приготовления 140 ºС изменяется незначительно (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Относительное изменение содержания асфальтенов

всеробитумных вяжущих в зависимости от содержания серы

итемпературы приготовления: 140 ºС (–––); 200 ºС (- - - - )

Введение серы в битум в количестве до 10 % и приготовление СБВ при 200 ºС вызывает резкий рост Тр. При содержании серы в СБВ, равном 10 %, показатели П25 и Д25 имеют минимальные значения. Увеличение количества серы до 20 % приводит к снижению Тр, а величины П25 и Д25 несколько повышаются.

123

Впроцессе приготовления СБВ при температуре 200 ºС сера инициирует процессы окисления в битуме, которые сопровождаются увеличением содержания высокомолекулярных соединений с образованием жесткой структурной сетки из асфальтенов. При увеличении количества серы свыше 10 % происходит пластификация битума, что, видимо, связано с разрушением жесткой структуры в битуме.

Таким образом, в битумах со структурой, близкой к золю, при температуре приготовления СБВ, равной 140 ºС, сера является пластификатором, а при увеличении температуры до 200 ºС отмечаются резкое увеличение структурообразования битумов с введением серы до 10 % и пластификация битумов при большом количестве серы.

Вбитумах со структурой, близкой к гелю, имеющих коагуляционную структуру, введение до 10 % серы способствует увеличению глубины проникания и снижению температуры размягчения. Дальнейшее увеличение количества серы не вызывает существенных изменений свойств битума [56].

При повышении температуры до 200 ºС введение серы приводит

кснижению глубины проникания и повышению температуры размягчения СБВ. Следовательно, в битумах со структурой, близкой к гелю, при температуре приготовления СБВ, равной 140 ºС, сера оказывает пластифицирующее действие, а при температуре приготовления вяжушего 200 ºС происходит образование вторичной структуры битумов.

2.3. Изменение свойств серобитумных вяжущих при различных температурах

Изменение свойств вяжущего во времени – старение, это один из основных показателей, при помощи которого оценивают пригодность вяжущего для использования в дорожном строительстве. При высоких технологических температурах (приготовление СБВ и асфальтобетонных смесей, транспортирование, укладка и уплотнение) вяжущее стареет в результате сравнительно быстрых химических превращений, при эксплуатационных температурах – в результате химических превращений и длительном формировании равновесных надмолекулярных структур (фазовых превращениях) [70].

Для оценки устойчивости к старению СБВ под действием термоокислительных факторов вяжущие прогревали при 160 ºС в течение 5 ч. Битум БН 60/90 и СБВ выдерживали в пенетрационных стаканчи-

124

ках (для определения П25) и в чашках Петри в слое толщиной 4 мм (для определения Тр и потери массы после прогрева). Результаты испытаний, приведенные в табл. 2.6, показали следующее изменение свойств СБВ и битума.

Пенетрация СБВ после прогрева повышается. Следовательно, длительное выдерживание при высоких технологических температурах способствует дальнейшему растворению серы в битуме, пластификации и повышению однородности СБВ. В большей степени изменяется П25 у СБВ с содержанием серы 20 и 30 %. На величину П25 оказывает влияние временной фактор. Так, значения П25, определенные через сутки после прогрева СБВ, ниже значений П25, установленных через пять часов после прогрева (см. табл. 2.6).

Таблица 2.6

Изменение свойств серобитумных вяжущих после прогрева при 160 ºС в течение 5 ч

При хранении СБВ в течение суток при температуре 20 ºС сера в вяжущих кристаллизуется и повышается их вязкость. Но величины П25 остаются выше первоначальных значений, установленных до прогрева. Разница в показателях П25 повышается при увеличении содержания серы в СБВ.

Температуры размягчения битума и СБВ в процессе термоокислительного старения 160 ºС увеличиваются на 3 – 5 ºС. Следовательно, сера значительно не ускоряет старение вяжущих при указанной температуре.

Потеря массы после прогрева повышается при увеличении содержания серы в СБВ. Однако величины изменения массы невелики и составляют 0,057 – 0,25 мас. %. При длительном прогреве СБВ на стенках термошкафа появляются тонкие игольчатые кристаллики серы.

125

При выдерживании образцов битума и СБВ с различным содержанием серы при 20 ºС в течение 30 суток пенетрация вяжущих понижается особенно быстро в течение первых 3 – 7 суток, после чего значения П25 практически стабилизируются. Понижение П25 и увеличение Тр серобитумных вяжущих происходит вследствие кристаллизации серы, химически не связанной с битумом.

Изменение П25 при изотермическом выдерживании выше у СБВ, которые содержат 20 и 30 % серы (табл. 2.7).

Таблица 2.7

Изменение пенетрации серобитумных вяжущих при выдерживании их в течение 30 суток при 20 ºС

После 30 суток хранения вяжущих при температуре 20 °С пенетрация у битума понизилась на 21,2 %, у СБВ, содержащих 10, 20 и 30 % серы, пенетрация понизилась соответственно на 28,5; 37,3 и 48,3 %. Существенное понижение пенетрации СБВ по сравнению с битумом объясняется кристаллизацией серы, не связанной химическими реакциями с углеводородами битума, и ее выделением в вяжущем в виде отдельной фазы. Этот процесс происходит быстрее в СБВ с большим содержанием серы.

Относительное изменение пенетрации П25 в течение 10 суток от продолжительности изотермического выдерживания битума марки БНД 60/90 и СБВ на его основе показано на рис. 2.9. После 24 ч хранения пенетрация битума не изменяется. Пенетрация СБВ увеличивается по сравнению с первоначальной величиной. При дальнейшем изотермическом выдерживании пенетрация битума и СБВ понижается. В большей степени изменяется П25 у СБВ, содержащего 30 % серы.

Значительное изменение свойств органических вяжущих материалов на основе битума происходит вследствие формирования равновесных надмолекулярных структур (фазовых превращений) [70]. При эксплуатационных температурах наблюдается изменение свойств

126

битумов и их затвердевание, связанное с формированием в них равновесных надмолекулярных структур. Скорости фазовых превращений в битумах максимальны при температурах 30 – 80 ºС. Условия для образования равновесных структур в битумах создаются при медленном охлаждении со скоростью, не превышающей 0,06 °С/мин, или при ступенчатом понижении температуры.

Образцы к испытанию готовили в такой последовательности: битум и СБВ расплавляли при температуре 140 – 145 ºС, затем заливали в пенетрационные стаканчики и кольца от прибора «Кольцо и шар». После остывания при комнатной температуре в течение 1 ч и последующего термостатирования в воде в течение 1 ч при 25 ºС (или 0 ºС) производили первое испытание по определению П25 (или П0). Кольца с вяжущими после охлаждения при комнатной температуре термостатировали 15 мин при температуре 5 ºС, затем производили определе-

127

Как следует из данных рис. 2.10, пенетрация при 25 ºС после фазовых превращений при температурах от 80 до 20 ºС значительно уменьшается у всех вяжущих, причем в наибольшей степени в образцах СБВ, содержащих 10 и 20 % серы.

Сравнение данных табл. 2.7 и рис.2.10 показывает, что при выдерживании битумов и СБВ при ступенчатом понижении температур достигается большее понижение П25 у каждого образца вяжущего, чем при их изотермическом выдерживании.

128

Температура размягчения битума и СБВ возрастает на 5 – 9 ºС, причем изменение Тр выше у СБВ. В меньшей степени изменились свойства битума БНД 60/90. Однако показатели П25 и Тр у битумов и СБВ (при содержании в них 10 и 20 % серы) после формирования равновесных структур различаются в меньшей степени, чем в начале процесса.

Графические зависимости, представленные на рис. 2.11, также подтверждают более высокую скорость изменения во времени пенетрации (∆П25/∆t) и температуры размягчения (∆Тр/∆t) серобитумных вяжущих, особенно СБВ, содержащих 10 и 20 % серы, в сравнении с изменением аналогичных показателей битума.

Рис. 2.11. Скорость изменения пенетрации (а) и температура размягчения (б) битума (1) и СБВ при выдерживании их по режиму со ступенчато понижающимися температурами от 80 до 20 °С: 1 – битум БНД 60/90;

2, 3, 4 – СБВ, содержащие соответственно 10, 20 и 30 % серы

Повышение вязкости (уменьшение П25 и П0) и температуры размягчения объясняется фазовыми превращениями в битумах и кристаллизацией серы. Переходы структур вяжущих в равновесное состояние обратимы. После расплавления при температуре 140 °С сформировавшиеся надмолекулярные структуры в битуме и СБВ разрушаются, закристаллизовавшаяся сера расплавляется, и свойства вяжущих приобретают исходные значения.

129

Выполненные экспериментальные исследования показали, что свойства вяжущих (битума и СБВ) следует определять не позднее, чем через сутки после их приготовления или переплавления. Даже непродолжительное выдерживание вяжущих при положительных эксплуатационных температурах приводит к значительному изменению их свойств.

После охлаждения СБВ происходит постепенная кристаллизация серы, которая продолжается в течение месяца. Добавка серы в битумы не вызывает их ускоренного старения как при термоокислительных воздействиях, так и при эксплуатационных температурах.

2.4. Реологические свойства серобитумных вяжущих

Оценка поведения органических вяжущих материалов в конструкциях в случае длительного воздействия нагрузок может быть произведена по их вязкости. Кроме того, вязкость органических вяжущих является одним из важнейших технологических свойств, от которых зависят условия и качество перемешивания, укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси [9].

Динамическую вязкость битума марки БН 90/130 и СБВ с содержанием серы от 10 до 60 % по массе определяли при различных температурах от 80 до 160 ºС с целью установления оптимальных температурных режимов приготовления СБВ и смешения их с минеральными материалами. Результаты определения вязкости представлены на рис. 2.12 [20].

Вязкость битума закономерно понижается в исследуемом интервале температур и при 120 – 160 ºС изменяется от 0,7 до 0,3 Па·с. Введение серы до 15 % (кривые 2 и 3) вызывают снижение вязкости СБВ по сравнению с битумом. Дальнейшее увеличение содержания серы (кривые 4 и 5) приводит к повышению вязкости при температурах 90 – 120 ºС. Однако с дальнейшим ростом температуры вязкость СБВ значительно падает и становится ниже, чем у исходного битума.

При содержании серы в количестве 10 – 15 мас. % сера растворяется в битуме, пластифицирует его и понижает вязкость во всем диапазоне исследуемых температур. При температурах выше 120 ºС вся сера расплавляется, поэтому вязкость СБВ с высоким содержанием серы ниже вязкости битума.

Известно, что для обеспечения возможности перекачивания битума насосами, дозирования и качественного перемешивания битума

130