1754

с минеральными материалами его вязкость при 140 – 160 ºС должна быть ниже 0,5 Па·с (обычно 0,2 – 0,3 Па·с). Серобитумные вяжущие достигают такой вязкости при температуре 120 – 130 ºС в зависимости от количества серы. При температуре 140 – 150 ºС вязкость СБВ значительно ниже вязкости битума.

Повышение температуры нагрева вяжущего приводит к понижению его вязкости, но при температуре выше 150 ºС из СБВ начинают интенсивно выделяться токсичные газы. Следовательно, оптимальная температура приготовления СБВ не должна превышать 140 – 150 ºС в зависимости от содержания серы и марки исходного битума [20].

Рис. 2.12. Зависимость вязкости битума и серобитумных вяжущих от температуры: 1 − битум БН 90/130;

2, 3, 4 и 5 − серобитумные вяжущие с содержанием серы соответственно 10, 15, 30 и 60 мас. %

Вязкость вяжущего должна обеспечивать теплостойкость асфальтобетонного покрытия при повышенных летних температурах и не допускать хрупкого разрушения покрытий при низких зимних температурах, т.е. обеспечивать достаточную деформативность и прочность покрытия в этих условиях под воздействием нагрузок от движения транспортных средств. Вязкость органических вяжущих не должна сильно изменяться в условиях температурных режимов технологиче-

131

ских операций по смешению, укладке и уплотнению и затем при эксплуатации покрытий под воздействием различных климатических и эксплуатационных факторов.

Исследование вязкости битума марки БНД 60/90 и СБВ на его основе проводили на вискозиметре «Реотест-2». Содержание серы в СБВ составляло 15 и 30 мас. %. Такие составы битума с серой были взяты потому, что они наиболее полно характеризуют влияние серы на свойства битума. При содержании серы 15 % серобитумное вяжущее имеет экстремальные показатели стандартных свойств (см. рис. 2.1). При содержании 30 % серы СБВ характеризуется лучшим комплексом свойств по сравнению с битумом. Увеличение содержания в СБВ серы свыше 30 % вызывает ухудшение стандартных свойств по сравнению со свойствами исходного битума.

Вязкость органического вяжущего (битума, СБВ и др.) в значительной степени определяется его составом и структурой. Вязкие дорожные битумы и СБВ являются структурированными дисперсными системами и в зависимости от условий нагружения и температуры могут проявлять как ньютоновское, так и неньютоновское поведение. Асфальтены в битуме или асфальтены и диспергированная сера в СБВ являются дисперсной фазой и вызывают отклонение от линейности при течении.

При воздействии малых нагрузок наблюдается медленное необратимое течение, соответствующее высокой вязкости битума и СБВ. При воздействии значительных нагрузок, особенно действующих в течение длительного времени, структура вяжущего нарушается, что приводит к резкому снижению вязкости.

Для характеристики реологических свойств вязкоупругих жидкостей пользуются полной реологической кривой (реограммой) – зависимостью скорости сдвига γ от напряжения сдвига τ (рис. 2.13 – 2.15).

С помощью реограмм определяют следующие структурнореологические характеристики. При небольших по величине τ наблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, определяется постоянная наибольшая вязкость неразрушенной структуры вяжущего η0. Повышение напряжения приводит к разрушению структуры вяжущего и нарушению прямой пропорциональной зависимости между τ и γ. Этот участок кривой характеризует эффективную или структурную вязкость ηэф, которая меняется в широких пределах и является функцией τ и γ.

132

При дальнейшем увеличении напряжения структура вяжущего полностью разрушается и снова устанавливается прямая пропорциональность между τ и γ. При этих условиях определяется наименьшая ньютоновская вязкость ηm предельно разрушенной структуры вяжущего.

Динамическую вязкость битума и СБВ определяли при технологических температурах 80, 100, 120 и 140 ºС и скоростях сдвига от 1,5 до 437,4 с-1. На рис. 2.13 представлены зависимости скорости сдвига γ от напряжения сдвига τ для битума марки БНД 60/90 при разных температурах.

Рис. 2.13. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для битума марки БНД 60/90

133

Полные реологические кривые для битума марки БНД 60/90, полученные при температурах 140, 120 и 100, имеют S-образный вид, что указывает на структурированное состояние битума при этих температурах. При температуре 80 ºС и небольших величинах скорости сдвига битум проявляет ньютоновское течение.

На рис. 2.14 и 2.15 показаны такие же зависимости для СБВ с содержанием серы 15 и 30 %. Как следует из приведенных зависимостей, вязкость битума и СБВ как вязкоупругих термопластичных жидкостей зависит от температуры, понижаясь с ее повышением. При температуре 80 °С вязкость битума и СБВ относительно велика, что обусловлено процессами структурообразования в вяжущих.

Рис. 2.14. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для СБВ с содержанием 15 % серы

134

Полные реологические кривые для серобитумных вяжущих при температурах 100 – 140 ºС имеют такой же характер, как и кривые битума. При температуре выше 100 ºС и скоростях сдвига, превышающих 5,4 – 16,2 с-1, серобитумные вяжущие являются структурированными жидкостями, а при 80 ºС – ньютоновскими, вязкость которых не зависит от величины действующего напряжения сдвига (или скорости сдвига).

Рис. 2.15. Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига и температуры для СБВ с содержанием 30 % серы

Зависимости наибольшей ньютоновской вязкости η0 и предельного напряжения сдвига τ0 от температуры, представленные на рис. 2.16, показывают, что введение серы в битум приводит к снижению вязкости СБВ и предельного напряжения сдвига во всем интервале исследованных температур. Для битума и СБВ имеется существенное раз-

135

личие между крайними значениями вязкости неразрушенной структуры η0 и полностью разрушенной структуры ηm. При температурах 120 и 140 ºС вязкость СБВ практически не зависит от содержания серы в вяжущих.

Рис. 2.16. Зависимость наибольшей ньютоновской вязкости (а) и предельного напряжения сдвига (б) битума марки БНД 60/90 (1) и СБВ, содержащих 15 % (2) и 30% серы (3), от температуры

Анализ графиков зависимостей вязкости η0 и предельного напряжения сдвига τ0 от содержания серы в СБВ (рис. 2.17) позволил установить, что СБВ при исследованных температурах имеют меньшие вязкость и напряжение сдвига, чем исходный битум. Вязкость и напряжение сдвига СБВ с содержанием серы 30 % при температуре 80 ºС несколько выше, чем у СБВ с содержанием серы

15 %.

Такой эффект объясняется тем, что при понижении температуры из расплава СБВ выделяется сера в виде новой высокодисперсной фазы, которая образует вторичную коагуляционную структуру и вызывает упрочнение вяжущего. При повышении температуры эта

136

кристаллическая фаза расплавляется и понижает вязкость и предельное напряжение сдвига. Следовательно, при температурах выше 80 ºС сера является пластификатором битума, а при температурах ниже 80 ºС сера выступает в роли структурирующей добавки [6].

Рис. 2.17. Зависимость вязкости (а) и предельного напряжения сдвига (б) битума марки БНД 60/90 и СБВ, содержащих 15 и 30% серы,

от содержания серы и температуры: 80 ºС (1); 100 ºС (2); 120 ºС (3); 140 ºС (4)

Исследование зависимости логарифма эффективной вязкости ηэф битума и серобитумных вяжущих от температуры при скорости сдвига 121 с-1 показывает, что для всех видов вяжущих наблюдается соответствие известному уравнению Аррениуса [69] (рис. 2.18).

Наибольшую величину условной энергии активации вязкого течения Еη имеет битум (Еη= 14,5 кДж · моль). При увеличении содержания серы вязкость СБВ понижается в исследованном интервале температур, что приводит к снижению Еη. Так, при содержании серы 15 % Еη= 12,7 кДж · моль, а при содержании серы в

137

Рис. 2.18. Температурная зависимость логарифма эффективной вязкости битума (1) и серобитумных вяжущих, содержащих серы 15 % (2) и 30 % (3)

Выполненные исследования позволили выявить влияние добавок серы на изменение физико-механических и реологических свойств СБВ, приготовленных с различным содержанием серы на битумах разных структурно-реологических типов и марок.

Дозировка серы до 20 мас. % пластифицирует дорожные битумы со структурой золь-гель марок БНД 60/90 и БНД 90/130, улучшая их низкотемпературные свойства: пластичность и деформативность при низких температурах, трещиностойкость. Содержание серы свыше 20 мас. % структурирует битум: повышаются вязкость, теплостойкость, хрупкость. Для улучшения трещиностойкости и деформативности при низких температурах в битумы БНД 60/90 и БНД 90/130

138

достаточно вводить 10 – 15 мас. % серы. Для повышения адгезионных свойств и теплоустойчивости битума дозировку серы целесообразно увеличивать до 30 мас. %.

Введение серы до 20 мас. % в битумы со структурой, близкой к золю, марок БН 60/90 и БН 90/130 вызывает пластификацию битумов: понижаются вязкость, температура хрупкости, температура размягчения. Содержание серы выше 20 % структурирует вяжущее: повышаются вязкость, теплостойкость, хрупкость, снижаются деформативные свойства. Структурированное серой вяжущее обладает более высокими показателями пластичности и трещиностойкости по сравнению со свойствами исходного битума. Рациональная дозировка серы в битумы марок БН 60/90 и БН 90/130 составляет 20 – 30 мас. %.

Таким образом, добавка серы в количестве до 20 % эквивалентна введению пластификатора. При более высоких дозировках (до 30 – 40 %) сера является структурообразующей добавкой. Добавка серы в битумы не вызывает их ускоренного старения как при термоокислительных воздействиях, так при эксплуатационных температурах. Пластифицирующий эффект серы может длиться непродолжительное время. Он может быть использован для повышения удобоукладываемости и уплотняемости асфальтобетонных смесей. После охлаждения и в процессе хранения СБВ при комнатной температуре происходит постепенная кристаллизация серы, которая продолжается в течение месяца.

Введение серы в битум приводит к снижению вязкости СБВ и предельного напряжения сдвига при температурах выше 80 ºС. Пониженные реологические характеристики СБВ при технологических температурах позволяют на 10 – 20 ºС снизить температуры приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей.

Сера при температуре выше 80 ºС является пластифицирующей, а при температуре ниже 80 ºС – структурообразующей добавкой.

При содержании серы свыше 30 % по мере снижения температуры возможно образование в СБВ не только коагуляционной, но и кристаллизационной структуры. Кристаллизационная структура ухудшает деформативные свойства, повышает жесткость и хрупкость вяжущего.

139

3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЕРОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ПРИ РАЗЛИЧНОМ НАПОЛНЕНИИ ЕГО МИНЕРАЛЬНЫМ ПОРОШКОМ

Свойства асфальтобетона существенно зависят от структуры, ад- гезионно-когезионных и реологических свойств асфальтового вяжущего (асфальтовяжущего). В обычных асфальтобетонных смесях, состоящих из щебня, песка, минерального порошка и битума, каркасную основу составляют зерна щебня и песка, а промежутки между ними заполняют более мелкие частицы, в частности минеральный порошок.

Чем плотнее структура минеральной части, тем выше показатели асфальтобетона. При этом большое влияние на свойства асфальтобетона оказывает соотношение содержания битума и минерального порошка.

Вработах И.А. Рыбьева [71] показано, что наилучшие свойства асфальтобетона получают при некотором оптимальном соотношении содержаний битума и минерального порошка. В производственных условиях требуется высокая точность дозирования количества указанных компонентов, что, к сожалению, не всегда осуществляется. Отклонение в дозировке хотя бы одного из компонентов приводит к резкому ухудшению качества и долговечности асфальтобетона. В асфальтобетоне, содержащем серу, образуется структура бетона, где сера выполняет роль заполняющих частиц и в то же время связывает минеральные частицы.

Представляло значительный интерес установление взаимосвязи между структурой и свойствами асфальтового вяжущего с использованием СБВ на основе анализа объемных соотношений компонентов.

Воснову принятого подхода легли следующие исходные предпосылки [72]:

1. Асфальтовяжущее – бинарная дисперсная система, в которой твердой фазой является минеральный порошок, а средой – вяжущее, в качестве которого использовали битум и серобитумное вяжущее

(СБВ).

2. Вяжущее в асфальтовяжущем может находиться в следующих состояниях:

- свободное вяжущее (битум или СБВ), заполняющее межзерновое пространство фазы и находящееся вне зоны физико-химических процессов на границе раздела «фаза – среда»;

140