Каждое из этих свойств находится в зависимости от температуры и характера напряженного состояния и связано с молекулярными взаимодействиями и наличием структуры.

Вязкость определяется методами вискозиметрии, акустики; о ней можно судить по пенетрации, температуре размягчения и температуре хрупкости.

Величину вязкости битума необходимо знать при температурах приготовления битумоминеральных смесей и их укладке в покрытие в диапазоне 30–160 °С. Реологические свойства битума не должны значительно изменяться при его разогреве в котлах, приготовлении и укладке смеси, а также в течение длительного срока службы в асфальтобетонных и других покрытиях.

Битумы представляют собой специфические нефтяные дисперсные системы. Как реологические тела дисперсныеИ системы могут

считаться квазиоднородными, то есть статистически однородными. Это условие связано с предположениемД, что даже при ничтожных концентрациях число частиц достаточно велико, причем их размеры и распределение в среде постоянны [19].

В результате исследованияАреологических свойств битумов установлено, что в зависимости от степени теплового воздействия или от величины приложенныхбнапряжений сдвига они обладают различными физико-механическими свойствами.

Существует завис мость свойств битумов от температуры. Такая зависимость характерна для удельного объема, теплоемкости, диэлектрическойСпрон цаемости др.

Наиболее пр емлемыми для дорожных покрытий являются битумы третьего типа. Их физико-химические свойства регламентируются ГО Т 22245–76. В связи с этим технологический режим производства должен обеспечивать получение улучшенных дорожных битумов, соответствующих третьему типу. Это умеренная подача сжатого воздуха на окисление сырья, температура окисления 230–250 °С, непрерывность процесса, умеренное содержание масляной части в сырье и др.

1.4. Основные свойства битумов

Ниже приведены основные физико-химические свойства битумов, необходимые для расчётов оборудования при проектировании технологий их производства [7, 11, 12].

20

Плотность является одной из важных характеристик битума. Она зависит от химического состава битума: увеличение содержания ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания насыщенных соединений – уменьшает. Плотность при 20 °С битумов составляет 1,00–1,04 г/см3.

Плотность битумов определяют по плотности его смеси с равным объемом растворителя известной плотности ареометром или пикнометром. Плотность битума также можно определить методом взвешенных капель и капельно-пикнометрическим методом. Плотность является весьма важной характеристикой битума, так как по ней судят о происхождении битума. Окисленные битумы из остатков высокосмолистых нефтей имеют бóльшую плотность при одинаковой

масел. Плотность битумов повышается по мере увеличения глубины

температуре размягчения, чем битумы из высокопарафинистых нефтей. Плотность остаточных битумов возрастаетИс увеличением отбора

окисления и повышения температурыДразмягчения.

Плотность битумов зависит от их химического состава: увели-

чение содержания ароматических структур повышает его плотность, а увеличение содержания насыщенных соединений – уменьшает.

Температура вспышки битума и гудрона составляет обычно

при различных температурахбприменения по сравнению с пенетраци-

более 230 °С. По этому показателю судят о наличии низкокипящих

ей и температурой размягчен я. Желательно, чтобы битум при прочих равных показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной температуре применения и имел как можно более пологую вязкостно-температурную кривую.

Повышение температуры влияет на вязкость различных битумов неодинаково, это зависит от происхождения битума и технологии его производства. Важнейшими свойствами дорожных битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости, свойство адгезии, обусловливающее способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей [19].

Основной характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость – сопротивление внутренних слоев

21

битума перемещению относительно друг друга [19]. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Па с) или выразить ее в условных единицах.

Вязкость является важнейшей реологической характеристикой, изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава и температуры. Наиболее существенное влияние на вязкость битума оказывает количественное соотношение асфальтенов и масел. С увеличением количества асфальтенов вязкость повышается, и наоборот. Жидкие битумы, характеризующиеся жидкотекучим состоянием при положительных температурах, имеют сравнительно небольшую вязкость, во много раз меньшую, чем у вязких дорожных битумов. Вязкостью битума определяются свойства асфальтобетона, важного

тически одинаков незнач тельно уменьшается с возрастанием температуры. Так,Спри 0 °С он равен 0,13–0,145 ккал/(м ч град), при 20 °С

– 0,125–0,135 ккал/( м ч град), при 40 °С – 0,12–0,13 ккал/( м ч град).

Для расчета теплообменной аппаратуры его рекомендуется принимать не более 0,10 ккал/ (м ч град).

Поверхностное натяжение битумов при температуре 25 °С составляет 24–34 дин/см. Чем больше величина поверхностного натяжения на границе «битум–воздух», тем более крупные пузыри воздуха находятся в реакторе, тем больше скорость их всплывания и, следовательно, тем меньше поверхность контакта воздуха с сырьем, хуже масcопередача и больше продолжительность процесса окисления.

Растворимость. Битумы растворяются в большинстве органических растворителей, кроме низкомолекулярных спиртов.

Избирательность растворителей влияет на состав извлекаемых асфальтенов, что важно при их разделении на узкие фракции. По рас-

22

творимости в органических растворителях, помимо зольности и температуры вспышки, судят о чистоте битума.

Кчислу основных свойств дорожных битумов, определяющих их поведение в процессе эксплуатации, относят прочностные, пластичные, низкотемпературные и адгезионные. Только уровень и оптимальное сочетание этих свойств позволяют судить об эксплуатационных свойствах этих битумов, степени долговечности и изготавливаемых с их применением асфальтобетонных покрытиях.

Кчислу показателей, характеризующих прочностные свойства

твёрдых дорожных битумов, следует, согласно требованиям ГОСТ 22245–90, отнести:

стандартной иглы в битум при определенном режиме (температуре и иагруженности усилия). Его значение для конкретного образца до-

гружения иглы в образец итумаАпри температуре +25 С в течение 5 с под нагрузкой 100 г. Глу ну проникания определяют при помощи

рожного битума является первичным с точки зрения отнесения к той или иной стандартной марке [15].

Пенетрация – условная величина, характеризующая вязкость и

твердость битума. Испытание заключается в измерении глубины по-

ведения испытанияСрасплавленную пробу битума заливают в металлическую чашку на высоту не менее 30 мм и охлаждают на воздухе до температуры 18–20 °С. Затем чашку с битумом выдерживают в

течение одного часа в ванне с водой при температуре 25 °С. Индекс пенетрации (расчётный показатель) достаточно точно

характеризует структурный тип исследуемого образца битума. Этот показатель в современной научной и производственной практике рас-

где А=(2,9031–lgП25)/(tр–25),

здесь П25 – глубина проникания иглы в битум при 25 °С, 0,1мм; tр – температура размягчения битума, С.

23

Индекс пенетрации характеризует температурную чувствительность битумных вяжущих.

24

Испытание проводят на приборе «Кольцо и шар» (рис. 1.5). Оно заключается в определении температуры, при которой битум, находящийся в кольце заданных размеров, размягчается и под действием веса стандартного металлического шарика выдавливается на определенную глубину.

Для проведения испытания расплавленный битум заливается в два кольца прибора. Кольца при заливке устанавливают в горизонтальное положение на стеклянной пластинке, покрытой тонким слоем талька с глицерином.

Битум заливают так, чтобы он возвышался над кольцами на 1,5– 2 мм, а после охлаждения до 25 оС излишки битума срезают горячим ножом.

Кольца вставляют в гнезда средней полки прибора. В отверстие

навливают в термостойкий стакан с водойИ(температура воды 5 оС). Стакан помещают на песчаную баню и начинают нагревать со скоро-

полки прибора вставляют термометр так, чтобы его нижний конец

оказался на уровне колец. В центре каждого кольца с битумом укла-

дывают по одному стальному шарику диаметром 9,5 мм и массой

3,5 г. После такой подготовки подвеску с кольцами и шариками уста-

Рис. 1.4. Принцип проведения испытаний температуры размягчения методом КиШ

Для каждого кольца и шарика отмечают температуру, при которой выдавливаемый шариком битум коснется контрольного диска (основания) прибора. Полученные результаты заносят в журнал испытаний.

25

За температуру размягчения битума принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений, округленных до целого числа.

Пластичные свойства битумов, т.е. их способность к деформационным изменениям при стандартных нагрузках и напряжениях без разрушения структуры и потери сплошности, определяются значениями их растяжимости или дуктильности. Следует также отметить, что, например, низкие значения этого показателя (менее 50 см при 25 °С) не всегда однозначно свидетельствуют о низких эксплуатационных свойствах данного дорожного битума. Растяжимость битумов при 25 °С (ГОСТ 11505–75) характеризует степень структурированности и, следовательно, тип дисперсной структуры битума. Низкие значения показателя растяжимости при 25 С свидетельствуют об усилении склонности битума к старению в процессе эксплуатации.

ства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) – способно-

стью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе при темпера-

26

турах испытания 25 и 0 °С. Показателем растяжимости служит длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содержания смол и асфальтенов пластичность при постоянной температуре битумов возрастает.

Дуктильность характеризует степень структурированности битумов. Дуктильность при 0 оС характеризует пластичность при низкой температуре и косвенно устойчивость к образованию температурных трещин. Дуктильность при 25 °С характеризует степень структурированности вяжущих. Низкие значения дуктильности при 25 °С свидетельствуют об их недостаточной устойчивости к старению

[18].

Растяжимость зависит от химического состава битума и его температуры. Как уже отмечалось, носителямиИэластичности битумов

являются смолы. Для однородных битумов (по источнику сырья и

технологии переработки) существуетДопределенная зависимость меж-

ду вязкостью и растяжимостью: чем больше вязкость, тем меньше

растяжимость. С растяжимостью битума (при низких температурах)

Недостаточная деформативнаяАспособность приводит к быстрому разрушению асфальто етона, в дорожных покрытиях появляются

тесно связано одно из важнейших свойств асфальтобетона – его де-

формативная способность при этих температурах, когда асфальтобе-

ние растяжимости битумовбпри низких температурах, например при

тонное покрытие испытывает значительные растягивающие усилия.

трещины. В связи с эт м на олее показательным является определе- С

0 °С [19].

Для вязких дорожных битумов растяжимость при температуре

25 °С колеблется в пределах от 40 до 65 см и выше. Следует, однако, признать, что сопоставление поведения дорожных покрытий с показателем растяжимости битумов при температуре 25 °С не позволяет с достаточной достоверностью оценивать качество битумов по этому показателю [17].

Товарные свойства битумов определяются концентрацией дисперсной фазы (асфальтенов), компонентным составом дисперсионной среды (мальтенов) и степенью их ароматичности. Температура размягчения повышается с повышением концентрации асфальтенов в битуме [19]. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы образуют соответственно золь, золь-гель или гель-структуры. Для разрушения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с

27

большим содержанием асфальтенов, имеющие гель-структуру, имеют более высокую температуру размягчения.

Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости. Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем на латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на тонком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от –20 до +5 °С. Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше

Хрупкость битума, следовательно, и хрупкость асфальтобетона отрицательно сказываются на эксплуатационных свойствах дорожных покрытий: повышается склонность кДобразованию трещин, к деформациям и разрушениям, связанным с выкрашиванием покрытия. Поэтому температура хрупкости является важной характеристикой битумов. Чем ниже температура хрупкостиА, тем больше температурный интервал, в котором битум находится в вязкопластичном состоянии, а следовательно, тем лучшеби его дорожно-эксплуатационные свойства.

Температура хрупкости зависит от вязкости битума и свойств исходного сырья. Дляитумов, полученных из однородного сырья, увеличение вязкости пр вод т к повышению температуры хрупкости, и наоборот. БольшоеСвл ян е на температуру хрупкости оказывает содержание в битуме параф на [1].

Температура хрупкости и пенетрация зависят в большей степени от свойств дисперсионной среды. Температура хрупкости битума, как и температура размягчения, повышается с увеличением дисперсной фазы (асфальтенов), так как их жесткий каркас становится хрупким. С другой стороны, повышается температура хрупкости, потому что уменьшается количество дисперсионной среды и повышается температура перехода ее в твердое состояние. Температура хрупкости характеризует момент, когда вся система теряет пластичность, становясь аморфным твердым телом.

Пенетрация, будучи по существу параметром вязкости, также характеризует изменение пластичности среды в зависимости от изменения ее количества и состава.

28

Существенной особенностью битумов является их достаточно высокая адгезия – прилипание к поверхности различных минеральных и органических материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов [1, 17, 19]. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума (5 баллов) в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в 1 балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды.

Весьма важным показателем качества битума является его температурный интервал работоспособности – разность показателей температур размягчения и хрупкости. Для РоссииИтребуемый температурный интервал работоспособности составляет более 110 °С.

1.5. СтарениеДбитумов

Одной из причин появленияАв дорожном покрытии трешин, сдвигов, шелушений и выбоин является старение битума. Под старением битума понимают всюбсовокупность обратимых и необратимых изменений его химического состава и структурно-механических свойств, происходящих в процессе его хранения, технологической переработки и эксплуатац .

РазличныеСаспекты старения битумов изучали С.И. Гельфанд, А.С. Колбановская, B.C. Горшков, А.И. Лысихина, И.А. Уск, А.Р. Давыдова и др. Рассматривая изменение свойств битума и битумоминеральных материалов во времени, можно отметить два основных периода. До определенного времени процессы старения могут быть охарактеризованы лишь как процессы упрочнения структуры: улучшается сцепление битума с поверхностью минеральных зерен (кислотное число у битума возрастает), вследствие чего повышается коррозионная устойчивость асфальтобетона. Повышение вязкости битума в этот период приводит к повышению прочности и деформационной устойчивости асфальтобетона. Затем наступает период, к которому уже с полным правом применим термин «старение»: в связи с повышением хрупкости битума, связанным с глубокими изменениями его структуры, наблюдается усиленное разрушение покрытия.

29

Битумы, как и битумоминеральные композиции, различаются по соотношению продолжительности этих периодов. В наиболее устойчивых против старения битумах первый период длится достаточно долго и практически соизмерим со сроками службы асфальтобетонных покрытий. Для покрытий с битумами, не устойчивыми против старения, уже через год-два может наступить период интенсивного старения. Недостаточной устойчивостью к старению отличаются битумы, полученные окислением продуктов термического крекинга нефти.

Отмечается влияние на интенсивность старения и температуры, при которой происходит окисление битумов. При прочих равных условиях битумы, окисленные при более высоких температурах, менее устойчивы к процессам старения. Сопоставляя склонность к старению битумов различных структурных типов, А.С. Колбановская отмечает, что наибольшей склонностью к изменению свойств под действием температуры отличаются битумы I структурного типа.

К числу основных факторов, вызывающих такое старение, отно-

каталитическое действиеАповерхностей минеральных материалов и металлорган ческих соединений битума;

Таким образом, именно химические процессы, протекающие при старении битумов, и являются основой всего комплекса изменений свойств битумов.

Обычно химические превращения в битумах сводятся к образованию высокомолекулярных продуктов конденсации и низкомолекулярных продуктов отщепления радикалов и заместителей в сложных молекулах.

Основные процессы, вызывающие необратимые изменения состава и свойств битумов:

испарение летучих компонентов в тонком поверхностном слое, определяемое температурой и вязкостью битума;

полимеризация, связанная с воздействием катализаторов (металлов и минеральных материалов) и температуры;

30

полимеризация компонентов под действием светового излучения;

поликонденсация соединений с отщеплением водорода и образованием виды.

Известно, что в битумах любого состава в процессе старения

происходит увеличение содержания асфальтенов. Чем выше содержание асфальтенов в битумах, тем меньшим изменениям подвергается их состав в процессе старения при прочих равных условиях.

Необходимо также понимать, что на скорость и глубину превращений компонентов битумов в процессе старения значительно влияет их дисперсная структура. Так, в битумах со структурой типа золь рост содержания асфальтенов выше, чем в битумах типа зольгель или гель. В них также наиболее значительно изменение содержания ароматических углеводородов в процессе старения. Изменение содержания парафинонафтеновых углеводородов во всех битумах при старении незначительно.

Происходящие в процессе старения изменения состава и соотношения объёмов дисперсионной среды и дисперсной фазы битумов приводят к их структурным изменениям. Как правило, эти структурные изменения сопровождаются появлением коагуляционной сетки из вновь образовавшихся из смол асфальтенов, наряду с развитием всей пространственной структуры асфальтенов. При этом структура типа золь переходит сначала в структуру типа золь-гель, а затем – в структуру типа гель.

31

Старение битума в составе асфальтобетонного покрытия неизбежно ставит вопрос о возможности восстановления его эксплуатационных характеристик, т.е. его регенерации.

Экономически целесообразным и достаточно эффективным способом регенерации свойств битумов сегодня признан процесс введения в состав отработанных асфальтобетонных смесей специальных регенерирующих добавок. Принцип их действия основан на восстановлении соотношения объёмов и состава дисперсной фазы и дисперсионной среды. Следуя этому принципу, такие добавки представляют собой специальные компаунды, которые содержат как пластифицирующий компонент (например, гудроны или ароматизированные тяжёлые газойли), так и структурирующий (например, крекинг-остатки

Большое влияние на свойства битумных композиционных материалов оказывает активность битума, которая в дальнейшем опреде-

активные соединения этого типаАобеспечиваютД хорошее сцепление битума с минеральными материалами карбонатных или основных горных пород.

ляет его способность к прочному сцеплению с поверхностью мине-

ральных частиц. Битумы обычно содержат некоторое количество по-

верхностно-активных соединений, относящихся к группе анионак-

тивных: асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Поверхностно-

активных соединен ий (характеризующегосяб так называемым кислотным числом) Сбитумы могут быть отнесены к активным или неактивным. Битумы марок БНД, отвечающие требованиям ГОСТ 22245, как правило, активны. Недостаточная активность битумов в необходимых случаях, о которых сказано ниже, компенсируется добавками поверхностно-активных веществ. Особого внимания требует обеспечение прочного сцепления битума с минеральными материалами кислых горных пород. Контактные зоны битума с подобными минеральными зернами – наиболее уязвимые места с точки зрения коррозионной устойчивости асфальтобетонных покрытий.

В зависимости от кол чества содержащихся поверхностно-

Под воздействием атмосферных факторов (температуры, света, воздуха и воды) происходят изменения физических свойств и химического состава битумов. Прежде всего, это касается увеличения количества асфальтенов, сопровождающегося нарастанием вязкости и повышением хрупкости битумов. Степень изменения свойств битумов с течением времени различна и зависит от их природы, вязкости, ком-

32

понентного состава, свойств структурообразующих компонентов (особенно асфальтенов), интенсивности воздействия атмосферных агентов, температурного режима процесса приготовления асфальтобетонных смесей. Старение битума вызывает старение асфальтобетона. Повышенная хрупкость этого материала обусловливает возникновение большого количества трещин в дорожных покрытиях, усиливает процесс их коррозионного разрушения.

Влияние нагрева битума. Длительный нагрев или нагрев при высокой температуре может вызвать глубокие изменения структуры битума, нередко сопровождающиеся потерей вяжущих свойств. Такие глубокие изменения связаны преимущественно с происходящими в битуме процессами окисления и полимеризации и в меньшей степени

Степень изменения свойств битума зависит от ряда факторов: температуры и продолжительности нагрева; отношения объема нагреваемого битума к его свободной поверхности (доступной действию кислорода воздуха); разновидности битума (по вязкости, исходному

сырью, технологии получения). При производстве асфальтобетонных

смесей должны строго выдерживаться температура и длительность

В этой же связи необходбмо отметить следующее. Битумы, под-

вергавшиеся длительному нагреву при высоких температурах, с одной стороны, претерпевают существенные изменения свойств, регистрируемые непосредственно после этого, а с другой стороны, такие битумы оказываются, как правило, менее стойкими против старения в процессе эксплуатации.

Большие изменения свойств битума происходят при его нагреве в присутствии минеральных материалов. В этом случае некоторые минеральные материалы выполняют роль катализаторов, в присутствии которых окислительные реакции протекают более интенсивно.

Наряду с созданием битумов, устойчивых против старения, весьма перспективным направлением в этой области является разработка антиокислителей (ингибиторов), способствующих торможению процессов старения битума. Ингибиторы способны обрывать цепи

33