Битумные вяжущие. Учебное пособие

нефти и способа ее переработки. Это положение подтверждается тем, что во многих случаях приходится сталкиваться с положением, когда битумы, различающиеся по своим свойствам, имеют одинаковый или почти одинаковый групповой состав и наоборот. К сожалению, свой­ства компонентов битумов изучены до сих пор недостаточно [22].

1.3. Битум как специфическая нефтяная дисперсная

система. Коллоидно-химические свойства битума

Нелленштейн еще в 1923 году предложил следующую теорию строения битумов: лиофобные части окружены лиофильными части­цами, что защищает их от слияния друг с другом, от масляной фазы или среды, в которой суспендированы данные коллоидные образова­ния, названные мицеллами [30].

Полагают, что компоненты с наиболее четко выраженными ароматическими свойствами и с наибольшей молекулярной массой ближе примыкают к ядру коллоидной мицеллы. Вокруг ядра распола­гаются последовательно слои компонентов все более низкой молеку­лярной массы и с постепенно снижающейся ароматичностью, перехо­дящей в интермицеллярную жидкость.

Объяснение коллоидной структуры битумов по Тракслеру [8] заключается в следующем: вокруг ядра коллоидной мицеллы последо­вательно располагаются компоненты все более низкой молекулярной массой со снижающейся ароматичностью, переходящие в межмолеку­лярную среду с отсутствием границы раздела фаз.

ровании

структуры. Представление о структуре битумов, определяемой соотношением и взаимодействием асфальтенов, смол и масел, сводится к следующему:

По модели, предложенной З.И. Сюняевым, нефть, нефтяные ос­татки, в том числе и битумы, состоят из сложных структурных единиц – надмолекулярных структур (ассоциатов) различной толщины сольватной оболочки, прочности связей и упорядоченности [8, 31]. Особенностью последних, в отличие от классических дисперсных систем, является то, что они формируются в системе, состоящей из большого числа компо­нентов, в том числе, относящихся к различным классам органических соединений с мало различающимися потенциалами межмолекулярного взаимодействия.

Таким образом, общепринято [32,24] считать битумы специ­фическими нефтяными дисперсными системами, состоящими из дис­персной фазы, представляющей собой ассоциаты асфальтенов и смол, и сплошной фазы (матрицы) – раствора н– и изоалканов и ароматиче­ских (алкилароматических) углеводородов или спиртобензольных смол. Дисперсная фаза обеспечивает прочностные свойства битума, а углеводородная матрица придает ему вязкость и пластичность. Боль­шую роль в дисперсных системах играют поверхностные явления.

В битумах дисперсионной средой являются мальтены (сумма масел и смол), дисперсной фазой – асфальтены. Устойчивость систе­мы зависит от степени родства мальтенов и асфальтенов, которое с определенным приближением можно расценить как разность между степенью ароматичности (отношение числа атомов углерода, входя­щих в ароматические структуры, к общему числу углеродных атомов в молекуле) асфальтенов и мальтенов. Чем меньше эта разность отли­чается от значения 0,13, тем более устойчива система битума, тем медленнее он стареет. Таким образом, для долговечности битума (ус­тойчивости его коллоидной структуры) необходимо наличие аромати­ческих масел и смол. Поэтому лучшим сырьем для получения окис­ленных битумов являются гудроны, содержащие небольшое количест­во парафино-нафтеновых углеводородов [33].

Битумы

1. К первому типу относят битумы, течение которых под дей­ствием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона [34]. Для таких битумов с момента наступления деформации скорость

2. Битумы второго типа – это вещества, у которых при посто­янном напряжении сдвига скорость течения после начала деформации снижается и через некоторое время становится практически постоян­ной. Когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавли­вается. Коллоидное состояние битумов этого типа – золь–гель.

Структура битума (золь или гель) определяется степенью пеп­тизации асфальтенов и зависит от относительного содержания в биту­ме ароматических углеводородов с алифатическими цепями различ­ной длины [33].

Высокое содержание ароматических соединений в мальтено­вой части битумов противодействует стремлению молекул асфальте­нов к ассоциации в более крупные агрегаты, что приводит к образова­нию небольших мицелл, и битум в результате находится в состоянии золя (рис. 1.3).

Наоборот, низкое содержание ароматических соединений ве­дет к образованию крупных агрегатов, и битум находится в состоянии геля [36] (рис. 1.3).

лекул ас

тической части масел обусловлив

-

Битум–золь

Рис. 1.3.Структура битум – золь и битум –

–

3. Образование на поверхности частиц адсорбционной оболоч-

ки, обладающей структурной вязкостью при малых градиентах скоро­сти и представляющей собой структурно–механический барьер (по­ложение, разработанное А. А. Ребиндером) [37,38].

Для характеристики степени коллоидности битума используют показатель – индекс пенетрации. По индексу пенетрации битумы под­разделяют на три группы:

1. Битумы с индексом пенетрации менее –2, не имеющие дис­персной фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены. Это битумы типа «золь».

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 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

Дуктильность характеризует степень структурированности би­тумов. Дуктильность при 0 оС характеризует пластичность при низкой температуре и косвенно устойчивость к образованию температурных трещин. Дуктильность при 25 оС характеризует степень структуриро­ванности вяжущих. Низкие значения дуктильности при 25 оС свиде­тельствуют об их недостаточной устойчивости к старению [5].

Существенной характеристикой свойств битума является тем­пература размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» («КиШ»). Температура размягчения вязких и твердых битумов колеб­лется в пределах от 20 оС до 95 оС.

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 [39]. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы обра­зуют соответственно золь, золь–гель или гель–структуры. Для разру­шения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с большим содержанием асфальтенов, имеющие гель–структуру, имеют более высокую температуру размягчения.