Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Органические вяжущие материалы. Учебное пособие
.pdf
Преимущества битумов II типа: высокая когезия и
деформационная устойчивость в упруго-вязком состоянии,
повышенная устойчивость к старению. Недостатки таких
битумов: отсутствие эластического и упругопластического
состояний, низкая тепло- и водоустойчивость. К типу II
относятся дорожные битумы марок БН. Остаточные
битумы зачастую принадлежат к указанному типу.
Структура битумов типа III считается оптимальной
для дорожного строительства. Этот тип битумов не имеет
ярко выраженных недостатков, указанных для типов I и II.
Битумы дорожные марок БНД соответствуют структурно-
му типу III и рекомендованы для применения во всех
дорожно-климатических зонах.
Контрольные вопросы
1. Какова принципиальная структура битумов? 2.
Какие типы структур битума Вы знаете? 3. В чём различие
структур «гель», «золь», «золь-гель»? 4. Какому структурному типу соответствуют дорожные битумы марок БНД?
2.5. Свойства битумов
Битум в асфальтобетоне является вяжущим матери-
алом, который связывает зерна щебня, песка и минераль-
ного порошка в монолитный искусственный каменный
материал, работающий в слоях дорожной одежды и
покрытии при разных температурных условиях и влажности, при разных силовых воздействиях колёс автомобилей
- сжатии, сдвиге, изгибе. В связи с этим битум должен
обладать комплексом свойств:
легко объединяться с каменным материалом, об-
разуя при этом на его поверхности прочную, водоустойчивую плёнку;
41
обладать вязкостью, позволяющей при смешива-
нии с каменным материалом хорошо его обволакивать и
связывать минеральные частицы в единый монолит,
обладающий необходимой прочностью;
быть стабильным, не изменять свои свойства в
процессе службы в дорожном покрытии.
Реологические свойства битумов определяют их
поведение в покрытии. Реология (гр. rheos – течение,
поток) – раздел физики, изучающий течение и деформа-
цию реальных сплошных сред, обладающих вязкостью,
пластичностью, упругостью; занимает промежуточное
положение между гидродинамикой, изучающей законы
движения жидкости, и теорией упругости, изучающей
механические свойства твёрдых тел.
Один и тот же битум в зависимости от температуры
может быть в твёрдом состоянии (при отрицательных
температурах) и в жидком состоянии (при 30…100 ОС).
Физическое состояние (консистенция) битума в покрытии
с изменением температуры в течение года от положитель-
ной летом до отрицательной зимой изменяется от вязкотекучего до упругого и хрупкого.
При отрицательных температурах (зимой) свойства
битума в покрытии близки к свойствам упругих материалов, деформирование которых характеризуют законом
Гука
где - относительная деформация; - напряжение при
растяжении; E - модуль упругости.
При высоких положительных эксплуатационных
температурах летом и на технологическом этапе приготов-
ления асфальтобетонных смесей и их укладке свойства
,
42
битума можно характеризовать показателями, близкими к
dtd
Рис. 16. Реологиче-
ские кривые:
1 – жидкости;
2 –жидкоподобные
системы;
3 – твёрдые
системы;
4 – твёрдоподобные
системы
закону деформирования идеальной жидкости по уравнению Ньютона, устанавливающего зависимость между
касательными напряжениями и скоростью деформирова-
ния
где d - относительная деформация за время dt;
- касательное напряжение;
- динамическая вязкость.
Модуль упругости Е для твёрдых тел и вязкость
для жидких являются реологическими характеристиками,
зависящими от состава и структуры данного материала.
Большинство реальных материалов не подчиняются
приведённым идеальным законам деформации. Они, как и
органические вяжущие, занимают промежуточное место
между твёрдыми и жидкими веществами. Поэтому при
приложении нагрузки в них одновременно возникают как
упругие, так и пластические деформации.
В зависимости от преобладания одних свойств (ви-
дов деформации) над другими материалы разделяют на
вязкоупругие и вязкопластичные.
,
43
Для определения реологических свойств строят
график зависимости скорости деформации d/dt от
напряжения сдвига (рис. 16). В зависимости от характера
= f(d/dt) различают: жидкости 1, жидкоподобные
системы 2, твёрдые системы 3 и твёрдоподобные системы
4.
Деформирование битума в жидкоподобном состоя-
нии (начинается сразу после приложения нагрузки и
скорость деформирования увеличивается до достижения
битумом жидкого состояния. Далее при равномерном
увеличении напряжения скорость деформирования становится равномерной, график выходит на прямую, что
соответствует закону Ньютона.
Аналогична зависимость напряжения и скорости де-
формирования битума в твёрдоподобном состоянии.
Для характеристики реологических свойств боль-
шинства реальных тел, к которым относятся и органические
вяжущие, пользуются S-образными кривыми: зависимость
= f() (рис. 17, а), зависимость = f(d / dt) (рис. 17, б) .
С их помощью можно определять следующие ха-
рактерные структурно-реологические свойства. При малых
напряжениях определяется так называемая структурная
вязкость
структуры материала. При увеличении напряжения от
до
о
нарушается прямая пропорциональность между d/dt и
– максимальная вязкость неразрушенной
0
происходит неравномерное разрушение структуры и
1
.
Этот участок кривой характеризует эффективную вязкость
. Когда напряжение достигает
эф
, структура системы
о
полностью разрушается и в дальнейшем с его повышением
снова устанавливается прямая пропорциональность между
d/dt и
при этом
,
определяется пластическая вязкость
m
предельно разрушенной структуры.
44
а б
Рис. 17. Реологические характеристики битума:
а - изменение вязкости с повышением напряжения;
б – изменение скорости деформации с изменением
напряжения;
0
- максимальная вязкость неразрушенной струк-
туры;
m
- минимальная вязкость разрушенной
структуры;
о
– предельное напряжение сдвига
Свойства битумов в диапазоне реальных эксплуата-
ционных температур изменяются в очень широком
диапазоне (рис. 18).
При пониженных температурах (-20, -10
кость битума относительно велика, и он приобретает
свойства твёрдого тела (предельное напряжение сдвига,
упругость и т.д.). С увеличением температуры вязкость
уменьшается, и битум переходит в жидкое состояние.
Твёрдые и вязкие битумы относятся к структурируемым
системам, и их вязкость нельзя рассматривать как величину постоянную: при одной и той же температуре их
вязкость зависит от скорости деформации, и битумы
обладают дополнительным сопротивлением сдвигу. Это
обусловлено процессами структурообразования в битуме.
45
О
С) вяз-
При разрушении структурных связей в битуме влияние
Скорость течения, см/с·10
-3
Рис. 18. Реологические кривые
битума при температуре от -20
до 30
О
С.
скорости деформации на показатель вязкости уменьшает-
ся.
ных связей, зависящие от времени действия нагрузки, а
также изменение свойств в зависимости от температуры.
Вязкость, внутреннее трение, - свойство текучих
тел оказывать сопротивление перемещению одной их
части относительно другой. Единицей динамической
вязкости в СГС системе единиц является пуаз, который
равен вязкости жидкости, оказывающей сопротивление
силой в 1 дину взаимному перемещению двух слоёв
жидкости площадью 1 см
см друг от друга и взаимно перемещающихся с относи-
тельной скоростью 1 см/сек (1 пз = 0,1 н·сек/м2).
Определить принятые в физике показатели реоло-
гических свойств в производственных условиях трудно
(например, показатель вязкости в пуазах): это доступно
только в условиях научно-исследовательских лабораторий.
Установлено,
что в состоянии покоя
через некоторое время
в битуме разрушенные
связи восстанавливаются. Это явление
носит название
тиксотропия.
Таким образом, для битумов
важнейшими являются
их реологические
свойства: вязкость,
пластичность, прочность межмолекуляр-
2
, находящихся на расстоянии 1
46
В производственных условиях принято определять ряд
Рис.19 . Пенетрометр:
1 - груз;
2 - чашка с битумом;
3 - сосуд с водой;
4 - кремальера, враща-
ющая стрелку;
5 – штанга;
6 - кнопка, удерживающая
штангу;
7 - игла
условных показателей, которые лишь косвенно, но тем не
менее достаточно полно характеризуют то или иное
свойство битума, его качество и пригодность к различным
видам работ. Эти достаточно простые методы и приборы
для определения свойств органических вяжущих приняты
одинаковыми для всех стран.
Условную вязкость вязких и твёрдых битумов
определяют по глубине проникания иглы в битум П
П
на приборе пенетрометр (рис. 19) при температуре
о
или
25
25ОС (для дорожных битумов и при 0ОС).
При 25
О
С масса штанги 5 с иглой 7 равна 100 г. Иг-
лу со штангой подводят к поверхности битума и освобождают штангу нажатием кнопки 6 для свободного погруже-
ния иглы в битум. Время погружения иглы в битум - 5 с.
(При 0
О
С масса штанги с иглой - 200 г, время погружения
иглы - 60 с). Цена одного деления на лимбе 0,1 мм
погружения иглы.
47
Показатель условной вязкости - пенетрации - для
Рис. 20. Прибор
“Кольцо и шар”:
1 – стакан; 2, 3 – диски;
4 - термометр;
5 – кольцо с битумом;
6 - шар
дорожных вязких битумов при температуре 25ОС состав-
ляет от 40 до 300 по шкале пенетрометра. Условную
вязкость жидких битумов и дёгтей определяют с помощью
стандартного вискозиметра по времени истечения 50 мл
вяжущего через отверстие определённого диаметра (см.
разделы «Жидкие дорожные битумы», «Каменноугольные
дёгти»).
Теплоустойчивость вязкого и твёрдого битумов
определяют по температуре размягчения на приборе
“Кольцо и шар” (рис. 20) и обозначают индексом Тр.
пластинки. Вязкие дорожные битумы в зависимости от
марки имеют температуру размягчения не менее
35…51
ется при повышении содержания асфальтенов и смол.
О
С. Температура размягчения битумов увеличива-
Битум, залитый в
кольцо 1 и предварительно
выдержанный в воде при
температуре 5
О
С, устанавливают на верхний диск
прибора вместе с шариком,
помещённым на битум;
прибор опускают в стакан с
водой с температурой 5ОС
и нагревают со скоростью
О
5
С в минуту. Битум
размягчается и под массой
шарика опускается на
нижний диск прибора.За
температуру размягчения
битума принимают температуру, при которой капля
битума коснётся нижней
48
Пластичность вязкого и твёрдого битума опреде-
Рис. 21. Дуктилометр:
1 – червячный винт, движущий каретку; 2 – каретка;
3 - маховичок;
4 - разборная форма для образцов-«восьмёрок»; 5 –
образец битума «восьмёрка
ляют на приборе дуктилометр (рис. 21) растяжимостью
до разрыва битумной нити.
Растяжимость в см определяют, растягивая образец
битума в виде восьмёрки в нить в воде со скоростью 5 см в
минуту. Температура воды 25ОС или 0
О
С. Различные
марки вязких дорожных битумов имеют растяжимость при
25ОС не менее 45 см и могут достигать 70 см и более 100
см; при 0
О
С – более 3,5 см и до 20 см и более. Высокие
пластические свойства вязких битумов наблюдаются
обычно при значительном содержании смол, оптимальном
содержании асфальтенов и незначительном содержании
карбенов и карбоидов. С увеличением вязкости битумов
(уменьшением глубины проникания) растяжимость
уменьшается.
Когезия характеризует прочность межмолекуляр-
ных связей и определяется на когезиометре, состоящем из
двух пластинок, склеенных слоем битума толщиной 10
мкм. Прочность (МПа) при скорости деформации0,033 м/с
49
(200 мм/мин характеризует когезию. Для битумов БНД
Рис. 22. Прибор Фрааса:
1 – термометр;
2 – сосуд Дюара;
3 –пластинка с битумом
90/30 и БНД 60/90 когезия колеблется от 0,07 до 0,3 МПа и
зависит в основном от содержания в битуме смол.
Температуру хрупкости вязкого и твёрдого биту-
мов определяют на приборе Фрааса (рис. 22) и обознача-
ют индексом Т
хр.
дит из вязко-пластичного в хрупкое состояние, называют
температурой хрупкости.
Прибор Фрааса состоит из сосуда Дюара, представляющий собой две стеклянные прозрачные колбы,
вставленные одна в другую, изгибающего устройства и
термометра. Для определения температуры хрупкости на
латунную пластинку размером 40х20 мм наносят тонкий
слой битума, вставляют её в изгибающее приспособление,
которое помещают в меньшую колбу сосуда Дюара.
Между стенками колб вводят охлаждающий реагент, например, сжиженный азот, с таким расчетом, чтобы
температура в пробирке опускалась со скоростью 1
минуту.
рез каждый 1ОС пластинку с битумом изгибают и распрямляют. За температуру хрупкости принимают показание термометра в момент появления первой трещины.
Охлаждение начинают от температуры + 15ОС и че-
Температура, при которой битум перехо-
О
С в
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]