КЛ01Введение рус

первых, до сих пор не установлена с достаточной четкостью связь между физико-

механическими свойствами битума и его групповым составом, а, во-вторых, выделяе-

мые из битума тем или иным способом соединения и искусственно объединяемые в одну из трех основных групп (асфальтены, смолы, масла) не всегда имеют одинаковые свойства. Свойства каждого из этих компонентов могут быть различны для различных битумов, в зависимости от свойств исходной нефти и способа ее переработки.

На основе работ большинства исследователей, битум в физико-химическом от-

ношении может быть отнесен к коллоидным системам. Дисперсной фазой являются асфальтены с адсорбированной ими частью смол, а дисперсионной средой служат масла и смолы.

Дисперсность асфальтенов поддерживается смолами (выполняющими роль ста-

билизаторов) и зависит от их химической природы. Таким образом, битумная мицелла представляется сложной системой различных по своим свойствам веществ, в которой от ядра (образованного асфальтенами) к периферии наблюдается постепенный пере-

ход от высокомолекулярных соединений к низкомолекулярным.

При нагревании битума происходит разжижение масел и смол, способствующее частичному растворению смол и пептизации (расщеплению) асфальтенов.

Поскольку битумы являются коллоидной системой, то совершенно очевидно,

что свойства их зависят от особенностей этой системы. Р. Трасклер утверждает: «Раз-

личия в текучести и других свойствах, которые проявляются у различных битумов,

обусловлены формой золя или геля или многими промежуточными ступенями, кото-

рые могут существовать между этими двумя крайними формами» коллоидных систем.

5.4. Физические свойства битумов

Битумы относятся к веществам, промежуточным между твердыми и жидкими.

При высоких температурах они приближаются по своим свойствам к жидкости, а при низких – приобретают свойства твердого тела. Таким образом, битумы не могут изу-

чаться только законами теории упругости или пластичности, применимыми для твер-

дых тел, или только законами гидравлики, применимыми для жидкостей. Для изуче-

ния подобных веществ, обладающих свойствами и твердых, и жидких тел, применимы законы реологии. Всестороннее изучение физических свойств битумов, важных для оценки их как дорожно-строительных материалов, возможно лишь путем определения соответствующих реологических характеристик. Определение реологических свойств

требует специального оборудования и сопряжено с определенными трудностями. В

производственных условиях принято оценивать реологические свойства битумов по упрощенно определяемым условным показателям.

Вязкость. Вязкость битумов является их важнейшей реологической характери-

стикой. Как известно, вязкостью (или внутренним трением) называется сопротивле-

ние, испытываемое средой при движении одних ее частей относительно других.

Вязкость нефтяных битумов изменяется в широких пределах в зависимости от их 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, характе-

ризующиеся жидко-текучим состоянием при нормальной температуре, имеют сравни-

тельно небольшую вязкость, во много раз меньшую, чем у вязких дорожных битумов.

Битумы можно сопоставлять по вязкости только при определенной температуре.

Определение вязкости в абсолютных единицах сопряжено с определенными трудностями. Для характеристики вязкости битумов приняты следующие условные показатели:

глубина проникания иглы (пенетрация), определяемая специальным прибором – пенетрометром;

температура размягчения битума, определяемая по методу «кольцо и шар».

Характеристика вязкости битума по глубине погружения в испытуемый образец стандартной иглы широко применяется как в странах СНГ, так и за рубежом. Для это-

го испытания приняты следующие стандартные условия: нагрузка на иглу – 100 г,

продолжительность погружения – 5 сек. Глубина проникания (пенетрация) измеряется в условных единицах – градусах пенетрации (рис.5.1). Определение производится при температуре битума +25°С. Чем выше вязкость битума тем меньше глубина проника-

ния. Для вязких дорожных битумов глубина проникания при температуре +25 С ко-

леблется в пределах от 41 до 200 и более.

Температура размягчения битума является также условным показателем, харак-

теризующим его вязкость при более высоких температурах. Этот показатель, опреде-

ляемый на приборе «кольцо и шар», получил также широкое распространение. Сущ-

ность этого определения заключается в следующем: кольцо определенной высоты и диаметра заполняется слоем битума, на который укладывается стальной шарик. Коль-

цо с битумом, погруженное в стакан с водой, нагревается со скоростью 5 С в минуту до тех пор, пока шарик не пройдет через кольцо. Температура битума, замеренная в этот момент, и принимается за температуру размягчения.

Температура размягчения вязких дорожных битумов колеблется в пределах от

+25 до +50°С и выше.

Рис. 5.1. Пенетрометр

Из сказанного видно, что оба основных показателя вязкости (глубина проника-

ния и температура размягчения) характеризуют вязкость битума лишь при двух тем-

пературах (а для улучшенных марок при трех). Определить глубину проникания при высоких (положительных), а также и при низких (отрицательных) температурах нель-

зя. Определение вязкости вязких битумов при повышенных температурах, когда они приобретают жидко-текучее состояние, может производиться по аналогии с определе-

нием вязкости жидких битумов–при помощи вискозиметров, о чём сказано ниже. Это определение принципиально отличается от определения глубины проникания, и по-

этому получающиеся два показателя вязкости (при пониженных и повышенных тем-

пературах) трудно между собой связать. Таким образом, ни один из этих условных показателей вязкости не может быть применен к характеристике битума в широком температурном интервале. Это является большим недостатком применяемых способов

определения вязкости.

Вязкостью битума определяются свойства асфальтового бетона в весьма широ-

ком температурном интервале. Вязкость битума оказывает большое влияние на техно-

логические свойства асфальтобетонной смеси – удобообрабатываемость в процессе перемешивания, а затем и во время укладки и уплотнения, т. е. в интервале темпера-

тур от +70 до +170° С, а для смесей, применяемых в холодном или теплом состоянии,

от +5 до +120°С.

От этого же свойства битума во многом зависят важнейшие эксплуатационные свойства асфальтового бетона: его поведение при высоких летних температурах (дос-

тигающих для верхнего слоя покрытия 50–60° С) и низких температурах в зимний пе-

риод.

При получении устойчивого покрытия важно, чтобы вязкость битума в мень-

шей степени изменялась в интервале температур, при которых протекает работа до-

рожных покрытий.

При оценке качества битума большое значение имеет соотношение между пока-

зателем глубины проникания и температурой размягчения. Исходя из условий работы в дорожном покрытии, более ценными являются битумы, у которых при данной тем-

пературе размягчения более высокий показатель глубины проникания. Это будет оз-

начать относительно меньшую восприимчивость битумов к изменению температуры.

Имеется ряд способов для характеристики температурной восприимчивости би-

тумов. Пфейффер и Ван-Доормалл предложили в качестве критерия температурной восприимчивости определять так называемый индекс пенетрации, исходя из соотно-

шения глубины проникания и температуры размягчения. Исходными положениями,

принятыми авторами этого метода, являются следующие:

а) наличие линейной зависимости логарифма пенетрации от 5, температуры (в

интервале до 60° С);

б) в качестве эталонного принят мексиканский битум с показателями вязкости:

температура размягчения по методу «кольцо и шар» – 40°С, глубина проникания при температуре +25°С – 200. Такой битум, как и ряд других мексиканских битумов, при температуре, соответствующей температуре размягчения, имеет глубину проникания

800.

Исходя из указанных условий, получено следующее выражение для коэффици-

ента температурной восприимчивости:

На рис. 1 приведена номограмма для определения индекса пенетрации. Для ука-

занного выше эталонного мексиканского битума индекс пенетрации – 0. Битумы, об-

ладающие большей температурной восприимчивостью по сравнению с эталонным,

имеют индекс пенетрации со знаком минус. Битумы с меньшей температурной вос-

приимчивостью характеризуются индексом пенетрации со знаком плюс.

Рис. 5.2. Номограмма для определения индекса пенетрации.

Кроме рассмотренных выше двух характеристик вязкости, существует и ряд других. В частности, большое значение имеют характеристики вязкости при пони-

женных или отрицательных температурах. Одной из таких характеристик является температура хрупкости, определяемая на приборе Фрааса. (рис. 5.3). Определение производится в тонком слое битума, нанесенном на металлическую пластинку. В ука-

занном приборе пластинка подвергается изгибанию при равномерно снижающейся температуре. Температура, замеренная в момент появления излома в испытуемом слое битума, принимается за температуру хрупкости. Таким образом, температура хрупко-

сти означает ту низшую температуру, при которой битум (в данных условиях испыта-

ния) теряет вязко-пластические свойства и становится хрупким.

Хрупкость битума, а следовательно, и хрупкость асфальтового бетона при от-

рицательной температуре сказываются на эксплуатационных свойствах дорожных по-

крытий: повышается склонность к образованию трещин, к деформациям и разрушени-

ям, связанным с выкрашиванием покрытия.

Рис. 5.3. Прибор Фрааса для определения температуры хрупкости битума.

Поэтому температура хрупкости является важной характеристикой битумов.

Чем ниже температура хрупкости, тем больше температурный интервал, в котором битум находится в вязкопластичном состоянии, следовательно, тем лучше и его до-

рожно-эксплуатационные свойства.

Температура хрупкости зависит от вязкости битума и свойств исходного сырья.

Для битумов, полученных из однородного сырья, увеличение вязкости приводит к по-

вышению температуры хрупкости, и наоборот. Большое влияние на температуру хрупкости оказывает содержание в битуме парафина.

Пластичность. Битум, применяемый для производства асфальтобетона, должен обладать определенной пластичностью, придающей асфальтобетонному покрытию необходимые эксплуатационные свойства. Степень пластичности битумов принято оценивать по их способности растягиваться в нить определенной длины под влиянием нагрузки. Это свойство битума получило название растяжимость (дуктильность). Оп-

ределение растяжимости производится при помощи дуктилометра, в котором испы-

туемый образец растягивается с постоянной скоростью. Длина битумной нити, заме-

ренная в момент ее обрыва, выраженная в сантиметрах, и является показателем рас-

тяжимости.

Растяжимость зависит от химического состава битума и его температуры. Как уже отмечалось, носителем эластичности битумов являются смолы. Для однородных битумов (по источнику сырья и технологии переработки) существует определенная зависимость между вязкостью и растяжимостью: чем больше вязкость, тем меньше растяжимость. Чем меньше глубина проникания, тем меньше растяжимость, и наобо-

рот.

С растяжимостью битума тесно связано одно из важнейших свойств асфальто-

вого бетона – его деформативная способность при низких температурах, когда ас-

фальтобетонное покрытие испытывает значительные растягивающие усилия. Недос-

таточная деформативная способность приводит к быстрому разрушению асфальтового бетона: в дорожных покрытиях появляются трещины.

Наиболее показательным является определение растяжимости при отрицатель-

ных температурах. Однако в обычно применяемых для этой цели дуктилометрах оп-

ределение растяжимости при отрицательных температурах связано с большими труд-

ностями. Сравнительно легко можно определить показатель растяжимости при 0°С.

Растяжимость определяется при температуре битума +25°С и 0 С. Скорость растягивания принята 5 см в минуту. Для вязких дорожных битумов растяжимость при температуре +25° С колеблется в пределах от 40 до 100 см и выше.

Проблема повышения пластичности битумов при отрицательных температурах привлекает к себе в последнее время внимание ряда исследователей. Особое значение эта проблема приобретает для дорог в районах с низкими зимними температурами.

5.5. Термические свойства битумов

Для выбора правильного режима нагрева битума важно знать действие темпе-

ратуры на его свойства, а также температуру вспышки и теплоемкость.

Действие температуры. Нагрев битума сопровождается испарением наиболее легких фракций, а также окислением и полимеризацией. Все это приводит к измене-

нию группового состава и свойств битума, а также к потере в весе. Степень изменения свойств битума и относительная величина потери веса зависят от многих факторов:

температуры и продолжительности нагрева; отношения объема нагреваемого битума к его свободной поверхности (доступной действию кислорода воздуха); разновидности битума (по вязкости, исходному сырью и технологии получения). Изменение свойств

битума в результате нагревания выражается главным образом в повышении вязкости.

Длительный нагрев или нагрев при высокой температуре может вызвать глубо-

кие изменения структуры битума, нередко сопровождающиеся потерей вяжущих свойств. Как установлено многими исследователями, такие глубокие изменения свя-

заны преимущественно с происходящими в битуме процессами окисления и полиме-

ризации и в меньшей степени зависят от испарения легких фракций. В результате дли-

тельного нагрева наблюдаются значительные изменения свойств у более вязких биту-

мов.

При прочих равных условиях, большое влияние на изменение свойств битума при нагреве оказывают толщина прогреваемого слоя и площадь свободной поверхно-

сти. Уменьшение толщины слоя вызывает большее изменение свойств. С этой точки зрения важно не допускать перегрева асфальтобетонной смеси, в которой битум, как известно, распределен на поверхности минеральных частиц тонкими слоями. Перегрев асфальтобетонной смеси и связанный с ним перегрев битума не всегда проявляется при стандартных испытаниях асфальтобетонных образцов. Но это почти всегда сказы-

вается на снижении длительной водоустойчивости и особенно на снижении морозо-

устойчивости. В связи с этим должны строго поддерживаться температура и длитель-

ность нагрева битума, а также температура асфальтобетонной смеси, устанавливаемая в зависимости от особенностей применяемого битума.

По действующему ГОСТу на вязкие дорожные битумы потеря весе и изменение свойств определяются после нагревания битума в определенных условиях до темпера-

туры 160°С в течение 5 час. Меньшие потери в весе при нагревании указывают, что битум мало изменяет свои свойства, а следовательно, и обладает большей темпера-

турной устойчивостью.

Изменение свойств битума после нагрева может служить и показателем его ус-

тойчивости против старения. Как правило, битумы, обнаружившие большие измене-

ния свойств после нагрева оказываются более склонными к старению.

Температура, при которой происходит воспламенение паров битума при кон-

такте с пламенем, называется температурой вспышки. Для битума, применяемого в асфальтобетоне, температура вспышки должна быть не ниже 200°С. Это важно с точ-

ки зрения пожарной безопасности работ, связанных с нагревом битума.

Теплоемкость битума для практических расчетов может быть принята в преде-

лах от 0,4 до 0,5. В интервале температур от 0 до 100°С теплоемкость битума прибли-

жается к величине 0,4. Более точно теплоемкость может быть определена по формуле:

где С – средняя теплоемкость;

– удельный вес битума при температуре +15° С;

t – температура, при которой определяется теплоемкость. Удельная теплоем-

кость битума примерно в 2 раза выше удельной теплоемкости каменных материалов.

Коэффициент объемного расширения битума может быть принят равным 0,006.

Теплопроводность битума составляет ориентировочно 0,14 ккал/м час град, по сравнению с теплопроводностью кварца ниже в 40 раз, а базальта–в 15 раз.

5.6. Погодоустойчивость и старение битумов

Под воздействием атмосферных факторов – температуры, света, воздуха и воды

– происходят изменения физических свойств и химического состава битумов. Их со-

ставные части изменяются, переходя частично из одних видов в другие: масла перехо-

дят в смолы, смолы в асфальтены. Но процесс превращения масел в смолы идет зна-

чительно медленнее, чем превращение смол в асфальтены. Таким образом, с течением времени в битуме происходит увеличение количества асфальтенов. Количество же смол, придающих битуму пластичность, тягучесть, со временем уменьшается. По мере накопления асфальтенов постепенно теряются пластические свойства битума и увели-

чивается его хрупкость. Этот процесс называется «старением» битума.

При наблюдении за битумом, хранящимся длительное время на открытом воз-

духе, можно видеть внешние изменения: битум становится более светлым, с матовой поверхностью, на которой образуются складки, трещины, наблюдается деформация.

В результате длительного воздействия атмосферных факторов происходит про-

цесс окисления битума за счет присоединения кислорода воздуха и полимеризации. В

связи с этим изменяются свойства битума: увеличивается вязкость, повышается тем-

пература размягчения и уменьшается растяжимость.

В связи со старением битума происходит также и старение асфальтобетона, что значительно ухудшает свойства дорожных покрытий. Повышающаяся с течением времени хрупкость битума делает асфальтовый бетон также более хрупким. В частно-

сти, он в значительной степени теряет способность к восприятию растягивающих на-

пряжений. При этом в асфальтобетонном покрытии при резких понижениях темпера-

туры в зимнее время наблюдается образование трещин. Повышенная хрупкость ас-

фальтового бетона усиливает процесс его выкрашивания, что снижает срок службы покрытия.

Битумы, подвергавшиеся длительному нагреву при высоких температурах, ока-

зываются, как правило, менее стойкими против старения. Установлено, что образцы из смесей с более высоткой температурой во время перемешивания (170–190°С) обна-

ружили после длительного хранения наибольшее увеличение прочности на сжатие, а

следовательно, и наиболее интенсивное нарастание хрупкости.

О том, насколько влияет длительный нагрев битума на интенсивность его ста-

рения, показывают и данные И. А. Уска. Изменения свойств битумов после десяти-

летнего хранения характеризуются сравнительно небольшими величинами. Но те же битумы, предварительно подвергнутые нагреву (в связи с определением потери в ве-

се), показали после десятилетнего хранения значительно большие изменения свойств.

Большие изменения свойств битума происходят при нагреве битумоминераль-

ных композиций. В этом случае некоторые минеральные материалы выполняют роль катализаторов, в присутствии которых окислительные реакции протекают более ин-

тенсивно. Это обстоятельство отмечалось также в работах А. И. Лысихиной, И. А. Ус-

ка, И. Пфейффера.

Рассматривая изменение свойств битума и битумоминеральных смесей во вре-

мени, 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 водоустойчивость и морозоустойчи-

вость асфальтового бетона. Повышение вязкости битума в этот период приводит к оп-

тимальному повышению прочности и деформационной устойчивости асфальтового бетона. Затем наступает период, к которому уже с полным правом применим термин

«старение»: в связи с повышением хрупкости битума уменьшается сцепление, приво-

дящее к снижению коррозионной устойчивости покрытия, а вследствие чрезмерной жесткости в нем чаще появляются трещины.

Битумы, как и битумоминеральные композиции, различаются по соотношению продолжительности этих периодов. У наиболее устойчивых против старения битумов