2. Состав органических вяжущих веществ.

Органические вяжущие представляют собой сложную смесь углеводородов различных классов и их неметаллических производных. Углерод IV-валентен и главной особенностью является образование соединений, в которых атомы углерода, связанные между собой, могут образовывать цепочные и циклические соединения.

В зависимости от числа атомов и их взаимного расположения изменяются свойства вещества.

В битумах выделяют следующие группы углеводородов, примерно: масла 40-60%, смолы 20-40%, асфальтены 10-25%, карбены и карбойды 1-3%, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды 1%, парафины ≤ 5%.

Масла — вещества желтого цвета плотностью ниже 1000 кг/м³, состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, ароматических и полициклических углеводородов с молекулярной массой 300-800. Масла выделяются из битума легким бензином и придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения.

Смолы (нейтральные и кислые) — легкоплавкие вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета плотностью около 1000 кг/м³. Смолы состоят из более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 600-1000. По химическому составу они в основном относятся к гетероциклическим ароматическим высокомолекулярным соединениям. В смолах сконцентрирована основная масса сернистых, кислородных, а в большинстве случаев и азотистых соединений (до 2 %). Эти соединения в большей части полярные, поверхностно-активные, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водоустойчивые пленки. Смолы плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне, хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, образуя истинные, а не коллоидные растворы.

Содержанием смол обусловливается растяжимость и эластичность битумов.

Парафин относится к твердым метановым углеводородам. Его содержание в битумах зависит от исходного сырья.

Повышение содержания парафина более чем на 5% ухудшает дорожно-строительные свойства битумов. При содержании парафина в битуме до 3,5 % он, как правило, не оказывает существенного влияния на свойства битума. Большее его содержание снижает растяжимость битума и повышает температуру затвердевания. При нагревании парафинистый битум переходит в жидкое состояние при меньшей температуре, чем беспарафинистый. На свойства битумов оказывает влияние не только количественное содержание парафинов, но и структура парафиновых углеводородов.

3. Свойства органических вяжущих веществ

Механические свойства органического вяжущего зависят от температуры вяжущего вещества. К механическим свойствам относят прочность, пластичность, вязкость. Вязкость битума при понижении температуры до t= - 20 -10^◦ C относительно велика и он приобретает свойства твердого тела. С повышением температуры вязкость понижается, и битум переходит в жидкое состояние.

Вязкость зависит от скорости деформации. Это обусловливается процессами структурообразования в битуме, которые влияют на его упругопластические свойства. При разрушении структурных связей в битуме влияние скорости деформации на показатель вязкости уменьшается Установлено, что в состоянии покоя через некоторое время в битуме разрушенные структурные связи восстанавливаются. Это явление носит название тиксотропии.

Для характеристики вязкости твердых и вязких битумов пользуются условным показателем - глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацисй) при действии на нее груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25° С и при 0°С (масса 200 г) в течение 60 с. Глубину проника­ния определяют на специальном приборе - пенетрометре. Она выражается в градусах (1° = 0,1 мм линейного погружения) и обозначается П₂₅ (индекс показывает температуру материала при испытании). Пенетрация дорожных вязких битумов при t = 25° С находится в пределах (300 - 40)∙0,1 мм.

Вязкость жидких битумов и дегтей определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения 50 мл вяжущего через калиброванное отверстие стандартного диаметра (d=5мм, t=60° С).

Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму "восьмерки". Показателем растяжимости битума служит длина нити биту­ма в момент разрыва, выраженная в сантиметрах. Это испытание проводят при температурах 25 и 0°С. При t=25° С дорожные битумы имеют растяжимость более 40см, а при t=0° С растяжимость 0-3см. Растяжимость битумов, так же как и вязкость зависит от температуры, группового состава и характера структуры. Высокие пластические свойства вязких битумов наблюдаются обычно при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и незначительном содержании карбенов и карбоидов.

Битум при изменении температуры сильно меняет свойства и главным образом вязкость. При t = 40 - 50° С битум переходит в жидкообразное состояние и для большинства дорожных конструкций не обеспечивает требуемой прочности. При t= -20 -30°С у битума настолько повышается вязкость, что он становится хрупким и не обеспечивает требуемых свойств дорожных покрытий. Переход битумов из жидкого в вязкопластичное, а затем в твердое (хрупкое) состояние и обратно протекает в определенном интервале температур (от -30 до +60°С), называемом интервалом превращения, а интенсивность изменения вязкопластичных свойств характеризует теплоустойчивость битумов и определяется интервалом пластичности. Температура размягчения определяется на приборе «кольцо и шар». Кольцо заполнят битумом, на его поверхность укладывают шарик и помещают в подогреваемую водяную баню.

За температуру размягчения принимают температуру, при которой битум размягчается и шарик опускается на нижнюю полочку прибора. Температура размягчения битумов колеблется в пределах 30 - 60°С, что соответствует вязкости битума, равной примерно 1кПа∙с. Температура размягчения битумов увеличивается при повышенном содержании асфальтенов и смол.

Температура затвердения или хрупкости определяется на приборе Фрааса. Тонкий слой битума наносят на стальную пластинку и постепенно охлаждают. За температуру хрупкости принимают температуру в момент появления первой трещины на битуме при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов колеблется в пределах от – 5 до - 25°С. Чем ниже температура хрупкости битумов, тем выше трещиностойкость асфальтобетона.

При изменении вязкости битума в зависимости от температуры, на практике определяют индексом пинетрации, выраженном в виде отвлеченного числа. Битум с ИП <2 менее чувствителен к изменению температуры и приближен к свойствам жидкости. Чем больше индекс пенетрации, тем шире интервал пластичности, тем качественней битум для дорожного строительства.

Устойчивость при нагревании органических вяжущих определяют по уменьшению массы и изменению свойств (пенетрации, растяжимости и др.). Пробы нагревают до температуры 160° С в течение 5 ч. Изменения свойств при нагреве объясняются испарением части легких масел, а также процессами окисления и полимеризации, протекающими при нагревании более интенсивно. По этим изменениям можно судить о стабильности свойств вяжущих во времени.

Температура вспышки - это температура, при которой пары, образующиеся при подогреве вяжущего в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного к ним пламени. Температура, при которой это пламя горит не менее 5 с, называется температурой воспламенения. Температура вспышки вязких и твердых битумов не ниже 180 - 200° С, жидких среднегустеющих - не ниже 37 - 60°С и медленногустеющих - 100 - 110°С.

Объемное тепловое расширение битумов характеризуется коэффициентом объемного расширения при t = 25° С.

Он находитределах от 5∙10^-4 до 8∙10^-4. При пониженных температурах он равен 2∙10^-4 на 1°С. Более высокие значения коэффициента соответствуют бо­лее вязким битумам.

Теплоемкость — количество тепла в килоджоулях, необходимое для нагрева 1 кг битума на 1°С. Теплоемкость битумов равна 1,8 - 1,97 кДж/кг.

Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия) зависит от физико-химических свойств вяжущих, содержания в них активных функциональных групп, полярности, поверхностного натяжения. Для определения прилипания битума к каменным материалам существует ряд методов, основанных на способности каменных материалов, предварительно обработанных битумом, удерживать битумную пленку при ее вытеснении при кипячении в воде или механическом встряхивании и вз­балтывании.

Для вязких и жидких битумов определяют сцепление с мрамором и песком.