Физические проявления взаимодействия между битумом и твердым материалом

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Реферат

Тема: Физические проявления взаимодействия между битумом твердым материалом



Содержание

Введение

1. Битумные вяжущие вещества

1.1 Элементарный состав битумов

1.2 Твердая часть битума

1.3 Смолы

1.4 Масляные фракции битумов

2. Свойства битумов

2.1 Физические свойства

2.2 Физико-химические свойства

2.3 Химические свойства

2.4 Физико-механические свойства

3. Природные битумы

4. Битумы нефтяные, состав, структура и свойства

5. Получение нефтяных битумов

6. Основное назначение битума и физические проявления взаимодействия между битумом твердым материалом

7. Общие требования к битумным эмульсиям

8. Эмульгирование

9. Адгезия

10. Перспективные направления развития битумных эмульсий

Заключение

Список литературы

смола масляная фракция битум эмульсия



Введение

Битумы - твердые или жидкие водонерастворимые смеси углеводородов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Различают природные битумы (например, вязкие нефти, асфальт) и искусственные, получаемые в результате перегонки нефти, крекинга и очистки масел. Применяют в дорожном строительстве, а также производстве изоляционных материалов (например, рубероид).

Типы защитных слоев и тонкослойных покрытий, устраиваемых на укрепленных грунтах, чрезвычайно разнообразны. Среди защитных слоев наиболее широкое применение находит одиночная, двойная или тройная поверхностная обработка с использованием в качестве вяжущего битума или битумных эмульсий (особенно в последние годы). В зависимости от вида каменных материалов и погодных условий применение находят как катионные, так и анионные эмульсии.

Поверхностные обработки, устраиваемые на цементогрунте, в большинстве случаев довольно быстро разрушаются, что зачастую приводит к его интенсивному износу ввиду абразивного действия несвязного щебня при движении транспортных средств. Одной из действенных мер, предпринимаемых для увеличения срока службы поверхностной обработки на цементогрунте, следует признать пропитку его верхнего слоя жидким битумом с целью повышения его деформативности и снижения хрупкости [21].

Заслуживают внимания работы, посвященные продлению сроков службы поверхностных обработок путем улучшения свойств (прочности, эластичности) применяемых при этом вяжущих. Это достигается за счет растворения в них добавок полимеров в небольших количествах (2 - 3% от массы вяжущего). В качестве таких добавок используют латексы, термоэластопласты, каучуки [22, 23]. В Германии был осуществлен эксперимент по созданию защитного слоя на свежем (только что укатанном) цементогрунте путем розлива по его поверхности анионной эмульсии в количестве 1,6 л/м² и россыпи каменной мелочи. Этот эксперимент интересен тем, что возникает возможность исключить операцию ухода за цементогрунтом и устранить технологический разрыв между укладкой цементогрунта и защитного слоя [24].

При исследовании свойств таких слоев, выполненных в виде поверхностных обработок, основным критерием устойчивости является износостойкость, предопределяющая их срок службы. Сдвигоустойчивость защитных слоев обеспечивается силами трения, возникающими между минеральными составляющими поверхностной обработки и основанием из укрепленного грунта.

Для прогнозирования сроков службы таких слоев и покрытий в лабораториях некоторых научно-исследовательских институтов России созданы специальные дорожки, на которых образцы испытывают многократными проходами специальных тележек на пневмоколесах. Такие же дорожки используются в исследовательских лабораториях многих стран [25, 26].

Значительное распространение в настоящее время имеют тонкие защитные слои из холодных органоминеральных смесей на битумных эмульсиях. Наиболее известен среди них - защитный слой «Slurry Seal», разработанный в США более 50 лет назад [27]. Эти смеси готовили на анионных эмульсиях путем перемешивания в автобетономешалках и укладывали вручную или с помощью распределителей ящичного типа. Смеси получали смешением крупного песка (высевок) с 7 - 10% цемента или извести, 20 - 25% быстрораспадающейся эмульсии и 10 - 15% воды, добавляемой до получения нужной консистенции. При укладке такая смесь распределяется выглаживающей лентой, а при движении транспортных средств вдавливается и проникает в поры и трещины основания, прочно сцепляясь с ним. Распад анионной эмульсии зависит от погодных, климатических условий и многих других факторов, поэтому смесь формируется в течение нескольких часов и подвергается в этот период опасности размыва дождем. Этих недостатков лишены катионные эмульсии, распад которых почти не зависит от погодных условий. Поэтому в последнее время стали применять смеси на быстрораспадающихся эмульсиях с катионоактивными эмульгаторами. Дальнейшим развитием этой технологии явилось создание самоходной универсальной машины, на которой смонтированы бункеры для песка и цемента, баки для эмульсии и воды, мешалка и навесной распределитель. Песок и цемент непрерывно подаются питателями в мешалку, увлажняются водой и затем смешиваются с эмульсией. Весь процесс идёт непрерывно, и готовая смесь распределяется сзади машины тонким слоем шириной 3,0 - 3,5 м. Через 15 - 30 мин происходит распад эмульсии и начинается формирование смеси, а через 1 ч можно открывать движение транспортных средств, регулируя в течение 1 - 2 ч их скорость (не выше 30 км/ч). В результате образуется плотный водонепроницаемый коврик, прочно связанный с покрытием.

Преимущества нового защитного слоя были быстро и по достоинству оценены во многих странах, где по примеру США стали разрабатывать составы смесей и средства механизации для приготовления и укладки тонких слоев с использованием анионных и катионных битумных эмульсий. В России первые километры такого защитного слоя были уложены однопроходной машиной Д-22 в 1976 г.

В настоящее время эта технология успешно внедряется в России как в средней полосе, так и в северных широтах [28, 29].

В ряде стран применение смесей на катионных эмульсиях сдерживается дефицитностью и высокой стоимостью катионоактивных эмульгаторов, а также отсутствием сложных в изготовлении однопроходных универсальных машин. В то же время возможность использования местных материалов в качестве эмульгаторов, простота изготовления и технологичность явились хорошими предпосылками для широкого распространения холодных битумоминеральных смесей на пастах. Наиболее известны такие смеси в Германии, России, Польше [30, 31]. Используя разработки ГП «Росдорнии», дорожники России уложили более чем на 3 тыс. км дорог защитный слой из холодной смеси на пасте.

Холодные смеси на пастах нашли также применение в качестве закупорочного слоя в крупнопористом покрытии. Впервые такая технология была использована в Германии в 60-е годы, где в качестве тонкослойных покрытий, укладываемых на укрепленный грунт, применяли открытые смеси из щебня, обработанного органическими вяжущим (черного щебня), толщиной слоя 3 - 4 см. Эти покрытия водопроницаемы. При попадании воды в дорожную одежду может произойти переувлажнение верхней зоны укрепленного грунта и самого покрытия и их разрушение осенью и весной при попеременном замораживании-оттаивании. Поэтому проблема создания водонепроницаемых покрытий, устраиваемых на укрепленных грунтах, является одной из основных в достижении долговечности таких конструкций.

Наиболее эффективной мерой по обеспечению водонепроницаемости покрытий из черного щебня является использование холодных смесей на пасте. В Германии для этой цели применяли смесь следующего состава: мелкий песок - 47,25%, битумная паста - 47,25%, вода - 5,5%. Состав битумной пасты: битум - 35%, эмульгатор (фильтр-прессная грязь) - 35%, вода - 40%. Смесь готовили по двухстадийному методу, смешивая в обычной бетономешалке песок, воду и битумную пасту, приготовленную заранее на битумной базе. Готовую смесь подвозили тракторным самосвалом и выгружали в прицепной распределитель ящичного типа. При движении последнего смесь, обладая хорошей подвижностью, заполняла пустоты и поры покрытия из черного щебня. Уже через сутки было открыто движение по построенному участку. Через несколько дней смесь сформировалась и уплотнилась, надежно предохраняя дорожную одежду от попадания в нее воды [32]. Используя положительный опыт Германии, автор данного обзора провел опытные работы в Татарстане с применением холодной смеси на пасте в качестве закупорочного слоя покрытия из черного щебня, уложенного на цементогрунт. Несмотря на укладку поздней осенью в холодную, сырую погоду, смесь хорошо сформировалась, а обследования, проведенные спустя четыре года, показали, что опытный участок находится в отличном состоянии: на опытном участке не было замечено никаких значительные деформаций, а поперечные трещины отсутствовали [33].

Повышенная трещиностойкость и сдвигоустойчивость, а также водонепроницаемость и хорошая шероховатость, подтвержденные данными обследований, свидетельствуют о перспективности такого типа покрытий на жестких основаниях (в частности - цементогрунте) и о несомненных преимуществах его перед асфальтобетоном, применяемым наиболее часто в подобный конструкциях в настоящее время.

Холодные битумоминеральные смеси на эмульсиях и пастах зарекомендовали себя с самой лучшей стороны. Простота изготовления, использование для их приготовления вязки «непережженных» битумов, отсутствие подогрева и меньшая склонность к трещинообразованию служат хорошими предпосылками для их широкого распространения в дорожном строительстве. Несмотря на то, что некоторые исследователи по-прежнему считают вполне надежным тонкослойным покрытием на цементогрунтовом основании традиционный слой из среднезернистого асфальтобетона толщиной 4 - 6 см [2, 34], в последнее время все чаще появляются рекомендации к использованию материалов, значительно превосходящих асфальтобетон по целому ряду свойств. Например, в Германии в качестве тонкослойного покрытия начали применять песчаный асфальтобетон на специальном вяжущем, которое состоит из битума и введенных в него добавок, повышающих его пластичность и адгезионные свойства. Особенности материала заключаются в хорошей обрабатываемости, что позволяет его укладывать очень тонкими слоями, а также в большой эластичности, деформативности, водонепроницаемости. Покрытие обладает прочным сцеплением с основанием, имеет хорошую шероховатость [35].

Подобные слои толщиной 20 - 40 мм из смесей на модифицированных вяжущих, обеспечивающих слою высокую деформативность, в настоящее время устраивают во многих странах [36, 37, 38]. Слои, как правило, имеют высокие сцепные качества за счет использования дробленого песка и минеральных материалов прерывистой гранулометрии.

Очень перспективно устройство на основаниях из укрепленных грунтов тонкослойных покрытий из смесей битумоминеральных открытых [39] и щебеночно-мастичных [40]. Эти смеси, укладываемые слоями толщиной 2 - 6 см, имеют до 85% щебня и высокое содержание минерального порошка и битума, что создает устойчивый каркас при уплотнении покрытия и низкий уровень пустот в слое. Повышенное содержание прочного кубовидного щебня в смеси позволяет достичь высоких показателей сцепления с колесом автомобиля, шероховатости, сдвигоустойчивости и износостойкости покрытия, а асфальтового вяжущего - водо- и морозостойкости, водонепроницаемости и усталостной стойкости слоя. При устройстве таких покрытий на основаниях из укрепленного грунта хорошая сдвигоустойчивость в плоскости раздела обеспечивается значительными силами трения, возникающими в местах контакта многочисленных щебенок покрытия с основанием. В России имеется положительный опыт устройства указанных конструкций [41].

Значительный интерес для устройства тонкослойных покрытий толщиной 3 - 5 см на основаниях из укрепленных грунтов представляют влажные органоминеральные смеси (ВОМС). Эта смесь состоит из увлажненных минеральных материалов подобранного гранулометрического состава, активатора и жидкого органического вяжущего. Возможность применения местных минеральных материалов, меньший по сравнению с горячим асфальтобетоном расход органического вяжущего и энергии на приготовление смеси позволяют отнести этот материал к категории экономичных, а технологию производства - к ресурсо- и энергосберегающей [42]. Холодная технология приготовления ВОМС и использование жидких органических вяжущих обеспечивают смеси хорошую деформативность и высокую предельную относительную деформацию. Многочисленные обследования участков дорог с покрытиями из ВОМС, уложенными на основание из цементогрунта, свидетельствуют о значительном снижении количества трещин (в том числе отраженных) по сравнению с покрытием из асфальтобетона.



1. Битумные вяжущие вещества

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

1.1 Элементарный состав

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5%, азота 0-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться смеси углеводородов метанового и нафтенового рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Все многообразие соединений, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

1.2 Твердая часть битума

Твердая часть битума - это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотностью более 1, объединенные общим названием "асфальтены". В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в ССI₄ и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды-парафины.

1.3 Смолы

Смолы представляют собой аморфные вещества темно- коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1.



1.4 Масляные фракции

1.4. Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18-20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности - от тяжелых смол к маслам.



2. Свойства битумов

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальгенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким.

2.1 Физические свойства

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см³. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м^.°С); теплоемкость -1,8-1,97 кДж/кг^.°С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5*10^-4 до 8*10^-40С^-1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения.

Устойчивость при нагревании характеризуется: потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240°С в зависимости от марки).
Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

2.2 Физико-химические свойства

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см². От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем).

Старение - процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава, строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко- упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации.

2.3 Химические свойства

Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

2.4 Физико-механические свойства

Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора - пенетрометра.

Температуру размягчения определяют на приборе "кольцо и шар", помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом.



3. Природные битумы

Природные битумы (вязкие и жидкие) могут встречаться как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), пропитанные природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации нефти, пропитавшей эти осадочные горные породы.

Вязкие природные битумы получают путем извлечения их из известняков, доломитов или песчаников, пропитанных природными битумами.

Природные битумы по ряду показателей их свойств (высокой адгезии, погодоустойчивости) превосходят нефтяные. Применение природных битумов в строительстве ограничивается высокой стоимостью и относительно малым объемом их производства. Вязкие природные битумы используются главным образом в химической и лакокрасочной промышленности. При переработке асфальтовых горных пород могут быть получены асфальтовый порошок, асфальтовая мастика или асфальтовый бетон для холодной укладки. Асфальтовый порошок получают путем измельчения карбонатных пород, если содержание природного битума в них не превышает 2... 3% по массе. Он имеет широкое применение для изготовления асфальтовых бетонов и растворов. Асфальтовая мастика -- продукт объединения асфальтового порошка с природным или нефтяным битумом.

К недостаткам как природных, так и нефтяных битумов следует отнести их повышенную хрупкость при отрицательных температурах.

В качестве природных жидких битумов в строительстве используются тяжелые, высокосмолистые нефти.



4. Битумы нефтяные, состав, структура и свойства

Нефтяные битумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие продукты переработки нефти. По химическому составу битумы -- сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных азота, кислорода и серы, полностью растворимые в сероуглероде. Для исследования битумов их разделяют на основные группы углеводородов (близкие по свойствам) -- масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.

Масла -- смесь циклических углеводородов (в основном нафтенового ряда) светло-желтой окраски с плотностью менее 1 и молекулярной массой 300...500; повышенное содержание масел в битумах придает им подвижность, текучесть. Количество масел в битумах колеблется в пределах 45...60%.

Смолы -- вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета с плотностью около 1 и молекулярной массой до 1000. Смолы имеют более сложный состав углеводородов, нежели масла. Они состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений нейтрального характера и придают битумам большую тягучесть и эластичность. Содержание смол 15.,30%. Асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды) - твердые, неплавкие вещества с плотностью несколько больше 1 и молекулярной массой 1000...5000 и более. Эта группа углеводородов является существенной составной частью битумов. Повышенное содержание асфальтенов в битуме определяет его высокие вязкость и температурную устойчивость. Общее содержание асфальтенов в различных битумах составляет 5...30% и более.

Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко в малом количестве (1...2%) и способствуют повышению хрупкости битума.

Асфальтовые кислоты и их ангидриды -- вещества коричневатого цвета смолистой консистенции с плотностью более 1. Они относятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми. Асфальтогеновые кислоты являются поверхностно-активной частью битума и способствуют повышению сцепления его с поверхностью минеральных заполнителей. Содержание их в нефтяных битумах составляет около 1 %.

Вышеуказанные группы углеводородов битума образуют сложную дисперсную систему -- коллоидный раствор, в котором жидкая среда --это масла и раствор смол в маслах, а твердая фаза представлена асфальтенами, на поверхности которых адсорбированы асфальтогеновые кислоты. Масла, смолы и асфальтены входят в состав битумов в различных соотношениях и тем самым предопределяют их структуру. В зависимости от количественного содержания масел, смол и асфальтенов (а также от температуры нагрева) коллоидная структура битума -- «гель», «золь», «зольгель» претерпевают изменения от типа «золь» до типа «гель». Структура гель -- характерна для твердых битумов при температуре 2О...25°С и обусловливается обычно повышенным содержанием асфальтенов. Структура золь присуща битумам жидкой консистенции с повышенным содержанием смол и масел.

Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости; кроме того, следует отметить высокую адгезию, обусловливающую способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей; они способны также придавать гидрофобные свойства материалам, обработанным битумом.

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. 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. Для характеристики вязкости, точнее величины обратной вязкости, т. е. текучести битумов, принимается условный показатель -- глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум определяют на приборе -- пенетрометре при действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0°С при грузе 200 г в течение 60 с. Пеиетрация твердых или вязких битумов выражается в единицах (градусах), равных 0,1 мм проникания иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.

Пластичность является важным свойством битумов. Она повышается с увеличением содержания масел, длительности действия нагрузки и повышения температуры. Пластические свойства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) - способностью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе -- дуктилометре при скорости деформации образца битума в виде «восьмерки» 5 см/мин, температурах 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.

Существенной характеристикой свойств битума является также и температура размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» («К и Ш»), Температура размягчения битума, выраженная в градусах Цельсия, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора в момент, когда битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16,0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3,5 г и постепенного нагрева воды со скоростью 5°С в минуту, коснется нижней полки подставки. Нижняя полка подставки прибора находится на стандартном расстоянии от кольца, равном 25 мм. Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в. пределах от 20 до 95°С.

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 его морозостойкость и выше качество.

Температура вспышки -- температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяют на стандартном приборе и отмечают по показанию термометра в момент вспышки паров битума. Температура вспышки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует степень огнеопасности битума при его разогреве.

Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия-- прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. 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 один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды.

В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки:

1. Для дорожного строительства но ГОСТу предусмотрены пять марок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60, где цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С, и четыре марки БН от 200/300 до БН-60/90.

2. Для строительных работ по ГОСТу предусмотрено три марки, обозначаемые «БН» -- битум нефтяной: БН-50/50, БН-70/30 и БН-90/10, где цифры числителя дроби соответствуют показателю температуры размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а знаменателя -- указывают на средние значения пределов изменения пенетрации при 25°С.

3. Для кровельных работ по ГОСТу предусмотрены следующие марки: БНК (битум нефтяной кровельный)-45/180, БНК-90/40 и 90/30, а также БНК-45/190. В данном случае числитель дроби соответствует среднему значению показателей температуры размягчения по «К и Ш», а знаменатель -- среднему значению показателей пенетрации на 25^оС.

Кроме твердых и вязкопластичных битумов указанных марок существуют жидкие битумы. Жидкие битумы при комнатной температуре имеют незначительную вязкость, т. е. жидкую консистенцию, и применяются в строительстве в холодном или слегка подогретом (до 50.. .60°С) состоянии.

Вследствие испарения летучих фракций и процессов окисления жидкие битумы постепенно загустевают. В зависимости от скорости загустевания жидкие нефтяные битумы выпускают двух классов--густеющие со средней скоростью (класс СГ) и медленногустеющие (класс МГ). Жидкие битумы класса СГ изготовляют путем разжижения обычных, вязких битумов легкими разжижителями типа керосина. Для получения битумов класса МГ применяют разжижители каменноугольного или нефтяного происхождения (нефть, мазут и т. п.). В зависимости от показателей вязкости дорожные жидкие битумы классов СГ и МГ каждый делят на три марки - эти битумы должны удовлетворять требованиям ГОСТа.



5. Получение нефтяных битумов

Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей отличающихся друг от друга химическим составом и свойствами.

Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций -- гудрон, крекинг -- в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно-вакуумной перегонке нефти (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке нефти (компаундированные битумы).

Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению.

Окисленные битумы получают путем продувки воздухом нефтяных остатков (гудрона) на специальных окислительных установках до заданной вязкости. В результате взаимодействия кислорода воздуха с гудроном в процессе продувки идет реакция образования высокомолекулярных компонентов окисленного битума и повышение его вязкости. За последнее время освоен метод непрерывного окисления битума. Нефтяные остатки при температуре около -210°С поступают в реактор, где с помощью специальных аппаратов (диспергаторов) засасывается воздух и распределяется в окисляемом продукте. В данной технологии наряду с интенсификацией процесса окисления улучшается качество окисленного битума.

Смешанные (компаундированные) битумы получают в основном путем смешения битума деасфальтизации (остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном) с масляными дистиллятами. Нефтяные битумы, как твердые или вязкопластичные, так и жидкие, находят широкое применение в строительстве. Их используют для устройства дорожных покрытий, покрытий аэродромов, устройства плоских кровель, ирригационных каналов, производства гидроизоляционных и кровельных материалов в лакокрасочной и химической промышленности.



6. Основное назначение битума и физические проявления взаимодействия между битумом твердым материалом

Нефтяной дорожный битум широко применяется при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог в качестве вяжущего материала.

Основное его назначение - связывание минерального остова смеси в единое целое, чтобы обеспечить технологические и эксплуатационные характеристики дорожной одежды при воздействии на нее движения и климатических факторов. Поэтому можно сформулировать основные требования, которым битумные вяжущие должны удовлетворять:

- иметь вязкость, которая, с одной стороны, позволит равномерно распределить битум по обрабатываемой поверхности, а с другой - связывать (склеивать) обработанные им материалы в единое целое;

- хорошо смачивать минеральные частицы и прочно удерживаться на их сухой или увлажненной поверхности, т.е. хорошо прилипать к ней;

- обладать достаточной стабильностью свойств при воздействии различных климатических, технологических и эксплуатационных факторов.

Весь технологический процесс приготовления смесей на основе битумов и устройства (укладки, уплотнения) слоев дорожной одежды из них определяется вязкостью битума. В этом случае, чем менее вязким будет вяжущее, тем равномернее оно будет распределено по обрабатываемой поверхности, тем легче будет проникать в поры и мелкие трещины.

В то же время долговечность, прочность и водостойкость покрытия, которые обеспечиваются адгезионно-когезионными свойствами вяжущего, увеличиваются с повышением вязкости битумного вяжущего.

Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, обычно выбирают битумное вяжущее, исходя из условий эксплуатации покрытия (нагрузки, атмосферных воздействий и т.п.), т.е. с высокими вязко-упругими свойствами, а для обеспечения технологических свойств его переводят в жидкое состояние одним из трех основных способов:

· нагреванием до высоких температур (применяется для получения горячей асфальтобетонной смеси);

· разжижением органическими разжижителями (используется для получения некоторых типов холодных и теплых органоминеральных смесей);

· превращением битума в одну из дисперсных систем - эмульсию, пасту или пену.

Все эти способы направлены на достижение удобной для обработки поверхности консистенции битума. Однако после выполнения этой задачи битум должен вновь обрести свои первоначальные вязко-упругопластические характеристики.

Битум по физико-химическим характеристикам принято относить к дисперсным коллоидным системам, в которых дисперсной фазой являются асфальтены, а дисперсионной средой - масла и смолы. Соотношение между этими группами, входящими в состав битума, определяет его основные свойства - вязкость, эластичность, термочувствительность и др. На основании исследования процессов структурообразования в битумах, в зависимости от их группового состава и свойств этих групп, можно условно выделить три различные дисперсные структуры: золь, гель и золь-гель с определенными физико-механическими свойствами. Битумы с одинаковой пенетрацией (вязкостью) при t = 25°С могут иметь различные составы и относиться к разным дисперсным структурам. Состав 1 соответствует структуре «гель» и содержит максимальное количество асфальтенов и минимальное количество смол. Вязкость этих битумов в области ньютоновского течения в 10-100 раз выше, чем у структуры «золь». Состав 2 соответствует структуре «золь» и подобен растворам, он характеризуется минимальным содержанием асфальтенов и максимальным количеством смол, их вязкость почти не зависит от скорости сдвига. Состав 3 соответствует структуре «золь-гель» и является промежуточным от золя к гелю.

В битуме, кроме рассмотренных выше групп углеводородов (асфальтенов, масел, смол), содержится также некоторое количество активных функциональных групп. От их содержания и распределения между компонентами битума зависит ряд важных свойств битума: адгезия к поверхности каменных материалов, склонность к окислению, полимеризации, поверхностное натяжение.

Так как определить поверхностное натяжение битумов сложно, то П.А. Ребиндер предложил в этом случае находить поверхностную активность, т.е. способность битума снижать поверхностное натяжение на границе с водой.

Поверхностная активность битума зависит от содержания в нем активных полярных (функциональных) групп типа - СООН, - ОН, NH2, SH и др., которые располагаются на границе раздела фаз и ориентируются в сторону полярной жидкости. От содержания этих полярных групп зависят не только адгезия и способность к смачиванию по отношению к минеральным материалам, но и процесс эмульгирования битума.

Адсорбцией называется явление накопления одного вещества на поверхности другого. Она зависит от химической и физической природы адсорбента (вещества, на поверхности которого накапливается другое вещество) и адсорбтива (вещества, которое накапливается).

Накопление же одного вещества внутри объема другого называется абсорбцией.

Известно, что, чем сильнее вещество понижает поверхностное натяжение, тем больше его будет накапливаться в поверхностном слое.

Адсорбцию, сопровождающуюся накоплением вещества в поверхностном слое, называют положительной, а положительно адсорбирующиеся вещества (накапливающиеся в слое) называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Если же растворенное вещество повышает поверхностное натяжение, то оно будет выталкиваться внутрь объема адсорбента вплоть до почти полного вытеснения его из поверхностного слоя. Такую адгезию называют отрицательной, а вещества - поверхностно-инактивными(неактивными). Чаще всего такими веществами являются неорганические соли.

ПАВ, молекулы которых состоят из полярной («головки») и неполярной («хвост») частей, ориентируются на границе раздела битум - вода таким образом, что «хвост» их обращен к битуму, а «головка» - в воду. В результате такой ориентации ПАВ создается слой, который уравнивает разность полярностей фаз и снижает поверхностное натяжение на границе их раздела.

Иногда такие дифильные молекулы (имеющие гидрофильную-полярную и гидрофобную-неполярную части) могут иметь слишком короткую гидрофобную часть и тогда у них в целом будут преобладать гидрофильные свойства. В этом случае вещество будет хорошо растворяться в воде и иметь отрицательную адсорбцию, т.е. оно уже не будет ПАВ и не сможет служить эмульгатором.

С удлинением же углеводородной цепи («хвоста») молекулы гидрофобные свойства ее будут увеличиваться, растворимость в воде уменьшаться, а эмульгирующая и стабилизирующая способность увеличиваться.

Таким образом, к ПАВ принадлежат вещества дифильной структуры, имеющие меньшее, чем их растворитель, поверхностное натяжение и положительную адсорбцию, что вызовет снижение поверхностного натяжения.

Вследствие диссоциации полярной группы ПАВ частица фазы эмульсии приобретает электрический заряд - положительный или отрицательный. Одноименно заряженные частицы фазы отталкиваются, что препятствует их слипанию и увеличивает стабильность эмульсии.

По современной классификации принято делить ПАВ на четыре класса:

- анионные ПАВ с положительно заряженной «головкой»;

- катионные ПАВ с отрицательно заряженной «головкой»;

- ПАВ двойного действия (амфолиты или амфотеры), имеющие «головку», содержащую две или несколько функциональных групп, которые могут в зависимости от рН среды изменять знак заряда «головки»;

- неионогенные ПАВ, не диспергирующие на ионы в водном растворе. Растворимость в воде таких ПАВ происходит благодаря наличию в молекулах функциональных групп, имеющих сродство с водой. Стабилизация эмульсий таким эмульгатором основана, в основном, на образовании гидратного слоя.

Кроме ПАВ в качестве эмульгатора могут применяться тонкомолотые минеральные порошки. Твердые порошкообразные эмульгаторы выполняют ту же роль, что и ПАВ, т.е. они адсорбируются на поверхности битума, образуют защитные пленки и таким образом препятствуют слипанию частиц. В этом случае порошкообразный эмульгатор перед введением битума необходимо смешивать в строго определенном соотношении с водой и интенсивным механическим перемешиванием, разбивая битум на капли, способствовать сближению его с эмульгатором. Путем введения добавки электролитов или ПАВ можно регулировать свойства таких эмульсий.

Механизм действия твердых эмульгаторов недостаточно исследован. Одни авторы полагают, что при взаимодействии с водой на поверхности твердых частиц образуются гидроокиси минералов, способные к частичной диссоциации, в результате чего возникает двойной электрический слой у поверхности твердой частицы. Другие считают основным адсорбционный эффект понижения прочности твердой частицы, когда в местах поверхностных дефектов структуры твердого тела образуются новые поверхности под влиянием среды. Эти поверхности в момент их образования покрываются адсорбционными слоями из ПАВ, имеющихся в водной среде .

Однако и в том и в другом случае к твердому эмульгатору предъявляются одинаковые требования - тонкость помола и обязательное добавление воды к порошку в количестве, близком к верхнему пределу его текучести.

Следовательно, применение эмульгаторов различной природы приведет к получению битумных эмульсий с различными характеристиками.



Рис. 2. Схема структуры битумных дорожных эмульсий:

а - прямых на водорастворимых эмульгаторах;

б - то же, на твердых эмульгаторах;

в - обратных на водорастворимых эмульгаторах;

г - то же, на твердых эмульгаторах;

1 - водный раствор эмульгатора (дисперсионная среда);

2 - ионы эмульгатора;

3 - глобула битума (дисперсная фаза);

4 - водная суспензия твердого эмульгатора (дисперсионная среда);

5 - частицы твердого эмульгатора;

6 - глобула водного раствора эмульгатора (дисперсная фаза);

7 - битум (дисперсионная среда);

8 - глобула водной суспензии твердого эмульгатора (дисперсная фаза)



7. Общие требования к битумным эмульсиям

Как видно из табл. 1, набор требований к свойствам битумных эмульсий в разных странах несколько различается. Так, морозостойкость эмульсий определяют только Германия и Великобритания, а устойчивость при транспортировании - Россия, видимо из-за состояния дорог, по которым приходится доставлять готовую эмульсию от места приготовления до места укладки. Однородность эмульсии по размеру частиц битума не нормируется в Великобритании и Финляндии, а свойства битума, выделенного из эмульсии, - во Франции и Великобритании, очевидно по причине высокого качества применяемого для изготовления эмульсий битумного вяжущего.

Таблица 1 Сравнение набора требований к свойствам битумных эмульсий в различных странах

Свойства битумных эмульсий	Россия (ГОСТ 18659-81)	США (ASTM D-977-91,D2397-94)	Франция (NF Т 65-011)	Германия (DIN1995, ч. 3)	Британия (BS 434, ч. 1)	Финляндия (PANK)
Класс по знаку заряда битумных капелек: анионные, катионные	+	+	+	+	+	+
Класс по скорости распада	+	+	+	+	+	+
Содержание битума или воды	+	+	+	+	+	+
Условная вязкость	+	+	+	+	+	+
Прочность сцепле- ния пленки вяжуще- го со щебнем (водо- стойкость)	+	+	+	+	-	-
Однородность по размеру частиц би- тума (остаток на сите)	+	+	+	+	+	+
Устойчивость при хранении	+	+	+	+	+	-
Устойчивость при транспортировании	+	-	-	-	-	-
Свойства битума, выделенного из эмульсии	+	+	-	+	-	+
Морозостойкость	-	-	-	+	+	-

Примечание. Знак «+» обозначает, что в данной стране существуют требования, знак «-» - не существуют.

Рис. 4. Схема глобулы множественной эмульсии:

1 - битум; 2 - вода;

3 - гидрофильное ПАВ;

4 - масло (битум);

5-липофильное (гидрофобное) ПАВ

Для достижения устойчивости концентрированных и высококонцентрированных эмульсий необходим более сильный фактор стабилизации.

Таким фактором является создание структурированного механического барьера в поверхностном слое среды или в ее объеме (для высококонцентрированных высокодисперсных эмульсий). Создание такого барьера базируется на образовании адсорбционных слоев и связанных с ними сольватных оболочек достаточно высокой вязкости, упругости и механической прочности на сдвиг. Обычно такие слои получают с помощью ПАВ, образующих структурированные слои типа гелей.



Рис. 6. Упаковка глобул (частиц) битума в эмульсиях:

а - строение высококонцентрированной эмульсии типа М/В с содержанием дисперсной фазы 90% (соты);
б - строение полидисперсной битумной эмульсии с содержанием дисперсной фазы 50-74%; в - схема плотной упаковки глобул в монодисперсной эмульсии с содержанием дисперсной фазы около 74%

Таблица 2 Эмульгаторы для эмульсий анионного типа (Россия)

Наименование показателей	Физико-химические характеристики эмульгаторов
	ЛСТ	СНВ	Асидол-мыло-нафт	СКЖ (КОСЖК)	Масло талловое сырое
Внешний вид при 20°С	Вязкая жидкость от светло - до темно-коричне- вого цвета	Порошок или куски коричне- вого цвета	Желе- образное вещество	От твердой до мазеобразной консистенции, от светло - до темно-коричне- вого цвета	Масло- образный продукт темно-коричне- вого цвета
Кислотное число, мг КОН/г	-	-	150-180	70-120	130-140
Растворимость	В воде	В горячей воде	В воде или щелочи	Не растворима	Не растворимо
рН 20%-ного раствора	4,5-5,5	10-11	8-11	3-4	6,42

Этот вид эмульгатора схематически можно представить в виде

NH2 - R - COOH.

Производство эмульгаторов для обратных эмульсий и паст в России не налажено вовсе, несмотря на потребность в таких эмульсиях.

Таким образом, недостаток эмульгаторов на рынке эмульсий в России заполняется зарубежными, не всегда совместимыми с местными материалами (в том числе битумами), что повышает цены на битумные эмульсии не только из-за высокой цены эмульгатора, но и потому, что приходится корректировать свойства получаемой эмульсии различными добавками. Кроме того, зарубежные эмульгаторы могут успешно применяться только с битумами из постоянного сырья (нефти). НПЗ, работающие с сырьем разных источников, выпускают битумы с меняющимся групповым составом, что затрудняет выбор эмульгаторов и не позволяет добиться стабильно высокого качества эмульсий.



8. Эмульгирование

В настоящее время известны два принципа эмульгирования - акустический и механический. В акустических эмульсионных установках источниками звуковых и ультразвуковых колебаний являются электромеханические и гидродинамические вибраторы. В гидродинамическом вибраторе струя жидкости под давлением и с высокой скоростью подается через сопло и при выходе из него разбивается об острый край тонкой упругой пластины. Возникающие при этом завихрения жидкости создают колебания давления по сторонам консольно закрепленной пластины, вызывая ее вибрацию.

Электромеханические вибраторы по принципу создания колебаний разделяются на пьезоэлектрические и магнитострикционные.

В пьезоэлектрическом вибраторе используется способность некоторых материалов (например, кварца, сегнетовой соли и т.д.) изменять свои размеры в электрическом поле (пьезоэлектрический эффект). Принцип работы магнитострикционного вибратора заключается в способности некоторых металлов и сплавов (например, никеля) изменять свои геометрические размеры под действием магнитного поля. С уменьшением частоты и скорости вращения мешалки увеличивается дисперсность, а гранулометрия смещается в сторону крупных капель битума.

Механические диспергаторы реализуются в двух вариантах:

- продавливание жидкости, составляющей эмульсию, через узкий зазор между неподвижным статором и вращающимся с большой скоростью ротором (гомогенизатор или коллоидная мельница, диспергатор);

- при перемешивании одной жидкости в другой скорость вращения лопастей обычно значительно ниже, чем скорость вращения ротора и поэтому для эмульгирования требуется повышенное количество эмульгатора.

Если все активные центры на поверхности минеральных зерен будут скомпенсированы ионами с соответствующим зарядом, то распада эмульсии не произойдет, в противном случае адсорбция будет развиваться за счет разрушения защитных оболочек битумных частиц, что неизбежно ослабит их структурно-механический барьер и произойдет коагуляция эмульсии.

Распад эмульсий может происходить двумя путями: вследствие испарения и поглощения воды или взаимодействия эмульгатора с поверхностью каменных материалов.

Что касается процесса коагуляции самой битумной эмульсии, то он еще недостаточно изучен. В последнее время ведутся активные работы в этом направлении и уже есть некоторые результаты:

- установлена взаимосвязь с размером и гранулометрией капель битума;

- разработан метод измерения степени коалесценции в зависимости от времени;

- изучаются физико-химические процессы, происходящие при коалесценции эмульсии с помощью самого современного оборудования.

Предполагается, что процесс коалесценции можно обосновать двумя теориями: разделением воды и вяжущего или формированием по теории Освальда.

В основе последней лежит физическое явление возникновения осмотического давления, если растворы разных концентраций контактируют через мембрану, проницаемую для одного из них.

Осмотическое давление можно измерить в присутствии избытка низкомолекулярного электролита. А поскольку осмотическое равновесие устанавливается при неравномерном распределении ионов по обе стороны мембраны, в системе должна возникать разность электрических потенциалов между жидкостью внутри и снаружи осмотической ячейки (так называемый мембранный потенциал).

Теория разделения битума и воды в результате коалесценции разработана более подробно. Согласно этой теории сближение капелек битума, обусловленное адсорбцией и удалением воды, приводит к исчезновению барьера между каплями, что и обусловливает начало процесса коалесценции.

Рис. 21. Распад и адгезия эмульсии на поверхности каменных материалов:

а - катионной эмульсии с основной породой;

б - катионной эмульсии с кислой породой;

в - анионной эмульсии с основной породой.

Пусковым моментом его является разрыв пленок ПАВ, которыми окружена каждая частица, и образование тонкого канальца связи между ними. Процесс образования этого канальца был назван образованием ядра или доменообразованием, и он характеризуется временем tс
(рис. 22). С помощью современного оборудования было установлено, что этот процесс происходит при вынужденном сближении капель битума, когда между одинаково заряженными поверхностями создается критическое давление на пленки ПАВ. В этом случае происходят прорыв этих пленок и образование «канальца» связи, по которому содержимое одной капли, как правило меньшей по размеру, перетекает в другую, большую. Этот процесс, называемый релаксацией формы, т.е. слипанием двух капель, характеризуется временем tr. Эти явления определяются поверхностным натяжением, вязкостью вяжущего и гранулометрией эмульсии. Критическое давление, при котором происходит прорыв капель, обычно пропорционально размеру капель битума - чем больше их размер, тем меньше требуемое для разрыва пленки давление. Дальнейшее увеличение концентрации вяжущего за счет испарения воды приводит к объединению капель битума в сетчатую гелеобразную структуру (рис. 22, б), которая будет развиваться тем медленнее, чем выше вязкость вяжущего. При достижении концентрации вяжущего около 80% плотность сетки битума становится настолько высокой, что затрудняет удаление воды. Наступает момент, когда время доменообразования tс резко уменьшается, вследствие чего снижается и время tr. Образовавшиеся поверхности вяжущего еще нестабильны, и сетка битума начинает сжиматься, сокращая площадь поверхности, занятую ею, без разрыва пленок вяжущего. Этот процесс, называемый контракцией, приводит к образованию замкнутых полостей, где скапливается вода. Полости не сообщаются друг с другом, и вода оказывается зажатой внутри структуры. Эту воду удалить очень трудно.

...