Основыне свойства битумов.Деструкция битумов.

Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются:

- вязкость- сопротивление внутренних слоев битума перемещению относительно друг друга.

- пластичность- способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки

Температура размягчения - это температура, при которой битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое
- температура хрупкости- это температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки.
- температура вспышки температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени.

- высокая адгезия- прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов.

Химические свойства. Битумы стойки к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Они хорошо сопротивляются действию щелочей, многих кислот. Менее стойки действию оксидов азота, растворимы в органических растворителях.

Твердение битумов, влияние наполнителей, модификаторов на свойства композиций.

Групповые углеводороды битума образуют сложную дисперсную систему типа коллоидного раствора. При исследованиях обнаруживается микроскопическая неоднородность среды, что обусловлено неполным растворением смол в маслах и проявляется в постепенном и самопроизвольном выделении микродисперсных частиц при охлаждении среды. Самопроизвольное образование новой твердой фазы обусловлено явлениями пересыщения, вызванного переохлаждением.

Основным носителем потенциальных центров кристаллизации и появления новой твердой фазы в битуме являются смолы. Всегда отмечается значительное сокращение пластичности битума с увеличением содержания смол, т.е. уменьшение интервала между температурами хрупкости и размягчения.

Поверхностно-активные, анионоактивные вещества могут находиться в зависимости от вещественного состава битума в адсорбированном состоянии (на асфальтенах) и в свободном, за счет этого могут вступать во взаимодействие с внешней средой, например, с поверхностью минеральных компонентов в битумных гидроизоляционных составах или асфальтобетонах.

При хемосорбции битумов, т.е. процессах химического взаимодействия ПАВ битума с поверхностью минерального адсорбента могут образовываться необратимые соединения солеобразных веществ с такими наполнителями: CaO, Al₂O₃, AlCl₃, Fe₂O_3.

При взаимодействии битумов и минеральных порошков типа кварца, каолина, кремния, гранита обладающих высоким потенциалом отрицательного знака и значительным количеством адсорбционных центров на поверхности в виде ионов кислорода О^-2 происходит наименьшее снижение полярности фаз в битумно-минеральной системе.

Искусственные строительные композиты на битумном вяжущем чувствительны к колебаниям температуры внешней среды, что служит источником непрекращающихся структурных изменений, а именно: происходит повышение концентрации твердой фазы (при понижении температуры) за счет спонтанного выделения из гетерогенной системы новых центров структурообразования, их размножения и обрастания.

Твердение битумов происходит за счет коагуляционного структурообразования, связанного с температурным воздействием. В зависимости от температуры битумы могут находиться в различных состояниях.

1. Упруго-хрупкое состояние (при температуре менее 0 оС) – каркас из асфальтенов фиксирован отвердевшей прослойкой из смол, растворенных в маслах.

2. Эластичное состояние – каркас из асфальтенов фиксирован жидкими прослойками. Деформации во времени только упругие.

3. Упруго-пластичное состояние – частицы асфальтенов взаимодействуют через тонкие прослойки среды, проявляющих упругие свойства при напряжениях, не превышающих предел текучести.

4. Упруго-вязкое состояние – исчезает предел текучести. Прослойки среды увеличиваются за счет их частичного растворения.

5. Истинно-вязкое состояние (температура выше температуры размягчения). практически отсутствует дисперсная фаза и всю систему занимает дисперсионная среда. Битум представляет собой суспензию асфальтеновых частиц, набухших в углеводородах. Состояние битума предопределяет его свойства в процессе эксплуатации

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.

«Метод определения растяжимости».

Для проведения работы используется прибор – дуктилометр, имеющий термостат для поддержания необходимой температуры во время эксперимента в пределах от 2 до 32°C.

В ходе работы измеряется расстояние, на которое может максимально увеличить свою длину специально подготовленный образец битума при растяжении его с заданной линейной скоростью при строго контролируемой температуре. Одновременно могут испытываться три образца. Синхронный двигатель позволяет растягивать образец с постоянной скоростью 0.25, 1 и 5 см/мин без вибраций и толчков. Датчик перемещения указывает положение каретки на линейной градуированной в сантиметрах шкале. Максимальное допустимое удлинение составляет 150 см

Существенной характеристикой свойств битума является

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.

ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКОСТИ БИТУМА определяется на специальном приборе ФРААСА. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем па 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 топком 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.

С повышением соотношения масла/асфальтены повышается пенетрация понижаются температура размягчения и температура хрупкости, уменьшается вязкость. Максимальное значение растяжимости достигается при соотношении масла: асфальтены, равном 2:5. Увеличение содержания масел в битумах одних и тех же марок из разного сырья понижает когезию.

Основным носителем потенциальных центров кристаллизации и появления новой твердой фазы в битуме являются смолы. Всегда отмечается значительное сокращение пластичности битума с увеличением содержания смол, т.е. уменьшение интервала между температурами хрупкости и размягчения. Присутствие смол приводит к интенсификации нарастания вязкости битума при снижении температуры, и к снижению теплоустойчивости.

При структурировании битумной системы приобретается гелеобразная структура. Ускорение процесса может вызвать кристаллизующийся парафин.

Деструкция

Искусственные строительные композиты на битумном вяжущем чувствительны к колебаниям температуры внешней среды, что служит источником непрекращающихся структурных изменений, а именно: происходит повышение концентрации твердой фазы (при понижении температуры) за счет спонтанного выделения из гетерогенной системы новых центров структурообразования, их размножения и обрастания. Затем, при повышении температуры, за счет усиления теплового молекулярного движения происходит разрушение структурной сетки в вяжущем веществе. В сочетании с эксплуатационными нагрузками это ведет к появлению напряжений и при температурных колебаниях начинают происходить нарушения структуры и потеря деформационной устойчивости.

При отрицательных температурах, особенно при резких колебаниях, возникают тепловые напряжения и хрупкие микро- и макроразрывы. Замерзание воды в порах.

О старении битума судят по кинематике роста вязкости во времени

η = Ае^φτ

где – А – постоянная, φ – фактор старения, τ – продолжительность старения.

АДГЕЗИЯ

Поверхностно-активные, анионоактивные вещества могут находиться в зависимости от вещественного состава битума в адсорбированном состоянии (на асфальтенах) и в свободном, за счет этого могут вступать во взаимодействие с внешней средой, например, с поверхностью минеральных компонентов в битумных гидроизоляционных составах или асфальтобетонах. Степень активности битума определяется содержанием поверхностно-активных инградиентов – асфальтогеновых кислот и их солей, активных водородных групп в смолах и асфальтенах:

q = Tλ Г/С

Г - адсорбция активного вещества,

С- концентрация,

Т температура.

Если q > 0, то адсорбция положительна

q = 0 адсорбции нет

если q < 0, наблюдается десорбция поверхностно-активного вещества битума

С разогреванием битума подвижность среды возрастает, диффузионные процессы интенсифицируются.

С увеличением концентрации асфальтенов поверхностная активность битума снижается.

При хемосорбции битумов, т.е. процессах химического взаимодействия ПАВ битума с поверхностью минерального адсорбента могут образовываться необратимые соединения солеобразных веществ с такими наполнителями:

CaO, Al2O3, AlCl3, Fe2O3

Присутствие этих соединений в наполнителе оказывает активизирующее действие и каталитическое влияние на структурообразование. Но, при этом может быть ускорен процесс старения битума, за счет окисления и поликонденсации углеводородов.

Физико-химические процессы на границе раздела фаз происходят тем интенсивнее, с большей фиксацией молекул, чем выше степень измельчения и концентрация электрических зарядов. При взаимодействии битумов и порошков кальцита, доломита, известняка с высоким положительным потенциалом и большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Ca+2 Mg+2 происходит быстрое образование структурированной системы. Образуются прочные хемосорбционные связи – своеобразные «анкерные» контакты, прочно удерживающие битум на поверхности минерального порошка.

При взаимодействии битумов и минеральных порошков типа кварца, каолина, кремния, гранита обладающих высоким потенциалом отрицательного знака и значительным количеством адсорбционных центров на поверхности в виде ионов кислорода О-2 происходит наименьшее снижение полярности фаз в битумно-минеральной системе. Порошки данной группы при контакте с битумом вызывают явления отрицательной адсорбции. Их роль ограничивается только механическим сцеплением за счет шероховатости поверхности. Пленки битума слабо удерживаются на поверхности. А жидкие битумы могут совсем не поглощаться. Данные порошки необходимо подвергать дополнительной обработке поверхностно-активными веществами.

Промежуточное положение занимают порошки полевых шпатов, слюды, асбеста, гидрослюд. Т.к. при наличии отрицательного знака они имеют на поверхности катионы Na+ Mq+2 Ca+2 K+ .

Если ввести порошки с нейтральной поверхностью – тальк, графит, то это может привести к снижению полярности битума и частички наполнителя в среде битума остаются свободными. В основном при высоких концентрациях они проявляют функции инертного заполнителя. Практически без адсорбции битума на поверхности.

Предварительно полученные специальные порошки – резиновые и каучуковые наполнители, полимеры структурируют среду битума значительно эффективнее, чем минеральные.

77. Приборы и методы определения основных характеристик битумов.

Пенетрация

Пенетрация косвенно характеризует степень твердости битумов. Чем выше пенетрация битума при заданной температуре размягчения и при заданной пенетрации — температура размягчения битума, тем выше его теплостойкость. Этот показатель не является физической константой битума, но характеризует его консистенцию и твердость. На величину пенетрации влияет состав битума: с увеличением содержания в нем масел пенетрация растет, а при удалении из него летучих веществ, а также с увеличением содержания асфальтенов и карбенов она уменьшается.

Сущность метода определения пенетрации заключается в измерении глубины, на которую погружается игла пенетрометра в испытуемый образец битума при заданной нагрузке, температуре и времени и выражается в единицах, соответствующих десятым долям миллиметра (0,1 мм).

Испытуемый образец битума нагревают до подвижного состояния, при наличии влаги его обезвоживают путем нагрева до температуры на 90 °С выше температуры размягчения, но не выше 180 °С (для дорожных битумов - не выше 160 °С) при осторожном перемешивании, избегая местных перегревов. Время нагревания битума при указанных условиях не должно превышать 30 мин. Обезвоженный и расплавленный до подвижного состояния битум процеживают через металлическое сито и наливают в две пенетрационные чашки так, чтобы поверхность битума была не более чем на 5 мм ниже верхнего края чашки, и тщательно перемешивают до полного удаления пузырьков воздуха.

Чашку с битумом охлаждают на воздухе при 18-30 °С, предохраняя образец от пыли. Продолжительность охлаждения 60-90 мин при испытании битума с глубиной проникания иглы до 250 и 90-120 мин - с глубиной проникания иглы более 250.

Затем чашки с битумом помещают в баню для термостатирования при заданной температуре испытания. Пенетрометр устанавливают горизонтально по уровню или отвесу, устанавливают стрелку на нуль, вынимают тарировочный стержень и опускают рейку кремальеры до касания с верхним концом плунжера. Показание пенетрометра должно соответствовать высоте тарировочного стержня.

Температура и условия испытания глубины проникания иглы приведены табл. 1.1

Таблица 1.1- Температура и условия испытания глубины проникания иглы

Температура испытания, °С	Общая масса стержня, иглы и дополнительного груза, г	Время опускания иглы, с
0,0±0,1	200,00±0,20
4,0±0,1	200,00±0,20
25,0±0,1	100,00±0,15
50,0±0,1	50,00±0,10

Если нормативно-технической документацией на битумы не предусмотрены условия испытания, то глубину проникания иглы определяют при температуре 25 °С, нагрузке 100 г в течение 5 с.

По истечении заданного времени выдерживания чашку с образцом битума вынимают из бани для термостатирования и помещают в плоскодонный сосуд вместимостью не менее 0,5 дм³, наполненный водой так, чтобы высота жидкости над поверхностью битума была не менее 10 мм, температура воды в сосуде должна соответствовать температуре испытания. Сосуд устанавливают на столик пенетрометра и подводят острие иглы к поверхности битума так, чтобы игла слегка касалась ее. Правильность подведения иглы к поверхности битума проверяют с помощью зеркальца при освещении поверхности образца источником направленного холодного света.

Доводят кремальеру до верхней площадки плунжера, несущего иглу, и устанавливают стрелку на нуль или отмечают ее положение, после чего одновременно включают секундомер и нажимают кнопку пенетрометра, давая игле свободно входить в испытуемый образец в течение 5 с. После этого доводят кремальеру вновь до верхней площадки плунжера с иглой и отмечают показание пенетрометра.

Определение повторяют не менее трех раз в различных точках на поверхности образца битума, отстоящих от краев чашки и друг от друга не менее чем на 10 мм. После каждого погружения иглу вынимают из гнезда, отмывают ее толуолом, бензином или другим растворителем и насухо вытирают в направлении острия.

3а результат испытания при 25 ^°C принимают среднее арифметическое результатов не менее трех определений.