Основные свойства битумов

Битумы, применяемые в технике по агрегатному состоянию подразделяют на твердые и жидкие. Однако некоторые занимают промежуточное положение – это полужидкие и полутвердые битумы. Единой физико-химической характеристики позволяющей относить битумы к той или иной группе нет.

Битумы характеризуют и сравнивают по степени текучести при определенной температуре или по температуре определения некоторых показателей. К последним относятся пенетрация (глубина проникания стандартной иглы), температура размягчения, растяжимость в нить (дуктильность) и температура хрупкости. Эти показатели позволяют быстро охарактеризовать консистенцию битума. К основным показателям характеризующим свойства битумов можно так же отнести адгезионные свойства, поверхностное натяжение на границе раздела фаз, когезионные, тепловые, оптические и диэлектрические свойства. К числу сопоставимых показателей, кроме того можно отнести потерю массы при нагревании и изменение пенетрации после него, растворимость в органических растворителях, зольность, температуру вспышки, плотность и реогогические свойства. Наиболее полное представление о качестве битумов можно получить лишь при сопоставлении всех его основных свойств.

4.1.1 Пенетрация.

Этот показатель характеризует глубину проникания тела стандартной формы (калиброванной иглы) в полужидкие и полутвердые продукты при определенном режиме, обусловливающем способность тела проникать в продукт, а продукта – оказывать сопротивление этому прониканию. Пенетрация косвенно характеризует степень твердости битумов, и ее определяют с помощью пенетрометра; за единицу пенетрации принята глубина погружения иглы на 0,1 мм.

В зависимости от температуры, нагрузки и длительности проникания иглы значение пенетрации существенно изменяется. Поэтому условия ее определения заранее оговаривают. Обычные условия определения пенетрации: нагрузка 1Н, продолжительность действия груза 5с и температура 25ºС. Чем выше пенетрация битума при заданной температуре размягчения и чем выше при заданной пенетрации температура размягчения битума тем выше его теплостойкость. Получить битумы высокой теплостойкости можно выбором соответствующего сырья, технологического способа производства и его режима.

По индексу пенетрации битумы подразделяют на три группы:

1) Битумы с индексом пенетрации менее – 2, не имеющие дисперсной фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены (битумы из крекинг-остатков и пеки из каменноугольных смол); эластичность таких битумов очень мала или практически равна нулю;

2) битумы с индексом пенетрации от – 2 до +2 (остаточные и малоокисленные);

3) битумы с индексом пенетрации более +2 имеют значительную эластичность и резко выраженные коллоидные свойства гелей. Это окисленные битумы с высокой растяжимостью.

4.1.2 Температуры размягчения и стеклования

При нагревании битумы постепенно переходят в жидкотекучее состояние, размягчаются и характеризуются температурой размягчения, которую определяют в точно воспроизводимых условиях.

Температура размягчения битумов – это температура, при которой битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое. Определение температуры размягчения методом «Кольцо и шар» широко применяется на практике; иногда используют также метод Кремера–Сарнова.

При различных температурах в битумах проявляется стеклообразное вязкотекучее и эластическое состояние структуры. При температуре ниже температуры стеклования битумы приобретают характерные свойства стекла: становятся хрупкими и имеют низкое сопротивление удару. Температура стеклования зависит от структурной характеристики битумов. С возрастанием коэффициента дисперсности температура стеклования битумов повышается.

4.1.3 Температура хрупкости

Температура хрупкости – это температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки. По Фраасу – это температура, при которой модуль упругости битума при длительности нагружения 11 с для всех битумов одинаков и равен 110 Мпа. Температура хрупкости характеризует поведение битума в дорожном покрытии; чем она ниже тем выше качество дорожного битума. Окисленные битумы имеют более низкую температуру хрупкости, чем другие битумы той же пенетрации.

Температура хрупкости дорожных битумов обычно колеблется в пределах от – 2 до – 30.

У битумов содержащих асфальтены недостаточно платифицированные мальтенами с преобладанием насыщенных соединений на поверхности происходит разделение минерального материала фракций мальтенов которые впитываются в глубь пор минерального материала и на поверхности остается жесткая пленка вызывающая образование трещин в покрытии. Для битумов содержащих асфальтены хорошо пластифицированные мальтенами с преобладанием компонентов ароматического характера которые по своему строению молекул не могут пройти в микропоры минерального материала разделение не происходит. В этом случае эластичность битумной пленки сохраняется и обеспечиваются хорошие эксплуатационные свойства покрытия. С повышением интервала пластичности увеличивается погодоустойчивость битумов.

4.1.4 Растяжимость и вязкость

Растяжимость (дуктильность) – это способность битума растягиваться в нить; она определяется длиной нити, которая образуется к моменту разрыва. Этот показатель косвенно характеризует также прилипание (адгезию) битума и связан с природой его компонентов. Дорожные нефтяные битумы имеют высокую растяжимость – более 40 см.

Вязкость наиболее полно характеризует консистенцию битумов при различных температурах применения по сравнению с эмпирическими показателями, такими как пенетрация и температура размягчения. Ее легко и в более короткий срок можно измерить при любой требуемой температуре в процессе производства и использования битума. Желательно чтобы битум при прочих равных показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной температуре применения и имел как можно более пологую вязкостно-температурную кривую.

Вязкость битумов определяют в вискозиметрах Энглера, Сейболта и Фурола, методом падающего шара, в капилляре Фенске, на ротационном вискозиметре, реовискозиметре, консистометре и др.

4.1.5 Адгезия

Адгезия (прилипание) объясняется образованием двойного электрического поля на поверхности раздела пленки битума и твердого минерального (каменного) материала. Адгезионные свойства битумов зависят от полярности компонентов (асфальтенов и мальтенов) и характеризуются электрической проводимостью растворов этих веществ в неполярных растворителях. С повышением молекулярной массы асфальтенов и мальтенов удельная электрическая проводимость возрастает. С повышением молекулярной массы асфальтенов, входящих в состав битума. Адгезионные свойства улучшаются, коэффициент водостойкости повышается, и коэффициент теплостойкости асфальтобетонных смесей понижается.

Адгезия битума к каменным материалам характеризуется также поверхностным натяжением на границе их раздела и представляет собой работу, затрачиваемую на отделение битума от каменного материала. Наличие парафина в битуме снижает адгезию, поэтому его содержание не должно превышать 5%. Адгезия битума к смоченной водой поверхности незначительна и зависит от природы каменного материала.

Дорожный битум должен обладать высокой клеящей способностью в широком диапазоне температур, чтобы прочно удерживать от выкашивания под воздействием колес автомобилей.

Существует метод количественной оценки сцепления битума с поверхностью мрамора. Он заключается в отслаивании битумной пленки от поверхности мраморного щебня под воздействием воды и в определении поверхности мрамора, покрытый битумом по адсорбции из водного раствора 0,01 мг/мл красителя метиленового голубого. Этот краситель избирательно адсорбируется на открытой поверхности мрамора, не адсорбируясь на битуме. Битумы, к которым добавлены катионактивные вещества, испытывают на сцепление с песком, битумы с анионактивными веществами – на сцепление с мрамором.

4.1.6 Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение на границе с двумя фазами определяется как сила, действующая на единицу длины контура поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность до минимума. Поверхностное натяжение снижается по мере увеличения температуры.

Работа, требуемая для увеличения поверхности раздела между двумя несмешивающимися жидкостями или жидкостью и твердым телом и есть межфазная свободная энергия или межфазное натяжение. Оно играет важную роль в теории адгезии и в практике наибольшее значение имеет адгезия битумов к твердым телам. Поверхностное натяжение на границе жидкость – газ (воздух) зависит от химического состава жидкой фазы, природа же газа влияет незначительно.

Чем больше величина поверхностного натяжения на границе битум – воздух при температуре окисления сырья в битумы, тем более крупные пузырьки воздуха находятся в реакторе, тем больше скорость их всплывания и, следовательно, тем меньше поверхность контакта воздуха с сырьем, хуже массопередача и больше продолжительность процесса окисления.

Поверхностное натяжение на границе битум – твердое тело понижается с увеличением содержания поверхностно-активных веществ, кислородных функциональных групп в молекулах битума. Адгезионные свойства битума при этом улучшаются. Поверхностное натяжение в сочетании с адгезионными свойствами дает представление о прочности сцепления битума с твердым телом в частности с минеральным материалом. С понижением поверхностного натяжения адгезия повышается, поэтому желательно, чтобы битум обладал наименьшим поверхностным натяжением на границе битум – твердое тело и наибольшей адгезией.

4.1.7 Когезия

Когезия – это сцепление частиц вещества, составляющих одну фазу. Как и адгезия, она зависит от природы вещества и температуры. При низких температурах сцепление битума повышается. Небольшие добавки естественного или синтетического каучука улучшают когезию и адгезию битума.

К оценке когезионной прочности битума близки испытания на предел прочности, на изгиб, на разрыв и на раздробление. Когезионную прочность рассчитывают по зависимости деформации сдвига тонкого слоя битума от продолжительности приложения нагрузки. Определяют ее на сдвиговом когезиометре, состоящем из шлифованных и притертых попарно пластинок из легированной стали.

Аналогично вязкости с повышением когезионной прочности битума увеличиваются его прочностные свойства, поэтому желательно, чтобы при прочих равных показателях свойств когезионная прочность битума была максимальной.

4.1.8 Тепловые свойства

Удельная теплоемкость практически одинакова для различных битумов. Она увеличивается с повышением температуры. Наличие твердых парафинов в битуме способствует повышению теплоемкости и нарушению линейной зависимости теплоемкости от температуры. Теплоемкость смесей битумов с минеральными материалами (наполнителями) можно рассчитать по правилу аддитивности

Коэффициент теплопроводности для всех битумов практически одинаков и незначительно уменьшается с возрастанием температуры. С повышением температуры размягчения битума, полученного из одной и той же нефти, его коэффициент теплопроводности несколько повышается. Теплопроводность нефтяных битумов сравнительно мала, поэтому они находят применение в качестве теплоизоляционных материалов. Каменноугольные дегти и пеки обладают сравнительно высокой теплопроводностью.

Температура вспышки битума в открытом тигле составляет обычно более 200ºС. По этому показателю можно судить о наличии низкокипящих фракций в сырье и готовом битуме, а также об их взрыво- и пожароопасности в процессе производства и применения битумов. Температура вспышки битумов в закрытом тигле на 10 - 18ºС ниже, чем в открытом тигле. Значения температур вспышки сырья и битумов находятся в области рабочих температур процесса производства окисленных битумов.