Краткая характеристика элементов группового состава битумов

 

Масла – легко растворяются в бензине, придают битуму текучесть и снижают температуру размягчения, легко испаряются, увеличивая вязкость битума. Молекулярная масса (М) 300-800 кг/моль.

Смолы – более сложная структура, чем у масел. М = 600-2000 кг/моль. В них содержится основное количество сернистых, азотистых и кислородных соединений. Смолы обладают полярностью (это ПАВ) в связи с наличием заряженных функциональных групп:

СООН^-, SH₂⁺

ОН^-, NH₂⁺

Смолы хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя на них плотные водоустойчивые пленки. Хорошо растворяются в этиловом спирте (С₂Н₅ОН), бензине, хлороформе (СНСℓ₃).

Смолы придают битумам растяжимость и эластичность.

Асфальтены. М = 1000-6000 кг/моль. По химическому составу близки к смолам. Это твердые, неплавкие вещества, от их содержания зависит вязкость и температура размягчения битумов.

Карбены – по химическому составу похожи на асфальтены. Растворяются только в сероводороде (Н₂S).

Карбоиды – твердое вещество типа сажи, нерастворимое в органических растворителях.

Асфальтогеновые кислоты. Хорошо растворяются в спирте (С₂Н₅ОН) и хлороформе (СНСℓ₃). Они очень полярны и, следовательно, наиболее поверхностно-активны. Они в основном определяют адгезию битумов к поверхности каменных материалов.

Парафины – нейтральная вязкоподобная масса. М = 300-500 кг/моль, температура плавления 50-70 °С. При содержании более 3,5 % увеличивают хрупкость битума.

Групповой состав битума не является стабильным.

Под влиянием температуры, окисления кислородом воздуха, воды он может существенно изменяться вследствие частичного превращения одних групп углеводородов в другие по схеме: Масла → смолы → асфальтены. Это происходит:

- при нагреве битума на АБЗ (длительное содержание в рабочих емкостях);

- контактах с горячим минеральным заполнителем (»200 °С) во время приготовления асфальтобетонной смеси (в смесителе).

Аналогичные изменения группового состава битума наблюдаются при его нахождении в слое дорожного асфальтобетонного покрытия. Эти изменения ускоряются транспортными нагрузками и фазовыми превращениями как самого битума, так и воды, находящейся в порах асфальтобетона.

Отмечается, что переход смол в асфальтены происходит быстрее, чем масел в смолы.

Таким образом, в процессе окисления в битумах происходит более интенсивное накопление асфальтенов, что и определяет скорость старения битумов.

В целом соотношение между основными группами (М, С, А), входящими в состав битума, определяет его важнейшие физико-механические свойства:

- вязкость;

- восприимчивость к изменению температуры (старение);

- хрупкость;

- эластичность.

В поставляемых партиях битума групповой состав указывается как факультативное требование.

Основным элементом, определяющим размеры и состав молекул битума, является четырехвалентный углерод. Атомы углерода способны образовывать соединения:

- цепочные СН₃ - (СН₂)_n – СН₃;

- циклические;

- цепочно-циклические.

Основная часть молекул битума состоит из скелета, состоящего из 25…150 атомов углерода.

 

Дисперсные структуры битумов

В зависимости от содержания и свойств компонентов группового состава могут образовываться различные дисперсные структуры битума: гель, золь и золь-гель.

Структура «гель» образуется при повышенном содержании в битуме асфальтенов и масел и малом содержании смол[1] (%):

асфальтенов (А) > 25;

масел (М) > 50;

смол (С) до 19.

В битумах со структурой гель соотношение

Согласно принятой классификации, дорожные битумы с таким групповым составом относят к I структурному типу. Это строительные марки битумов.

Структура «золь» характеризуется пониженным содержанием асфальтенов (менее 18 %), повышенным содержанием смол (более 36 %) и меньшим содержанием масел (до 47 %).

В битумах с такой структурой

Битумы с таким групповым составом относятся ко II структурному типу.

К этой группе относят жидкие битумы при нормальной температуре или вязкие, разогретые до перехода в жидкое состояние.

Структура «золь-гель» характерна для вязких битумов при нормальной температуре, у которых одновременно проявляются вязкие и пластические свойства. Такие битумы рекомендуются для получения дорожных асфальтобетонов (III структурный тип).

Битумы III типа имеют промежуточный состав и содержат (в %):

асфальтенов 21…23;

смолы 30…34;

масла 45…49.

Соотношение асфальтенов и мальтеновой части находится в пределах:

Установлено, что битумы III типа наиболее приемлемы для дорожного строительства.

Оптимизация группового состава битумов для дорожной отрасли должна осуществляться по нормативным документам, составленным специалистами дорожного материаловедения.

Разделение битумов по структуре на указанные типы является достаточно условным, так как не только соотношение основных групп углеводородов в битуме, но и их индивидуальный состав и свойства, степень развитости боковых цепей, наличие функциональных групп и др. будут оказывать существенное влияние на физико-химические свойства битумов.

Тем не менее, такая классификация дает возможность связать воедино состав, структуру и основные свойства битумов.