Основные физико-механические свойства вязких битумов

 

Вязкие битумы на 90 % потребляются в дорожной отрасли на производство асфальтобетонов (для строительства всех видов усовершенствованных дорожных покрытий и оснований), а также для гидроизоляции транспортных сооружений.

При изготовлении смесей битума с каменным материалом к этому вяжущему предъявляются основные два требования: он должен хорошо смачивать каменный материал, образовывать на нем оптимальную толщину пленки и прочно прилипать к поверхности минеральных частиц.

При соблюдении этих требований частицы каменного материала будут равномерно покрыты битумной пленкой, а смесь получится однородной и способной при ее уплотнении образовать прочный монолит.

Поэтому вязкость битума при образовании смеси и при ее уплотнении должна быть в требуемых пределах. Если вязкость битума больше допустимой, то такую смесь трудно уплотнять. Если же вязкость битума меньше допустимой, то такая смесь также не может уплотняться из-за своей пластичности.

Исходя из особенностей погодно-климатических условий и механических транспортных нагрузок, для надежной работы дорожной одежды битум должен соответствовать определенным требованиям.

Требования к вязким битумам, исходя из погодно-климатических (сезонных) условий и транспортных нагрузок:

1. Летний период. Пленка структурированного битума должна быть мало деформативной, а вязкость объемного битума (в межзерновых пустотах) должна быть также достаточно высокой. В противном случае в слое покрытия и основания могут появляться пластические деформации в виде волн и колей.

2. В осенний и весенний период главным разрушающим фактором является вода. Поэтому пленка битума на минеральных частицах должна быть водостойкой, прочной и не отслаиваться водой. Поскольку в эти периоды несущая способность переувлажненных грунтов под дорожной одеждой снижается, появляются сдвиговые деформации, стремящиеся сместить битумные пленки с поверхности минеральных частиц. При нарушении указанных условий (снижения адгезионной способности битума) в дорожной одежде могут возникать микротрещины и она начнет постепенно разрушаться при воздействии транспортных нагрузок.

3. Зимой структурированный и объемный битум покрытий должен обладать достаточной деформативностью (вязкостью), что особенно важно при резком перепаде отрицательных температур (включая циклы перехода через нулевую температуру при оттепелях).

4. Битум должен быть устойчивым к старению, поскольку энергия факторов внешней среды приводит к его «хрупкости», связанной с потерей им со временем вязко-пластических свойств.

Старение дорожных битумов зависит от различных факторов: температуры и продолжительности нагрева при их подготовке к использованию; температуры, при которой происходит перемешивание битума с каменными материалами (когда битум находится в пленочном состоянии); свойств каменных материалов и др. Под воздействием ряда факторов происходит изменение основных физико-механических свойств битумов: повышается вязкость, снижается пластичность и увеличивается хрупкость. Это явление называют старением битумов.

Старение битумов происходит по различным причинам, основными из которых являются: испарение легколетучих углеводородов, содержащихся в масле, при повышении температуры; химическое изменение компонентов битумов, а следовательно, и его группового состава под действием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей и др.; характер взаимодействия его составляющих с минеральными материалами в битумоминеральной смеси (обычно пористые минеральные материалы поглощают некоторые составные части битума, чаще всего масла, в результате чего происходит нарушение структуры и старение битума).

В результате воздействия на битум комплекса вышеназванных факторов составные части битумов изменяются: масла переходят в смолы, а смолы в асфальтены и т.д. Процесс превращения смол в асфальтены идет значительно интенсивнее, чем масел в смолы. Накопление асфальтенов приводит к потере битумом пластических свойств и увеличению его хрупкости, так как содержание смол, придающих битуму эластичность и тягучесть, уменьшается. Одни и те же битумы стареют с различной интенсивностью в зависимости от условий, в которых они находятся. При длительном нагреве, особенно при высоких технологических температурах, процесс изменения группового состава битума протекает более интенсивно.

К тому же битумы, подвергавшиеся длительному нагреву при высоких температурах, оказываются, как правило, более склонными к старению. Воздействие температуры 160 °С и выше в течение 5 ч и более в значительной степени увеличивает вязкость и уменьшает интервал пластичности битумов, поэтому температура и длительность нагрева ограничиваются пределами, позволяющими довести битум только до рабочей консистенции.

На стабильность битума в асфальтобетонах большое влияние оказывают качество заполнителя, его пористость, минералогический состав, характер поверхности (шероховатость). При заполнителях из высокопрочных и плотных каменных материалов с шероховатой поверхностью зерен битумы меньше подвержены старению, чем в асфальтобетонах с пористыми заполнителями. Способствуют старению битумов минеральные материалы, содержащие оксиды железа и алюминия (Fe₂O₃ и Aℓ₂O₃).

С целью торможения старения битумов используют специальные добавки, так называемые антистарители (ингибиторы). В качестве антистарителей применяют соли олеиновой, нафтеновой, стеариновой и других жирных кислот (массовая доля их составляет 0,05…0,5 %). Замедляют старение регенераты бутилкаучуковых отходов шинной промышленности, которые помимо стабилизации свойств, способствуют повышению теплоустойчивости битумов и расширяют интервал их пластичности. Массовая доля таких веществ в битумах – 6…10 %. Уменьшают интенсивность старения кумароновая смола (при введении ее с массовой долей до 10 %), полиэфирные ненасыщенные смолы (3…5 %), а также сера, сульфопиридин, ализарин, гидрохинон, фентиазин (до 0,2 % от массы вяжущего).

Замедление старения битума в покрытии может быть достигнуто также применением плотного асфальтобетона, в котором отсутствует циркуляция воздуха и воды, что снижает процесс окисления битума, находящегося в тонких слоях. Однако в настоящее время нет общепринятых методов повышения стабильности битумов ввиду непостоянства их состава и свойств. Поэтому в каждом конкретном случае надо выбирать как методы, так и вещества, замедляющие старение битумов.

Старение битума зависит от его состава, природы минеральных частиц, с которыми он контактирует, воздействия кислорода воздуха, солнечной радиации (суммарной величины теплового воздействия), а также энергии механических сдвиговых нагрузок.

В дорожном покрытии битум стареет быстрее, чем в основании, так как слой основания защищен слоем покрытия от непосредственного воздействия солнечной радиации и кислорода воздуха.

Для определения ряда свойств битума – прочности, деформативности и др., отражающих реальные условия его работы в дорожном покрытии, нужна сложная аппаратура, недоступная для лабораторного контроля качества битума в производственных условиях. Поэтому в настоящее время в строительных лабораториях проводят не прямые определения параметров этих свойств, а делают условные испытания, показатели которых позволяют косвенно судить о свойствах битума.

Для характеристики вязкости дорожных битумов пользуются условным показателем – глубиной проникания стандартной иглы в битум при определенной температуре. Глубину проникания иглы (пенетрацию) определяют на специальном приборе – пенетрометре [2]. Чем меньше глубина проникания, тем больше вязкость битума и его прочность.

В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С вязкие дорожные битумы для верхнего слоя покрытия изготавливаются следующих марок: БД 200/300, БД 130/200, БД 90/130, БД 60/90 и БД 40/60.

О прочности битумной пленки при повышенных летних температурах можно судить по температуре размягчения битума, которую определяют с помощью прибора «кольцо и шар». Чем выше температура размягчения, тем больше его температурная устойчивость в летнее время.

Деформативность пленки битума при пониженных отрицательных температурах связана с температурой хрупкости битума (Т_хр), которую определяют на приборе Фрааса. Чем ниже температура хрупкости битума, тем более деформативен он в зимнее время. Температура хрупкости для вязких битумов колеблется в пределах от -30 до -5 °С. О деформативности битума при 0 °С можно также судить по глубине проникания битума при этой температуре. Чем больше глубина проникания битума при 0 °С, тем больше деформативность пленки битума при температурах, близких к 0 °С.

При изменении температуры битумы значительно изменяют свои свойства, главным образом вязкость. При повышенных температурах битумы переходят в жидкое состояние, что резко снижает прочность и связность тех материалов, в которых они используются (асфальтобетоны, мастики и др.).

При отрицательных температурах битум и материалы на его основе становятся хрупкими. Переход битумов из жидкого в вязкопластичное, а затем в твердое (хрупкое) состояние и обратно протекает в определенном интервале температур (50-100 °С), который называется интервалом превращения. Интенсивность изменения вязкопластичных свойств характеризует теплоустойчивость битумов, ее определяют «интервалом пластичности».

Интервал пластичности (Т_п) представляет собой алгебраическую разность между температурами размягчения (Т_р) и хрупкости (Т_хр)

Т_п = Т_р – Т_хр. (7.1)

Чем ниже температура хрупкости и выше температура размягчения, тем больше интервал превращения, в котором битум находится в вязкопластическом состоянии и тем лучше его строительно-эксплуатационные свойства.

Пластичность битумов характеризуется растяжимостью (Р₂₅), которая определяется на приборе – дуктилометре путем растяжения стандартных образцов-восьмерок при температуре +25 °С. Длина битумной нити в момент ее разрыва, выраженная в сантиметрах, является показателем растяжимости.

Битумы при изменении температуры сильно меняют свойства и, главным образом, вязкость.

В зависимости от группового состава и структуры вязкие битумы при одинаковой вязкости могут иметь различные когезию, адгезию и теплоустойчивость.

Чтобы учитывать сравнительную теплоустойчивость битумов, кроме интервала пластичности (Т_п), В.А.Золотаревым было предложено битумы с пенетрацией 40…130 разделить на структурно-реологические типы с помощью коэффициента К_стр:

(7.2)

где Р₂₅ – растяжимость битума при 25 °С, см.

Установлено, что при К_стр ³ 1,1 битумы имеют высокую теплоустойчивость; при К_стр = 0,.65…1,1 битумы обладают удовлетворительной теплоустойчивостью, а при К_стр < 0,65 битумы имеют малую теплоустойчивость.

При выдерживании битума в тонких пленках при высокой температуре процессы старения протекают настолько интенсивно, что практически в течение нескольких часов битум переходит в другую марку с более высокой вязкостью (рис. 7.1).

В итоге асфальтобетон в покрытии содержит битум с меньшей глубиной проникания иглы (пенетрацией), чем было принято при подборе его состава. Таким образом, уже на технологической стадии тепловой подготовки битума можно значительно ухудшить его теплоустойчивость, что является одной из главных причин существенного сокращения срока службы асфальтобетонных покрытий.

Поэтому при выборе марки битума для асфальтобетона необходимо учитывать не только дорожно-климатическую зону эксплуатации покрытия (расчетную температуру покрытия в летнее время и продолжительность ее стояния в строительный сезон), но и изменение свойств битума в технологическом процессе его тепловой подготовки на битумных базах и асфальтобетонных заводах. В зависимости от продолжительности выдерживания битума в рабочих емкостях (до его поступления в смеситель) марочную (исходную) вязкость битума желательно уменьшать путем применения менее вязких битумов заводского изготовления, т.е. вносить коррективы в проектируемый состав асфальтобетона до его изготовления на АБЗ.

Устойчивость битума при нагревании оценивается методом определения изменения массы после прогрева и изменения 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.

Интенсивность изменения упруговязкопластических свойств битума характеризует его теплоустойчивость. Косвенно о теплоустойчивости судят по температуре размягчения и индексу пенетрации.

Для характеристики изменения вязкости битумов принято определять индекс пенетрации, отражающий интервал пластичности или характер изменения вязкости, в виде отвлеченного числа, вычисляемого по формуле

(7.3)

Коэффициент (7.4)

где t_p – температура размягчения, °С.

Битумы с индексом пенетрации меньше -2 характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температуры. При низких температурах и кратковременных нагрузках от колес автомобильного транспорта они разрушаются, как хрупкий материал.

При индексе пенетрации -2…+2 битумы менее чувствительны к изменению температуры, менее хрупки, так как при низких температурах у них сохраняются вязкоупругие свойства. Эти битумы наиболее широко применяются в дорожном строительстве. Битумы с индексом пенетрации более 2 характеризуются высокой теплоустойчивостью и малой хрупкостью при низких температурах. Итак, чем выше индекс пенетрации, тем больше теплоустойчивость и шире интервал пластичности битумов.

С целью уменьшения хрупкости и увеличения интервала пластичности в битумы вводят специальные добавки (латексы, каучук и др.).

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 битумов не ниже 220 °С. Этот показатель важен для разработки противопожарных мероприятий.

Объемное тепловое расширение битумов характеризуется коэффициентом объемного расширения при температуре 25 °С. Он находится в пределах 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.

Теплопроводность битума характеризуется коэффициентом теплопроводности. Она равна количеству тепла, которое может пропустить образец материала площадью 1 м² при толщине его 1 м и перепаде температур в 1 К в течение 1 с. Теплопроводность битумов равна 0,15…0,175 Вт/(м×К).

Смачиваемость битумом минеральных материалов зависит от содержания в нем поверхностно-активных полярных соединений и свойств каменных материалов.

Количественной мерой процесса смачивания может служить угол, образованный каплей и твердой поверхностью. Этот угол называется краевым углом смачивания и обозначается q. Значения q могут меняться в пределах от 0 до 180°. Величину угла смачивания отсчитывают между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения твердой, жидкой и газообразной фаз. Измерение угла производят со стороны жидкости (рис. 7.2).

В основе процессов смачивания и растекания лежат: поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз, а также явления когезии и адгезии. Малая капля жидкости, помещенная на твердую поверхность, может принять разную форму: либо близкую к сферической, как капля воды на поверхности парафина, либо плоскую, так как растекается по поверхности твердого материала, подобно капле воды на поверхности чистого стекла. В первом случае твердая поверхность не смачивается жидкостью, во втором – смачивается. Явление смачивания определяет ход многих процессов в строительном материаловедении, так как служит начальной стадией взаимодействия жидкостей с твердыми телами.

Поверхностное натяжение – это работа, затрачиваемая каплей жидкости, стремящейся уменьшить свою поверхность при контакте с твердой поверхностью. Она выражается как величина энергии, отнесенная к единице поверхности.

Поверхностное натяжение битумов при температуре 20…25 °С равно 25×10^-3…35×10^-3 Дж/см².

Если краевой угол острый, то смачивание хорошее, поскольку притяжение молекул жидкости поверхностью минерального материала (адгезия) приближается к внутреннему притяжению молекул жидкости (когезия). Если краевой угол большой (тупой), смачивание плохое, притяжение молекул жидкости минеральным материалом слабое. Таким образом, минеральный материал тем лучше смачивается жидкостью, чем меньше силы сцепления между ее молекулами (когезия) и сем больше силы притяжения между молекулами жидкости и минерального материала (адгезия).

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.

Для вязких битумов определяют сцепление с мрамором и песком двумя методами: метод А – пассивное сцепление и метод Б – активное. Метод А заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности песка или мрамора при воздействии воды. Метод Б заключается в определении способности жидкого или вязкого битума сцепляться с поверхностью песка или мрамора в присутствии воды. Сцепление битума оценивают степенью смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбции красителей, меченых атомов или люминесценции. При недостаточной поверхностной активности битума и плохом прилипании его к каменным материалам применяют поверхностно-активные добавки в битум или активируют поверхность минеральных материалов известью, цементом, хлорным железом, что способствует улучшению прилипания битума.

При применении битумов в настоящее время в дорожной отрасли используют два нормативных документа:

- ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия»;

- СТБ 1062-97 «Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия. Технические условия».

ГОСТ 22245-90 распространяется на вязкие дорожные битумы, предназначенные в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных и аэродромных покрытий.

В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С вязкие дорожные нефтяные битумы изготовляют следующих марок:

БНД 200/300; БНД 120/200; БНД 90/130; БНД 60/90; БНД 40/60;

БН 200/300; БН 120/200; БН 90/130; БН 60/90.

По физико-механическим показателям битумы БНД и БН должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 7.1

 

Таблица 7.1

Физико-механические показатели свойств битумов БНД и БН

Наименование показателя	Норма для битума марки	Метод испытания
БНД 200/300	БНД 130/200	БНД 90/130	БНД 60/90	БНД 40/60	БН 200/300	БН 130/200	БН 90/130	БН 60/90
ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612	ОКП 02 5612
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С, не менее	201-300	131-200	91-130	61-90	40-60	201-300	131-200	91-130	60-90	По ГОСТ 11501
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже										По ГОСТ 11506
3. Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С	-	6,0	4,0	3,5	-	- -	-	-	-	По ГОСТ 11505
4. Температура хрупкости, °С, не выше	-20	-18	-17	-15	-12	-14	-12	-10	-6	По ГОСТ 11507 с дополнением по п. 3.2
5. Температура вспышки, °С, не ниже										По ГОСТ 4333
6. Изменение температу-ры размягчения после прогрева, °С, не более										По ГОСТ 81180, Гост 11506 с дополн. по п. 3.3
7. Индекс пенетрации	От -1,0 до +1,0	От -1,5 до +1,0	По прилож. 2

 

Рекомендуемая область применения битумов БНД и БН в дорожном строительстве указана в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Область применения вязких битумов в дорожном строительстве

Дорожно-климатическая зона	Среднемесячные температуры наиболее холодного времени года, °С	Марка битума
I	Не выше -20	БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300
II и III	От -10 до -20	БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300
II, III, IV	От -5 до -10	БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300
IV и V	Не ниже +5	БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130

 

СТБ 1062-97 распространяется на битумы нефтяные, предназначенные для применения в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте верхних слоев дорожных и аэродромных покрытий.

Условное обозначение битумов при заказе должно состоять из наименования битума, марки и обозначения стандарта.

Пример условного обозначения битума нефтяного для верхнего слоя дорожного покрытия БД 90/130 СТБ 1062-97.

По физико-химическим показателям битумы должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 7.3.

 

Таблица 7.3 – Физико-химические показатели свойств битумов БД для верхнего слоя дорожного покрытия

Наименование показателя	Норма для битума марки	Метод испытания
БД 200/300	БД 130/200	БД 90/130	БД 60/90	БД 40/60
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С, не менее	201-300	131-200	91-130	61-90	40-60	По ГОСТ 11501
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже						По ГОСТ 11506
3. Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С	-	6,0	4,0	3,5	-	По ГОСТ 11505
4. Температура хрупкости, °С, не выше	-20	-18	-17	-15	-12	По ГОСТ 11507
5. Температура вспышки, °С, не ниже						По ГОСТ 12.1.044
6. Содержание парафина, % (масс.), не более	3,0	3,0	3,0	3,0	3,0	По ГОСТ 17789 или по ГОСТ 28967
7. Коэффициент сцепления битума с гранитным щебнем при 20°С, не менее	0,70	0,70	0,70	0,70	0,70	В соответствии с приложением А

 

Окончание таблицы 7.3

 

Наименование показателя	Норма для битума марки	Метод испытания
БД 200/300	БД 130/200	БД 90/130	БД 60/90	БД 40/60
8. Показатели физико-химических свойств после прогрева (+163 °С/300 мин)
а) потеря в массе, %, не более	1,0	1,0	0,5	0,5	0,2	По ГОСТ 18180
б) изменение глубины проникания иглы при 25 °С, %, не более						По ГОСТ 11501 с дополнением по п. 8.4
в) изменение температуры размягчения по кольцу и шару, °С, не более						По ГОСТ 11506 с дополнением по п. 8.3
9. Групповой химический состав, % масла смолы асфальтены	Для всех битумов 45-49 32-34 19-21	В соответствии с приложением Б (факультативный показатель по требования заказчика