Структурно-механических и теплофизических свойств на разжижаемость

Битумы бывают природные и нефтяные. В нашей стране строительные организации применяют вязкие и жидкие нефтяные битумы, классификация которых приведена на таблице 1.1.

Марка битума	Температура размягчения при температуре 25С^о, в десятых долях, мм	Глубина проникания иглы при температуре 25С^о, в десятых долях, мм	Растяжимость при температуре 25С^о, см, не менее	Температура вспышки в С^о не ниже
	Дорожные
БНД-130/200		131-200
БН-90/130		91-130
БНД-90/130		91-130
БН-60/90		60-90
БНД-40/60		40-60
Строительные
БН-70/30		21-40
БН-90/10		5-20
Кровельные
БНК-45/180			Не нормир.
БНК-90/40	65-95	>25-35	То же
БНК-90/130	85-95	>25-35	То же

Битумы ввиду высоких эксплуатационных свойств и наличия огромной базы получили широкое распространение при производстве кровельных, гидроизоляционных работ, приготовления асфальтобетонов, холодных и горячих битумных мастик, производстве материалов для мягкой кровли.

Битумы представляют сложную дисперсную систему, в состав которой входят различные высокомолекулярные соединения нефти, объединённые в определённые группы углеводородов (масла, смолы, асфальтены и др.). На основании изучения химического состава различных битумов впервые была предложена новая классификация дорожных битумов.

Карбоиды – часть битумов, растворимая в сероуглероде.

Карбены – растворимы в сероуглероде, но не растворяются в четырёххлористом углероде.

Так как карбены и карбоиды в битумах присутствуют в очень малых количествах, они большого интереса не представляют.

Асфальтены – представляют собой твёрдый, хрупкий порошок от тёмно-коричневого до чёрного цвета. При обычной температуре находятся в твёрдом состоянии, а при нагревании до 300С^о разлагаются с образованием кокса и газа.

Смолы – аморфные вещества от красноватого до тёмно-коричневого цвета. Их химическое строение подобно строению асфальтенов. При обычной температуре представляют твёрдые и пластичные вещества.

Масла – жидкости высокой вязкости, они показывают растворяющее действие на асфальтены.

Масла придают битуму текучесть, нейтральные смолы – пластичность, асфальтены увеличивают вязкость и тепловую стойкость.

Битумы различаются по процентному составу компонентов в условны группах. Их содержание в битумах колеблется в пределах: масла – 40…65%, асфальтены – 15-…30%, смолы – 20…40%.

При обычной температуре битумы обладают высокой вязкостью, которая резко уменьшается с увеличением температуры его нагрева. С повышением температуры, вследствие растворения периферийной части битумных мицелл, увеличивается соотношение ДС/ДФ. (ДС – дисперсионная среда, ДФ – дисперсная фаза), что приводит к увеличению расстояния между узлами сетки. Одновременно возрастают скорость и частота колебаний молекул, ослабляются взаимодействия между частицами битума и происходит изотропное разрушение структуры. При достаточно высоких температурах происходит предельное разрушение структуры и битум переходит в состояние вязкой жидкости.

Наиболее важной является вязкость битума при температуре 30…60^оС, характеризующая его работу в покрытии, а так же в области температур 120…160^оС, при которой битумы объединяют с материальными материалами или осуществляют различные виды изоляционных работ.

Важнейшие механические свойства битума: вязкость, упругость, пластичность, прочность, теплоустойчивость – непосредственно зависят от состава битума, его структурно-механических свойств и молекулярных сил сцепления.

Конструкции, в которых битумы используются как вяжущие матеиалы, подвергаются воздействию не только тепловых, но и динамических нагрузок, изменяющихся по величине и времени действий.

В целях более глубокого изучения свойств битумов, выбора рациональных способов разогрева и правильного применения их марок в различных конструкциях, необходимо широкое и детальное исследование реологических свойств битумов (рис.1.1-1.2)

Изучение на практике деформативные свойства битумов определяют по двум характеристикам: глубине проникания иглы (пенетрация) и температуре размягчения (кольцо и шар).

Битумы, как вяжущие материалы, должны так же обладать хорошими адгезионными и когезионными свойствами, комплексом упруго-пластичных свойств в интервале положительных и отрицательных температур.

Чтобы сохранить исходные свойства применяемых битумов, необходимо при их нагреве выдерживать правильный температурный режим.

 

 

Рис. 1.1. Кривая течения структурированной жидкости

 

На рис.1.1 представлена S-образная реологическая кривая, расположена внутри угла, образованного вдумя прямыми, проходящими через начало координат. Начальная касательная участка от 0 до Рr` - характеризует пластичную вязкость условно неразрушенной структуры, вторая прямая (конечная касательная) выше Рm` - характеризует наименьшкую вязкость предельно разрушенной структуры.

Криволинейный участок в зоне напряжений Рr` - Pm` - характеризует теччение системы с заметным, но не предельным разрушением структуры. На этом участке каждому значению ε соответствует своя степень разрушения структуры. Вязкость системы η имеет переменное значение и может быть выражена зависимость η(Р) или η(ε).

На графике показано, что в зависимости от величины приложенного сдвига или градиента скорости сдвига имеются три области значения вязкости, определяющие характер процесса течения битума.

Рис. 1.2. Зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига битума марки БН-60/90;

 

 

а) при температуре 80^оС;

б) при температуре 60^оС;

1-вязкость битума в статических условиях без вибровоздействия;

2,3 – вязкость битума при колебаниях с частотой 50Гц (2) и 167 Гц (3)

 

Если температура нагревающих поверхностей ниже чем оптимальная, то значительно увеличивается время разогрева битума. При длительном воздействии высоких температур в битуме наступают необратимые процессы: изменяется их химический состав и структура, резко ухудшаются физические свойства.

Так же установили, что битумы при длительном воздействии на них высоких температур в присутствии кислорода «стареют». В них улетучиваются и выгорают лёгкие фракции углеводородов, увеличивается содержание асфальтенов, происходит укрупнение битумных мицелл, уменьшается прочность, повышается вязкость, снижается их «склеивающая» способность, битумы становятся хрупкими, теряют пластические свойства.

Таким образом, учитывая теплофизические свойства битумов и особенности их «старения» при длительном действии высоких температур, с целью сохранения битумов высокого качества, необходимо до минимум сократить в процессе их разжижения время контакта с поверхностями нагрева.