Дорожно-строительные материалы

        При температуре 20-30⁰С у битума повышается вязкость и он становится хрупким и не обеспечивает требуемых свойств дорожных покрытий.

        Переход битума из твёрдого состояние в вязко-пластичное, затем в твёрдое состояние и обратно протекает в определённом интервале температур (30-60⁰С) – его называют интервалом твердения, а интенсивность изменения вязко-пластичных свойств характеризует теплоустойчивость битумов и определяется интервалом пластичности.

        Температура размягчения  определяется прибором КиШ (кольцо заполняют  битумом, на его поверхность кладут шарик и помещают в подогретую водяную баню. За температуру размягчения  принимают температуру, при которой  битум размягчается и шар опускается на нижнюю полку прибора.

        Температура размягчения  колеблется в пределах 30-60⁰С. Этот показатель увеличен при повышении содержания асфальтенов и смол.

        Температура твердения (хрупкости) определяется на приборе Фрааса. На стальную пластинку наносят тонкий слой битума и постепенно охлаждают. За температуру хрупкости принимают температуру в момент появления первой трещины на битуме при изгибе пластинки. Для дорожных битумов температура хрупкости колеблется в пределах 5-25%.

        Чем ниже температура  хрупкости битума, тем выше трещиностойкость АБ.

        При изменении вязкости битума в зависимости от температуры  на практике применяют индекс пенетрации. Он выражается в виде отвлечённого числа до 2.

        Битумы с индексом пенетрации ниже 2 менее чувствительны  к изменению температуры и приближены к свойствам жидкости.

        Чем выше индекс пенетрации, тем шире интервал пластичности и  тем качественнее битум для дорожного  строительства.

        Устойчивость при  нагреве органических вяжущих определяют по уменьшению массы и изменению  свойств. Пробу битума нагревают до температуры 160⁰С в течении 5часов. Изменение свойств при нагреве объясняется использованием части лёгких масел и процессами окисления и полимеризацити, протекающими при нагреве более интенсивно. По этим изменениям можно судить о стабильности свойств вяжущих во времени.

        Температура вспышки  – температура, при которой пары, образовавшиеся при подогреве битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесённого к ним пламени.

        Температура, при  которой это пламя горит в  течении не менее 5сек – температура вспышки.

        Температура вспышки  вязких и твёрдых битумов не ниже 180-200⁰С, жидких среднегустеющих битумов не ниже 37-60⁰С и жидких медленногустеющих 100-110⁰С.

        Теплоёмкость –  количества тепла в кДж необходимое  для нагрева 1кг битума на 1⁰С (теплоёмкость примерно 1,8-1,9 кДж/кг. 

        Сцепление ОВВ в  каменными материалами (адгезия) зависит  от физ-хим свойств вяжущих, от содержания в них активных функциональных групп, от полярности и поверхностного натяжения.

        Для определения  прилипания битума к каменным материалам существует ряд методов, основанных на способности каменных материалов, предварительно обработанных битумом, удерживать битумную плёнку при её вытеснении, способом кипячения в воде механическим встряхиванием и взбалтыванием. Для вязких и жидких битумов определяют сцепление с мрамором и песком.

 

        

4. ПАВ, ИХ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БИТУМОВ, ВИДЫ И ВЫБОР ВИДА ПАВ

 

       В связи с недостаточным количеством нефтяных битумов, пригодных для дорожного строительства и улучшением их свойств предлагают различные добавки, вводимые в относительно небольшом количестве, но существенно влияющие на структуру и свойства полученных вяжущих.

       В некоторые вяжущие вводят большое  количество добавок. Такие вяжущие  называют композиционными или комплексными.

       Наибольшее  распространение получили бит-дёгтевые, бит-полимерные, дёгтебитумополимерные комплексные вяжущие.

       Для улучшения свойств битумов и  дёгтей, для повышения их прилипания к каменным материалам, для пластичности при низких температурах, для тепло- и погодоустойчивости и для снижения вязкости добавки вводятся в количестве до 20%.

       Добавки могут классифицироваться по растворимости, по способу введения и по другим признакам.

       Виды:

       - РАЗЖИЖАЮЩИЕ ДОБАВКИ – для понижения вязкости ОВВ. Чем ближе состав разжижителя к состоянию вяжущего материала, тем более галогены и стабильные битумные растворы.

       Наиболее  стабильные растворы дают разжижители  ароматического ряда, т.к. подавляющее  большинство используемых битумов  и дёгтей имеют в своём составе  циклические и ароматические  комплексы.

       Для приготовления жидких битумов и дёгтей применяют керосин, нефть, мазут, жидкие крекинг-осадки, антроценовые масла.

       Оптимальное содержание (2-50%) разжижителя, определяют в лаборатории в зависимости  от требований вязкости.

       Изменение вязкости зависит от состава вяжущего и самого разжижителя и количества разжижителя.

       В зависимости от содержания разжижителя  наблюдается следующие структурно-реалогические  модификации.

       При относительно малом содержании разжижителя  вязкость изменяется незначительно. Это связано с сохранением исходной структуры битума. При повышении содержания разжижителя происходит относительно резкое падение вязкости, что связано с нарушением структурных связей и битум при этом преобразует  свойства жидкости.

       Применение разжижителя, содержащего ароматический углеводород приводит к пластификации битумов.

       - ПЛАСТИФИЦИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ – вводят для уменьшения хрупкости, для уменьшения температуры стеклования и придания большей пластичности органическим вяжущим.

       Важнейшим требованием предъявляемым к пластификатору является его растворимость и совместимость с пластифицирующим веществом. Т.о. пластификация является частным случаем растворения. Оно сопровождается набуханием и разрыхлением макромолекул, связанным с проникновением в них пластификатора. Применительно к органическим вяжущим, в которых смолы и масла уже являются пластификатором, характер изменения температуры и интервала пластичности зависит от структуры, группового состава битума и от свойств вводимого пластификатора. Необходимо иметь ввиду, что введение пластификатора может повлиять и на другие свойства битумов, на их хим. Стойкость и на пагодоустойчивость.

       Сейчас  применяют пластификаторы: зелёное  масло, мазут, гудрон, антроценовое масло, дёготь. Они же растворители, разжижители, их содержание колеблется 2-40%.

       - ДОБАВКИ, УЛУЧШАЮЩИЕ АДГЕЗИЮ (ПРИЛИПАНИЕ) вводят непосредственно в битум, иногда в минеральную смесь.

       Вопрос  о физ-хим природной адгезии изучен недостаточно, но связан этот процесс с процессами, протекающими на границе раздела фаз между битумом и минеральным материалом.

       Большинство каменных материалов, применяющихся  в ДС имеют кристаллическое строение с ионной решёткой. При измельчении  на их поверхности  образуются сложное  электрическое поле.

       Знак  и величина потенциала, которого определяется свойствами ионов и характером их  расположения на поверхности. Большинство основных карбонатных пород (известняки, доломиты) имеют положительный заряд, а кислые породы (гранит, кварц) – отрицательный.

       Высокая разветвлённость молекул с полярными группами увеличивают адгезию.

       Введение  в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев в высокомолекулярных соединениях будет способствовать повышению адгезии к каменным материалам. Такими добавками являются ПАВ.

       Молекулы  ПАВ состоят из двух частей: полярной и неполярной.

       Полярная  часть обладает дипольным моментом. Эти группы – гидрофильные, реакционоспособные, обладают выраженными силовыми полем  и обуславливают хорошее прилипание к каменным материалам (ОН, Н₂, Н).

       Неполярная  часть – неактивные, гидрофобные, состоящие из углеводородной цепи, обладающей слабым силовым полем.

       ПАВ по физ-хим взаимодействиям делятся  на: ионогеновые и неионогеновые.

       Ионогеновые  вещества в свою очередь делятся  на: анионактивные (углекодородная часть молекул входит в состав аниона; к ним относятвысокомолекулярные органические компоненты: мыло, нафтан, производные карбонатных кислот и др.) и катионактивные (углекодородная часть молекул входит в состав катиона; к ним относят амины, соли аминов,4хзамещающие аммониевые основания).

       Для асфальтных материалов содержание анион-активных добавок составляет 3-10%,  а катион-активных – 1,5 – 3% от массы вяжущего.

       Применение  ПАВ облегчает и ускоряет обволакивание  каменных материалов и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами.Эффективность действия ПАВ зависит от вида каменного материала.

       Катионактивные  ПАВ обеспечивают повышенное сцепление  со всеми ГП, но особенно с кислыми.

       Анионактивные – повышают сцепление с основными  породами и почти на влияют на сцепление с кислыми породами.

       Для повышения адгезии битума каменным материалам выполняют её активацию. Активация битумов основана на положительных  мех-химии (т.е. по возможности перехода мех энергии в химическую.) На этом принципе основан способ активации битума ультрозвуком. Обработка проводится в течении 5мин при частоте 15-35 кГц мощностью 50-60 Вт/см² Это повышает сцепление битума с основными и кислыми материалами.

       - ДОБАВКИ, ДИСПЕРГИРУЮЩИЕ СТРУКТУРУ  служат для улучшения мех свойств и повышения температуры усталости. К этой группе добавок относят наполнители, которые по форме частиц делят на: волокнистые и порошкообразные.

       К волокнистым относят волокнистые  минеральные ваты, базальты, диабазы, андезиты, волокна астбеста, полимерных смол и текстильного производства. Волокнистые наполнителя, распределяемые в общем объёме вяжущего армируют его и существенно повышают прочность. Содержание их 5-10%.

       Порошкообразные наполнители из ГП применяются более  широко (известняковые порошки: доломитовый порошки). При введении мин.порошков в ОВВ в зависимости от свойств их поверхности от минералогического состава, от шероховатости, пористости и свойств самого вяжущего на зёрнах порошка формируются обломки связывающего битума различной толщины и устойчивости.

       Наиболее  активными являются асфальтово-смолистая часть, менее активными являются масла.

       Известняковые и кварцевые минеральные порошки  по-разному взаимодействуют с  битумом. Известняки за счёт более интенсивной  капиллярной фильтрации вяжущего  и его компонентов внутрь мин.зёрен образуют достаточно прочные соединения с битумом, что способствует образованию водоустойчивых, теплоустойчивых асф.систем с относительно высокими механическими свойствами.

       -СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ   вводят для повышенной огнестойкости.

       К ним относят: фосфаты, сульфиты аммония, производные брома в количества 1-5%.

       Для устойчивости к микроорганизмам  применяют соли окиси цинка, перманганат  калия, производные соединеия фенола и креазота (2-5%), фенольных пен  и тяжёлые каменно-угольные масла (5-15%).

       Для устойчивости к действию масел и  топлива добавляют серу.