Основные физико-механические свойства вязких битумов

В дорожной отрасли потребляется 90 % вязких битумов. Они используются для производства асфальтобетонов (для строительства всех видов усовершенствованных дорожных покрытий и оснований) и гидроизоляции транспортных сооружений.

При изготовлении смесей битума с каменным материалом к этому вяжущему предъявляются два основных требования: оно должно хорошо смачивать каменный материал, образовывая 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, такую смесь трудно уплотнять, если же меньше допустимой, смесь 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.

  • 1. Летний период. Пленка структурированного битума должна быть малодеформативной, а вязкость объемного битума (в межзерновых пустотах) должна быть достаточно высокой. В противном случае в слое покрытия и основания могут появляться пластические деформации в виде волн и колей.
  • 2. В осенний и весенний периоды 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 возникнуть микротрещины и она начнет постепенно разрушаться при воздействии транспортных нагрузок.
  • 3. Зимой структурированный и объемный битумы покрытий должны 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 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 комплекса этих факторов изменяются основные физико-механические свойства битумов: повышается вязкость, снижается пластичность и увеличивается хрупкость.

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.;
  • ? изменение характера 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.

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.

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 (Fe203 и А1203).

Для торможения старения битумов используют специальные добавки — антистарители (ингибиторы): соли олеиновой, нафтеновой, стеариновой и других жирных кислот; их массовая доля в битуме 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 ку- мароновая смола (при массовой доле 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 плотных асфальтобетонов, в которых отсутствует циркуляция воздуха и воды, что замедляет процесс окисления битума, находящегося в тонких слоях. Однако в настоящее время нет общепринятых методов повышения стабильности битумов ввиду непостоянства их состава и свойств. Поэтому как методы, так и вещества, замедляющие старение битумов, подбираются в каждом конкретном случае.

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, отражающих реальные условия его работы в дорожном покрытии (прочности, деформативности и др.), нужна сложная аппаратура, недоступная для лабораторий на производстве. Поэтому в настоящее время в строительных лабораториях проводят не прямые определения параметров этих свойств, а условные испытания, показатели которых позволяют косвенно судить о свойствах битума.

Для характеристики вязкости дорожных битумов пользуются условным показателем — глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) в битум при определенной температуре. Глубину проникания иглы определяют на специальном приборе — пенетрометре. 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.

Деформативностъ пленки битума при пониженных отрицательных температурах связана с температурой хрупкости битумахр), которую определяют на приборе Фрааса. Чем ниже температура хрупкости битума, тем более дефор- мативен он в зимнее время. Температура хрупкости для вязких битумов колеблется в пределах -30...-5 °С. О деформативности битума при 0 °С можно также судить по величине пенетрации при этой температуре: чем она больше, 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) — интервале превращения. Интенсивность изменения вязкопластичных свойств характеризует теплоустойчивость битумов, ее определяют интервалом пластичности.

Интервал пластичности (ТП) представляет собой алгебраическую разность между температурами размягчения (Тр) и хрупкости (Тхр):

(7.1)

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

Пластичность битумов характеризуется растяжимостью25), которая определяется на дуктилометре путем растяжения стандартных образцов-восьмерок при температуре +25 °С. Длина битумной нити в момент ее разрыва, выраженная в сантиметрах, является показателем растяжимости.

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

Чтобы учитывать сравнительную теплоустойчивость битумов, В.А. Золотарев предложил разделить битумы с пенетра- цией 40... 130 на структурно-реологические типы с помощью коэффициента Кстр:

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

Изменение марки битума в зависимости от времени его выдержки при высокой температуре

Рис. 7.1. Изменение марки битума в зависимости от времени его выдержки при высокой температуре

При Кстр> 1,1 битумы имеют высокую теплоустойчивость, при Кстр = 0,. 6 5...1,1 — удовлетворительную, при Кстр <0,65 — малую.

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 упруговязкопластичных 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:

где Тр — температура размягчения, °С; П25 — пенетрация битума при +25 °С

Чем выше индекс пенетрации, тем больше теплоустойчивость и шире интервал пластичности битумов. Так, битумы с ИП < -2 характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температуры. При низких температурах и кратковременных нагрузках от колес автомобильного транспорта они разрушаются, как хрупкий материал. При ИП = -2...+2 битумы менее чувствительны к изменению температуры, менее хрупки, так как сохраняют вязкоупругие свойства при низких температурах. Эти битумы наиболее широко применяются в дорожном строительстве. Битумы с ИП > 2 характеризуются высокой теплоустойчивостью и малой хрупкостью при низких температурах.

Для 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 — 2 • 10 4. 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 кДжДкг • К).

Теплопроводность битума характеризуется коэффициентом теплопроводности. Она равна количеству тепла, которое может пропустить образец материала площадью 1 м2 при толщине 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 0. Значения 0 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).

Краевые углы смачивания

Рис. 7.2. Краевые углы смачивания: а — смачивающая жидкость; б — несмачивающая жидкость

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 форму, либо близкую к сферической (капля воды на поверхности парафина), либо плоскую (капля 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. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20...25 °С равно 25 • Ю...35 • 1(Г3 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 чем 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 во время кипячения 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 — 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.

В настоящее время в дорожной отрасли используют два нормативных документа, регулирующих применение битумов: ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия» и СТБ 1062-97 «Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия. Технические условия».

ГОСТ 22245-90 распространяется на вязкие дорожные битумы, используемые 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

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

Таблица 7.1

Физико-механические показатели свойств битумов БНД и БН

Показатель

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

Глубина проникания иглы, 0,1 мм, не менее: при 25 °С при 0 °С

  • 201...300
  • 45
  • 131...200
  • 35
  • 91...130
  • 28
  • 61...90
  • 20
  • 40...60
  • 13
  • 201...300
  • 24
  • 131...200
  • 18

91...130 15

60...90 10

По

ГОСТ 11501-78

Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже

35

40

43

47

51

33

38

41

45

По

ГОСТ 11506-73

Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С

20

  • 70
  • 6,0
  • 65
  • 4,0
  • 55
  • 3,5

45

80

80

70

По

ГОСТ 11505-75

Температура хрупкости, °С (по Фраасу), не выше

-20

-18

-17

-15

-12

-14

-12

-10

-6

По

ГОСТ 11507-78 с дополнением по п. 3.2

Температура вспышки, °С, не ниже

220

220

230

230

230

220

230

240

240

По

ГОСТ 4333-87

Изменение температуры размягчения после прогрева, °С, не более

7

6

5

5

5

8

7

6

6

По

ГОСТ 11506-73

с дополнением по п. 3.3

Индекс пенетрации

-1,0...+1,0

-1,5...+1,0

По прил. 2 ГОСТ 22245-90

7.2. Дорожные вязкие битумы 339

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, III

0

1^

О

  • 1“Ч
  • 1

БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300

II, III, IV

-5...-10

БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300

IV, V

Не ниже +5

БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130

СТБ 1062-97 распространяется на нефтяные битумы, 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 (например, БД 90/130 СТБ 1062-97).

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

Групповой химический состав битумов факультативно нормируется следующими значениями:

  • ? масла — 45...49 %;
  • ? смолы — 32...34 %;
  • ? асфальтены — 19...21 %.

Физико-химические показатели свойств битумов для верхнего слоя дорожного покрытия

Таблица 7.3

Норма для битума марки

Показатель

БД

БД

БД

БД

БД

Метод испытания

200/300

130/200

90/130

60/90

40/60

Глубина проникания иглы, 0,1 мм, не менее:

По ГОСТ 11501-78

при 25 °С

201...300

131...200

91...130

61...90

40...60

при 0 °С

45

35

28

20

13

Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже

35

40

43

47

51

По ГОСТ 11506-73

Растяжимость, см, не менее:

при 25 °С

-

70

65

55

45

По ГОСТ 11505-75

при 0 °С

10

6,0

4,0

3,5

Температура хрупкости, °С, не выше

-20

-18

-17

-15

-12

По ГОСТ 11507-78

Температура вспышки, °С, не ниже

220

230

235

240

240

По ГОСТ 12.1.044-84

Содержание парафина, % по массе, не бо-

3,0

3,0

3,0

3,0

3,0

По ГОСТ 28967-91

лее

Коэффициент сцепления битума с гранит-

0,70

0,70

0,70

0,70

0,70

В соответствии с

ным щебнем при 20°С, не менее

прил. А СТБ 1062-97

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 18180-72

б) изменение глубины проникания

50

40

40

40

40

По ГОСТ 11501-78 с

иглы при 25 °С, % , не более

дополнен, по п. 8.4

в) изменение температуры размягчения по кольцу и шару, °С, не более

7

6

5

5

5

По ГОСТ 11506-73

7.2. Дорожные вязкие битумы 341

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >