Битумы представляют собой органические вещества черного
или темно-бурого цвета, которые содержат в своем составе комплекс
высокомолекулярных соединений углерода с водородом (т. е. углево-
дороды) и их производных, включающих в себя серу, кислород и азот,а также металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.).
При положительной температуре окружающей среды битумы
бывают твердыми, вязкими и текучими.
Они хорошо растворяются
в органических растворителях (горячем бензоле, толуоле, хлороформе, четырехлористом углероде, сероуглероде и др.) При нагревании
до 80…90°С битумы переходят и легкоподвижные жидкости, при охлаждении их и кость понашается, а их истинная плотность состалляет около 1 г/см.
Углеводорода и их производные, содержащиеся в битумах, очень
разнообразна по своему строению. Основными элементами, входя-
ними и битум, являются углерод (75… 85 %); водород, содержание
которого не превышает 15 %; сера, количество которой в природных
битумах может достигать 10 %, а в нефтяных битумах- не более1,5 %; кислород (не более 2,5 %); азот, количество которого обычно
не превышает долей процента (0,2…0,5 %). Кислород, сера, азот связаны в составе активных функциональных групп: OH, NH, SH,СООН.Перечисленные элементы образуют многочисленные сложные углеводородна метанового, нафиснового, а также ароматических или бензольных рядов.
Битумы, имеющие в своем составе значительное количество метановых углеводородов, являются парафинистыми. При отрицательных
температурах парафины способны к кристаллизации с ухудшением
свойств битумов (снижается пластичность и увеличивается хрупкость), Содержание парафинов может составлять в битумах 6…8 %.
Под воздействием теплоты, солнечного света и кислорода в результате окисления нафтеновые углеводороды частично переходят в смолы. Ароматические углеводороды в этих условиях сохраняют повышенную устойчивость, но процесс их окисления также заканчивается образованием смол.
Основными группами соединений в битуме, различающимися по молекулярной массе и растворимости в определенных углеводородных растворителях, являются масла (углеводороды), смолы и асфальтены. Смолы и масла принято объединять под общим названием «Мальтены.
Масла являются наиболее легкой фракцией битума. Содержание масел в битуме может быть от 45 до 60 %. Это жидкости высокой вязкости, светло-желтого цвета, они придают битумам подвижность
и текучесть.Увеличение количества масел снижает вязкость битума(повышается глубина проникания иглы, снижается температура размягчения и уменьшается его растяжимость).
Повышенная растворяющая способность масел, содержащих большое количество ароматических углеводородов, способствует снижению вязкости битума, понижению его температуры хрупкости.
Парафиновые углеводороды, содержащиеся в маслах, являются малоактивными растворителями, иногда даже осадителями асфальтенов.
Они практически неполярны, изменяют свои свойства под действием теплоты, кислорода, воздуха и ультрафиолетового излучения.
Смолы битумов представлены конденсированными циклическими системами ароматических, циклопарафиновых и гетероциклических углеводородов, которые соединены между собой короткими алифатическими мостиками-цепями. При комнатной температуре смолы имеют различную консистенцию- от вязкопластичной массы до твердых веществ, от красновато-бурого до темно-коричневого(почти черного цвета. В циклической части смол могут содержаться нафтеновые кольца, азот, сера. Смолы содержат максимальное количество сернистых, азотистых и кислородных производных углеводородов (эти соединения полярны), что обеспечивает их поверхностную активность, улучшает адгезию битумов к минеральным материалам,
способствует формированию на них водоустойчивых пленок. Смолы представляют собой легкоплавкие, вязкопластичные вещества, которые придают битуму эластичность, водоустойчивость. Содержание смол в битумах составляет 20…40 % (по массе).
Асфальтены как наиболее высокомолекулярная составляющая битума являются продуктом уплотнения смол. При комнатной температуре асфальтены большинства марок битумов представляют собой твердые неплавящиеся, хрупкие вещества черного или бурого цвета.
В отличие от масел и смол асфальтены нерастворимы в углеводородах нормального строения (C, — С), а также в компаундированных
полярных растворителях (низкокипящих спиртах, спиртоэфирных смесях и т. п.), но легко растворимы в бензоле и его производных,
сероуглероде, хлороформе и четыреххлористом углероде.
Представления о структуре битума как дисперсной системе с дисперсной фазой из асфальтенов и дисперсионной средой из смол и углеводородов в среде специалистов получили широкое распро-
странение. При этом асфальтены играют роль активного наполнителя с особым влиянием на структуру битума их количественного содержания, а не природы асфальтенов и природы дисперсионной среды.
С учетом различий в групповом составе и степени пептизации асфальтенов системное состояние битумов разделено на три категории
(золь, золь-гель и гель), различных по реологическому поведению.
Тип образованной структуры зависит от количества асфальтенов и характера остальных компонентов, входящих в состав битума.
Структурные образования, построенные по принципу пространственной агрегации близких по форме молекул (структура «золь»),
превалируют в большинстве остаточных битумов, в которых содержание асфальтенов невелико.
B процессе окисления битума содержание парафинов и циклопарафиновых углеводородов сохраняется практически постоянным,
количество ароматических углеводородов снижается, а асфальтенов возрастает. При незначительной степени окисления структура такого битума сохраняется аналогичной структуре остаточного битума.
При более глубоком окислении битума наблюдается наличие определенного количества циклопарафиновых и палифатическими мостиками-цепями. При комнатной температуре смолы имеют различную консистенцию- от вязкопластичной массы до твердых веществ, от красновато-бурого до темно-коричневого(почти черного цвета. В циклической части смол могут содержаться нафтеновые кольца, азот, сера. Смолы содержат максимальное количество сернистых, азотистых и кислородных производных углеводо-
родов (эти соединения полярны), что обеспечивает их поверхностную активность, улучшает адгезию битумов к минеральным материалам,
способствует формированию на них водоустойчивых пленок. Смолы
представляют собой легкоплавкие, вязкопластичные вещества, которые придают битуму эластичность, водоустойчивость. Содержание смол в битумах составляет 20…40 % (по массе).
Асфальтены как наиболее высокомолекулярная составляющая битума являются продуктом уплотнения смол. При комнатной температуре асфальтены большинства марок битумов представляют собой твердые неплавящиеся, хрупкие вещества черного или бурого цвета.
В отличие от масел и смол асфальтены нерастворимы в углеводородах нормального строения (C, — С), а также в компаундированных
полярных растворителях (низкокипящих спиртах, спиртоэфирных смесях и т. п.), но легко растворимы в бензоле и его производных,
сероуглероде, хлороформе и четыреххлористом углероде.
Представления о структуре битума как дисперсной системе с дисперсной фазой из асфальтенов и дисперсионной средой из смол и углеводородов в среде специалистов получили широкое распро-
странение. При этом асфальтены играют роль активного наполнителя с особым влиянием на структуру битума их количественного содержания, а не природы асфальтенов и природы дисперсионной среды.
С учетом различий в групповом составе и степени пептизации асфальтенов системное состояние битумов разделено на три категории
(золь, золь-гель и гель), различных по реологическому поведению.
Тип образованной структуры зависит от количества асфальтенов и характера остальных компонентов, входящих в состав битума.
Структурные образования, построенные по принципу пространственной агрегации близких по форме молекул (структура «золь»),
превалируют в большинстве остаточных битумов, в которых содержание асфальтенов невелико.
B процессе окисления битума содержание парафинов и циклопарафиновых углеводородов сохраняется практически постоянным,
количество ароматических углеводородов снижается, а асфальтенов возрастает. При незначительной степени окисления структура такого битума сохраняется аналогичной структуре остаточного битума.
При более глубоком окислении битума наблюдается наличие определенного количества циклопарафиновых и парафиновых
углеводородов и значительное количество асфальтенов – примерно 30 %. Соотношение углерода и водорода в таком битуме также повышенное. При формировании комплексов отдельные сегменты асфальтенов и высокоароматизированных компонентов могут взаимно располагаться таким образом, что они образуют пространственную структурную сетку эластичного геля, отдельные элементы которого
окружены молекулами растворителя.Степень структурирования подобных битумов увеличивается при старении в большей степени, чем у битумов со структурой «золь».
В битумах со структурой геля имеются две фазы: каркас и механически захваченное масло, Масляная фаза может быть вытеснена
механическими силами. Если же такой битум покрыть минеральным порошком, то при этом масляная фаза проникает в его поровое пространство под действием капиллярных сил.
Между гелем и золем существуют промежуточные структуры с различными концентрацией и характером индивидуальных компонентов.
Подобные промежуточные структуры могут состоять из более крупных структурных элементов, не соединенных между собой и не фор-
мирующих сплошную структуру (структура «золь – гель»).
Химический состав битумов, строение молекул его компонентов и их количественные соотношения оказывают значительное влияние
на свойства органического вяжущего.
Групповой состав битумов является нестабильным и может существенно изменяться за счет частичного превращения масел в смолы,
в асфальтены.
Подобные изменения происходят в битуме в процессе приготовления горячих асфальтобетонных смесей, а также
под воздействием атмосферных факторов.
Переход смол в асфальтены происходит быстрее, чем масел в смолы. Поэтому в процессе окисления в битумах более интенсивно накапливаются асфальтены.
Соотношения между основными системными группами, входящими в состав битума, определяют его важнейшие свойства: вязкость,
температуру размягчения и хрупкости (интервал пластичности), растяжимость, эластичность.
Характеристикой, наиболее реально представляющей деформативные свойства битума, является модуль упругости. Оценка поведения
битума в конструкции при продолжительном воздействии нагрузок при повышенных температурах может осуществляться по его вязко-
сти. Вязкость битума является одним из важнейших технологических
свойств, от которого зависят условия и качество приготовления,укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси. О деформативности
битумов можно судить по характеру деформаций, развивающихся под действием нагрузки во времени, и ее можно характеризовать модулем
упругости и модулем деформации.
При уменьшении деформативности с понижением температуры пленка битума становится более жесткой и хрупкой, что приводит
к образованию трещин в дорожных асфальтобетонных покрытиях.
Ориентировочно о температуре, при которой на покрытии могут формироваться трещины, можно судить по показателю температуры хрупкости битума. Деформативные свойства вяжущего важно
выявить при экстремальных летних и зимних температурах работы
покрытий. При низких отрицательных температурах битум должен
быть достаточно деформативным и эластичным, а при высоких
быть прочным и обладать малой деформативностью (деформации
должны быть упругими).
Необратимость изменений битума в процессе эксплуатации харак-
теризуется модулем упругости и вязкостью.
Использование модифицированных дорожных битумов с большим интервалом пластичности
способствует повышению свойств асфальтобетонных смесей при от-
рицательных температурах.
В переменных климатических условиях дорожная одежда (в преде-
лах колебаний температур от -45 до +70 °C) в процессе эксплуатации
дополнительно подвергается воздействию различного вида нагрузок,
отличающихся по силе, величине и продолжительности воздействия.
Основным источником воздействия на покрытие является движу-
щийся транспорт. При проезде автомобиля со средней скоростью,
торможении или при кратковременных остановках Длительность воз-
действия нагрузки составляет от долей секунды до десятков секунд.
Движение транспортного потока оказывает вибрационное воздей-
ствие на дорожную конструкцию. При продолжительных стоянках
автотранспорта дорожная одежда подвергается длительным стати-
стическим воздействиям вследствие температурных деформаций,
величины и длительности приложения нагрузки.
При низких температурах и кратковременных динамических на-
грузках битумы деформируются упруго, согласно закону Гука; при
более высоких температурах и нагрузках большей длительности
битум проявляет вязкоупругие свойства, подобно телам Максвелла
и Кельвина; при высоких температурах и длительных статистических
воздействиях битумы переходят в текучее состояние, обнаруживая
свойства ньютоновской жидкости. Целесообразно подбирать битум
с учетом работы его в слоях покрытия с учетом температуры и дли-
тельности действия транспортной нагрузки. Скорость деформирования под действием посто-
янной нагрузки постоянно и непрерывно затухает. Влияние времени действия нагрузка аналогично влиянию температуры.
При низких температурах и малом времени приложения нагрузки
Все битумы ведут себя как упругие тела.
Асфальтобетон в дорожном покрытии под действием колее транспортного потока работает не только на изгиб и сдвиг, но и на сжатие
в условиях невозможности бокового расширения. Величина давления кияет на показатели вязкости и модуля деформации битума,
Значительная часть деформаций и разрушений асфальтобетонных покрытий связана с потерей прочности в упругой или пластической
стади, причем разрывы или смещения в слое асфальтобетона происходят по пленке битума. Поэтому прочность битума и толщина
пенки являются важнейшими его эксплутационными характеристи-
ками, оказывающими значительное влияние на работоспособность и долговечность асфальтобетонных покрытий.
Важнейшим свойством любого материала является его способность сохранять качественные показатели в процессе эксплуатации.
Погодно-климатические условия, в которых работает битум в дорожных покрытиях, вызывают изменения его химического состава
и структуры, т. е. старение битума.
Под старением понимают совокупность всех химических и физических процессов, протекающих в условиях эксплуатации и приводящих со временем к изменению свойств битума. При этом имеют место обратимые и необратимые изменения. Обратимые изменения связаны с перестройкой надмолекулярной структуры битума (физическое старение), которая при нагревании восстанавливается.
Необратимые изменения сопровождаются протеканием в битуме разнообразных реакций, приводящих к химическому старению,
Изменения свойств битумов, вызываемые погодно-климатическими факторами, представляют собой:
• испарение летучих составляющих, происходящее в поверхност-
ном слое битума незначительной толщины и зависящее от содержания
в битуме легколетучих соединений, вязкости битума и температуры;
• полимеризацию, связанную с воздействием теплоты, даже
при отсутствии кислорода. Степень полимеризации определяется
температурой и временем воздействия теплоты;
• оксиполимеризацию компонентов битума, происходящую глав-
ным образом на внешней поверхности вяжущего, подвергающейся не-
посредственному воздействию света или ультрафиолетовых лучей;
• полиоксиконденсацию (окисление), происходящую под влия-
нием кислорода, являющуюся основным процессом, изменяющим состав и структуру битума при старении.
Активаторами старения являются: солнечный свет, тепло, вода, под воздействием которых все битумы изменяют свой состав и свойства.
Наиболее интенсивно процессы старения протекают в поверхностных слоях с образованием нейтральных и киселых продуктов окисленной
полимеризации. Температура оказывает наибольшее влияние на скорость окислительных процессов и интенсифицирует протекание
разных реакций.
Переход структуры битумов из золь в гель может происходить как
при их окислении в процессе производства окисленных битумов, так
и при старении битумов в полевых или лабораторных условиях. Старение битума сопровождается изменением химического группового
состава за счет превращения масел в смолы, а смол – в асфальтены.
Превращение смол в асфальтены происходит быстрее, чем превра-
щение масел в смолы.
Изменение структуры битума в процессе старения, обусловленное
увеличением количества асфальтенов, сопровождается ухудшением
его эксплутационных качеств .
Старение битумов в асфальтобетоне происходит по такому же механизму, как и в свободном битуме, хотя имеются некоторые особенности, обусловленные присутствием минеральных материалов.
Битум, адсорбционно связанный с поверхностью минерального
материала, приобретает новые структурно-механические свойства,
что влияет на процессы старения, происходящие в нем. Пористые минеральные материалы ускоряют старение асфальтовяжущего за счет
протекающих процессов фильтрации в глубь зерна легких фракций битума, прежде всего масел.
Наибольшему негативному воздействию погодно-климатических факторов подвержен битум вблизи поверхности покрытия: воздействие солнечной радиации, максимальные перепады температуры,свободный доступ кислорода воздуха и влаги. Битум, находящийся в глубине покрытия, эксплуатируется в более мягких, с точки зрения
старения вяжущего, условиях. В частности, в условиях ограниченного доступа кислорода воздуха замедляются окислительные процессы.
Изолированность от воздействия ультрафиолетового облучения исключает фотохимическое окисление углеводородов битума.
В процессе эксплуатации асфальтобетонных покрытий неравномерность свойств битума по толщине слоя проявляется все в большей
степени. Через семь лет отличие показателей свойств битума по тол-юшине слоя достигает 15…35 %. Как уже отмечалось ранее, битумы,
находящиеся в покрытии на различной глубине, имеют качественно разный групповой состав и по своей структуре относятся к разным
структурным группам.