Органические вяжущие вещества

Лекция №3.

Органические вяжущие вещества.

Термин вяжущие,  более правильно было бы назвать связывающие. Мы будем обсуждать органические вещества выполняющие роль клея в различных конструктивных элементах: дорожные покрытия, кровельные материалы, гидроизоляционные материалы, герметизирующие мастики и т.п. Органические вяжущие материалы применяются везде, где необходима не очень большая прочность и хорошая гидрофобность, при долговечности (атмосферостойкости) от 10 до 25 лет. Битумная гидроизоляция (с добавками ингредиентов каменноугольной химии) зданий и сооружений может сохранять свои свойства многие десятки лет. Наиболее распространенные органические вяжущие в порядке убывания объёмов использования: нефтяные битумы, каменноугольные дёгти и пеки, таловый пек (продукт переработки древесины).

Давайте на примере нефтяного битума разберём физико-химические свойства и технологические требования, предъявляемые к органическим вяжущим, которые изложены в ГОСТ 22245-90 “Битумы нефтяные дорожные вязкие”. Для начала давайте познакомимся с химическим строением нефтяных битумов, которые представляют раствор трёх фракций, собирательно называемых: нефтяные масла, нефтяные смолы и асфальтены. Состав битума можно описывать кривой молекулярно-массового распределения (которая напоминает гауссово распределение из теории вероятности) , но это практически ничего не даёт для выяснения физико-химических свойств. Нефтяные масла – углеводородные молекулы самого различного строения содержащие в молекуле С₁₅- С₃₀ атомов углерода, нефтяные смолы - углеводородные молекулы самого различного строения содержащие в молекуле С₃₀- С₁₀₀ атомов углерода и различные функциональные группы: -OH, -COOH,-HCO, а также атомы O, S, N - то-есть полярные связи; асфальтены- многоатомные ароматические молекулы пластинчатого строения и самой разнообразной структуры. По свойствам асфальтены приближаются к полимерам и образуют в некотором роде каркас нефтяного битума, строение  этого каркаса определяет физико-механические свойства битума. Обращаю ваше внимание, что химические свойства битума в большей степени определяются маслами и смолами (их содержанием и строением), а асфальтеновый каркас придаёт именно нужные физико-механические свойства. Это очень тонкая материя её нельзя просто организовать добавкой какого-то вещества или группы веществ, тут очень важна и методика смешения составляющих, температурный режим и т.п. 

Высокомолекулярные компоненты битумов и каменноугольных дегтей полидисперсны как по молекулярной массе, так и по строению молекул, тогда как молекулы синтетических смол (полимеров) и каучуков полидисперсны только по массе. Структура, а также физико-механические свойства органических вяжущих определяются главным образом характером взаимодействия и свойствами высокомолекуляр­ных соединений, входящих в них. Теоретические основы получения и применения органических вяжущих материалов должны опираться на принципиальные положения теории концентрированных раство­ров высокомолекулярных соединений (ВМС), разработанной для поли­мерных веществ.

Концентрированными растворами ВМС, к которым относят и пластифицированные системы, принято считать такие, в которых молекулы растворенного вещества взаимодействуют друг с другом. Как и в любом истинном растворе, в растворах ВМС наблюдаются явления сольватации и ассоциации. При сольватации макромолекулы ВМС взаимодействуют с молекулами растворителя, что приводит к относи­тельно прочной их связи. В любом истинном растворе в результате взаимодействия молекул растворенного вещества друг с другом имеет место ассоциация молекул - образуются ассоциаты или структу­ры.

      До сих пор вы изучали твёрдые тела и жидкости. Чем характеризуется твёрдое тело? – Своим стремлением сохранить свою форму, которое математически выражается в виде закона Гука: Dx=F/k – деформация пропорциональна силе и обратно пропорциональна жёсткости ( в этом законе отсутствует время, а значит деформация не зависит от скорости приложения нагрузки). Основной же закон течения жидкостей гласит что: если мы возьмём две рядом лежащие пластинки разделённые слоем жидкости и приложим силу к одной из пластин, то скорость её движения будет пропорциональна силе и обратно пропорциональна вязкости: v=F/(S*h). Откуда следует, что при любой сколь угодно малой силе будет не нулевая скорость движения пластинки. Вообще говоря, ползучесть имеет место твёрдых тел (и для бетона и для стали), только она наблюдается в очень узком температурном диапазоне и при больших нагрузках). А вот такая система как битум имеет широкий температурный интервал в котором он находится в вязко-эластичном состоянии.

В широком диапазоне напряжений и скоростей сдвига концентри­рованные растворы ВМС при течении ведут себя как не ньютоновские жидкости. В зависимости от строения молекул ВМС, природы раство­рителя и температуры можно получить полные кривые их вязкости, т. е. участки вязкости системы с неразрушенной структурой (наиболь­шая ньютоновская вязкость), участки структурной (эффективной) вязкости с различной степенью разрушения структуры и участки с полностью разрушенной структурой (наименьшая ньютоновская вязкость). Вязкость является одним из важнейших технологических и эксплуатационных свойств органических вяжущих материалов.

Эта характеристика определяет основные технологические парамет­ры применения материалов, температурный и временной режимы пере­мешивания с минеральными материалами в установках, температур­ный и временной режимы распределения (удобоукладываемость) этих смесей, уплотнения, сроки открытия движения. Вязкость определяет затраты механической и тепловой энергии, труда на производство работ.

Рекомендуемые материалы

При выполнении работ способом смешения на дороге, при укрепле­нии грунтов, обеспыливании, поверхностных обработках вязкость вяжущего определяет температурный режим его розлива, сроки и темп работ. Вязкость определяет также эксплуатационные свойства покрытий в широком интервале температур в разных дорожно-климатических зонах.

Вязкость вяжущего должна обеспечивать теплостойкость покры­тия при повышенных летних температурах и не допускать хрупкого разрушения покрытий при низких зимних температурах, т. е. обеспечивать достаточную деформативность и прочность покрытия в этих условиях под воздействием нагрузок от движения транспорта. Вязкость органических вяжущих не должна сильно изменяться в условиях температурных режимов технологических операций смешения, укладки, уплотнения и затем при эксплуатации автодорожных покрытий.

Другим важным технологическим и эксплуатационным свойством органических вяжущих является их способность адсорбироваться на поверхности каменных материалов. Это характеризует способность вяжущего смачивать поверхность час­тиц минерального материала и покрывать их пленкой, устойчивой к воздействию внешних усилий (механических сил, излучений, во­ды). Величина адгезии зависит от природы вяжущего, природы и фор­мы поверхности минеральных частиц, условий контактирования .

Смачивание определяется поверхностными свойствами органичес­кого вяжущего, но особое влияние на величину смачивания оказыва­ет природа минерального материала. Вслед за смачиванием идут про­цессы избирательной адсорбции и хемосорбции, а также ориентации молекул вяжущего на поверхности частиц минеральных материалов. Для практики важным является не само абсолютное значение адгезии, а сравнительная величина: энергия когезии вяжущего к энергии когезии воды.

Адсорбция твердым материалом пропорциональна поверхностной активности, поэтому в первую очередь адсорбируются поверхностно-активные компоненты вяжущего. Наиболее поверхностно-активными компонентами, например, битумов являются асфальтены и смолы.

Важную роль при взаимодействии органических вяжущих с мине­ральными материалами играют процессы хемосорбции, при этом в результате молекулярного взаимодействия между поверхностно-ак­тивными компонентами вяжущего и минеральным материалом на по­верхности раздела образуются соединения типа мыл. Если же нет химического взаимодействия, то адсорбция будет только физической. В битумах содержатся преимущественно поверхностно-активные ком­поненты анионного типа (асфальтогеновые кислоты и их ангидриды), поэтому хемосорбционные процессы происходят на поверхности ми­неральных материалов основного характера (известняки, доломиты). На поверхности минеральных материалов кислого характера наблю­дается физическая адсорбция, хемосорбционных процессов не будет.

В каменноугольных дегтях содержатся преимущественно поверх­ностно-активные компоненты катионного типа (азотистые производ­ные), поэтому дегти лучше прилипают к поверхности минеральных частиц кислого характера (граниты, сиениты) и хуже к известнякам и доломитам, хотя в дегтях содержатся и анионоактивные вещества — фенолы.

Адсорбционная активность минеральных материалов в значитель­ной мере определяется химическим и минералогическим составом, величиной удельной поверхности. Пористость и структура пор также влияют на адсорбционные процессы. В минеральных материалах наряду с адсорбционными процессами идёт избирательная диффузия некоторых компонентов вяжущего под влиянием капиллярных сил. Таким образом, битум смешанный с минеральными материалами начинает изменять свои химические свойства и в науке, изучающей свойства асфальта, даже возник такой термин – “асфальтовяжущие вещества”. Этот термин более точно отражает всю специфику проблемы изучения свойств асфальтобетона.

Перед тем как займёмся изучением физико-химических свойств, несколько слов о способах и источниках получения вязких нефтяных битумов. Существует три способа производства:

· Остаточные битумы - получаются при перегонке особых (достаточно редких) асфальтосмолистых нефтей.

· Окисленные битумы – возможно получить  практически из любой нефти методом окисления остатков от перегонки.

· Компаудированные битумы – получаются смешением различных фракций нефтяных остатков и специальных добавок.

Источником получения вязких нефтяных битумов помимо нефти, могут являться месторождения особо тяжёлых нефтей и битумозных пород. Самые крупные месторождения тяжёлых нефтей находятся в Венесуэле, а самое лучшее по качеству месторождение природного битума находится на о.Тринидад в Карибском море. Этот битум более 100 лет импортируют США и Англия, дороги сделанные из Тринидад-асфальта в Англии стоят по 60 лет!!!. Кстати с изучения свойств Тринидад-асфальта и началось внедрение термина асфальтовяжущие вещества. Дело в том, что он представляет собой природную смесь битума и мелкодисперсных минеральных частиц и обладает непревзойдёнными физико-химическими характеристиками. Желание искусственно создать подобное вещество привело к лучшему пониманию свойств асфальтобетона.

            Теперь проанализируем таблицу требований ГОСТ к вязкому битуму и методы исследований этих характеристик:

Информация в лекции "58 Изложите общие условия получения банковского кредита" поможет Вам.

Глубина проникания иглы характеризует вязкость битума при рабочих температурах.

Растяжимость – способность вяжущего испытывать значительные деформации без разрыва плёнки вяжущего.

Температура вспышки – технологический параметр необходимый для безопасной работы с вяжущим.

Индекс пенетрации – интегральный показатель относительного изменения свойств вяжущего при изменении температуры от 25° С до 0° С. 

  Одной из основных характеристик битума является интервал вязко-пластичного поведения: от Т_хр (хрупкости) до Т_р (размягчения по кольцу и шару). У вяжущих из продуктов переработки каменного угля ( каменноугольная смола, пек, дёготь) этот интервал значительно меньше, но зато они обладают очень хорошей адгезией практически ко всем каменным материалам (они содержат большое количество ароматических углеводородов и в чистом виде более токсичны, чем нефтяные битумы). А вот у нефтяного битума адгезия к наиболее прочным износостойким материалам (гранит, диабаз, долерит) не очень хорошая, поэтому для выполнения требований предъявляемых к асфальтобетону требуется добавлять поверхностно-активные вещества. В качестве такой добавки вполне могут быть использованы каменноугольные вяжущие вещества, а по стоимости они значительно дешевле любой другой добавки. На Украине, например, до сих пор широко используются композиционные вяжущие на основе нефтяных битумов и каменноугольных вяжущих. У нас же низкие цены на нефть, в своё время, истребили все альтернативные источники получения органических вяжущих веществ.