Требования к качеству битумов.

Требования, предъявляемые к битумам, особенно дорожным, весьма разно-образны. Дорожные битумы должны: а) сохранять прочность при повышенных температурах, т.е. быть теплостойкими; б) сохранять эластичность при отрица-тельных температурах, т.е. быть морозостойкими; в) сопротивляться сжатию, удару, разрыву под воздействием движущегося транспорта; г) обеспечивать хо-рошее сцепление с сухой и влажной поверхностью минеральных материалов; д) сохранять в течение длительного времени первоначальную вязкость и проч-ность. Строительные битумы могут быть менее эластичными, но они должны быть более твердыми.

Основные свойства неф тяных битумов, определяющие их пригодность к применению в народном хозяйстве: малое изменение пластичности при изме-нении температуры; высокие вязкость и цементирующая способность; стабиль-ность и долговечность; теплостойкость (высокая температура размягчения), обеспечивающая сохранение необходимой прочности сооружений и изделий летом; упругость, благодаря которой сохраняется достаточная пластичность и эластичность при низких температурах.

Свойства битумов зависят от компонентного состава, оптимальное содер-жание может быть достигнуто при определенном соотношении асфал ьтенов, смол и масел с необходимым содержанием ароматических углеводородов и при отсутствии значительных количеств твердых парафинов. Следовательно свой-ства битумов определяются природой исходной нефти и могут регулироваться подбором смеси исходного сырья, а также в процессе окислительного структу-рирования.

Основными эксплуатационными свойствами, определяющими качество би-тумов, являются:

Технические свойства - проницаемость стандартной иглы (пенетра-ция), температура размягчения, индекс пенетрации, растяжимость (дуктиль-ность), температура хрупкости. Это основные показатели качества битумов. Глубина проникания иглы (пенетреция) и температура размягчения характе-ризуют твердость битума, растяжимость - его эластичность. Более подробно они будут рассмотрены ниже;

Физико-химические свойства - стабильность, плотность, повер хност-ное натяжение;

Реологические свойства - дисперсность, вязкость, модуль упругости, модуль деформации. Реологические свойства битума не должны значительно изменяться при его разогреве в котлах, приготовлении и укладке смеси и в течение длительного срока службы в асфальтобетонных и других покрытиях;

Тепловые свойства - удельная теплоемкость, коэффициент теплопро-водности, коэффициент объемного расширения, температура вспышки. Они определяют возможность использования битума в качестве теплоизоляцион-ных материалов. По температуре вспышки можно судить о наличии низкоки-пящих фракций в сырье и в готовом битуме, а также об их взрыво- и пожаро-опасности в процессе производства и применения битумов;

Диэлектрические свойства - пробивное напряжение, удельная электро-проводность, тангенс угла диэлектрических потерь. По изменению этих по-казателей можно контролировать адгезионные свойства битумов. С повыше-нием диэлектрической проницаемости они, как правило, улучшаются;

Оптические свойства - коэффициент рефракции, светопоглощение рас-творов битума. Эти свойст ва позволяю т глубже изучить групповой состав битума;

Отношение к растворителям и воде. По растворимости в органических растворителях судят о чистоте битума. Чем больше битум содержит продук-тов растворимых в хлороформе, бензоле, тем меньше в нем примесей, ухуд-шающих его свойства. Водорастворимость характеризует гидрофобные свой-ства вяжущего и его стабильность;

Потеря массы битума при нагревании, изменение пенетрации и темпе-ратуры размягчения битума после нагревания. Эти свойства имеют большое значение для битумов, предназначенных для длительной службы в различных сооружениях, и особенно, в дорожных покрытиях. Они характеризуют стабильность свойств во времени;

9. Адгезия и когезия. Это важнейшие показатели качества битумов как вяжущих материалов.

Дорожные покрытия должны проектироваться на определенный период эксплуатации с учетом диапазона и типа наиболее вероятных транспортных на-грузок. В последние годы резко возросла интенсивность движения транспорта, увеличились нагрузки на дорожное полотно за счет использования большегруз-ных автомобилей с повышенным давлением в шинах. Это приводит к быстрому разрушению асфальтобетонных покрытий, проявляющемуся в виде образова-ния колеи, трещин и выкрашивания входящих в их состав материалов.

Во всем мире проводятся интенсивные работы по синтезу и подбору но-вых вяжущих материалов, способных противостоять возросшим нагрузкам, увеличить период эксплуатации дорожных покрытий и сократить расход средств и материалов на проведение ремонтных работ. Новые улучшенные би-тумные вяжущие должны иметь более высокие эксплуатационные характери-стики, чем существующие.

Процессы, происходящие с дисперсными частицами битума и особенно асфальтобетона в определенном интервале температур окружающей среды, в котором существует вероятность эксплуатации дороги, показаны ниже (рис. 9.1).

Рис 9.1 Превращения, происходящие в асфальтобетоне с битумом при измене-нии температуры окружающей среды. Тст- температура стеклования, Тхр- тем-пература хрупкости, Тразм - температура размягчения, отрезок АВ - связанно дисперсное состояние асфальтобетона, отрезок ВГ - свободнодисперсное со-стояние асфальтобетона, отрезок АБ - дисперсионная среда практически полно-стью переходит в состав адсорбционно-сольватного слоя, отрезок БВ - между контактирующими дисперсными частицами иммобилизована дисперсионная среда.

1-твердая дисперсная фаза (минеральные материалы, смолистоасфальтеновые вещества, углеводороды);

- адсорбционно-сольватная оболочка (смолисто-асфальтеновые вещест-ва, углеводороды);

- иммобилизованная дисперсионная среда; 31 - сплошная дисперсионная среда.

Область температур, в которой желательна эксплуатация дорожного по-крытия, лежит в интервале между температурами размягчения (Тразм) и хрупко-сти (Тхр). Она носит название интервала пластичности. В ней компоненты верх-него слоя дорожного полотна находятся в связанно-дисперсном состоянии, то есть их сложные структурные единицы (ССЕ), представляющие из себя систему минерального наполнителя с адсорбированными компонентами битума, связа-ны между собой через адсорбционно-сольватные оболочки. Между ССЕ может быть иммобилизовано некоторое количество дисперсионной среды, представ-ляющей в основном масляные компоненты битума. При повышении температу-ры количество дисперсионной среды увеличиваются, а ширина адсорбционно-сольватных оболочек уменьшается за счет обратимого перехода компонентов битума из дисперсной фазы в адсорбционно-сольватную оболочку и далее в дисперсионную среду. Упруго-эластичные свойства асфальтобетона, как и би-тума в этой области температур обеспечиваются гибкими связями между ССЕ, их деформацией под действием нагрузки и после ее снятия восстановлением прежней формы. Этому способствуют относительно широкие адсорбционно-сольватные оболочки вокруг дисперсных частиц и наличие определенного ко-личества дисперсионной среды. При превышении Тразм дисперсная система пе-реходит в свободно-дисперсное состояние, то есть ССЕ перестают быть связан-ными между собой в сплошной каркас. При этом жидкая дисперсионная среда под действием даже небольших нагрузок будет выдавливаться из покрытия, прилипать к колесам транспортных средств, а на самой дороге появится колея. Здесь можно говорить о том, что в асфальтобетоне произошли хоть и незначи-тельные, но все же необратимые изменения.

Снижение температуры сопровождается переходом все большего количе-ства компонентов битума из дисперсионной среды в адсорбционно-сольватную оболочку и затем в твердую дисперсную фазу. При температуре, определенной для каждой битумсодержащей системы, вся дисперсионная среда переходит в адсорбционно-сольватную оболочку. Это сопровождается некоторой деформа-цией ССЕ и образованием достаточно жестких, напряженных связей между ни-ми. При этом пропадают эластичные свойства и материал трескается при меха-нической нагрузке. Если температура окружающей среды опускается еще ниже, то наблюдается переход всего адсорбционно-сольватного слоя ССЕ в твердое состояние, то есть в дисперсную фазу, и перекристаллизация компонентов би-тума. Этот момент называется температурой стеклования (Тст). Такое состояние характеризуется тем, что битумсодержащее вещество растрескивается при при-ложении к нему любой, даже незначительной нагрузки.

В связи с вышеизложенным, очевидным является следующее. Для удов-летворительной эксплуатации дорожного полотна необходимо его изготавли-вать с использованием битума, имеющего как можно более широкий интервал пластичности, то есть повышенную температуру размягчения и пониженную температуру хрупкости. Причем, желательной для битумов является не только более низкая температура хрупкости, но и более низкая температура стеклова-ния.

В дорожных покрытиях битум выполняет как роль вяжущего, так и гид-роизолирующего материала. Он должен связывать и удерживать частицы мине-рального наполнителя, а также не терять свои свойства в процессе эксплуата-ции (например, под действием атмосферной влаги, осадков, колебаний темпе-ратуры), обеспечивать сопротивление покрытия воздействию многократно по-вторяющихся нагрузок в широком интервале температур (от -25 до +60 оС), распределять напряжения в покрытии таким образом, чтобы имели место толь-ко упругие деформации. В связи с этим можно ввести условное понятие иде-альный битум. Он должен обладать следующими свойствами.

1.Полная совместимость с выбранным минеральным наполнителем и вы-сокая адгезия к нему.

2.Температура хрупкости и стеклования для умеренных широт на уровне соответственно ниже -20 и -45 оС.

3.Температура размягчения выше 70-80 оС.

4.Высокая прочность и эластичность, не зависящие в рабочем интервале от температуры (рис. 9.2). То есть, идеальный битум сохраняет свою конси-стенцию постоянной вплоть до температуры размягчения. В то же время, при более высоких температурах вязкость битума должна резко падать, достигая значения менее 200 мм2/с (сСт) при 150-180 оС. Это необходимо для обеспече-ния приемлемых условий получения горячей асфальтобетонной смеси.

Рис. 9.2 Влияние температуры на поведение пенетрации и вязкости иде-ального битума.

- область рабочих температур дорожного покрытия;

- область температур приготовления асфальтобетонной смеси.

5.Прочностные свойства и консистенция не зависят от продолжительно-сти нагрузки (рис. 9.3). При очень малой продолжительности (до 10-3 сек) его поведение должно обеспечивать высокую эластичность, а при большой (до 108 -1010 сек) - сопротивление деформациям для предотвращения образования колеи и вмятин в дорожном полотне.

6.Высокая устойчивость к старению.

7.Высокая устойчивость к воздействию воды и нефтепродуктов.

8.Низкая стоимость.

Рис 9.3 Зависимость пенетрации и вязкости идеального битума от про-должительности фиксированной нагрузки.

Работоспособность битумного вяж ущего в составе асфальтобетона при периодическом воздействии напряжений сдвига, сжатия и перепада температу-ры во многом зависит от пластичности и растяжимости дорожного битума. Это обусловило целесообразность маркировки дорожных битумов в нашей стране и за рубежом по пенетрации (глубине проникания иглы)  и обязательное нор-мирование нижнего предела растяжимости. В связи со сложным строением би-тума и неоднозначными представлениями специалистов об идеальном и ре-альном битуме, не всегда ясны требования к его показателям качества. Поэтому для разных стран они несколько отличаются, что видно из сравнения данных, приведенных в таблицах 9.2-9.6.

В последние годы прослеживается очень четкая тенденция по унифика-ции требований, предъявляемых к основным продуктам, производимым в Ев-ропе. Поэтому Европейский Союз поручил Европейской организации по стан-дартизации (CEN) гармонизировать национальные стандарты всей промышлен-ной продукции, включая битумные материалы. В организацию CEN входят на-циональные организации по стандартизации большинства стран Европы. Каж-дая из них имеет свои собственные стандарты по битумным материалам, одна-ко сегодняшняя задача - это создание единых для всех стран норм, в то же вре-мя учитывающих особые условия в каждой из них (климат, интенсивность до-рожного движения и типичную для страны практику дорожного строительства).

Таблица 9.2 - Требования к качеству дорожных битумов, предъявляемые в Гер-мании

Таблица 9.3 - Требования к качеству дорожных битумов, предъявляемые в Финляндии

Работа по составлению новых нормативов началась в 1991 году и теперь уже завершена. Ее основной целью являлось установление для битумов требо-ваний, отражающих их функциональные свойства, и отмена показателей, свя-занных с их химическим составом и различными способами получения .

Таблица 9.4 - Требования к качеству дорожных битумов, предъявляемые в Литве

Таблица 9.5 - Требования к качеству дорожных битумов, предъявляемые в Рес-публике Беларусь

Согласно нормативу СEN (таблица 9.7) марки битумов обозначаются как и прежде по интервалу пенертации при 25°C или средней вязкости (для жидких битумов).

Таблица 9.6 - Требования к качеству вязких дорожных битумов, предъявляемые в России

Таблица 9.7 - Общеевропейские требования к качеству дорожных биту-мов, глубина проникания 20 … 330 0,1 мм

Марки битумов выбраны таким образом, чтобы представлять всю гамму используемых в Европе типичных сортов битума. Самая твердая марка имеет значение пенетрации 20 0,1 мм, поскольку более твердые продукты в дорожном строительстве используются крайне редко. В норматив включены также две специальные марки 30/45 и 40/60, которые пересекаются с базовой серией.

В соответствии с вышеназванными нормативами обязательными контро-лируемыми показателями качества являются пенетрация при 25 оС, температура размягчения, температура вспышки, растворимость в толуоле и испытание с на-гревом в тонком слое. Испытания на пенетрацию служат для классификации битумов, характеризуют твердость би тума и помогают вычислить жесткость битума при различных нагрузках. Температура размягчения используется для описания стойкости битума к деформации, и вместе с пенетрацией характери-зует его термочувствительность. Для описания твердения битума при изготов-лении асфальтовой смеси можно использовать три различных метода испыта-ний: RTFOT (испытание с нагревом в тонком слое при обновлении поверхно-сти), TFOT (испытание с нагревом с тонком слое) или RFT (испытание с нагре-вом во вращающейся колбе и с подачей воздуха, используемое в Германии). Сходимость испытаний чрезвычайно хорошая, и с их помощью можно полу-чить одинаковые результаты, хотя в противоречащих случаях приоритет отда-ется методу RTFOT.

С помощью норматива изменения массы при испытании с нагревом в тонком слое стремятся предотвратить применение битумов, содержащих слиш-ком много легких фракций. Одновременно это также является показателем безопасности труда, поскольку ограничивает количество паров, исходящих от горячего битума, и защищает таким образом работающих на асфальтобетонном заводе и укладке асфальта от вредных воздействий.

Склонность битума к затвердению ограничивается минимальным требо-ванием к показателю остаточной глубины проникания после прогрева в тонкой пленке. Чрезмерное затвердение битума при изготовлении асфальта может при-вести к хрупкому асфальтовому покрытию.

Нормирование температуры размягчения после испытания с нагревом в тонком слое определяет минимальное требование к деформационной стойкости битума.

Определение температуры вспышки является испытанием на безопас-ность, направленным на обеспечение условий перевозки и хранения битума.

Испытание проводится в открытом сосуде, что является общепринятой практи-кой в большинстве европейских стран, однако сейчас решается вопрос о воз-можности замены этого метода на определение в закрытом сосуде.

Определение растворимости служит испытанием битума на чистоту, га-рантирующим, что битум не содержит кокса или других посторонних веществ.

Кроме обязательных испытаний предусмотрены и факультативные, кото-рые могут включаться отдельными странами в перечень необходимых и быть обязательными для исполнения в этой стране.

Испытание на содержание парафинов, характеризующее химический со-став битумов, но не определяющее никаких его функциональных свойств, не было одобрено всеми странами, что привело к компромиссу, состоящему в том, что требование является факультативным и временным и будет отменено в сле-дующем нормативе.

Динамическая вязкость при 60°C является в северных странах критерием деформации битума вместо температуры размягчения. Испытание определяет фундаментальное свойство вещества, а не эмпирическую характеристику, какой является температура размягчения, при этом корреляция вязкости с деформа-ционной стойкостью асфальта также немного лучше, чем при использовании показателя температуры размягчения. Однако определение вязкости практиче-ски не использовалось в центрально- и южно-европейски х странах, поэтом у температура размягчения стала обязательным требованием, а испытание на вяз-кость при 60°C было принято как факультативное.

Кинематическая вязкость при 135°C характеризует перекачиваемость би-тума и смешиваемость с минеральным материалом, а вместе с динамической вязкостью при 60°C и глубиной проникания она характеризует также термочув-ствительность битума.

Температура хрупкости по Фраасу характеризует термостойкость битума при отрицательных температурах. Поскольку в южно-европейских странах та-кое испытание не является актуальным, этот показатель отнесен к факульта-тивным.

Для контроля твердения битума существует и другая возможность, имеющая в основе тот же метод испытания при нагреве в тонком слое. В каче-стве оценочных параметров был предложен выбор из четырех вариантов (см. табл. 1.6). В каждом нормируется изменение температуры размягчения после прогрева. Кроме того, в трех вариантах нормируется значение температуры хрупкости и в двух из этих вариантов дополнительно - индекс пенетрации би-тума.

Включение в норматив индекса пенетрации подверглось долгому обсуж-дению, но в конце концов он не был включен прямо, а лишь косвенно через требования к пенетрации и температуре размягчения. Причиной этого явилось то, что определение индекса пенетрации не дает практических преимуществ над включенными в качестве нормативов пенетрации и температуры размягче-ния. Кроме того, индекс пенетрации сам по себе не гарантирует качества битума, в то время как нормативы пенетрации и температуры размягчения установ-лены таким образом, что они характеризуют термочувствительность битума.

Испытание на растяжимость битума не было включено в норматив, по-скольку в своей теперешней форме оно вряд ли может быть отнесено к функ-циональным испытаниям, так как у всех основных марок растяжимость превы-шает 100 см.

Испытание на сцепление не рассматривалось как не относящееся к собст-венно битумным нормам, а прежде всего как испытание асфальтовой смеси, по-скольку результат испытаний на сцепление по мнению зарубежных специали-стов  больше зависит от каменного компонента, чем от свойства вяжущего.

Факультативным является испытание для определения температуры хрупкости.

Не смотря на то, что ни в Республике Беларусь, ни в России новые общеев-ропейские нормативы пока не утверждены, производители дорожных битумов должны их знать и в определенной степени ориентироваться на них. Кроме то-го, при поставках своей продукции в европейские страны они будут вынужде-ны проводить испытания по принятым у них нормативам.