РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Формирование длительной водостойкости асфальтобетонов химической активацией поверхности минеральных материалов.
Общая рабочая гипотеза в обобщенном виде состоит в том, что для получения долговечного асфальтобетона для работы в условиях влажного и жаркого климата необходимо создание условий для проявления наибольшей поверхностной активности минеральных компонентов и битума при их объединении. При формулировании гипотезы были рассмотрены следующие исходные положения.
Основными компонентами минеральной части асфальтобетонов являются каменные материалы из кислых горных пород (гранит, кварцит, песчаник и др.), содержащие в качестве основного минерала диоксид кремния (SiO2). Очевидно, что часть поверхности зерен минерального материала из кислой горной породы представлена кремнеземом.
Известно [110,111], что при раскалывании кварца образуется два вида поверхности. Одна из них оканчивается атомом кислорода с избытком электронов с отрицательным зарядом и вторая - оканчивающаяся атомами кремния с недостатком электронов и общим положительным зарядом. Отрицательно заряженная поверхность в результате химического взаимодействия с компонентами окружающей воздушной среды образует силоксановые группы Si-O-Si с кислородом на поверхности, а положительно заряженная - одну или несколько форм силанольных групп Si-OН, образующихся как результат взаимодействия с атмосферной влагой. Различают следующие типы силанольных групп:
-изолированная - поверхностный атом Si одной связью соединен с -OН группой, которая не имеет водородной связи с другой силанольной группой;
- вицинальная - две одиночные силанольные группы, соединенные с разными атомами, сближаются друг с другом настолько, что образуется водородная связь;
- геминальная - две OН-группы, соединенные с одним атомом Si, образуют водородные связи друг с другом, оставляя атому только две связи с объемной структурой.
Отмечается [112], что 50 % поверхности кварца занято силанольными группами и 50 % - силоксановыми. Учитывая, что на дегидратированной поверхности кварца краевой угол смачивания водой составляет 31 0, а на гидратированной 11 - 13 0 [113], можно предположить, что силанольные группы Si-OH на поверхности кварца будут способствовать взаимодействию с молекулами воды, и, по-видимому, могут частично диссоциировать при контакте с водой. Учитывая известное правило - чем лучше вода смачивает минеральную поверхность, тем хуже ее смачивает битум, можно констатировать, что чем больше будет присутствовать силанольных групп на поверхности кварца, тем ниже будет ее адсорбционная активность по отношению к компонентам битума.
Известно [114], что гидроксильные группы при температуре более 175 0С начинают удаляться с поверхности кремнезема, а при температуре 400 0С происходит удаление около 50 % ОН- групп. Следовательно, часть силанольных групп будет оставаться на поверхности кварца после высушивания и нагрева минеральных материалов в сушильном барабане асфальтобетонного завода. Присутствие гидроксильных групп существенно снижает поверхностную активность кварца и препятствует прочному сцеплению с битумом.
Можно предположить, что часть поверхности минерального материала, представленная кварцем, имеет участки как с отрицательным, так и положительным зарядом поверхности. По-видимому, ей свойственно также наличие участков с электронейтральной поверхностью. Это предположение логически следует из анализа химической активности ювенильной поверхности кварца, которая определяется электрическими зарядами, возникающими в результате разрушения кристаллических ионных связей [110,111]. В природных условиях образовавшиеся в результате разрушения горной породы ненасыщенные связи будут компенсироваться в результате взаимодействия с парами влаги, содержащейся в воздухе. Так, ионы водорода (Н+) присоединяются к ионам SiO-, а к ионам Si+ присоединяется гидроксильная группа (ОН-), что приводит к образованию силанольных групп с отрицательным зарядом поверхности.
При взаимодействии битумов с поверхностью минеральных материалов из кислых горных пород между ними имеет место электростатическое отталкивание, что приводит к формированию слабых адгезионных связей. Связано это с тем, что электрокинетический потенциал силикатов и алюмосиликатов, составляющих основу кислых каменных материалов, имеет отрицательный знак, а в битуме наиболее реакционноспособные соединения (SH, NH2, ОН, СООН, SO3H) также имеют отрицательный заряд. Следовательно, обеспечение прочного адгезионного взаимодействия между минеральной частью асфальтобетонных смесей и нефтяным битумом можно достичь путем уменьшения отрицательного заряда поверхности минеральных зерен из кислых пород, содержащих повышенное содержание кварца.
Условия работы зерен щебня, участвующих в создании минерального остова асфальтобетона, диктуют необходимость обеспечения хорошего сцепления битума прежде всего с ними, поскольку известно [17, 115], что битумные пленки на их поверхности являются наиболее уязвимыми при длительном воздействии воды на асфальтобетонное покрытие в процессе эксплуатации.
Одним из эффективных способов повышения адгезионной активности минеральных материалов из кислых горных пород по отношению к нефтяным дорожным битумам является предварительная химическая активация их поверхности.
Согласно [116], значение и знак электрокинетического (дзета) потенциала на границе раздела фаз можно регулировать. Изучение электрокинетических явлений показало, что частицы кварца, первоначально имеющие отрицательный заряд, начинают двигаться к отрицательному полюсу в растворах AlCl3. Роль внутренней обкладки в этом случае выполняет слой противоположно заряженных адсорбированных противоионов (слой Штерна). Для случая кварца в растворах AlCl3 измеренный потенциал границы скольжения ? > 0. Кривые ? = f (С) переходят через изоэлектрическую точку (? = 0) с переменой знака. Схема зависимости электрокинетического потенциала от концентрации
- Київ+380960830922