РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ УЛУЧШЕНИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕГЕНЕРИРОВАННЫХ
АСФАЛЬТОБЕТОНОВ МОДИФИКАЦИЕЙ ИХ ФЕНАЗОЛОМ
2.1. Теоретические принципы механизма управления свойствами состарившегося битума в ломе асфальтобетона
Регенерированный асфальтобетон, как и новый асфальтобетон по своей структуре является многокомпонентной конгломератной системой, в которой минеральный остов в виде отдельных зерен находится в битумной среде, цементирующей эти зерна в единый монолит. В свете современной физико-химической механики асфальтобетон относится к группе коагуляционных структур с ярко выраженными вязко-пластично-упругими свойствами [2, 11, 31]. Сцепление структурных элементов твердой фазы асфальтобетона осуществляется через тонкие прослойки жидкой среды. Показатели структурно-механических и физических свойств асфальтобетона зависят от его состава и структуры.
Структура асфальтобетона главным образом определяется составом, структурой и свойствами битумного вяжущего, содержащегося в асфальтобетоне. Тип и свойства вяжущего определяют не только микроструктуру асфальтобетона, но и тесно взаимосвязаны со свойствами мезоструктуры, а также макроструктуры. Влияние свойств битума и степени его структурирования проявляется на свойствах асфальтобетона прежде всего при отрицательных температурах, деформативная способность асфальтобетона при низких температурах определяется свойствами битума при этих температурах [2, 132].
Раскрытие связей между составом, структурой, свойствами и выявление закономерностей изменения свойств при изменении состава и структуры служат основой активного регулирования качества всех физических тел. Поэтому, для успешного восстановления свойств состарившегося битума в ломе асфальтобетона, необходимо детально проанализировать связь между составом, структурой и свойствами битумного вяжущего с целью нахождения механизма управления свойствами битума.
Битум представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из смеси разнообразных высокомолекулярных соединений, объединенных по величине молекулярного веса и характеру растворимости в группы углеводородов, смол и асфальтенов [8, 10, 30].
Молекулярная масса битумов и их компонентов изменяется от 600 до 190000, при этом условно по Полю масляные компоненты имеют молекулярную массу 500-900, смолы - 1000-2000, асфальтены - от 2000 до 15000 и выше [133].
Структура компонентов битума имеет большое генетическое сродство. Так, например, в ряду масла-смолы-асфальтены возрастают в указанной последовательности степень цикличности, ароматичности и конденсированности углеродного скелета молекул.
Физико-химические свойства масел, смол и асфальтенов достаточно подробно освещены в работах [27, 43]. Следует отметить лишь основные сведения о растворимости этих компонентов битума в тех или иных веществах. Минеральные масла растворимы во всех без исключения жидких и сжиженных углеводородах. Смолы растворимы в бензоле и частично в бензине. Асфальтены - продукт полимеризации и дальнейшего окисления углеводородов и смол - в бензине уже не растворяются, но в четыреххлористом углероде (CCl4) растворимы без нагревания. Карбоиды не расстворяются и в CCl4, но еще растворимы в сероуглероде. Карбены - продукты наиболее высокой степени полимеризации - коксоподобны и ни в чем не растворяются. Растворимость смол в зависимости от молекулярной массы характеризуется следующим образом. Нейтральные смолы - тягучие полужидкие вещества - хорошо растворимы в легком бензине, маслах. Кислые нефтяные смолы, находящиеся в полутвердом состоянии, растворимы в спирте и ацетоне, но нерастворимы в бензине и других фракциях нефти. Основной состав битума включает от 3 до 30% и более асфальтенов, от 15 до 30% смол и от 45 до 60% масел [112]. Важное значение для интерпретации процессов регенерации битумов имеет вопрос об их структуре [134].
Основными структурообразующими элементами битумов являются асфальтены - твердые, хрупкие вещества с плотностью 1,1-1,15, наиболее высокомолекулярная фракция битумов, сообщающая им вязкие свойства. С увеличением количества асфальтенов в битуме повышается его вязкость и теплоустойчивость, возрастает твердость, температура размягчения и хрупкость [135] (рис. 2.1).
Температура хрупкости, оС
-10
-15
-20
-25
-30
-35 15 30 45 60
Содержание асфальтенов, %
Рис. 2.1. Влияние содержания асфальтенов на температуру хрупкости асфальтобетона.
Зависимость когезии битума в покрытии от содержания асфальтенов приведена на рис. 2.2.
Когезия
10
8
6
4
2
10 20 30 40 Sа,%
Содержание асфальтенов, %
Рис. 2.2. Влияние содержания асфальтенов на когезию битума.
Увеличение количества асфальтенов выше оптимального содержания - 38 %, приводит к разупрочнению каркаса за счет развития высоких внутренних напряжений, уменьшению стабилизирующего действия оболочек из смол, возникновению неровностей в прослойке дисперсной среды, обволакивающей асфальтены, т.е. к разрушению пространственной структуры. Асфальтены в большей степени подвержены окислению [27].
Смолы - полутвердые вещества, обусловливающие эластичные свойства битумов. Они являются высокомолекулярной составляющей битума, обладающие способностью к течению, а их относительно большая молекулярная масса и разветвленность молекул являются причиной их решающего влияния на растяжимость, когезию и коллоидную стабильность битумов.
Масла представляют собой наиболее легкую часть битума. Увеличение количества масел снижает вязкость битума. Большое влияние на свойства битума оказывает ароматичность масел, характеризуемая соотношением количеств содержащегося в них парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов. Парафиновые углеводороды н