С минеральными материалами

Физическое взаимодействие битума с минеральными материаламиобусловлено способностью вяжущего адсорбироваться на поверхности минеральных зерен. Образование пленки начинается с объединения битума с частицами минерального материала и заканчивается при укладке, уплотнении и остывании асфальтобетона. На прочность и долговечность асфальтобетона оказывает влияние степень обволакивания минеральных зерен битумной пленкой. При недостатке битума вследствие проникновения воды битумная пленка отслаивается и асфальтобетон разрушается. Формирование пленки битума обуславливается, прежде всего, хорошим смачиванием минерального компонента смеси битумом. Это достигается снижением вязкости битума и нагревом минеральных материалов до рабочей температуры.

Первой стадией физического и химического взаимодействия битума с поверхностью минеральных частиц является смачивание частиц битумом. Именно смачивание обеспечивает полное обволакивание частиц битумом, в результате чего формируется ориентированный слой битума и происходит физико-химическое взаимодействие его с минеральным материалом. В результате взаимодействия на поверхности минеральных частиц образуются адсорбционно-сольватные слои связанного битума. Известняковые порошки образуют более развитые слои, кварцевые – менее развитые. На поверхности зерен битумная пленка перенасыщена высокомолекулярной частью, причем асфальтенов и смол в граничных слоях больше на известняковом, а не на кварцевом материале.

Как на тонкопористых зернах кварца, так и на зернах известняка наблюдается диффузия жидких углеводородов. Наряду с адсорбционным взаимодействием, схватывающим граничный слой битума, изменяется структура битума вследствие поверхностных сил минерального наполнителя, влияние которых распространяется перпендикулярно поверхности минеральных частиц. Битум попадает в зону их действия и претерпевает структурные изменения. Высокомолекулярные соединения битума образуют цепочки, перпендикулярные к поверхности минеральных зерен. Прочность связи звеньев цепочки по мере удаления от зерна падает и на расстоянии нескольких микрометров (10^–6 м) практически равна нулю и битум приобретает объемные свойства. В ориентированном слое битума можно выделить три зоны с характерными структурой и физико-механическими свойствами: твердообразная, структурированная и диффузная (рис.5.1).

Твердообразная зона граничит непосредственно с поверхностью частиц минерального наполнителя и представлена в основном адсорбционным слоем. Частицы наполнителя, покрытые твердообразной пленкой, между собой не слипаются, так как пленка клеящей способностью не обладает. Толщина твердообразной зоны на минеральных частицах не превышает долей микрометра. Структурированная зона состоит из упорядоченно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных в направлении минеральной подложки. За структурированной зоной расположена переходная – диффузная – зона между ориентированным слоем и объемным битумом, в котором он имеет частично упорядоченное строение. Толщина зоны зависит от температуры. При повышении температуры толщина зоны уменьшается до своего минимального значения, а при понижении увеличивается. Между ориентированным слоем и объемным битумом резкого перехода не наблюдается, точно так же и внутри слоя между зонами. В зависимости от размеров и природы зерен минерального наполнителя, а также содержания в битуме асфальтенов и ПАВ, величина ориентированного слоя меняется от долей микрометра до нескольких микрометров.

Рис. 5.1. Строение пленки битума на минеральной частице:

I – ориентированный слой; II – объемный битум; Ia – твердообразная зона;

Iб – структурированная зона; Iв – диффузная зона;

– асфальтены – ароматические углеводороды;

-парафино-нафтеновые углеводороды

При наличии химического или адсорбционного взаимодействия минеральных зерен с органическим вяжущим эффективный объем наполнителя увеличивается. Толщина адсорбционного слоя на частицах размером от 3 до 10 мкм изменяется в пределах 1, 2-17, 0 мкм.

Толщина ориентированного слоя возрастает с увеличением молекулярной массы и ассиметрии молекул битума. Вязкость граничного слоя меняется по мере удаления от твердой поверхности не постепенно, а скачками. Изменение вязкости граничных пленок по сравнению с вязкостью жидкости в объеме связано с ориентированным расположением молекул в граничных пленках.

На свойства битума в тонких слоях большое влияние оказывает характер поверхности, на которой адсорбирован битум. На активной поверхности с уменьшением толщины битумных слоев (меньше 10 мкм) резко увеличивается когезия вследствии ориентации структурных элементов битума. В более толстых слоях битума ориентационный эффект выражен слабее. Например, асфальтовяжущее, приготовленное на битуме и известковом наполнителе с удельной поверхностью 0, 57 м²/г, имеет наибольшую прочность образцов при толщине битумных прослоек между зернами 0, 08 мкм. Толщина ориентированного слоя битума на минеральных зернах наполнителя зависит от температуры: при повышении температуры – уменьшается; при понижении – увеличивается, что объясняется увеличением ассоциации молекул, эквивалентной увеличению молекулярной массы.