Исследование взаимосвязи диэлектрической проницаемости битумного вяжущего с его физико-механическими свойствами

УДК 625.063

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО С ЕГО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

С.В. Горелов, аспирант, м.н.с., ДорТрансНИИ РГСУ, Ю.И. Гольцов, доцент, к. ф.-м. н., Д.А. Строев, магистр,

РГСУ

Аннотация. Для оценки физико-механических свойств вяжущего определенный интерес представляет изучение диэлектрической проницаемости битума, характеризующей его полярность. В этом аспекте битумы изучены недостаточно и нет полной ясности о корреляции между показателями полярности и их физико-механическими свойствами, особенно для оценки свойств остаточного вяжущего битумных эмульсий, т.е. конгломерата битума с эмульгатором, образующегося после удаления воды из эмульсии, что и послужило предметом настоящего исследования.

Ключевые слова: остаточное вяжущее, битумная эмульсия, адгезия, диэлектрическая проницаемость, эмульгатор.

Введение

По современным представлениям все дорожные и строительные битумы правильнее рассматривать как растворы высокомолекулярных соединений нефтяного происхождения - асфальтенов и близких к ним по структуре и свойствам смол (твердых смол) в среде из нефтяных масел и плавких смол.

В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соединений в зависимости от внешних условий (температуры, давления) битумы могут находиться в различных термодинамических состояниях, проходя последовательно все стадии от истинных растворов (при высоких технологических температурах) к коллоидным растворам надмолекулярных структур (ассоциатов) асфаль-тенов и смол до пластичных, а затем твердых тел.

Состояние и свойства битумов определяются не только формой и размерами молекул компонентов и надмолекулярных структур, но и всем комплексом сложных явлений структурообразования, начиная с укладки отдельных цепей молекул и кончая формированием крупной надмолекулярной структуры с различными типами связей (водородных, диполь-диполь и т.п.).

При высоких температурах на первый план выступает влияние химического строения компонентов, обуславливающего степень гибкости или жесткости молекул, а силы межмолекулярного и межструктурного взаимодействия играют мень-

шую роль. При понижении температуры характер межмолекулярных и межструктурных связей начинает играть все большую роль.

Учитывая все эти факторы, при температурах выше температуры размягчения все вязкие битумы могут быть рассмотрены как жидкости, поведение которых приближается к ньютоновскому по мере повышения температуры [1].

Для оценки физико-механических свойств вяжущего определенный интерес представляет изучение диэлектрической проницаемости битумов, характеризующей его полярность. В этом аспекте битумы изучены недостаточно и нет полной ясности о корреляции между показателями полярности и их физико-механическими свойствами, особенно для оценки свойств остаточного вяжущего битумных эмульсий, т.е. конгломерата битума с эмульгатором, образующегося после удаления воды из эмульсии, что и послужило предметом настоящего исследования.

Цель и постановка задачи

В работе проводились исследования остаточного вяжущего битумных эмульсий, приготовленных на наиболее известных эмульгаторах отечественного и иностранного производства катионного типа. Образцы эмульсий содержали одинаковое количество исходных компонентов. Характеристика эмульгаторов представлена в табл. 1.

Таблица 1 Характеристика используемых эмульгаторов

Номер образца Сырье

1 (Россия) 2 (Россия) 3 (Россия) 4 (Швеция) Производные аминов и полиаминов Смесь имидазолинов Смесь алкиламидополиаминов и алкилимидазолинов Полиамины

Результаты исследований

Сущность метода измерения диэлектрических параметров е и tg5 (диэлькометрии) заключается, как известно, в определении двух значений электрической емкости С0 и С емкостного датчика, когда между его обкладками находится соответственно воздух и исследуемый материал.

В наших исследованиях датчик представлял собой коаксиальный цилиндрический конденсатор с алюминиевыми электродами. Измерение его емкости и тангенса угла диэлектрических потерь производили с помощью моста переменного тока ЦЕ 5002. Диэлектрическую проницаемость е вяжущего определяли как е = С/С0, где С0 - начальная емкость датчика с учетом емкости соединительных проводов.

Измерения проводили при температурах 160 -180 °С, когда вяжущее находится в свободно-дисперсном состоянии, то есть становится ньютоновским раствором. В этом случае облегчается ориентация его полярных молекул, а частота их собственных колебаний приближается к частоте измерительного поля (1000 Гц). Результаты измерений представлены в табл. 2.

С целью выяснения взаимосвязи величины диэлектрической проницаемости и физико-механических свойств вяжущего наряду с определением е для остаточного и исходного битумов оценивалось качество получаемого вяжущего в соответствии с требованиями ГОСТ 22245-90. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Таблица 2 Диэлектрическая проницаемость остаточного вяжущего и исходного битума в зависимости от температуры

Остаточное вяжущее битумной эмульсии на эмульгаторе № Температура, °С

180 175 170 165 160

БНД 60/90 4,49 4,41 4,33 4,28 4,15

БНД 60/90+0,5% (1) 4,65 4,58 4,57 4,55 4,50

БНД 60/90+0,5% (2) 4,53 4,47 4,37 4,34 4,25

БНД 60/90+0,5% (3) 4,75 4,69 4,65 4,61 4,61

БНД 60/90+0,5% (4) 4,73 4,71 4,65 4,63 4,55

Таблица 3 Физико-механические показатели остаточного вяжущего

Остаточное вяжущее битумной эмульсии на эмульгаторе №

я С°

и °5

н а 2

к и

и р е

н о п е н

р ,м е

п м м

а н е н

и .0

б

ул , ы л

Г г

и

я

и н

ак

ин о

рп а н и

ы

лг и

б

ул Г

С

°

5 2

и р

п ь т с о м и ж я т с а Р

С

з

а, ра

ам ур ут

ту ти

та б р

е п м е Т

ы р

уе тл ас роС

2 к о

а в е

рг

о р

п

а р

и т с о к

п

у

р х ар

ут

а р

е п м е Т

е

Нормы для битумов БНД 60/90 БНД 60/90 БНД 60/90 + 0,5 %

61-90 82

75

76 78

20

23 22 21 22

24

55

92 100

93 100 100

45

51 53

52 52 52

-15 -17 -22 -20 -23 -22

не норм. 2

4 3

5 5

Анализируя табл. 3, можно говорить о некотором улучшении качественных характеристик битумного вяжущего, содержащего эмульгатор. Очевидно, что присутствие эмульгатора значительно повышает показатель сцепления вяжущего с минеральными материалами и замедляет процессы старения. Особенно это видно на образцах битума с эмульгаторами 4 и 4, где сцепление с каменными материалами кислых пород по пятибалльной шкале достигает оценки 5, а на образцах битума с эмульгаторами 1, 3 и 4 изменение температуры размягчения после прогрева составляет всего 2-30С. Наблюдается незначительное уменьшение пенетрации и увеличение растяжимости вяжущего, что, по-видимому, можно объяснить некоторым полимерно-структурирующим характером используемых добавок. Сравнивания таблицы 2 и 3 можно говорить о связи показателя адгезии остаточного вяжущего битумной эмульсии и величиной диэлектрической проницаемости.

Подтверждением повышения адгезионной активности эмульгированного битума является увеличение его полярности, характеризуемой диэлектрической проницаемостью, изучение которой представляет особый интерес. Ряд авторов [2] подчеркивают, что повышение диэлектрической проницаемости битума способствует снижению разностей полярностей вяжущего и каменного материала, что приводит к образованию более прочных связей.

Наблюдаемая корреляция между величиной е и показателем сцепления битума с минеральным материалом, обусловлена, по видимому, избирательной адсорбцией активных групп эмульгатора на поверхности высокомолекулярных асфальте-

нов. Это приводит к увеличению концентрации дипольных групп, и, как следствие, результирующего дипольного момента испытуемого вяжущего, находящегося в электрическом поле.

Выводы

Таким образом, в работе установлено, что диэлектрические параметры вяжущего мало отражаются на его основных физико-механических свойствах, однако ясно прослеживается увеличение данного параметра вместе с повышением адгезионной прочности испытуемого материала. Установление данной взаимосвязи дает новую возможность количественной оценки показателя адгезии битумных вяжущих.

Литература

1. Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Углова

Е.В., Безродный О.К. Органические вяжущие для дорожного строительства: Учеб. пособ., 2003. - 428 с.

2. Романов С.И. Регулирование структурообразо-

вания в нефтяных вязких битумах, свойств вяжущих и конгломератов на их основе для дорожного строительства // Дисс. на соискание уч. степени д-ра техн. наук. - Волгоград, 1996.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 4 сентября 2006 г.