Оценка адгезии битума к минеральному материалу в асфальтобетоне на основе его смачивающих свойств

А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, И. Н. Дияров ОЦЕНКА АДГЕЗИИ БИТУМА К МИНЕРАЛЬНОМУ МАТЕРИАЛУ

В АСФАЛЬТОБЕТОНЕ НА ОСНОВЕ ЕГО СМАЧИВАЮЩИХ СВОЙСТВ

Ключевые слова: битум, минеральный материал, адгезия. bitumen, mineral material,

adhesion.

В статье представлены экспериментальные данные по оценке адгезии битума на основе его смачивающих свойств. Были проведены измерения смачивающей способности битума к поверхности минерального материала и на их основе вычислена работа адгезии, которая и является количественной мерой адгезии битума. The article presents bitumen -mineral material adhesion properties estimation experimental data in terms of bitumen’s wetting ability. The measurements of bitumen’s wetting ability to the surface of mineral material have been held, on basis of them the work of adhesion, which is the quantitative measure of bitumen’s adhesion, has been calculated.

Свойство адгезии битума является весьма важной его характеристикой, так как оно имеет решающее значение для обеспечения многих эксплуатационных свойств композитных материалов на основе битума.

Всем известно, что взаимная связь и сцепление минеральных частиц, составляющих асфальтовый бетон, происходит благодаря внутреннему трению между ними и вследствие склеивания их битумом в местах взаимного соединения.

Назначение битума состоит, в первую очередь, в склеивании минеральных составляющих асфальтового бетона. Кроме того, битум обволакивает минеральные частицы тонкой битумной пленкой, и, заполняя пустоты между ними, препятствует проникновению влаги в асфальтовый бетон, придавая минеральным частицам гидрофобные свойства [1].

Была проведена серия экспериментов по оценке адгезии битума с добавкой катионной адгезионной присадки на основе полиамина.

В металлический стакан, снабженный мешалкой, электрообогревателем и термометром, загружали дорожный битум марки БНД 60/90 производства Елховского НПУ, нагревали стакан до 1200С и расплавляли битум. Включали мешалку и добавляли необходимое количество адгезионной присадки. Смесь перемешивали при этой температуре 40 минут. У приготовленных образцов определяли адгезию к минеральному материалу.

Известен метод определения адгезии по ГОСТ 11508 - 76 методом А - «пассивное» сцепление, сущность которого заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности минерального материала при воздействии воды. Это метод визуальной оценки процентного количества гравия оставшегося покрытым пленкой битума [2]. Количественно же определить адгезию битума к минеральному материалу можно на основе оценки его смачивающих свойств.

Адгезия - это межфазное взаимодействие, результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Количественно мерой процесса сцепления битума с

поверхностью минерального материала является работа адгезии. Чем больше будет данная величина, тем лучше будет сцепление битума с минеральным материалом [3]. На рисунке

1 представлены результаты измерения краевого угла смачивания стеклянной подложки битумом БНД 60/90 с добавкой адгезионной присадки. Для определения краевого угла смачивания каплю битума помещали на стеклянную подложку, после чего ее фотографировали с помощью микроскопа [4].

Рис. 1 - Краевой угол смачивания стеклянной подложки: а - битум; б - битум + 1% добавки; в - битум + 2,5% добавки

Для вычисления работы адгезии можно использовать уравнение Дюпре - Юнга [3]:

^э=0'1 2-(1+СО80),

2 '

где Wa - работа адгезии, мН/ м ; 01,2 - поверхностное натяжение битума на границе с воздухом, мН/м2; 0 - краевой угол смачивания стеклянной подложки.

Состав и адгезионные свойства битумных образцов представлены в таблице 1.

На рисунке 2 представлена зависимость величины работы адгезии от содержания катионной адгезионной добавки в битуме.

Таблица 1 - Состав и свойства битумных смесей

Номер образца Состав смеси Адгезия в баллах Работа адгезии, кН/м

Битум Адгезив

1 образец 100 0 3 7,09

2 образец 99,5 0,5 4 9,85

3 образец 99,0 1,0 4 12,72

4 образец 98,5 1,5 5 14,20

5 образец 98,0 2,0 5 15,51

6 образец 97,5 2,5 5 15,56

6 -I--------------------------------------------------------------------------------------------

О 0,5 1 1,5 2 2,5

Количество добавки адгезива, % нас.

Рис. 2 - Зависимость величины работы адгезии от содержания адгезионной добавки в битуме

Исходя из графика можно сделать вывод, что при добавлении катионной адгезионной добавки в битум, увеличивается его адгезия к минеральной части асфальтобетона. Процесс образования адгезионной связи обычно делят на две стадии. На первой транспортной стадии происходит перемещение молекул битума к поверхности минеральной части и их определенное ориентирование в межфазном слое [4]. При этом происходят также процессы адсорбции битума на минеральной части асфальтобетона. Процесс адсорбции будет увеличиваться с повышением поверхностной активности органического вяжущего, чему может способствовать введение различных добавок, имеющих полярные функциональные группы (рассматриваемая адгезионная добавка, например), а благодаря наличию функциональных групп обеспечивается более тесный контакт между битумом и минеральной частью асфальтобетона в межфазном слое, и первая стадия адгезии будет протекать лучше.

Вторая стадия адгезии состоит в непосредственном взаимодействии битума с минеральной частью асфальтобетона, которое может быть обусловлено Ван-дер-ваальсовыми силами. Межмолекулярным взаимодействием этих двух контактирующих фаз завершается процесс адгезии.

Экспериментально был рассмотрен процесс растекания капли битума на поверхности минерального материала при температурах в интервале от 230С до 850С. Соответственно были измерены краевые углы смачивания и рассчитана работа адгезии для каждого случая. При повышении температуры подложки, процесс ее смачивания битумом протекает лучше. На рис. 3 представлена графическая зависимость величины работы адгезии от температуры подложки для образца битума с 0,5% адгезионной добавки. Подобные зависимости наблюдаются и для других образцов.

Рис. 3 - Зависимость величины работы адгезии от температуры подложки

Таким образом, адгезию битума к поверхности минерального материала можно определить двумя методами: стандартным методом определения сцепления дорожных битумов с минеральными материалами, а также методом оценки его смачивающих свойств. Они не противоречат друг другу, и все таки можно говорить, что второй количественный метод, в отличии от первого, носящего визуальный характер, является более объективным.

Литература

1. Сюньи, Г.К. Дорожный асфальтовый бетон / Г.К. Сюньи. - Киев: Гос. изд-во по строительству и архитектуре УССР, 1962. - 486 с.

2. ГОСТ 11508 - 76. Битумы нефтяные. Метод определения сцепляемости битума с минералами и песком.- Введ. 1976 - 01- 01. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - V, 32 с.

3. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий.- М.: Химия, 1975. - 512 с.

4. Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г. Фролов.- М.: Химия, 1988. - 464 с.

© А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической переработки нефти и газа КГТУ; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры. И. Н. Дияров - д-р техн. наук, проф. каф. химической переработки нефти и газа КГТУ. Б-тай:7.аЬ^1т@к8ги.ги