Изучение влияния температуры на смачивающие и адгезионные свойства битума

УДК 625.7.06

А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева, И. Н. Дияров

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СМАЧИВАЮЩИЕ И АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА БИТУМА

Ключевые слова: битум, смачивание, адгезия, температура.

Адгезия битума к минеральному материалу является ключевым фактором, обеспечивающим высокие эксплуатационные характеристики асфальтобетону. Статья рассматривает явления смачивания и адгезии битумного вяжущего к поверхности минерального материала при различных температурных условиях. В статье представлены экспериментальные данные по оценке влияния температуры подложки на смачивающие и адгезионные свойства битума.

Keywords: вШшеп, wetting ability, adhesion, temperature.

Firm adhesion of bitumen binder to the mineral material is the main condition providing high operational characteristics of asphalt concrete. The article reviews wetting and adhesion phenomena of bitumen binder to the mineral material in various temperature conditions. The article presents the experimental data of the substrate temperature influence to the bitumen’s wetting and adhesion properties.

Свойства смачивания и адгезии битума являются весьма важными его характеристиками, так как именно они во многом имеют решающее значение для обеспечения многих эксплуатационных свойств композитных материалов на основе битума, в частности асфальтобетона.

Одним из определяющих факторов при смачивании поверхности минерального материала, кроме природы контактирующих тел, является температура. Способность битума смачивать минеральный материал будет в первую очередь определяться текучестью вяжущего, во вторую очередь природой контактирующих материалов. Получение качественной асфальтобетонной смеси возможно лишь в том случае, когда вяжущее хорошо смачивает минеральный материал.

Влияние температуры на процесс смачивания объясняется в первую очередь тем, что вязкость битумного вяжущего в интервале температур 20-120 0С сильно зависит от температуры. Вязкость - свойство материала оказывать сопротивление перемещению частиц под воздействием внешних сил. При пониженных температурах вязкость битума велика и он находится в вязко-текучем состоянии. С увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в жидкое состояние [1].

После перехода битума из вязко-текучего в жидкое состояние процесс смачивания можно рассматривать как классическое смачивание твердых тел жидкостями. Основную роль начинают играть силы межмолекулярного взаимодействия.

Если явления смачивания характеризуют возможность образования пленки вяжущего на поверхности минерального материала, то прочность сцепления вяжущего будет определяться силой сцепления вяжущего, то есть адгезией.

Битумы в силу своей природы анионоактивны и обеспечивают хорошую адгезию к поверхности минеральных материалов основных пород, что очень важно, так как более 90 % поверхности минеральных материалов в асфальтобетонных смесях составляет поверхность известнякового минерального порошка. Они характеризуются недостаточной адгезией к поверхности кислых минеральных материалов, к которым относятся песок и щебень, поэтому они, как правило, и выкрашиваются из покрытия, что приводит к его шелушению и выкрашиванию, а затем и образованию выбоин [2].

Адгезия - это межфазное явление, обеспечивающее между двумя телами соединение определенной прочности. Адгезия определяет важнейшее качество вяжущего - способность сопротивляться внешним воздействиям без нарушения сплошности среды на стыке

разнородных материалов и является параметром, определяющим долговечность строительных конструкций и покрытий дорог. Адгезия имеет большое значение для получения прочных и износоустойчивых асфальтобетонных покрытий и определяет физико-механические свойства, коррозионную стойкость последних к воздействию агрессивных сред [2].

Адгезия битумов с минеральной поверхностью будет зависеть в основном от наличия высокомолекулярных ПАВ и условий их адсорбции на межфазной поверхности битум -минеральный материал.

Нами были рассмотрены явления смачивания и адгезии битума к минеральному материалу при различных температурных условиях, соответствующих условиям приготовления и эксплуатации асфальтобетона. Известно, что приготовление асфальтобетона осуществляется смешением вяжущей и минеральной составляющей асфальтобетона при температурах выше 100 0С [3], при которых возможно хорошее смачивание. Однако рабочим интервалом температур, при котором должна обеспечиваться прочность вяжущего с минеральным материалом является -40 0С - +40 0С. Поэтому можно рассматривать два явления адгезии:

- адгезия жидкого битума к минеральному материалу;

- адгезия вязко-текущего битума к минеральному материалу.

Первый случай характеризует прочность сцепления вяжущего в процессе приготовления асфальтобетонной смеси. В случае плохой адгезии пленка вяжущего не будет удерживаться на поверхности минерального материала. Во втором случае, то есть в температурном интервале -40 0С - +40 0С адгезия битума к минеральному материалу будет характеризовать прочность асфальтобетона уже непосредственно в условиях эксплуатации в рабочем температурном интервале.

На основании вышеизложенных утверждений нами экспериментально был рассмотрен процесс растекания капли битума на поверхности минерального материала при температурах в интервале от 200С до 1000С. При повышении температуры подложки, процесс ее смачивания битумом протекает лучше. По данным краевых углов смачивания была рассчитана работа адгезии битума к минеральному материалу по уравнению Дюпре-Юнга [4]. На рисунке 1 представлена графическая зависимость величины работы адгезии от температуры подложки.

40

5 -----------------------------------------------------

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Температура подложки, град. С'

Рис. 1 - Зависимость величины работы адгезии от температуры подложки

Как видно из рисунка 1 повышение температуры улучшает смачивание битумом стеклянной подложки - происходит уменьшение краевого угла смачивания, другими словами улучшается распределение связующего вещества по твердой поверхности.

Исходя из температурных условий эксплуатации асфальтобетона, возникает закономерный вопрос рассмотрения адгезии при нижней температурной границе работы асфальтобетона. Но смоделировать процесс смачивания битумом минерального материала при минусовых температурах физически невозможно, так как при отрицательных температурах начинается процесс стеклования битума и его переход в хрупкое состояние. Поэтому этот вопрос мы в рамках проводимых исследований не рассматривали.

Литература

1 Органические вяжущие и материалы на их основе: Метод. указ. к практическим занятиям и лабораторным работам / Сост.: О.А. Корчагина, О.А. Киселева. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. 36 с.

2 Похожай, Л.В. Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов [Электронный ресурс] / Л.В.Похожай - Режим доступа: http://www.gvozdik.ru/analit/708.html, свободный.

3 Сюньи, Г.К. Дорожный асфальтовый бетон / Г.К. Сюньи. - Киев: Гос. изд-во по строительству и

архитектуре УсСр, 1962. - 486 с.

4Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии / Б.Д. Сумм. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. - 240с.

© А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - асп. той же кафедры, lena-ae@mail.ru; И. Н. Дияров - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.