Содержание ориентированного и объемного битума в асфальтобетоне

Положение о существовании двух состояний битума в асфальтобетоне - ориентированного (структурированного) и свободного (объемного) не вызывает возражений у исследователей, изучающих структуру и свойства асфальте бетона. Однако до настоящего времени не установлена количественная связь между размером зерен и природой их повермности, вязкостью и другими свойствами битума, а также толщнной ориентированного слоя.

Для определения толщины ориентированного слоя битума на зернах различной крупности были проведены исследования по аналогии с определением молекулярной влагоемкости сыпучих материалов по А. Ф. Лебедеву, основанные на центрифугировании изучаемых смесей.

Была использована центрифуга ЦЛС-31М с максимально частотой вращения ротора 18 тыс. об/мин. Центробежная сила, возникающая при работе центрифуги, измерялась фактором разделения - величиной, которая характеризует напряженность центробежного поля, развитого центрифугой.

Для испытания были приняты высевки из плотного известняка и кварцита фракций 5-3, 3-1,25, 1,25-0,63, 0,63-0,315 мм и битум с глубиной проникания иглы при 25°С - 410 температурой размягчения 29°С и абсолютной вязкостью 1,9-103 Па при 25°С. Подготовка образцов для испытания осуществлялась следующим образом: навеску минерального материала заданной фракции запаивали в капсулу из металлической сетки с отверстиями 0,14 мм, взвешивали и насыщали битумом в течение 24 ч. После насыщения капсулу помещали в специальные стаканчики центрифуги и центрифугировали до постоянной массы капсулы при заданной частоте вращения ротора центрифуги. После повторного взвешивания капсулу снова центрифугировали с большей частотой вращения ротора до постоянной массы. Центрифугирование проводили до тех пор, пока повышение частоты вращения и времени центрифугирования не вызывали изменение массы больше чем на 1%. Взвешивание производили с точностью до ±0,001 г.

После полного цикла центрифугирования определяли битумосмкость испытуемой фракции материала и рассчитывали толщину ориентированного слоя битума на зернах.

Невыжимаемый слой битума

Данные о битумоемкости и толщине битумной пленки на зернах дробленого известняка плотного сложения различной крупности в зависимости от величины фактора разделения. Интересно отметить, что с уменьшением размера зерен битумоемкость растет, а толщина пленок уменьшается. Кажущееся противоречие объясняется значительным опережением роста удельной поверхности зерен с уменьшением их размера по сравнению с ростом битумоемкости.

При изменении фактора разделения от 200 до 790 объемный битум легко отделяется. Увеличение фактора разделения от 790 до 6230 ведет к дальнейшему утончению пленки, но этот процесс происходит значительно медленнее, чем в первом случае и требует 6-10 ч центрифугирования. Наступает такой момент, когда увеличение частоты вращения ротора не вызывает ощутимого уменьшения толщины пленки, например, увеличение фактора разделения от 6230 до 30 000 не приводит к изменению толщины слоя. С ростом фактора разделения закономерно уменьшается толщина битумной пленки на минеральных зернах. Однако после достижения фактора разделение 6230 дальнейшее увеличение центробежной силы (вплоть до фактора разделения 30 000) не приводит к уменьшению толщины пленки битума. Минеральные зерна, покрытые таким битумом, не обладают клеящей способностью. Вероятно, этот биту обладает отличными от объемного битума составом, строение и свойствами. Этот «невыжимаемый» слой битума назван твердообразным.

Принятая методика позволила определить изменение толщин, пленки битума на минеральных зернах по мере увеличен центробежной силы. При наименьшем факторе разделение 200 толщина пленки битума на известняковых зернах фракции 5-3 мм равна 1,50 мкм, при 1760 - 0,76 мкм, а при 12900 - 0,515 мкм. На зернах дробленого кварцита толщина пленок значительно меньше, чем на зернах известняка и составляет для фракции 5-3 мм при факторе разделения 200 - 0,93 мкм, при 1760 - 0,47 мкм, при 12 900 - 0,26 мкм. Уменьшение толщины пленки битума на зернах кварцита по сравнению с известняком подтверждает результаты многих исследователей и; подчеркивает различие в характере взаимодействия известняка с битумом. По мере уменьшения размера зерен закономерно уменьшается толщина пленки битума на зернах при всех режимах испытания.

Как показали испытания, компонентный химический состав битума зависит от величины прикладываемой центробежной силы. Если в битуме до испытания содержание асфальтенов составляло 6,95%, то в отжатом битуме с минеральных зерен при факторе разделения 790 содержание асфальтенов составляло уже 8,32%, а при 2780- 10,59%.

Эти исследования показывают изменения, происходящие в битуме под влиянием минеральной подложки. Наиболее активными компонентами битума по отношению к минеральному материалу являются асфвльтены, содержащие активные функциональные группы, поэтому они и накапливаются в наибольшем количестве в пограничной зоне. По мере удаления от поверхности зерна количество асфальтенов уменьшается, а на каком-то расстоянии равно содержанию в объемном битуме. Так как асфальтены полярны, можно предположить, что они ориентированы определенным образом по отношению к подложке. Вероятнее всего эта ориентация перпендикулярна подложке и состоит из асфальтенов, соединенных между собой по полярным группам в цепочки.

Выполненные исследования позволили предположить, что битумная пленка на минеральном зерне состоит из слоя с упорядоченным расположением высокомолекулярных соединений битума, который постепенно переходит в объемный битум. Твердообразная зона граничит с поверхностью минерального материала и у поверхности подложки предельно насыщена асфальтенами. На известняковых зернах фракции 5-3 мм твердообразная зона имеет толщину 0,515 мкм, на зернах фракции 3-1,25-мм - 0,300, 1,25-0,63 мм -0,294 и на 0,63-0,315 мм - 0,10 мкм. На зернах кварцита твердообразная зона почти в 2 раза тоньше, чем на зернах известняка. За твердообразной зоной расположена структурированная зона, состоящая также из упорядоченных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных к минеральному зерну.

За структурированной зоной предположительно должна существовать переходная зона, в которой битум частично имеет упорядоченное строение - это диффузная зона. Толщина диффузной зоны колеблется от одного до нескольких микрометров: при повышении температуры толщина зоны уменьшается до своего минимального предела, а при понижении - увеличивается. Резкого перехода между диффузной зоной и объемным битумом нет.