Битум

Термин «битум», имеющий кельтское происхождение, стал затем использоваться в латинском языке и означает горную смолу или природный асфальт.

Эта горючая жидкость, обладающая жесткостью и вязкоупругими свойствами, цвет которой может меняться от желто-коричневого до черного, является смесью природного происхождения, состоящей из высокомолекулярных полимерных и низкомолекулярных соединений. Предполагается, что в ее состав входят несколько тысяч различных химических веществ: углеводороды и смолы, различные парафины, воски и жиры, тяжелые масла, лигнины и белки. Подобно сырой нефти или углю, битумы часто содержат сложные кислород- (O), азот- (N) и серосодержащие (S) соединения. Битумы могут растворяться в бензоле, бензине, скипидаре и растительных маслах. Плотность битума составляет от 1,0 до 1,1 г/см³.

В отличие от асфальта, битум не содержит минералов, т.е. изначально состоит из природных органических материалов. Начиная с палеозойской эры, битум формировался из низших организмов как составная часть нефти и угля. Кстати, если не произвести ликвидацию разливов нефти на море, то со временем образуется битум.

Битум образуется естественным путем в виде остатка, формирующегося в результате испарения некоторых низкомолекулярных компонентов, таких как природный газ и фракции сырой нефти с низкой вязкостью.

Синтетический битум можно получить как остаток после вакуумной перегонки чистой сырой нефти или угля при температурах > 400 °C благодаря отделению низкомолекулярных и, следовательно, высоко летучих соединений. Например, основными ингредиентами двух разных битумов являются следующие: a) приблиз. 80% насыщенных углеводородов (т.е. алифатических соединений с открытыми молекулярными цепочками или ароматических углеводородов с замкнутыми циклами), приблиз. 10% смол, приблиз. 1% асфальтенов или b) приблиз. 60% насыщенных углеводородов, приблиз. 20% смол, приблиз. 15% асфальтенов.

Предполагается, что битумные вяжущие в своей макроскопической структуре, которая определена еще не полностью, обладают однородными и изотропными свойствами. Физико-химические взаимодействия, такие как диполярные, кислотно-основные, а также водородные связи, обусловливают создание трехмерных суперструктур между полимерными макромолекулами и также парафинами, которые стабилизируются благодаря упомянутым силам второго порядка.

При нагревании многие виды взаимодействий ослабляются или совсем исчезают. Кроме того, отдельные сегменты цепочек молекул становятся гораздо более подвижными, что приводит к уменьшению жесткости и вязкости. При повышении температуры псевдопластическое течение битумов изменяется на ньютоновское, идеально вязкое. В связи с этим возникает риск испарения небольших молекул. Такое изменение свойств материалов может повлечь за собой увеличение вязкости, что, однако, может компенсироваться термическими эффектами, снижающими фактическую вязкость.

К тому же, асфальтены представляют собой относительно негибкие макромолекулярные шары, которые коллоидально диспергированы, подобно жестким частицам. За счет связей асфальтены образуют микроскопические мицеллярные структуры, которые существенно укрепляют внутренний каркас битума – также появляются жесткость и хрупкость. Под действием механической нагрузки опасность возникновения микротрещин возрастает. Из-за такой неблагоприятной нестабильности технологически предпочтительными являются битумы с низким содержанием асфальтенов.

Концентрация воска в битуме очень сильно влияет на его реологические свойства. Воски представляют собой структуры на основе парафинов с длинными цепочками, такие как монтановая кислота C27H55COOH . Хотя эти молекулы значительно короче, чем макромолекулы полимеров, считается, что они создают индивидуальную матрицу битума. При увеличении температуры парафины плавятся, и суперструктура становится более слабой. При уменьшении температуры парафины кристаллизуются, особенно вблизи асфальтеновых мицелл. Тем самым они значительно влияют на длину суперструктуры, закрепляя свободные макромолекулы и парафиновые цепочки. В результате вязкость и также жесткость повышаются, и вместе с ними увеличивается опасность образования трещин. Поэтому некоторые ученые требуют классифицировать битумы также в соответствии с содержанием парафинов, поскольку они в значительной степени влияют на термические и реологические свойства.

Итак, изменение температуры битума существенно влияет на реологические характеристики битума.

Рубрика: Статьи