3.1 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.

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. Например, для некоторых образцов изменение температуры всего на 1°C приводит к изменению вязкости или жесткости на 20%. Поскольку битум также является хорошим теплоизолятором, перед каждым измерением требуется тщательное и правильное термостатирование.

При хранении битума при комнатной температуре может возникнуть так называемое стерическое затвердевание. При этом вышеупомянутые ассоциации молекул и мицелл возникают как обратимый физический процесс – поэтому отсутствуют химические реакции с образованием соединений с ковалентными связями. Этот процесс необходимо учитывать уже при температурах, превышающих температуру стеклования Tg на 10–20 K (°C).

Повышение жесткости может составить до 50% – фактическое увеличение зависит от типа битума и может проявляться даже через несколько часов. Для полной компенсации внутренних обратимых ассоциаций применяется повышение температуры во время
так называемого процесса отжига, ликвидирующее внутренние напряжения по истечении достаточного времени.

Чтобы избежать термического разрушения, например деструкции макромолекул, перед выполнением реологических испытаний с несостаренным битумом следует избегать температур выше 135 °C.

Обычно битум представляет собой термореологически простую жидкость, и поэтому для создания обобщающих кривых существенно важными являются термореологические модели. Для T > Tg имеет силу уравнение Вильямса – Ланделла – Ферри, тогда как для T < Tg применяется уравнение Аррениуса.

Однако для трудно структурируемых, а также полимермодифицированных битумов такие отношения уже не действуют.

В процессе старения жесткость увеличивается, тогда как коэффициент потерь (тангенс δ) уменьшается.

Даже в испытаниях с длительной нагрузкой тенденция к ползучести с течением времени будет ниже, чем для несостаренного образца. Это объясняется изменением химического состава вследствие реакций окисления. Гибкость свободных молекул и способность к диффузии через сетчатые структуры значительно снижаются. Этот процесс является необратимым, даже при использовании отжига.

В современном строительстве битум обычно используется как вяжущий, клеящий или герметизирующий материал:
a) Обработка в горячем виде (T > +120 °C):

  • для дорожного строительства;
  • для гидротехнического строительства (например, в качестве кислото- и химически стойкого битумного строительного раствора);
  • в качестве бесшовного пола (вследствие высокой водонепроницаемости);
  • в качестве битумных дорожек и швов (или кровельных швов с использованием газовой горелки);
  • как твердый или окислительный битум (со свойствами наподобие резины);
  • как материал для герметизации швов (особенно для компенсационных швов вследствие высокой способности к релаксации);
  • в качестве пекобитумного вяжущего (смесь битума и пека с содержанием битума около 70%);
  • как полимерный битум (полимерно-битумная смесь).

б) Обработка в теплом состоянии (T > +30°C):

  • Разжиженный битум (смесь минерального/отработанного/дегтярного масла, например для ремонта дорожного покрытия).

в) Обработка при низкой температуре (T > +5°C):

  • как холодный битум или растворенный битум (раствор от 10 до 60% для снижения вязкости);
  • в качестве битумной эмульсии (с водой);
  • как битумное покрытие (например, в качестве ингибитора коррозии для железа и стали);
  • в качестве битумного наполнителя.