Денис Назиров - Гидроизоляционные материалы для сооружений Сибири

При определенном содержании этих частиц в единице объема происходит их коагуляция, способствующая образованию коагуляционной структуры [22]. Прочность таких структур зависит от расстояния между частицами и узлами пространственной сетки, а также от степени компенсации вандерваальсовых сил на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды.

При достаточном удалении друг от друга и компенсации сил на границе раздела фаз (что наблюдается при высоких температурах) коагуляционная структура образоваться не может и частицы будут свободно перемещаться в межмицеллярной жидкости в тепловом броуновском движении. Такая система будет вести себя как истинно вязкая жидкость. В итоге образуется жидкообразный коллоидный раствор-золь.

Если в битуме недостаточно смол и нет полной компенсации вандерваальсовых сил, мицеллы взаимно притягиваются и образуют пространственную сетку, пронизывающую весь объем битума. Образуется структура геля.

В 40–50-е годы ХХ столетия Пфайффер [125] предложил классифицировать битумы по их структурно-механическим свойствам (три типа). Каждый тип характеризуется состоянием коллоидной системы (золь, золь-гель, гель-структура) и соотношением основных компонентов.

Для битумов, полученных из нефтей России, аналогичную классификацию разработала А. С. Колбановская [51], которая, анализируя в своих работах различные представления о структуре битумов, предложила выделить три их структурных типа.

Структура I типа представляет собой каркас их асфальтенов, находящихся в слабо структурированной смолами дисперсионной среде, состоящей из смеси парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов. Содержание асфальтенов составляет более 25 %, смол – менее 24 %. Это битумы-золи. Свойства этого типа определяются свойствами дисперсионной среды. Такие битумы обладают наибольшими интервалами пластичности и повышенной долговечностью, особенно при отрицательных температурах.

Структура II типа – это предельно стабилизированная разбавленная суспензия из асфальтенов в сильно структурированной смолами дисперсионной среде. Содержание асфальтенов – менее 18 %, смол – более 36 %. Это битумы-гели. Они обладают меньшим интервалом пластичности, повышенной прочностью при пониженной температуре и значительной теплоустойчивостью. Их свойства в основном определяются свойствами битумных смол.

Структура III типа представляет собой систему, в которой отдельные агрегаты асфальтенов находятся в дисперсионной среде, структурированной смолами в значительно большей степени, чем среда битума I типа, но в меньшей, чем среда битума II типа. Структура этого типа битумов является промежуточной.

Таким образом, предложенная классификация связала воедино состав, структуру и свойства битумов, показав роль каждого из компонентов. Определив на основании группового состава тип битума, можно предсказать поведение его в реальных условиях эксплуатации.

Отличным от изложенных является представление о битумах как растворах асфальтенов в мальтенах [2]. Свойства таких растворов зависят от количества асфальтенов и качества мальтенов. При высоких температурах асфальтены находятся в молекулярно-дисперсном состоянии, снижение температуры приводит к ассоциации асфальтенов в комплексы. Одним из аргументов в пользу такого определения считается отсутствие в битумах агрегатов, величины которых соответствовали бы коллоидным размерам.

Принципиально новый подход к изучению структуры битумов находим в работах [85; 125], где они рассматриваются как растворы высокомолекулярных соединений (асфальтенов) и близких к ним по структуре и свойствам смол (твердых смол) в среде из нефтяных масел и близких к ним по структуре смол. В доказательство приемлемости такого подхода авторы приводят соображения о самопроизвольном диспергировании асфальтенов в маслах, а также о высокой термодинамической устойчивости их структур.

В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соединений битумы, в зависимости от температуры, могут находиться в различных термодинамических состояниях: от истинных растворов к коллоидным растворам надмолекулярных структур (ассоциатов) асфальтенов и смол до пластичных и твердых тел [85; 86]. При температуре ниже температуры размягчения происходит ассоциация структурных единиц битума (асфальтенов и смол) с образованием структур пластичного аморфного тела. При температуре ниже температуры хрупкости битумы представляют собой твердые тела, в которых одновременно могут присутствовать аморфные и кристаллические вещества, а также некоторое количество масел и низкомолекулярных смол. При температуре выше температуры размягчения все вязкие битумы могут рассматриваться как жидкости, поведение которых приближается к ньютоновскому (по мере повышения температуры). Процессы изменения структурных состояний битумов термодинамически обратимы и для каждого происходят в определенных температурных пределах. Тип образующихся структур, согласно теории растворов, зависит в основном от термодинамического состояния битума и от количества и качества афальтенов и смол.

Сопоставляя существующие представления о структуре битумов, следует отметить их общие положения. В качестве основного структурообразующего элемента принимаются асфальтены, а их количественное содержание при прочих равных условиях во многом определяет механическое поведение битумов. Смолы оказывают значительное стабилизирующее действие в структурном и реологическом плане. При любом представлении о структуре выделяются три характерных типа. Это говорит о том, что разнообразные типы не могут быть описаны только с позиций коллоидной химии или физикохимии полимеров. Вероятно, комплексное использование основных положений обеих наук поможет установить структурные особенности битумов.

В настоящее время задача повышения качества битумов решается двумя путями: усовершенствование технологии производства и совмещение битумов с различными добавками, повышающими их физико-механичекие свойства. Получение высококачественных и долговечных битумов возможно путем создания оптимальной структуры. Улучшение эксплуатационных свойств битумных материалов с целью повышения трещиностойкости при отрицательной температуре вначале шло по пути пластификации различными минеральными маслами. Однако введение масел снижало температуру размягчения битумов. Введение минеральных инертных наполнителей, как порошкообразных, так и волокнистых, также не приводит к значительному росту качества битумов. При этом несколько повышается температура размягчения, но ухудшаются деформативные свойства при отрицательной температуре [45;100]. Поэтому увеличение интервала пластичности, то есть одновременное улучшение свойств в области положительных и отрицательных температур, возможно только при введении добавок, изменяющих структуру битумных материалов.