Старение органических вяжущих

Органические вяжущие, как и большинство полимеров, с течением времени изменяют свои свойства. Способность битума и дегтя сохранять свои свойства под воздействием атмосферных факторов принято называть погодоустойчивостью.

Скорость изменения свойств органических вяжущих при старении приведена на рис-1. Органические вяжущие являются сравнительно погодоустойчивыми материалами, однако недостаточная их стабильность может быть одной из главных причин преждевременного разрушения асфальтобетонных покрытий.

По условиям механического износа асфальтобетонные покрытия толщиной 4 см должны служить 30- 40 лет,но нередко их разрушение происходит раньше (через 7-10 лет)за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств (смотри таблицу-1). Процесс старения органических вяжущих прежде всего обуславливается испарением масел,которое зависит от температуры их кипения, величины поверхности испарения и упругости паров,насыщающих пространство.

Таблица-1.Старение битумов и потеря их вязкопластичных свойств

Считается, что испаряются вещества с молекулярной массой ниже 400. Вторым важным фактором старения органических вяжущих является химическое изменение их компонентов и образование новых веществ. Эти изменения в основном связаны с процессом окисления. Опыты, произведенные по изучению скорости поглощения кислорода различными высокомолекулярными смолами,показали следующее:

Рисунок-1. Изменение свойств органических вяжущих при ультрафиолетовом облучении.

1-торфяного дегтя; 2-каменноугольного дегтя;3-нефтяного битума;

1.Наибольшее количество кислорода поглощается соединениями,имеющими в цепях главных валентностей двойные углерод-углеродные связи.Присутствие метильного радикала у атома углерода,сопряженного с двойной связью,повышает количество поглощенного кислорода.

3.Отрицательные заместители (CN, C₆H₅,COOH), находящиеся у атома углерода,сопряженного с двойной связью,замедляют поглощение.
4.Свет с длиной волны 2800-3000 ⁰А и повышение температуры ускоряет поглощение кислорода.При поглощении кислорода происходит деструкция высокомолекулярных веществ с выделением газообразных и жидких веществ (СО, СО₂, Н₂О, СН₂О, СН₃СНО R—COOH).

Ненасыщенные группы углеводородов ,содержащиеся в органических вяжущих сравнительно легко отдают водород соединяющийся с кислородом воздуха и переходят в разряд еще более ненасыщенных соединений,которые затем уплотняются (полимеризуются) и образуют сложные высокоуглеродистые соединения.Этот процесс протекает по следующей схеме:

CₓHᵧ+O=CₓHᵧ₋₂+H₂O и далее CₓHᵧ₋₂+CₓHᵧ₋₂=CₓHᵧ₋₂ — CₓHᵧ₋₂ и так далее;
В процессе старения битума происходит изменение группового состава сначала в результате испарения масел ,затем накопления смол и асфальтенов (таб-2), и наконец,превращения смол в асфальтены.

Таблица-2. Процесс превращения битумов в асфальтены

Неразрывно с изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры,повышается вязкость ,теплоустойчивость,упругость,понижается пластичность и,наконец битумы становятся хрупкими. Анализ работ по исследованию старения битумов показывает отсутствие единства мнений.

Так, например,некоторые авторы считают асфальтены наиболее устойчивыми к окислению, а подавляющее большинство авторов относят смолы и асфальтены к наименее устойчивым компонентам. Этот вывод подтверждается тем положением, что высокомолекулярные соединения в битуме содержат больше ненасыщенных связей, обусловливающих их повышенную окисляемость.

Существует мнение, что на устойчивость к окислению влияет соотношение асфальтенов,смол и масел и, в частности,повышенное содержание ароматических углеводородов способствует пептизации и растворению асфальтенов,повышает устойчивость битума. В последнее время проведен ряд исследований по повышению устойчивости битумов,путем введения специальных замедлителей -ингибиоров.

Минеральные порошки изталька, сланца, доломита, слюды, диабаза, извести, известняков адсорбируют на своей поверхности соединения битума с активными функциональными группами,понижают запас их химической энергии, а следовательно,снижают склонность к старению. Некоторые порошки,содержащие полуторные окислы Fe₂O₃ и Al₂O₃,оказывают катализирующее воздействие и способствуют старению.

Замедляющее действие на старение оказывают соли олеиновой, нафтеновой стеариновой и других жирных кислот в количестве 0,05-0,5 %. Положительное влия­ние оказывают антиокислители фентиази­на, дефиниламина, гидрохинона. Содержа­ние серы -0,07 %, танина -0,2 %, нафтола -0,1 %, сульфаниламида -0,01 %, полиэфир­ной ненасыщеннои смолы- 3 … 5,5 %, винил­пиридина до 1,5 %, кумароновой смолы до 10 % оказывает замедляющее дейст­вие на старение битума.

Для повышения структурной стабильности битума особен­но в химически активных средах (кис­лых и щелочных), рекомендуется приме­нять регенераты бутилкаучуковых отхо­дов шинной промышленности в коли­честве 6 … 10 %. Эта добавка является комплексной, так как, помимо замедле­ния старения, она оказывает пластифи­цирующее действие: расширяет интервалпластичности как в области положитель­ных, так и в области отрицательных тем­ператур.

Анализ работ по изучению процес­сов старения битумных материалов и ме­тодов повышения их пoг одоустойчивости показывает что в виду непостоянства сос­тава битумов (содержание реакционно­-активных соединений) в настоящее время нет общепринятых методов повышения их стабильности и для отдельных видов битумов надо выбирать соответствующие· методы их стабилизации.

Установлено, что погодоустойчивость зависит от проис­хождения и состава нефти, а также от тех­нологии ее переработки и получения битума. Остаточные битумы более устойчи­вы, чем окисленные, а битумы, получен­ные с добавлением крекинг-остатков, отличаются пониженной устойчивостью к старению.

Битумы из крекинг-остатков, как правило, имеют больше ненасыщенных связей по сравнению с другими битумами. Надо полагать, что интенсивное термичес­кое воздействие на битум в процессе его получения способствует образованию ме­нее устойчивых соединений.

Погодоустойчивость определяется пу­тем длительной экспозиции битума под воздействием атмосферных факторов. Для ускоренного определения погодоус­тойчивости битумов применяется специ­альная установка, воспроизводящая ес­тественные условия работы органических вяжущих в конструкциях (воздействие температуры, ультрафиолетовых лучей, кислорода и влаги) .