ОТВЕРДЕВАНИЕ БИТУМОВ И ДЕГТЕЙ

Отвердевание битумов и дегтей как основных органических вя­жущих веществ может происходить в Объемном и пленочном состо­яниях. В объемном состоянии их вязкость повышается с переходом в вязкоупругое состояние в цистернах, котлах, сосудах и других ем­костях; в пленочном происходит постепенное или быстрое структу­рирование органических вяжущих веществ в асфальтовых и дегте­вых бетонах и растворах, в кровельных и гидроизоляционных материалах и изделиях, а также в других ИСК, в которых эти веще­ства выполняют вяжущие функции в пленочном состоянии, форми­руя матричную часть конгломерата.

Основной причиной изменения реологических свойств битума и дегтя в неподвижной емкости служит снижение температуры, что сопряжено с уменьшением интенсивности движения дискретных час­тиц в жидкой среде. В качестве дискретных частиц разной степени плотности выступают: в битумах — асфальтены с адсорбированны­ми асфальтогеновыми кислотами, карбены и карбоиды; в дегтях — частицы свободного углерода с адсорбированными фенольными со­единениями. Жидкой средой у битумов служат истинные растворы смол в маслах; у дегтей — истинный раствор масел различной моле­кулярной массы. Микроскопическую неоднородность обе дисперс­ные системы проявляют в период постепенного охлаждения, локаль­ных сгущений молекул и их ассоциаций с переходом в сравнительно крупные макрочастицы (от 20 до 2000 А). Накопление таких частиц образует самостоятельную дисперсную фазу. И хотя частицы ее еще нельзя обнаружить с помощью обычного микроскопа, но фаза в целом уже обладает реальной и высокоразвитой поверхностью. По­верхность имеет большую энергетическую активность и адсорбци­онную способность, в частности к поглощению из системы поверх­ностно-активных веществ.

Развивается также процесс спонтанного уплотнения частиц при охлаждении битума и дегтя в емкостях с эффектом структурирова­ния. Следует отметить, что такой процесс напоминает образование центров кристаллизации (и вообще центров выделения новой фазы) в растворах неорганических солей. В органических системах жидкая среда является основным носителем потенциальных центров выде­ления новой фазы. При охлаждении она поддерживает непрерыв­ный процесс структурообразования и формирования частиц различ­ной дисперсности и плотности. В их центре сосредоточиваются твердые и лиофильные асфальтены в битумах или частицы свобод­ного углерода в дегтях. При высокой концентрации мицелл возмож­но их непосредственное контактирование с переходом структуры битума в олеогель. Переход структуры битума из типа золь в тип гель может быть не только при понижении температуры, но и при возрастании количества асфальтенов больше 25—30% по массе. Так же влияет содержание парафина в битуме или нафталина в дегте, выделяющиеся кристаллы которых тем крупнее, чем медленнее понижалась температура вяжущих веществ. Битум в состоянии структуры гель представляет собой как бы единую мицеллярную пространственную сетку, в промежутках которой находится иммо­билизованная и свободная жидкие среды. Происходит своеобразная инверсия фаз: жидкая среда становится в этой структуре дискретной фазой, а твердая — континуальной, непрерывной средой. Гелеобразный характер битума проявляется в наличии температурного ин­тервала плавления и синерезиса, в повышенной упругости и элас­тичности.

Аналогичные изменения в структуре происходят при изменении температуры дегтя в емкостях, но только при менее развитой повер­хности частиц твердой фазы. В результате деготь отличается отсут­ствием гелеобразного состояния и меньшей вязкостью, чем битумы. Исключение могут составить сланцевые дегти.

Битум и деготь переходят из объемного в пленочное состояние с помощью порошкообразного или зернистого минерального материа­ла. Исходная вязкость этих вяжущих в пленочном состоянии всегда несколько выше, так как часть пленочного вещества находится в адсорбционно-сольватированном состоянии. С понижением температу­ры возникают центры сосредоточения (микрозародыши) мицелл. Их рост и увеличение концентрации переводит жидкостные пленки в со­стояние повышенной вязкости и к тенденции упорядочения располо­жения молекул и мицелл. Постепенно или быстро пленки становятся вязкоупругими или твердыми. В исследованиях было установлено, что их хрупкость (появление трещин на пленке, нанесенной на повер­хность металлической пластинки, при изгибе) соответствует пример­но температуре, когда вязкость вяжущего вещества (битума) равна 4∙10⁸ Па∙с. Эта температура хрупкости возрастает с увеличением тол­щины пленки, снижением скорости охлаждения, увеличением продолжительности и числа циклов воздействия климатических (атмосфер­ных) факторов. При относительно медленном отвердевании пленок вяжущего вещества возрастают упорядоченность и ориентирован­ность микрочастиц, возможна кристаллизация, например парафино­вых углеводородов в битумах, нафталиновых — в деггях.

При использовании жидких и разжиженных битумов возникает дополнительный процесс испарения легких фракций, что также от­носится к одному из факторов их отвердевания. В эксплуатацион­ный период возможны процессы полимеризации и синерезиса биту­ма или сублимация некоторых фракций дегтя, что также связано с ростом вязкости и вероятностью охрупчивания ИСК₍на основе ор­ганических вяжущих веществ. В результате этих процессов умень­шается содержание жидкой среды, увеличивается количество ориен­тированных моно- и полислоев, снижается фазовое отношение, под которым, как уже отмечалось, условно понимается величина отно­шения массы жидкой среды к массе твердой фазы, что типично и для других вяжущих веществ, выполняющих функции матричной части конгломерата.