1.1. Современное представление о структуре битумов
Получаемые в нашей стране битумы характеризуются повышенной хрупкостью при отрицательной температуре и малым интервалом пластичности. У лучших марок дорожных битумов интервал пластичности равен 70 °С [99]. Для эксплуатации в районах Сибири рабочий интервал битумов должен быть не менее 100 °С [99]. Следовательно, возникает необходимость в улучшении битумного вяжущего. Для того чтобы выбрать наиболее эффективный способ улучшения качества битумов, важно рассмотреть структуру битумов согласно современным представлениям о ней.
В работах по физико-химической механике П. А. Ребиндера [82] и его школы показано, что все механические свойства и долговечность материала определяются его структурой, а получение высококачественных материалов основывается на создании оптимальной структуры. Как указывает П. А. Ребиндер, под структурой тела понимается пространственная сетка, образованная взаимодействием (сцеплением) друг с другом атомов, ионов, молекул или коллоидных частиц. Такая структура может представлять собой правильную кристаллическую пространственную решетку или хаотический каркас.
Изучению физико-химических методов оценки структуры битума на основе структурно-группового анализа, методов ИК- и УФ-спектроскопии, парамагнитного и ядерного резонансов, а также рентгеноструктурного анализа посвящены работы [35; 51; 84; 85].
Прежде чем перейти к обзору современных представлений о структуре битумов, необходимо хотя бы кратко изложить сведения о химическом составе и структуре их основных компонентов – асфальтенов, смол и масел. Все эти три группы химических соединений присутствуют в битумах и различаются по составу и свойствам. Самой легкой частью являются масла, представляющие собой углеводородную фракцию битумов и содержащие сложную смесь метановых, нафтеновых и ароматических углеводородов со средней молекулярной массой 400 – 600 а.е.м. [85]. Средняя молекула содержит 2,3–3,5 ароматических и 1–3,5 нафтеновых кольца.
Смолы состоят почти исключительно из больших молекул низкомолекулярных углеводородов, преимущественно ароматических, которые соединяются в ассоциаты дипольными силами [85]. При переходе от масел к смолам увеличиваются степени конденсированности и ароматичности, содержание углерода, серы, азота и кислорода. Молекулярная масса смол составляет 800 – 1800 а.е.м. Смолы имеют разную консистенцию – от тягучей липкой массы до твердых аморфных хрупких тел. Они различаются по массе, элементному составу и структуре молекул. Температура их кипения 200–450 °С.
Асфальтены – наиболее полимолекулярная фракция битума [25; 66]. Показано, что основу их молекулярной структуры составляют полициклические ароматические системы, которые формируются в трехмерные надмолекулярные образования (пачки), состоящие из 5–6 пластин. Такие образования во многом определяют физико-химические и реологические свойства битумных материалов [1; 69]. Молекулярная масса асфальтенов составляет 600 – 4000 а.е.м. [92; 31]. Асфальтены и смолы являются структурообразующими компонентами битумов и наиболее полярными соединениями, содержащими в молекулах гетероатомы. Химический состав и строение компонентов битума определяют его структурные характеристики [63; 67].
До сих пор нет единого мнения о структуре битума. Однако большинство исследователей рассматривают его как коллоидную систему. Впервые коллоидная структура битумов была выявлена Нелленштейном и впоследствии изучена Пфайффером и другими исследователями [125]. Ниже коротко представим основные закономерности структурообразования в битуме с позиций физико-химической механики дисперсных структур, разработанной под руководством академика П. А. Ребиндера [82].
Согласно этой теории, первичными элементами коллоидной структуры битумов являются мицеллы с находящимся в углеводородной среде ядром из асфальтенов, стабилизированным адсорбированным слоем смол. Мицеллы взаимодействуют через прослойки дисперсионной среды (масел), создавая неправильной формы пространственную сетку – коагуляционную структуру. Каждая битумная мицелла, образуя узел пространственной сетки, совершает связанные колебательные движения, подобные колебаниям молекул. Если битум содержит достаточное количество смол, необходимых для образования наружных оболочек, асфальтены полностью пептизируются.
