Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1 Взаимодействие минеральных и органических компонентов асфальтобетона 8
1.1.1 Структура асфальтобетона 8
1.1.2 Роль битума в структуре асфальтобетона 12
1.1.3 Влияние природы минеральных материалов на их взаимодействие с битумом 14
1.1.4 Значение дисперсности и пористости минеральных материалов 20
1.1.5 Роль поверхности минеральных материалов в процессах взаимодействия с битумом 22
1.2 Строение поверхности кремнезема и ее адсорбционные свойства по отношению к органическим молекулам 26
1.3 Использование техногенного сырья при производстве асфальтобетона 36
1.4 Теоретические предпосылки исследований 39
2. Характеристика исследуемых материалов и методы исследований 43
2.1 Характеристика материалов, принятых для исследований 43
2.2 Методы исследований 53
2.2.1 Методы исследований свойств применяемых материалов 53
2.2.2 Методы исследований поверхностных свойств минеральных материалов и их взаимодействия с битумом 54
2.2.3 Методы исследований свойств асфальтобетона 59
3. Исследование поверхностных свойств кварцитопесчаника и его взаимодействия с битумом 64
3.1 Исследование поверхностных свойств минеральных материалов 64
3.2 Исследование сцепления битума с кварцитопесчаником 68
3.3 Свойства асфальтовяжущего и процессы струюурообразования в нем 83
Выводы по главе 3 90
4. Исследование свойств асфальтобетона с использованием в качестве минерального материала кварцитопесчаника КМА 92
4.1 Исследование влияния кварцитопесчаника на физико-механические характеристики асфальтобетона 92
4.2 Влияние кварцитопесчаника на коррозионную устойчивость асфальтобетона 104
4.3 Исследование старения битума в асфальтобетоне с использованием кварцитопесчаника 113
Выводы по главе 4 123
5. Производственные испытания и экономическая эффективность применения кварцитопесчаника в асфальтобетоне 125
Общие выводы 133
Список литературы 135
Приложения 154
- Роль битума в структуре асфальтобетона
- Строение поверхности кремнезема и ее адсорбционные свойства по отношению к органическим молекулам
- Методы исследований поверхностных свойств минеральных материалов и их взаимодействия с битумом
- Исследование сцепления битума с кварцитопесчаником
Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение задач развития дорожной отрасли может быть успешно осуществлено на основе научно-технического прогресса, научной организации труда, широкого применения местных строительных материалов и отходов промышленности.
Использование минеральных материалов техногенного происхождения обеспечивает производство дешевым и часто уже подготовленным сырьем, приводит к экономии энергии и т.д. Поскольку объем техногенного сырья велик и постоянно возрастает, его использование становится важнейшей государственной задачей.
Актуальность исследования скальных попутнодобываемых пород горнорудного производства Курской магнитной аномалии (КМА) с целью использования их в качестве сырья для изготовления асфальтобетона определяется отсутствием в Центрально-Черноземном экономическом регионе собственной сырьевой базы каменных материалов.
Постоянно растущие требования к повышению качества дорожных покрытий ставят задачи более глубокого и всестороннего исследования свойств асфальтобетонных смесей и факторов, определяющих долговечность асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог. Это особенно важно при использовании в асфальтобетонных смесях новых разновидностей минеральных материалов, обладающих рядом особенностей в сравнении с традиционными минеральными компонентами асфальтобетона, К числу таких материалов относятся кварцитопесчаники, которые в больших объемах попадают в зону горных работ при добыче полезных ископаемых на месторождениях Курской магнитной аномалии.
Из опыта строительства автомобильных дорог известно
применение в производстве асфальтобетонных смесей этих
нетрадиционных минеральных материалов, однако исследования
і взаимодействия их поверхности с битумом и научного обоснования
возможности использования не проводилось.
Работа выполнена в рамках НТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", шифр 02.01.138.
Цели и задачи исследований. Цель работы - разработка эффективных асфальтобетонов на основе техногенного сырья для покрытий автомобильных дорог.
1 ТосіІІацйональиая і
І С.П«т*рЬ»г ыА
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование поверхностных свойств кварцитопесчаника и характера взаимодействия на границе раздела фаз «битум - поверхность минерального материала», как фактора, определяющего основные свойства асфальтобетона;
разработка состава эффективного асфальтобетона, отличающегося высокими физико-механическими характеристиками и долговечностью;
подготовка нормативно-технической документации для внедрения в производство результатов работы;
апробация результатов лабораторных исследований в промышленных условиях.
Научная новизна. Показано, что решающее влияние на взаимодействие с битумом оказывают не только химический и минералогический составы минеральных компонентов, но и количество активных адсорбционных центров на их поверхности, определяющих взаимодействие в контактной зоне.
Установлен преимущественно хемосорбционный характер взаимодействия кварцитопесчаника с органическим вяжущим, обусловленный наличием большого количества основных бренстедовских центров на его поверхности, что обеспечивает хорошее сцепление на границе раздела битум - кварцитопесчаник, несмотря на кислую природу последнего, и позволяет получить органоминеральный композит с высокими физико-механическими свойствами.
Доказано, что за счет активного взаимодействия поверхности кварцитопесчаника с битумом, приводящего к ингибированию окислительно-полимеризационных процессов, происходит замедление интенсивности процессов старения битума в асфальтобетоне. Это способствует повышению его долговечности.
Практическая ценность. Разработаны составы эффективного v.
асфальтобетона на основе щебня, песка и минерального порошка из вмещающих пород метаморфогенного происхождения, отличающихся дефектностью структуры и наличием большого количества активных адсорбционных центров.
Предложены составы плотного асфальтобетона типов Б и Г марки II с использованием кварцитопесчаника для III-IV дорожно-климатических зон.
Для широкомасштабного использования нового нетрадиционного сырья в производстве асфальтобетона разработаны нормативные документы: _ технические условия и технологический регламент по
применению щебня и отсева дробления из кварцитопесчаника в асфальтобетонных смесях.
Применение кварцитопесчаника в асфальтобетоне позволяет расширить номенклатуру минеральных материалов, используемых для приготовления асфальтобетонных смесей, и обеспечить более широкое использование техногенного сырья в дорожном строительстве, что обусловливает снижение затрат на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог в регионе КМА.
Реализация работы. Результаты работы внедрены при строительстве и ремонте автомобильных дорог в Белгородской области. На автомобильных дорогах «Белгород - Ахтырка», «Юго-восточный обход города Белгорода», в покрытии которых использован асфальтобетон на минеральных материалах из кварцитопесчаника, выделены опытные участки, за которыми ведутся систематические наблюдения.
Общая протяженность построенных опытных участков - 2700 м, при этом экономическая эффективность составила 136 тыс.руб./км.
Научные разработки диссертации использованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 291000.
Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, представлены на Международной научно-практической конференции "Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века" г. Белгород, 2000г; Международной интернет - конференции "Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков" г. Белгород, 2002г; Всероссийской научно-технической конференции "Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог" г. Краснодар, 2002г; Международной научно-практической конференции "Строительство 2003" г. Ростов-иа-Дону, 2003г; Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" г. Белгород, 2003г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений и содержит 153 страницы основного машинописного текста, 19 рисунков и фотографий, 21 таблицу, библиографический список, включающий 188 наименований.
Роль битума в структуре асфальтобетона
Прочность и долговечность дорожных покрытий определяется в основном свойствами тонких слоев битума на поверхности каменного материала, на которые в свою очередь, влияют процессы, происходящие при взаимодействии битума с минеральными материалами. [18-20]. От свойств и количества битума, находящегося в составе битумоминерального материала, во многом зависят прочность, водоустойчивость, морозоустойчивость и устойчивость против старения дорожного покрытия [21-22]. В случаях, когда между зёрнами, покрытыми структурированными оболочками, находятся прослойки свободного битума, сцепление между зёрнами обусловлено не свойствами структурированного, а свойствами объёмного битума, который имеет меньшую вязкость и прочность.
Для повышения прочности дорожного покрытия, построенного из битумоминерального материала, необходимо, чтобы максимальное количество битума было адсорбировано минеральным материалом, а содержание свободного битума сведено к минимальному значению. Однако для обеспечения требуемой деформативности битумоминерального материала, а также водоустойчивости необходимо иметь в его составе определённое количество свободного битума. В работах И.А. Рыбьева, М.И. Волкова, И.М. Борща, Н.В. Горелышева, В.М. Смирнова [9, 23-26] установлено, что при определенном соотношении битум - минеральный порошок достигается наивысшая прочность структурированной дисперсной системы, образуемой этими материалами, резко уменьшается толщина битумных слоев на поверхности минеральных частиц, что приводит к высокой степени структурирования битума, а следовательно, и к упрочнению контактов между зернами.
По современным физико-химическим представлениям битумы являются сложными олеофильными коллоидными системами, в которых роль ПАВ наряду с асфальтогеновыми кислотами и их ангидридами выполняют смолы, дисперсионной средой служат масла, а дисперсной фазой в основном асфальтены различного характера, набухшие в смолисто-масляной среде [27-28].
Битум, обладающий хорошими адгезионными свойствами - активный имеет либо коагуляционную структурную сетку из полярных асфальтенов, либо при надмолекулярной структуре содержит достаточно большое количество поверхностно-активных веществ, либо имеет в своем составе много ненасыщенных соединений. Битумы инактивные, имеющие надмолекулярную структуру, а также битумы с высоким содержанием парафина, как правило, не дают прочного сцепления ни с одним минеральным материалом [29].
Исследование структуры асфальтенов с помощью рентгеноструктурного анализа показало, что им присуща слабо выраженная кристалличность [30]. Эти кристаллоподобные образования окружены химически инертной масляной оболочкой, не дающей проявиться энергетической способности химически активных функциональных групп, входящих в состав смолисто-асфальтеновых комплексов. Так, масла в составе битума выполняют охранную функцию против его старения: процесс полимеризации битума "замораживается" с увеличением содержания масел [31-32]. Установлено [33], что в асфальтенах, кроме реакционных функциональных групп, имеются стабильные радикалы, которые способны активно вступать в реакции лишь при отсутствии закрывающей их масляной оболочки. Следовательно, наиболее химически активные компоненты битума находятся в смолисто-асфальтеновых образованиях, реакционная способность которых блокирована инертной масляной оболочкой. В связи с этим адгезионная способность битума обычно не реализуется полностью при взаимодействии его с минеральными материалами. Используется лишь часть реакционно-химического потенциала асфальтогеновых кислот и их ангидридов [34-35], которые хорошо взаимодействуют с минеральными материалами из основных горных пород и индифферентны по отношению к кремнеземсодержащим (кислым) горным породам.
Свойства битума необходимо рассматривать в сочетании со свойствами минеральных материалов, на поверхности которых он распределён тонкой плёнкой [36-37]. В свою очередь, исследования свойств битумоминерального материала должны проводиться с учётом конструкции дорожной одежды, а также её работы в условиях воздействия автомобильного движения, различных факторов погоды и климата.
Воздействие поверхности минерального материала может распространяться на определённую толщину плёнки битума, что, в свою очередь, зависит от природы минерального материала, химического состава и структуры битума и, прежде всего, от содержания в нём поверхностно-активных веществ.
Строение поверхности кремнезема и ее адсорбционные свойства по отношению к органическим молекулам
Кремнезем (SiCb) широко распространен в природе в виде кристаллической модификации ((3-кварц), являющейся также составной частью горных пород. Содержание р-кварца в некоторых полиминеральных породах (например, граните) составляет 25% и более, а в осадочных (кварцевых песках) и метаморфических (кварците) доходит до 100% [5]. Кремнезем наиболее устойчивое соединение кремния с кислородом, что обусловлено высокой прочностью связи Si-О. В свободном виде и в различных соединениях он широко используется для получения технических материалов.
Как указывал еще Д.И. Менделеев, "... в безводном кремнеземе ... находится не SiC 2, а сложная частица Sin02n т.е. строение кремнезема есть полимерное, сложное, а не простое, как это выражает его эмпирическая формула SiCb" [79]. В процессе полимеризации [80] образуется молекула полимера (SiC 2)n, плоская условная структура которой показана на рис. 1.1,а . Полимерную молекулу можно представить в виде [11]: (..._0-Si-0_...)„ Однако чаще ее показывают упрощенной формулой БіОг. В структуре кремнезема обычно выделяют основную структурную единицу - кремнекислородный тетраэдр, любая вершина которого представляет собой ион кислорода, общий с вершиной одного соседнего тетраэдра. Таким образом, кремнекислородный тетраэдр состоит из одного атома кремния и четырех атомов кислорода, которые имеют по одной ненасыщенной связи ((SiC )4"), Каркасная решетка Р-кварца состоит из винтообразных цепочек (спиралей) тетраэдров, повторяющихся многократно. В молекуле SiC 2 все связи внутренних и наружных атомов скомпенсированы. Поэтому молекула химически инертна [39].
Кремнезем как объект исследования представляет наибольший практический интерес в виде Р-кварца, то есть в виде минеральных материалов, в составе которых SiC 2 является доминирующим, например, кварцитопесчаников, где содержание SiC 2 достигает 95%. Рис. 1.1 Структура кремнезема: а) - монокристалл БіОг; б) - разрушенный кристалл SiCb (волнистой линией показаны границы разрушения). По мнению большинства исследователей [1, 5, 14, 29, 81], кремнезем недостаточно активно взаимодействует с органическими вяжущими материалами. В классификационной шкале [35], характеризующей прочность сцепления каменных материалов с битумом, кварц занимает предпоследнее место.
Согласно классификации, приведенной в [65], минеральные материалы из кислых горных пород (кварц, гранит и др.) относят к материалам с высоким отрицательньным потенциалом и значительным количеством адсорбционных центров на поверхности в виде ионов кислорода 0" . При этом поверхность не имеет равномерной электрозарядной структуры.
При определенных механических и термических воздействиях в молекуле SiC 2 происходит разрыв связей Si-O и они становятся ненасыщенными (рис. 1.1,6). Это наблюдается, например, при помоле, поверхностном обдире кварцевого песка или его нагреве до температур 600-900С, когда появляются температурные микротрещины и образуются "свежие", так называемые "ювенильные", поверхности. При деформациях молекулы SiC 2 (ее разрыве) кремнекислородный тетраэдр разделяется на части. Для ювенильных поверхностей характерна повышенная свободная энергия в связи с присутствием на них атомов с разорванными связями (активных центров): -О1"; =Si1+; =Si2+; -Si3+. Ювенильная поверхность частиц кремнезема имеет преимущественно отрицательный заряд, поскольку атом кремния расположен в центре кремнекислородного тетраэдра, на наружной ювенильной поверхности находятся только высокоактивные атомы О1". Однако через некоторое время их активность снижается вследствие адсорбции на ювенильной поверхности атомов и молекул веществ, содержащихся в окружающей среде. При этом разорванные связи атомов кремния также энергетически компенсируются.
Таким образом, в указанных процессах особую роль в энергетических взаимодействиях выполняет поверхностный слой частиц кремнезема. Его структура может быть различной и отличается сложностью. На рисунке 1.2 показаны известные разновидности этого слоя [82-83]. Характерной особенностью гидроксилированной поверхности частицы кремнезема является то, что она легко адсорбирует молекулы воды благодаря способности атомов кислорода и водорода воды образовывать водородные связи с гидроксильными группами.
Молекулы воды адсорбируются на одиночных (свободных) SiOH-группах, а также смежных SiOH-группах (рис.1.2,е). Это наиболее стабильный вид адсорбции воды, молекулы которой имеют сильную электронно-донорную способность. Группы SiOH являются активными центрами. Поэтому высокая концентрация этих групп на поверхности частиц кремнезема весьма желательна при его химической активации.
На поверхности частиц кремнезема могут находиться различные пленочные примеси, которые содержат оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, сульфиды и др. При этом часть ионов водорода ОН-групп может быть замещена ионам Na1+, К1+, Са2+ и другими (рис.1.2,ж).
Структура поверхности слоя частицы кремнезема может принимать аморфную форму (рис. 1.3), например, при тонком измельчении песка или при обдире поверхностного слоя зерен. В структуре аморфного слоя кремнезема нет дальнего порядка, как и во всех аморфных телах. Такой слой характеризуется повышенной химической активностью.
Методы исследований поверхностных свойств минеральных материалов и их взаимодействия с битумом
Щебень из кварцитопесчаника и гранита испытывали в соответствии с требованиями ГОСТ 8267-93 "Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ" и ГОСТ 8296.0-97 "Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний".
Отсевы дробления кварцитопесчаника и гранита, а также природный кварцевый песок подвергали испытаниям, предусмотренным ГОСТ 8736-93 "Песок для строительных работ. Технические условия" и ГОСТ 8735-80 "Песок для строительных работ. Методы испытаний ".
Фазовый состав исследуемых минеральных материалов изучали с помощью рентгенофазового анализа [154-156], проводимого на дифрактометре ДРОН-ЗН. Сущность рентгеновского метода анализа заключается в изучении дифракционной картины, получаемой при отражении рентгеновских лучей атомными плоскостями в структуре кристаллов. Определение количества какой-либо фазы в многофазных композициях основано на том, что интенсивность дифракционных отражений фазы пропорциональна объемной доле данной фазы в смеси. Анализ основан на количественном сравнении интенсивности линий разных фаз друг с другом или с интенсивностью линии эталона, снимаемого в тех же условиях. Минеральный порошок испытывали в соответствии с ГОСТ 16557-78 "Порошок минеральный для асфальтобетонных смесей. Технические условия" Важнейшим элементом структурообразования в асфальтовом бетоне является взаимодействие минеральных и вяжущих материалов, во многом определяющее основные эксплуатационные свойства асфальтобетонных покрытий: прочность, деформативность, коррозионную устойчивость.
Интенсивность такого взаимодействия определяется свойствами поверхности раздела и активностью действия молекулярных сил притяжения. При этом происходят следующие процессы: физическая адсорбция битума поверхностью минерального материала, хемосорбция, избирательная фильтрация компонентов битумам в минеральный материал.
Для исследования поверхности минеральных материалов, используемых в асфальтобетонной смеси, в работе впервые применен метод определения распределения центров адсорбции (РЦА), который является одним из наиболее информативных при оценке активности поверхности [152].
В спектрофотометрическом варианте (по А.П. Нечипоренко) этот метод, основанный на изменении окраски раствора при адсорбции индикатора на активных центрах поверхности твердого тела, позволяет охарактеризовать наличие активных центров определенного типа по показателю кислотности рКа и оценить их содержание, представляя в итоге так называемый спектр РЦА. Характер процессов на границе "поверхность минерального материала — битум" изучали по степени адгезии битума к каменным материалам и по влиянию химического состава и свойств поверхности минерального порошка на свойства асфальтовяжущего. Влияние поверхности кварцитопесчаника на процессы взаимодействия минеральных материалов с битумом изучали по величине адсорбции минеральными порошками битума из бензольных растворов различных концентраций, а также по величине десорбции из них битума. Количество битума, химически связанного с поверхностью минерального порошка, определяли по разности величины адсорбции и десорбции адсорбированного битума. По количеству битума, оставшегося на поверхности минеральных частиц после десорбции, можно судить об активности минеральной поверхности. Показатели адсорбции и десорбции наглядно характеризуют активность процессов взаимодействия минеральных материалов с вяжущим. Величину адсорбции минеральными порошками битума из бензольных растворов определяли по следующей методике: В стеклянные колбы с притертыми пробками емкостью 200 мл помещали навески по 10 г испытуемых порошков, которые заливали 100 см бензольных растворов принятых концентраций и встряхивали на специальной установке в течение одного часа. Растворы битума готовились на химически чистом неполярном бензоле 3-х различных концентраций: 1 г/литр, 3 г/литр, 6 г/литр. После встряхивания колбы с содержимым оставляли в покое на 24 часа, затем из каждой колбы отбирали часть раствора и центрифугировали до полного оседания частиц порошка. Из центрифугированных растворов отбирали пробы для которых определяли концентрацию битума с помощью фотометра марки КФК - 3. Величину адсорбции вычисляли по формуле: _ (С, -С2)V мг красителя (") л\ т г материала где Cj - исходная концентрация, мг/мл; С2 - равновесная концентрация, мг/мл; V - объем раствора, мл; т - навеска материала, г. Количество битума, химически связанного с поверхностью порошков, определяли по разности величин адсорбции и десорбции адсорбированного битума. Десорбцию производили в аппарате Сокслета чистым бензолом до полного осветления растворителя. О химическом взаимодействии минеральной поверхности и вяжущего судили по количеству битума оставшегося на поверхности минеральных частиц после десорбции. Метод определения адсорбции битума на поверхности минерального материала дает представление о процессах взаимодействия, протекающих на их общей границе раздела, однако не характеризуют сцепление между битумом и минеральным материалом в сложных природных условиях, например, при воздействии воды. Поэтому были определены показатели сцепления битума с поверхностью минеральных материалов по адсорбции красителя — метиленового голубого по методу А.С. Колбановской [14, 48], и весовым методом. Для определения адсорбции красителя навеску материала помещали в стеклянную коническую колбу, заливали раствором красителя и встряхивали на встряхивающем столике ЭКРОС - 6410м.
Раствор отделяли от минерального материала центрифугированием и с помощью фотометра КФК-3 определяли его равновесную концентрацию. Затем, по адсорбции красителя метиленового голубого определяли начальную поверхность, покрытую битумом, и поверхность, покрытую битумом после выдерживания образцов в кипящей воде в течение 30 мин.
Исследование сцепления битума с кварцитопесчаником
Интенсивность и характер взаимодействия битума с поверхностью минерального материала зависит от структуры и химико-минералогического состава последнего, а также условий, при которых происходит адсорбция -температуры и кинетики взаимодействия. Адгезия битума к минеральному материалу обусловлена целым рядом причин: пористостью, дисперсностью, шероховатостью поверхности частиц и т.д. Но в большей степени прочность прилипания пленки битума к минеральной поверхности зависит от характера возникающих связей [1, 68, 97], которые определяются активностью битума и природой минерального материала. П. А. Ребиндер [162] установил, что прочное сцепление минерального материала и высокомолекулярного вещества достигается при химическом взаимодействии между ними, сопровождающимися образованием на минеральной поверхности нерастворимых хемосорбционных соединений.
Необходимое условие сцепления минерального материала и вяжущего -способность вяжущего смачивать данный минеральный материал. Смачивание в какой-то степени является первым актом избирательной адсорбции и хемосорбции отдельных компонентов битума поверхностью минеральных материалов. Смачивание вызывает на поверхности твердого тела ряд других процессов, в первую очередь, увеличение концентрации наиболее полярных молекул жидкости. На смоченной поверхностности минерального материала происходит процесс избирательной адсорбции отдельных компонентов, входящих в состав вяжущего, в первую очередь, поверхностно-активных веществ.
Переход жидкого битума в твердое состояние стабилизирует адсорбированные и ориентированные молекулы, которые создают пограничный слой, играющий в пленках битума на поверхности минерального материала исключительно важную роль. Адсорбированные молекулы пограничного слоя, являясь промежуточным звеном между поверхностью твердого тела и всей массой твердой пленки, связаны с молекулами последней силами межмолекулярного сцепления. Таким образом, смачивание теснейшим образом связано с адгезией твердой пленки того же битума [98].
При достаточно хорошем сцеплении невозможно отделить вяжущий материал от минерального при помощи механического усилия. Разрыв будет происходить в массе вяжущего вследствие того, что внутреннее сцепление (когезия) в вяжущем имеет меньшую прочность, чем прочность контакта (адгезия). Если сцепление битума с поверхностью минерального материала слабое, битумная пленка под воздействием воды может сместиться с поверхности частиц. За неимением прямого метода оценки прочности сцепления битумной пленки с поверхностью минерального материала, для дисперсных материалов разработаны косвенные методы оценки этой прочности. Одним из широко применяемых косвенных методов является использование адсорбционных свойств минеральных материалов в отношении битумов. Для определения влияния поверхностных свойств минеральных материалов на процессы взаимодействия их с битумом и для установления различия в характере сорбционных процессов определялись максимальная величина сорбции битума из бензольных растворов минеральными порошками и десорбция бензолом, сорбированного ими органического материала фотоколориметрическим методом.
Для исследований был принят битум БНД 60/90 и четыре вида минеральных порошков: из кварцитопесчаника Лебединского месторождения, из природного кварцевого песка, из гранита и молотого известняка. Все исследуемые порошки имели, примерно, одинаковую удельную поверхность — около 3500 см /г. Величины адсорбции и десорбции битумов исследуемыми порошками представлены на рис.3.3. Полученные результаты адсорбции наглядно характеризуют активность процессов взаимодействия битума с различными порошками. Различие в адсорбционной способности минеральных порошков по отношению к вяжущему объясняется разным характером происходящих адсорбционных процессов. Высокая адсорбционная способность известнякового минерального порошка объясняется химическим взаимодействием, вследствие высокого содержания в нем карбоната кальция (СаСОз), так как наличие хемосорбционных процессов между битумом и минеральным материалом обусловливает более высокое сцепление адсорбционной пленки его с поверхностью минерального материала, чем в том случае, когда имеют место процессы лишь физической адсорбции [163].
Исследование десорбции битума показало, что часть битума отслаивается растворителем. Это указывает на то, что предельно насыщенный адсорбционный слой битума на поверхности минеральных порошков состоит из прочно, химически и обратимо, физически связного битума. Наиболее высокие величины десорбции наблюдаются при взаимодействии битума с кислыми минеральными материалами. Результаты исследований показывают, что адсорбционный слой битума с поверхности кварцевого песка почти полностью десорбируется. При взаимодействии с кварцитопесчаником значительная часть адсорбированного битума остается на поверхности. Так, на поверхности кварцитопесчаника после десорбции битума бензолом осталось 61% первоначально адсорбированного вяжущего, а на поверхности кварцевого песка - 28%. Поэтому полученные результаты, показывающие неполную десорбцию, можно, в определенной степени, отнести за счет происходящих между органическими и минеральными материалами хемосорбционных процессов, в результате чего образуются устойчивые связи. Таким образом, результаты исследований адсорбции и десорбции битума на поверхности минеральных материалов показывают, что из всех исследуемых минеральных порошков, имеющих кислую природу, наиболее интенсивно взаимодействует с битумом кварцитопесчаник, по сравнению с гранитом и кварцевым песком. Данные по десорбции показывают возможность образования хемосорбционных связей битума с поверхностью кварцитопесчаника. Известно [76], что основными группами соединений, входящих в состав битума, являются асфальтены, смолы и масла. В соответствии с современными представлениями асфальтены — полициклические конденсированные ароматические структуры, включающие гетероциклы преимущественно с серой и азотом, с боковыми заместителями в виде предельных алифатических цепей и нафтеновых колец, и функциональные полярные группы с кислородным атомом. В состав смолистых веществ битумов входят комплексные соединения фенолов и азотистых оснований, соединения с ароматическими радикалами и длинными алкильными цепями, с ароматическими, нафтено-ароматическими радикалами с короткими алкильными цепями. В циклической части смол могут содержаться нафтеновые кольца, азот, сера.
