Битумы, состав, структура, свойства, методы испытания, стандартные и реологические

Битумы — дисперсные системы, структура которых относится к коагуляционным.
Битумы, по мнению А.С. Колбановской, состоят «из смеси разнообразных высоко-молекулярных соединений нефти, объединенных по величине молекулярного веса и характеру растворимости в селективных растворителях в группы углеводородов, смол и асфальтенов».
Битумы могут быть как остаточными, так и окисленными. В России используются окисленные битумы.
Можно сказать, что битумы относятся к коллоидным дисперсиям. Сложность изучения свойств битумов и процессов структурообразования в них обусловлена тем, что в зависимости от температуры они могут быть отнесены к твердым телам (при отрицательных температурах) и к жидкостям (при положительных температурах) и являются непрозрачными даже в тонких пленках.
В связи с этим мы изучали битумы методом структурной реологии, разработанным академиком П.А. Ребиндером, используя при необходимости принцип моделирования.
Реология — наука о течении. На рис.1 приведены кривые, на основе которых полу-чают реологические характеристики битумов и других упруго-вязко-пластичных материалов.
Как видно из схемы испытания, приведенной на рис. 1а, при простом сдвиге в условиях постоянного напряжения сдвига Р получаем кривую ползучести.
На этой кривой со временем формируется участок с постоянной скоростью ползучести

V = ε/ t.

Частное от деления скорости ползучести на толщину слоя битума (а), позволяет получить значение градиента скорости сдвига = V/a.
При этом предполагается, что скорость сдвига изменяется прямо пропорционально толщине слоя.
При малых и весьма малых , как правило, меньших, чем 1 • 10-6 сек-1, для битумов наблюдается область независимости значения реологических характеристик (ηi и Gmi) от напряжения сдвига Р.
Таким образом, получаем инвариантные, т.е. независимые от условий деформирования, показатели, характеризующие истинную вязкость η0 и упругость Gmo материала.

Рис.1. Реологические характеристики.

Эти параметры и их производные можно считать физически обоснованными имен-но потому, что они не зависят от условий деформирования, в то время как ηi и Gmi — условные характеристики, как и их производные, и могут быть использованы только для сопоставления материалов при одинаковых режимах деформирования.
Стандартные показатели, принятые для регламентирования качества битумов в ГОСТ 22245, также являются условными реологическими характеристиками.
К инвариантным реологическим характеристикам относятся:
наибольшая ньютоновская вязкость η0, инвариантные модули упругости:
равновесный Gm, эластический Gme, условно-мгновенный
Gmo, податливость Jm, период релаксации напряжений mо,
показатель эластичности Ко, статический (шведовский) предел текучести РК1,
динамический (бингамовский) предел текучести РК2
наименьшая пластическая вязкость или наименьшая ньютоновская вязкость
ηm, степень разрушения структуры   

К неинвариантным реологическим характеристикам относятся эффективные вяз-кость ηi и модуль Gmi, и все их производные, а также показатели свойств битумов:

• пенетрация,
• температура размягчения по методу «Кольцо и Шар»,
• дуктильность,
• температура хрупкости по Фраасу.

С помощью реологических характеристик можно не только оценить свойства мате-риала, в частности, битумов и композиций на их основе — вязкость, прочность, упругость, эластичность, пластичность, трещиностойкость, но и исследовать процессы структурооб-разования, установить критические концентрации структурообразования и, как будет показано далее, рассчитать параметры образовавшейся дисперсной структуры.