Материал: 1167

Скорость затвердевания (схватывания) вяжущего зависит от скорости испарения растворителя (легкого газойля) и легких фракций крекинг остатков. Вязкость вяжущего нарастает постепенно, в основном за счет окисления,

полимеризации, поликонденсации углеводородов и испарения легких фракций. Вяжущее подвергается старению под влиянием окислительной полимеризации при контакте с кислородом воздуха, водой и ультрафиолетовыми лучами. Окислительное старение приводит к увеличению концентрации твердой фазы и возможному охрупчиванию вяжущего. Кроме того, на стадии перемешивания можно вводить добавочные вещества, способствующие торможению окислительных процессов.

В результате всех процессов загустевания вяжущее с течением времени переходит из жидкого в твердое состояние. С затвердеванием вяжущее приобретает достаточно организованную структуру, увеличивает свою вязкость и пластическую прочность, а также возникают и развиваются силы адгезии по границам контакта.

После полного испарения легких фракций из образовавшегося материала вяжущее полностью переходит в пленочное состояние, что способствует повышению стабильности его структуры и свойств.

Расположение поверхностно-активных молекул вяжущего вещества до и после полного испарения на поверхности частиц грунта схематично можно

представить следующим образом (рис 1.1). В зоне 1 молекулы вяжущего расположены беспорядочно. По мере приближения к твердой поверхности грунта (в зоне 2) под действием адсорбционных сил происходит некоторое упорядочение расположения молекул. Такое воздействие твердой поверхности проявляется в тех случаях, когда в материале возможно развитие дисперсной структуры, и структурообразующие компоненты вещества являются поверхностно-активными, т.е. адсорбируются на твердой поверхности. Ориентирующее действие подкладки оказывается достаточно существенным и может простираться на глубину от несколько десятых микрона до десятков микрон. В зоне 3 молекулы вяжущего располагаются строго ориентированно.

Как правило, с уменьшением толщины слоя прочность адгезива возрастает, что объясняется структурирующим влиянием поверхности грунта. При

11

этом гидрофильная поверхность грунта становится гидрофобной, и вода не смачивает эту гидрофобизированную поверхность.

После полного испарения легких фракций вяжущее полностью переходит в

пленочное состояние, что способствуют повышению стабильности его структуры и свойств. В диффузно-сольватированных пленках и слоях появляются и укрупняются (обрастают) агрегаты асфальтенов вокруг возникающих новых кристаллизирующихся компонентов — парафинов, асфальтенов.

Рис. 1.2. Структуры битумогрунта:

а – бесконтактная структура, б – структура с коагуляционными связями, в – каркасная структура, 1 – минеральная частица, 2 – адсорбционная пленка вяжущего, 3 – свободное вяжущее.

В зависимости от структуры вяжущего вещества и его количества могут быть образованы три структуры нефтегрунта (рис. 1.2):

–бесконтактная, частицы грунта в которой разделены прослойками вяжущего бесконтактной структуры, содержащегося в смеси в избытке;

–коагуляционная, частицы грунта которой разделены прослойками вяжущего вещества коагуляционной структуры, содержащегося в смеси в избытке, чем предопределяется вязкопластичный характер всей системы;

–каркасная, с непосредственными контактами между частицами грунта, вяжущее вещество в которой имеет коагуляционную структуру, содержится

вумеренном количестве и заполняет пустоты грунта до требуемой плотности, но не раздвигает частицы грунта.

12

Сформировавшаяся микроструктура вяжущего становится основой, на которой создается конгломератный тип структуры строительного материала. В нем вяжущее образует, как правило, пространственную сетку, состоящую из

пленок, слоев и узлов (в межзерновых порах).

Эффект активного взаимодействия вяжущей части в форме пространственной сетки (каркаса) с заполняющей частью, локального и общего упрочнения гетерогенной системы зависит не только от качества обеих частей, но и от их количественного соотношения.

Вяжущее вещество связывает (склеивает) частицы грунта в монолит. При различии формы состояния поверхности и размеров частиц склеивающие прослойки получаются различной толщины, а следовательно, количество вяжущего на отдельных участках склеиваемых поверхностей частиц будет различным. При этом только незначительная часть вяжущего находится в адсорбционно-сольватном слое и участвует в образовании адгезионных связей, а большая часть вяжущего находится в свободном объемном состоянии, заполняя поры грунта.

Соединение частиц грунта в местах контакта происходит преимущественно благодаря тончайшим прослойкам вяжущего, находящегося в адсорбционном слое.

Когда же в составе смеси имеется вода, которая, обладая высокой поверх-

ностной активностью, адсорбируется на гидрофильной поверхности грунта, образования непосредственной связи между вяжущим и грунтом может не происходить. В этом случае скелет (каркас) грунта в местах контакта в зависимости от его химического состава может быть связан тонкими прослойками воды или вяжущего, или же воды и вяжущего, свободная же вода, как и свободное вяжущее, находится в порах между частицами скелета. Однако вяжущее не только способно хорошо смачивать влажные грунты, но и вытеснять воду с их поверхности, и хорошо прилипает к ним.

Таким образом, процессы формирования микроструктуры органических вяжущих веществ на поверхности грунтов состоят из следующих пяти стадий:

1 – диффузия вяжущего в поры грунта;

2 – физическая адсорбция поверхностью частиц грунта слоя вяжущего;

13

3 – хемосорбционные процессы, протекающие на границе раздела вяжущее — грунт, и формирование при этом новой структуры вяжущего;

4 – испарение жидкой фазы из гудроногрунта и отвердевание вяжущего; 5 – изменение структуры вяжущего в процессе термоокислительного ста-

рения.

Из перечисленных стадий формирования структуры органического вяжущего видно, что наиболее отвечающим цели укрепления грунтов является вяжущее, обладающее в начальный период достаточными смачивающими

иадгезионными к укрепляемым грунтам свойствами, в период протекания стадии 4 – способностью к быстрому формированию когезионных свойств, обладающих высокой сопротивляемостью воздействию автотранспортных

иклиматических нагрузок, а впоследствии – развитию в вяжущем термоокислительных процессов. В этом случае гарантировано образование в укрепленных грунтах наиболее желательного типа структуры – третьего (каркасного).

Получение вяжущего, отвечающего вышеперечисленным требованиям, с относительно невысокой стоимостью, как отмечается в работе [1], возможно путем использования тяжелых продуктов переработки нефти и угля, ПАВ, полимеров и других высокодисперсных наполнителей (т.е. путем получения комплексных органических вяжущих (КОВ)). Одним из перспективных на-

правлений получения КОВ в наше время является использования сырья для производства вязких дорожных битумов (гудрона) и резиновой крошки, полученной путем переработки отработавших шин автотранспортных средств, что дополнительно предполагает снижение экологического риска загрязнения земельных участков отходами промышленности.

Подробно свойства и технология производства КОВ на основе нефтяного гудрона и резиновой крошки рассмотрены в последующих главах учебного пособия.

14

2. РАЗРАБОТКА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЯЖУЩЕГО

НА ОСНОВЕ НЕФТЯНОГО ГУДРОНА

2.1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО

ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ НЕФТЯНОГО ГУДРОНА

Сначала дефицитность, а затем высокая стоимость битума нашли отражение в отказе от толстых слоев покрытий, одно время широко применявшихся при конструировании дорожных одежд. Поскольку тонкие слои покрытия работают в более тяжелых условиях, чем толстые, в битумы (гудрон) вводят добавки для повышения их тепло- и сдвигоустойчивости — резиновую крошку из размельченных старых шин или различного рода полимерные добавки [2].

Из полимерных веществ широко применяют натуральный и синтетический каучук, а также регенерированный каучук. Из синтетических каучуков используется, в основном, хлоропреновый и бутадиен-стирольный каучук в количестве 1-5% (на битум). Каучук вводят в горячий битум (гудрон) в виде порошка для равномерного распределения в битуме [3].

Каучук применяют для улучшения свойств жидких битумов, например, порошок «Рубарит» — смесь хлоропренового каучука (75%) и барита (25%) — добавляют к быстрогустеющему жидкому битуму в количестве 1,5-6% (на

битум).

При введении этого порошка сцепление битума с минеральными материалами повышается, кроме того, достигается экономия до 3% битума.

Для улучшения свойств битума и дегтей в Канаде и Франции используют наряду с каучуками их латексы. Из них наиболее распространен бутадиенстирольный латекс. Для улучшения термостойкости таких смесей рационально введение диспергированной серы — 0,15% (на битум).

Не всегда применение окисленного гудрона (в зависимости от исходного

сырья) сокращает сроки формирования гудрономинеральных материалов. Кроме того, подобные вяжущие имеют в большинстве случаев низкие адгезионные и когезионные свойства.

Повышение когезионных и адгезионных свойств гудрономинеральных материалов играет существенную роль для ускорения формирования структуры,

15