Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.11.2018


17.11.2018


17.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


11.11.2018


09.11.2018


05.11.2018


02.11.2018


26.10.2018





Яндекс.Метрика
         » » Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

29.03.2016

Адсорбционная активность битумов определяется содержанием в них поверхностно-активных веществ, а также полярных асфальтенов и характеризуется кислотным числом. Битумы, кислотные числа которых выше 0,7 мгКОН/г, относятся к активным (битумы марок БНД). Большинство битумов (марок BH), применяемых в настоящее время, характеризуются невысокими кислотными числами (0,3-0,7 мгКОН/г) и потому являются неактивными.
Существенное влияние на возможность повышения адсорбционной активности и течения хемосорбционных процессов оказывает тип структуры битумов.
В зависимости от химического состава битумов, свойств и строения молекул их компонентов в битумах образуются определенные структуры, которые изменяются под воздействием различных факторов.
В настоящее время, как отмечается в учебной и научной литературе, не существует единого мнения о структуре органических вяжущих (битумов и дегтей). Применительно к высокомолекулярным соединениям, к которым относятся органические вяжущие, были развиты, в основном, две теории их строения (мицеллярная и макромолекулярная). В рамках этих теорий применительно к битумам разработано значительное количество подходов, характеризующих их структуры.
На начальном этапе исследования привели к созданию теории коллоидной структуры и предположению существования в битуме трех компонентов лиофобной части (асфальтены), окруженной лиофильными защитными телами (смолы), которые вместе образуют мицеллы, суспендированные в масляной среде. Согласно этой теории стабильность системы зависит от поверхностного взаимодействия между мицеллами и масляной средой. По данной теории при растворении вещества растворитель сначала проникает между мицеллами, что приводит к межмицеллярному набуханию. Затем растворитель может проникнуть внутрь мицеллы и раздвинуть ее. Набухшие и потерявшие между собой связь мицеллы в результате теплового движения отрываются друг от друга и переходят в раствор. Мицеллярная теория предполагала в этом представлении гетерогенность и неустойчивость системы.
Коллоидная структура битумов соотносится с тремя типами реологических свойств. К первому типу относят битумы, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона. Как следует из рис. 1.8, для таких битумов с момента наступления деформации скорость течения постоянна и пропорциональна напряжению сдвига. Когда это напряжение снимают, наступает состояние неэластичной упругости. Битумы этого типа представляют собой вязкие неколлоидные жидкости, неэластичные или слабоэластичные золи.
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

Битумы второго типа - это вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига скорость сдвига после начала деформации снижается. Через некоторое время она становится практически постоянной. Когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавливается. Коллоидное состояние битумов этого типа - золь-гель.
У битумов третьего типа при постоянном напряжении сдвига в начале деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается, если приложенное напряжение сдвига больше некоторого определенного значения. После того как напряжение снято, упругость восстанавливается. Битумы этого типа имеют структуру геля.
Коллоидная структура битумов зависит от содержания и природы асфальтобетонов и мальтенов. Структура битума (золь или гель) определяется степенью пептизации асфальтенов и зависит от относительного содержания в битуме ароматических углеводородов с алифатическими цепями различной длины, что в свою очередь определяется происхождением и способом производства битума. Высокое содержание ароматических соединений в мальтеновой части битумов противодействует стремлению молекул асфальтенов к ассоциации в более крупные агрегаты, что приводит к образованию небольших мицелл, и битум в результате находится в состоянии золя. Наоборот, низкое содержание ароматических соединений ведет к образованию крупных агрегатов, и битум находится в состоянии геля.
Показатели реологических свойств битумов трех типов приведены ниже:
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

По классическим представлениям мицелла имеет строение концентрически расположенных сферических слоев. В центре находятся полярные молекулы асфальтенов, сольватированные смолами. Внешние оболочки составляют ароматические соединения с уменьшающейся степенью полярности.
Существует и другое понимание строения мицеллы, согласно которому конденсированные ароматические структуры стремятся собираться в «пачки»-листы (гроздья), входящие в состав молекул смол и масел. Участие в образовании «пачек» молекул смол и ароматической части масел обуславливает образование мицелл.
Механизм стабилизации коллоидной системы связывается с тремя факторами:
1) с образованием на поверхности частиц двойного электрического слоя, обуславливающего возникновение энергетического барьера, который препятствует сближению частиц на расстояние, где действуют интенсивные молекулярные силы притяжения (теория устойчивости коллоидных растворов Б.В. Дерягина и Л.Д. Ландау);
2) с образованием на поверхности частиц достаточно мощного сольватного слоя из молекул среды; эта сольватная оболочка исключает слипание частиц при соударении как в результате упругих свойств, так и вследствие того, что на границе сольватного слоя и свободной среды отсутствует сколько-нибудь заметное поверхностное натяжение;
3) с образованием на поверхности частиц адсорбционной оболочки, обладающей структурной вязкостью при малых градиентах скорости и представляющей собой структурно-механический барьер (положение, разработанное А.А. Ребиндером).
Следует обратить внимание на то, что в настоящее время мицеллярная теория потеряла свое значение и сами авторы от нее отказались. Однако отголоски этой теории еще встречаются до сих пор как в научной, так и в учебной литературе. Ряд исследователей до настоящего времени описывают битумы как мицеллярную систему из асфальтенов, окруженных смолами в масляной среде.
По современным представлениям все дорожные и строительные битумы следует рассматривать как растворы высокомолекулярных соединений нефтяного происхождения - асфальтенов и близких к ним по структуре и свойствам смол (твердых смол) в среде из нефтяных масел и близких к ним по структуре смол (плавких смол).
В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соединений (ВМС) в зависимости от внешних условий (температуры, давления) битумы могут находиться в различных термодинамических состояниях, проходя последовательно все стадии от истинных растворов (при высоких технологических температурах) к коллоидным растворам надмолекулярных структур (ассоциатов) асфальтенов и смол до пластичных, а затем твердых тел. При температуре ниже температуры размягчения происходит развитие процессов ассоциации структурных единиц, образование структур переходного типа, возникновение структур с высокой степенью надмолекулярных образований (ассоциатов). При этом формируется структура пластичного аморфного типа. При температуре ниже температуры хрупкости битумы представляют собой твердое тело, где наряду с аморфными веществами в стеклообразной метастабильной форме могут присутствовать кристаллические вещества, а также некоторое количество веществ (масел и низкоплавких смол), еще не потерявших пластичность. Данные процессы изменения структурных состояний битумов термодинамически обратимы и для каждого битума происходят в определенных температурных пределах.
При переходе из жидкого (вязкого) состояния в пластичное и далее в твердое вследствие развития процессов структурообразования, роста надмолекулярных структур (ассоциатов) наблюдается увеличение степени отклонения от ньютоновского типа течения (битумы, содержащие небольшое количество асфальтенов с относительно низкой молекулярной массой, имеют неупорядоченную структуру, характерную для ньютоновской жидкости).
Таким образом, тип структуры зависит от термодинамического состояния битума, изменяется при изменении внешних условий, определяет особенности реологического поведения материала и границы перехода от жидкого состояния в пластичное и затем в твердое. Установлено, что структура битумов в большей степени зависит от их химического состава, что взаимосвязано с содержанием и природой асфальтенов и мальтенов.
Структурную характеристику битумов можно выразить коэффициентом дисперсности по Тракслеру Кд:
Кд = (Ссм + Сц)/(Са + Сн),

где Ссм, Сц, Cа, Cн - содержание смол, циклических соединений (преимущественно ароматических), асфальтенов и насыщенных соединений (преимущественно нафтеновых) соответственно, % (масс.).
Структурную характеристику битумов в ряде работ выражают показателем дисперсности, представляющим отношение массового процентного содержания составляющих
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

где С - смолы; Ц - циклические углеводороды; А - асфальтены; H - насыщенные углеводороды.
Если количество асфальтенов и насыщенных соединений избыточно, то показатель дисперсности низкий (0,49-0,55), битум плохо диспергирован. Если смолы и циклические соединения преобладают, значения показателя дисперсности высокие, битум обладает малой внутренней структурой. В табл. 1.2 приведены показатели дисперсности вязких битумов.
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

Характеристику Д определяют только количественные значения составляющих. Более близкое решение задачи выражения связи структуры с составом битумов даётся в формуле, где структурная характеристика битума определяется отношением
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

Указанные зависимости не могут в полной мере установить связь химического состава и структуры битумов. Материал этот, известный еще за 5000 лет до н. э., вследствие сложности состава и структуры только в настоящее время с развитием тончайших методов физического и химического анализов поддается более глубокому изучению.
В практических целях весьма удобен подход А.С. Колбановской к структуре битума, который осуществлен с учетом группового (химического) состава (табл. 1.3).
Адсорбционная активность и структура нефтяных битумов

Битумы I и III структурных типов, имеющие коагуляционную структурную сетку из полярных асфальтенов, характеризуются высокими кислотными числами и относятся к активным. Они имеют хорошее сцепление с минеральными материалами основных пород, но неудовлетворительное - с материалами кислых пород. Битумы II типа, в которых отсутствует каркас из асфальтенов, относятся к неактивным и обладают плохим сцеплением со всеми минеральными материалами. Наиболее приемлемыми для дорожных покрытий являются битумы третьего типа. Их физико-химические свойства регламентируются ГОСТ 22245-90 (III тип марки БНД).
Одним из эффективных путей повышения сцепления битумов с минеральными материалами является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). В этом отношении перспективным является применение катионного ПАВ.