Битум как коллоидная система

Битумное вяжущее не является истинным раствором, но считается коллоидной или мицеллярной системой. Нелленштейн (70) первый распознал его коллоидную природу, установив, что для него характерно рассеивание мицелл в масляной среде. Относительные количества и свойства асфальтенов, смол и масел, присутствующих в битумном вяжущем оказывают влияние на физические свойства и рабочие характеристики HMA. Вследствие этого асфальт действует как «золь», «золь-гель» или «гель».

«Золь»: «Золь» битумных вяжущих служит типичным примером системы, в которой смолы удерживают асфальтены в высоко «пептизированной» (или дисперсной) форме в масляной фазе. «Золь» битумных вяжущих обладает свойствами ньютоновской жидкости. Ростлер (71) установил, что именно азотистые основания сообщают свойства «золя» асфальтовому вяжущему.

«Золь-гель»: Это промежуточная форма между золем и гелем.

 «Гель»: «Гель» битумных вяжущих служит типичным примером системы, в которой смолы плохо «пептизируют» асфальтены. Избыточное содержание парафинов по отношению к азотистым основаниям снижает растворимость, сообщает свойства «геля», и предполагает прогрессирующее разделение диспергируемой и диспергирующей фаз (71). «Гель» битумного вяжущего имеет свойства неньютоновкой жидкости.

Степень, до которой битумное вяжущее действует как «золь» или как «гель» влияет на его реологические свойства, параметры старения и эксплуатационные характеристики смесей HMA.

Именно совместимость и взаимосвязь различных компонентов в гомогенной смеси определяет общий характер изменения свойств битумного вяжущего, а не количественный показатель какого-либо одного компонента, как предполагает Петерсен (68). Разные компоненты битумного вяжущего взаимодействуют между собой и образуют уравновешенную или совместимую систему, которая сообщает битумному вяжущему уникальные вязкоупругие свойства вяжущего вещества. Уже давно высказывались предположения о том, что наличие совместимости или ее отсутствие имеет отношение к качественным характеристикам битума. Капельная проба Олиенсиса (72) была попыткой определить «стабильность» компонентов битума при растворении в растворителях. Многие агентства утвердили капельную пробу Олиенсиса в качестве стандартного испытания на однородность битумных вяжущих и, следовательно, в качестве показателя износоустойчивости материала в процессе эксплуатации. Однако, Хейтаус и Финк (73) продемонстрировали, что капельная проба не позволяет провести различия между «хорошим» и «плохим» битумным вяжущим. Эта проба была полезна, когда ее только начали применять, поскольку она помогала идентифицировать некоторые недолговечные битумные вяжущие, полученные при крекинге в процессе переработки нефти.

Аналитические процедуры

Наиболее часто применяеменятся следующие два методов фракционирования: (1) метод химической преципитации Стернберга и (2) метод избирательной адсорбции-десорбции (хроматографии) Корбетта. Однако, во всех случаях «общие» фракции представляют собой сложные смеси, в которых химические виды не определяются. Поэтому одна и та же общая фракция из разных битумных вяжущих может по разному влиять на физические свойства.

Метод химического осаждения. Этот метод является чисто аналитическим; физического разделения компонентов битумного  вяжущего не происходит. На рисунке 2-56 приводится схема данного метода, разработанного Ростлером и Стернбергом (74, 75), которые попытались идентифицировать и провести количественный анализ пяти компонентов битумного вяжущего. Чтобы определить количество четырех классов молекул (компонентов) присутствующих в мальтенах, асфальтены, по существу, разделялись (осаждались) при помощи n-пентана, а раствор мальтенов обрабатывался серной кислотой (H₂SO₄), концентрация которой последовательно повышалась. При помощи этого метода удалось выделить пять следующих компонентов:

Асфальтены (А)

Асфальтены осаждаются n-пентаном. Они являются «загустителями» в битумном вяжущем.

Азотистые основания (N)

Для удаления или осаждения азотистых соединений (ароматических по свойствам) из раствора мальтена применяется 85% серная кислота. Эта фракцию называют «азотистые основания» и в сольватирующей фазе она является пептизатором для сильно ассоциированных асфальтенов.

Первичные ацидаффины (А1)

98% серная кислота затем используется для осаждения ароматического компонента в азоте. Ростлер назвал это компонент «первичными ацидаффинами», они являются растворителями для пептизированных асфальтенов.

Вторичные ацидаффины (А2)

Дымящую серную кислоту, содержащую 30% SO3 используют для осаждения менее активного и слабо ароматического компонента мальтенов, называемого «вторичные ацидаффаны». Этот компонент также является растворителем для пептизированных асфальтенов.

Парафины (Р)

Представляют собой конечный и маслянистый компонент мальтенов, который не реагирует с дымящей кислотой. Ростлер считает, что парафины действуют как «гелеобразующий агент».

Многие специалисты в области битумных материалов с техническим образованием с трудом могут соотнести результаты этой аналитической процедуры с использованием растворов серной кислоты разной концентрации с эксплуатационными характеристиками битумна. Тем не менее Ростлер предлагает следующее уравнение, выражающее зависимость между качеством битумного вяжущего и его износостойкостью:

Коэффициент совместимости = N / P

Коэффициент совместимости более 0,5 считается хорошим показателем.

Параметр износостойкости = (N+ A1) / (N+ A2) =

= химически активный/химический малоактивный

Параметр износостойкости менее 0,40 считается неудовлетворительным, а выше 1,00 достаточным.

Рисунок 2-56. Метод химического осаждения (по Ростлеру и Стербергу, 74)