Физико-механические свойства битума характеризуют вяжущий материал с точки зрения его молекулярного строения , а также по совокупности свойств присущих вяжущему.
Битумы твердые и полутвердые делят на марки в основу которых положены свойства материала присущие вяжущему. Все свойства битумов принято классифицировать на физические, физико-химические, химические и физико-механические.
Физические свойства битумов
Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов , изготовляемых на их основе различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.
Вязкость -свойство материала оказывать сопротивление перемещению частиц под воздействием внешних сил. Вязкость битума зависит от температуры. При пониженных температурах вязкость битума велика и он приобретает свойства твердого тела. С увеличением температуры вязкость битума уменьшается и он переходит в жидкое состояние. Для характеристики вязкости битума ( вязких и твердых битумов) пользуются условным показателем твердости -глубиной проникания иглы (пенетрацией).
Вязкость жидких битумов определяют на стандартном вискозиметре по времени(с) истечения порции битума при определенной температуре битума и диаметре отверстия прибора. При действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температурах 25 и 0°С глубину проникания определяют на специальном приборе пенетрометре ( смотри рисунок-1). Она выражается в градусах (1°=0,1 мм) и обозначается П25 ( индекс показывает температуру материала во время испытания).
Рисунок-1. Пенетрометр
Пластичность вязких битумов характеризует растяжимость, которую определяют с помощью дуктилометра (смотри рисунок-2). Образцы битумов в виде восьмерок стандартной формы и размеров подвергают испытаниям. Показателем растяжимости битума служит величина деформации шейки образца в момент разрыва, выраженная в сантиметрах. Это испытание проводят при скорости растяжения 5 см/ мин и температурах 25 и 0°С. Также как и вязкость, пластичность битумов зависит от температуры, группового состава и характера структуры.
Рисунок-2. Дуктилометр и форма для изготовления образцов
1-ящик; 2-подвижные салазки; 3- маховичок; 4- разборные части формы; 5-битумный образец-восьмерка.
Пластические свойства наблюдаются у битумов, содержащих значительное количество смол, оптимальное количество асфальтенов и масел и небольшое количество карбенов и карбоидов. Вязкие битумы, содержащие твердые парафины, при низких температурах имеют небольшую тягучесть. Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется от 0,8 до 1,3 г/см³. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5=0,6 Вт/(м·°С).
Теплоемкость составляет 1,8-1,97 кДж/(кг ·°С). Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5·10 -4 до 8·10 -4°С -1 причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения, а при пониженных температурах -около 2·10 -4°С -1. Устойчивость при нагревании характеризуется:
〉 Потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течении 5 ч ( не более 1%) и
〉 Температурой вспышки ( 230 -240 °С-в зависимости от марки).
Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений ( в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.
Физико-химические свойства
Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см². От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами ( порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем).
Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Ca 2+ и Mg 2+. Старение -процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.
Реологические свойства битума зависят от группового состава и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязкоупругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая ( обратимая) и пластическая ( необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко -упругих тел используют реологическую модель Максвелла и другие.
Химические свойства
Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ вызывающих коррозию цементных бетонов , металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мощанского, битумные материалы сопротивляются хорошо действию щелочей( с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты ( до 85%), а также серной( с концентрацией до 50%), соляной кислоты ( до 25%) и уксусной ( до 10%) кислот.
Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот( особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и других.
Физико-механические свойства
Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Температура размягчения является важной оценкой свойств битумов и характеризует верхний температурный предел его применения. Определяют ее на приборе «кольцо и шар» ( смотри рисунок-3). Латунное кольцо диаметром 16 мм и высотой 6,4 мм заполняют битумом на поверхность последнего укладывают шарик диаметром 9,5 мм и массой 3,5 г.Температуру размягчения определяют по температуре воды в приборе, когда битум размягчится и шарик опустится на нижнюю полочку этажерки.
Рисунок-3. Прибор для определения температуры размягчения
Температура хрупкости характеризует нижний температурный предел применения битума. При этой температуре появляется первая трещина в тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку стандартного прибора при ее изгибе и распрямлении. Температурный интервал между температурой хрупкости и температурой размягчения называют температурным рабочим интервалом.
Для учета огнеопасности при нагревании битума определяют температуру вспышки паров, выделяемых из битума при нагревании от прикосновения пламени. Наряду с основными свойствами битумов, определяющими их марку, битумы характеризуются также другими показателями, например устойчивостью битумов в водной среде, которая обусловливается содержанием масел, смол и асфальтенов;
Когезией, прочностью межмолекулярных связей; прилипанием битума к каменным материалам ( адгезия), которая зависит от физико-химических свойств битумов; погодоустойчивостью битумов , то есть способностью противостоять воздействию атмосферным факторам в элементах сооружений. Для строительных целей необходимо применять битумы, свойства которых соответствуют условиям их работы в строительных конструкциях.
Таблица-1. Физико-химические свойства нефтяных битумов
Жидкие битумы делят на три класса: класс БГ-быстро-густеющие, СГ-среднегустеющие и МГ-медленногустеющие. Битумы классов БГ и СГ получают в результате разбавления вязких битумов легкими разжижителями ( керосином и т.п). Битум класса МГ получают в остатке после перегонки нефти или разжижением вязких битумов масляными продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения. Каждый класс в зависимости от вязкости делят на марки.