CC BY
30УДК 549+665.6/.7
Aleksey S. Ivkin, Valentin V. Vasil'ev, Natal'a K. Kondrasheva, Kristina G. Suhanova
DISTRIBUTION OF BITUMEN ON SURFACES OF MINERAL MATERIALS
St.Petersburg Mining University, 21 liniya, 2, St.Petersburg,
199106, Russia
e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Investigation of the mineralogical composition of rocks is presented. The distribution of bitumen on the surfaces of marble, granite, gabbro, and glass after the test carried out according to DSTU B V. 2.7-81-98 is obtained. It is shown that the adhesive interaction between bitumen and mineral materials is affected by the contents of individual minerals and chemical compounds in the rock and the location of cleavage cracks in mineral grains.
Key words: bitumen, mineral materials, adhesion, gabbro, granite, marble, glass
Введение
Асфальтобетон представляет собой прочную, неподвижную конструкцию, состоящую из частиц щебня, песка и минерального порошка, которые удерживаются в асфальтобетоне благодаря действию связующего вещества - нефтяного битума. Адгезионное взаимодействие между компонентами асфальтобетонной смеси является ключевым фактором, влияющим на прочность и долговечность дорожных покрытий.
В настоящее время описаны теории механизма взаимодействия битума с минеральными материалами, основанные на механической адгезии, диффузии, химическом взаимодействии и молекулярной адсорбции [1].
Чаще всего в России в качестве минерального материала для производства асфальтобетона используют щебень из различных гранитов, габбро, габбродоле-ритов и др. Эти магматические горные породы состоят из множества различных минералов, которые в свою очередь отличаются по химическому составу и обладают разным характером поверхности [2, 3].
Согласно ГОСТ 33133-2014 битумы для дорожного строительства подразделяются на следующие марки: БНД 130/200, БНД 100/130, БНД 70/100, БНД 50/70, БНД 35/50 и БНД 20/35. Каждая марка предназначена для определённых условий эксплуатации дорожного покрытия в зависимости от интервала среднемесячной температуры (таблица 1).
Известно, что битум представляет собой сложную нефтяную дисперсную систему (НДС) [1, 4, 5], где в качестве дисперсионной среды выступают мальтены (линейные и циклические алканы с нормальным и изо-строением, ароматические, алкилароматические углеводороды), а в качестве дисперсной фазы - асфальтеновые соединения. Дисперсная
А.С. Ивкин1, В.В. Васильев2, Н.К. Кондрашева3, К.Г. Суханова4
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БИТУМА НА ПОВЕРХНОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
Санкт-Петербургский горный университет, 21 линия В.О. д. 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Исследован минералогический состав горных пород и показано распределение битума на поверхности мрамора, гранита, габбро и стекла после испытания по ДСТУ Б В.2.7-81-98. Показано, что на адгезионное взаимодействие между битумом и минеральным материалом оказывает влияние содержание отдельных минералов и химических соединений в породе, а также расположение трещин спайности в минеральных зёрнах.
Ключевые слова: битум, минеральные материалы, адгезия, габбро, гранит, мрамор, стекло,
фаза обеспечивает прочностные свойства битума, а дисперсионная среда придаёт ему пластичность и вязкость. Поэтому качество битума определяется как групповым углеводородным составом, так и характером взаимодействий между компонентами дисперсионной среды и дисперсной фазы.
Таблица 1. Область применения битумов в дорожном строительстве
Среднемесячные температуры наиболее холодного времени года, °С Марка битума
Не выше -20 БНД 100/130, БНД 130/200
От -20 до -10 БНД 50/70, БНД 70/100, БНД 100/130, БНД 130/200
От -10 до +5 БНД 50/70, БНД 70/100, БНД 100/130, БНД 130/200
Не ниже +5 БНД 20/35, БНД 35/50, БНД 50/70, БНД 70/100, БНД 100/130
Процесс приготовления асфальтобетонной смеси проводят при температуре около 170 °С, поэтому битум растекается по поверхности минерального материала и покрывает её.
Изменения в составе, структуре и, следовательно, в свойствах битума в битумоминеральной смеси с течением времени обусловлены перемещением отдельных углеводородов к межфазной поверхности, избирательной адсорбцией компонентов битума минералами до достижения адсорбционного равновесия [1, 4, 5] и стремлением НДС к достижению термодинамического равновесия.
Такие факторы как температура и влажность способны внести существенный отрицательный вклад в
1 Ивкин Алексей Сергеевич, аспирант, каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru Aleksey S. Ivkin, Postgraduate Student, Departmentof Chemical Engineering and Energy Carriers Processing,
2 Васильев Валентин Всеволодович, д-р техн. наук, профессор, каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: vasvalvs@mail. ru
Valentin V. Vasil'ev, Dr Sci. (Eng.), Professor, Departmentof Chemical Engineering and Energy Carriers Processing
3 Кондрашева Наталья Константиновна, д-р техн. наук, зав. каф. химических технологий и переработки энергоносителей, e-mail: natalia_ kondrasheva@mail.ru
Natal'a K. Kondrasheva, Dr Sci. (Eng.), Head of the Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing
4 Суханова Кристина Глебовна, аспирант; каф. минералогии, кристаллографии и петрографии, e-mail: cris.suhanova92@yandex.ru Kristina G. Suhanova, Postgraduate Student;Department of Mineralogy, Crystallography and Petrography
Дата поступления 7 декабря 2016 года
прочность асфальтобетона и привести к его преждевременному разрушению. Так, например, в разгар лета можно наблюдать появление колейности на автомагистралях, по которым происходит интенсивное движение крупнотоннажного автотранспорта. А при отрицательных температурах, когда влага в порах и трещинах дорожного покрытия застывает и расширяется, происходит значительное разрушение целостности конструкции, выкрашивание частиц минерального материла, образование ям и выбоин.
Взаимодействие битума с поверхностью минерального материала обусловлено не только свойствами битума, но и минералогическим составом используемого щебня и минерального порошка, так как все используемые минеральные породы является неоднородными материалами. Они состоят из таких минералов (размерами не более 10 мм), как: кварц, полевой шпат, плагиоклазы, пирок-сены и др. Такая разнородная поверхность минерального материала, и, соответственно, различная гидрофильность, приводит к неодинаковому распределению по ней битума.
Целью настоящей работы явилось изучение закономерностей распределения битума на поверхности минерального материала методом оптической микроскопии.
Экспериментальная часть
Для оценки адгезии битума с минеральными материалами разработано большое количество методов в России и за рубежом, которые отличаются по характеру воздействия на границу раздела фаз битум-минеральный материал, способами выражения результатов и аппаратурным оформлением.
В таблице 2 приведено описание и сравнительная характеристика стандартных методов, которые широко применяются на территории стран СНГ: ГОСТ 11508-74 (метод А) и ДСТУ Б В.2.7-81-98.
Таблица 2. Сравнительная характеристика методов оценки сцепления
Метод оценки сцепления Тип минерального материала Кол-во битума Условия определения сцепления битума с минеральным материалом Оценка сцепления
Подготовка образцов Испытание
ГОСТ 1150874 (Метод А) Фракция мрамора белого Коэл-гинского или Прохор-Ба-ландинского месторождения 2-5 мм/песок по ГОСТ 6139-91 1,2 г на 30 г минерального материала Промывка дистиллированной водой, сушка при 105 °С 5 часов. Кипячение в течение 30 мин в дистиллированной воде Сравнение битумоми-неральной смеси после испытания с фотографиями эталонов
по [8] Фракция горных пород 2-5 мм (15 г) 0,6 г на 15 г минерального материала По ГОСТ 11508-74 (Метод А) Кипячение в течение 30 минут в дистиллированной воде Весовым методом по остаточному битуму на минеральном материале
ДСТУ Б В.2.7-81-98 Стеклянная пластина 70х25х2 мм 0,35 г на 17,5 см2 поверхности Обезжиривание ацетоном, промывка водой с хоз. мылом, кипячение в дист. воде 30 мин., сушка при 105 °С 35 мин. Выдерживание в дистиллированной воде при 85 °С 25 мин Определение площади поверхности пластины, покрытой битумом после испытания, %
Каменная пластина 115х90х10 мм 0,35 г на 17,5 см2 поверхности Кипячение в дист. воде 30 мин., сушка при 160 °С 35 мин. Выдерживание в дистиллированной воде при 95 °С 30 мин
Как видно из данных таблицы 2 все методы испытания основаны на вытеснении водой плёнки битума с поверхности минерального материала.
Наилучшей адгезией к битуму обладают низкокремнезёмистые породы, например, мрамор, далее, с повышением содержания SiO2, коэффициент сцепления понижается. Влияние химического состава, в частности содержание SiO2, характера поверхности, склонности к водонасыщению описаны в работах [6-8, 9, 10].
Влияние каждого минерала на величину силы сцепления с дорожным битумом пропорционально содержанию этого минерала в горной породе, используемой при строительстве автомобильных дорог.
В таблице 3 приведена классификация горных пород по содержанию диоксида кремния [2, 3].
Таблица 3. Ряды магматических горных пород
Ряд магматической горной породы Содержание ЭЮ2, % масс. Примеры горных пород
Ультракислые > 78 Карит
Кислые 63-78 Гранит
Средние 52-63 Габбродиорит
Основные 45-52 Габбронорит
Ультраосновные 30-45 Перидотит
Низкокремнезёмистые < 30 Мрамор
В качестве объектов исследования были использованы: битум марки БНД-60/90 (таблица 4), гранит, габбро, мрамор (таблица 5) [2, 3] и стекло оконное марки М2, соответствующее ГОСТ 111-90. Оконное стекло состоит примерно (% мас.) из SiO2 (72), Na2O (15), СаО (7), МдО (4) и АЫОз (2) [11].
Таблица 4. Качество дорожного битума
Наименование показателя, единица измерения Норма ГОСТ 22245-90 Фактическое значение
Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм при 0 °С, 0,1 мм от 61 до 90 не менее 20 61 24
Температура размягчения по кольцу и шару, °С не ниже 47 50
Растяжимость при 25 °С, см при 0 °С, см не менее 55 не менее 3,5 130 3,7
Таблица 5. Химический состав заполнителей Химический состав
Порода БЮг ТО2 Д1А Fe2О3 FeO МпО МдО СаО №2О К2О Р2О5 Другое
Гранит 70,18 0,39 14,47 1,57 1,78 0,12 0,88 1,99 3,48 4,11 0,19 0,84
Габбро 50,77 2,05 13,32 2,9 11,54 0,2 5,44 8,42 2,98 1,1 0,02 1,26
Мрамор 0,11 0,1 0,12 СаСО3 0,48
Результаты испытаний приведенных в таблице 5 горных пород по методу [12] приведены в работе [13] - сцепление (в % мас.) составляет: с мрамором - 87±5, габбро-долеритом - 22±3 и гранитом - 9±6. Таким образом, с увеличением содержания SiO2 в горной породе сцепление с битумом понижается. Стекло по содержанию кремнезёма можно отнести к кислой горной породе (таблица 3).
Минеральные материалы были изучены методами петрографического анализа [3] на микроскопе LeiсaDM 2700 Р. Для этого были изготовлены плоскопараллельные шлифы толщиной 50 мкм. На рисунках 1-3 представлены фотографии поверхности шлифов габбро, гранита и мрамора в проходящем свете при параллельном расположении николей.
Рисунок 1. Фотография поверхности габбро в проходящем свете
Габбро сложен плагиоклазами (Р1) - около 50 %, клинопироксеном (Срх) - 30 %, биотитом (ВЦ - 5 % и рудными минералами (Opq) - 15 %. Структура крупнокристаллическая, плотная, средний размер зерен более 1 миллиметра. Нет трещин и пор.
Рисунок 2. Фотография поверхности гранита в проходящем свете
Гранит состоит в основном из полевого шпата ^р) - 40 % и плагиоклазов (Р1) - 20 %, а также кварца - 20 %. Развиты фемические минералы (=20 %) типа мусковита (Ми) и биотита. Причем на слюдах видны вторичные изменения, например, некоторые биотиты уже полностью замещены хлоритом. Поры и трещины редко распространены.
Т"\» :\ Ж » ' • . 'К*. -
О
«Mr- Ш'ь • 4 ч
о а Й : (V. □
Ч > > Л," ^ ^ - -Г / 2 mm ^
Рисунок 3. Фотография поверхности мрамора в проходящем свете
Мрамор практически полностью представлен кальцитом (Cal), структура - крупнокристаллическая.
Нанесение битума на минеральные материалы и испытание проводили по ДСТУ Б В.2.7-81-98. Полученные образцы изучали под микроскопом (рисунки 4-6) с увеличением в 40 раз кроме образцов с мрамором.
На рисунке 4 представлены фотографии мрамора до и после проведения эксперимента.
2
Рисунок 4. Фотографии поверхности мрамора в отражённом свете до нанесения битума и после испытания: 1 - шлифованная пластина, 2 -аншлиф (битум наносили в виде раствора в ароматическом растворителе)
Ввиду того, что битумная плёнка остаётся практически полностью на поверхности мрамора (при этом невозможно рассмотреть распределение битума на его поверхности), она была удалена растворителем (рисунок 4-1) Как видно по фотографии даже после обработки растворителем битум остаётся на поверхности образца, но распределен на нем неравномерно. При изучении под бинокуляром поверхности образца было установлено, что кристаллические зерна, формирующие ровные поверхности с зеркальным блеском, оказались полностью очищены от битума. Эти плоскости называются трещинами спайности. Спайность - это свойство минералов раскалываться по определенным плоскостям, которые являются ослабленными поверхностями в молекулярной структуре кристаллической решетки. Кристаллическая решетка кальцита обладает тремя такими системами плоскостей, которые расположены под углом друг к другу параллельно граням особой геометрической фигуры - ромбоэдра. Кристаллические зерна в образце ориентированы случайным образом, и когда зерно оказывалось срезанным параллельно поверхностям спайности минерала, на нем не наблюдалось битума. Если же спайность была срезана под некоторым острым углом, то поверхность зерна имела ступенчатый характер и представляла собой комбинацию площадок спайности и неровных шероховатых уступов. Битум в этом случае оставался именно на шероховатых поверхностях, между которыми наблюдались чистые площадки спайности. Если же спайность срезалась под большим углом, то на срезе спайность не наблюдалась, и зерно было равномерно покрыто битумом.
После нанесения плёнки битума толщиной около 20 мкм и проведении испытания (рисунок 4-2) видно, что битум распределяется на поверхности аншлифа мрамора в виде мелких капель. То есть битум не образует сплошную плёнку на поверхности мрамора.
Рисунок 5. Фотография поверхности гранита в отражённом свете до нанесения битума и после испытания
Рисунок 6. Фотография поверхности габбро в отражённом свете до нанесения битума и после испытания
Как видно из рисунка 5 на поверхности гранита битум остаётся в виде мелких капель преимущественно на биотите
Как видно из рисунка 6 отдельные минеральные зёрна покрыты битумом практически полностью - это минерал пироксен.
На рисунке 7 приведена фотография пластинки стекла, обработанной битумом, после испытания по ДСТУ Б В.2.7-81-98.
Рисунок 7. Фотография пластинки стекла (без увеличения) 70х25 мм после испытания
Как видно из рисунка 7 битум на поверхности стекла после кипячения также сосредотачивается в виде отдельных капель. Покрытие поверхности стекла после испытания составляет менее 10 %.
Заключение
Путём проведения испытаний по ДСТУ Б В.2.7-81-98 и методу [12] на основе ГОСТ 11508-74 [13], установлено, что:
- Степень адгезионного взаимодействия битума, полученного из остатков парафинистых западно-сибирских нефтей, с минеральными материалами понижается в следующей последовательности: мрамор>габбро>гра-нит=стекло;
-На поверхности горных пород после испытания битум сосредотачивается преимущественно на определённых минералах - у гранита это кристаллические зёрна биотита, а на поверхности габбро битум лучше прилипает к зёрнам пироксена;
- Направление трещин спайности относительно плоскости поверхности горной породы также влияет на адгезию битума - именно на шероховатых поверхностях битум остаётся даже после обработки растворителем;
- У кислых (гранит), средних (габбро) и низкокремнезёмистых (мрамор) пород после испытания отсутствует сплошное покрытие поверхности битумом.
Литература
1. Соломенцев А.Б., Бухтияров С.В. Сравнительная оценка методов определения сцепления дорожного битума с адгезионными добавками с поверхностью минерального материала // Строительные материалы и технологии. 2014. № 1. С. 85-91.
2. Бетехтин А.Г. Курс минералогии: учеб. пособие. М.: КДУ, 2007. 721 с.
3. Лодочников В.Н. Главнейшие породообразующие минералы. издание 5-е, испр. и доп. / под ред. В.С. Соболева. М.: Недра, 1974. 248 с.
4. Абдуллин И.А. [и др.]. Композиционные материалы с полимерной матрицей: учеб. пособие. Казань: КГТУ, 2006. 144 с.
5. Сюняев З.И. Прикладная физико-химическая механика нефтяных дисперсных систем. М: МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, 1982. 99 с.
6. Zhang J. [et al.] Influence of aggregate mineralogical composition on water resistance of aggregatebitumen adhesion // International Journal of Adhesion & Adhesives. 2015. № 62. P. 45-54.
7. Cardone F, Frigio F., Ferrotti G, Canestrari F. Influence of mineral fillers on the rheological response of polymer-modified bitumens and mastics // Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2015. № 6. P. 1-21.
8. Horgnies M., Darque-Ceretti E., Fezai H., Felder E. Influence of the interfacial composition on the adhesion between aggregates and bitumen: Investigations by EDX, XPS and peel tests // International Journal of Adhesion & Adhesives. 2011. V. 31. P. 238-247.
9. Fischer R. Hartmut, Dillingh E.C., Hermse C.G.M. On the interfacial interaction between bituminous binders and mineral surfaces as present in asphalt mixtures // Applied Surface Science. 2013. V. 265. P. 495-499.
10. Yu Xiaokong, Burnham Nancy A., Tao Mingjiang Surface microstructure of bitumen characterized by atomic force microscopy // Advances in Colloid and Interface Science. 2015. V. 2018. P. 17-33.
11. Качалов Н.Н. Стекло. М.: АН СССР, 1959. 465 с.
12. Худякова Т.С., Розенталь Д.А., Машкова И.А., Березников А.В. Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральными материалами // Химия и технология топлив и масел. 1987. № 6. С. 35-36.
13. Ivkin A.S., Kondrasheva N.K., Vasil'ev V.V., Givirovskiy G.S. Assessment of the adhesion between the mineral fillers and the road bitumen // Scientific Reports on Resource Issues. 2016. V. 1. P. 342-346.
Reference
1. Solomentcev A.B., Bukhtiiarov S.V. Sravnitelnaia otcenka metodov opredeleniia stcepleniia dorozhnogo bituma s adgezionnymi dobavkami s poverkhnostiu mineralnogo materiala // Stroitelnye materialy i tekhnologii. 2014. № 1. S. 85-91
2. Betekhtin A.G. Kurs mineralogii: ucheb. posobie. M.: KDU, 2007. 721 s
3. Lodochnikov V.N. Glavneishie porodoobrazuiushchie mineraly / izdanie 5-e, ispr. i dop. pod redaktciei V.S. Soboleva. M.: Nedra, 1974. 248 s.
4. Abdullin I.A. [i dr.]. Kompozitcionnye materialy s polimernoi matritcei: ucheb. posobie. Kazan: Izd-vo KGTU, 2006. 144 s.
5. Siuniaev Z.I. Prikladnaia fiziko-khimicheskaia mekhanika neftianykh dispersnykh sistem. M: MINKh i GP im. I.M. Gubkina, 1982. 99 s.
6. Zhang J. [et al.] Influence of aggregate mineralogical composition on water resistance of aggregatebitumen adhesion // International Journal of Adhesion & Adhesives. 2015. № 62. P. 45-54.
7. Cardone F, Frigio F., Ferrotti G, Canestrari F. Influence of mineral fillers on the rheological response of polymer-modified bitumens and mastics // Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2015. № 6. P. 1-21.
8. Horgnies M., Darque-Ceretti E., Fezai H., Felder E. Influence of the interfacial composition on the adhesion between aggregates and bitumen: Investigations by EDX, XPS and peel tests // International Journal of Adhesion & Adhesives. 2011. V. 31. P. 238-247.
9. Fischer R. Hartmut, Dillingh E.C., Hermse C.G.M. On the interfacial interaction between bituminous binders and mineral surfaces as present in asphalt mixtures // Applied Surface Science. 2013. V. 265. P. 495-499.
10. Yu Xiaokong, Burnham Nancy A., Tao Mingjiang Surface microstructure of bitumen characterized by atomic
force microscopy // Advances in Colloid and Interface Science. 2015. V. 2018. P. 17-33.
11. KachalovN.N. Steklo. M.: AN SSSR, 1959. 465 s.
12. Khudiakova T.S., Rozental D.A., Mashkova I.A., Bereznikov A.V. Kolichestvennaya otcenka stcepleniya dorozhnykh bitumov s mineralnymi materialami // Khimiia i tekhnologiia topliv i masel. 1987. № 6. S. 35-36.
13. Ivkin A.S., Kondrasheva N.K., Vasil'ev V.V., Givirovskiy G.S. Assessment of the adhesion between the mineral fillers and the road bitumen // Scientific Reports on Resource Issues. 2016. V. 1. P. 342-346.
