144183 (Органические вяжущие вещества)

Луганский Национальный Аграрный Университет

Кафедра Материаловедения

Тема: ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Выполнил:

студент 633 гр. Комаров Роман

Проверил:

Сумасшедший Погостнов

Луганск 2008

Лекция 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Органические вяжущие вещества – это высокомолекулярные природные или синтетические вещества, способные в жидко-вязком состоянии под действием определенных факторов (температуры, веществ-отвердителей и др.) переходить в твердое состояние.

Органические вяжущие делят на: черные вяжущие (битумы и дегти); природные смолы, клеи и полимеры.

Природные полимеры применяют как в их естественном состоянии, так и после химической модификации, придающей им необходимые свойства. Например, целлюлозу применяют в виде эфиров (нитроцеллюлоза, метилцеллюлоза и т. п.). Битумы также подвергают модификации.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией и поликонденсацией. Каучуки и каучукоподобные полимеры, обладают способностью к большим упругим деформациям; их называют эластомерами.

Органические вяжущие делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные при нагревании многократно переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении вновь затвердевают. Термопластичность объясняется линейным строением молекул и невысоким межмолекулярным взаимодействием. По этой же причине большинство термопластов способно растворяться в соответствующих растворителях. К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко распространенные полимеры – полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Термореактивные переходят из жидкого состояния необратимо. У них меняется молекулярная структура: линейные молекулы соединяются в пространственные сетки – гигантские макромолекулы. Твердение происходит не только под действием нагрева, но и под действием веществ отвердителей, ультрафиолетового и γ-излучения и других факторов. Термореактивные полимеры более теплостойки, чем термопластичные.

Термореактивные вяжущие (с молекулярной массой менее 1000), имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигомерами, например полиэфирные, эпоксидные.

Органические вяжущие применяют для получения клеев, мастик, лакокрасочных материалов, полимерных и полимерцементных растворов и бетонов. Полимерные вяжущие применяют для получения тонких облицовочных изделий (плиток, пленок, погонажных изделий), покрасочных и клеящих составов, защитных химически стойких покрытий, а также для изготовления газонаполненных пластмасс – теплоизоляционных материалов с очень низкой плотностью (10...50 кг/м³).

12.1 Битумы и дегти и материалы на их основе

Битумы при комнатной температуре вязкопластичные или твердые вещества темного цвета, представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Они могут быть природными и искусственными.

Природные битумы встречаются в виде асфальтовых пород, например, песка, пористого известняка, пропитанных битумом. Природные битумы образовались при разливе нефти в результате испарения из нее легких фракций частичного окисления кислородом воздуха. Мировые запасы природного битума составляют более 500 млрд.т.

Искусственные битумы получают из нефти топлива и масел – нефтяные битумы. Битумы – сложные коллоидно-дисперсные системы, состоящие из нескольких групп' веществ: твердые высокомолекулярные вещества (асфальтены, карбены, карбоиды), придающие битуму твердость; смолистые вещества, придают битуму клейкость; нефтяные масла, придают битуму вязкость и термопластичность. В этой дисперсной системе масла являются дисперсионной средой, а асфальтены – дисперсной фазой; смолы играют роль стабилизатора дисперсии (рис.12.1). При нагреве масла разжижаются и битум становится жидко-вязким, а при охлаждении густеют и затвердевают и битум становится твердым и даже хрупким.

Рис . 12.1. Схема коллоидно-дисперсного строения битума

Битумы делят на: дорожные (БНД), кровельные (БНК) и строительные (БН). Каждый тип битумов в зависимости от состава может иметь различные марки. Марки битумов определяют по комплексу показателей, основные из которых: температура размягчения, твердость и растяжимость.

Температуру размягчения определяют на стандартном приборе «Кольцо и шар». Температурой размягчения считается температура, при которой шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо. Твердость (вязкость) битума определяют на приборе пенетрометр по погружению иглы в образец битума (единица шкалы прибора 0,1 мм) при температуре 25°С. Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25°С со скоростью 5см/мин.

Битумы транспортируют в фанерных барабанах или бумажных мешках, хранят в закрытых складах или под навесом. Битум - горючее вещество, поэтому при работе с ним, необходимо соблюдать правила пожарной безопасности.

Дегти менее атмосферостойки, чем битумы. Под действием солнечного излучения и кислорода они окисляются, превращаясь в твердые хрупкие продукты; это объясняется наличием в дегте, активных реакционноспособных соединений. Дегти и продукты на их основе – канцерогенны, поэтому их использование в местах, где возможен длительный контакт с человеком, запрещено. Они вызывают воспаление кожи.

Общий недостаток битумов и дегтей – узкий интервал температур, при которых материалы на их основе обладают прочностью и эластичностью. При понижении температуры до 0...10°С они становятся хрупкими, а при повышении до 40...60°С начинают течь. Для расширения интервала эксплуатационных температур битумы и дегти модифицируют, добавляя термопластичные полимеры и каучуки.

Асфальтовые бетоны – широко применяемые в дорожном строительстве. Термин «асфальт» имеет два значения:

горная порода пористая (известняк и т. п.) или рыхлая (песок и т. п.), пропитанная природным битумом (содержание битума 2...20%);

искусственная смесь тонкоизмельченного минерального наполнителя (обычно порошка известняка) с битумом (12...60%).

Природные асфальты применялись еще в глубокой древности для гидроизоляционных и дорожных работ. Искусственный асфальт используется как вяжущее для приготовления асфальтовых бетонов. Роль минерального порошка в таком вяжущем заключается не только в снижении расхода битума, но и в повышении температуры его размягчения. Это важно, например, для сохранения прочности асфальтобетона в летнее время.

Асфальтовые растворы – смесь асфальтового вяжущего с песком. Расход вяжущего должен быть таким, чтобы заполнить пустоты в песке с некоторым избытком (10...15%), необходимым для обволакивания песчинок.

Асфальтовые бетоны - смесь асфальтового вяжущего песка и крупного заполнителя. В этом случае количество асфальтового раствора берут таким, чтобы заполнить пустоты в щебне с некоторым избытком (10...15%) для получения плотного бетона. Обычно пористость асфальтобетона – 5...7%. Чем выше пористость, тем меньше долговечность асфальтобетона, так как при этом возрастает водопоглощение, снижается коррозионная стойкость и морозостойкость. Плотные асфальтобетоны практически водонепроницаемы и могут применяться как гидроизоляционный материал.

Прочность асфальтовых бетонов и растворов заметно изменяется при колебаниях температуры. Так, если при 20°С прочность асфальтобетона составляет 2,2...2,4МПа, то при 50°С - только 0,8...1,2МПа. При этом снижается модуль упругости и возрастает ползучесть асфальтобетона.

Асфальтовые бетоны более стойки к коррозионным воздействиям, чем цементные, но разрушаются от воздействий жидких топлив и масел. Износостойкость асфальтовых бетонов выше, чем цементных.

Асфальтовые бетоны и растворы применяют для устройства верхних покрытий дорог, аэродромов, полов промышленных зданий, плоских кровель, стяжек, а также для создания гидроизоляционных слоев и экранов и заполнения компенсационных швов.

Технология изготовления асфальтобетона. Для получения пластичной удобоукладываемой асфальтобетонной смеси используют два метода: нагрев смеси до 140...170°С для полного разжижения битума; приготовление смеси на жидких битумах, гудронах (с последующим их отвердеванием за счет испарения летучих компонентов) или на битумных эмульсиях (отвердевание происходит после испарения воды).

В состав асфальтобетонного завода входят цех по обогащению и переработке каменных материалов, включающий дробильно-сортировочное оборудование для производства фракционированного щебня и помольную установку для получения минерального порошка, битумный цех, состоящий из битумохранилища, битумоплавильных котлов и насосных станций, смесительный цех, в котором размещено оборудование по приготовлению асфальтобетонной смеси. Принципиальная технологическая схема изготовления асфальтобетона представлена на рис.12.2. Лучшее качество имеют «горячие» асфальтобетоны. Укладывают и уплотняют асфальтобетонные смеси при помощи специальных асфальтоукладчиков и тяжелых катков. При малых объемах работ возможно ручное уплотнение.

Рис.12.2. Технологическая схема производства асфальтобетона:

1– питатель; 2– элеватор; 3– сушильный барабан; 4– пылеулавливающая установка; 5– топка; 6– горячий элеватор; 7– грохот; 8– элеватор минерального порошка; 9– бункер для горячих материалов; 10– бункер; 11– лопастной двухвальный смеситель; 12– битумная труба с соплами в смесителе; 13– дозатор поверхностно-активных добавок; 14– дозатор битума.

Долговечность асфальтобетона во многом зависит от качества укладки и обеспечения его сцепления с нижележащими слоями; на долговечность существенно влияет также качество основания. Для повышения качества асфальтобетонов битумы модифицируют полимерами (полиэтиленом, полипропиленом, синтетическими каучуками); для этой цели рационально использовать вторичное полимерное сырье и промышленные отходы.

12.2 Термопластичные полимеры

Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул.

Линейным строением молекул объясняется способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в растворителях. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2...5%), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.

К недостаткам термопластов относят низкую теплостойкость (не выше 80...120°С), низкую поверхностную твердость, хрупкость при низких температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.

Наибольшее применение в строительстве имеют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинилацетат и поливиниловый спирт, полиизобутилен, полиакрилаты.

Кроме полимеров, получаемых из одного мономера, синтезируют сополимеры – продукты, получаемые совместной полимеризацией (сополимеризацией) двух и более мономеров. В таком случае образуются материалы с новым комплексом свойств. Так, винилацетат полимеризуют совместно с винилхлоридом для получения сополимера более прочного и водостойкого, чем поливинилацетат, но сохраняющего его высокие адгезионные свойства. Широкий спектр сополимеров выпускают на базе акриловых мономеров.

Полиэтилен – продукт полимеризации этилена – роговидный, жирный на ощупь, слегка просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. Плотность 920...960 кг/м³. Полиэтилен плавится при 90...130°С. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; и растворяется в них при температуре выше 70...80°С, химически стоек, биологически инертен. Прочность при растяжении – 20...45 МПа; но при длительном действии нагрузки, составляющей более 50...60% от предельной, у полиэтилена начинает проявляться свойство текучести. Полиэтилен сохраняет эластичность до – 70°С,. легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его недостатки – низкие теплостойкость и твердость, горючесть и быстрое старение под действием солнечного света. Полиэтилен защищают от старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и стабилизаторы.

Из полиэтилена изготавливают пленки, трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде листов и труб используется для тепло- и звукоизоляции и в качестве герметизирующих прокладок. Полипропилен – полимер, по составу близкий к полиэтилену.

Полистирол (поливинилбензол) – прозрачный жесткий полимер плотностью 1050...1080 кг/м³; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 800...1000°С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20°С) 35...50МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах, сложных эфирных и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).

Полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала – пенополистирола (плотностью 10...50кг/м³), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Полистирол растворенный в органических растворителях – хороший клей.