Битумные и дегтевые вяжущие
5.5. Битумные и дегтевые вяжущие
Битумные и дегтевые вяжущие вещества наряду с полимерами и органическими клеями являются органическими вяжущими веществами. На основе этих вяжущих производят большое количество материалов и изделий для строительства: асфальтовые бетоны и растворы, рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы, мастики, пасты, эмульсии и некоторые лаки.
Битумные материалы могут быть как природные, встречающиеся в виде отдельных скоплений или чаще пропитывающие горные породы, так и искусственные, получаемые при переработке нефти. Дегтевые — искусственные материалы, получаемые в заводских условиях при сухой перегонке твердых видов топлива.
Различают следующие группы битумных и дегтевых вяжущих веществ: битумные, состоящие из нефтяных битумов или из сплавов нефтяных и природных битумов; дегтевые — каменноугольные или сланцевые или сплавы дегтевых масел с пеками; смешанного вида — гудрокамовые (продукты совместного окисления каменноугольных масел и нефтяного гудрона); дегте- и битумополимерные, содержащие нефтяные битумы или каменно угольные дегтевые вещества и полимеры. Битумные и дегтевые вяжущие имеют темно-коричневый или черный цвет, поэтому их часто называют «черными вяжущими».
Наиболее широкое применение в строительстве и производстве строительных материалов получили битумные вяжущие и особенно нефтяные битумы. Дегтевые материалы применяют ограниченно, так как большинство их служит сырьем для получения разных ценных химических продуктов. К тому же дегтевые вяжущие и материалы на их основе в условиях эксплуатации (под влиянием влаги, кислорода воздуха, солнечной радиации) сравнительно быстро «стареют», становясь хрупкими и малопрочными, обладают неприятным запахом и выделяют вредные для здоровья вещества.
Битумы
Природные битумы (твердые или вязкие) образовались из нефти в верхних слоях земной коры в результате испарения летучих фракций и под влиянием окислительного процесса и полимеризации.
Природные битумы иногда встречаются в виде залежей, состоящих почти из чистого битума с небольшим количеством минеральных примесей (например, на о. Сахалин), чаще они содержатся в осадочных горных породах: песках, песчаниках, карбонатных породах (известняках, доломитах), глинистых грунтах. Такие породы называют асфальтовыми или битуминозными.
Рекомендуемые материалы
В СНГ асфальтовые породы имеются на Кавказе, в Крыму, Сибири, Поволжье, на Дальнем Востоке и др. Из этих пород извлекают битум при помощи растворителей или вываркой в горячей воде. При содержании битума менее 2...3 %, когда извлечение битума экономически нецелесообразно, асфальтовые породы размалывают и применяют в виде асфальтового порошка как компонент в асфальтовых бетонах или асфальтовых мастиках.
Природные битумы отличаются высокой атмосферостойкостью и хорошим прилипанием к поверхности каменных материалов, но из-за дефицитности и высокой стоимости в строительстве применяют ограниченно. Их используют главным образом в химической и лакокрасочной промышленности.
Нефтяные битумы получают из нефти путем обработки остатков, образующихся при ее фракционной перегонке на нефтеперерабатывающих заводах. В зависимости от способа производства различают остаточные, окисленные и крекинговые нефтяные битумы,
Остаточные битумы получают путем глубокого отбора масел из гудронов. При нормальной температуре это твердые или полутвердые продукты относительно малой вязкости. Для повышения вязкости остаточные битумы или гудрон подвергают окислению, продувая через них воздух. При продувке под воздействием кислорода воз духа нефтяные остатки окисляются и уплотняются за счет образования высокомолекулярных компонентов, их вязкость повышается, в результате чего получаются окисленные битумы. Окисленные битумы более погодостойки, чем остаточные, и по долговечности не уступают природным битумам. Смешивая битум, полученный как остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном, с масляными дистиллятами, получают смешанные (компаундированные) битумы. Крекинговые битумы получают окислением (продувка воздухом) крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута, с целью увеличения выхода бензина, крекинг-процессом, т. е. расщеплением углеводородов при высоких темпера турах и больших давлениях.
По консистенции (при температуре 18°С) битумы могут быть твердыми, обладающими упругими, а иногда хрупкими свойствами, полутвердыми (вязкопластичными) и жидкими (легкотекучими). Твердые и полутвердые битумы транспортируют в железнодорожных цистернах, оборудованных подогревательными устройствами, или в бумажной таре; жидкие битумы — в нефтяных и мазутных цистернах. Хранить битумы следует в специальных хранилищах.
Состав и структура
Битумы состоят из смеси высокомолекулярных угле водородов, главным образом метанового (СпН2п+2) и нафтенового (СпН2п) рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Элементарный химический состав всех битумов достаточно близок. В них 70... ...87% углерода, до 15% водорода, до 10% кислорода, до 1,5% серы (в природных битумах до 10%), небольшое количество азота. Элементарный химический состав битумов позволяет судить только о материальном балансе элементов, из которых построены компоненты битумов, и не дает представления о десятках химических соединений, содержащихся в битумах, и об их влиянии на структуру и свойства битумов. Выделить индивидуальные углеводородные соединения из битумов весьма сложно. Поэтому для исследования структуры и свойств битумов специальными методами выделяют группы углеводородов с более или менее сходными свойствами. Такими группами являются масла, смолы, асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды), асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.
Масла — жидкая при обычной температуре, группа углеводородов, плотностью менее единицы и молекулярной массой 100..500. Повышенное содержание масел в битуме придает им подвижность и текучесть.
Смолы — вязкопластичпые вещества, твердые или полутвердые при обыкновенной температуре, плотностью
около единицы и молекулярной массой 500...1000. Состав углеводородов в смолах более сложный, чем в маслах. Смолы придают битумам вяжущие свойства и пластичность.
Асфальтены — твердые неплавкие высокополицик-я лические соединения с плотностью более единицы и молекулярной массой 1000...5000 и более. Некоторые асфальтены растворимы в маслянистых и смолистых фракциях, другие — карбены и карбоиды, содержащие свободный углерод, нерастворимы. Асфальтены придают битуму твердость и теплоустойчивость. При длительном: нагревании битума в присутствии воздуха масла и смолы переходят в асфальтены. Чрезмерно большое количество асфальтенов в битуме может образоваться также под действием солнечной радиации, что вызывает посте пенное разрушение — «старение» битума.
Асфальтогеновые кислоты принадлежат к группе полинафтеновых кислот; их консистенция может быть твердой или высоковязкой. Являясь поверхностно-активной частью битума, они способствуют повышению прочности сцепления битума с каменными и другими материалами.
Групповые углеводороды, входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя сложную дисперсную систему, предопределяют их структуру и свойства. Дисперсионной средой в этой системе является молекулярный раствор смол или их части в маслах, а дисперсной фазой служат асфальтены с адсорбированной на их поверхности частью смол. Если в этой дисперсной системе имеется избыток дисперсионной среды, то комплексные частицы (мицеллы) не контактируют между собой, свободно перемещаясь в дисперсионной среде. Такая структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре и для вязких битумов при повышенных температурах.
При относительно пониженном количестве дисперсионной среды и большом количестве мицелл они, контактируя друг с другом, образуют мицеллярную пространственную сетку. Битумы, имеющие такую структуру, характеризуются высокой вязкостью и твердостью при комнатной температуре.
При изменении фазового состава битума, например под влиянием охлаждения и нагревания, продувания воздуха и разжижения растворителем и т. п., возможен переход одной структуры в другую и существование промежуточных структур. Однако при длительном воздействии некоторых факторов (кислорода воздуха или другой окислительной среды, особенно в условиях повышенных температур) могут произойти необратимые изменения фазового состава битума, свидетельствующие о его химическом старении. Это связано с массовым накоплением труднорастворимых или нерастворимых твердых частиц (карбенов и карбоидов) и одновременной глубокой полимеризацией и окислительной модификацией смол и масел, приводящих к нарастанию вязкости и по явлению у битума хрупких свойств.
Свойства
Важнейшими свойствами битумов для их применения в строительстве являются:
1) способность при нагревании (до 80...170°С) или добавлении растворителей (разжижителей) переходить в вязкожидкое состояние и объединяться с каменными или другими строительными материалами;
2) способность при понижении температуры (до 20...25°С и ниже) или испарении растворителей вновь загустевать и образовывать единый материал, сцепляться с введенными в них или пропитанными и обмазанными ими другими материалами (асфальтовые бетоны и растворы, кровельные и гидроизоляционные материалы);
3) способность придавать гидрофобные (водоотталкивающие) свойства другим материалам, обработанным битумом.
Основными свойствами, определяющими качество твердых и полутвердых битумов и деление их на марки, являются вязкость, температура размягчения и хрупкости, пластичность; для жидких битумов — вязкость и фракционный состав (содержание летучих масел).
Вязкость битумов является характеристикой его структурно-механических свойств и зависит от группового состава и температуры. При повышении температуры вязкость снижается, при понижении — резко возрастает; при отрицательных температурах битум становится хрупким. По стандарту на методы испытаний твердых и вязких битумов вязкость, точнее текучесть (величину, обратную вязкости), определяют условным показателем— глубиной проникания иглы в битум при определенных нагрузке, температуре и времени погружения на пенетрометре. Чем выше вязкость битума, тем меньше глубина погружения иглы. Вязкость жидких битумов определяют на стандартном вискозиметре по времени (в секундах) истечения порции битума при определенной температуре битума и диаметре отверстия прибора.
Пластичность твердых и вязких битумов по стандарту характеризуется условно предельной деформацией при растяжении стандартных образцов — восьмерок из битума при определенной температуре и скорости растяжения и выражается в сантиметрах в момент их разрыва на дуктилометре. Так же как и вязкость, пластичность битумов зависит от температуры, их группового состава и структуры. Как правило, растяжимость возрастает при увеличении содержания смол, а также с повышением температуры.
Температурой размягчения битума условно считают температуру, при которой битум переходит из твердого состояния в пластичное, приобретая подвижность. Она соответствует температуре, при которой образец битума под грузом в виде шарика при нагревании размягчится настолько, что коснется нижней полочки этажерки стандартного прибора — «кольцо и шар». Это свойство битума характеризует верхний температурный предел его применения. Нижний температурный предел применения битума характеризуется температурой хрупкости, при которой 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, который учитывают при выборе битума для применений в определенных температурных условиях.
Свойства битумов тесно связаны между собой. Твердые битумы (с малой глубиной проникания иглы) имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, т. е. являются относительно хрупкими (особенно при отрицательных температурах). Битумы с низкой температурой размягчения, т.е. мягкие, обладают высокой пластичностью.
Для учета огнеопасности при нагревании битума определяют температуру вспышки паров, выделяемых из битума при нагревании от поднесенного пламени.
Битумы обладают и другими важными свойствами: водостойкостью и водонепроницаемостью; стойкостью к действию водных растворов многих кислот, щелочей, солей и к большинству агрессивных газов; способностью частично или полностью растворяться в различных органических растворителях (хлороформе, спирте, бензине, бензоле, сероуглероде, дихлорэтане и др.).
• По назначению нефтяные битумы делят на: строительные, кровельные и дорожные, а по основным свойствам— на марки (табл. 5.2).
Таблица 5.2. Марки битума
| Марка битума | Глубина проникновения иглы пенетрометра при 25оС, 0,1 мм | Растяжимость при 25оС, см, не менее | Температура оС, не ниже | |
| размягчения | вспышки | |||
| Битумы нефтяные строительные | ||||
| БН 50/50 | 41…60 | 40 | 50 | 220 |
| БН 70/30 | 21…10 | 3 | 70 | 230 |
| БН 90/10 | 5…20 | 1 | 90 | 240 |
| Битумы нефтяные кровельные | ||||
| БНК 45/180 | 140…220 | не нормируется | 40…50 | 240 |
| БНК 90/40 | 35…45 | не нормируется | 85…95 | 240 |
| БНК 90/30 | 25…35 | не нормируется | 85…95 | 240 |
Жидкие битумы различают трех классов: быстрогустеющие БГ, среднегустеющие СГ, медленногустеющие МГ. Битумы классов БГ и СГ обычно изготовляют путем разжижения вязких битумов легкими разжижителями (керосином и т. п.). Битум класса МГ получают в остатке после перегонки нефти или разжижением вязких битумов маслянистыми продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения.
Применение битумов
Твердые и полутвердые нефтяные битумы применяют для дорожных покрытий, изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов, некоторых герметизирующих материалов, а жидкие битумы используют в основном при строительстве дорог (для обработки гравийных и щебеночных смесей, изготовления асфальтовых материалов).
Из общего количества битумов больше 60 % используют в дорожном строительстве, а из оставшихся 40 % больше половины применяют для изготовления кровельных материалов.
Дегти
В процессе сухой перегонки (без доступа воздуха) каменного или бурого угля, сланца, дерева, торфа и других органических веществ с целью получения кокса, полукокса, газа и т. п. образуются летучие вещества, которые после конденсации (сгущения) образуют вязкие жидкости, называемые соответственно каменноугольными, буроугольными, сланцевыми, торфяными, древесными дегтями.
Наиболее широкое применение в строительстве получили каменноугольные дегти, обладающие более высокими строительными свойствами, чем другие дегти. Различают сырые и отогнанные каменноугольные дегти.
Сырые дегти — низко- и высокотемпературные получают при полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500...700 и 900...1100°С. Они представляют собой маслянистые жидкости темного цвета с характерным запахом, обусловленным содержанием в них фенолов и нафталина. Сырые дегти содержат значительное количество летучих веществ, а также соединений, растворимых и вымываемых водой, которые понижают их погодоустойчивость. Поэтому сырые дегти непосредственно для производства строительных материалов не применяют.
Отогнанный деготь получают из сырого при отгонке воды, всех легких масел, частично средних масел и используют его как сырье в производстве строительных материалов. При фракционной разгонке сырого дегтя сначала удаляется вода (при 100 °С), а затем отгоняются жидкие фракции: легкие масла (до 170°С), средние (170...270°С), тяжелые (270...300 °С) и антраценовые масла (300...360°С).
Пеком называют твердый остаток от фракционной разгонки. Он представляет собой аморфное вещество черного цвета, состоящее из высокомолекулярных углеводородов и их производных и свободного углерода в виде тонкодисперсных частиц (8...30 %).
Составленные дегти получают сплавлением пека с антраценовым маслом или отогнанным дегтем. Составленные дегти наиболее пригодны для строительных целей.
Наполненные дегти получают, вводя в составленные дегти тонкоизмельченные материалы (известняк, доломит). Это делают для повышения вязкости, погодо- и температуростойкости дегтей.
Как и у битумов, качество дегтей определяют их химическим и групповым составом.
Состав. Химический состав дегтя сложен, он включает более 200 различных органических соединений, в основном углеводородов преимущественно ароматического ряда них неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с кислородом, азотом и серой. Эти соединения в дегте образуют сложную дисперсную систему, в которой свободный углерод и твердые смолы, ограниченно растворимые в дегтевых маслах, являются дисперсной фазой, а масла — дисперсионной средой.
Стабильность этой системы нарушается при изменении оптимальных условий (например, при испарении легких фракций), что сказывается на изменении важных строительно-технических свойств материалов и изделий на их основе.
Свойства. Свойства дегтей в основном те же, что и у битумов, но они отличаются меньшей тепло- и погодоустойчивостью. Неустойчивость дегтей к процессам старения (низкая погодоустойчивость) связана с испарением летучих составляющих из дегтя даже при слабом нагреваний (например, на солнце), а также и с тем, что многие соединения в нем являются ненасыщенными и поэтому легко вступают в химическое взаимодействие с веществами внешней среды, изменяя свой состав и структуру, что приводит к появлению хрупкости и растрескиванию. Однако дегти вследствие большего по сравнению с битумом содержания в них веществ с полярными группами отличаются повышенной способностью к прилипанию к другим материалам. Они обладают большей гнилостойкостью, чем битумы, так как содержат токсичные вещества (фенол).
Применение. Каменноугольный деготь, антраценовое масло и пек применяют в производстве дегтевых кровельных материалов, мастик, для изготовления дегтебетонов и т. п.
Смешанные вяжущие вещества на основе битумов и дегтей, эмульсии и пасты.
С целью более рационального использования положительных свойств битумов и дегтевых вяжущих веществ, уменьшения отрицательного влияния их недостатков и создания удобных условий применения приготовляют смешанные вяжущие вещества на их основе, а также эмульсии и пасты.
Битумно-дегтевые вяжущие материалы получают путем совмещения битума с дегтем или дегтепродуктами (пеком, маслом). Одним из них является гудрокам, получаемый при совместном окислении смеси битума или гудрона и каменноугольных масел или пека. Такие комбинированные материалы обладают более высокой атмосферостойкостью и способностью к взаимодействию с введенными в них минеральными материалами (например, в мастиках) и пропитанной или обмазанной ими органической основой (например, в кровельных и гидроизоляционных материалах).
Ещё посмотрите лекцию "Система антикризисного управления потенциалом предприятия" по этой теме.
Битумно-дегтеполимерные вяжущие получают совмещением нефтяных битумов или каменноугольных дегтевых материалов и полимеров (особенно каучука и каучукоподобных веществ). Для получения битумно-резиновых вяжущих часто используют после соответствующей переработки отходы производства резинотехнических изделий, отработанные автомобильные покрышки, синтетические каучуки, полиизобутилен и др. Такие материалы более устойчивы к старению, отличаются повышенной теплоустойчивостью, меньшей хрупкостью, особенно при отрицательных температурах.
Битумные и дегтевые эмульсии и пасты представляют собой вяжущие материалы жидкой (эмульсии) или сметанообразной консистенции (пасты), которые приготовляют в основном из двух не смешивающихся между собой компонентов — битума или дегтя или их сплавов и воды. Для объединения этих несмешивающихся веществ применяют третий компонент — эмульгатор, являющийся поверхностно-активным веществом, уменьшающим поверхностное натяжение на границе битум (деготь)— вода и образующим вместе с тем вокруг частиц дисперсной фазы (частиц битума или дегтя размером до 0,1 мм) механически прочную оболочку, которая препятствует укрупнению и слиянию этих частиц, что способствует образованию весьма устойчивых эмульсий и паст.
В качестве эмульгаторов при изготовлении эмульсий применяют водорастворимые органические вещества, молекулы которых асимметрично-полярны, т. е. содержат активную полярную группу, обычно представленную гидроксилом ОН, карбоксилом СООН, группами COONa(K) и другими и неактивную группу — обычно углеводородные цепи СН3—(СН2)п (например, натроные соли нафтеновых кислот, лигносульфонаты кальция). В качестве эмульгатора при изготовлении паст используют твердые минеральные порошки (глины, извести, трепелы). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3 %, твердых порошков в пастах — 5...15 %, а битума — 40...60 %. Эмульсии приготовляют в диспергаторах, обеспечивающих распыление подогретого битума (дегтя) в горячей воде с эмульгатором.
Эмульсия, удовлетворяющая техническим требованиям, должна обладать малой вязкостью, допускающей ее розлив и нанесение на поверхность в холодном состоянии, однородностью, небольшой скоростью распада и достаточной устойчивостью, обеспечивающей хранение на складе и перевозку в нормированные сроки. Хранят эмульсии в закрытых помещениях в металлической таре при температуре не ниже 0°С. Для снижения вязкости эмульсии и пасты перед применением разбавляют водой.
Основными преимуществами эмульсий по сравнению с горячим битумом или жидким дегтем является возможность применения их в холодном виде (при положительных температурах воздуха практически в любую погоду), а также возможность сокращения до 30% расхода вяжущего за счет лучшего распределения эмульгированных вяжущих на поверхности зерен минеральных материалов.
Битумные и дегтевые эмульсии применяют в дорожном строительстве, для устройства защитных гидро- и пароизоляционных покрытий, грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных материалов. Битумные пасты наиболее широко применяют в гидроизоляционных работах. При работе с битумными и особенно с дегтевыми материалами требуется строго соблюдать правила охраны труда и противопожарной техники.
