Раздел 5. Органические вяжущие вещества и материалы на их основе

Глава 8. Битумные и дегтевые вяжущие вещества и материалы на их основе

8.1. Общие сведения, классификация

Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в строительстве, были битумы и дегти. На основе битума и дегтя получают разнообразные материалы: эмульсии, пасты, мастики, растворы, бетоны, рулонные и штучные изделия. Битумные и дегтевые вяжущие имеют темно-коричневый или черный цвет, поэтому их часто называют “черными вяжущими”.

Общий признак этих вяжущих - способность размягчаться, т.е. уменьшать свою вязкость при нагревании и затвердевать при охлаждении. Характерными особенностями материалов на основе битума или дегтя являются высокая водостойкость, водонепроницаемость, гидрофобность, химическая стойкость, высокая адгезионная способность по отношению к каменным материалам, растворимость в органических растворителях.

Классифицируют битумные и дегтевые материалы по следующим признакам:

- по виду вяжущего: битумные, дегтевые, гудрокамовые (смешанного вида), дегтебитумные, битумно-полимерные, дегтеполимерные;

- по технологическим особенностям: штучные (листовые), рулонные, эмульсии, мастики, растворы, бетоны;

- по структурным признакам для каждой группы материалов: например, рулонные материалы делят на основные и безосновные, покровные и беспокровные;

- по назначению: дорожные, кровельные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, полифункциональные.

Битумы бывают природные и искусственные. Природные (твердые или вязкие) образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти; встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они содержатся в пористых горных породах (известняках, доломитах, песчаниках, глинах, песках), называемых асфальтовыми породами. Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного сырья. В зависимости от технологии производства их делят на остаточные, получаемые из гудрона путем глубокого отбора масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

8.2. Битумы

Состав и строение

Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов, главным образом метанового (С_nН_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) рядов и их неметаллических производных (кислородных, сернистых и азотистых).

Элементарный состав битумов: 70-80% - углерод (С), 10-15% - водород (Н), 2-9% - сера (S), 1-5% - кислород (О), 0-2% -азот (N). Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов от С₉Н₂₀ до С₃₀Н_{62 .}

Углеводороды битума образуют группы веществ с более или менее сходными свойствами:

	консистенция	плотность	молекулярная масса	влияние на свойства битума
масла	жидкая фракция	< 1	100-500	придают подвиж-ность, текучесть, термопластичность
смолы	твердая или полутвердая	1	500-1000	придают вяжущие свойства, пластич-ность, адгезионные свойства
асфальтены	твердые	> 1	1000-5000	придают твердость и тугоплавкость
асфальтогеновые кислоты (до 3%)	твердые или высоковязкие	поверхностно-активная часть битума, способствует повышению прочности сцепления битума с другими материалами (повышают адгезионные свойства
парафины (должно быть. 5%)	ухудшают свойства, повышают хрупкость при пониженных температурах

Групповые углеводороды образуют сложную дисперсную коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды - раствора смол или их части в маслах и дисперсной фазы - асфальтенов с адсорбированной на них частью смол (комплексные частицы этой системы называются мицеллы).

Такой состав определяет практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние:

- нагревание до 140-170⁰С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах;

- растворение битума в органическом растворителе (для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.);

- эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

Свойства битумов

Помимо перечисленных выше общих свойств, характерных для «черных вяжущих», можно отметить специфические свойства битумов. Плотность = 0,8 -1,3 г/см³ (зависит от группового состава); теплопроводность = 0,5-0,6 Вт/(м ⁰С). Устойчивость при нагревании характеризуется потерей массы пробы при 160⁰С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240⁰С в зависимости от марки битума)

Поверхностное натяжение при 20-25⁰С составляет 25-35 эрг/см². Старение битума - изменение свойств, повышение хрупкости, снижение гидрофобности под действием солнечного света и кислорода воздуха. Реологические свойства (вязкость, предельное напряжение сдвига) битума зависят от группового состава.

Химическая стойкость - битумы стойки к действию агрессивных веществ (например, кислот), вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и др. строительных материалов.

Марки битумов определяют по комплексу показателей (табл.8.1).

Твердость (вязкость) битума находят по глубине проникания в битум иглы в битум (в десятых долях миллиметра) при температуре 25⁰С на приборе - пенетрометре;

Температура размягчения определяется на стандартном приборе “Кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой. Температурой размягчения считается температура, при которой стальной шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо.

Растяжимость битума характеризуется абсолютным удлинением (в см) стандартного образца битума (в виде «восьмерки») при температуре 25⁰С, определяемым на приборе - дуктилометре.

Таблица 8.1

Физико-механические свойства нефтяных битумов

Марка битума	Температура размягчения, 0С, не ниже	Растяжимость при 25 0С, см, не менее	Глубина проникания иглы при 25 0С, 0,1 мм
Строительные битумы
БН-50/50	50	40	41-60
БН-70/30	70	3	21-40
БН-90/10	90	1	5-20
Кровельные битумы
БНК-45/180	40-50	не нормируется	140-220
БНК-90/40	85-95	не нормируется	35-45
БНК-90/30	85-95	не нормируется	25-35

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для покрытия и восстановления рулонных кровель. Кровельные битумы используют для изготовления рулонных и штучных кровельных и гидроизоляционных материалов: рубероид, пергамин (их современные модификации), мягкая битумная черепица, наплавляемый рубероид, стеклорубероид, стекловойлок, гидростеклоизол, фольгоизол, гидроизол, изол, бризол и др. Герметизирующие материалы (герметики) на основе битумов: мастики (в т.ч. нетвердеющие), эластичные прокладки (пороизол, гернит) и др.

Битум применяется и в кровельных и гидроизоляционных материалах нового поколения. Для улучшения свойств битумных материалов используют:

- модификацию битумного вяжущего полимерами;

- новые прочные, долговечные негниющие основы (стеклоткань, полиэстер и проч.);

- новые виды бронирующих посыпок и др.