Тема 11. Бітумні та дьогтьові в’яжучі речовини та матеріали на їхній основі

Бітумні та дьогтьові в’яжучі речовини: види, властивості, сфери застосування. Асфальто- та дьогтьобетони. Характеристика матеріалів на основі бітумних та дьогтьових в’яжучих: емульсії, пасти, мастики, рулонні покрівельні матеріали, штучні вироби (плити, м’яка бітумна черепиця, каміння гідроізоляційне, збірні гідроізоляційні залізобетонні вироби). Довговічність матеріалів на основі бітумів та дьогтів і екологічні проблеми, пов’язані з їх використанням .

Бітумні та дьогтьові в’яжучі речовини: види, властивості, сфери застосування.

Бітуми й дьогті являють собою органічні матеріали аморфної структури до складу яких входять високомолекулярні вуглеводні і їхні похідні.

Застосування бітумів було відоме давно, однак література тривалий час майже не згадувала про бітуми чи асфальти. За 700 років до нашої ери у Вавилоні природний полімер-бітум застосовувався як цементуючий і водостійкий матеріал при будівництві каналу під рікою Євфрат. У 1300 р. італійський мандрівник Марко Поло вперше вказав на поклади «рідкого асфальту» в Баку. У Росії асфальти і бітуми почали застосовувати в 40-ві роки XIX ст., спочатку в дорожньому будівництві, а потім при виробництві лаків, фарб і гідроізоляційних матеріалів.Бітуми й дьогті поєднує близькість складу і структури і , як наслідок, подібність основних властивостей.

До бітумних матеріалів відносяться:

п р и р о д н і бітуми – зустрічаються у вигляді асфальтових порід, наприклад, піску, пористого вапняку, просочених бітумом (зміст бітуму від 5 до 20 %). Є родовища практично чистих бітумів, наприклад, бітумні озера на Сахаліні. Природні бітуми утворилися при розливі нафти в результаті випару з її легких фракцій і часткового окислювання киснем повітря. Світові запаси природнього бітуму більш 500 млрд. т.

а с ф а л ь т о в і породи – пористі гірські породи( вапняки, доломіти, піщаники, глини, піски ), просочені бітумом. Зі структури зазначених гірських порід екстрагують бітум чи подрібнюючі породи і одержують асфальтовий порошок;

н а ф т о в і бітуми – одержують шляхом заводської переробки нафти. Залежно від технології переробки бітуми можуть бути: о к и с л е н и м и, о с т а т о ч н и м и , к р е к і н г о в и м и.

Дьогті одержують у результаті сухої перегонки твердих видів палива: кам'яного вугілля, торфу чи нафти, пальних сланців.

Дьогтьові в'яжучі речовини підрозділяють на наступні види:

- с и р и й к а м ' я н о в у г і л ь н и й дьоготь, одержуваний коксуванням (1000⁰ - 1300⁰) чи напівкоксуванням (500⁰-600⁰), що являє собою грузлу темно-буру рідину, яка складається з насичених і ненасичених вуглеводнів і фенолу;

- в і д і г н а н и й дьоготь одержують із сирого дьогтю шляхом видалення води і легких і середніх масел. Цей процес здійснюється при температурі 300⁰-360⁰С.

- пек - твердий, залишковий продукт перегонки кам'яновугільної смоли, не розчиняється у воді, розчинний в органічних розчинниках.

За призначенням бітумні й дьогтьові матеріали бувають :

• д о р о ж н і м и ;

• г і д р о і з о л я ц і й н и м и ;

• г е р м е т и з у ю ч и м и ;

• до р о в е л ь н и м и ;

• а н т и к о р о з і й н и м и та ін.

Органічні в'язкі матеріали мають ряд позитивних властивостей: добре прилипають до поверхні мінеральних матеріалів (після відповідної підготовки), володіють достатьою пластичністю й еластичністю; відносно стійкі проти атмосферних факторів, практично нерозчинні у воді і є водовіштовхуючими (гідрофобними).

Нафтові бітуми одержують з нафти після відгону від неї фракцій до циліндрових олій включно. Якщо залишок буде мати недостатню в'язкість, то його окисляють в окислювальних установках. Нафта як вихідна сировина складається з великого числа вуглеводородів різних класів, різної структури з домішкою органічних кисневих, сірчистих і азотистих з'єднань.

Залишкові бітуми одержують у вигляді залишку після відбору з нафти летучих і частково масляних фракцій. В даний час фракціонування нафти ведуть в основному на трубчастих перегінних установках. Добута сира нафта через насосну станцію надходить у сховищі, відкіля перекачується в трубчасту піч, де нагрівається форсунками до температури 340—390° С і направляється в ректифікаційну колону для відділення бензинових, лигроінових, киросинових і солярових дистилятів. По висоті ректифікаційна колона має від 15—25 тарілок, установлених друг від друга на 0,5—0,6 м. Тарілки звичайно бувають чавунні чи сталеві диски, що мають велике число отворів зі спрямованими нагору патрубками, що прикриті ковпачками і одне чи кілька зливальних отворів з патрубками. Ковпачки мають по нижньому краю вирізні щілини. Такий пристрій дозволяє парам проходити з-під ковпачка через шар рідини, що знаходиться на тарілці. Зливальні патрубки, піднімаючись над тарілкою, забезпечують підтримання на ній шару рідини. Нижній кінець зливальної трубки опущений у шар рідини. Це створює гідравлічний затвор для потоку парів.

Більш легкі частки нафти у виді пари, проходячи знизу нагору по ректифікаційному стовпчику конденсуються в рідину і залишаються на одній з тарілок. Частина рідини стікає по зливальній трубці вниз назустріч парам що піднімаються з різних фракцій.

Нові пари, віддають частину свого тепла рідині, самі перетворюються в рідкий стан. На кожній тарілці відбувається два процеси: кипіння рідини й конденсація парів.

Рідкі частки, що збираються після багаторазового повторення процесу відводяться в приймачі. В колоні К₁ отримують головним чином легкі фракції, а на дні колони залишається мазут, що перекачується через піч П₂ у колону К₂ . Процес разгонки аналогічен роботі колони К₁, але для більш глибокого добору масляних фракцій піч П₂ і колона К₂ працюють під вакуумом. Вакуум сприяє зниженню температури кипіння масляних дистилятів, так як і в колоні К₁ на тарілках колони К₂ збираються масляні фракції, а на дні колони залишається рідкий повільно густіючий бітум.

Основні властивості та вимоги до нафтових бітумів різного призначення

	Температура		Глибина про-	Розтяжність,	Температура	Температура
	розм'якшення,		никнення гол-	см, при темпе-	крихкості, °С,	спалаху, °С,
Марка бітуму	за"КіК",°С, не менше		ки, 0,1мм, при температурі 25°С, не менше (нри0°С)	ратурі 25°С (при 0°С)	не нижче	не нижче
		Бітуми нафтові будівельні (ГОСТ 6617)
БН 50/50	50		41...60	40	не нормується	230
БН 70/30	70		21...40	3,0	-" -	240
БН 90/10	90		5...20	1,0	. "-	240
		Бітуми нафтові покрівельні (ГОСТ 9548)
БНК-40/180	37...44		160...210	не нормується	не нормується	60
БНК-45/190	40... 50		160...220	.".	. " .	60
БНК-90/30	85...95		25...35	-"-	-10	70
	Бітуми нафтові дорожні в'язкі (ГОСТ 22245)
БНД 200/300	35		201...300(45)		-20	220
БНД 130/200	40		131...200 (35)	70 (6,0)	-18	220
БНД 90/130	43		91...130 (28)	65 (4,0)	-17	230
БНД 60/90	47		61...90 (20)	55 (3,5)	-15	230
БНД 40/60	51		40...60(13)	45(-)	-12	230
БН 200/300	33		201...300 (24)	-(-)	-14	220
БН 130/200	38		131.200(18)	80(-)	-12	230
БН 90/130	41		91...130 (15)	80(-)	-10	240
БН 60/90	45		60...90(10)	70(-)	-6	240
		Бітуми нафтові ізоляційні (ГОСТ 9812)
БНИ-ІУ-3	65...75		З0...50(15)	4	не нормується	250
БНИ-ІУ	75...85		24...40(12)	3	-".	250
БНИ-У	90...100		20...40 (9)	2	-".	240

Крекінг-бітум. Спосіб фракційної прямої гонки нафти в трубчатих установках не дозволяє витягти всі найцінніші продукти, що містяться в ній у вигляді великих вуглеводородних молекул, розщіплюючи які можна одержати додаткову кількість бензино-керосинових часток. Крекінг-процес розщеплення важких нафтових продуктів відбувається під дією високої температури і тиску (термічний процес) чи під дією ;температури і каталізатора (каталітичний процес). У якості сировини для крекінг-процесу беруть мазут, солярова масло або інші важкі залишки прямої перегонки нафти. Найбільше розповсюдженим типом установок є установки термічного крекінга під тиском 40—70 кгс/см² і температурі 490—550° С.

Окислений бітум. Для подальшого окислювання нафтових залишків, отриманих у трубчастих установках, їх перекачують при температурі 200-220° С в окисні куби, де окисляють повітрям для одержання потрібної в’язкості. У результаті окислювання в бітумі зменьшується зміст масляних фракцій і збільшується кількість смол і асфальтенів. Час окислювання триває 10—50 г. залежить від інтенсивності продувки і необхідної в'язкості бітуму, темппература в окисному кубі до кінця процесу підвищується і досягає 260-265° С.

Властивості окислених бітумів залежать від якості вихідної сировини і технологічного режиму окислювання. Окислені бітуми в порівнянні з залишковими при однаковій їхній глибині проникання мають більш високу температуру розм'якшення.

В окислених бітумах у порівнянні з залишковими міститься більша кількість асфальтенів, асфальтогенових кислот до менше смол, тому що частина їх при окислюванні переходить в асфальтени.

Тверді і напівтверді нафтові бітуми застосовують для устрою дорожніх покрить, виготовлення гідроізоляційних і покрівельних рулонних матеріалів — бітумних мастик, лаків і ін., а рідкі — тільки для устрою дорожніх покрить. При використанні нафтових бітумів у будівництві необхідно вибирати марку бітуму чи суміші двох бітумів у залежності від області застосування і кліматичних умов даної місцевості.

Сланцеві бітуми - це органічні в'яжучі речовини, які одержують при нагрі­ванні горючих сланців без доступу повітря. Вони бувають в'язкі та рідкі.

За складом та властивостями сланцеві бітуми дещо відрізняються від нафтових. Так, у сланцевих бітумах більше міститься асфальтенів та смол, але менше масел, тому вони мають досить високу розтяжність при 25°С (більше 100 см). Галузі використання сланцевих бітумів майже такі самі як нафтових.

Дьогтеві в'язкі одержують як побічний продукт при переробці на хімічних заводах твердого палива (кам'яного і бурого вугілля, гарячих сланців і ін.). З цієї групи органічних в'язких найчастіше в будівництві застосовують кам'яновугільний дьоготь і кам'яновугільний пек.

Кам'яновугільний дьоготь являє собою грузлу маслянисту рідину чорного або бурого кольору. У сирому вигляді кам'яновугільний дьоготь непридатний у будівництві, тому що містить воду і летучі фракції. Із сирого дьогтю шляхом нагрівання видаляють воду, а потім відганяють легкі і середні масла, у результаті чого одержують так званий відігнаний дьоготь, який можна застосовувати в будівництві.

Пік застосовують як в'язку речовину в мастиках. Сплавляючи пек з відігнаним дьогтем чи антраценовою маслом, можна одержати складений дьоготь — найбільш придатний для будівництва. Ці суміші володіють високими властивостями, що клеять. Відігнаний і составлений дьоготь широко застосовують при будівництві доріг і виготовленні покрівельних матеріалів.

Застосування емульсії. Емульсії застосовують для підгрунтовки основ під асфальтобетонні покриття, для поверхневої обробки, зміцнення укосів земляного полотна, уходу за свіжоукладеним бетоном, для готування чорних бітумомінеральних сумішей, а також для зміцнення гравійно-піщаних сумішей, зміцнення узбіч і інших цілей.