Битумные вяжущие вещества

1. Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70 — 80%, водорода 10 — 15%, серы 2 — 9%, кислорода 1 — 5%, азота 0 — 2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С9Н20 до С30Н62. Все многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000–5000, плотностью более 1, объединенные общим названием асфальтены». В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl4, и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500–1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100–500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18–20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к маслам.

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140–170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

2. Свойства битумов

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны; Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5–0,6 Вт/(м•°С); теплоемкость — 1,8–1,97 кДж/кг•°С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5•10–4 до 8•10–4°С1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах — около 2•104°С-1. Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230–240°С — в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2–0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20–25°С составляет 25–35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са3+ и Ме+2.

Старение — процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др. (см. разд. 1).

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мощанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра).

Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар», помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума («восьмерки») при температуре 25°С, определяемым на приборе — дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.

При устройстве рубероидных кровель нельзя обойтись без битума.

Битум — это практически лишенное запаха органическое вещество черного или темно-коричневого цвета, весьма пластичное в нагретом состоянии. При нагревании битум постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние, а при охлаждении затвердевает. Битум нефтяной строительный вырабатывается окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов.

Битум представлен несколькими марками. Однако в строительстве применяется в основном битум марки 70/30, благодаря своим уникальным свойствам растяжимости и температуры размягчения.

47) К природным олигомерным и полимерным продуктам, применяемым в строительстве и других отраслях хозяйства, относятся природные смолы, ненасыщенные (высыхающие) масла, целлюлоза и некоторые белковые вещества. Для получения вяжущих веществ природные продукты, как правило, модифицируют с целью улучшения их свойств. Природные смолы — продукты растительного происхождения, содержащиеся в жидкостях, которые выделяются на поверхности коры деревьев самопроизвольно или в результате ее ранения. Смолы состоят из смеси органических высоко- и низкомолекулярных веществ. Различают молодые (свежие) смолы, собираемые непосредственно с деревьев (например, живица — сосновая или еловая смола), и ископаемые смолы — продукты жизнедеятельности давно погибших деревьев (янтарь, копалы). Молодые смолы содержат много низкомолекулярных летучих веществ, ископаемые смолы — твердые, хрупкие материалы. В строительстве чаще применяют продукты, получаемые при переработке смолы хвойных деревьев,— канифоль и скипидар (см. § 18.3). Сосновая канифоль — хрупкая стекловидная масса желтого цвета, состоящая в основном из смоляных кислот (до 90 %). При температуре 55...70° С она размягчается, а при 120° С — превращается в жидкость. Канифоль хорошо растворяется во многих органических растворителях: ацетоне, эфире, скипидаре, уайт-спирите и спирте. Растворы канифоли обладают клеящими свойствами. Применяют канифоль в качестве составной части клеящих мастик, для улучшения их адгезионных свойств. Олифы — пленкообразующие вещества на основе уплотненных растительных масел или жирных алкидных смол (подробнее об олифах см. § 18.2). Олифы применяются в качестве пленкообразующего компонента в масляных красках и как вяжущее — пластификатор в мастиках и замазках при облицовочных работах. Целлюлоза (от лат. cellula — клетка) — полисахарид — самый распространенный природный полимер, образующий стенки растительных клеток. В чистом виде в качестве органического вяжущего целлюлозу не применяют. Она практически не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Обычно используют простые и сложные эфиры целлюлозы: нитроцеллюлозу, метилцеллюлозу, кар-боксиметилцеллюлозу и др. Нитроцеллюлозу получают, обрабатывая целлюлозу азотной кислотой (до содержания азота 10...12 %), образующийся продукт называют коллоксилин. Нитроцеллюлоза легко растворяется в ацетоне, этилаце-тате; хорошо пластифицируется дибутилфталатом, камфарой. Применяют нитроцеллюлозу для получения лаков, нитроэмалей, шпатлевок и клеев. В смеси с камфарой из нитроцеллюлозы получают целлулоид. Существенным недостатком нитроцеллюлозы является то, что она легкогорючий материал. Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — порошкообразный или волокнистый продукт белого цвета, хорошо растворяющийся в воде. Образующийся с водой вязкий раствор используют в качестве клея для обоев, а также в цементных мастиках для приклеивания плиток. Карбоксиметилцеллюлоза биостойка, не токсична, стойка к действию жиров, масел и органических растворителей. Кроме строительства, карбоксиметилцеллюлозу в больших количествах используют в нефтедобывающей и горнообогатительной промышленности для повышения вязкости воды, в текстильной промышленности (как аппретирующее вещество) и в полиграфии. Белковые вещества применяют в строительстве все в меньших объемах из-за их пищевой ценности и недостаточной водо- и биостойкости. В ограниченных количествах находят применение казеин и глютин. Казеин — порошкообразный продукт, получаемый обработкой кислотой обрата (обезжиренного молока). Казеин плохо растворяется в воде, но хорошо в щелочных водных растворах. Его применяют для приготовления клеев и мастик, а также после растворения в аммиачной воде (т. е. в виде казеината аммония) для стабилизации латексов каучуков в полимерцементных материалах. Глютин (столярный клей) получают вывариванием из костей, соединительных тканей и кожи животных с последующим упариванием раствора. Поставляют глютин в виде твердых, хрупких плиток или гранул. Для приготовления клея плитки или гранулы заливают холодной водой; при этом они размягчаются и сильно набухают. В набухший глютин добавляют воду и нагревают до образования вязкого раствора — клея. При охлаждении и испарении воды клей переходит в студене-образное состояние (желируется), а затем затвердевает. Применяют глютиновый клей в столярных (отсюда название — столярный клей) и малярных работах, для приклеивания облицовочных материалов, а также в качестве замедлителя схватывания гипсовых вяжущих.

48) Заполнителями называют рыхлую смесь минеральных или органических зерен природного или искусственного происхождения. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом, образуя прочное камневидное тело. Зачем же нужны в бетоне заполнители?

1.         Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и, следовательно, позволяют резко сократить расход цемента или других вяжущих, являющихся наиболее дорогой и дефицитной составной частью бетона.

2.         Цементный камень при твердении претерпевает объемные деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и трещины. Мелкие трещины могут быть невидимы невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и долговечность цементного камня.

Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает на себя усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона примерно в 10 раз по сравнению с цементным камнем.

3.         Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность бетона, повышает его модуль упругости (т. е. уменьшает деформации конструкций при приложении нагрузки), снижает ползучесть.

4.         Легкие пористые заполнители уменьшают среднюю плотность бетона и его теплопроводность.

5.         Специальные особо тяжелые заполнители (чугунная дробь, железная руда) делают бетон надежной защитой от радиоактивного излучения.

По крупности зерен различают мелкий заполнитель (песок), состоящий из частиц размерами 0,16...5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень) с размерами частиц 5...70 мм.

Крупный заполнитель в зависимости от формы частиц называют щебнем (шероховатые частицы неправильной формы) или гравием (гладкие округлые частицы).

По происхождению заполнители бывают природными и искусственными. Природные заполнители получают путем добычи и переработки горных пород. К искусственным заполнителям относят попутные продукты промышленности (доменные и топливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые -керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и др.

В последнее время начинают использовать «вторичные» заполнители, выделяемые из отслуживших свой срок бетонных и железобетонных конструкций дроблением и рассевом.

Зерновой состав заполнителей решающим образом влияет на получение бетона заданной прочности при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен и заполнение промежутков (пустот) между ними. В идеальном случае наименьший расход цемента достигается в том случае, когда и удельная поверхность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму. Удельная поверхность тем меньше, чем больше крупность заполнителя.

В отличие от удельной поверхности объем пустот в заполнителе теоретически не зависит от крупности зерен. Для уменьшения пустотности заполнителя (параграф 4.2) в его состав вводят зерна меньшего размера, которые заполняют промежутки между более крупными частицами. Однако это увеличивает удельную поверхность заполнителя и, следовательно, может привести к перерасходу вяжущего для обволакивания зерен. Поэтому соотношение между зернами разных размеров в заполнителе должно быть оптимальным, при котором объем пустот и суммарная поверхность зерен требуют минимального расхода цемента для получения нерасслаиваемой бетонной смеси определенной удобоукладываемости, а бетон - заданной плотности и прочности.

Зерновой состав заполнителей определяют по результатам просеивания пробы через стандартный набор, включающий в себя 10 сит с отверстиями, мм: 70; 40; 20; 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16. Граница между мелким и крупным заполнителями проходит по зерну 5 мм.

Совокупность зерен, размер которых находится в пределах размеров отверстий двух соседних сит, называют фракцией за-полнителя. Заполнители поставляют полифракционными, т. е. состоящими из зерен разных фракций, и монофракционными. Например, щебень с размерами зерен 5...40 мм является полифракционным: он состоит из зерен фракций 5 (3)...10; 10...20 и 20...40 мм.

Форма зерен заполнителя влияет на удобоукладываемость бетонных и растворных смесей. Предпочтительны в этом отношении зерна округлой или кубовидной формы. Пластинчатые, удлиненные, так называемые лещадные, зерна заполнителя укладываются в бетоне в строго ориентированном положении, как правило, горизонтальном. Это делает структуру бетона неоднородной, а его свойства - неодинаковыми в разных направлениях. Поэтому содержание зерен лещадной формы ограничивается стандартами.

Шероховатость поверхности зерен заполнителей влияет на свойства бетонной смеси и прочность бетона. Бетонная смесь, изготовленная на заполнителях с гладкой поверхностью, например на гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью. Смеси на заполнителях с шероховатой поверхностью, в частности на щебне, укладываются хуже, но бетон приобретает большую прочность, чем бетон на гравии. Это объясняется лучшим сцеплением шероховатого заполнителя с цементным камнем.

От плотности заполнителей зависит плотность бетона. Для производства тяжелого бетона используют заполнители, изготовляемые из горных пород со средней плотностью 1,8...2,8 г/см3. Заполнители, у которых рс< 1,8 г/см3, отличаются заметной пористостью, тем большей, чем меньше их средняя плотность. Такие пористые заполнители используют для приготовления легких бетонов.

Прочность - важнейшая характеристика заполнителя. Ее оценивают по пределу прочности исходной горной породы в насыщенном водой состоянии. Марки породы по прочности -М20...М140. Марка означает минимальный предел прочности породы при сжатии, выраженный в МПа. Породы, у которых предел прочности меньше 20 МПа, относят к слабым разностям. Содержание слабых разностей в щебне ограничивается стандартами.

Прочность щебня и гравия характеризуют маркой, определяемой по дробимости щебня (гравия) при сжатии (раздавливании) пробы зерен в стальном цилиндре.

Чем слабее заполнитель, тем больше оказывается после такого испытания раздробленных зерен.

49)

Бетоны классифицируют по трем основным показателям: виду вяжущего вещества, средней плотности и назначению. Благодаря применению различных рецептов состава смеси, введению тех или иных добавок для бетона, использованию специальных видов вяжущего и т.п. производители могут добиться от готовой смеси требуемых характеристик и параметров.

Ещё на стадии расчета карты подбора состава бетонной смеси, технологи на производстве могут спрогнозировать - как поведет себя готовый раствор в той или иной ситуации. С довольно высокой точностью расчитываются морозостойкость, водонепроницаемость, плотность, марка и другие важнейшие параметры будущего состава. Для того чтобы прогнозы оправдались, технологи должны учесть все возможные нюансы, отвечающие за качество будущего бетона. Давайте рассмотрим основные факторы влияющие на классификацию бетонных смесей.