УДК 691.001.8:378(07)

Строительные материалы: Учебное пособие: Ч. 3/ С.Ф. Коренькова, А.И. Хлыстов; Самарск. гос. арх.-строит. акад. Самара, 2001, 66 с.

Третья часть учебного пособия содержит следующие разделы курса по строительным материалам: «Органические вяжущие и материалы на их основе»; «Материалы на основе битумов и дегтей»; «Материалы для кровельных покрытий» и «Лакокрасочные материалы», а также список рекомендуемой литературы.

Приведены отдельные задания и примеры их оформления (решения).

Рекомендуется для студентов строительных специальностей высших технических учебных заведений.

Табл. 4. Ил. 8. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета академии.

Номер лицензии на издательскую деятельность ЛР № 020726 от 25 февраля 1998 г.

Настоящее учебное пособие не может быть полностью или частично воспроизведено, тиражировано (в том числе ксерокопировано) без разрешения Самарской государственной архитектурно-строительной академии.

Редактор: Г.Ф. Коноплина

Технический редактор: А.И. Непогодина

Корректор: Е.М. Фоменкова

Подписано в печать 15.10.01. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 4,25. Усл. печ. л. 3,9. Тираж 500 экз.

Самарская государственная архитектурно-строительная академия.

443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 194.

© Самарская государственная архитектурно-строительная академия, 2001.

Оглавление

I. Органические вяжущие и материалы на их основе 4

1.1. Битумы 4

1.2. Дегти 8

1.3. Полимеры 12

1.4. Пластмассы. Основные компоненты 16

II. Материалы на основе битумов и дегтей 19

2.1. Дорожные материалы 19

2.2. Кровельные и гидроизоляционные материалы 21

2.3. Обмазочно-уплотняемые материалы 27

2.4. Герметики 27

2.5. Погонажные изделия и трубы 30

2.6. Изделия для оборудования зданий 31

2.7. Современные полимерные покрытия полов 32

III. Материалы для кровельных покрытий 34

3.1. Состав и свойства. Мастичные материалы из расплавов 36

3.2. Состав и свойства. Мастичные материалы из растворов 37

3.3. Материалы из эмульсий 39

3.4. Рулонные основные материалы 40

IV. Лакокрасочные материалы 49

Примеры решения задач 56

Библиографический список 67

I. Органические вяжущие и материалы на их основе

Сырьем для получения органических вяжущих служат каменный уголь, нефть, нефтяные газы, торф, горючие сланцы, естественные асфальтовые породы, древесина, отходы сельскохозяйственного производства и синтезированные на их основе новые химические продукты.

Наиболее распространенными органическими вяжущими являются: битумы и дегти, природные и искусственные полимеры, сера и ее соединения.

1.1. Битумы

Битумы - общее название твердых и жидких органических веществ или продуктов их переработки, растворимых в органических растворителях и состоящих из углеводородов, а часто из их кислородных, сернистых и азотных производных. Различают природные и искусственные битумы. В генетическом отношении природные битумы представляют собой составные части осадочных горных пород.

Месторождения нефтяных битумов подразделяются на четыре типа:

- образовавшиеся в результате просачивания битума на поверхность (асфальтовые озера и др.), содержание чистого битума в них может достигать 80-90%;

- пластовые месторождения, образовавшиеся вследствие пропитывания битумом пустот, песчаников и известняков, содержат 3-10% битума, представляют промышленный интерес;

- жильные месторождения, возникшие в результате проникновения битума в трещины горных пород, содержат битум, почти лишенный минеральных примесей, имеют ограниченное распространение;

- месторождения смешанного жильно-пластового характера. Месторождения твердых битумов (асфальтов) связаны с нефте- и газоносными областями.

Нефтяные битумы получают из нефти путем обработки остатков, образующихся при ее фракционной перегонке на нефтеперерабатывающих заводах (рис. 1). 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 воздуха 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.

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 температурах и больших давлениях.

По консистенции (при температуре 18°С) битумы могут быть твердыми, обладающими упругими, а иногда хрупкими свойствами, полутвердыми (вязкопластичными) и жидкими (вязкотекучими).

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 или под навесом.

Состав и структура битумов. Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов, главным образом метанового (С_nH_2n+2) и нафтенового (С_nН_2n) 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.

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 1 г/см³, молекулярной массой 100-500. Повышенное содержание масел в битуме придает им подвижность и текучесть.

Рис. 1. Схема получения нефтяного битума

Смолы - высокомолекулярные углеводороды относятся к соединениям конденсированного строения, для которых характерна высокая полярность и, следовательно, поверхностная активность. Они обладают вяжущими свойствами. Состав углеводородов смол более сложный, чем масел. Молекулярная масса 500...1000, плотность - около 1 г/см³. Присутствие смол в битумах повышает их пластичность.

Асфальтены – высокомолекулярные твердые аморфные вещества в виде высокополициклических соединений, которые с трудом растворимы в смолах и маслах. Молекулярная масса 1000.. .5000 и более, плотность выше 1 г/см³.

Карбены и карбоиды - составляют незначительную часть битумов. Это наиболее обогащенные углеродом твердые высокомолекулярные соединения. Карбоиды нерастворимы ни в каких растворителях.

Асфальтогеновые кислоты принадлежат к группе полинафтеновых кислот. Их консистенция может быть твердой или высоковязкой. Являясь поверхностно-активной частью битумов, они способствуют повышению прочности сцепления битума с каменными материалами.

Групповые углеводороды битума образуют сложную дисперсную систему с определенной структурой и свойствами. Масла и наиболее растворимые смолы представляют собой дисперсионную среду, а асфальтены и адсорбированные на их поверхности твердые смолы служат дисперсной фазой.

При избытке дисперсионной среды комплексные частицы или мицеллы свободно перемещаются в ней.

Такая структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре или вязких битумов при нагревании. Ей соответствует реологический тип структуры - гель.

При пониженном количестве дисперсионной среды и большом количестве мицелл они образуют мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характерна для высоковязких и твердых битумов при нормальной температуре. Реологический тип такой структуры - гель.

Мицеллы битумов могут быть агрегированы и пептизированы в различной степени и в зависимости от этого образуют коллоидные системы с разными физическими свойствами (золи, золи-гели, гели). Для использования битумов в технике большое значение имеют их реологические свойства (эластичность, вязкость, тиксотропия), которые определяются, в первую очередь, структурой битумов, а также их химической природой. С увеличением количества асфальтенов пластичность битумов возрастает. На пластичность битумов влияют и сумма содержания масел и смол, и соотношение масел и смол - чем больше масел, тем сильней выражена пластичность. Эластичность битумов выявляется при достаточно большом содержании асфальтенов.

Битумы характеризуются: температурой размягчения, твердостью (пенетрацией), дуктильностью (растяжимостью).

Свойства битумов. Важнейшими свойствами битумов для их применения в строительстве являются:

• способность при нагревании до 80-170 °С или при добавлении растворителей (разжижителей) переходить в вязкожидкое состояние и склеиваться с каменными или другими строительными материалами;

• способность при понижении температуры до 20-25°С и ниже или испарении растворителей вновь загустевать и образовывать монолитный материал, с введенными в них или пропитанными и обмазанными ими миниральными материалами (асфальтовые бетоны и растворы, кровельные и гидроизоляционные материалы);

• способность придавать гидрофобные (водоотталкивающие) свойства неводостойким 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 главным образом от температуры. При повышении температуры вязкость снижается, при понижении - резко возрастает; при отрицательных температурах битум становится хрупким. По ГОСТу на методы испытаний твердых и вязких битумов вязкость, точнее текучесть (величину, обратную вязкости), определяют условным показателем - глубиной проникновения иглы в битум при определенных нагрузке, температуре и времени погружения. Чем выше вязкость битума, тем меньше глубина погружения иглы. Вязкость жидких битумов рассчитывают на стандартном вискозиметре по времени (в секундах) истечения порции битума при определенных 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 определенных температуре и скорости растяжения и выражается в сантиметрах в момент их разрыва. 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 размягчается настолько, что коснется нижней полочки этажерки стандартного прибора - «кольцо - 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 применения 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.).

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 появлению у битума хрупких свойств.

По назначению нефтяные битумы делятся на строительные, кровельные и дорожные, а по основным свойствам - на марки. Основные свойства нефтяных битумов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные свойства нефтяных битумов

Марка битума	Глубина прони­кания иглы при 25°С, 0,1 мм		Растяжи­мость при 250С, см, не менее		Температура, °С
					размягчения, не ниже	хрупкости, не выше	вспышки, не ниже
Битумы нефтяные строительные (ГОСТ 6617-98)
БН-50/50		41-60		40		50	нн*	220
БН-70/30		21-40		3		70	нн	230
БН-90/10		5-20		1		90	нн	240
Битумы нефтяные кровельные (ГОСТ 9548-98)
БНК-45/180		140-220		нн		40-50	нн	240
БНК-90/40		35-45		нн		85-95	нн	240
БНК-90/30		25-35		нн		85-95	нн	240
Битумы нефтяные дорожные улучшенные (ГОСТ 22245-98)
БНД-200/300		201-300		нн		35	-20	200
БНД-130/200		131-200		65		39	-18	220
БНД-90/130		91-130		60		43	-17	220
БНД-60/90		61-90		50		47	-15	220
БНД-40/60		40-60		40		51	-10	220

*нн - не нормируется.

Жидкие битумы различают трех классов: быстрогустеющие БГ, среднегустеющие СГ, медленногустеющие МГ. Битумы классов БГ и СГ обычно изготавливают путем разжижения вязких битумов легкими разжижителями (керосином и т.п.). Битум класса МГ получают в остатке после перегонки нефти или разжижением вязких битумов масляными продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения. Каждый класс делят в зависимости от вязкости на марки.

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 и грунтовых материалов).

Из общего количества битумов больше 60% используют в дорожном строительстве, а из оставшихся 40% больше половины применяют для изготовления кровельных материалов.