1.2. 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 - низкотемпературные и высокотемпературные получают при полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500-700 °С 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) (рис. 2).
Рис. 2. Схема получения дегтей
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%). Каменноугольный пек выпускают двух марок: среднетемпературный и высокотемпературный, отличающихся друг от друга температурой размягчения, зольностью и содержанием влаги.
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.
Сланцевые дорожные дегти - органические вяжущие, которые составляют от 7 до 10% количества перерабатываемых горючих сланцев. По своим техническим свойствам этот материал занимает среднее положение между нефтяными битумами и каменноугольными дегтями. Эти дегти получают путем окисления тяжелого остатка после отделения жидкого топлива от сланцевой смолы. Окисление такого остатка приводит к увеличению вязкости дегтя за счет соотношения компонентов группового состава: масла переходят в смолы, смолы - в соединения, которые принято называть свободным углеродом.
К положительным свойствам материала относится его хорошая теплоустойчивость. Это видно по поведению покрытий на сланцевом дегте - отсутствие в летнее жаркое время сдвигов и наплывов на покрытиях. К отрицательным свойствам таких дегтей надо отнести меньшую температуроустойчивость по сравнению с нефтяными битумами. При длительном разогревании сланцевые дегти резко ухудшают свои технические свойства. Сланцевые дегти также менее атмосферостойки, менее долговечны в покрытиях, чем нефтяные битумы. В сланцевых дегтях содержатся значительные количества кислородных, азотистых и полярных соединений.
Химический состав дегтя сложен, он включает более 200 различных органических соединений, в основном углеводородов преимущественно ароматического ряда и их 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 - дисперсной средой.
Стабильность этой системы нарушается при изменении оптимальных условий (например, при испарении легких фракций и в других случаях), что сказывается на изменении важных строительно-технических свойств материалов и изделий на их основе.
Свойства дегтей в основном те же, что и у битумов, но они отличаются меньшими долговечностью и погодоустойчивостью. Неустойчивость дегтей к процессам старения (низкая погодоустойчивость) связана с испарением летучих составляющих из дегтя даже при слабом нагревании (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 большого по сравнению с битумом содержания в них веществ с полярными группами отличаются повышенной способностью к прилипанию к другим материалам. Они обладают большой гнилостойкостью, чем битумы, так как содержат токсичные вещества (фенол).
Каменноугольный деготь, антраценовое масло и пек применяют в производстве дегтевых кровельных материалов, мастик, для изготовления дегтебетонов и т.п.
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).
Битумно-дегте-полимерные 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, например, 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 приготавливают в основном из двух несмешивающихся 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 (рис. 3).
Рис. 3. Классификация дорожных эмульсий
В качестве эмульгаторов при изготовлении эмульсий применяют водорастворимые органические вещества, молекулы которых ассиметрично-полярны, т.е. содержат активную полярную группу, обычно представленную гидроксилом ОН, карбоксилом СООН, группами СООNа(К) и другими и неактивную группу - обычно углеводородные цепи СН3-(СН2)n (например, натриевые соли нафтеновых кислот, лигносульфонаты кальция).
В качестве эмульгаторов при изготовлении паст используют твердые минеральные порошки (глины, извести, трепела). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3%, твердых порошков в пастах - 5-15%, а битума - 40-60%.
Эмульсии приготавливают в диспергаторах, обеспечивающих распыление подогретого битума (дегтя) в горячей воде с эмульгатором.
Существует два типа эмульсий: прямой и обратный (рис. 4). В прямом типе эмульсий дисперсионной средой служит водная среда эмульгатора, а диспергированным веществом - дисперсной фазой - мельчайшие (раздробленные - диспергированные) частицы битума или дегтя размером 1 мк, покрытые защитной пленкой эмульгатора. В эмульсиях обратного типа дисперсионной средой является битум или деготь, а дисперсной фазой -мельчайшие (раздробленные - диспергированные) капельки воды.
Рис. 4. Эмульсии типа М/В и В/М (а - прямого типа; б - обратного типа)
Основным преимуществом 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 применяются в дорожном строительстве, для устройства защитных гидро- и пароизоляционных покрытий, грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных материалов. Битумные пасты наиболее широко применяется в гидроизоляционных работах.