8. Сланцевые битумы

Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие. Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных газогенераторных или туннельных печах до температуры 550°С, при этом выделяются газ, низкотемпературная смола в количестве 15 - 20 % массы сланца и полукокс.

В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин - с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо - от 180 до 225°С, дизельное топливо - от 225 до 325° С, мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций — до 300 или 325 С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум. Сланцевые битумы делят на шесть марок: от С1 до С6. По составу и свойствам они несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах, как и в нефтяных, также определяют групповой состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше.

Наличие в сланцевых битумах большого количества кислородных и азотистых соединений, а также их способность растворяться в полярных растворителях (ацетоне и спирте) указывают на повышенное содержание в них полярных соединений.

Сланцевые битумы имеют высокую растяжимость при 25°С — более 100 см, поэтому она не нормируется. Сланцевые битумы в большей степени, чем нефтяные, изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчивость их также меньше нефтяных.

Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов. Сланцевые битумы хорошо совмещаются с нефтяными, что позволяет получать смешанные (компаундированные) битумы с требуемыми свойствами.

9. Каменноугольные дегти

Каменноугольные дегти являются органическими вяжущими, по свойствам и способу получения они близки к сланцевым битумам. Их получают при деструктивной переработке каменных и бурых углей.

При производстве кокса для выплавки чугуна, а также при получении газа как топлива на коксохимических и коксогазовых заводах - каменный и бурый уголь нагревают (без или с ограниченным количеством воздуха). В результате такой переработки получают кокс или газ, а также продуктов для смолообразные вещества. В зависимости от перерабатываемого сырья получают каменноугольные торфяные и древесные дегти. В зависимости от вида сырья и технологии (коксования, газификации, полукоксования) угли нагревают до температур 600 - 1200° С без доступа воздуха. При этом протекает пирогенетическое деструктивное их разложение на газообразные жидкие и твердые вещества. Эти вещества улавливаются, конденсируются на специальных установках. В результате такой переработки получают ряд ценных продуктов: кокса 70 - 75 %, смол 5 - 10%, газа 15 - 25 %, бензола и аммиака до 2 % массы угля.

Каменноугольные смолы, предварительно очищенные от воды, зол, минеральных примесей, для получения ряда химических веществ (красителей, растворителей, масел, антисептиков и др.) подвергают разгонке на фракции: легкие до 170° С, средние 170 - 270°С, тяжелые 270 С, антраценовые 300 - 360°С и в остатке получают пек. В зависимости от технологии и назначения каменноугольный пек выпускают трех марок с температурой размягчения 65 - 75°С (Л), 76 - 83°С (Б) и 135 - 150°С (В). Пек представляет собой твердые хрупкие чешуйки или гранулы черного цвета. По составу пек содержит высококонденсировакные карбо- и гетероцикличес­кие соединения, гетероатомы, активные функциональные группы.

Для дорожного строительства применяют дегти: отогнанные, которые образуются при отборе из сырой смолы летучих веществ при ее фракционной перегонке до получения вязкости, соответствующей вязкости дорожного дегтя; составленные, изготовленные смешением горячего пека и антраценового масла или других жидких дегтевых материалов, в пропорции, которая обеспечивает необходимую вязкость дорожного дегтя.

Наибольшее распространение получили составленные дорожные дегти. Это объясняется несложной технологией заводской переработки сырой смолы и лучшим использованием отдельных фракций для выделения ценных веществ. Кроме того, добавление масел к пеку в условиях изготовления такого дегтя на строительной площадке не требует специальных транспортных средств. Недостатком этого способа является необходимость дозирования и смешения компонентов на месте работ, в то время как составленные дегти заводского изготовления и отогнанные дегти доставляют на строительство в готовом виде.

В качестве жидкой составляющей (разжижителя) для пека используют антраценовое масло и пековый дистиллят, а в ряде случаев — каменноугольные смолы.

В связи с возросшим потреблением пека (для электроизоляции и др.) представляет интерес получение дорожных дегтей методом термической пластификации и терморастворения горючих сланцев, "молодых" углей — сапропелитов, кеннелей. Если при коксовании только 10 - 15 % угля переходит в смолистые продукты, то при терморастворении 60 - 70 % массы угля можно перевести в термопластичный материал. Для терморастворения угли измельчают (до частиц не более 0,3 мм), нагревают до температуры 300 - 400° С, смешивают с растворителем (каменноугольным маслом) и пе­ремешивают. При этой температуре происходит деструкция угля и взаимодействие ею с углеводородами растворителя, в результате получают продукты для приготовления дегтя требуемых свойств.

Вязкость каменноугольных дегтей зависит от структуры и количественного соотношения жидкой и твердой фаз. С повышением содержания свободного углерода и твердых смол при соответствующем уменьшении количества масел вязкость дегтей повышается. Вязкость каменноугольных дегтей определяется стандартным вискозиметром по времени истечения 50 мл дегтя через отверстия диаметром 5 или 10 мм при температурах 30 и 50°С. В зависимости от показателей свойств и состава каменноугольные дорожные дегти разделяют на шесть марок: Д1 – Д6.

Пластичность дегтей низкая и обусловливается небольшим количеством в них вязкопластичных компонентов и нали­чием свободного углерода.

Теплоустойчивость каменноугольных дегтей меньше, чем нефтяных битумов. Так, например, интервал пластичности (превращения) у дегтей составляет < 40°С, а у битумов > 50°С. Пониженная теплоустойчивость дегтей объясняется их более грубой дисперсностью и повышенной плавкостью смол. В отличие от нефтяных битумов с уменьшением вязкости дегтей коэффициент теплоустойчивости их повышается вследствие уменьшения содержания нетеплоустойчивых плавких смол и увеличения содержания более теплоустойчивых масел. Увеличение содержания грубодисперсного свободного углерода значительно повышает теплоустойчивость дегтей.

Прилипание каменноугольных дегтей к поверхности минеральных материалов несколько лучше, чем большинства разновидностей нефтяных битумов, вследствие того, что они содержат большое количество веществ с полярными группами.

Погодоустойчивость дорожных каменноугольных дегтей обусловлена характером содержащихся в них химических соединений. Склонность дегтя к старению устанавливают путем определения фракционного состава. С помощью специального прибора деготь перегоняют, отбирая фракции, выкипающие до 170, 270, 300°С.

Эти фракции относятся к летучим маслам. Они легко испаряются в период эксплуатации покрытия. Остаток дегтя после отбора указанных фракций должен обладать оптимальной вязкостью и теплоустойчивостью, характеризуемой температурой размягчения.

Большинство высокомолекулярных углеводородных веществ, которые входят в состав дегтей, имеют ненасыщенный характер. Они сравнительно легко вступают во взаимодействие с веществами окружающей среды (кислородом воздуха), образуя более сложные химические соединения. Этот процесс ускоряется при действии высоких температур, ультрафиолетовых лучей. В результате совместного протекания процессов испарения масел и химического видоизменения компонентов дегти стареют более интенсивно, чем нефтяные битумы.

Некоторое повышение погодо- и теплоустойчивости дорожных дегтей достигается введением добавок дисперсных каменных материалов (молотых известняков, доломитов, шлаков), а также каменноугольной пыли. Дегти с такими добавками называются наполненными.

В зависимости от способа обработки дорожных покрытий применяют дегти следующих марок:

Д-1 - для обеспыливания дорог и поверхностной обработки дорожных покрытий и оснований;

Д-1 и Д-2 — для обработки грунтово-гравийных и щебеночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии;

Д-3 и Д-4 — для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии;

Д-5 и Д-6 — для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дегтебетона и щебеночных смесей в смесительных установках;

Д-6 — для глубокой пропитки щебеночных дорожных покрытий, изготовления горячего дегтебетона.

Применять дегти в городских условиях для устройства дорожных покрытий запрещено санитарными нормами.