Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Битумные вяжущие. Учебное пособие
.pdf
Битумы в качестве противокоррозионных покрытий. Битумы водо– и газонепроницаемы, хорошо противостоят атмосферной
и химической коррозии, поэтому их применяют в качестве противокоррозионных покрытий. На основе битумных вяжущих веществ изготовляют материалы и изделия для защиты металлов от действия кислот и щелочей, кислорода воздуха при температурах 20÷60оС. Противокоррозионным материалом покрывают металлические конструкции, находящиеся в атмосфере, в воде и земле, бетонные подземные
каналы, в которых смонтированы кислотопроводы, полы в цехе, где
возможен разлив серной кислоты, вентиляционные трубы и трубопроводы.
Материалы для гидроизоляционных покрытий изготовляют в
виде мастик (замазок), растворов и бетонов, гидроизоляционных рулонных и листовых материалов, порошков и лаков. Мастики по способу применения делятся на горячие и холодные. Их применяют в качестве основного изоляционного слоя и в качестве приклеивающею
состава при нанесении рулонных (бризола, гидроизола), стекловолокнистых и других материалов, а также как изоляционный или противокоррозионный материал при строительстве магистральных газопроводов, нефтепроводов и трубопроводов для нефтепродуктов. Для улучшения свойств покрытий трубопроводов при низких температурах
рекомендуется пластифицировать окисленный битум добавлением
специальных добавок.
Другие области применения: битумов:
–строительство промышленных и гражданских зданий и сооружений;
–получение заливочных аккумуляторных мастик, электроизоляционных лент и труб;
– покрытий для изделий радиопромышленности;
– термопластических формовочных материалов, пластификаторов;
– кокса, смазок для прокатных станов, специальных покрытий
и изделий;
– коллоидных растворов, применяемых при бурении нефтяных
и газовых скважин;
– брикетирование;
– защита от радиоактивных излучений и от действия микроорганизмов;
81
В строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений битумы широко применяют в качестве связующего, водонепроницаемого, тепло– и звукоизолирующего материала. Природный
асфальт и остаточные битумы с температурой размягчения 24, 25 и
82÷110 оС и пенетрацией при 25 оС соответственно 300, (85 ÷100) и
(18÷24) 0.1 мм используют для приготовления прочных и водостойких
блоков, кирпичей, черепиц и плит. Мастики, состоящие из смеси тонкоизмельченной извести или порошкообразного природного асфальта
и битума, широко используют при настиле полов, кровельных покрытий и в качестве гидроизоляции. Битум применяют для покрытия
грунтов производственных помещений. Для устранения накопления
статического электричества к нему добавляют порошок кокса или
графита.
Битумы с температурой размягчения 137÷150оС и отношением
суммы асфальтенов и смол к маслам – > 1,4 используют в качестве
коллоидных нефтяных растворов при бурении нефтяных и газовых
скважин. Применение растворов на нефтяной основе для вскрытия
продуктивных пластов позволяет сохранить проницаемость призабойной зоны, увеличить дебит скважин и их нефтеотдачу. Растворами на
нефтяной основе пользуются для отбора керна, чтобы сохранить его
водо- и нефтенасыщенность. Исследования показали, что окисленные
битумы с температурой размягчения 150 оС из восточных нефтей
имеют оптимальные коллоидно-химические свойства, необходимые
для изготовления бурильных растворов на нефтяной основе.
Битумы применяют для биологической зашиты от γ–лучей и
потока нейтронов при эксплуатации атомных реакторов, являющихся
мощными источниками ионизирующих излучений. На битумной основе изготовляют специальные покрытия. Битумную мастику, обладающую высокой растяжимостью при низких температурах, применяют для покрытия металлических крыш [1].
82
ГЛАВА
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ
БИТУМОВ, БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ И БИТУМНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
5.1. Стандартные методы оценки качества битумов и би-
тумных вяжущих материалов
Лабораторный контроль качества битумных вяжущих традиционно проводится в соответствии с ГОСТ 22245–90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Среди стандартных методов оценки качества
битумов и битумных вяжущих определяют температуру размягчения,
температуру хрупкости, растяжимость в нить (дуктильность), глубину
проникания стандартной иглы (пенетрация).
Температура размягчения.
Температуру размягчения определяют по методу «кольцо и
шар» (метод КиШ), иногда используют метод Кремера – Сарнова.
На практике широко применяется метод КиШ по ГОСТ 11506–
78 [78]; применение находят как ручные приборы (рис. 5.1, а), так и
автоматические (рис. 5.1, б).
5
а б
Рис. 5.1. Приборы для измерения температуры размягчения битумов
по методу КиШ–02
83
Принцип
ры, при которой битумное вяжущее, находящееся в кольце заданных
размеров, в условиях испытания размягчается и, перемещаясь под
действием веса стального шарика заданной массы и диаметра, коснется контрольного диска.
Температура в момент касания испытуемого образца битумного вяжущего диска принимается за температуру размягчения битума.
Температура размягчения битума, выраженная в оС, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора в момент, когда
битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16,0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3,5 г и постепенного нагрева воды со скоростью 5 оС в минуту, коснется нижней
полки подставки. Нижняя полка подставки прибора находится на
стандартном расстоянии от кольца, равном 25 мм.
Глубина проникания иглы (пенетрация).
Этот показатель определяется при температуре (25±0,5) оС
или (0,0±0,5) оС в соответствии ГОСТ 11501–78 [79]. Пенетрацию определяют на приборе – пенетрометре (рис. 5.2) при действии на иглу
груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или груза массой 200 г при 0°С в течение 60 с [1]. Изначально для измерения пенетрации нефтебитумов применялись механические (или ручные) пенетрометры (рис. 5.2а).
В настоящее время оснащенные лаборатории нефтеперерабатывающих предприятий используют полуавтоматические (рис. 5.2б),
либо автоматические пенетрометры, резко упрощающие работу экспериментаторов и повышающие точность измерений.
Исследуемый образец битума заливается в специальную чашку
и подвергается термостатированию. Испытания битума при температуре (0,0 ± 0,5)оС производятся путем добавления льда. По окончании
термостатирования чашка с исследуемым образцом битума устанавливается на прибор. Подводится острие иглы к поверхности битума
так, чтобы игла слегка касалась ее. Игла прибора свободно входит в
испытуемый образец в течение 5 секунд, по истечении которых смотрят численное значение глубины проникания иглы в битум. Определение производят не менее трех раз.
действия приборов основан на измерении температу-
84
а б
Рис. 5.2. Пенетрометры:
а – механический; б – ПБА–1Ф полуавтоматический
Растяжимость (дуктильность).
Испытания битумов на растяжимость проводят на приборе дуктилометре по ГОСТ 11505–75 [80] (рис. 5.3). Метод заключается в определении максимальной длины нити, в которую может растянуться
без разрыва битум, залитый в форму – восьмерку, половинки которой
раздвигаются с постоянной скоростью – 5 см / мин при 25 оС.
Рис. 5.3. Дуктилометр:
1 – сосуд; 2 – уровень воды; 3 – электродвигатель; 4 – вяжущее; 5 –
линейка; 6 – нить вяжущего
Образцы битума, залитые в стандартную форму и термостатированные, устанавливаются на штифты опоры и каретки в ванне с водой, имеющей температуру (25 ± 0,5)оС или (0,0 ± 0,5) оС и подвергаются растяжению со скоростью (5,0 ± 0,25) см / мин, которая сообща-
85
подвижной каретке приводом. В момент разрыва нити образца
ется
битума визуально фиксируется показание стрелки на шкале линейки.
Температура хрупкости по Фраасу.
Сущность метода определения температуры хрупкости битумов по Фраасу заключается в охлаждении и периодическом изгибе
образца битума и определении температуры, при которой появляются
трещины или образец битума ломается [81] (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Аппарат Фрааса:
1 – сосуд Дьюара, 2 – пластинка,
3 – пробирка, 4 – устройство для сгибания пластинки, 5 – термометр;
а – начальное положение пластинки, б – конечное положение пла-
стинки
Устройство для сгибания пластинки вставляют в стеклянную
пробирку с небольшим количеством хлористого кальция. Температура
в пробирке к началу испытания должна быть не ниже 15 °С. Вводят
порциями охлаждающий агент и понижают температуру в пробирке
со скоростью 1°С / мин. Сгибать пластинку начинают при температуре, примерно, на 10°С выше ожидаемой температуры хрупкости. Сги-
86
и распрямляют пластинку равномерным вращением рукоятки со
бают
скоростью 1 оборот в секунду сначала в одну сторону до достижения
максимального прогиба пластинки, а затем в обратную сторону до
достижения исходного положения. Операцию повторяют в начале каждой минуты и отмечают температуру в момент появления первой
трещины. За температуру хрупкости принимают среднее арифметическое значение двух определений, округленное до целого числа.
Прочность сцепления битумов с минеральными материалами.
Одной из причин преждевременного разрушения дорожных
покрытий является плохое сцепление вяжущего с поверхностью минеральных наполнителей (адгезия).
Определение адгезии проводится по ГОСТ 11508 – 74(1996)
[82] методом А – «пассивное» сцепление, сущность которого заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на
предварительно покрытой им поверхности минерального материала
при воздействии воды.
Подготовленную битумоминеральную смесь в сетке выдерживают 30 минут в стакане с кипящей дистиллированной водой. Битум,
отделившийся от смеси и всплывший на поверхность воды в процессе
кипячения, снимают фильтровальной бумагой. Визуально оценивают,
какой процент минерального материала остался покрытым пленкой
битума, и сравнивают с контрольными образцами.
5.2. Инструментальные методы изучения свойств битумов
и битумных вяжущих материалов
Компонентный состав битумов определяют методом адсорбционной жидкостной хроматографии. Осаждение асфальтенов проводят сорокакратным избытком петролейного эфира (40÷70°С). Мальте-
новую часть разделяют на масла (ССℓ4 + петролейный эфир), смолы
бензольные и спирто-бензольные [83].
Структурно–групповой состав битумов и их масляных фракций исследуется методом инфракрасной Фурье спектроскопии. При
этом определяется содержание в средней молекуле битумов струк-
87
турных
групп СН2, СН3, СО, SO относительно ароматических связей
С = С, а также коэффициенты алифатичности (СН2 + СН3), окисленности (СО+SO) и разветвленности алифатических цепей (СН3 / СН2).
Поэтому для более глубокого изучения битумов необходимо
находить более рациональные методы разделения битумов на узкие
фракции, а также применять различные методы их исследования
(сольвентное фракционирование, селективная адсорбция, термодиффузия, диализ, электрическое осаждение, аддукция мочевиной, спектроскопия, микроскопия, пара– и ядерно-магнитный резонанс).
Одним из перспективных методов разделения битума на фракции по молекулярному весу является гельфильтрование.
Парафины, выделяют из битумов хроматографическим методом, методом Хольде. Хотя метод Хольде наиболее распространен,
воспроизводимость результатов анализа в разных лабораториях по
этому методу недостаточно хорошая.
При помощи элементного анализатора Перкина-Элмера в битумах можно провести элементный анализ битумов, то есть определить содержание основных элементов (С, H, N, S и О). Образцы помещаются в расходные капсулы и вводятся в камеру сгорания. Есть
возможности оптимизировать условия горения в зависимости от типа
образца и потребности анализа. Каждый элемент оценивается отдельно через несколько этапов тепловых датчиков проводимости. Цикл
анализа занимает 6 минут.
При помощи инфракрасной спектроскопии и аналитических
методов можно определять структурные характеристики молекул, содержащихся во всех фракциях битумов, в частности в асфальтеновых,
с расшифровкой типа конденсации, длины алифатических цепей, ароматичности и полярности. ИК-спектроскопию применяют также для
изучения порфиринов ванадия и никеля, содержащихся в нефтях и
битумах, для исследования кислородсодержащих функциональных
групп в окисленных битумах.
Существует также стандартный метод хроматографии битумов
при помощи бумаги, пропитанной красителями.
Методом диализа можно отделить асфальтены от мальтенов, а
также фракционировать мальтены. Совмещая методы электрического
осаждения и диализа, также можно фракционировать битумы.
Для исследования узких фракций масел, выделенных из битумов, и разделения углеводородов с прямой и разветвленной цепями
88
применяют
дов с мочевиной.
селективно–экстракционные, адсорбционные методы, гель-фильтрация и комбинирование последней с ионообменным разделением, ионообменная хроматография [84].
битумов – определения структуры их соединений.
образовывать стойкие радикалы, наличие которых определяют методом парамагнитного резонанса.
ва вводимого пластификатора.
ный резонанс. Сущность метода ядерного магнитного резонанса
(ЯМР) заключается в том, что, помещая вещество, содержащее атомы
(водорода), ядра которых обладают магнитным моментом, в сильное
постоянное магнитное поле и, накладывая на эту систему значительно
более слабое высокочастотное электромагнитное излучение, можно
при соблюдении определенных условий наблюдать резонансное поглощение энергии, происходящее на строго определенной частоте,
зависящей от положения атома (водорода) в молекуле вещества.
расчетным путем применяют метод денсиметрии, который основан на
зависимости между мольным объемом и отношением Н : С.
применяют колориметрию, спектрофотометрию, эмиссионную спектрометрию, инфракрасную и ультрафиолетовую спектроскопию, рентгеноскопию, дифракцию, масс-спектрометрию, полярографию, амперометрическое титрование, хроматографию, радиоактивный анализ.
ванных битумных вяжущих можно провести методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на калориметрах [85]. В
данном методе для исследуемых образцов битумов определяют температурные интервалы, температуры минимумов и энтальпии эндоэффектов соответствующих фазовых переходов, что в дальнейшем
позволяет делать выводы, например, о наличие или отсутствии фор-
метод, основанный на образовании аддуктов углеводоро-
Для разделения асфальтенов применяются коагуляционные,
Методы магнитохимии применяются для изучения фракций
Структуры, содержащие много конденсированных ядер, могут
Применение метода ЭПР позволяет контролировать количест-
Для изучения битумов находит применение ядерный магнит-
Для определения химической структуры компонентов битума
Для определения небольших количеств металлов в битумах
Структурно-морфологический анализ битумов и модифициро-
89
мирования
вяжущем.
ных вяжущих.
фицированного битумного вяжущего актуальным является изучение
природы взаимодействия нефтяного битума с добавками. Для этих
целей обычно используют, кроме прямых химических и физикохимических методов, рентгенографические. Методом рентгеноструктурного анализа можно установить, происходит ли химическое взаимодействие битума и измельченного модификатора, например высокомолекулярного полимера, приводящее к изменению структуры вяжущего. Рентгеноструктурный анализ проводится на дифрактометрах
(рис.5.5).
определенной структуры в модифицированном битумном
Рентгеноструктурный анализ модифицированных битум-
Для понимания химизма взаимодействия компонентов моди-
Рис
. 5.5. Дифрактограммы образцов модифицированных битумных
вяжущих
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]