8.6. Состав, структура и свойства битумов и дегтей

Битумы и дегти – группа органических вяжущих коагуляционного твердения. Химический состав битумов и дегтей зависит от состава сырья и может быть разным даже для одной и той же марки материала, Более всего сходны битумы и дегти по элементному составу. В них повышенное содержание углерода (70… 80 %), до 15 % водорода, а также кислород, сера, азот, в среднем менее 5 % каждого.

В практике принято считать, что битумы и дегти состоят из трех компонентов: масел, смол и твердой части. Все компоненты битумов и дегтей представляют собой углеводороды и их производные. Различие межу названными компонентами состава в вязкости и средней молекулярной массе. Маслами считают вещества с молекулярной массой (M_r) примерно от 300 до 800. Для смол M_r = 800… 2000, для твердых составных частей М_r = 2000… 5000 и более. Твердые вещества битумов и дегтей приближаются по свойствам к полимерам. Твердые и вязкие дегти размягчаются при более низкой температуре, чем соответствующие битумы, так как содержат некоторое количество низкомолекулярных фенолов.

Основное влияние на свойства битумов и дегтей оказывает их структура и структурные состояния при различной температуре. Здесь принята теория мицеллярного строения битумов и дегтей, которая хорошо объясняет их основные свойства, имеющие практическое значение.

Некоторые характеристики битумов и дегтей сравниваются в табл. 8.1.

Таблица. 8.1

Сравнительная характеристика битумов и дегтей.

Битумы	Дегти
1. Химический состав
В маслах и смолах – преимущественно углеводороды метанового и нафтенового ряда и их производные. В твердой части - асфальтены, карбены, карбоиды, парафины.	В маслах и смолах – преимущественно ароматические углеводороды и их производные. В твердой части – вещества с большим содержанием углерода ("свободный углерод")
2. Строение
Схема мицеллы органического вяжущего: 1. – твердая часть, 2 – смолы (нерастворимые в маслах), 3 – растворы смол в маслах.
3.Адгезия к минеральным материалам
Хорошая адгезия к основным породам (известняк, доломит и др.), т.к. битумы содержат анионоактивные поверхностно-активные вещества (ПАВ).	Хорошая адгезия как к основным, так и кислым породам (гранит и др.), дегти содержат не только анионоактивные, но и катионоактивные ПАВ
4. Старение
Старение происходит преимущественно в результате превращения масел в смолы, а смол в твердую часть, повышается жесткость и хрупкость.	К процессам увеличения твердой части добавляется испарение жидких масел и вымывание водой фенолов. Старение происходит быстрее.
5. Токсичность и биостойкость
Битум и битумные материалы малотоксичны и соответственно недостаточно биостойки. Для повышения биостойкости к битумам добавляют антисептики.	Дегти более токсичны ввиду содержания в них ароматических соединений, в частности, фенолов. По этой же причине дегтевые материалы более биостойки, чем битумные.

Свойства нефтяных битумов.

Дегти применяются значительно реже, чем битумы, поэтому свойства битумов рассматривают обычно более подробно. Свойства битумов определяются их реологическим состоянием. На реологическое состояние битумов сильно влияет температура, а при одной и той же температуре – состав.

При комнатной температуре различают твердые, вязкие и жидкие битумы. От твердых битумов к жидким уменьшается содержание асфальтенов и возрастает относительное количество масел. Реологическая модель Максвелла (см. гл. 5) реализуется для вязких битумов. Твердые битумы могут отвечать модели типичного твердого тела, а жидкие приближаются по свойствам к обычной ньютоновской жидкости.

При повышении температуры твердые битумы становятся вязкими, а вязкие – жидкими. При понижении температуры наблюдаются обратные явления. На морозе все битумы приобретают состояние твердого тела.

Количественно определяются не реологические характеристики, а свойства, имеющие значение для практики.

Важнейшая для битумов величина – вязкость – характеризуется косвенно и по-разному для твердых, вязких и жидких битумов.

Для твердых и вязких битумов важнейшей характеристикой, зависящей от вязкости, является глубина проникания в битум иглы стандартного прибора (пенетрометра), выраженная в десятых долях мм.

Другой важный показатель свойств твердых и вязких битумов – температура размягчения – характеризует изменение вязкости с повышением температуры. Определяется условным методом на приборе "Кольцо и шар".

Третий, также по существу вязкостный показатель – растяжимость битума – характеризуется абсолютным удлинением стандартного образца-восьмерки при определенной температуре и скорости деформации на приборе, называемом дуктилометром.

Методика определения трех перечисленных важнейших свойств битумов – в руководствах к лабораторным работам.

Численные значения пенетрации (глубины проникания иглы пенетрометра), температуры размягчения и растяжимости определяют вид по применению и марку твердого и вязкого битума.

По применению различают битумы дорожные, строительные, кровельные и др. В табл. 8.2 даны обозначения марок и показателей свойств твердых и вязких битумов.

Таблица 8.2

Характеристика нефтяных битумов

Марка битума	Пенетрация при 25º, десятые доли мм	Температура размягчения, ºС, не ниже	Растяжимость, см, при 25º, не менее
Строительные битумы
БН 50/50	41… 60	50	40
БН 70/30	21… 40	70	3
БН 90/10	5… 20	90	1
Кровельные битумы
БНК 45/180	140… 300	40… 50	не норм.
БНК 90/40	35… 45	85… 95	не норм.
БНК 90/30	25… 35	85… 95	не норм.
Дорожные битумы
БНД 200/300	201… 300	35	не норм.
БНД 130/200	131.. 200	39	65
БНД 90/130	91… 130	43	60
БНД 60/90	61… 90	47	50
БНД 40/60	40… 60	51	40

Жидкие битумы получают разбавлением вязких битумов жидкими нефтепродуктами, Они бывают среднегустеющие (СГ) и медленногустеющие (МГ). Основной показатель – условная вязкость, измеряемая временем протекания 50 мл битума при 60º через отверстие 5 мм (С⁵₆₀). Примеры обозначения марок жидких битумов:

• СГ 130/200 – битум среднегустеющий, С⁵₆₀ = 130… 200 с;

• МГ 40/70 – битум медленногустеющий, С⁵₆₀ = 40… 70 с;

• МГО 70/130 – битум медленногустеющий на основе окисленного вязкого, С⁵₆₀ = 70… 130 с.