- •«Ухтинский государственный технический университет» (угту)
- •Строительные материалы
- •Ухта 2011
- •Оглавление
- •Вводная часть
- •1. Основы строительного материаловедения
- •1.1 Физические свойства: плотность, пористость, водопоглощение,
- •1.2 Механические свойства: пластичность, упругость, прочность,
- •2. Происхождение сырья и его классификация
- •2.1 Отходы промышленной продукции
- •3. Строительные материалы, полученные термической обработкой
- •3.1 Керамические материалы
- •3.2 Стекло
- •3.3 Металлы
- •4. Неорганические вяжущие материалы
- •4.1. Воздушные вяжущие вещества
- •4.2 Гидравлическая вяжущие вещества
- •4.3 Цементные растворы
- •4.4 Цементные бетоны
- •5. Строительные материалы на основе органического сырья
- •5.1 Древесные материалы
- •5.2 Битумы
- •5.3 Дёготь
- •5.4 Полимеры
- •5.5 Пластмассы
- •6. Строительные материалы специального функционального назначения
- •6.1 Гидроизоляционные материалы
- •6.2 Теплоизоляционные материалы
- •6.3 Акустические материалы (звукоизоляционные)
- •6.4 Кислотостойкие материалы
- •6.5 Жароупорные материалы
- •6.6 Радиационностойкие материалы
- •6.7 Отделочные материалы – красочные композиции
- •7. Строительные материалы в конструкциях зданий и сооружений
- •7.1 Алюминиевые изделия
- •7.2 Для стальных конструкций
- •7.3 Железобетонные конструкции
- •7.4 Деревянные конструкции
- •7.5 Полимерные конструкции
- •Строительное материаловедение
- •169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
- •169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
5.2 Битумы
Высокомолекулярные углеводороды, образующиеся в небольших отложениях в природе, а также специально получаемые при высокотемпературной перегонке нефтепродуктов. Природные битумы встречаются в виде густых тёмных жидкостей, пропитывающих горные породы. Если они содержат минеральных примесей более 20%, их называют природными асфальтами. Без минеральных включений – это высокоплавкие образования, называемые асфальтитами. Они образовались в результате сгущения нефти и окислительных процессов на поверхности. Асфальтиты отличаются высокой атмосферостойкостью и хорошей адгезией к каменным материалам. Их используют при изготовления лучших битумных лаков для покрытия металлических поверхностей.
Искусственные битумы – это полутвёрдые остатки от переработки нефти и её производных. С помощью высокотемпературного отбора лёгких фракций (лигроина, керосина, масел и смол) получают остаток с большим содержанием твёрдых фракций – битум. Если из него забирают ещё оставшиеся в небольшом количестве масла и смолы, получают пек (твёрдый углерод). И природные и искусственные битумы – это коллоидные системы, в которых диспергированы твёрдые частички углерода (карбены), имеющие размер 18-20 мкм и плотность более 1 г/см3, окружённые оболочкой (как капсула) аморфной структуры – смолой, плавающие в масле. Масляная составляющая называется нафтенами (ρ < 1). Вещественный состав битумов: масла – 45-65%, смолы – 15-30%, асфальтены (углерода) – 10-30%. Свойства битумов зависят от соотношения этих компонентов. Кроме того содержится парафин, ухудшающий свойства, а также сернистые и азотистые производные.
Чем больше асфальтенов и смол, тем больше твёрдость и температура размягчения битума. Чем больше осталось масла, тем пластичнее битум и ниже температура размягчения.
В зависимости от количества твёрдых частиц, масла и смол различают три структуры битумов: твёрдые, полутвёрдые и жидкие. При составлении композиционных материалов на битумной основе учитывается их структура. Так, для мелкозернистого или песчаного раствора используют твёрдый битум, для асфальтобетона с большим содержанием щебня – мягкие сорта.
Марку битума определяют по показателям твёрдости, температуры размягчения и растяжимости на специальных приборах при нормальной температуре в лаборатории.
В рабочее состояние твёрдые битумы приводят расплавляя их. При температуре 140-170°С увеличивается растворимость смол в маслах. Этой температуры достаточно, чтобы перевести битум в рабочее (жидкое) состояние. При температуре 230-240°С может произойти вспышка. Есть и другие способы перевода битумов в рабочее состояние – растворение в органических растворителях и эмульгирование. Растворением в нефтепродуктах (лигроине, керосине и др.) получают холодные битумные растворы. С помощью эмульгирования получают пасты и эмульсии для покрытия тонким слоем защищаемой поверхности.
По области применения битумы разделяют на строительные, кровельные и дорожные.
Для использования в строительстве у битумов особенные свойства:
твёрдость и прочность при нормальной температуре в сочетании с пластичностью;
образование водонепроницаемой плотной структуры в сочетании с гидрофобностью;
морозостойкость и химическая стойкость в сочетании с легкостью нанесения покрытия;
невысокая вязкость при повышении температуры, позволяющая легко проникать в поры другого материала и, остывая там, придавать материалу водонепроницаемость.
К недостаткам битума относят: хрупкость при отрицательной температуре, недостаточные температуро- и биостойкость. Под действием солнечного света и кислорода воздуха все углеводороды «стареют», т. е. уменьшается количество масла и смол, рвутся углеводородные связи, битум становится хрупким, снижается его гидрофобность. Поэтому битумные составы модифицируют (улучшают), вводя в состав полимеры, придающие большую эластичность, морозоустойчивость, а также ПАВ и антисептики для биостойкости.
Так как в составе битумов присутствуют асфальтогеновые кислоты, обладающие свойствами ПАВ (анионактивные вещества), битум образует прочные связи с катионами Са2+, Mg2+, т. е. с карбонатными породами. Порошки карбонатных пород стабилизируют состав, защищая от прямых солнечных лучей, и они в составе обязательны.
Плотность битумов – 0,8-1,3 г/см3, устойчивость при нагревании или температуру размягчения определяют на приборе «Кольцо и шар». Чем больше масел в составе, тем более легкоплавкий битум: температура размягчения tР = 45-95°С.
Твёрдость или глубину проникания иглы в образец битума определяют на пенетрометре (1-300 мм), растяжимость – на дуктилометре (1-40 см).
Битум растворяется в органических растворителях. Применяется он для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб, но битум надо оберегать от контакта с концентрированными растворами кислот и окислов азота.
По объёму использования больше всего (60%) битума идёт в дорожные композиции: асфальтобетоны и растворы для покрытия дорог, пола, взлётных полос. Обозначают дорожный нефтяной битум – БНД 90/50 (в числителе – температура размягчения, в знаменателе – глубина проникания иглы в мм).
Кровельные битумы (около 20%) идут на изготовление рулонных и штучных гидроизоляционных материалов, обозначают эту марку – БНК 45/180.
Строительные битумы (около 20%) идут на приготовление мастик, растворов, паст, изоляционных, антикоррозийных составов. Обозначают марку – Стр БН 70/50.
Чтобы сделать асфальтобетон, сначала готовят асфальтовое вяжущее, затем на его основе асфальтовый раствор. Асфальтовое вяжущее – это однородная смесь, состоящая из наполнителя и матрицы – битума (Б/Н), где его всего 15-20%. В качестве наполнителя используют тонкомолотый (70% < 0,07 мм) минеральный порошок карбонатной породы (доломит, известняк, основные шлаки и др.). Минеральный наполнитель повышает температуру размягчения смеси, защищает битум от ультрафиолетового спектра излучения, стабилизирует смесь.
Битум в асфальтовом растворе должен быть однородно распределён в виде непрерывных плёнок, адсорбирован частицами наполнителя. Чтобы сделать асфальтовый раствор, количество асфальтового вяжущего берут равным объёму пустот мелкого заполнителя (песок) с небольшим избытком. Приготовленный раствор также берут в количестве равным объёму пустот уже крупного заполнителя, с избытком 10-15% так, чтобы содержание битума в асфальтобетоне было от 5,5 до 7,7%. Когда его больше или когда не хватает тонкозернистого карбонатного наполнителя, асфальтобетон становится мягким и недолговечным. Основные свойства асфальтобетона зависят от качества асфальтового вяжущего и соотношения битум наполнитель (Б/Н).
Пористость асфальтобетона – от 5 до 7%, прочность при 20ºС – 2,2-2,4 МПа. По условиям укладки асфальтобетоны бывают горячие и холодные. Горячие укладывают при температуре 140-165ºС, холодные приготавливают горячими, охлаждают до 60ºС и укладывают при нормальной температуре. Уплотняют обязательно трамбованием, укатыванием, виброуплотнением, разглаживанием, литьём. Чем меньше пористость, тем долговечнее покрытие.