8.1 Битумы и дёгти

Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в строительстве были битумы и дегти. Битумные материалы применяли в 1 тысячелетии до н.э. в Месопотамии при строительстве «висячих» садов Семирамиды, тоннеля под Евфратом и асфальтированных мостовых. Известно применение битумных материалов в Древнем Риме. Средневековые строители, в том числе и наши предки, применяли смолы и дегти для защиты древесины от гниения.

Хотя битумы и дегти имеют различное происхождение и несколько отличаются составом, они обладают общими характерными свойствами. При нагревании они обратимо разжижаются и в таком состоянии хорошо смачивают другие материалы, а при охлаждении отвердевают, прочно склеивая эти материалы. Кроме того, битумы и дегти водостойки и водонепроницаемы, хорошо растворяются в органических растворителях. Эти свойства позволяют использовать битумы и дегти для получения клеящих и гидроизоляционных материалов, а также для получения специальных дорожных бетонов – асфальтобетонов.

Битумы (от лат. bitumen – смола) – органические вещества черного или темно-коричневого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углевдородов и их неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При комнатной температуре битумы находятся в твердом или вязкопластичном состоянии.

В зависимости от происхождения битумы могут быть природные и искусственные (техногенные); источником образования или получения битумов и в том, и в другом случае является нефть.

Природные битумы встречаются в виде асфальтовых пород, например песка, пористого известняка, пропитанных битумом (содержание битума от 5 до 20 %). Такие породы встречаются в Венесуэле, Канаде, на острове Тринидад и др. Есть месторождения практически чистых битумов, например, битумные озера на Сахалине. Природные битумы образовались при разливе нефти в результате испарения из нее легких фракций и частичного окисления кислородом воздуха. Мировые запасы природного битума более 500 млрд.тонн.

Искусственные битумы образуются в виде остатка при получении из нефти топлива и масел – нефтяные битумы.

Битумы – сложные коллоидно-дисперсные системы, состоящие из нескольких групп веществ:

- твердые высокомолекулярные вещества (асфальтены, карбены, карбоиды), придающие битуму твердость;

- смолистые вещества, придающие битуму клейкость;

- нефтяные масла, придающие битуму вязкость и термопластичность.

Существует ряд способов получения нефтебитума: атмосферно-вакуумной перегонкой (остаточные битумы); окислением гудронов кислородом воздуха (окисленные битумы); окисление способом продувки воздухом крекинг – остатков, образующихся при переработке мазута способом крекинга, при высоких температурах и больших давлениях (крекинговые битумы); осаждением асфальтено-смолистой части гудронов пропаном (битумы диасфальтизации); переработкой кислых гудронов (кислотные битумы).

Гудрон - смослистый остаток, содержащий твердые частицы, получаемый в результате разгонки (разделения) нефти на горючие и смазочные вещества. Он является исходным сырьем для получения полутвердого и твердого битума, но может использоваться и без переработки, как жидкий битум.

Битумы делят на три типа по области их применения:

- дорожные (для асфальтобетонов);

- кровельные (для мягких кровельных материалов);

- строительные (для изготовления мастик, гидроизоляции и др.).

Каждый тип битумов в зависимости от состава может иметь различные марки (таблица 8.1).

Марки битумов определяют по комплексу показателей, основные из которых: температура размягчения, твердость и растяжимость.

Температуру размягчения определяют на стандартном приборе «Кольцо и шар» (рис 8.1). Температурой размягчения считается температура, при которой шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо.

Таблица 8.1 - Марки нефтяных битумов

Марка битумов	Температура размягчения, оС, не ниже		Растяжимость при 25оС, см, не менее	Глубина проникания иглы при 25оС, 10-1 мм
Строительные битумы
БН 50/50	50		5	41-60
БН 70/30	70		3	21-40
БН 90/10	90		1	5-20
Кровельные битумы
БНК 45/180		40-50	Не нормируется	140-220
БНК 45/190		40-50	Не нормируется	160-220
БНК 90/40		85-95	Не нормируется	35-45
БНК 90/30		85-95	Не нормируется	25-35
Дорожные битумы
БНД 200/300		35	Не Нормируется	201-300
БНД 130/200		39	65	131-200
БНД 90/130		43	60	91-130
БНД 60/90		47	50	61-90
БНД 40/60		51	40	40-60

а)

б)

в)

Рис.8.1. Определение температуры размягчения битума:

а)схема прибора «Кольцо и шар»; б) положение шарика в начале испытания; в) положение шарика в конце испытания; 1 - стакан; 2-4 - диски; 5 - термометр; 6-крепежные стержни

Твердость (вязкость) битума определяют на приборе пенетрометр (рисунок 8.2) по погружению иглы в образец битума (единица шкалы прибора 0,1 мм) при температуре 25 ^оС.

Рис.8.2. Пенетрометр:

1 - столик; 2 - игла; 3 - зажимное устройство; 4 - стержень иглодержателя;

5 - циферблат; 6 - стрелка; 7 - штанга;

8 - кронштейн; 9 - штатив; 10 - зеркало; 11 - подсветка

Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25^оС со скоростью 5 см/мин. (рисунок 8.3).

Рис.8.3. Определение растяжимости битума:

1-ящик из оцинкованной стали; 2-винт; 3-салазки; 4-гайка; 5 - образец битума; 6-неподвижная опора; 7-редуктор; 8-электродвигатель; 9-стрелка; 10-линейка (по ней фиксируется удлинение в момент разрыва)

Нефтяные битумы имеют плотное строение (плотность битумов в зависимости от состава 0,8 – 1,3 г/см³), пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемые, стойки против действия кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов, морозостойки. Они способны прочно сцепляться с каменными материалами, деревом, металлами, но растворяются в органических растворителях (хлороформе, бензине и др.). В эксплуатационных условиях под действием солнечного света и кислорода воздуха происходит старение битумов, сопровождающееся повышением твердости и хрупкости.

Транспортируют битумы в фанерных барабанах или бумажных мешках. Хранят в закрытых складах или под навесом таким образом, чтобы на битум не попадали прямые солнечные лучи. Битум – горючее вещество, поэтому при работе с ним, особенно при разогреве битума, следует соблюдать требования пожарной безопасности.

Дегти – органические вяжущие вещества вязкой или жидкой консистенции с характерным «дегтярным» запахом, получаемые как побочный продукт при сухой (без доступа воздуха) перегонке твердых видов топлива (угля, горючих сланцев, торфа, древесины и т.п.).

Деготь – один из старейших химических продуктов, получаемых человеком. С древнейших времен на Руси было развито «дегте-курение» - получение дегтя из бересты (тонкой березовой коры). Бересту нагревали без доступа воздуха до 200 -300⁰С.При этом образовывалась темная вязкая жидкость с сильным запахом. Позже стали вырабатывать деготь из древесины березы и других лиственных пород.

Деготь использовался для пропитки деревянных сооружений, лодок, рыбацких сетей, смазки сапог и т.п. Такая обработка защищала от гниения, благодаря антисептирующему и гидрофобизирующему действию дегтя. Антисептирующие свойства дегтя используются и в медицине (мазь Вишневского, дегтярное мыло и т.п.). Копчение продуктов (рыбы, мяса) также основано на обработке их продуктами сухой перегонки древесины.

В больших масштабах деготь стал производиться с конца 19 века, когда стала развиваться металлургия. Деготь является побочным продуктом при коксовании углей (высокотемпературной – до 1000⁰С обработки каменных углей с целью получения кокса).

Дегти, как и битумы, - сложная дисперсная система, состоящая из большого числа (несколько тысяч) различных углеводородов (жидких и твердых) и их неметаллических производных. Но в отличие от битума, где преобладают парафиновые углеводороды, в дегте много ароматических углеводородов и их производных (бензола, толуола, нафталина , фенола и др.). Именно они придают дегтю антисептические свойства.

Свойства каменноугольных дегтей зависят от их состава и структуры. Основным механическим свойством дегтей является вязкость, которая быстро снижается даже при незначительных повышениях температуры. Условная вязкость дегтей характеризуется временем истечения в секундах 50мл дегтя через отверстие диаметром 5 или 10мм при температуре 30 или 50⁰С.Вязкость дегтя определяется на стандартных вискозиметрах. В зависимости от вязкости дегти подразделяются на марки : Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6. Для получения дегтя требуемой вязкости нередко сплавляют два вида дегтя разной вязкости.

Биостойкость дегтей – высокая, цвет – черный, имеют специфический запах каменно-угольной смолы, токсичны. Температура вспышки дегтей 150-190⁰С., температура воспламенения 180-270⁰С.Истинная плотность каменноугольных коксовых дегтей 1,1-1,3 г/см³.

Низкая погодоустойчивость и старение дегтей происходит в связи с испарением летучих веществ; этому способствует также наличие в дегтях ненасыщенных высокомолекулярных углеводородов, которые окисляются и полимеризуются, и активных веществ. Со временем групповой состав дегтя изменяется, что приводит к потери им пластических свойств при пониженных температурах, увеличению хрупкости дегтевых материалов.

Улучшают качество дегтей введением минеральных дисперсных наполнителей в количестве до 30% ( молотого известняка и доломита, каменноугольной и цементной пыли.)Такие дегти называются наполненными. Их состав подбирают расчетом или лабораторным путем. Ненаполненные дегти выпускают двух марок: ДН-7 и ДН.

Сырой деготь практически не применяется. Его разгоняют, получая растворители, различные масла (антраценовое, креозотовое и др.) и твердообразное вещество - пек.

Пек - (от голл. рек - смола) - аморфный хрупкий при обычных тем­пературах остаток от перегонки сырого дегтя при температуре более 360 °С. Это твердое вещество черного цвета. Пек состоит из смолистых веществ, "свободного углерода", антрацена, масел и других слаболетучих соедине­ний. Каменноугольные пеки выпускают двух видов: 1) среднетемпературный марок А и Б и 2) высокотемпературный (табл. 8.2)

Таблица 8.2 - Технические характеристики каменноугольных пеков

Показатели	Среднетемпературный		Высокотемпературный твердый в виде гранул или чешуек черного цвета
	А	Б
	расплавленный или твердый в виде чешуек или гранул черного цвета
Температура раз­мягчения, °С	67-75 76-83		135-150
Зольность, %, не более	0,4 0,4		0,4
Содержание воды, %, не более в твердом в жидком	4		3
	0,5		-

Истинная плотность пеков 1,1-1,26 г/см³ , температура вспышки в от­крытом тигле 170-190 °С.

Пеки не растворимы в воде, но хорошо растворяются в скипидаре, се­роуглероде и хлороформе, имеют достаточную стойкость к растворам солей и кислот, более гнилостойки, чем битумы.

Пеки применяют для получения составного дегтя, сплавлением его с маслами и пекового лака, растворением его в ароматических растворителях.

Изменяя соотношения пека и дегтя (или антраценового масла), гото­вят составы с различными температурами размягчения и вязкостью: чем больше в смеси пека, тем выше температура размягчения и хрупкость сме­си. Отогнанный и составленный дегти широко применяют при строительст­ве дорог и изготовлении кровельных материалов, а также используют для гидроизоляции антисептирующих покрытий древесины.

Дегти менее атмосферостойки, чем битумы. Под действием солнеч­ного излучения и кислорода они окисляются, превращаясь в твердые хруп­кие продукты; это объясняется наличием в дегте, в отличие от битума, ак­тивных реакционно-способных соединений. Дегти и продукты на их основе - канцерогены, поэтому их использование в местах, где возможен их дли­тельный контакт с человеком, запрещено.

При работе с дегтями и пеком следует помнить, что они и их пары могут вызвать воспаление или аллергические реакции при контакте с кожей и, в особенности, слизистыми оболочками.

Общий недостаток битумов и дегтей - узкий интервал температур, при которых материалы на их основе обладают прочностью и эластично­стью. При понижении температуры до 0...-10 °С они становятся хрупкими, а при повышении до 40-60 °С начинают течь. Для расширения интервала эксплуатационных температур битумы и дегти модифицируют, добавляя термопластичные полимеры и каучуки.