2.2. Битумные и дегтевые вяжущие, материалы на их основе
Битумы и дегти представляют собой органические материалы аморфной структуры, в состав которых входят высокомолекулярные углеводороды и их производные.
К битумным материалам относятся природные битумы – продукт естественного окисления нефти и искусственные, полученные путем заводской переработки нефти.
Дегти получают в результате сухой перегонки твердых видов топлива: каменного угля, торфа или горючих сланцев.
Применение битумов было известно давно, однако литература длительное время почти не упоминала о битумах или асфальтах. В 1300 году итальянский путешественник Марко Поло впервые указывает на залежи «жидкого асфальта» в Баку. В 1601 году делается попытка классифицировать битуминозные материалы и только в 1777 году Ле Сазе дает более или менее полную классификацию асфальтов (битумов), включая в них и нефть. В России асфальты начали применять в сороковых годах XIX столетия вначале в дорожном строительстве, затем при производстве лаков, красок и гидроизоляционных материалов.
Битумы и дегти объединяет близость состава и структуры и, как следствие, – сходство основных свойств.
2.2.1. Свойства органических вяжущих
Все органические вяжущие вещества имеют черный или темно-бурый цвет, поэтому их также называют черными вяжущими.
Битумы это сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (т.е. соединение углерода с серой, кислородом, азотом).
Свойства битумов, как органических вяжущих: пластичность при нагревании и быстро увеличивающаяся вязкость при охлаждении; гидрофобность; водонепроницаемость; стойкость к действию кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов; способность прочно сцепляться с металлом, с деревом, каменными материалами.
Природный битум – это вещество черного или темно-коричневого цвета, в природе встречается редко (в виде линз и озер). Образуется в результате естественной полимеризации нефти, отличается повышенной атмосферостойкостью и адгезией к каменным материалам.
Нефтяные (искусственные) битумы являются продуктами переработки нефти и ее смоляных осадков. В зависимости от способа переработки они подразделяются на остаточные, окисленные, крекинговые, экстрактные.
Состав битума изменяется в пределах: углерод–70-80 %; водород – 10-15 %; сера – 2-9 %; кислород – 0 – 5 %; азот – 0 – 2 %.
Для битумов принято определять групповой состав:
твердая часть (асфальтены, 15-25%) – твердые вещества темно-коричневого или черного цвета с молекулярной массой от 1000 до 5000, плотность немного больше, чем 1000 кг/м3; придают битуму твердость, теплостойкость; в твердую часть входят карбены и карбоиды (отличаются по растворимости в бензоле); парафины (повышают хрупкость при отрицательных температурах, поэтому их содержание нужно ограничить);
смолы (аморфные вещества темно-коричневого, почти черного цвета) молекулярная масса от 500 до 1000, плотность около 1000 кг/м3; придают битуму вязкость и эластичность;
масла – вещества светло-коричневого цвета, при обычной температуре находятся в жидком состоянии, молекулярная масса от 100 до 500; придают битуму подвижность и текучесть.
Свойства битумов, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: асфальтенов, смол, масел.
Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических материалов не имеют определенной температуры плавления.
Постепенный переход из твердого состояния в вязкотекучее обратим и происходит без изменения основных свойств, следовательно, битумы относятся к термопластичным органическим материалам.
Деготь – темноокрашенный жидкий продукт, обладающий низкой атмосферостойкостью. Для повышения вязкости, атмосферо- и температуростойкости в состав дегтей вводят наполнители (известняк, песок).
Так как органические вяжущие материалы абсолютно плотные, то их средняя и истинная плотность численно равны и колеблются в зависимости от состава от 800 до 1300 кг/м3.
В практике строительства наибольшее применение нашли битумы. Они гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки. Эти свойства позволяют широко использовать битумы при получении гидроизоляционных и кровельных материалов.
Срок эксплуатации битумных изделий на воздухе невелик, так как под действием солнечного света и кислорода воздуха происходит старение битумов, сопровождающееся повышением твердости и хрупкости.
В связи с этим нефтяные битумы перевозят в закрытых емкостях или бумажных мешках и хранят в специальных закрытых складах, защищенных от действия солнечных лучей и атмосферных осадков.
В связи с тем, что технология получения материалов и изделий с использованием битумов основана на его свойстве перехода при нагревании из твердого в пластичное состояние, а также учитывая условия работы кровельных материалов, для битумов согласно ГОСТ предусмотрено определение следующих теплотехнических показателей:
температуры размягчения на приборе «кольцо-шар», которая характеризует теплостойкость и степень размягчения битумов при нагревании; температуры вспышки газообразных продуктов, выделяющихся из битума при нагревании. Последний показатель необходим для отработки безопасной технологии получения материалов и изделий с использованием битумов.
Рисунок 2.6 – Прибор для определения температуры размягчения битума:
1 – стакан; 2...4- диски; 5 - термометр.
Качество битумов оценивают также по вязкости и растяжимости.
Характеристикой структурно-механических свойств битумов является вязкость. С увеличением температуры вязкость уменьшается, с понижением увеличивается. При низких температурах битум приобретает свойства твердого тела, при повышенных температурах жидких.
Для твердых и вязких битумов вязкость определяют по условному показателю глубине проникания иглы в битум при определенной нагрузке, температуре и времени погружения на приборе пенетрометре по ГОСТ 11501-78 «Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы».
Пенетрометр (рис. 2.5) состоит из металлического штатива, столика; циферблата и падающего стержня с иглой и дополнительным грузом, закрепленных на кронштейнах.
Рис. 2.5. Пенетрометр
1-столик, 2-игла, 3-зажимное устройство, 4- иглодержатель, 5-циферблат, 6-стрелка, 7-штанга, 8-кронштейн, 9-штатив, 10-зеркало, 11-подставка.
Растяжимость (дуктильность) – способность битумов вытягиваться в тонкие нити, разрывающиеся под действием приложенной растягивающей нагрузки. Растяжимость измеряют в сантиметрах.
Рисунок – 2.7 Дуктилометр
1 - маховик; 2 - ящик; 3 – подвижные салазки; 4 – неподвижные салазки; 5 – червячный винт; 6 – шкала; 7 – испытываемый образец.
Эти три основных свойства битума находятся во взаимосвязи. Твердые битумы имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, т.е. относительно хрупки. Мягкие битумы размягчаются при невысокой температуре, могут сильно растягиваться – обладают большой пластичностью.
По вышеперечисленным свойствам для битума определяют марку, условное обозначение которой включает буквы, определяющие применение битума, и цифры, характеризующие его основные свойства. Например, марки БН-90/10, БНК-90/40 – битумы нефтяной строительный и кровельный, температура размягчения которых 90 °С, вязкость 10 и 40 соответственно, БНД-130/220 – битум нефтяной дорожный вязкостью 131 – 220.
Битумы коррозионностойки по отношению к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинства агрессивных газов, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях (спирте, ацетоне, скипидаре). Это свойство позволяет применять их для приготовления антикоррозионных мастик, лаков и красок.
Механические свойства битумов зависят от температуры окружающего воздуха. При нормальной (20 °С) температуре – это, как правило, твердые, относительно пластичные материалы, при понижении температуры до отрицательной – хрупкие. С целью повышения эластичности, теплостойкости, механической прочности в органические вяжущие вводят полимерные и минеральные добавки.
Материалы на основе битума нельзя применять при действии горячей воды и жидких органических сред (масла, растворителей, нефтепродуктов).