И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Битумные и дегтевые вяжущие
Общие сведения и классификация
Битумные и дегтевые вяжущие вещества представляют собой смесь высокомолекулярных органических соединений, получаемых из нефти, горючих сланцев, каменного угля, древесины, торфа или из битуминозных пород. Они хорошо сцепляются со щебнем, гравием, песком, бетоном, стеклом, имеют высокую водонепроницаемость, атмосферостойкость.
Природные битумы, асфальт применяют в строительстве с давних времен. В Египте и Вавилоне более 4 тысяч лет назад природный битум служил связующим при строительстве каменных сооружений, для гидроизоляции стен, каналов. С середины ХIХ столетия использовался для устройства дорожных покрытий. В настоящее время битумы и дегти применяются для приготовления битумных и дегтевых эмульсий и паст, асфальтовых и дегтевых бетонов, для изготовления кровельных, гидроизоляционных и пароизоляционных материалов, антикоррозионных лаков, для укрепления грунтов.
Битумы
Битумами называются сложные смеси углеводородов и их производных, т.е. соединения высокомолекулярных углеводородов с кислородом, азотом, серой. Они бывают природные и искусственные. Искусственные, в свою очередь, подразделяются на нефтяные, сланцевые, угольные, торфяные. В строительстве применяются в основном нефтяные битумы.
Состав. Нефтяные битумы содержат от 84 до 87 % углерода, до 15 % водорода, до 2 % кислорода, до 1,5 % серы, доли процента азота и следы металлов. Групповой их состав следующий: масла, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, парафины.
Содержание масел составляет 35–60 % по массе. Истинная плотность их менее 1 г/см3. Они являются растворителями для твердых частей и определяют консистенцию битумов.
Содержание смол составляет 20–40 %. Истинная плотность их около 1 г/см3. Это твердые и полутвердые вещества, растворимые в бензине, бензоле. Они придают битуму эластичность, водоустойчивость.
Содержание асфальтенов составляет 4–35 %. Это твердые кристаллические вещества с истинной плотностью более 1 г/см3. Они повышают теплоустойчивость, вязкость и твердость битумов. Под действием солнечного света стареют, могут образовывать хрупкие вещества, что приводит к разрушению битумов.
Содержание карбенов и карбоиды составляют до 3 %. Это твердые вещества. Карбены по составу близки к асфальтенам. Они не растворимы в бензоле и растворимы в сероуглероде. Карбоиды не растворяются в известных растворителях. Карбены и карбоиды повышает вязкость и хрупкость битумов.
Асфальтогеновых кислот и их ангидридов содержится в битумах до 3 %. Они обладают поверхностно-активными свойствами. Повышают адгезию битумов к каменным материалам.
Содержание парафинов составляет 6–8 %. Они относятся к твердым метановым углеводородам. Снижают пластичность и увеличивают хрупкость битумов.
Битум представляет собой коллоидную систему, в которой раствор смол в маслах является дисперсной средой, а дисперсной фазой – асфальтены, карбены и карбоиды. На поверхности макромолекул асфальтенов адсорбированы асфальтогеновые кислоты.
Солнечная радиация, высокие температуры, кислород воздуха в процессе эксплуатации изменяют групповой состав битумов. Масла переходят в смолы, смолы в асфальтены, что влияет на структуру и свойства битумов.
Основные свойства. Основными свойствами битума являются адгезия, вязкость, растяжимость, твердость, хрупкость, старение.
Адгезия (прилипание) – прочность сцепления битума с каменными материалами. Она зависит от природы битума и минерального материала. Степень прилипания оценивают способностью битума удерживаться на поверхности минерального материала при воздействии кипящей воды.
Вязкость битума является основной характеристикой его структурно-механических свойств. Она оценивается условным показателем твердости или вязкости. С повышением температуры вязкость уменьшается, с понижением – увеличивается. При низких температурах битум приобретает свойство твердого тела.
Твердость вязких и твердых битумов определяется по глубине погружения иглы под нагрузкой 100 г в течение 5 с при температуре 25 0С или под нагрузкой 200 г в течение 60 с при 0 0С. Она должна быть в интервале от 5 до 300 0,1 мм.
Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения в секундах 50 мл вяжущего при температуре 60 0С через калибровочное отверстие диаметром 5 мм. Она должна находиться в интервале от 25 до 200 с.
Растяжимость характеризуется способностью битума вытягиваться в тонкие нити. Определяется испытанием битумных образцов при температуре 25 0С и скорости растяжения 5 см/мин. Растяжимость вязких и твердых битумов находится в интервале от 1 до 65 см.
Температура размягчения характеризуется способностью битума переходить из вязкопластичного состояния в жидкое при определенной температуре. Определяют ее на специальном приборе «кольцо и шар». Она соответствует температуре, при которой стальной шар массой 9,5 г проходит через заполненное битумом кольцо диаметром 15,7 мм. Она должна быть в интервале от 33 до 105 0С.
Твердость, вязкость и температура размягчения битума зависит от содержания в нем асфальтенов и смол.
Хрупкостью называется способность битума при определенной температуре переходить из упруго-пластичного в твердое или жидкое состояние. Определяют ее по температуре, при которой в изгибаемом слое битума на металлической пластинке при охлаждении с одной стороны не появятся трещины. Температура хрупкости для дорожных битумов должна быть в интервале от –20 до –6 0С.
Старение битумов характеризуется изменением их свойств. В результате воздействия на битум кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, испарения легколетучих углеводородов масла переходят в смолы, смолы в асфальтены. Накопление асфальтенов уменьшает пластичность и повышает хрупкость битумов.
Природные битумы получают из битуминозных горных пород с содержанием битума от 10 до 80 %. Битум образовался из нефти в результате удаления легких фракций и окисления более тяжелых фракций. Минеральным остовом таких пород являются песчаники, доломиты, глинистые грунты.
Извлекают природный битум из песчаника водной вываркой. Горную породу измельчают до зерен размером 6--10 мм и кипятят в воде с добавкой соляной кислоты, которую вводят для лучшего отделения битума от минеральных частиц. Всплывший в виде пены битум вычерпывают и в отстойниках отделяют от воды. При необходимости битум сгущают продувкой воздуха.
Из известняков и доломитов битум извлекают экстрагированием органическими растворителями. Измельченную горную породу смешивают с органическим растворителем. Чаще всего применяют дешевый трихлорэтан, в котором битум растворяется, а затем его извлекают выпариванием растворителя.
Применяют природный битум для изготовления лаков, клеящих мастик.
При малом содержании битума в горной породе ее экономичнее измельчать и применять в виде асфальтового порошка в асфальтобетонах, мастиках, антикоррозионных покрытиях.
Нефтяные битумы получают из нефти. Нефть – сложная смесь углеводородов с примесью органических кислородных, сернистых и азотистых соединений. Битумы получают из остатков после отгонки из нефти летучих дистиллятов. По способу получения их разделяют на остаточные, крекинговые и окисленные.
Остаточные получают после отгонки легких фракций бензина, керосина, дизтоплива, масел. Остатком является мазут или гудрон, из которых при помощи глубокого вакуума и перегретого пара при температуре 300– 350 0С получают битум.
Крекинговые битумы образуются в результате расщепления молекул тяжелой части нефти на более легкие углеводороды при температуре 420– 650 0С. Крекинг-остаток применяется как жидкий битум для изготовления дорожных битумов.
Окисленные битумы получают продувкой воздуха через остаточные и крекинговые битумы при температуре 230–290 0С. Эти битумы имеют повышенное содержание асфальтенов и более теплоустойчивы.
В зависимости от физико-механических свойств нефтяные битумы подразделяются на твердые, вязкие и жидкие.
Твердые битумы подразделяются на строительные, кровельные и изоляционные.
Строительные битумы выпускают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Их применяют для устройства гидроизоляций, кровельных работ, иногда используют для изоляции нефте- и газопроводов.
Кровельные битумы выпускают марок БНК 40/180, БНК 45/195 и БНК 90/30. Их применяют для изготовления кровельных материалов. Битумы марок БНК 40/180 и БНК 45/195 – для пропитки кровельного картона, битум марки 90/30 – для покровных слоев. Первая цифра дроби обозначает температуру размягчения битума в 0С, вторая – твердость (глубину проникновения иглы в 0,1 мм).
Битумы изоляционные выпускают марок БНИ–IV, БНИ–V и БНИ–IV-3 (зимний). Они характеризуются повышенной химической стойкостью, имеют хорошее сцепление с металлом, сохраняют пластичность при отрицательной температуре. Применяют для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии.
Вязкие битумы выпускаются следующих видов: битумы нефтяные дорожные марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200 и БН 200/300; битумы модифицированные дорожные марок БМА 50/70, БМА 70/100, БМА 100/130, БМП 100/150, БМП 150/200, БММ 130/150; битумы для верхнего слоя дорожного покрытия марок БД 200/300, БД 130/200, БД 90/130, БД 60/90, БД 40/60.
Цифры дроби указывают на глубину погружения иглы при 25 0С в 0,1 мм.
Битумы БНД, БМА, БМП, БД являются улучшенными. Они имеют хорошее сцепление с каменными материалами, пониженную хрупкость при отрицательных температурах, стойки при воздействии климатических факторов. Вязкие битумы применяют в дорожном строительстве. Свойства твердых и вязких битумов приведены в таблице 14.1.
Таблица 14.1 – Технические характеристики твердых и вязких битумов
| Марка битума | Глубина проникновения иглы, 0,1 мм | Температура, 0С | Растяжимость, см | Эластичность при 13 0С, не менее | |||||||||||
| при 25 0С | при 0 0С | размягчения, не ниже | вспышки, не ниже | хрупкости, не выше | при 25 0С | при 0 0С | |||||||||
| Битумы нефтяные строительные (ГОСТ 6617-76) | |||||||||||||||
| БН 50/50 БН 70/30 БН 90/10 | 41–60 21–40 5–20 | – – | 50–60 70–80 90–105 | – – – | – – – | – – – | |||||||||
| Битумы нефтяные кровельные (ГОСТ 9548-74) | |||||||||||||||
| БНК 40/180 БНК 45/190 БНК 90/30 | 160–210 160–220 25–35 | – – – | 37–44 40–50 80–95 | – – –10 | – – – | – – – | – – – | ||||||||
| Битумы нефтяные изоляционные (ГОСТ 9812-74) | |||||||||||||||
| БНИ IV-3 БНИ-V БНИ-V | 30–50 25–40 20–40 | 65–75 75–85 90–100 | – – – | – – – | – – – | ||||||||||
| Битумы нефтяные дорожные вязкие (ГОСТ 22245-90) | |||||||||||||||
| БНД 200/300 БНД 130/200 БНД 90/130 БНД 60/90 БНД 40/60 БН 200/300 БН 130/200 БН 90/130 БН 60/90 | 201–300 131–200 91–130 61–90 40–60 201–300 131–200 91–130 60–90 | –20 –18 –17 –15 –12 –14 –12 –10 –6 | – – | 3,5 – – – – – | – – – – – – – – – | ||||||||||
| Битумы модифицированные дорожные (СТБ 1220-2000) | |||||||||||||||
| БМ А50/70 БМ А70/100 БМ А100/130 БМП 100/150 БМП 150-200 БММ 130/150 | 50–70 71–100 101–130 101–150 151–200 130–150 | – – – – – – | –20 –20 –21 –23 –23 –23 | – – – – – – | |||||||||||
| Битумы нефтяные для верхнего слоя дорожного покрытия (СТБ - 1062-97) | |||||||||||||||
| БД 200/300 БД 130/200 БД 90/130 БД 60/90 БД 40/60 | 201–300 131–200 91–130 61–90 40–60 | –20 –18 –17 –15 –12 | – | 3,5 – | – – – – – | ||||||||||
Жидкие битумы подразделяются на два класса: среднегустеющие (СГ), медленногустеющие (МГ) и имеют следующие марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200; МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200. Число дроби указывает на условную вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 0С.
Свойства битумов приведены в таблице 14.2.
Таблица 14.2 – Технические характеристики жидких битумов
| Марка битума | Условная вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 0С | Количество испарившегося разжижителя, %, не более | Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, 0С, не ниже | Температура вспышки в открытом тигле, 0С, не ниже |
| СГ 40/70 СГ 70/130 СГ 130/200 МГ 40/70 МГ 70/130 МГ 130/200 МГО 40/70 МГО 70/130 МГО 130/200 | 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 | – – – | – – – |
Для изготовления жидких битумов применяют вязкие дорожные битумы с глубиной проникновения иглы не более 90 0,1 мм.
Среднегустеющие битумы получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами. Их применяют во всех дорожно-климатических зонах для строительства капитальных и облегченных дорожных покрытий, оснований под покрытия.
Медленногустеющие битумы получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, битумы получают из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов, а также их смесей. В качестве медленногустеющих битумов могут применяться природные тяжелые смолистые нефти.
Жидкие битумы при обычной температуре находятся в жидкотекучем состоянии. Применяют их подогретыми до 100 0С или холодными при 15–20 0С для приготовления холодного асфальтобетона во II–V дорожно-климатических зонах для дорожных покрытий облегченного типа и оснований.
Сланцевые битумы получают из сланцевой смолы после отгонки легких фракций, которая образуется из горючих сланцев при нагревании их без доступа воздуха при температуре около 550 0С. Сланцевые битумы менее теплостойки, быстрее стареют, имеют резкий запах. Их рекомендуют применять для дорожных покрытий вне населенных пунктов.
Дегти
Дегтями называют органические вяжущие вещества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических производных кислорода, азота и серы. Их получают при нагревании твердых видов топлива без доступа воздуха. В зависимости от исходного сырья они подразделяются на каменноугольные, торфяные, сланцевые. Сланцевые дегти чаще называют битумами.
В строительстве в основном применяют каменноугольные дегти, получаемые при коксовании и газификации каменного угля. Они имеют более высокие строительные свойства по сравнению с другими видами.
Изготавливают их следующим образом.
Вначале получают сырой каменноугольный деготь. Коксовую печь загружают шихтой из обогащенных каменных углей и нагревают без доступа воздуха до 1100–1200 0С, удаляя из угля летучие вещества. В холодильниках происходит конденсация сырой каменноугольной смолы и аммиачной воды и затем в отстойниках сырая смола частично отделяется от аммиачной воды.
В газовых печах при 1250–1300 0С образуется сырая смола.
Сырой деготь быстро стареет, поэтому его перегоняют.
При нагревании до 100 0С испаряется вода, при 170 0С – легкое масло, при 270 0С – среднее масло, при 270–300 0С – тяжелое шпалопропиточное масло и при 360 0С самое тяжелое антраценовое масло.
После окончания перегонки остается пек – твердое или вязкое аморфное вещество черного цвета, из которого после разжижения антраценовым маслом получают дорожные дегти. Применяют его также при изготовлении кровельных материалов и пекового лака (кузбасслака) для защиты металлических конструкций от коррозии.
Дегти обладают хорошей прилипаемостью, имеют высокую биостойкость. Погодоустойчивость низкая и они быстро стареют в связи испарения летучих веществ.
Для улучшения свойств дегтей в их состав вводят серу или серосодержащие материалы. Улучшают их качество введением молотого известняка, доломита, каменноугольной и цементной пыли.
Основной характеристикой дегтей является вязкость, по которой они подразделяются на шесть марок: Д-1, Д-2, Д-3, Д-4, Д-5, Д-6. Деготь марки Д-1 применяют для укрепления грунтов и обеспыливания дорог; марок Д-2, Д-3 и Д-4 – для получения органоминеральных смесей, которые применяют при устройстве оснований и покрытий автомобильных дорог; Д-5 и Д-6 – для приготовления горячего дегтебетона. Каменноугольные дегти применяют также для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов, мастик, эмульсий, в качестве антисептика для защиты древесины от гниения.
