Органические вяжущие вещества.

Органические вяжущие – группа природных или искусственных твёрдых, вязко-пластичных или жидких веществ, состоящих из смеси органических высокомолекулярных соединений. Они хорошо объединяются с каменными материалами и образуют прочную водостойкую плёнку. По составу, структуре, свойствам, изменению свойств в зависимости от температуры органические вяжущие достаточно близки к термопластичным полимерам и материалам на их основе. Встречаются в природе в чистом виде или получаются путём их переработки.

Сырьём для производства органических вяжущих являются продукты органического происхождения – каменный уголь, нефть, горючие сланцы, торф, древесина; физико-химическая переработка этого сырья (фракционная разгонка, сухая деструктивная перегонка и др.) даёт наряду с ценными продуктами смолообразные остатки. В результате дополнительной переработки этих остатков получают органические вещества.

В строительстве наряду с минеральными вяжущими применяют органические вяжущие — битумные и дегтевые (так называемые «черные вяжущие») и полимеры.

В зависимости от свойств, химического состава, вида сырья и технологии получения принята следующая классификация органических вяжущих веществ:

· битумы;

· дёгти.

Битумные и дегтевые представляют собой сложные смеси углеводородов и их производных.

Полимеры (от греч. polymeres — многообразный, состоящий из многих частей) — вещества с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся мономерных звеньев.

В зависимости от строительных свойств и консистенции органические вяжущие делят на группы:

твёрдые битумы и дёгти(пеки), обладающие при 20-25°С вязко-упругими свойствами; при 120-180°С они приобретают подвижность

вязкие битумы и дёгти, обладающие при 20-25°С вязкими и пластичными свойствами

жидкие битумы и дёгти при 20-25°С текучие, содержащие в своём составе летучие низкомолекулярные углеводороды; применяют их при температуре в диапазоне от 15 до 120°С. они способны загустевать по мере испарения летучих углеводородов, тем самым приобретают свойства вязких битумов и дёгтей

битумные эмульсии и суспензии – дисперсные системы, состоящие из диспергированного вяжущего материала (битума или дёгтя) в водной среде с добавкой эмульгатора, обеспечивающего их устойчивость. При нормальной температуре текучи.

По назначению органические вяжущие делят на:

· дорожные – битумы нефтяные (вязкие и жидкие), дёгти каменноугольные, битумы сланцевые, эмульсии битумные;

· строительные битумы;

· кровельные битумы;

· изоляционные битумы;

· специальные битумы.

Требования к качеству органических вяжущих:

· легко объединяться с каменными материалами, образуя прочную водостойкую плёнку

· обладать вязкостью, позволяющей в момент объединения с материалом хорошо его обволакивать, а в период работы связывать минеральные частицы в прочный монолит

· быть стабильными, т.е. не изменять свойства в процессе эксплуатации в покрытиях.

Применение: в гидротехническом, дорожном (для устройства дорожных покрытий, тротуаров, полов), промышленно-гражданском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтовых растворов и бетонов, уплотняющих герметизирующих материалов, гидроизоляционных и дорожных мастик, битумных эмульсий, кровельно-гидроизоляционных паст, для устройства и ремонта мягких крыш, защиты от коррозии бетона, металлов и от радиоактивных излучений.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ

СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Органические вяжущие представляют собой систему соединений различных по составу углеводородов и их неметаллических производных.

Элементарный состав битума дает весьма приближенное представление о возможных химических соединениях, входящих в его состав, поэтому было предложено определять групповой состав, т.е. содержание различных групп углеводородов.

Групповой состав битумов:

· Масла – вещества светло-желтого цвета, плотность ниже 1000 кг/см². Молекулярная масса 300 – 800. Придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения. В битумах содержится 40 – 60 % масел.

· Смолы – вещества темно-коричневого цвета, плотностью около 1000 кг/см² и молекулярной массой 600 – 2000. в смолах сконцентрирована основная масса сернистых, кислородных и азотистых соединений, которые в большинстве случаев полярные, поверхностно-активные и хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водоустойчивые пленки. Содержаться в количестве 20 – 40 % и обуславливают растяжимость и эластичность.

· Асфальтены – твердые неплавкие вещества, с молекулярной массой 1000 – 5000. Влияют на процессы структурообразования в битуме. Содержатся в количестве 10 – 25 % и определяют температурную устойчивость, вязкость и твердость (хрупкость) вяжущих материалов.

· Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко, преимущественно в крекинг-битумах в количестве 1 – 3 %. Их содержание повышает вязкость и хрупкость битума.

· Асфальтогеновые кислоты и их ангидриты – вещества коричнево-серого цвета, обладают густой маслянистой или смолистой консистенцией. Это наиболее полярные компоненты вяжущего, а следовательно, и наиболее поверхностно-активные. Их содержание определяет интенсивность прилипания битумов к каменным материалам, особенно к основным карбонатным породам. Содержится в количестве до 1 %.

· Парафины относятся к твердым метановым углеводородам. Его содержание в битумах зависит т исходного сырья. Парафины снижают растворимость асфальтенов в других компонентах битумов, что связано с нарушением структуры битумов. При содержании парафина до 3,5 % он не оказывает существенного влияния на свойства битума. Большее его содержание снижает растяжимость и повышает температуру затвердевания.

Примерный групповой состав каменноугольных дорожных дегтей следующий:

· Дегтевые масла – 60 – 80 %.

· Вязко пластические смолы – 10 – 15 %.

· Твердые смолы – 2 – 25 %.

· Нафталин – 7 %.

· Атрацен – 10 %.

· Фенолы – 5 %. Выполняют роль ПАВ.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ

Органические вяжущие занимают промежуточное место между твердыми и жидкими веществами. При приложению нагрузки в них одновременно возникают как упругие (обратимые), так и пластические (необратимые) деформации. В зависимости от преобладания одних видов деформаций над другими материалы разделяют на вязко-упругие, вязко-пластичные, пластичные и описывают их различными реологическими моделями.

Главными показателями для органических вяжущих, характеризующими их работу в дорожном покрытии являются: вязкость, пластичность и прочность.

Вязкость битума изменяется от температуры. При пониженных температурах (минусовых) вязкость битума относительно велика и он приобретает свойства твердого тела. С увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в жидкое состояние.

В состоянии покоя через некоторое время в битуме разрушенные структурные связи восстанавливаются. Это явление называется тиксотропия. Кроме того вязко-пластичные материалы обладают способностью релаксации, т.е. если в таком материале задать некоторую деформацию и поддерживать ее постоянно, то напряжение постепенно будет убывать. По времени релаксации можно судить о степени пластичности материала.

Определить реологические свойства трудно, поэтому для характеристики физико-механических свойств органических вяжущих в производственных условиях принято определять ряд условных показателей, которые лишь косвенно характеризуют реологические свойства.

Битумы.

Битумы - вяжущие вещества, сложные соединения из смеси углеводородов нафтенового, ароматического и метанового рядов и их сернистых, кислородных и азотистых производных, полностью растворимых в сероуглероде. Химический состав битумов сложен, они содержат около 200 различных органических веществ.

Различают битумы 3-х видов:

· природные;

· искусственные нефтяные;

· сланцевые.

Природные битумы – органическое вещество, почти без запаха, пластичное в нагретом состоянии, представленное в виде вязкой жидкости или твердообразного вещества темно-коричневого или черного цвета, которые в чистом виде встречаются сравнительно редко, образуя озёра; часто пропитывают асфальтовые (или битумные) горные породы – асфальтовые известняки, песчаники, пески и доломиты. Из асфальтовых пород природные битумы получают экстрагированием с помощью различных растворителей (но это дорогостоящий способ, поэтому он не получил достаточного распространения) или вывариванием в горячей воде.

Природный битум образовался в верхних слоях земной коры из нефти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а также в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Осадочные горные породы, пропитанные природным битумом, называют асфальтовыми.

Отличительные особенности природного битума от искусственного:

· высокая атмосферостойкость;

· замедленные темпы старения.

Применение – в связи с дефицитностью и высокой стоимостью применяют в основном для производства битумных лаков.

Нефтяные битумы – продукты переработки нефти и ее смолистых остатков – по стоимости почти в шесть раз ниже природных. Нефть – жидкое горючее ископаемое в виде маслянистой тёмно-бурой жидкости с присущим ей запахом керосина; представляет собой сложную смесь большого числа углеводородов различных классов, а также их соединений с кислородом, серой, азотом.

В зависимости от вязкости нефтяные битумы делят на:

· твердые;

· полутвердые;

· жидкие.

В зависимости от скорости формирования структуры жидкие битумы

делятся на три класса:

· БГ – быстрогустеющие;

· СГ – среднегустеющие;

· Г – медленногустеющие.

Жидкие битумы применяют в качестве вяжущего в подогретом до 60-100 ^о С состоянии - при строительстве дорог (для обработки гравийных и щебеночных смесей, изготовления асфальтовых материалов).

В зависимости от способапереработки нефтяные битумы делят на:

· Остаточные (гудроны);

· окисленные;

· крекинговые;

· компаундированные (смешанные);

· битумы деасфальтизации.

Остаточные битумы (гудрон) образуются после отгонки из нефти бензина, керосина и глубокого отбора части масел; при нормальной температуре являются твердыми веществами. Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций; он является основным сырьем для получения нефтяных битумов.

Окисленные битумы (полутвердое состояние) получают в кубах (конверторах) непрерывного или периодического действия путем продувки воздуха через нефтяные остатки, которые при этом окисляются и уплотняются под действием кислорода.

Крекинговые битумы получают при крекинге (разложении при высокой температуре) нефти и нефтяных масел (жидкие битумы).

Компаундированные битумы получают смешиванием нефтяных продуктов различной вязкости. Компаундирование – это вторичный процесс их переработки. Ведь битум или смолистый остаток, полученный перегонкой, окислением, экстракцией или деасфальтизацией, не всегда удовлетворяет требованиям по всем показателям, предъявляемым к дорожным битумам. Поэтому путём смешения битума с другими смолистыми остатками соответствующего состава можно значительно улучшить его свойства и довести до требуемых характеристик.

Битумы деасфальтизации получают осаждением асфальтосмолистой части гудронов пропаном и другими растворителями.

В строительстве чаще используют остаточные и окисленные битумы. Нефтяные битумы в нагретом состоянии разливают в тару и после остывания отправляют по назначению. Сланцевые битумы – битумы, образующиеся при переработке продуктов перегонки битуминозных (горючих) сланцев без доступа воздуха.

Термин «сланцевые битумы» не совсем точен. По свойствам и химическому составу они приближаются к битумным материалам, а по способу лучения – к дегтям. Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных.

Индексация битумов

Строительные нефтяные битумы выпускают трех марок: битум нефтяной БН-50/50, БН-70/30, БН-90/10 (числитель – температура размягчения °С, знаменатель – среднее значение глубины проникания иглы). Применяются для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Нефтяные кровельные битумы, применяемые для производства кро-вельных и гидроизоляционных материалов, вырабатывают трех марок: битум нефтяной кровельный БНК-45/180– пропиточный битум, БНК-90141 и БНК-90/30– покровные битумы (числитель – среднее значение температуры размягчения °С, знаменатель – среднее значение глубины проникания иглы).

Нефтяные дорожные битумы, применяемые в качестве вяжущего при строительстве дорожных и аэродромных покрытий, выпускают пяти марок: битум нефтяной дорожный БНд-200/300, БНд-130/200, БНд-90/130, БНд-60/90, БНд-40160. Цифры показывают допускаемые пределы отклонения глубины проникания иглы при 25°С.

Применение:

· твердые нефтяные битумы применяют в производстве рулонных кровельных материалов, битумных мастик;

· полутвердые – для изготовления гидроизоляционных материалов, битумных обмазок, асфальтовых растворов и бетонов и других материалов;

· жидкие – преимущественно для дорожного строительства.

Состав битумов

В групповой состав битумов входят:

Масла – вязкие жидкости светло-желтого цвета с плотностью не ниже 1000 кг/м³, состоящие из углеводородов (85-88%) с молекулярной массой 100-500, водорода (10-14%), серы(до 4%) и незначительно кислорода и азота. Придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения; · смолы (кислые и нейтральные) – вязкопластичные высокомолекулярные аморфные вещества темно коричневого цвета с плотностью около 1000 кг/м³ и молекулярной массой 600-2000, от содержания которых зависят степень пластичности, растяжимости битумов и вяжущие свойства.

По химическому составу они в основном относятся к гетероциклическим ароматическим высокомолекулярным соединениям, в состав которых входят углерод (80-87%), водород (10-18%), кислород (1-10%) и сера (1-1,5 %):

асфальтены – твердые хрупкие неплавкие вещества кристалического строения с плотностью более1000 кг/м³ и молекулярной массой 1000-5000, содержание которых определяет теплоустойчивость, вязкость и хрупкость вяжущих материалов. По химическому составу представляют собой смесь насыщенных гетероциклических соединений, содержащих углерод, водород, кислород и серу;

карбены и карбоиды – твердые углеродистые вещества, образующиеся при высоких температурах; их содержание повышает вязкость и хрупкость битума. В битумах встречаются редко. По составу схожи асфальтенами, но содержат больше углерода, имеют большую плотность и более тёмный цвет. Карбоиды – твёрдые вещества типа сажи;

асфальтогеновые кислоты и их ангидриды – смолообразные вещества коричнево-серого цвета с плотностью более1000 кг/м³ , способствующие более интенсивной адгезии битумов к каменным материалам, особенно к карбонатным породам;

примесь в битуме кристаллического парафина (твёрдого метанового углеводорода) понижает его качество, в частности повышает хрупкость при пониженных температурах. Нефти в основном высокопарафинистые, поэтому при производстве битумов необходимо, чтобы содержание парафина в них не превышало 5%. Повышение содержания парафина ухудшает дорожно-строительные свойства битумов: снижает растяжимость и повышает температуру затвердевания битума (см. табл.4. 1)

Примерный групповой состав битума

Свойства битумов

Основные свойства, определяющие качество нефтяных битумов и деление их на марки – вязкость, растяжимость, температура размягчения и вспышки.

Вязкость (твердость, или пенетрация) битумов является характеристикой их структурно-механических свойств и зависит главным образом от температуры.

При низких температурах вязкость битума увеличивается, и он приобретает свойства твердого тела; с увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в состояние густой жидкости почти чёрного цвета. Эта особенность позволяет применять их как связующее вещество. Структурная вязкость для жидких битумов определяется временем истечения пробы в секундах при постоянной температуре через отверстие стандартного вискозиметра размером 5 или 10 мм. Для полутвердых и твердых битумов структурированная вязкость, точнее текучесть (величина, обратная вязкости), измеряется в условных единицах по глубине проникания иглы в битум при определенной нагрузке, температуре, времени погружения.

Растяжимость (дуктильность) – свойство битумов вытягиваться в тонкие нити под влиянием приложенной растягивающей силы. Оно харак-теризуется абсолютным удлинением до разрыва нити (см) образца битума (в виде восьмерки) при температуре 25°С, определяемым на приборе - дук-тилометре (рис.4.1). Растяжимость характеризует пластичность вязких битумов. Высокие пластические свойства вязких битумов наблюдаются обычно при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и масел и незначительном содержании карбенов и карбоидов.

Рис.4.1. Дуктилометр: 1 – червячный винт; 2 – салазки; 3 – маховик;

4 – разборная форма; 5 – битум

Температура вспышки – важное свойство для установления технологических параметров при работе с битумом, ее измеряют на специальном приборе (за температуру вспышки принимают температуру, которую показал термометр при первом появлении синего пламени над частью или над всей поверхностью образца битума, выделившего пары вяжущих).

Температура вспышки характеризует степень огнеопасности битума при разогревании в котлах. Она составляет 220-240 °С (в зависимости от марки); минимальная температура самовоспламенения 300-368°С. Температура, при которой пламя горит не менее 5 секунд, называется температурой воспламенения.

Температура размягчения битума характеризует степень его под-вижности и составляет от 20°С до 80-110°С и выше. Битумы имеют аморфное строение, поэтому у них нет определенной температуры плавления, а существуют большие температурные интервалы размягчения, т. е. при нагревании они постепенно переходят из твердого состояния в вязкожидкое, что характеризует пригодность битума для использования в различных температурных условиях, т.е. пластические и тепловые качества битума. Температура размягчения имеет большое практическое значение, так как при данной температуре битум теряет ряд своих строительных свойств, например, склеивающие свойства, поэтому в конструкциях, в которых битум может подвергаться нагреванию до температуры 50°С, следует применять битум с температурой размягчения 65-70°С.

Теплостойкость определяют с помощью прибора «кольцо и шар» (рис.4.2) по температуре, при которой битум, залитый в кольцо, выдавливается на определенную глубину (2,54 см) под действием массы стального шарика и помещается в подогреваемую водяную баню. Температуру размягчения определяют по температуре водяной бани, когда битум размягчается и шарик опустится на нижнюю полочку прибора.

Рассмотренные свойства связаны между собой некоторой зависимостью. Так, твердые битумы с малой глубиной проникания иглы имеют высокую температуру размягчения и малую растяжимость, т.е. являются хрупкими, а битумы с низкой температурой размягчения имеют большую пенетрацию, могут сильно растягиваться, т.е. обладают высокой пластичностью.