ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Кафедра Строительные материалы Органические

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Кафедра «Строительные материалы»

Органические вяжущие – это группа природных или искусственных твердых, вязкопластичных или жидких веществ, состоящих из смеси органических высокомолекулярных соединений и их неуглеродных производных. Характеризуются способностью при нагревании размягчаться, а при охлаждении становиться вязкими и даже твердыми.

1. Классификация органических вяжущих. 1. По происхождению: - природные; - искусственные. 2. По вязкости: - твердые; - вязкие; - жидкие.

3. По виду вяжущего: 1) битумные - состоят из нефтяных битумов или сплавов нефтяных и природных битумов; 2) дегтевые – смесь каменноугольных и сланцевых дегтей или сплавов с дегтевыми маслами; 3) гудрокамовые – состоят из продуктов совместного окисления нефтяного гудрона и каменноугольных масел; 4) дегтебитумополимерные - содержат нефтяные битумы или каменноугольные дегтевые вещества и полимеры.

2. Физико-химические свойства органических вяжущих. 1. Способность при нагревании размягчаться, а при охлаждении становиться твердыми. 2. Нерастворимость в воде. 3. Растворимость в органических растворителях. 4. Обладают вяжущими свойствами. 5. Имеют темно-коричневый или черный цвет. 6. Содержат летучие вещества.

3. Эксплуатационные свойства. 1. Водостойкость, водонепроницаемость. 2. Стойкость к действию агрессивных сред. 3. Прочность сцепления с деревом, камнем, металлом. 4. Технологичность применения.

4. Отрицательные свойства. 1. Горючесть. 2. Низкая температура размягчения. 3. Хрупкость при отрицательных температурах. 4. Склонность к старению.

5. Сырье. 1. Нефть. 2. Природные битумы. 3. Битумосодержащие породы. 4. Ископаемые угли. 5. Горючие сланцы. 6. Побочные продукты промышленного производства (отходы нефтехимии, нефтепереработки).

6. Области применения в строительстве 1. Для приготовления асфальтобетона. 2. Изготовления кровельных, гидроизоляционных, пароизоляционных материалов и изделий. 3. Для дорожных мастик и эмульсий. 4. Для изготовления лаков.

7. Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов метанового (Сn. H 2 n+2), нафтенового (Сn. Н 2 n), ароматического (Сn. Н 2 n-6) рядов и их кислородных и сернистых производных.

7. 1. Нефтяные битумы. Являются продуктами переработки нефти. 7. 1. 1. Классификация. 1. По просхождению: - природные; - искусственные.

2. По вязкости: 1) твердые: а) строительные, марок БН 70/30 и БН 90/10; б) кровельные, марок БНК 45/180; БНК 90/40; в) битумы изоляционные, марок БНИ.

2) вязкие нефтяные битумы. Используются главным образом в автодорожном строительстве. К ним относятся битумы нефтяные дорожные вязкие (БН и БНД 40/60, 60/90, 90/130, 130/200, 200/300).

3) жидкие нефтяные битумы. Используются в производстве холодного и теплого асфальтобетона, для устройства оснований и покрытий способом пропитки, для укрепления грунтов. Жидкие битумы бывают трех классов: БГ, СГ, МГО.

3. По способу переработки: 1) остаточные; 2) окисленные; 3) крекинговые; 4) экстрактные; 5) компаундированные.

7. 1. 2. Химический состав битумов. Зависит от свойств исходной нефти и способа получения. Основными элементами являются: С (углерод) – 75 – 85 % Н (водород) – 7 – 10 % S (сера) – 0 -5% O (кислород) – 2 – 8% N (азот) – 0– 2%

7. 1. 3. Групповой состав битумов. Перечень найденных в битумах углеводородов состоит из более 300 наименований. Выделить же индивидуальные углеводороды из битумов весьма сложно. Поэтому для исследования структуры и свойств битумов пользуются, так называемым, групповым составом, т. е. выделяют отдельные группы углеводородов с более или менее сходными свойствами.

1. Масла - жидкие при обычной температуре углеводороды с плотностью меньше 1 г/см 3. Содержание их в битуме – 40 - 60 %. Придают битуму подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и растяжимость, снижают температуру размягчения.

2. Смолы - легкоплавкие вязкопластичные вещества твердые или полутвердые, темно-коричнего цвета при обычной температуре с плотностью около 1 г/cм 3. Содержатся в битуме в количестве 20 - 40 %, определяют эластичность и растяжимость вяжущего.

3. Асфальтены - твердые вещества черного цвета с плотностью немного более 1 г/см 3. Содержатся в битуме в количестве 10 - 25 %. Являются важной составной частью вяжущего и сильно влияют на процессы структурообразования в битумах. Количество асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость вяжущих материалов. Повышают температуру размягчения.

4. Асфальтогеновые и карбоновые кислоты - густой смолистой или масляной консистенции вещества с плотностью более 1 г/см 3. Содержатся в битуме в количестве 1 %, за счет присутствия в них большого количества гетероатомов определяют интенсивность прилипания вяжущего к каменным материалам.

5. Карбены и карбоиды - твердые вещества. Содержатся в основном в крекинг-битумах в количестве 1 2 %, повышают вязкость и хрупкость битума.

6. Парафин - твердое вещество, при содержании его более 5% снижается растяжимость , ухудшается структура и повышается температура затвердевания битума. Малейшие изменения в исходном сырье и технологии его переработки ведут к изменению состава битума и его свойств.

7. 1. 4. Структурно-механические свойства битумов. Основными показателями, определяющими работу битумов в дорожных покрытиях, являются прочность, пластичность и вязкость. 1. Плотность битумов составляет 0, 8 – 1, 3 г/см 3. 2. Теплопроводность лежит в пределах 0, 5 – 0, 6 Вт/ м ˚С.

3. Вязкость - свойство материал оказывать сопротивление перемещению частиц под действием внешних сил. Вязкость битума изменяется с температурой. При пониженных температурах вязкость битума велика и он приобретает свойства твердого тела. С увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в жидкое состояние.

Для характеристики вязкости твердых и вязких битумов пользуются условным показателем – глубиной проникания иглы при действии на нее груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25 и 0 0 С (масса груза 200 г) в течение 60 с. Определяют на приборе – пенетрометре. Выражается в условных градусах и обозначается П 25. При температуре 25 0 С находится в пределах 300 -40 усл. град.

Рис. 1 Пенетрометр. 1 – опорная площадка; 2 – лимб; 3 –кремальера; 4 – стержень с иглой; 5 – стопорная кнопка; 6 – кристаллизатор.

Вязкость жидких битумов определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения 50 мл вяжущего через калиброванное отверстие стандартного диаметра 5 мм при температуре 60 0 С

Рис. 2. Стандартный дорожный вискозиметр. 1 -корпус аппарата; 2 -водяная баня; 3 -стакан; 4 - блок управления; 5 -мешалка; 6 -лаборатоный термометр; 7 -основание; 8 -водомерная трубка; 9 -резиновый шланг; 10 -клапан; 11 -мерный цилиндр; 13 -теплоизоляционная прокладка; 14 -кожух; 15 -регулировочные винты; 16 -ТЭН; 17 -пробирка с термочувствительным элементом.

4. Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму «восьмерки» . Показателем служит длина нити битума в см в момент разрыва. Испытания проводят при скорости деформирования 5 см/мин и температуре 25 и 0 0 С. Дорожные вязкие битумы имеют растяжимость более 40 см при 25 0 С и 1 -3 см при 0 0 С.

Рис. 3. Дуктилометр 1 - ванна; 2 - стрелка; 3 – червячный винт.

5. Когезия характеризует прочность межмолекулярных связей и определяется на когезиометре, состоящем из двух пластин, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм. Когезия в основном зависит от содержания смол в битуме. Перечисленные свойства битума зависят от температуры, группового состава и характера структуры. Высокие пластические свойства наблюдаются при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и незначительном содержании карбенов и карбоидов.

Битум при изменении температуры сильно меняет свои свойства и главным образом вязкость. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении – увеличивается. Переход из жидкого в вязкопластичное, а затем в твердое (хрупкое) состояние протекает в определенном интервале температур (-30 до +60 0 С), называемом интервалом превращения (интервалом пластичности): ТП = t. Р – t. Хр

6. Температура размягчения характеризует верхний температурный предел применимости битума. Определяется на приборе «Кольцо и шар» . Кольцо заполняют битумом, на его поверхность укладывают стальной шарик и помещают в подогреваемую водяную баню. Температура размягчения битумов находится в пределах 30 -60 0 С. Она увеличивается при повышенном содержании смол и асфальтенов.

Рис. 4. Прибор «Кольцо и шар» . 1 – термометр; 2 – металлические диски; 3 – стержень; 4 – кольцо; 5 – шар.

7. Температура хрупкости характеризует нижний температурный предел. Определяется на приборе Франса. Тонкий слой битума наносят на стальную пластинку и постепенно охлаждают. За температуру хрупкости принимают температуру в момент появления первой трещины при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов находится в пределах от -5 до -25 0 С.

8. Устойчивость при нагревании битумов определяют по уменьшению массы и изменению свойств. Пробы нагревают до 160 0 С в течение 5 ч. Изменение свойств при нагреве объясняется испарением части легких масел, а также процессами окисления и полимеризации. По этим изменениям можно судить о стабильности свойств битума во времени.

9. Температура вспышки – это температура, при которой пары, образующиеся при подогреве битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного к ним пламени. Температура вспышки вязких и твердых битумов не ниже 180 -200 0 С, жидких класса СГ не ниже 37 -60 0 С и класса МГ не ниже 100 -110 0 С.

Рис. 5. Прибор Бренкена для определения температуры вспышки 1 – штатив; 2 – термометр; 3 – тигель с песком; 4 – внутренний тигель; 5 – горелка; 6 – зажигательное приспособление.

10. Сцепление битумов с каменными материалами (адгезия). Для вязких и жидких битумов определяют сцепление с мрамором и песком. Характеризуется способностью битума удерживаться на поверхности минеральных зерен в присутствии воды. 11. Старение - повышение хрупкости и снижение гидрофобности под действием света, кислорода воздуха, повышенных температур за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

7. 1. 5. Строение битумов. 1. Макромолекулярная теория. Битумы – истинные растворы, гомогенные растворы (состоят из одной фазы) различных высокомолекулярных углеводородов (линейных, разветвленных, сетчатых). При определенных условиях могут переходить в двухфазные –гетерогенные – системы (например, при изменении температуры).

2. Мицеллярная теория. Битумы – это коллоидные растворы высокомолекулярных соединений, т. е. дисперсная система. Дисперсная фаза – асфальтены, дисперсионная среда – смолы, масла (асфальтены). По обеим теориям асфальтены главный структурообразующий компонент. В зависимости от содержания и свойств компонентов битума (асфальтенов, масел и смол) могут образовываться различные дисперсные системы.

Золь – коллоидные растворы, частички дисперсной фазы свободно перемещаются. Золь отождествляется со структурой раствора, в нем содержится больше масел. Такая структура характерна для жидкого битума. Гель – это структурированная дисперсная система, содержащая в большом количестве асфальтены (твердые битумы). Золь – гель - промежуточная структура, которой обладают вязкие битумы.

а) б) Рис. 6. Схема структуры битума: а) жидкого; б) твердого; 1 – мицелла; 2 – раствор смол в маслах; 3 – асфальтены (ядро мицеллы размером 18 -28 мкм); 4 – смолы ( оболочка мицеллы).

7. 1. 6. Способы получения нефтяных битумов. 1. Атмосферно-вакуумная перегонка нефти (остаточные битумы). 2. Окисление нефтяных остатков (окисленные битумы). 3. Компаундирование (смешение).

1. Производство остаточных битумов. Остаточные битумы получают в остатке после разгонки тяжелой смолистой нефти на фракции в трубчатых установках. В зависимости от содержания смол в исходной нефти получают остаточный битум разной вязкости. Например, жидкие дорожные битумы МГ 70/130, МГ 130/200 и вязкие дорожные битумы. Остаточные битумы обладают лучшей теплоустойчивостью. Сырьевая база несколько ограничена.

2. Производство окисленных битумов. Сущность метода: окисление кислородом воздуха нефтяных остатков (гудронов). Это наиболее распространенный способ получения нефтяных битумов. Окисление осуществляют в специальных установках при температуре 250 0 С в присутствии катализаторов. В зависимости от качества гудронов, а также условий окисления получают битумы с разными свойствами.

3. Компаундирование – смешение. Битумы или остатки, полученные в процессе переработки нефти, не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к дорожным битумам. Для получения битума с необходимыми свойствами проводят смешение битума с другими смолистыми остатками соответствующего состава. В настоящее время этим методом получают большое количество дорожных битумов.

7. 1. 7. Виды битумов, применяемых для строительных целей. 7. 1. Битумы нефтяные твердые. Твердые нефтяные битумы обладают высокой вязкостью, низкой пластичностью.

Выпускают твердые битумы следующих видов и марок: 1) строительные марок БН 50/50; БН 70/30 и БН 90/10 (в числителе – температура размягчения, в знаменателе – вязкость при 25 0 С в усл. град. ); 2) кровельные марок БНК 45/180; БНК 90/40; 3) битум для изоляции нефтегазопроводов БНИ-IV; БНИ –IV-3; БНИ – V; 4) специальные для лакокрасочных материалов.

7. 1. 7. 2. Битумы нефтяные вязкие применяют в качестве вяжущего материала при строительстве дорожных и аэродромных покрытий. В соответствии с ГОСТ 22245 -91 вязкие дорожные битумы разделяются на марки, которые определяются комплексом показателей качества. Выпускают следующих марок: - битумы нефтяные дорожные вязкие БН 60/90; БН 90/130; БН 130/200; БН 200/300; - битумы нефтяные дорожные вязкие – улучшенные БНД 40/60; БНД 60/90; БНД 90/130; БНД 130/200; БНД 200/300.

7. 1. 7. 3. Битумы нефтяные жидкие. Используют в производстве холодного и горячего асфальтобетона, для устройства оснований и покрытий способом пропитки, для укрепления грунтов. Их применение не требует подогрева (или до 60 -70 0 С). Жидкие битумы бывают трех классов: БГ – быстрогустеющие; СГ – среднегустеющие; МГ – медленногустеющие; МГО – медленногустеющие окисленные.

Каждый класс в зависимости от вязкости делят на марки: БГ 40/70; 70/130; 130/200; 200/300. Дробная цифра обозначает пределы вязкости в сек (по времени истечения из стандартного дорожного вискозиметра). Получают жидкие битумы путем разжижения вязких битумов жидкими нефтепродуктами. Количество разжижителя устанавливают в зависимости от назначения жидкого битума.

Скорость запустевания зависит от условий испарения летучих фракций и климатических условий в период их применения. Медленногустеющие жидкие битумы применяют при строительстве оснований и облегченных покрытий, для приготовления холодного асфальтобетона. При затруднительных условиях испарения летучих фракций необходимости быстрого нарастания прочности используют жидкий битум класса СГ.

7. 1. 7. 4. Природные битумы по составу и свойствам близки к нефтяным, в чистом виде встречаются редко. Чаще встречаются битуминозные породы (асфальты): горные породы пропитанные природным битумом. Природный битум образовался в верхних слоях земной коры из нефти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а также процессов полимеризации и окисления.

Месторождения природных битумов и асфальтов в зависимости от условий залегания разделяют на три группы: 1)пластовые (битуминозные известняки, доломиты, песчаники) содержание битума 5 – 20 % с температурой размягчения 100 -1100 С ; 2) жильные – битум содержит незначительное количество минеральных примесей, чаще асфальтиты с температурой размягчения выше 100 0 С; 3) поверхностные - образуются в результате выхода битумов на поверхность.

Асфальтовые породы перерабатывают с целью извлечения чистого битума, применяемого в лакокрасочной промышленности, и получения асфальтовых материалов (асфальтового порошка, асфальтовой мастики или асфальтобетона).

8. Старение органических вяжущих и методы повышения их стабильности. Органические вяжущие в процессе их работы в дорожных покрытиях подвергаются воздействию всего комплекса атмосферных факторов и с течением времени изменяют свои свойства.

По условиям механического износа асфальтобетонные покрытия толщиной 4 см должны служить 30 -40 лет. Но нередко их разрушение происходит через 7 -10 лет за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств. Факторы старения: 1) испарение масел; 2) химическое изменение компонентов битума и образование новых веществ. Эти изменения связаны в основном с процессами окисления.

В процессе старения битума происходит изменение группового состава сначала в результате испарения масел, затем накопления смол и асфальтенов и превращения смол в асфальтены. С изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышается вязкость, теплоустойчивость, упругость, понижается пластичность, битумы становятся хрупкими.

Для замедления процессов окисления можно вводить добавки – ингибиторы (противостарители), которые могут быть двух типов: 1) вещества, обрывающие окислительную цепь реакций, т. е. реагирующие со свободными радикалами на стадии их образования (антиоксиданты аминного и фенольного типа); 2) вещества, предотвращающие разложение гидропероксидов по радикальному механизму, т. е. разрушающие гидропероксиды до неактивных для развития окислительно цепи продуктов (сульфиды, тиофосфаты).

Замедляющее действие на старение оказывают соли жирных кислот. Для повышения структурной стабильности битума применяют отходы шинной промышленности, которые кроме замедления старения оказывают пластифицирующее действие, расширяют интервал пластичности. Минеральные порошки из талька, сланца, доломита, слюды, известняков адсорбируют на своей поверхности соединения битума с активными функциональными группами, снижают запас их химической энергии, и, следовательно, снижают склонность к старению.

Ввиду непостоянства состава битумов нет общепринятых методов повышения их стабильности и для отдельных видов битумов надо выбирать соответствующие методы их стабилизации. Погодоустойчивость зависит от происхождения и состава нефти, технологии ее переработки и получения битума. Остаточные битумы более устойчивы, чем окисленные, а битумы, полученные с добавлением крекинг остатков, более подвержены старению.