Поверхностное натяжение битума реферат

Обновлено: 03.07.2024

Битумы применялись в качестве строительного материала еще в глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала.

Органические вяжущие вещества делят на две основные группы: битумные и дегтевые.

К битумным материалам относятся следующие:

Природные битумы — вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы.

Асфальтовые породы — пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

Гудрон — остаток после отгонки из мазута масляных фракций;

он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве.

К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пеки.

Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.

Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья. Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов осуществляется на полностью механизированных поточных линиях непрерывного действия.

Битумные вяжущие вещества

1. Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70 - 80%, водорода 10 - 15%, серы 2 - 9%, кислорода 1 - 5%, азота 0 - 2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С 9 Н 20 до С 30 Н 62 . Все многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000—5000, плотностью более 1, объединенные общим названием асфальтены”. В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl 4 , и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500—1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100—500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18—20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к маслам.

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140—170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

2. Свойства битумов

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны; Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см 3 . Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5—0,6 Вт/(м•°С); теплоемкость — 1,8—1,97 кДж/кг•°С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5•10- 4 до 8•10- 4 °С 1 , причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах — около 2•10 4 °С -1 . Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230—240°С — в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2—0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20—25°С составляет 25—35 эрг/см 2 . От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са 3+ и Ме +2 .

Старение — процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др. (см. разд. 1).

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мощанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра).

Температуру размягчения определяют на приборе “кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума (“восьмерки”) при температуре 25°С, определяемым на приборе — дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.

Особенности битумных вяжущих строительных материалов, сферы их применения и свойства. Характеристики битумов, их состав и строение. Битумные и дегтевые вяжущие вещества, полимеры и органические виды клея. Вязкость битумов, температура их размягчения.

Рубрика Строительство и архитектура
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 26.12.2011
Размер файла 651,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

    Введение
  • Глава 1. Битумные вяжущие материалы
  • 1.1 Общие понятия битумных вяжущих материалов
  • 1.2 Битумные вяжущие вещества
  • 1.3 Характеристики битумов
  • 1.4 Состав и строение битумов
  • Глава 2. Битумные вяжущие вещества
  • 2.1 Виды битумных вяжущих
  • 2.2 Состав и структура битума
  • 2.3 Свойства битумных вяжущих
  • 2.4 Вязкость битумов
  • 2.5 Температура размягчения
  • 2.6 Применение битумных вяжущих
  • Заключение
  • Список использованной литературы

Введение

Битумами называют сложные смеси углеводородов и их неметаллических производных, встречающиеся в природном виде или получаемые в результате переработки нефти, сланцев.

По совокупности свойств битумы представляют собой смолистые вещества вязкожидкой или твердой консистенции, полностью или частично растворяющиеся в сероуглероде, плавящиеся при нагревании, обладающие пластичными вяжущими свойствами.

В битумах содержатся маслянистые, смолистые вещества, асфальтены, карбены и карбоиды, сера, парафин и др. Маслянистые вещества - это минеральные продукты с плотностью, меньшей единицы. Наличие маслянистых веществ придает битумам подвижность, так как в них растворены смолы. В битумах содержится 45-60% маслянистых веществ.

Смолистые вещества - это твердые или полутвердые продукты, полностью растворяющиеся в бензине, хлороформе, бензоле, маслах. Плотность смолистых веществ близка к единице. В битумах содержится 16-30% смолистых веществ.

Асфальтены - это твердые неплавкие хрупкие кристаллические вещества. Содержание асфальтенов в битумах достигает 50%. Они увеличивают вязкость битумов, а при температуре выше 300° С разлагаются, образуя кокс. Асфальтены не растворимы в петролейном эфире, но растворяются в хлороформе, четыреххло-ристом углероде, сероуглероде.

Карбены и карбоиды - это твердые углеродистые вещества. Карбены растворимы в сероуглероде, но не растворимы в четырех-хлористом углероде. Карбоиды в органических растворителях не растворяются.

Битумы со значительным количеством парафина называются парафинистыми. Однако влияние парафина ослабляется при наличии в битуме масел и смол. Примерный химический состав битумов: 80-87% углерода, 12-14% водорода, до 5% кислорода, до 1% серы, до 0,5% азота.

По исходному сырью битумы подразделяют на природные, нефтяные и сланцевые.

Битумы природные представляют собой твердые вещества или вязкие жидкости. Они встречаются также в породах, в которых битум соединяется с минеральными частицами - глиной, песком, супесью. Такие породы называются асфальтовыми.

Битумы природные получают из битуминозных песчаников, известняков, доломитов либо прямой добычей из отложений в чистом виде. Особую ценность представляют собой асфальтовые известняки и доломиты, из которых изготовляют асфальтовые порошки и мастики, и асфальтовые мелкозернистые пески. Из асфальтовых пород битум получают, обрабатывая измельченную массу горячей водой или воздействуя на породу органическими растворителями с последующим отделением растворителя от битума. Этот способ называют экстрагированием.

Природные битумы почти не содержат парафина и, в отличие от нефтяных, имеют в своем составе больше минеральных веществ. Природные битумы являются наиболее устойчивыми к атмосферным и химическим воздействиям.

битумный вяжущий вещество строительный

Глава 1. Битумные вяжущие материалы

Битумные вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (соединений углеводородов с серой, кислородом, азотом). Различают природные и искусственные нефтяные битумы. Природные битумы извлекают из асфальтовых горных пород органическими растворителями или вываривают их в горячей воде. Искусственные битумы представляют собой остатки, получаемые при переработке нефти. При нормальной температуре битумы встречаются как в твердом, так и в вязкожидком состоянии. При нагревании они размягчаются (разжижаются), а при охлаждении вновь возвращаются в первоначальное состояние. Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических тел не имеют определенной температуры плавления. Существует некоторый температурный интервал размягчения, т.е. постепенный переход от твердого состояния в вязкожидкое.

Битумы гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, имеют плотное строение, их пористость практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки. Эти свойства позволяют широко использовать битумы для устройства кровель и гидроизоляции. Битумы стойки к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинству агрессивных газов, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях (хлороформе, этиловом спирте, бензине, бензоле, ксилоле, скипидаре, ацетоне и др.). Поэтому их можно применять для приготовления некоторых мастик, лаков и красок. Расплавленные битумы при остывании сохраняют некоторую пластичность и лишь при сравнительно низкой температуре становятся хрупкими.

Для улучшения свойств битумных вяжущих их сплавляют с резиной; получаемые при этом материалы называют резинобитумными; добавляют полимеры, после этого их называют битумно-полимерными. По назначению битумы подразделяют на строительные, кровельные и дорожные.

1.2 Битумные вяжущие вещества

Битумными называют строительные материалы, в состав которых входят битумы. Битумные вещества представляют собой сложные смеси углеводородов и их производных. При нормальной температуре это твердые массы или густые жидкости темного, почти черного цвета. Они не растворяются в воде, а многие из них и в кислотах, но растворяются в сероуглероде, хлороформе, бензоле и других органических растворителях. В зависимости от исходного сырья битумные вяжущие вещества делятся на нефтяные и природные.

Нефтяные битумы получают из сырой нефти на нефтеперегонных заводах. По способу производства нефтяные битумы делят на остаточные, окисленные, крекинговые и компаундированные.

Остаточные битумы, или гудрон, получают в атмосферно-вакуумных установках непрерывного действия после отгонки из высокосмолистой нефти бензина, керосина и других топливных и масляных фракций. При нормальной температуре они представляют собой твердые вещества с небольшой вязкостью.

Окисленные битумы изготовляют путем продувки кислородом воздуха через гудроны, крекинг-остатки и другие нефтяные остатки. При такой продувке под действием кислорода воздуха нефтяные остатки окисляются и уплотняются, увеличивая вязкость.

Крекинговые битумы представляют собой остатки после разложения (крекинга) нефти и нефтяных масел при высокой температуре с целью получения большого выхода бензина.

Полученные крекинговые остатки дополнительно подвергаются окислению, в результате чего образуются окисленные крекинговые битумы. Такие крекинг-битумы обладают повышенной хрупкостью.

Компаудированные битумы получают компаундированием (смешением остатков, получающихся при переработке нефти).

В строительстве используют только остаточные и окисленные нефтяные битумы. В зависимости от назначения они классифицируются на строительные, кровельные и дорожные.

Каждую группу битумов делят еще на марки. В основу их классификации положена пенетрация - глубина проникания в битум иглы стандартного прибора - пенетрометра (см. схему слева) под действием груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С. Глубину проникания иглы определяют в градусах пенетрометра, при этом 1° = 0,1 мм. Для строительных и дорожных битумов пенетрация соответственно составляет (0,5.4) и (4.30) мм. Кроме пенетрации к важнейшим свойствам битума относят температуру размягчения и степень растяжимости. Растяжимость битумов определяют на дуктилометре, разрывающем образцы восьмерки из битума (см. схему ниже):

Дуктилометр

а - общий вид прибора; б - форма для приготовления образцов; 1 - маховик; 2 - водонепроницаемый ящик; 3 - шкала; 4, 5 - соответственно подвижные и неподвижные салазки; 6 - отверстие для крепления формы; 7 - битум; 8 - разборные части формы.

Образец битума во время испытания при температуре 25°С начинает вытягиваться в нить. Момент разрыва нити фиксируется прибором, а на линейке отмеряют длину до момента разрыва. Эта длина (в см) и служит мерой растяжимости битума.

Температурой размягчения битумов называют температуру, при которой испытуемый битум деформируется (размягчается) под воздействием массы металлического шарика. Ее определяют на приборе "Кольцо и шар" (см. схему слева ниже). Температура размягчения у разных марок битума 50.95°С и выше и имеет большое значение при устройстве кровельных покрытий. Все три показателя свойств битума связаны между собой некоторой зависимостью. Твердые битумы с малой глубиной проникания иглы имеют высокую температуру размягчения и малую растяжимость, т.е. являются хрупкими, а битумы с низкой температурой размягчения, имеющие большую пенетрацию, могут сильно растягиваться.

Для определения огнестойкости битумов устанавливают их температуру вспышки и воспламенения. Температуру вспышки определяют на приборе Бренкена (см. схему справа ниже):

прибор "Кольцо и шар" 1 - кольцо; 2 - шар; 3 - термометр; 4 - вода

прибор Бренкена для определения температуры вспышки и воспламенения битума 1 - штатив; 2 - зажим; 3 - термометр; 4 - металлический тигель; 5 - песчаная баня; б - горелка; 7 - кольцо штатива

Появление синего пламени над поверхностью битума принимают за момент его вспышки, а температуру, отмеченную в этот момент, за температуру вспышки.

В таблице ниже приведены показатели физико-механических свойств строительных и кровельных битумов:

Физико-механические свойства строительных и кровельных битумов

Примечание: В хлороформе или бензоле растворяется не менее 99 % битумов. Сероводородных соединений в них допускается не более 0,3 %.

Строительные битумы применяют для устройства гидроизоляции; кровельные битумы - для изготовления рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов; дорожные битумы - для поверхностной обработки покрытий и устройства дорог с асфальтобетонным покрытием.

Природные битумы. Их подразделяют на три вида: пластовые, поверхностные и жильные. Пластовые - это горные породы осадочного происхождения (известняки, доломиты, песчаники), пропитанные битумом. Природные битумы получают из битуминозных песков и песчаников нагреванием, а из битуминозного известняка - экстрагированием. Применение природных битумов в строительстве ограничивается из-за высокой стоимости. Используют их в основном в химической и лакокрасочной промышленности.

1.3 Характеристики битумов

Физические характеристики органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их базе, различны; Для органических веществ в различие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, завышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти характеристики обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их обширное распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230-240°С - в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные характеристики употребляют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические характеристики. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, маленьким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с огромным количеством адсорбционных центров в виде катионов Са3+ и Ме+2.

Старение - процесс медленного конфигурации состава и параметров битума, сопровождающийся повышением хрупкости и понижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества жестких хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические характеристики битума зависят от группового состава и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как воды, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним перегрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел употребляют реологическую модель Максвелла и др. (См. Разд.1).

Химические характеристики. Более принципиальным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и остальных строительных материалов. По данным Н.А. Мощанского, битумные материалы отлично сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (в особенности окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря собственной химической стойкости и экономичности битумные материалы обширно используют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

Физико-механические характеристики. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра).

Температуру размягчения определяют на приборе “кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием своей массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) эталона битума (“восьмерки”) при температуре 25°С, определяемым на приборе - дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные.

Строительные битумы используют для производства асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы употребляют для производства кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают базу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.

Состав битумов. Свойства битумов. Применение битумов. Дорожные покрытия. Битумы как водозащитные средства. Кровельные материалы. Другие области применения. Классификация битумов. Методы производства битумов. Вакуумная перегонка. Деасфальтизация парафинами. Окисление воздухом. Состояние и перспективы производства битумов в России. Сравнение качества российского и зарубежного битума. Проблемы, связанные с производством битумов. Модернизация производства битума.

Прикрепленные файлы: 1 файл

битумы.doc

Реферат по дисциплине

Битумы (от лат. bitumen — смола). Первоначально к битумам относили только природные образования, в основном нефть и её естественные производные (чаще всего асфальт). Затем битумами стали называть также искусственные асфальтоподобные продукты, получаемые переработкой природных битумов, остатков от перегонки нефти, каменноугольной и сланцевой смол (технические битумы). Кроме того, название битумы распространили на экстракты, извлекаемые органическими растворителями из торфа, бурого угля и др. (битумы твёрдых топлив). Экстракты, извлекаемые из осадков и осадочных пород, называются битумоидами.

Битумами пользовался человек ещё в глубокой древности. Известны сооружения в междуречье Тигра и Евфрата и в Египте, которые возводились с применением битумов за 3000 лет до н. э. битумами покрывали водохранилища и хранилища для зерна, скрепляли плиты стен и полов во дворцах и храмах; битумы использовали для гидроизоляции тоннеля, построенного в начале 1-го тыс. до н. э. под р. Евфратом.

Природные битумы подразделяются на нафтиды и нафтоиды. Нафтиды весьма широко распространены в природе — это нефть и её естественные производные: мальты, асфальты, асфальтиты, кериты, озокериты и т.д. Мальты представляют собой вязкие сгустившиеся нефти, подвергшиеся выветриванию. Они состоят из масел (40—65%) и асфальтово-смолистых компонентов (не менее 35%). Дальнейшее изменение мальт под влиянием того же фактора приводит к образованию: твёрдых, но легкоплавких асфальтов, содержащих 60—75% асфальтово-смолистых веществ; асфальтитов — твёрдых высокоплавких и полностью растворяющихся в хлороформе и сероуглероде продуктов, содержащих более 75% асфальтово-смолистых веществ; керитов, к которым относят также вещества, характеризующиеся лишь частичной, иногда очень слабой растворимостью в органических растворителях. К битумам иногда относят также все углеводородные в своей основе природные газы (газообразные нафтиды). Нафтоиды — нафтидоподобные продукты естественной возгонки органического вещества под влиянием магматического тепла. Они встречаются значительно реже нафтидов, ещё очень слабо изучены и не имеют промышленного значения.

Технические битумы — продукты, обладающие обычно твёрдой или вязкой консистенцией и получаемые главным образом из тяжёлых нефтяных остатков, богатых асфальтово-смолистыми веществами, следующими методами: глубокой вакуумной перегонкой тяжёлых нефтяных остатков — мазутов, гудронов и др. — при 300—350°С (остаточные битумы); окислением кислородом воздуха тяжёлых остатков от перегонки нефти (гудронов и др.) при 260—280°С (окисленные битумы); смешением окисленных битумов с неокисленными нефтепродуктами (компаундированные битумы).

Основные компоненты нефтяных битумов — асфальтены, смолы и нефтяные масла. Первые обусловливают твёрдость битумов, вторые — цементацию и эластичность, третьи служат разжижающей средой для смол и асфальтенов [1] . Промышленность изготовляет твёрдые, полутвёрдые и жидкие битумы.

Состав битумов

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.). Элементарный состав битумов примерно следующий (в вес.%): углерода 80—85; водорода 8—11,5; кислорода 0,2—4; серы 0,5—7; азота 0,2— 0,5.

Характерно, что с увеличением содержания серы в битуме повышаются его плотность (рис. 1) и коэффициент рефракции его масляного компонента (рис. 2)

Для разделения битумов на группы разработано большое число методов. Наиболее характерными и широко применяемыми в практике являются методы Маркуссона , ГрозНИИ , Н. Фурби , Н.И. Черножукова и Г.А. Тилюпо , С.Р. Сергиенко и сотрудников , О'Доннелля , Л.P. Клейншмидта, А. Бестужева и Д. Баргмана, ВНИИ НП и СоюзДорНИИ . Применяя различные методы разделения битумов и растворители, получают различные результаты по числу групп, их содержанию и структуре. Так, доля асфальтенов, осажденных при помощи петролейного эфира, меньше, чем при использовании н-гептана, и т. д . По методу Маркуссона битумы разделяют на масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Часто пользуются делением битума на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму масел и смол.

Масла снижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость. Элементарный состав масел: углерода 85—88%, водорода 10—14%, серы до 4,5%, а также незначительное количество кислорода и азота. Молекулярный вес масел 240—800 (обычно 360—500), отношение С:Н (атомное), характеризующее степень ароматичности, обычно равно 0,55—0,66. Плотность масел меньше 1 г/см 3 (103 кг/м 3 ).

Характеристика масляных соединений, входящих в состав битумов, следующая. Парафиновые соединения нормального и изостроения с числом углеродных атомов 26 и более, имеют плотность 0,79-0,82 г/см 3 (790 — 820 кг/м 3 ), коэффициент рефракции 1,44—1,47, молекулярный вес 240 — 600, температуру кипения 350 — 520°С, температуру плавления 56—90°С. Нафтеновые структуры содержат от 20 до 35 углеродных атомов, плотность 0,82—0,87 г/см 3 (820-870 кг/м 3 ), коэффициент рефракции 1,47—1,49, молекулярный вес 450—650.

Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. В свободном виде они представляют собой твердые неплавящиеся хрупкие вещества черного или бурого цвета. В отличие от других компонентов битумов они нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения (С5—С7), а также в смешанных полярных растворителях — спирто-эфирных смесях и низкокипящих спиртах, в нефтяных газах (метане, этане, пропане и др.), но легко растворимы в жидкостях с высоким поверхностным натяжением более 24 дин/см (24 мн/м) — бензоле и его гомологах, сероуглероде, хлороформе и четыреххлористом углероде.

Смолы при обычной температуре — это твердые вещества красновато-бурого цвета. Их плотность 0,99— 1,08 г/см 3 (990-1080 кг/м 3 ). Смолы являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Они относятся к структурам высокой степени конденсации, соединенным между собой алифатическими цепями. В их состав входят кроме углерода (79—87%) и водорода (8,5—9,5%) кислород (1—10%), сера (1—10%), азот (до 2%) и много других элементов, включая металлы (Fe, Ni, V, Cr, Mg, Со и др.). Молекулярный вес смол 300—2500.

Химический состав асфальтенов вследствие его сложности изучен недостаточно. Предложено несколько типов полициклических структур как основных звеньев молекул смол и асфальтенов [2].

Свойства битумов

Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются:

Вязкость — сопротивление внутренних слоев битума перемещению относительно друг друга. Вязкость является основной характеристикой структурно-механических свойств битумов, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Па·с) или выразить ее в условных единицах.

Для характеристики вязкости, точнее, величины обратной вязкости, т.е. текучести битумов, принимается условный показатель — глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум определяют на приборе — пенетрометре при действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0°С при грузе 200 г в течение 60 с. Пенетрация твердых или вязких битумов выражается в единицах (градусах), равных 0,1 мм проникания иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум.

Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости.

Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем па латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на топком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от —20 до +5°С. Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостойкость и выше качество.

Температура вспышки — температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяют на стандартном приборе и отмечают по показанию термометра в момент вспышки паров битума. Температура вспышки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует степень огнеопасности битума при его разогреве.

Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия — прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума 5 баллов в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды [3].

Вязкие битумы на 90 % потребляются в дорожной отрасли на производство асфальтобетонов (для строительства всех видов усовершенствованных дорожных покрытий и оснований), а также для гидроизоляции транспортных сооружений.

При изготовлении смесей битума с каменным материалом к этому вяжущему предъявляются основные два требования: он должен хорошо смачивать каменный материал, образовывать на нем оптимальную толщину пленки и прочно прилипать к поверхности минеральных частиц.

При соблюдении этих требований частицы каменного материала будут равномерно покрыты битумной пленкой, а смесь получится однородной и способной при ее уплотнении образовать прочный монолит.

Поэтому вязкость битума при образовании смеси и при ее уплотнении должна быть в требуемых пределах. Если вязкость битума больше допустимой, то такую смесь трудно уплотнять. Если же вязкость битума меньше допустимой, то такая смесь также не может уплотняться из-за своей пластичности.

Исходя из особенностей погодно-климатических условий и механических транспортных нагрузок, для надежной работы дорожной одежды битум должен соответствовать определенным требованиям.

Требования к вязким битумам, исходя из погодно-климатических (сезонных) условий и транспортных нагрузок:

1. Летний период. Пленка структурированного битума должна быть мало деформативной, а вязкость объемного битума (в межзерновых пустотах) должна быть также достаточно высокой. В противном случае в слое покрытия и основания могут появляться пластические деформации в виде волн и колей.

2. В осенний и весенний период главным разрушающим фактором является вода. Поэтому пленка битума на минеральных частицах должна быть водостойкой, прочной и не отслаиваться водой. Поскольку в эти периоды несущая способность переувлажненных грунтов под дорожной одеждой снижается, появляются сдвиговые деформации, стремящиеся сместить битумные пленки с поверхности минеральных частиц. При нарушении указанных условий (снижения адгезионной способности битума) в дорожной одежде могут возникать микротрещины и она начнет постепенно разрушаться при воздействии транспортных нагрузок.

3. Зимой структурированный и объемный битум покрытий должен обладать достаточной деформативностью (вязкостью), что особенно важно при резком перепаде отрицательных температур (включая циклы перехода через нулевую температуру при оттепелях).

Старение дорожных битумов зависит от различных факторов: температуры и продолжительности нагрева при их подготовке к использованию; температуры, при которой происходит перемешивание битума с каменными материалами (когда битум находится в пленочном состоянии); свойств каменных материалов и др. Под воздействием ряда факторов происходит изменение основных физико-механических свойств битумов: повышается вязкость, снижается пластичность и увеличивается хрупкость. Это явление называют старением битумов.

Старение битумов происходит по различным причинам, основными из которых являются: испарение легколетучих углеводородов, содержащихся в масле, при повышении температуры; химическое изменение компонентов битумов, а следовательно, и его группового состава под действием кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей и др.; характер взаимодействия его составляющих с минеральными материалами в битумоминеральной смеси (обычно пористые минеральные материалы поглощают некоторые составные части битума, чаще всего масла, в результате чего происходит нарушение структуры и старение битума).

В результате воздействия на битум комплекса вышеназванных факторов составные части битумов изменяются: масла переходят в смолы, а смолы в асфальтены и т.д. Процесс превращения смол в асфальтены идет значительно интенсивнее, чем масел в смолы. Накопление асфальтенов приводит к потере битумом пластических свойств и увеличению его хрупкости, так как содержание смол, придающих битуму эластичность и тягучесть, уменьшается. Одни и те же битумы стареют с различной интенсивностью в зависимости от условий, в которых они находятся. При длительном нагреве, особенно при высоких технологических температурах, процесс изменения группового состава битума протекает более интенсивно.

К тому же битумы, подвергавшиеся длительному нагреву при высоких температурах, оказываются, как правило, более склонными к старению. Воздействие температуры 160 °С и выше в течение 5 ч и более в значительной степени увеличивает вязкость и уменьшает интервал пластичности битумов, поэтому температура и длительность нагрева ограничиваются пределами, позволяющими довести битум только до рабочей консистенции.

На стабильность битума в асфальтобетонах большое влияние оказывают качество заполнителя, его пористость, минералогический состав, характер поверхности (шероховатость). При заполнителях из высокопрочных и плотных каменных материалов с шероховатой поверхностью зерен битумы меньше подвержены старению, чем в асфальтобетонах с пористыми заполнителями. Способствуют старению битумов минеральные материалы, содержащие оксиды железа и алюминия (Fe2O3 и Aℓ2O3).

С целью торможения старения битумов используют специальные добавки, так называемые антистарители (ингибиторы). В качестве антистарителей применяют соли олеиновой, нафтеновой, стеариновой и других жирных кислот (массовая доля их составляет 0,05…0,5 %). Замедляют старение регенераты бутилкаучуковых отходов шинной промышленности, которые помимо стабилизации свойств, способствуют повышению теплоустойчивости битумов и расширяют интервал их пластичности. Массовая доля таких веществ в битумах – 6…10 %. Уменьшают интенсивность старения кумароновая смола (при введении ее с массовой долей до 10 %), полиэфирные ненасыщенные смолы (3…5 %), а также сера, сульфопиридин, ализарин, гидрохинон, фентиазин (до 0,2 % от массы вяжущего).

Замедление старения битума в покрытии может быть достигнуто также применением плотного асфальтобетона, в котором отсутствует циркуляция воздуха и воды, что снижает процесс окисления битума, находящегося в тонких слоях. Однако в настоящее время нет общепринятых методов повышения стабильности битумов ввиду непостоянства их состава и свойств. Поэтому в каждом конкретном случае надо выбирать как методы, так и вещества, замедляющие старение битумов.

Старение битума зависит от его состава, природы минеральных частиц, с которыми он контактирует, воздействия кислорода воздуха, солнечной радиации (суммарной величины теплового воздействия), а также энергии механических сдвиговых нагрузок.

В дорожном покрытии битум стареет быстрее, чем в основании, так как слой основания защищен слоем покрытия от непосредственного воздействия солнечной радиации и кислорода воздуха.

Для определения ряда свойств битума – прочности, деформативности и др., отражающих реальные условия его работы в дорожном покрытии, нужна сложная аппаратура, недоступная для лабораторного контроля качества битума в производственных условиях. Поэтому в настоящее время в строительных лабораториях проводят не прямые определения параметров этих свойств, а делают условные испытания, показатели которых позволяют косвенно судить о свойствах битума.

Для характеристики вязкости дорожных битумов пользуются условным показателем – глубиной проникания стандартной иглы в битум при определенной температуре. Глубину проникания иглы (пенетрацию) определяют на специальном приборе – пенетрометре[2]. Чем меньше глубина проникания, тем больше вязкость битума и его прочность.

В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С вязкие дорожные битумы для верхнего слоя покрытия изготавливаются следующих марок: БД 200/300, БД 130/200, БД 90/130, БД 60/90 и БД 40/60.

Деформативность пленки битума при пониженных отрицательных температурах связана с температурой хрупкости битума (Тхр), которую определяют на приборе Фрааса. Чем ниже температура хрупкости битума, тем более деформативен он в зимнее время. Температура хрупкости для вязких битумов колеблется в пределах от -30 до -5 °С. О деформативности битума при 0 °С можно также судить по глубине проникания битума при этой температуре. Чем больше глубина проникания битума при 0 °С, тем больше деформативность пленки битума при температурах, близких к 0 °С.

При изменении температуры битумы значительно изменяют свои свойства, главным образом вязкость. При повышенных температурах битумы переходят в жидкое состояние, что резко снижает прочность и связность тех материалов, в которых они используются (асфальтобетоны, мастики и др.).

Интервал пластичности (Тп) представляет собой алгебраическую разность между температурами размягчения (Тр) и хрупкости (Тхр)

Чем ниже температура хрупкости и выше температура размягчения, тем больше интервал превращения, в котором битум находится в вязкопластическом состоянии и тем лучше его строительно-эксплуатационные свойства.

Пластичность битумов характеризуется растяжимостью25), которая определяется на приборе – дуктилометре путем растяжения стандартных образцов-восьмерок при температуре +25 °С. Длина битумной нити в момент ее разрыва, выраженная в сантиметрах, является показателем растяжимости.

Битумы при изменении температуры сильно меняют свойства и, главным образом, вязкость.

В зависимости от группового состава и структуры вязкие битумы при одинаковой вязкости могут иметь различные когезию, адгезию и теплоустойчивость.

Чтобы учитывать сравнительную теплоустойчивость битумов, кроме интервала пластичности (Тп), В.А.Золотаревым было предложено битумы с пенетрацией 40…130 разделить на структурно-реологические типы с помощью коэффициента Кстр:

где Р25 – растяжимость битума при 25 °С, см.

Установлено, что при Кстр ³ 1,1 битумы имеют высокую теплоустойчивость; при Кстр = 0,.65…1,1 битумы обладают удовлетворительной теплоустойчивостью, а при Кстр -4 до 8×10 -4 . При пониженных температурах он равен 2×10 -4 на 1 °С. Более высокие значения коэффициента соответствуют более вязким битумам.

Теплоемкость – количество тепла в килоджоулях, необходимое для нагрева 1 кг битума на 1 °С. Теплоемкость битумов равна 1,8…1,97 кДж/кг.

Теплопроводность битума характеризуется коэффициентом теплопроводности. Она равна количеству тепла, которое может пропустить образец материала площадью 1 м 2 при толщине его 1 м и перепаде температур в 1 К в течение 1 с. Теплопроводность битумов равна 0,15…0,175 Вт/(м×К).

Смачиваемость битумом минеральных материалов зависит от содержания в нем поверхностно-активных полярных соединений и свойств каменных материалов.

Количественной мерой процесса смачивания может служить угол, образованный каплей и твердой поверхностью. Этот угол называется краевым углом смачивания и обозначается q. Значения q могут меняться в пределах от 0 до 180°. Величину угла смачивания отсчитывают между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения твердой, жидкой и газообразной фаз. Измерение угла производят со стороны жидкости (рис. 7.2).

В основе процессов смачивания и растекания лежат: поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз, а также явления когезии и адгезии. Малая капля жидкости, помещенная на твердую поверхность, может принять разную форму: либо близкую к сферической, как капля воды на поверхности парафина, либо плоскую, так как растекается по поверхности твердого материала, подобно капле воды на поверхности чистого стекла. В первом случае твердая поверхность не смачивается жидкостью, во втором – смачивается. Явление смачивания определяет ход многих процессов в строительном материаловедении, так как служит начальной стадией взаимодействия жидкостей с твердыми телами.

Поверхностное натяжение – это работа, затрачиваемая каплей жидкости, стремящейся уменьшить свою поверхность при контакте с твердой поверхностью. Она выражается как величина энергии, отнесенная к единице поверхности.

Поверхностное натяжение битумов при температуре 20…25 °С равно 25×10 -3 …35×10 -3 Дж/см 2 .

Если краевой угол острый, то смачивание хорошее, поскольку притяжение молекул жидкости поверхностью минерального материала (адгезия) приближается к внутреннему притяжению молекул жидкости (когезия). Если краевой угол большой (тупой), смачивание плохое, притяжение молекул жидкости минеральным материалом слабое. Таким образом, минеральный материал тем лучше смачивается жидкостью, чем меньше силы сцепления между ее молекулами (когезия) и сем больше силы притяжения между молекулами жидкости и минерального материала (адгезия).

Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия) зависит от физико-химических свойств вяжущих, содержания в них активных функциональных групп, полярности, поверхностного натяжения. Для определения прилипания битума к каменным материалам существует ряд методов, основанных на способности каменных материалов, предварительно обработанных битумом, удерживать битумную пленку при ее вытеснении при кипячении в воде.

Для вязких битумов определяют сцепление с мрамором и песком двумя методами: метод А – пассивное сцепление и метод Б – активное. Метод А заключается в определении способности вязкого битума удерживаться на предварительно покрытой им поверхности песка или мрамора при воздействии воды. Метод Б заключается в определении способности жидкого или вязкого битума сцепляться с поверхностью песка или мрамора в присутствии воды. Сцепление битума оценивают степенью смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбции красителей, меченых атомов или люминесценции. При недостаточной поверхностной активности битума и плохом прилипании его к каменным материалам применяют поверхностно-активные добавки в битум или активируют поверхность минеральных материалов известью, цементом, хлорным железом, что способствует улучшению прилипания битума.

При применении битумов в настоящее время в дорожной отрасли используют два нормативных документа:

ГОСТ 22245-90 распространяется на вязкие дорожные битумы, предназначенные в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных и аэродромных покрытий.

В зависимости от глубины проникания иглы при 25 °С вязкие дорожные нефтяные битумы изготовляют следующих марок:

БНД 200/300; БНД 120/200; БНД 90/130; БНД 60/90; БНД 40/60;

БН 200/300; БН 120/200; БН 90/130; БН 60/90.

По физико-механическим показателям битумы БНД и БН должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 7.1

Физико-механические показатели свойств битумов БНД и БН

Наименование показателя Норма для битума марки Метод испытания
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
ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612 ОКП 02 5612
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: при 25 °С при 0 °С, не менее 201-300 131-200 91-130 61-90 40-60 201-300 131-200 91-130 60-90 По ГОСТ 11501
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже По ГОСТ 11506
3. Растяжимость, см, не менее: при 25 °С при 0 °С - 6,0 4,0 3,5 - - - - - - По ГОСТ 11505
4. Температура хрупкости, °С, не выше -20 -18 -17 -15 -12 -14 -12 -10 -6 По ГОСТ 11507 с дополнением по п. 3.2
5. Температура вспышки, °С, не ниже По ГОСТ 4333
6. Изменение температу-ры размягчения после прогрева, °С, не более По ГОСТ 81180, Гост 11506 с дополн. по п. 3.3
7. Индекс пенетрации От -1,0 до +1,0 От -1,5 до +1,0 По прилож. 2

Рекомендуемая область применения битумов БНД и БН в дорожном строительстве указана в табл. 7.2.

Область применения вязких битумов в дорожном строительстве

Дорожно-климатическая зона Среднемесячные температуры наиболее холодного времени года, °С Марка битума
I Не выше -20 БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300
II и III От -10 до -20 БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300
II, III, IV От -5 до -10 БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300
IV и V Не ниже +5 БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130

СТБ 1062-97 распространяется на битумы нефтяные, предназначенные для применения в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте верхних слоев дорожных и аэродромных покрытий.

Условное обозначение битумов при заказе должно состоять из наименования битума, марки и обозначения стандарта.

Пример условного обозначения битума нефтяного для верхнего слоя дорожного покрытия БД 90/130 СТБ 1062-97.

По физико-химическим показателям битумы должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 7.3.

Таблица 7.3 – Физико-химические показатели свойств битумов БД для верхнего слоя дорожного покрытия

Читайте также: