9.2. Битумы и дегти

Первыми органическими вяжущими, которые начали приме­нять в строительстве, были битумы и дегти. Имеются свидетельства применения битумных материалов в I тысячелетии до н. э. в Месо­потамии при строительстве «висячих» садов Семирамиды, тоннеля под Евфратом и асфальтированных мостовых. Известно примене­ние битумных материалов в Древнем Риме. Средневековые строите­ли, в том числе и наши предки, применяли смолы и дегти для защи­ты древесины от гниения.

Хотя битумы и дегти имеют различное происхождение и не­сколько отличаются составом, оба обладают общими характерными свойствами. При нагревании они обратимо разжижаются и в таком состоянии хорошо смачивают другие материалы, а при охлаждении отвердевают, прочно склеивая смоченные ими материалы. Кроме того, битумы и дегти водостойки и водонепроницаемы, и если ими пропитать или покрыть другие материалы, то приобретают гидро­фобные (водоотталкивающие) свойства. Битумы и дегти хорошо растворяются в органических растворителях. Перечисленные свой­ства предопределили использование битумов и дегтей для получе­ния клеящих и гидроизоляционных материалов, а также для полу­чения специальных дорожных бетонов — асфальтобетонов.

Битумы (от лат. bitumen — смола) — при комнатной температуре вязкопластичные или твердые вещества черного или темно-корич­невого цвета, представляющие собой сложную смесь высокомоле­кулярных углеводородов и их неметаллических производных. В за­висимости от происхождения битумы могут быть природные и ис­кусственные (техногенные); источником образования или получения битумов и в том и в другом случае является нефть.

Природные битумы встречаются в виде асфальтовых пород, например, песка, пористого известняка, пропитанных битумом (со­держание битума от 5 до 20 %). Такие породы встречаются в Венесуэ­ле, Канаде, на острове Тринидад и др. Есть месторождения практи­чески чистых битумов, например, битумные озера на Сахалине. При­родные битумы образовались при разливе нефти в результате испарения из нее легких фракций и частичного окисления кислоро­дом воздуха. Мировые запасы природного битума более 500 млрд т.

Искусственные битумы получают как остаток при пере­работке нефти на нефтеперегонных заводах при получении топлива и смазочных масел. После переработки (перегонке или крекинге) нефти остается густой смолистый остаток, содержащий твердые частицы,— гудрон. Выход гудрона из тяжелой нефти 7...8 %, а из легкой — до 1 %. Гудрон подвергается специальной обработке (на­пример, нагреву и продувке воздухом) для получения твердого или полутвердого материала — нефтяного битума.

Элементарный состав битумов находится в следующих пределах: углерод С — 70...87 %, водород Н — 8...12 %, сера S — 0,5...7 %. Эти элементы образуют в битуме четыре группы веществ:

нефтяные масла — (молекулярная масса 300...600); алифатиче­ские углеводороды (строение молекул линейное); содержание в би­туме 30...60 %; придают битуму вязкость и термопластичность;

смолы — (молекулярная масса 600... 1000), содержание в битуме 20...40 %; состоят из кислородо- и серосодержащих полярных со­единений, придают битуму высокие адгезионные свойства;

твердые высокомолекулярные вещества — (молекулярная масса 1000...5000); содержание в битуме 10...40%; к ним относятся ас-фальтены, карбены и карбоиды; придают битуму твердость и туго­плавкость;

асфальтогеновые кислоты — содержание до 3 %; выполняют функцию поверхностно-активных веществ и повышают адгезион­ные свойства битума.

Вещества, составляющие битум, образуют коллоидную систему, в которой масла с растворенными в них смолами являются дисперс­ной средой. В ней равномерно распределены мельчайшие твердые частицы.

Устойчивость такой системе придают ПАВ — смолы и асфальтогено-вые кислоты (рис. 9.1). При нагреве масла разжижаются и битум переходит в жид­ко-вязкое состояние; при охлаждении масла густеют и битум затвердевает, а при дальнейшем охлаждении делается хруп­ким. Эти превращения битума обратимы; т. е. битум — термопластичный материал. Битумы делят на три типа по области их применения: дорожные (для асфальто­бетонов), кровельные (для мягких кро­вельных материалов) и строительные (для изготовления мастик, гидроизоляции и др.). Каждый тип битумов в зависимости от состава может иметь различные марки (табл. 9.1).

Таблица9.1 Марки нефтяных битумов

Марка битума	Температура размягче­ния, °С, не ниже	Растяжимость при 25 °С, см, не менее	Глубина проникания иглы при 25° С, 10-1 мм
Строительные битумы
БН-50/50 БН-70/30 БН-90/10	50 70 90	40 3 1	41...60 21...40 5...20
Кровельные битумы
БНК-45/180 БНК-45/190 БНК-90/40 БНК-90/30	40...50 40...50 85.-95 85...95	Не нормируется Тоже » »	140...220 160...220 35...45 25...35
Дорожные битумы
БНД-200/300 БНД-130/200 БНД-90/130 БНД-60/90 БНД-40/60	35 39 43 47 51	Не нормируется 65 60 50 40	201...300 131...200 91...130 61...90 40...60

Марки битумов определяют по комплексу показателей, основ­ные из которых: температура размягчения, твердость и растяжи­мость.

Температуру размягчения определяют на стандартном приборе «Кольцо и шар» (рис. 9.2). Температурой размягчения считается температура, при которой шарик проваливается сквозь битум, заплавленный в кольцо. Обратите внимание: у битума, как у сложной коллоидной системы, нет определенной температуры плавления: он размягчается постепенно.

Твердость (вязкость) битума определяют на приборе пенетро­метр (рис. 9.3) по погружению иглы в образец битума (единица шкалы прибора 0,1 мм) при температуре 25 °С.

Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25 ° С со скоростью 5 см/мин (рис. 9.4).

Транспортируют битумы в фанерных барабанах или бумажных мешках. Хранят в закрытых складах или под навесом таким образом, чтобы на битум не попадали прямые солнечные лучи. Битум — горю­чее вещество, поэтому при работе с ним, особенно при разогреве би­тума, следует соблюдать требования пожарной безопасности.

Деготь — продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых видов топлива (древесины, угля, горючих сланцев, торфа и т. п.), представляющих собой вязкую темно-бурую жидкость с характер­ным «дегтярным» запахом.

Деготь, вероятно, один из старейших химических продуктов, получаемых человеком. С древнейших времен на Руси было развито «дегтекурение» — получение дегтя из бересты (тонкой березовой коры). Бересту нагревали без доступа воздуха до 200...300 °С. При этом образовывалась темная вязкая жидкость с сильным запахом. Позже стали вырабатывать деготь из древесины березы и других ли­ственных пород.

Деготь использовался для пропитки деревянных сооружений, лодок, рыбацких сетей, смазки сапог и т. п. Такая обработка защи­щала от гниения, благодаря антисептирующему и гидрофобизирую-щему действию дегтя. Антисептирующие свойства дегтя использу­ются и в медицине (мазь Вишневского, дегтярное мыло и т. п.). Копчение продуктов (рыбы, мяса) также основано на обработке их продуктами сухой перегонки древесины.

В больших масштабах деготь стал производиться с конца XIX в., когда стала развиваться металлургия. Деготь является побочным продуктом при коксовании углей (высокотемпературной — до 1000 °С обработки каменных углей с целью получения кокса).

Дегти, как и битумы,— сложная дисперсная система, состоящая из большого числа (несколько тысяч) различных углеводородов (жидких и твердых) и их неметаллических производных. Но в отли­чие от битума, где преобладают парафиновые углеводороды, в дегте много ароматических углеводородов и их производных (бензола, то­луола, нафталина, фенола и др.). Именно они придают дегтю анти­септические свойства.

Сырой деготь практически не применяется. Его разгоняют, по­лучая растворители, различные масла (антраценовое, креозотовое и др.) и твердообразное вещество — пек.

Пек (от голл. рек — смола) — аморфный хрупкий при обычных температурах остаток от перегонки сырого дегтя при температуре более 360 °С. Он состоит из смолистых веществ, «свободного угле­рода», антрацена, масел и других слаболетучих соединений. Пеки применяют для получения составного дегтя, сплавлением его с мас­лами, и пекового лака, растворением его в ароматических раствори­телях. Составные дегти используют для гидроизоляции и антисептирующих покрытий древесины.

Дегти менее атмосферостойки, чем битумы. Под действием солнечного излучения и кислорода они окисляются, превра­щаясь в твердые хрупкие продукты; это объясняется наличием в дегте, в отличие от битума, активных реакционноспособных соединений. Дегти и продукты на их основе — канцерогены, поэтому их использование в местах, где возможен их длитель­ный контакт с человеком, запрещено.

При работе с дегтями и пеком следует помнить, что они и их па­ры могут вызвать воспаление или аллергические реакции при кон­такте с кожей и в особенности — слизистыми оболочками.

Общий недостаток битумов и дегтей — узкий интервал темпера­тур, при которых материалы на их основе обладают прочностью и эластичностью. Так, битумы при понижении температуры до 0... —10 °С становятся хрупкими, а при повышении до 40...60 ° С начи­нают течь. Для расширения интервала эксплуатационных темпера­тур битумы и дегти модифицируют, добавляя термопластичные по­лимеры и каучуки.