Работа № 6 нефтяные битумы и битумные материалы

Нефтяные битумы (ГОСТ 4148-2003), это органические вяжущие вещества, представляющие собой при нормальной температуре твердые или полутвердые вещества черного или темно-коричневого цвета. Битумы получают из нефти путем отгона масел (остаточные битумы), крекирования, т.е. разложением при высокой температуре нефти или нефтяных масел (крекинговые битумы), окислением или продувкой воздуха через нефтяные остатки.

По химическому составу нефтяные битумы представляют собой сложные смеси углеводородов и их неметаллических производных (соединений углеводородов с серой, кислородом или азотом). Битумы растворимые в сероуглероде, хлороформе, бензоле и других органических растворителях.

Нефтяные битумы в строительстве применяются для производства кровельных и гидроизоляционных битумных материалов, изготовления битумных составов, приклеивают, изготовления антикоррозионных окрасочных составов и др..

6.1 Исследования битумов

6.1.1 Твердость битумов

Твердость битумов (пенетрацию) определяют по глубине проникновения в материал иглы. Определение выполняют в стандартном приборе - пенетрометре.

Принцип установления твердости битума в пенетрометре основан на измерении глубины проникновения стандартной иглы пенетрометра в испытуемый битум при определенной температуре, нагрузке и длительности погружения. Обычно нагрузки принимается в 100 г, продолжительность погружения иглы 5 с. и температура битума в момент испытания + 25°С или для улучшенных марок при 0°С.

Глубину проникновения иглы выражают в градусах, определяющие по диску пенетрометра. Причем каждый градус диска соответствует опусканию иглы в битум на 0,1 мм при стандартных условиях испытания. Схема пенетрометра приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Пенетрометр для определения твердости битумов.

На металлическом штативе 1, укрепленном на металлической подставке 2, находится кронштейн, состоящий из двух частей. Нижняя часть кронштейна имеет зажимное устройство 3. Верхняя часть 4 оборудована круглым циферблатом-диском 5 со стрелкой 7, может передвигаться в зависимости от передвижения вверх или вниз штанги 6. Нижний конец этой штанги при движении вниз упирается в верхнюю часть иглодержателя 8, скользит в нижнем кронштейне и удерживается кнопкой на пружине 10.

Игла 9 закрепляется в самой нижней части иглодержателя винтом. Иглодержатель вместе с грузом в 50 г и иглой весит 100 г. Перед началом испытания прибор устанавливают строго вертикально.

Стальная игла пенетрометра длиной 50,8 мм, диаметром от 1 до 1,02 мм, должна быть закалена и тщательно отполирована. Конец иглы должен быть коническим, длиной 6,35 мм; угол заточки - от 8,4 до 9,4°, причем острие иглы диаметром от 0,14 до 0,16 мм должно быть затупленное.

Предварительно обезвоженный образец битума расплавляют на песчаной или масляной бане или в сушильном шкафу, нагревая при помешивании стеклянной палочкой до температуры, при которой он приобретает текучесть. Расплавленный до текучего состояния битум наливают в медную чашечку на высоту не менее 30 мм и охлаждают при температуре не выше 10°С в течении часа.

Чашку с битумом помещают в водяную ванну с температурой 25°С и выдерживают 1 час до испытания (колебания температуры воды в ванне не должно превышать ± 0,5°С). Затем чашку с образцом битума вынимают из ванны и помещают в плоский сосуд (кристаллизатор), наполненный водой с температурой 25°С, и ставят на стол 11 пенетрометра. После этого подводят острие иглы к поверхности битума, отмечают положение стрелки на шкале и доводят кремальеры (зубчатую рейку) 6 до верхнего края иглодержателя. Одновременно пускают в ход секундомер и нажимают кнопку, давая игле свободно входить в испытуемый образец в течение 5 секунд, по истечении которых кнопку отпускают. После этого доводят кремальеры 6 опять к верхнему концу иглодержателя; вместе с кремальерой передвигается и стрелка, показывая расстояние погружения, пройденной иглой (в десятых долях миллиметра) в течение 5 с.

После каждого погружения иглу промывают бензином и тщательно вытирают насухо для удаления битума, который пристал.

Определение твердости повторяют три раза в разных местах поверхности образца битума, отстоящих не менее чем на 1 см от краев чашки и друг от друга. Среднее из трех определений дает величину глубины проникновения иглы.

6.1.2 Растяжимость битумов

Растяжимостью (дуктильнистю) называют свойство битумов вытягиваться в тонкие нити под влиянием приложенной растягивающей силы.

Величину или степень растяжимости измеряют длиной нити к ее разрыву при температуре 25°С или для улучшенных марок - при 0°С и скорости вытягивания 5 см / мин. и выражают в сантиметрах.

В различных строительных материалах и конструкциях битумы могут испытать растягивающие усилия. Поэтому при прочих равных показателях, например глубины проникновения и температуры размягчения, следует предпочесть битум с большей растяжимостью.

Растяжимость битумов определяют в дуктилометре (рис. 6.2). Дуктилометр представляет собой деревянный или пластмассовый ящик 1. Образцы-восьмерки 5 в захватах устанавливают одним концом на неподвижной опоре 6, а другим - на подвижной части 3. При вращении винта 2 гайка 4, установленная на винте и прикрепленная к подвижной части движется вместе с ней. При этом образцы растягиваются. На противоположной от винта стороне вдоль ящика установлена ​​металлическая линейка 8, по которой фиксируют растяжение. Растягивать образец битума следует со скоростью, не превышающей 5 см /мин.

Рис. 6.2. Дуктилометр

Разборная медная форма для образцов (рис. 6.3) состоит из 4 частей. Размеры формы: длина 7,5 см, ширина образца в наименьшем поперечном сечении - 1 см, толщина образца - 1 см.

Определяют растяжимость следующим образом. Предварительно обезвоженный битум расплавляют и процеживают через сито с 50 отв/см², а затем перемешивают. Форму в собранном виде помещают на металлическую пластинку. Пластинку и средние боковые части формы с внутренней стороны (чтобы избежать приклеивания к ним битума) покрывают смесью талька с глицерином.

Рис. 6.3. Разборная медная форма для образцов при определении

растяжимости битума.

Расплавленный, процеженный и перемешанный битум наливают тонкой струей в формы от одного конца к другому, пока формы не наполнятся вровень с краями. Формы охлаждают в течение 30 мин. при температуре 1820°С, после чего избыток битума срезают горячим острым ножом. Образец битума с формой и пластинкой помещают в водяную баню при 25±0,5°С на 1,5 часа. После этого образец снимают с пластинки и закрепляют на дуктилометре, надевая кольца формы на штифты его подвижной части, а затем вычитают боковые части формы.

Предварительно в дуктилометр наливают воду, которая должна покрывать формы с образцами не менее чем на 2,5 см.

Температура воды 25±0,5°С. Эту температуру при выдержке образцов постоянно поддерживают доливанием горячей или холодной воды. Формы в дуктилометре с водой выдерживают в течение 1,5 часа. Затем начинают вращать маховик, растягивая битум со скоростью 5 см /мин. Длину нити образца битума (см), отмеченную указателем в момент ее разрыва, принимают за растяжимость битума.

Для каждого образца битума растяжимость определяют три раза. Конечный результат принимают как среднее из трех определений.

При определении растяжимости битумов различной плотности (выше или ниже единицы) плотность воды соответственно меняют: повышают ее путем добавления раствора поваренной соли или снижают добавлением спирта. Нить битума при испытании не должна всплывать или тонуть.

6.1.3 Температура размягчения битумов

Температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления. Битум не представляет собой однородное в химическом смысле вещество, а является смесью многих органических веществ. Из твердого состояния в жидкое битумы переходят не сразу и в очень широком температурном интервале. Поэтому при исследовании битумов определяют температуру размягчения. При повышении температуры битумы постепенно размягчаются, причем граница между жидким и твердым состоянием их резко не проявляется. Температура размягчения битума характеризует лишь степень его подвижности, что и устанавливают при испытании.

Температура размягчения имеет большое практическое значение, так как при данной температуре битум теряет ряд своих строительных свойств. Например, в гидроизоляционном ковре, где битум применяют для склеивания отдельных полотен, и он сам является гидроизоляционным слоем, в битуме при температуре размягчения значительно теряются его свойства как клея и он начинает сползать с вертикальных поверхностей. Чтобы из-за этого не повредились конструкции или материалы, создают некоторый температурный запас. Так, в конструкциях, в которых битум может подвергаться нагреву, например к 50°С, следует применять битум с температурой размягчения 6570°С.

Для определения температуры размягчения битумов существует несколько методов; наибольшее распространение получил метод «Кольца и шара».

Прибор для определения температуры размягчения по методу «Кольца и шара» (рис. 6.4) состоит из трех металлических дисков 2, 3, 4, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга проходящими через них и прикрепленными к ним металлическими стержнями 6. Два нижних диска расположены на расстоянии 25,4 мм друг от друга. В среднем диске имеются два отверстия, в каждое из которых вставляют латунные кольца 7 с внутренним диаметром 15,88 мм, высотой 6,25 мм и толщиной стенок 2,38 мм. В середине верхнего диска имеется отверстие, в которое вставляют термометр 5, рассчитанный на определение температуры до 160°С. Термометр устанавливают так, чтобы ртутный шарик находилась на уровне колец.

Рис. 6.4. Прибор для определения температуры размягчения битума по методу «Кольца и шара»

Расплавленным и перемешанным в течении 15 минут при 120°С битумом заполняют с избытком латунные кольца, помещенные на металлическую, смазанную смесью талька с глицерином, пластину. После охлаждения избыток битума срезают нагретым лезвием ножа. Кольца с битумом вставляют в отверстия среднего диска. На поверхность битума в центре каждого кольца помещают стальные шары (рис. 6.5) диаметром 9,53 мм и весом 3,45÷3,55 г.

Прибор ставят на 15 мин. в стакан, который наполненный дистиллированной водой с температурой +5°С. По истечении 15 мин. стакан с прибором ставят на асбестовую сетку и начинают нагревать со скоростью подъема температуры 5°С в 1 м. Температуру, при которой битум под действием массы шарики коснется нижнего диска (рис. 6.5), принимают за температуру размягчения. Если температура размягчения по методу «Кольца и шара» окажется, например, равной 70°С, сокращенно пишут 70° КиШ.

Рис. 6.5.

Если температура размягчения битума выше 80°С, то вместо воды применяют глицерин и образец перед испытанием выдерживают не при 5°С, а при 32°С. Для каждого образца битума делают два определения.

Контрольные вопросы

1. Какой материал называется битумом, его главные свойства?

2. Какие способы производства нефтяных битумов?

3. По каким показателям определяют марку битумов?

4. Какие материалы производят на основе битума?

5. Как определяется твердость битума?

6. Как определяется растяжимость битума?

7. Как определяется температура размягчения битума?

8. Области применения битумов разных марок?