12. 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 способа переработки 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.
Температура хрупкости или затвердевания.
При отрицательных температурах битумы становятся хрупкими. Температура хрупкости - температура, при которой образуется первая трещина на изгибаемом тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку специального прибора. Чем ниже температура хрупкости битума, тем выше его морозостойкость и тем выше качество битума. За рубежом в некоторых странах температуру хрупкости устанавливают по пенетрации.
Битумы гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, имеют плотное строение, пористость их практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки (на них меньше образуется трещин).
Битумы стойки по отношению к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинству агрессивных газов, но растворяются полностью или частично в различных органических растворителях (сероуглероде, хлороформе, бензоле, дихлорэтане, этиловом спирте, бензине, бензоле и др.), поэтому их применяют их для приготовления лаков, красок и мастик.
Битумы при размягчении прочно сцепляются (обладают адгезией) с камнем, деревом, металлом и др. Используются при применении в качестве вяжущих веществ; переводить в рабочее состояние битумы можно расплавлением, растворением в органических растворителях и эмульгированием в воде (получение битумных эмульсий производят с помощью специальных добавок-эмульгаторов).
Нефтяные битумы хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.
Получаемые при этом материалы называют резинобитумными и битумно-полимерными. К ним можно отнести «монофлекс» - битумно-полимерный материал, обладающий высокой морозостойкостью(до -50°С) и теплостойкостью (до +100°С), сохраняя при этом пластичность и гибкость: его верхняя поверх-ность укреплена полиэстером, нижняя – плёнкой, а внутри – модифицированный битум.
В целом битумы сходны по составу и структуре, основным техническим свойствам с дёгтями.
Основные показатели физико-механических свойств нефтяных битумов приведены в таблице 4.2.
Рис. 4. 2. Прибор «кольцо и шар» для определения температуры размягчения битума
Недостатки битумных вяжущих – старение – процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности.
Происходит оно от действия солнечного света и кислорода воздуха, поэтому на стройплощадках битум хранят под навесом или в специальных закрытых складах, защищая их от действия солнечных лучей и атмосферных осадков.
Физико-механические свойства нефтяных битумов
