Основні фізико-механічні властивості органічних в’яжучих

Для характеристики в’язкості твердих і в’язких бітумів користуються умовним показником - глибиною проникання стандартної голки (пенетрацією при дії на неї вантажу масою 100 г протягом 5 с при температурі 25°С і при 0°С (маса 200 г) протягом 60 с. Глибину проникання визначають на пенетрометрі. Вона виражається в градусах (1°=0,1 мм лінійного занурення) і позначається П₂₅ (індекс показує температуру матеріалу при випробуванні). Пенетрація дорожніх в’язких бітумів при t=25°С знаходиться в межах (300-400)_*0,1 мм.

В’язкість рідких бітумів і дьогтів визначають за допомогою стандартного віскозиметра за часом витікання 50 мм в'яжучого через калібрований отвір стандартного діаметра.

Розтяжність бітумів визначають за допомогою приладу дуктилометра шляхом розтягу шийки зразка, що має форму “вісімки”. Показником розтяжності бітуму служить довжина нитки бітуму в момент розірвання, виражена в сантиметрах. Це випробування проводять при швидкості деформації =5 см/хв і температурах 25 і 0°С (Д₂₅, Д₀). Дорожні в’язкі бітуми мають розтяжність Д₂₅=40 см, Д₀=1-3 см.

Когезія характеризує міцність міжмолекулярних зв’язків і визначається на когезіометрі, що складається з двох пластинок, склеєних прошарком бітуму товщиною 10 мкм. Міцність (МПа) при швидкості деформації (200 мм/хв) для бітумів БНД 90/130 і БНД 60/90 когезія коливається від 0,07 до 0,3 МПа.

Чутливість органічних в’яжучих до зміни температури. Бітум при зміні температури сильно змінює властивості і, головним чином, в’язкість. При температурі 40-50°С бітум переходить у рідкий стан і для більшості дорожніх конструкцій не забезпечує необхідної міцності. При t=-20…-30°С у бітумі настільки підвищується в’язкість, що він стає крихким і не забезпечує необхідних властивостей дорожніх покриттів.

Температура розм’якшення визначається за допомогою приладу “кільце і куля”. Куля заповнюють бітумом, на його поверхню вкладають кульку і поміщають у підігрівану водну баню. За температуру розм’якшення приймають температуру, при якій бітум розм'якшується і кулька опускається на нижню поличку. Температура розм’якшення бітуму коливається в межах 30-60°С.

Температура крихкості визначається на приладі Фрааса. Прошарок бітуму товщиною 1 мм наносять на сталеву пластинку і охолоджують із швидкістю 1°С/хв. За температуру крихкості приймають температуру в момент появи першої тріщини на бітумі при згинанні пластинки. Температура крихкості дорожніх бітумів коливається в межах від -5 до -25°С. Чим нижче температура крихкості бітумів, тим вище тріщиностійкість асфальтобетону.

Індекс пенетрації характеризує зміну в’язкості бітумів від температури. Бітуми з індексом пенетрації менше 2 мають велику чутливість до зміни температури і наближаються до властивостей ньютоновської рідини. Бітуми з індексом пенетрації від -2 до +2 і більше менше чутливі до зміни температури. Чим більше індекс пенетрації, тим ширше інтервал пластичності, тим якісніше бітум для дорожнього будівництва.

Усталеність при нагріванні органічних в’яжучих визначають за зменшенням маси і зміною властивостей (пенетрація, розтяжність і ін.). Проби нагрівають до температури 160°С протягом 5 г. По цих змінах можна судити про стабільність властивостей в’яжучих у часі.

Температура спалаху - це температура, при якій пари, що утворюються при підігріві в'яжучого у відкритому тиглі, займаються від піднесеного до них полум'я. Температура, при якій це полум'я горить не менше 5с, називається температурою запалення. Температура спалаху в’язких і твердих бітумів не нижче 180-200°С, рідких середньо густішаючих - не нижче 37-60°С і повільно густішаючих 100-110°С.

Теплоємність бітумів дорівнює 1,8-1,97 кДж/кг.

Теплопровідність бітуму 0,15-0,175 Вт/(м град.).

Зчеплення органічних в’яжучих із кам'яними матеріалами (адгезія) визначають із мармуром і піском: метод А - пасивне зчеплення і метод Б - активне. Метод А полягає у визначенні спроможності в’язкого бітуму утримуватися на попередньо покритій ним поверхні піску або мармуру при впливі води. Метод Б полягає у визначенні спроможності рідкого або в’язкого бітуму зчіплюватися з поверхнею піску або мармуру при дії води. Зчеплення бітуму оцінюють ступенем зсуву бітумної плівки з поверхні мінерального матеріалу шляхом порівняння з фотографіями контрольних зразків, приведених у ДЕРЖСТАНДАРТ 11508-74.

14.3.3. Кам'яновугільні в’яжучі

Хімічний склад і структуру кам'яновугільних дьогтів визначають їхні показники, що регламентуються ДЕРЖСТАНДАРТом 4641-80. Зіставлення вимог стандартів до якості кам'яновугільних дорожніх дьогтів у країнах СНД і в дальньому зарубіжжі, показує, що вони, в основному, ідентичні. Виняток становить метод визначення умов в’язкості, обумовленої в більшості закордонних країн по температурі рівновеликої в’язкості, при якій 50 мл дьогтю витікає через стічний отвір 10 мм за 50 с.

Якість кам'яновугільних дьогтів можна характеризувати показниками, передбаченими нормами на в’язкі і рідкі дорожні бітуми.

У зв'язку з тим, що до складу кам'яновугільних в’яжучих входять легковипаровувані вуглеводні з малою молекулярною масою і ненасичені сполуки ароматичного ряду, дьогті старіють більш інтенсивно, ніж нафтові бітуми. Про це свідчать значні втрати маси дьогтів (до 20%), при нагріванні їх при 110°С в плівці товщиною 10-30 м протягом 4 г.

Кам'яновугільні дьогті, у порівнянні з нафтовими бітумами, мають вузькі інтервали перетворення, високу температурну чутливість, схильність до інтенсивного старіння. Отже, щоб підвищити їхню якість, матеріал необхідно піддати структурній модифікації шляхом поліпшення дисперсійного середовища або дисперсної фази, або одночасним їхнім поліпшенням. У залежності від способу обробки дорожніх покриттів, застосовують дьогті таких марок: Д-I - для обробки грунтово-гравійних і щебеневих матеріалів при змішуванні на дорозі в холодному стані; Д-3 і Д-4 - для обробки грунтово-гравійних матеріалів у змішувальних установках у холодному стані; Д-5 і Д-6 - для поверхневої обробки дорожніх покриттів, виготовлення холодного дьогтебетону і щебеневих сумішей у змішувальних установках; Д-6 - для глибокого просочування щебеневих дорожніх покриттів, виготовлення гарячого дьогтебетону. Застосовувати дьогті в міських умовах для улаштування дорожніх покриттів заборонено санітарними нормами.

12.4. Виробництво нафтових бітумів.

Існуючі технології виробництва бітумів засновані на дії на нафтопродукт високої температури, розрідження повітря, кисню, пари, різноманітних розчинників, поверхнево-активних речовин, за допомогою яких відбувається формування хімічного складу і структури бітуму, а, отже, його фізико-механічних властивостей.

Найбільше поширення одержали технології виробництва бітуму, засновані:

а) на окислюванні гудрону або суміші гудрону з іншими нафтопродуктами в кубах періодичної або безперервної дії (старе устаткування) або в трубчастих реакторах, окислювальних колонах, безкомпресорних установках (нове обладнання). За цією технологією одержують окислені бітуми;

б) на глибокому відборі від мазуту масляних фракцій на вакуумних установках, у результаті чого на дні колони утвориться важкий нафтовий залишок - залишкові бітуми;

в) на використанні асфальто-смолистих речовин, отриманих при деасфальтизації масел. При необхідності зменшити в’язкість, продукти деасфальтизації об'єднуються і залишковими екстрактами або гудронами. Ці бітуми прийнято називати бітуми деасфальтизації;

г) на компаундуванні (змішуванні) різноманітних нафтопродуктів, що мають різноманітні хімічні склади і властивості, із метою одержання бітуму відповідно до заданих вимог. Частіше усього за цією технологією провадиться глибоке окислювання гудрону до одержання бітуму з високою в’язкістю, а потім розрідження переокисленого бітуму більш легким нафтопродуктом, наприклад, екстрактом селективного очищення або гудроном.

Нафта, нагріта в трубчастій печі до 330-335°С, направляється в ректифікаційну колону, де відбувається її поділ на фракції і їхня переробка. Вихідною сировиною для виробництва бітуму є гудрон. Якщо за показниками якості він відповідає вимогам, пред’явленим до бітумів - це залишковий бітум.

При одержанні окислених бітумів гудрон пропускають через холодильник, де температура його знижується до 210-220°С, а потім він надходить на окисну установку (трубчастий вертикальний реактор, куб періодичної дії, реактор колонного типу, безкомпресорний реактор).

12.5. Технологія виробництва кам'яновугільних дьогтів.

Кам'яновугільні дьогті виготовляють у смолоперегонних цехах коксохімічних заводів шляхом змішування середньо температурного кам'яновугільного пеку або препарованої смоли з висококиплячими розчинниками.

У процесі коксування при температурі 900-1000°С або напівкоксування при 500-600°С, тобто деструктивної переробки кам'яного (або бурого) вугілля, торфу, деревини без доступу повітря, у коксовій камері поряд із коксом утворяться такі леткі хімічні продукти, вихід яких із 1 т сухої шихти становить, %: коксовий газ 14-16; кам'яновугільна смола 3-4; пірогенетична волога 1,8-3,0; сирий бензол 0,8-1,2; сірководень 0,5-2,5; аміак 0,26-0,40.

В умовах високих температур і контактно-каталітичної дії розпечених стінок печі і коксу леткі речовини і пари первинної смоли, зазнаючи повторного термічного розкладання і синтезу, утворять високотемпературну кам'яновугільну смолу.

Кам'яновугільна смола являє собою чорну, оліїсту, в’язку рідину, що має запах нафталіну, і характеризується такими показниками: густина при 20°С - 1150-1190 кг/м³; вміст води 3-4%; вміст речовин, нерозчинних у толуолі, у перерахунку на безводну смолу 6-8%; зольність 0,1-0,3%; вміст нафталіну 7-11%; вміст фенолів 1,1-2,1%; в’язкість =5-30 с; фракційний склад % за масою що переганяється до температури 180°С-0,3; до 230°С - 13-15; до 270°С - 20-24; до 360°С 30-35; пек+втрати 63-65.

Залишковим продуктом перегонки смоли є кам'яновугільний пек - продукт чорного кольору, крихкий і за складом є гетерогенною системою високо конденсованих карбо- і гетероциклічних сполук і продуктів їх ущільнення, що різняться ароматичністю й утворюються не тільки в процесі одержання кам'яновугільної смоли при коксуванні вугілля, але і при її переробці в результаті термічної поліконденсації. У залежності від температури розм’якшення, пеки поділяють на м'які, середні і тверді. М'які пеки мають температуру розм’якшення 40-55°С і густину 1286 кг/м³, середні 65-90°С (1290 кг/м³), тверді 135-150°С (1320 кг/м³).

12.6. Дорожні емульсії.

Емульсіями називають дисперсні системи, у яких одна рідина (фаза) у вигляді дрібних крапель розміром 0,1 мкм диспергована (роздрібнена) в іншій рідині (середовище), що не змішується з нею. Дорожні бітумні емульсії являють собою рідини темно-коричневого кольору, одержувані шляхом диспергування бітуму у водному розчині емульгатора або лужної речовини.

Бітумні і дьогтьові емульсії застосовують як в'яжуче або плівкоутворювальний матеріал, при будівництві і ремонтуванні автомобільних доріг, а також улаштуванні наливних покрівель.

За видом ПАР (поверхнево-активна речовина), використовуваних як емульгатор, бітумні дорожні емульсії поділяють на два види: аніонні (ЕБА) і катіонні (ЕБК) (ДЕРЖСТАНДАРТ 18659-81).

За змішуваністю з мінеральними матеріалами кожний вид емульсії поділяють на три класи: аніонні - ЕБА-1, ЕБА-2, ЕБА-3; катіонні -ЕБК-1, ЕБК-2, ЕБК-3.

Змішуваність побічно характеризує схильність емульсії до розпаду.

Тверді мінеральні емульгатори (глина, гашене вапно, азбест, зола-винос ТЕС та ін.) виконують ту саму роль, що й органічні. Вони прилипають до поверхні диспергованих часток бітуму або дьогтю й утворюють на границі поділу їх з водою захисні оболонки, що перешкоджають коалісценції.

Емульсії, що містять бітуму або дьогтю більш 60-70%, називають висококонцентрованими.

Емульсійними пастами називають в’язкі висококонцентровані емульсії з застосуванням твердих емульгаторів. Емульсійні пастами перед застосуванням розводять водою до одержання необхідної в’язкості.

Емульсії з аніонактивними емульгаторами називають лужними, із катіонактивними - кислими. Вміст водорозчинних емульгаторів в емульсії звичайно не перевищує 3%, твердих емульгаторів 5-15%.

До твердих емульгаторів відносять тонкорозмелені порошки глин, вапна, цементу, сажі і т.д.

У залежності від властивостей і вмісту емульгаторів, кількості бітуму або дьогтю, можна одержувати емульсії двох типів: прямі, коли краплі бітуму дисперговані у воді, і обернені, коли вода диспергована в бітумі. У дорожньому будівництві застосовуються, головним чином, прямі емульсії. При взаємодії емульсії з кам'яними матеріалами за рахунок адсорбції емульгатора, випаровування і поглинання води порушується рівновага системи і відбувається її розпад.

Унаслідок адсорбції емульгатора поверхнею кам'яних матеріалів концентрація його на захищених оболонках бітуму зменшується, при перемішуванні вони розриваються і відбувається злиття й об'єднання бітуму з кам'яними матеріалами.

Вимоги, що пред’являють до емульсій відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТу 18559-81, такі:

- масова частка бітуму (дьогтю) з емульгатором в емульсіях повинна бути 45-55%. Вміст в'яжучого визначається як залишок при випарюванні води з емульсії.

- умовна в’язкість емульсії при 20°С на віскозиметрі ВЗ з отвором 3 мм повинна бути не більш 35 с.

- аніонні емульсії класів ЕБА-1 і ЕБА-2 повинні витримувати випробування на зчеплення плівки в'яжучого з щебенем. При цьому не менше трьох чвертей (75%) площі поверхні щебеню після випробування повинно залишитися покритою плівкою в'яжучого.

- катіонні емульсії класів ЕБК-1, ЕБК-2, ЕБК-3 повинні витримати випробування на зчеплення плівки в'яжучого з щебенем. При цьому не менше 95% площі поверхні щебеню після випробування повинно залишитися покритою плівкою в'яжучого.

- однорідність емульсії визначається проціджуванням її наважки через сито №014. Однорідність встановлюють у відсотках як відношення залишку на ситі до наважки емульсії. Вона повинна бути не більш 0,5%.

- усталеність емульсії визначають за зміною її однорідності при збереженні, при витримуванні проб емульсії протягом тижня і місяця.

- усталеність при транспортуванні визначають після 2 г струшування наважки емульсії. Якщо емульсія не розпалася, тобто не відбулося поділу її на бітум і воду, то вона витримала випробування.

- визначення властивостей бітуму, виділеного з емульсії, провадиться після випаровування води. Глибина проникання і розтяжність не повинні зменшуватися більш ніж на 15% показників вихідного бітуму.

Бітумні і дьогтьові емульсії застосовуються для обезпилювання доріг, зміцнення узбіч, укосів, улаштування покриттів способом просочування, готування чорного щебеню, ремонтування покриттів, догляду за тверднучим бетоном.

12.7. Перевезення і збереження органічних в’яжучих і
матеріалів

Перевезення твердих бітумів і пеків здійснюється в критих вагонах і платформах. В’язкі бітуми і дьогті перевозять у цистернах, обладнаних змійовиками для розігріву, а також у бункерних піввагонах. Для перевезення органічних в’яжучих у рідкому стані на відстань до 35 км використовують автобітумовози.

Кожна партія органічного в'яжучого супроводжується паспортом, у якому вказується найменування заводу і його адреса, характеристика матеріалу і його марки, номер партії і її маса, дата відправлення.

Важливими умовами при розвантаженні матеріалів із транспортних засобів є мінімальні витрати часу на виконання розвантажувальних робіт, відсутність навантаження, обводнювання і втрат.

Розігрів органічних в’яжучих до робочого стану здійснюють водяною парою, газами від спалювання палива, що циркулюють по трубах або каналах, і електрикою. При виготовленні розріджених бітумів і складених дьогтів із застосуванням рідких і летких розріджувачів підігрівають тільки в’язкий бітум або пек, розріджувач додають у холодному стані. У процесі додавання компоненти старанно перемішують за допомогою насоса або мішалкою.

Приймання доставленого матеріалу виконують за прикладеним до нього паспортом, визначаючи масу партії, а також за даними контрольних випробувань зразків. Під час перевезення грудкового матеріалу у вагонах або автомобілях їх зважують на вагах і визначають об’єм матеріалу і його середню густину, на підставі чого підраховують масу всього матеріалу.

Масу матеріалу в цистернах і бункерних піввагонах визначають зважуванням або за ступенем заповнення місткості тари і дійсної густини матеріалу.

Для контрольних випробувань властивостей матеріалу відбирають середню пробу і випробують у лабораторії відповідно до державних стандартів.

Збереження органічних в’яжучих організують у спеціально обладнаних резервуарах із підводом водяної пари й електроенергії для обігріву і стиснутого повітря для перемішування. Сумарна місткість резервуарів залежить від споживання і продуктивності заводу. Вона коливається від 1000 до 5000 м³. Для полегшення зливу днище резервуара роблять похилим.

Для внутрішньозаводського транспортування бітумів застосовують поршневі, шестеренчасті, рідше ротаційні насоси. Трубопроводи і насоси старанно ізолюють від утрати тепла, обладнують паровими сорочками або застосовують електрообігрів.

Дата добавления: 2014-01-07