Органічні в’яжучі матеріали

12.1. Визначення і класифікація.

Органічні в’яжучі речовини являють собою групу природних або штучних твердих, в’язкопластичних або рідких речовин, що складаються із суміші органічних, високомолекулярних сполук, що легко об'єднуються при оптимальній температурі з мінеральними й органічними матеріалами (при їх динамічній в’язкості 0,5 Па·с) і утворюють водостійку і міцну плівку, стабільну за складом і структурою в процесі експлуатації будівельного матеріалу.

Органічні в’яжучі (бітуми і дьогті) широко застосовуються в будівництві для улаштування дорожніх покриттів, тротуарів, підлог, виготовлення рулонних покрівельних і гідроізоляційних матеріалів, використовують для захисту від корозії бетону, металу, а також радіоактивних випромінювань.

Сировиною для виробництва органічних в’яжучих є продукти органічного походження: нафта, кам'яне вугілля, горючі сланці, торф, деревина. Ці сировинні матеріали піддаються фракційній розгонці, піролізу, термопластифікації, у результаті чого, крім ряду хімічних продуктів (бензин, гас, лігроїн та ін.), утворюються смолоподібні залишки (гудрон, пек та ін.). Ці залишки піддаються додатковому опрацюванню (термоокисленню, розрідженню і т.д.), із метою доведення їх властивостей до вимог, що пред’являються до органічних в’яжучих.

У залежності від властивостей, хімічного складу, виду сировини і технологічного процесу одержання існує така класифікація органічних в’яжучих речовин:

- бітуми (природні, нафтові, сланцеві) - тверді або рідкі органічні речовини, що складаються з вуглеводнів парафінового, ароматичного і нафтенового рядів і їх кисневих, сірчистих і азотистих похідних;

- дьогті (кам'яновугільні, торф'яні, деревні) - речовини, що складаються із суміші ароматичних вуглеводнів і їх кисневих, азотистих і сірчистих похідних.

За видом сировини ці речовини поділяються на такі:

- бітуми природні, що знаходяться в природі майже в чистому вигляді або що здобуваються з асфальтових гірських порід (асфальтові вапняки, піщаники, піски та ін.); нафтові, що є продуктом перегонки нафти і її смолистих залишків; сланцеві, що утворюються при переробці продуктів перегонки бітумінозних (горючих) сланців;

- дьогті кам'яновугільні, одержувані в результаті ректифікації кам'яновугільної смоли, що утворюються в процесі піролізу кам'яного вугілля (при коксуванні); торф'яні і деревні, що є продуктами піролізу відповідно торфу і деревини.

За основними будівельними властивостями і консистенцією бітуми і дьогті поділяють на такі групи: в’язкі - які при температурі 20-25°С характеризуються в’язкістю і пластичністю, а при 120-180°С набувають рухливості; рідкі - напіврідкі матеріали при температурі 20-25°С, що містять у своєму складі леткі вуглеводні; мають спроможність гуснути у міру випаровування летких вуглеводнів, після чого одержують властивості, близькі до в’язких бітумів і дьогтів; застосовують при 15-20°С.

Бітумні емульсії - це дисперсні системи, що складаються з диспергованого в'яжучого матеріалу у водному середовищі з добавкою емульгатора. При нормальній температурі мають текучість, застосовуються в холодному або теплому стані (при температурі не нижче 2°С). При нанесенні емульсій тонким прошарком на поверхню кам'яних матеріалів вони розпадаються, виділяючи в’яжучий матеріал із початковими (до диспергування) властивостями.

12.2. Склад і структура органічних в’яжучих.

14.2.1. Нафтові бітуми. По селективній розчинності з бітумів звичайно виділяють такі групи вуглеводнів: масла, смоли (кислі і нейтральні), асфальтени, рідше асфальтенові кислоти і їхні ангідриди, карбени і карбоїди, парафіни. Зразковий груповий склад бітуму (мас. %): масла - 40-60, смоли - 20-40, асфальтени - 10-25, карбени и карбоїди - 1-3, асфальтенові кислоти та їх ангідриди - 1.

Масла виділяються з бітуму легким бензином. Вони надають в'язку рухливість, текучість, збільшують випаровуваність і знижують температуру розм’якшення.

Смоли (нейтральні і кислі) - легкоплавкі в’язкопластичні речовини темно-коричневого кольору густиною близько 1000 кг/м³.

Асфальтени - тверді неплавкі речовини густиною трохи більше 1000 кг/м³. Являють собою поліциклічні конденсовані ароматичні структури з включенням гетероциклів переважно із сіркою й азотом, із бічними групами у вигляді граничних аліфатичних ланцюгів і нафтенових сполук, що містять функціональні полярні групи з кисневим атомом. Асфальтени розчинні у бензолі. Вміст асфальтенів визначає в’язкість, твердість і температуру розм’якшення бітуму.

Асфальтогенові кислоти і їх ангідриди - речовини коричнево-сірого кольору, мають маслянисту і смолисту консистенцію. Густина їх вище 1000 кг/м³, вони добре розчиняються в спирті, хлороформі і погано - у бензині. Асфальтогенові і карбонові кислоти, і їхні ангідриди, а також феноли - найбільше полярні компоненти в’яжучих, а, отже, і найактивніші. Їхній вміст визначає адгезійну активність бітуму до поверхні кам'яних матеріалів і, у першу чергу, до основних карбонатних порід. Про вміст асфальтогенових кислот і їх ангідридів можна судити за кислотним числом і числом омилення. Кислотне число бітумів рідко буває вище 0,5-1 кг/КІН, число омилення - у межах 10-30 мг/КІН.

Парафін відноситься до твердих метанових вуглеводнів. Його вміст в бітумах не повинен перевищувати 5%. Високий вміст парафіну знижує розтяжність бітуму і підвищує температуру затвердіння.

14.2.2. Кам'яновугільні в’яжучі

Властивості кам'яновугільних дьогтів залежать від хімічного складу, молекулярної структури компонентів, що входять до їх складу і від утвореної ними надмолекулярної будови структури. Елементарний хімічний склад дьогтю такий, %: вуглець - 91,5-91,9; водень - 4,6-5; азот - 1,3-1,7; сірка - 0,4-0,6; кисень плюс утрати 1-1,3; відношення вуглецю до водню 18,3-20.

Кам'яновугільні в’яжучі включають декілька тисяч індивідуальних сполук, із яких у даний час ідентифіковано біля 500. Кам'яновугільні дьогті характеризуються груповим складом.

Розгляд плівок кам'яновугільних дьогтів в оптичному мікроскопі при збільшенні в 200 разів свідчить про те, що дьоготь - це двокомпонентна мікрогетерогенна система, у якої чітко видно суспендовані частки високовуглецевих сполук із чітким поділом між частками дисперсної фази (- і - фракції) і дисперсійним середовищем (- фракція).

Для кам'яновугільного дьогтю марки Д-6 (ДЕРЖСТАНДАРТ 4641-80) при масовій концентрації - більш 20% і - фракції більш 10% вихід із передстаціонарної стадії на стаціонарну при 20°С и =6,0 с^-1 здійснюється через максимум - границя зсувової міцності.

12.3. Основні властивості органічних в’яжучих

14.3.1. Бітуми нафтові в’язкі і тверді

Основними умовними показниками властивостей нафтових в’язких бітумів є глибина проникання голки (пенетрація), розтяжність (дуктильність), температура розм’якшення, температура крихкості, зчеплення з мармуром або вольським піском, властивості залишку після 5 г. прогрівання при температурі 160°С.

Бітуми нафтові дорожні в’язкі застосовуються як в'язкий матеріал при будівництві дорожніх і аеродромних покриттів. В’язкі дорожні бітуми поділяють на марки. Марка бітуму визначається комплексом показників властивостей.

Стандартом передбачається випуск бітумів нафтових дорожніх двох класів. Числа означають границі умовної в’язкості за глибиною занурення голки в градусах шкали пенетрометра. Як свідчать приведені показники, бітуми БНД відрізняються від БН додатковими вимогами: глибиною проникання голки і розтяжністю при 0°С, а також температурою крихкості і вмістом водорозчинних сполук. Бітуми класу БНД є поліпшеними.

Бітуми нафтові будівельні застосовуються для виконання різноманітних будівельних робіт. Будівельні нафтові бітуми випускають таких марок: БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Перша цифра (чисельник) указує температуру розм’якшення (°С), а друга (знаменник) - середнє значення глибини проникання голки (°П).

Бітуми нафтові покрівельні поділяються на марки БНК 45/80, БНК 90/40, БНК 90/30, де чисельник відповідає середньому значенню температури розм’якшення (°С), а знаменник - середньому значенню глибини проникання голки пенетрометра (°П).

Бітуми нафтові ізоляційні застосовуються для ізоляції трубопроводів від корозії, а також для гідроізоляції підземних частин будинків і споруджень, і поділяються на три марки: БНІ-3, БНІ.

Бітуми нафтові спеціальні застосовуються в лакофарбовій шинній, електротехнічній промисловості; розділяються на марки Б, В, Г.

14.3.2. Бітуми нафтові рідкі

Рідкі бітуми використовують як в'яжуче при будівництві дорожніх покриттів. Їх застосовують у підігрітому до температури 60-100°С стані, що забезпечує необхідну легкоукладальність сумішей. Згодом в’язкість рідких бітумів підвищується унаслідок випаровування летких масел, що містяться в них, і процесів окислювання, що відбуваються частково, і полімеризації. Через деякий проміжок часу рідкі бітуми, що знаходяться в дорожніх покриттях, наближаються за властивостями до в’язких дорожніх бітумів.

У залежності від швидкості формування структури рідкі бітуми поділяють на два класи: СГ – середньо густішаючі; МГ і МГО - що повільно густішають.

Основними властивостями рідких дорожніх бітумів є: умовна в’язкість (технологічна); швидкість загустіння, що характеризується вмістом і видом розріджувача, температура розм’якшення залишку після випаровування розріджувача. Додатковими характеристиками якості рідких бітумів є ті самі властивості, що і в’язких бітумів: зчеплення, температура спалаху та ін.

В’язкість рідких бітумів прийнято позначати (верхній індекс - діаметр стічного отвору в міліметрах, нижній - температура випробування в градусах). В’язкість дорожніх бітумів знаходиться в межах =400-200 с. Клас і марка рідких бітумів визначаються комплексом властивостей.

Рідкі бітуми одержують розріджуванням в’язких бітумів продуктами переробки нафти (масляні залишки), смолистими нафтами, кам'яновугільними і сланцевими маслами.

Рідкі бітуми з умовними в’язкостями 40/70 і 70/130 застосовують для обробки гравійних і щебеневих сумішей холодним способом на полотні дороги; бітуми з умовними в’язкостями 70/130 і 130/200 - для поверхневої обробки дорожніх покриттів, для готування теплого і холодного асфальтобетонів.

Дата добавления: 2014-01-07