Битумные вяжущие вещества

Декабрь 17, 2011 в Органические вяжущие вещества

. контакты 8 929 943 69 68 http://vk.com/club23595476 .

Природные битумы – битумные вещества,вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических производных. Огни образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.

Нефтяные битумы битумные вещества получают при фракционной перегонке нефти на нефтеперерабатывающих заводах путем обработки остатков, образующихся при этом. По консистенции при нормальных температурах (18…22 °C) нефтяные битумы могут быть твердыми, обладающими упругими, а иногда и хрупкими свойствами; полутвердыми (вязкопластичными) и жидкими (легкотекучими).

По составу битумные вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводов метанового (СnH2n+n) и нафтенового (СnH2n) рядов и их неметаллических производных (углерод, водород, кислород, сера, азот), способных изменять свои физико-механические свойства  в зависимости от температуры. Углерода содержится 70…87 %, водорода до 15 %, кислорода до 10 %, серы до 1,5 %, азота менее 1 %.

Согласно современной коллоидной теории структуры битума все его групповые компоненты битумных веществ образуют структурированную  дисперсную систему, состоящую из дисперсионной среды (мальтенов) и дисперсной фазы (асфальтенов). Выделить отдельные углеводородные соединения из этой смеси весьма сложно.

Комплексные частицы дисперсной системы битумных веществ(мицеллы), разрушаются при нагревании битума за счет усиления броуновского движения и частичного растворения асфальтенов, но при охлаждении структура битума самопроизвольно восстанавливаются (рис. 95).

Мицелла       1. Асфальтены.

1             2. ПАВ.

2            3. Оболочка из смол.

3            4. Жидкие масла.

4

Рис. 95. Состав битума

Мальтены – битумные вещества жидкая часть битумов, состоящая из масел и смол. Масла представляют собой вязкие жидкости с плотностью меньше единицы и молекулярной массой 300…500. Повышенное содержание масел в битуме снижает его твердость и температуру размягчения, придает ему подвижность и текучесть. В битумах содержится 45…65 % масел. Смолы представляют собой вязкопластичные вещества с плотностью около единицы. Они состоят из более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 500…1000. Смолы хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водостойкие пленки; придают битумам вяжущие свойства, повышают пластичность и растяжимость. В битумах содержится 15…30 % смол. Кроме того, мальтены содержат до 10 % серы и кислорода. Они являются растворителями и пластификаторами.

Асфальтены (10…30 %) –битумные вещества, твердая часть битумов, состоящая из карбенов, растворимых только в CCl4 и карбоидов, не растворимых в маслах и летучих растворителях. Они имеют молекулярную массу 1000…5000 и плотность более 1. В их состав могут входить также твердые углеводороды – парафины, которые повышают хрупкость битумов. Асфальтены, коллоидно растворенные в маслянистой и смолистой среде, становятся своеобразными центрами или ядрами, которые окружены оболочкой среды убывающей плотности от тяжелых вязких смол к сравнительно легким текучим маслам. В этой системе нет четко выраженной границы между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В пограничной зоне адсорбированы полярные молекулы асфальтогеновых кислот.

Кроме мальтенов и асфальтенов в состав битумных веществ битумов входят  асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, представляющие собой вещества густой смолистой высоковязкой консистенции с плотностью более единицы. Это наиболее полярный, а, следовательно, и наиболее поверхностно-активный компонент битума, содержание которого определяет способность битума прилипать и прочно сцепляться с каменными и другими материалами. При плотной упаковке объёма битума мицеллами образуется структура типа «гель» и битум отличается высокой вязкостью и твердостью.

Если есть избыток дисперсионной среды и мицеллы не контактируют между собой и свободно перемещаются, то структура относится к типу «золь». Такая структура характерна для битумных веществ жидких размягченных битумов с малой вязкостью.

Состояние и свойства битума всецело зависят от его фазового состава, изменить который можно регулированием технологических свойств битумных вяжущих: нагреванием и охлаждением, добавлением маслянистых углеводородов (лигроин, нефть, мазут), введением тонкодисперсных минеральных наполнителей, разжижением растворителями и получением эмульсий.

Асфальтовые породы представляют собой пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Битум выделяют вывариванием горячей водой или растворением органическими растворителями дробленых асфальтовых пород.

Гудрон представляет собой остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Гудрон является основным сырьем для получения нефтяных битумов.

Нефтяные битумы битумные вещества получается переработкой нефтяного сырья, в первую очередь гудрона:

– остаточные битумы битумные вещества, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел.

– окисленные битумы, получаемые окислением гудрона продувкой воздуха.

– крекинговые битумы,битумные вещества получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти. Крекинг нефти – высокотемпературная переработка нефти для получения продуктов меньшей молекулярной массы, связана с разрывом связи С=С с образованием двух больших короткоживущих радикалов;

– компаундированные битумы,битумные вещества которые получаются смешением окисленных и остаточных битумов.

Твердение битумов происходит за счет коагуляционного структурообразования, связанного с температурным воздействием. В зависимости от температуры битумы могут находиться в различных состояниях.

1.  Упруго-хрупкое состояние (при температуре менее 0 оС) – каркас из асфальтенов фиксирован отвердевшей прослойкой из смол, растворенных в маслах.

2. Эластичное состояние – каркас из асфальтенов фиксирован жидкими прослойками. Деформации во времени только упругие.

3. Упруго-пластичное состояние – частицы асфальтенов взаимодействуют через тонкие прослойки среды, проявляющих упругие свойства при напряжениях, не превышающих предел текучести.

4. Упруго-вязкое состояние – исчезает предел текучести. Прослойки среды увеличиваются за счет их частичного растворения.

5. Истинно-вязкое состояние (температура выше температуры размягчения). практически отсутствует дисперсная фаза и всю систему занимает дисперсионная среда. Битум представляет собой суспензию асфальтеновых частиц, набухших в углеводородах. Состояние битума предопределяет его свойства в процессе эксплуатации (рис. 96).

Рис. 96. Изменение свойств битумных вяжущих веществ в зависимости

от температуры

Свойства битума, как дисперсной системы, определяется соотношением входящих в него составных частей: смол, масел и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Физические свойства битумных веществ. Характерными физическими свойствами для органических вяжущих веществ являются гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного растворения. Плотность в пределах 0,8…1,3 г/см3. Теплопроводность 0,5..0,6 Вт/м.град.

Физико-химические свойства. битумных веществ .Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникают упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации.

Химические свойства. Битумы стойки к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Они хорошо сопротивляются действию щелочей, многих кислот. Менее стойки действию оксидов азота, растворимы в органических растворителях.

Физико-механические свойства битумных веществ . По физико-механических свойствам битума (твердость, температура размягчения и растяжимость) определяют его марку  и пригодность для применения в строительстве.

Твердость (вязкость) битумных веществ определяют по глубине проникания в битум иглы пенетрометра (в десятых долях мм) при температуре 25 оС (рис. 97), температуру размягчения определяют на приборе «Кольцо и шар» (рис. 98) и растяжимость (дуктильность) образцов-восьмерок определяют на дуктилометре (в см) при температуре 25 оС (рис. 100).

Рис. 97. Пенетрометр

Для определения вязкости испытываемый битум в металлической чашке 7, имеющей внутренние размеры: диаметр 55 мм, высота 35 мм, помещают в кристаллизатор 8, наполненный водой так, чтобы высота слоя воды над поверхностью битума была не менее 10 мм; температура воды в кристаллизаторе контролируется термометром с погрешностью 0,5 °C

Кристаллизатор устанавливают на столик 9 пенетрометра 1 и острие иглы 6 подводят, пользуясь зеркалом 5, к поверхности битума так, чтобы игла только слегка касалась ее. Кремальеру 3 доводят до верхней площадки стержня с иглой, устанавливают стрелку на нуль циферблата 2 или отмечают ее положение. После этого одновременно включают секундомер и нажимают кнопку 4 прибора, давая игле свободно входить в испытуемый образец в течение 5 с. Затем доводят кремальеру вновь до верхней площадки стержня с иглой и отмечают показания прибора.

Определение температуры размягчения производят на приборе «Кольцо и шар»,  состоящего из металлического штатива 1 с тремя пластинками 5 и стакана 6 (рис. 98). Расстояние между нижней и средней пластинками равно 25,4 мм. В средней пластинке имеются два отверстия диаметром около 19 мм для установки в них колец 2, залитых испытуемым битумом.

Рис. 98. Прибор «Кольцо и шар»

испытание кольцо шар

Кольца с битумом помещают в отверстие на пластинке прибора. В среднее отверстие пластинки вставляется термометр 4 так, чтобы нижняя точка ртутного резервуара термометра была на одном уровне с нижней поверхностью битума в кольцах. На каждое кольцо в центре поверхности битума кладут стальной шарик 3 диаметром 9,5 мм (рис. 99а) и опускают штатив обратно в стакан.

Стакан устанавливают на нагревательный прибор так, чтобы плоскость колец была строго горизонтальной. За температуру размягчения битума принимают температуру, при которой выдавливаемый шариком битум коснется нижней пластинки прибора (рис. 99б).

Рис. 99. Положение шара в  приборе «Кольцо и шар»

Для определения растяжимости применяют дуктилометр (рис. 100), который состоит из ванны (ящик, обитый жестью),  внутри которой через всю длину проходит червячный  винт 1 с салазками 2; вращение винта придает салазкам поступательное движение; на одной стороне прибора прикреплена стойка с тремя штифтами, соответственно трем штифтам, имеющимся на салазках.

Включая мотор дуктилометра 3, наблюдают за растяжением битума. Длину нити битума в сантиметрах, отмеченную указателем-стрелкой по линейке в момент разрыва, принимают за растяжимость битума.

Рис. 100. Дуктилометр

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению битумы различают строительные, кровельные и дорожные.

Битумы строительные выпускаются 3 марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. (БН – битум нефтяной; числитель – температура размягчения в оС, знаменатель – глубина проникания иглы при 25 оС, в десятых долях мм). Их применяют в качестве гидро- и электроизоляционных слоев, лакокрасочного материала.

Битумы кровельные выпускают марок БНК 45/180, БНК 90/40, БНК 90/30 (БНК – битум нефтяной кровельный; числитель и знаменатель обозначают тоже, что и у строительного битума). Применяют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом БНК 45/180 пропитывают основу гидроизоляционного материала (кровельный картон), а тугоплавкие битумы БНК 90/40 и БНК 90/30 используют для создания покрывного слоя гидроизоляционного материала.

Битумы дорожные выпускают марок БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60. Применяют для дорожного строительства.

http://vk.com/club23595476
. контакты http://vk.com/club23595476 .