Раздел 5. Органические вяжущие вещесва и материалы на их основе. Полимерные материалы

ТЕМА 1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ.

Материалы на основе битумов и дегтей

 

Органическими вяжущими веществами называются смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, способные в зависимости от температуры изменять свои физико-механические свойства.

Органические вяжущие подразделяются на битумные и дёгтевые.

Битумные вяжущие подразделяются на:

1. Природные битумы – вязкие жидкости или твердые вещества, которые образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.

2. Асфальтовые породы – пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники и др.), пропитанные битумом.

3. Нефтяные битумы получают переработкой нефтяного сырья.

4. Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций.

Дегти представляют собой густую вязкую массу черно-коричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых органических материалов (каменного и бурого угля, торфа, древесины и др.). В отличие от битумов дегти быстрее стареют и имеют повышенную токсичность, что ограничивает их применение в производстве строительных материалов.

 

Свойства битумов

Физические свойства. К ним относятся плотность, теплопроводность, водостойкость и др.

Плотность. Для битумов она составляет 0,8…1,3 г/см³.

Теплопроводность. Теплопроводность битумов составляет 0,5…0.6 Вт/м^оС.

Водостойкость. Она характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Чем меньше водорастворимых веществ, тем более водостоек битум.

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов к воздействию агрессивных веществ. Битумы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота а также при действии концентрированных растворов кислот. Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости битумные материалы широко применяют для защиты от коррозии железобетона, стали труб и др.

Физико-механические свойства. При высоких температурах битумы приближаются по свойствам к жидкостям, а при низких температурах приобретают свойства твердых тел. К важнейшим свойствам битумов можно отнести следующие.

Вязкость – важнейшая реологическая характеристика, изменяется в широких пределах в зависимости от группового состава и температуры. Наиболее значимое влияние на вязкость битумов оказывает соотношение асфальтенов и масел. С увеличением содержания асфальтенов вязкость повышается.

Для характеристики вязкости приняты следующие показатели:

- глубина проникновения иглы (пенетрация), определяемая пенетрометром

- температура размягчения битума, определяемая на приборе “кольцо и шар”.

Глубина пенетрации. Показатели глубины погружения иглы определяют по ГОСТ 11501. Они зависят от температуры битума а также от давления на иглу и времени ее погружения. Испытания проводятся при 25 ^оС и при 0^оС. За единицу пенетрации принята глубина проникания иглы равная 0,1 мм. В России приняты стандартные условия:

- нагрузка на иглу – 100 г при 25^оС и 200 г с при 0^оС

- продолжительность погружения – 5 с при 25^оС и 60 с при 0^оС

Достаточно часто для оценки пенетрации используют индекс пенетрации ИП, который рассчитывается по формуле 30:

(30)

где ;

П₂₅ –глубина проникания иглы (в 0,1 мм) при 25^оС

Т_разм – температура размягчения.

Температура размягчения. Она определяется по ГОСТ 11506 на приборе «Кольцо и шар». Для испытаний готовят образцы битума в латунных кольцах, которые помещают в прибор над отверстиями в подвеске. Прибор заполняют водой, водой с глицерином или глицерином (в зависимости от температуры размягчения). На поверхность битумных образцов помещают стальные шарики, а прибор нагревают до температуры, при которой они продавливают битум и касаются основания прибора. Эта температура называется температурой размягчения.

Большое значение имеет соотношение между глубиной погружения иглы и температурой размягчения. Более ценными являются битумы, у которых при данной температуре размягчения более высокий показатель глубины погружения иглы. Это будет означать относительно меньшую восприимчивость битумов к изменению температуры.

Температура хрупкости. Это характеристика вязкости дорожно-строительных битумов при отрицательных температурах. Она определяется на приборе Фрааса. Определение производится в тонком слое битума, нанесенном на металлическую пластинку. Пластинка подвергается изгибанию при равномерно снижающейся температуре. Температура, замеренная в момент появления излома в испытуемом слое битума, принимается за температуру хрупкости. Температура хрупкости – эта та температура, при которой битум становится хрупким, т.е. теряет свои вязко-пластичные свойства.

Растяжимость. Это свойство битумов принято оценивать по их способности растягиваться в нить определенной длины под действием нагрузки. Определение растяжимости (дуктильности) производится по ГОСТ 11505 с помощью дуктилометра, в котором битумный образец в виде восьмерки растягивается с постоянной скоростью. Длина нити в момент разрыва, выраженная в см, является показателем растяжимости. Чем больше вязкость битумов, тем меньше его растяжимость, т.е. чем меньше глубина проникания иглы, тем меньше его растяжимость.

Носителем эластичности битумов являются смолы, чем больше смол, тем больше растяжимость.

Растяжимость определяется при температуре, равной 25^оС и скорости растягивания 5см/мин.

Коэффициент стандартных свойств. Расчет коэффициента стандартных свойств проводится для определения структурного типа битума. Его определяют по формуле 31:

(31)

где Т_разм – температура размягчения

Т_хр – температура хрупкости

Д₂₅ – растяжимость (дуктильность) при 25^оС.

Если К_стд составляет ≥ 1,15, то битум имеет структуру геля (I структурный тип), при К_стд ≤ 0,65 – структуру золя (II структурный тип), при К_стд = 0,65…1,15 для битума характерен III структурный тип (золь-гель).

Старение битумов. Под старением битумов подразумевают совокупность всех химических и физических процессов, приводящих со временем к изменению их свойств. Обычно на битумы действуют тепло, солнечный свет, кислород воздуха, озон, вода, бактерии, а на битумы в дорожных покрытиях – динамические нагрузки от автомобильного транспорта. Эти факторы вызывают в молекулах битумов разрыв химических связей и образование свободных радикалов. Устойчивость битумов к действию тепла и кислорода зависит от их строения и, прежде всего, от наличия легкоокисляющихся групп и связей в макромолекулах, количество которых устанавливается методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В результате старения возрастает содержание твердых хрупких составляющих (асфальтенов) за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Оценка интенсивности старения битумов основана на изучении степени изменения свойств в результате нагрева. По ГОСТ 22245-90 изменение их свойств определяют после нагревания битума до 160^оС в течение 5 часов. Изменение температуры размягчения после прогрева и служит показателем его устойчивости к старению. Битумы, обнаруживающие большие изменения этого показателя, оказываются более склонными к атмосферному старению.

Повышение сопротивления старению битумов обеспечивают добавками ингибиторов, способствующих подавлению окислительных процессов, например, продуктов алкилирования n-крезола изобутиленом. Замедлению старения битума способствует введение в состав асфальтобетона сажи или технического углерода. Добавки алифатических аминов стабилизируют асфальтены битума, предотвращая их агрегирование, что также замедляет старение.

Марка битума. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Буквенные обозначения отражают назначение битума. Например, БН – битум нефтяной, БНК – битум нефтяной кровельный, БНД – битум нефтяной дорожный и т.д.

Для битумов кровельных цифровые показатели выражаются дробью, в которой числитель – среднее значение показателя температуры размягчения в ^оС, а знаменатель – среднее значение показателя глубины проникания иглы при 25 ^оС в 10^-1мм. Например, битум БНК 45/190 – это битум нефтяной кровельный с температурой размягчения 45 ^оС и глубиной проникания иглы 190 10^-1мм.

Для вязких дорожных битумов цифры в обозначении марки по ГОСТ 22245-90 указывают на допустимые для марки пределы показателей глубины проникания иглы при 25^оС. Вязкие нефтяные дорожные битумы выпускаются 5 марок: БНД 40/60; БНД 60/90; БНД 90/130; БНД 130/200, БНД 200/300.

Вязкие нефтяные дорожные битумы изготовляют окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов, а также компаундированием окисленных и неокисленных продуктов или в виде остатка прямой перегонки нефти.

Асфальтобетоны

Асфальтобетоны изготавливаются из асфальтового вяжущего, представляющего собой смесь битума с тонкомолотым минеральным порошком, крупного заполнителя – гравия или щебня и мелкого заполнителя – песка.

Асфальтобетоны по назначению подразделяются на гидротехнические, дорожные и аэродромные.

Основные свойства асфальтового бетона зависят от примененного асфальтового вяжущего, состава бетона и его пористости. Пористость асфальтового бетона составляет 1-18%. Плотные бетоны (с пористостью не более 5%) обычно водонепроницаемы. Пористость ухудшает долговечность асфальтового бетона в связи с возрастанием водопоглощения, снижением морозостойкости и снижением стойкости к химической коррозии.

В отличие от цементного бетона, на показатели прочности асфальтобетона сильно влияет температура. Например, если предел прочности при сжатии асфальтобетона при 20^оС составляет ~ 2-2,5 МПа, то при 50^оС ~1 МПа.

Асфальтобетоны укладывают в горячем или холодном состоянии. Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси, имеющие при укладке температуру от 120 до 170 ^оС. Для их приготовления предварительно высушенные и подогретые до 180-200 ^оС минеральные составляющие бетона (тонкомолотый минеральный порошок, песок, щебень) загружают в смеситель, в котором их перемешивают с расплавленным битумом. Готовые асфальтобетонные смеси укладывают и уплотняют катками. Через 1-2 часа асфальтобетон отвердевает, приобретая прочность камня.

Асфальтобетоны, укладываемые в холодном состоянии, приготовляют на жидких битумах и битумных эмульсиях. Жидкий битум подогревают до 110-120 ^оС и смешивают с высушенными и подогретыми до той же температуры заполнителями. Асфальтобетонную смесь с температурой 60 ^оС развозят на места и укладывают при температуре окружающей среды не ниже +5 ^оС.

Качество асфальтобетона зависит от его состава, технологии приготовления смеси, укладки и уплотнения. Изучение физико-химических процессов на границе минеральный материал - битумное вяжущее дает возможность обоснованно выбрать состав асфальтобетонной смеси, который при определенном режиме приготовления обеспечивает требуемые физико-механические свойства асфальтобетона. Природа, прочность, пористость, гранулометрический состав минеральной части оказывает влияние на особенности взаимодействия с различными вяжущими материалами.

 

Минеральные материалы для асфальтобетона

Щебень (ГОСТ 8267-93) – дробленый и разделенный на фракции материал из монолитных горных пород, или получаемый дроблением гравия. Для дробления используют в основном граниты и известняки и применяют различные по конструкции и мощности камнедробильные машины, от которых зависит качество получаемой продукции. Лучшей формой зерен щебня считается кубовидная или тетраэдрическая.

Производство щебня включает следующие этапы: добычу камня, дробление, сортировку (грохочение). Добыча камня производится в карьерах в основном буровзрывным способом, затем сырье доставляется на дробильно-сортировочный завод.

Содержание зерен щебня лещадной (ширина их в 3 раза превышает толщину) и игловатой (длина в 3 и более раза превышает толщину и ширину) формы не должно быть больше допустимых стандартов, приведенных в табл. 15.

 

Таблица 15 - Нормируемый показатель содержания в щебне зерен пластинчатой и игловатой формы

 

Группа щебня	Содержание зерен в щебне, % по массе
	До 15 включительно
	15-25
	25-35
	35-50

 

Для дорожного строительства щебень применяют в основном четырех фракций: с размером зерна 5-10; 10-20; 20-40; 40-70(80) мм.

Гравий (ГОСТ 8267-93) получают делением (разгрохоткой) на фракции песчано-гравийных смесей.

Природный гравий представляет собой рыхлую смесь окатанных обломков горных пород размером от 5(3) до 70(80) мм. По происхождению он может быть горным, речным, морским и ледниковым. Горный гравий имеет более угловатую форму зерен, что благоприятно сказывается на сцеплении с вяжущим, но более загрязнен пылевато-глинистыми примесями. Речной и морской гравий имеет гладкую поверхность, что ухудшает сцепление с вяжущим. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан и имеет более равномерный зерновой состав. Из-за недостаточного сцепления с цементным камнем в бетоне гравий, как правило, не применяется в бетонах с пределом прочности выше 30 МПа.

Обработка гравия заключается в его сортировке по фракциям и промывке. При содержании в гравии природного песка от 25 до 40% материал называют гравийно-песчаной смесью.

Гравий для асфальтобетонов должен соответствовать требованиям ГОСТ8267-93. Для асфальтобетонов применяют гравий фракций 5-10, 10-20(15), 20(15)- 40, а также смеси указанных фракций.

Качество щебня и гравия характеризуется показателями:

- прочности (маркой по раздавливанию в цилиндре, по сопротивлению износу в полочном барабане, по морозостойкости)

- крупностью и формой зерен (фракции 5…40 мм. форма зерен- кубовидная, количество лещадных зерен для смеси А до 15%, для смеси Б 25% и В -35% по массе)

- степенью загрязненности пылевато-глинистыми частицами (не более 1,5% по массе)

- петрографическим составом, который влияет на шероховатость покрытия. Чем выше шероховатость, тем лучше сцепление колес автотранспорта с дорогой. Шероховатость для гранита сохраняется до 5 лет эксплуатации дороги, а для известняка – один сезон, хотя адгезия битума к поверхности известняка больше, чем к граниту.

Песок (ГОСТ 8736). Песком называют рыхлую смесь зерен материала природного или искусственного происхождения размером от 0,16 до 5 мм.

По минерало-петрографическому составу различают кварцевые, полевошпатные, карбонатные и другие пески. Как правило, лучшие по качеству пески – кварцевые, и они чаще других используются. Однако при производстве бетонов и асфальтобетонов их можно заменять на другие пески.

По происхождению пески подразделяются на горные (овражные), речные, морские, барханные, дюнные и др. Каждый из них имеет положительные и отрицательные свойства: горные пески содержат повышенное содержание глины, но обладают неокатанной формой зерен, более благоприятно влияющей на прочность сцепления с цементным камнем в бетоне. Морские могут содержать обломки раковин, снижающих прочность бетонов и асфальтобетонов. Кроме того, речные и морские пески имеют гладкую поверхность зерен, не обеспечивающую достаточного сцепления с вяжущим веществом, но они более чистые. Дюнные и барханные пески сложены очень мелкими частицами, не отвечающими требованиям стандартов.

Показателями, характеризующими пески, являются:

- зерновой состав и модуль крупности

- содержание пылеватых и глинистых частиц

- минерало-петрографический состав

В асфальтобетонах могут применяться различные пески. Крупные пески оцениваются модулем крупности М_кр > 2,5 и содержанием в них зерен крупнее 0,63 более 50%. Пески средние оцениваются модулем крупности М_кр = 2 – 2,5 и содержанием в них зерен крупнее 0,315 в пределах 35- 50%.

Применяемый для асфальтобетонов песок природный и из отсевов дробления горных пород должен соответствовать требованиям ГОСТ 8736, согласно которому cодержание глинистых частиц не должно превышать 0,5% для асфальтобетона марок I и II, и не более 1% для марки III.

Прочность песков оценивается по прочности горных пород, при естественном разрушении которых они образуются (природные пески), или из которых получаются при дроблении (дробленые пески).

Минеральный порошок (ГОСТ 52129-2003). Он представляет собой полидисперсный материал и является важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетона. На его долю приходится до 95% суммарной поверхности минеральных зерен асфальтобетона.

Основное назначение минерального порошка – переводить объемный битум в пленочное состояние. При этом повышается вязкость и прочность битума. Вместе с битумом минеральный порошок образует структурированную дисперсную систему, которая выполняет роль вяжущего материала в асфальтобетоне. Кроме того, минеральный порошок заполняет поры между частицами песка что способствует повышению плотности асфальтобетона и снижению расхода битума.