Строительно-технические и технологические свойства материалов и их взаимная связь, современные методы их оценки.

Раздел ДСМ

 

1. Состав, структура и основные свойства дорожно-строительных материалов.

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, мосты и др.) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, массу элементов конструкций, механическую работу воды, льда, ветра. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды и др.

В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил. С течением времени под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Пригодность материалов для конкретных условий определяются по их свойствам. Показатели свойств материалов являются важнейшими критериями их качества. Они нормированы в государственных стандартах и других нормативно-технических документах. Свойства материалов не остаются стабильными, они изменяются под воздействием физических, механических и физико-химических факторов. Выделяют следующие свойства:

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала (фазовое состояние, плотность, структуру), а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. Важнейшими из физических свойств материала являются:

Плотность - масса вещества материала в единице его объема. Плотность строительных материалов больше единицы.

Объемная масса - масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами и пустотами и т. д.). Объемная масса строительных материалов обычно меньше плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значения объемной массы и плотности. Поэтому по объемной массе можно судить о пористости материала. У рыхлых зернистых материалов различают насыпную массу — массу единицы объема материала в рыхлом состоянии. Насыпная масса характеризует, кроме пор в зернах материала, пустоты между зернами.

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

,

где - объемная масса;

- плотность материала.

Влажность определяют в процентах по объему или массе:

,

где и - масса влажного и сухого образца материала, г;

- объем материала.

Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать молекулярными и капилярными силами при атмосферном давлении.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Ее характеризуют коэффициентом теплопроводности, измеряемым в единицах Вт/(м^оС).

Механические свойства — способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные и касательные напряжения, обусловливающие процессы деформирования материала. В качестве основных можно выделить следующие механические свойства:

Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев определяет возможность его использования в строительной конструкции. Прочность материалов измеряется мегапаскалями (МПа). Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150-500 МПа), прочность гранитов при сжатии 120-150 МПа, при растяжении менее 10 МПа, прочность бетонов при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10-15 раз меньше. Прочность асфальотобетонов при сжатии 5-7 МПа (температура при испытании 20°С).

Упругость - свойство материала обратимо поглощать энергию, передаваемую внешними воздействиями, что выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Упругость характеризуют модулем упругости

;

где - модуль упругости;

- напряжение, МПа;

- относительная деформация.

Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации Вязкость жидких материалов характеризует способность сопротивляться перемещению одного слоя материала относительно другого. Вязкость материала характеризуют коэффициентом вязкости:

где - коэффициент вязкости;

- скорость изменения относительной деформации, с^-1

С вязкостью и упругостью материалов в определенной мере связаны пластичность и хрупкость.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость - свойство материалов под влияниём внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов изменяется от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке и пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре.

Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие, пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

Химические свойства материалов определяют его способность вступать в химическое взаимодействие с веществами среды, в которой он находится, их учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве. К химическим свойствам относятся:

Растворимость - способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или другими растворителями. Строительные материалы в большинстве случаев должны быть нерастворимыми в условиях их эксплуатации.

Коррозионная стойкость - свойство материала не разрушаться в агрессивных средах (щелочная, кислотная среда, проточная вода и др.).

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для полимеров, битумов, асфальтобетонов.

Твердение - свойство материала затвердевать (переходить из пластичного состояния в твердое) в результате химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляться различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

Конструкционные свойства обуславливают возможность создания из материалов конструкций с заданными механическими свойствами. К ним относятся:

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала.

прочность – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий.

Износ – свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Технологические свойства – характеризуют поведение материала при технологических процессах:

Формуемость (удобоукладываемость) – свойство смесей приобретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость – свойство смеси сохранять неоднородность при транспортировке и формовании.

Эксплуатационные свойства – обуславливают работу материала в элементах дорожных конструкций на протяжении определенного отрезка времени:

Долговечность – продолжительность работы материала в конструктивных элементах сооружений в условиях эксплуатации. С долговечность материалов связывают выносливость – способность сопротивляться многократно прилагаемым механическим воздействиям.

СТРУКТУРА МАТЕРИАЛА

Структура материала характеризуется качеством и количественным соотношением составляющих, их взаимным расположением и связями между ними.

По методам изучения различают:

- макроструктуру – строение, видимое невооруженным лазом;

- микроструктуру – строение материала, видимое в микроскоп;

- ультромикроструктуру – внутренне строение материала, составляющего материал, изучаемого методами электронной микроскопии. На уровне ультромикроструктуры материала изучено главным образом строение вещества, состоящего из одного или нескольких элементов, между которыми устанавливаются устойчивые связи.

Свойства вещества зависят от химического строения молекул, в которых атомы располагаются таким образом, чтобы общая потенциальная энергия системы была минимальной.

Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, расположение атомов, ионов, молекул в узлах которой периодично и характерно для данного вещества.

Строение реальных кристаллических и аморфных веществ существенно отличается от идеального по следующим позициям:

1. Структура материала у поверхности значительно отличается от структуры в их толще. Атомы и молекулы вещества на поверхности материала более активны, чем внутри материала. Поэтому поверхность материала всегда покрыта слоями других веществ, что существенно изменяет свойства материала в целом. Вследствие этого структура материала всегда находится в неравновесном, внутренне напряженном состоянии.

2. Важнейшими критериями качества структуры является плотность, объемная масса и пористость материала. Зная эти показатели, можно судить о прочности и долговечности материала. Наиболее высокой прочностью обладает идеально однородный материал. Появление неоднородности в нем вызывает концентрацию напряжений, вследствие чего образуются микротрещины. Общую зависимость прочности от неоднородности структуры можно представить графически следующим образом:

3. Структура материала может быть одно-, двух- и многокомпонентной. Различают конгломератную (бетоны), волокнистую (древесина, стеклопластик), слоистую (текстолиты) и рыхлозернистую (песок, щебень) макроструктуры. Для простоты изучения многокомпонентные структуры обычно разделяют на двухкомпонентные.

4. В формировании свойств материалов важное значение имеет их микроструктура. По характеру связей между компонентами можно выделить три типа микроструктур – коагуляционную, конденсационную и кристаллизационную.

Коагуляционная структура – пространственные микросетки, возникшие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы через тонкие прослойки жидкой или газообразной среды. Свойства коагуляционной структуры обусловлены наличием тонких пленок в местах контакта частиц фазы, поэтому эти структуры характеризуются малой прочностью, хорошей пластичностью и способностью восстанавливать структуру (тиксотропность) после ее разрушения температурными или механическими воздействиями (глиняное тесто, битум в а/б).

Конденсационные структуры представляют собой хрупкие пространственные микросетки, которые образуются из коагуляционных структур вследствие уменьшения в системе жидкой фазы (высушенная глина). Возникает непосредственный контакт между частицами фазы, прочность увеличивается, но при этом утрачивается пластичность, эластичность и тиксотропность. Эта структура может переходить в коагуляционную при увеличении в системе жидкой фазы.

В кристаллизационной структуре пространственные сетки образуются в результате непосредственного срастания отдельных кристаллов. Структура обладает большой прочностью, разрушается без заметных остаточных деформаций и характеризуется отсутствием тиксотропных свойств. Кристаллизационные структуры характерны для горных пород, цементобетонов и т.д.

Между рассмотренными структурами могут быть промежуточные: кристаллизационно-конденсационные, коагуляционно-конденсационные.

По крупности зерен составляющих в каменных материалах различают крупно-, средне и мелкокристаллические структуры. Форма зерен структурных составляющих влияет на образование определенных структур и свойств материалов. С уменьшением крупности зерен существенно изменяются свойства материала. Это связано с тем, что с уменьшением зерен структурных составляющих изменяется характер неоднородности материала, а следовательно, и его внутреннее напряженное состояние.

Структура оказывает большое влияние на изоляционные, технологические, эксплуатационные свойства материалов, на их долговечность. Поэтому, оптимизируя ее, можно заметно улучшить свойства материалов.

Определение пористости

Пористость – степень заполнения объёма материала пора- ми. Величину пористости вычисляют по формуле

 

где П – пористость, %; – истинная плотность, кг/м3; m – средняя плотность материала, кг/м3.

 

Определение водопоглощения

Водопоглощение – способность материала впитывать в себя воду при непосредственном контакте с ней. Различают водопоглощение по массе и объему, для вычисления, которых пользуются следующими формулами:

 

 

где

Wм – водопоглощение по массе, %;

W0 – водопоглощение по объему, %;

mн – масса образца, насыщенного водой, кг;

mc – масса сухого образца, кг;

Vc – объем сухого образца, м3;

в ρ – плотность воды, равная 1000 кг/м3.

 

В данной работе определяют водопоглощение силикатного кирпича, шамота, бетона. Для этого у каждого образца опреде- ляют массу, измеряют размеры, вычисляют объем. Затем образ- цы маркируют и погружают в емкость с водой на 48 часов. Уро- вень воды в емкости должен быть на 2–10 см выше верха образ- ца. В течение этого времени образцы насыщаются водой. После насыщения водой образцы вынимают, немедленно обтирают влажной мягкой тканью и взвешивают. Вода, выте- каемая из образцов на чашку весов, должна включаться в массу насыщенного образца. Водопоглощение всегда меньше истинной пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окру- жающей средой и не доступной для воды. Объёмное водопо- глощение всегда меньше 100%, а водопоглощение по массе может быть более 100%.

 

Современные строительные материалы представляют собой сложные композиции, в которых работают совместно компоненты различной химической природы. Композиционные материалы позволяют рационально сочетать и наиболее полно использовать свойства каждого из компонентов.

Состав строительных материалов представляют разными способами. Состав композиционных материалов обычно выражают как расход компонентов на расчетную единицу материала. Однородные материалы характеризуют химическим составом, то есть указывают процентное содержание химических элементов, не уточняя, в виде каких соединений они находятся в материале.

Для прогнозирования свойств материала важно знать его вещественный или минеральный состав. Структура строительных материалов, то есть взаимное расположение частей внутри объема материала, характеризуется на разных уровнях: макро-, микро-, наноструктура.

Макроструктура – строение, которое обнаруживается при осмотре поверхности материала, как правило, в изломе невооруженным глазом или через лупу с десятикратным увеличением.

Макроструктуру большинства строительных материалов можно отнести к одному из следующих типов: – конгломератная; – ячеистая; – волокнистая; – слоистая. Микроструктура материалов изучается с помощью оптического или электронного микроскопа. Это позволяет детально рассмотреть взаимное расположение и облик мелких частиц, слагающих материал, который внешне выглядит однородным.

Наноструктура – это строение вещества на атомно- молекулярном уровне. Изучается физическими методами спектрального анализа и электронной микроскопией высокого разрешения.

Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное и очень легкое.

Форма и размер частиц твердого вещества также влияют на свойства материала. Так, если из расплава обычного стекла вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой (мелкопористой), волокнистой и слоистой.

Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной' теплоизоляции и засыпок и др.).

Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.

Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, — анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, а слоистая — рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумопласт, текстолит и др.).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.

Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).

Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.

Неодинаковые свойства могут наблюдаться у кристаллических материалов одного и того же состава, если они формируются в разных кристаллических формах, называемых модификациями (явление полиморфизма). Например, полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Изменением свойств материала путем изменения кристаллической решетки пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске)

 

Для предотвращения разрушений необходимо, чтобы свойства материалов соответствовали условиям работы их в дорожной одежде. Испытания дорожно-строительных материалов должны моделировать их работу в слоях дорожных одежд с учетом воздействия колес автомашин и окружающей среды.

В процессе строительства материалы должны обладать рядом технологических свойств, без которых невозможно построить качественную дорожную одежду. Например, щебень должен хорошо уплотняться, в противном случае слой дорожной одежды будет неплотным, что может привести к его разрушению. Смеси на основе минеральных вяжущих должны обладать определенными сроками загустевания. При производстве бетонных работ не должны наблюдаться водоотделение и сегрегация смеси с обводнением верхнего слоя покрытия, в противном случае это может вызвать снижение морозостойкости и прочности покрытия.

 

Качество строительного материала должно удовлетворять определенным техническим требованиям, которые изложены в нормативных документах – стандартах различного уровня (ГОСТ, ТУ), а также в строительных нормах и правилах (СНиП).

 

Портландцемент.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах. Основой портландцемента являются силикаты кальция (алитибелит). Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция. Самые распространённые методы производства портландцемента так называемые «сухой» и «мокрый». Всё зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь — в виде водных растворов или в виде сухих смесей. При измельчении клинкера вводят добавки: 1,5…3,5 % гипса СaSO₄∙2H₂O (в перерасчёте на ангидрид серной кислоты SO₃) для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок — для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента. Сырьём для производства портландцемента служат смеси, состоящие из 75…78 % известняка и 22…25 % глин,либо известняковые мергели, использование которых упрощает технологию. При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку составляет на 30-40 % больше чем при сухом способе. Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 470 °C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Существуют следующие виды портландцемента:

· быстротвердеющий;

· пластифицированный;

· гидрофобный;

· сульфатостойкий;

· дорожный;

· белый и цветной;

· с умеренной экзотермией;

· с поверхностноактивными органическими добавками.

 

Коррозия цементного камня.

Причины коррозии: 1.Разложение составных цементного камня(растворение и вымывание). 2. образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия цементного камня с огрессивными веществами. 3.Образование в порах цементного камня новых соединений которые занимают больший объём по сравнению с исходными компонентами что вызывает появление внутренних напряжений и растрескиваний.Коррозия 1-го вида: выщелачивание(идёт интенсивно при действии мягкой воды на бетон, хар-ся появлением белых потёков). Для снижения вероятности такой коррозии ограничивают содержание С₃S до 50%; применяют минеральные добавки которые связывают гидроксид кальция в малорастворимые соединенияе; предварительно выдерживают на воздухе(карбонизация).

Коррозия 2-го рода: возникают в результате обменных реакций с компонентами цементного камня при этом образуется легкорастворимые соединения или аморфные в-ва, не обладающие связывающими свойствами кот. потом вымываются водой. Коррозия 3-го рода(сульфаминатная): возникает при действии на цемент проточных вод содержащих сульфат ионы(морская вода, грунтовая или сточная). В этом случае в цементном камне образуется гидросульфаталлюминат кальция (эттрингит). Это оказывает разрушающее воздействие на цементный камень, т.к. образование нового в-ва идёт с увеличением объёма. Общие меры борьбы с коррозией: 1. Минимальное водоцементное отношение 2.устройство водоотвода и дренажей 3. Введение активных минеральных добавок 4. Применение защитных облицовок и покрытий из керамического стекла, битума и др. мат-ов уменьшающих водопроницаемость и увеличение плотности.

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 способапереработки 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 биту