Сырьем для производства органических вяжущих материалов являются: нефть, каменный уголь, горючие сланцы. Фракционная разгонка такого сырья дает наряду с ценными продуктами - смолообразные остатки. После дополнительной переработки которых получают органические вяжущие. Органические вяжущие должны обеспечивать:
- хорошее обволакивание минеральных частиц;
- хорошее сцепление, позволяющее связывать минеральные частицы в прочный монолит;
- водоустойчивость и стабильность (не изменять своих свойств) в процессе службы в покрытиях.
Битумы бывают природные, нефтяные, сланцевые. Дегти - каменноугольные, торфяные, древесные. По главным строительным свойствам и консистенции органические вяжущие условно делят на следующие группы:
- твердые битумы и дегти при 20...25°С обладают вязко-упругими свойствами, а при 120...180°С приобретают подвижность;
- вязкие битумы и дегти при 20...25°С обладают вязкими и пластичными свойствами, а при 120...180°С приобретают текучесть;
- жидкие битумы и дегти при 20...25°С - текучие. По мере испарения летучих углеводородов затвердевают и приобретают свойства близкие к вязким битумам.
Примерный групповой состав битума:
масла 40...60 %;
смолы 20...40 %;
асфальтены 10...25 %;
карбены и карбоиды 1...3 %.
Масла - вещества светло-желтого цвета. Масла придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения.
Смолы - легкоплавные, вязко-пластичные вещества, их содержание в вяжущем обуславливает его растяжимость и эластичность.
Асфальтены - твердые неплавкие вещества с плотностью более 1000 кг/м3. Они обеспечивают температурную устойчивость, вязкость и твердость(хрупкость) битума.
Карбены по составу похожи на асфальтены, но содержат больше углерода, имеют большую плотность и более темный цвет. Их содержание повышает вязкость и хрупкость.
Карбоиды - твердые вещества типа сажи, нерастворимы в органических растворителях.
Парафин - содержание зависит от исходного сырья и должно быть менее 3,5 %. Большее содержание снижает растяжимость и повышает температуру затвердевания.
Примерный групповой состав каменноугольных дорожных дегтей:
дегтевые масла - 60... 80 %;
смолы - 15...25 %;
нафталин - 7 %;
антрацен - 10 %;
фенолы - 5 % - ядовиты.
Физико-химические свойства органических вяжущих. Реологические свойства (рео - течь) - это наука о течении деформации реальных тел.
Вязкость (вязких и твердых) битумов. Для характеристик вязкости пользуются условным показателем - глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) при действии на нее груза 100 г в течение 60 с при температуре 25°С. Глубину проникания определяют на пинетрометре. Она выражается в градусах (1° = 0,1 мм) и обозначается П25. Например, пенетрация дорожного вязкого битума П25 = 40...300°.
Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму «восьмерки». Это испытание проводят при температуре 25 и 0°С и скорости деформации (растяжения 0,5 см/мин.)
Д25 > 40 см До > 1...3 см.
Когезия - характеризует прочность межмолекулярных связей. Ее определяют на приборе, состоящем из двух пластинок, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм. Когезия зависит от содержания в битуме смол и составляет для вязких битумов от 0,07 до 0,3 МПа.
Вязкость, растяжимость и когезия зависят от температуры и группового состава битума, т.е. содержания в битуме масел, смол, асфальтенов.
Чувствительность органических вяжущих к изменению температуры оценивают температурой размягчения и температурой хрупкости.
Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар». Кольцо заполняют битумом, на его поверхности укладывают шарик и помещают в подогреваемую водяную баню, по мере размягчения битума шарик опускается на нижнюю полочку прибора. Температура размягчения колеблется в пределах 30...50°С.
Температуру хрупкости определяют на приборе Фрааса. Тонкий слой битума наносится на латунную пластинку и постепенно охлаждается. За температуру хрупкости принимают показания термометра в момент появления первой трещины на битуме при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов колеблется в пределах от -20 до -50°С. Чем ниже температура хрупкости, тем выше его качество. Асфальтобетонные покрытия более морозостойки, на них меньше образуется трещин.
Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия). Сцепление битума оценивают в зависимости от степени смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов, приведенных в ГОСТ. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбации красителей, меченых атомов и др.