Лекция №9 Органические вяжущие вещества

Органические вяжущие вещества являются смесью высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Битумные и дегтевые вяжущие вещества наряду с полимерами и органическими клеями образуют группу органических вяжущих веществ. Их назначение аналогично назначению минеральных вяжущих веществ – объединять, связывать отдельные компоненты и элементы в строительных материалах и изделиях. На основе органических вяжущих производят большое количество материалов и изделий для строительства.

Наиболее широкое применение в строительстве и в производстве строительных материалов получили нефтяные битумы, которые занимают по объему выпуска первое место среди остальных органических вяжущих.

Битумные вяжущие вещества – сложные смеси высокомолекулярных углеводов метанового и нафтенового рядов и их неметаллических производных, способных изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. Органические вяжущие вещества при нагревании размягчаются, при охлаждении затвердевают.

Для них характерны следующие свойства:

• Нерастворимость в воде и водонепроницаемость
• Атмосферная стойкость.
• Хорошее сцепление с поверхностью каменных материалов
• Кислото- и щелочестойкость
• Растворимость в бензоле, хлорофилле, четырехфтористом углероде.

Химический состав органических вяжущих веществ:

• Углерод 80%
• Водород 10%
• Кислород 5%
• Азот 3%
• Сера 2%

Битумы состоят из следующих групп углеводородов:

1. Масла- это жидкости с высокомолекулярной массой (300-500)

2. Смолы- это вязкие вещества с молекулярной массой 500-1000

3. Асфальтены- это твердые вещества с молекулярной массой 1000-5000

Структурный состав битумов:

Масла придают битумам текучесть, смолы- вязкость, а асфальтены- твердость и температурную стойкость.

Дегти содержат кроме вышеперечисленных веществ еще фенолы и свободный углерод.

Природные битумы – вязкие жидкости или твердообразные вещества, образовавшиеся в результате естественной окислительной полимеризации нефти.

Искусственные битумы получают путем переработки нефти. В зависимости от способа получения искуссвенные битумы бывают:

• Остаточные
• Окисленные
• Крекинговые
• Компаундированные

– остаточные битумы, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел;

– окисленные битумы, получаемые окислением гудрона продувкой воздуха;

– крекинговые битумы, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти. Крекинг нефти – высокотемпературная переработка нефти для получения продуктов меньшей молекулярной массы.

– компаундированные битумы, получаемые смешением окисленных и остаточных битумов.

Свойства битума определяются 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. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Физические свойства. 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.

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. По физико-механическим свойствам (твердость, температура размягчения и растяжимость) определяют марку битума и пригодность для применения в строительстве.

Твердость (вязкость) определяют по глубине проникания в битум иглы пенетрометра (в десятых долях мм) при температуре 25 ^оС (рис. 44), температуру размягчения определяют на приборе «Кольцо и шар» (рис. 45), а растяжимость (дуктильность) образцов-восьмерок определяют на дуктилометре (в см) при температуре 25 ^оС (рис. 46).

Для определения вязкости испытываемый битум в металлической чашке 7 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.

Рис. 44. Пенетрометр

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. 45). В средней пластинке имеются два отверстия для установки колец 2, залитых испытуемым битумом.

Рис. 45. Прибор «Кольцо и шар»

Кольца с битумом помещают в отверстие на пластинке прибора. В среднее отверстие пластинки вставляется термометр 4. На каждое кольцо в центре поверхности битума кладут стальной шарик 3 (рис. 46 а) и опускают штатив обратно в стакан. Стакан устанавливают на нагревательный прибор так, чтобы плоскость колец была строго горизонтальной. За температуру размягчения битумапринимают температуру, при которой выдавливаемый шариком битум коснется нижней пластинки прибора (рис. 46 б).

Для определения растяжимости применяют дуктилометр (рис. 47), 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.

Рис. 46. Положение шара в приборе «Кольцо и шар»

Рис. 47. Дуктилометр

Включая мотор дуктилометра 3, наблюдают за растяжением битума. Длину нити битума в сантиметрах принимают за растяжимость битума.

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; над чертой – температура размягчения в ^оС, под чертой – 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). 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.

9.1.2. Дегтевые вяжущие вещества

Дегтевые вяжущие вещества представляют собой густую вязкую массу черно-коричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых органических материалов (каменного и бурого углей, горючих сланцев, торфа, древесины) в виде конденсата на внутренних стенках агрегатов. В строительстве в основном применяются дегтевые вяжущие вещества, получаемые из каменного угля:

– сырой каменноугольный деготь по температурному фактору делится на низкотемпературный деготь (первичный), получаемый при полукоксовании угля при температуре 500…600 ^оС. Он представляет собой вязкую темно-бурую жидкость с плотностью 0,85…1,00 г/см³. Применяется для получения отогнанного дегтя и высокотемпературный деготь, получаемый при коксовании угля при температуре 1000…1300 ^оС. Он представляет собой черную вязкую жидкость с плотностью 1,12…1,23 г/см³;

– отогнанный деготь (каменноугольная смола), получается из сырого каменноугольного дегтя при удалении из него легких веществ и воды. По свойствам соответствует высокотемпературному дегтю;

– пек является твердым остаточным продуктом перегонки сырой каменноугольной смолы с выделением из нее легких масел и представляет собой хрупкую аморфную массу черного цвета с характерным раковистым изломом с плотностью 1,25 г/см³. Содержит до 30 % свободного углерода, который повышает вязкость дегтей;

– составленный деготь получается сплавлением пеков с дегтевыми маслами.

Атмосферостойкость дегтей ниже, чем битумов за счет старения, так как под действием кислорода, воды и ультрафиолетовых лучей происходит окисление непредельных углеводородов. Однако биостойкость выше за счет токсичности. Повышенная токсичность дегтей ограничивает применение материалов на его основе в местах большого скопления людей.