Состав, структура и свойства битумов и дегтей

Рис. 8.2. Генезис органических вяжущих

Генезис и виды органических вяжущих

К органическим вяжущим относят битумы, дегти и полимеры. Распространены также смешанные вяжущие – дегтебитумные, битумнополимерные, дегтеполимерные. Генезис (происхождение) органических вяжущих представлено на схеме (рис.8.2).

Битумы бывают природные и искусственные. Искусственные битумы получают чаще всего из нефти. Природные битумы – это также неиспарившаяся часть нефти, вылившейся когда-то из недр земли.

Как известно из школьного курса химии, из нефти отгоняют на воздухе так называемые светлые нефтепродукты (бензин, керосин и др.), под вакуумом от оставшегося мазута отделяют масла и более вязкую часть – смолы. Остаток от перегонки нефти называется гудрон. В зависимости от вида нефти гудрон при комнатной температуре может быть твердым или вязким, смолоподобным. В последнем случае гудрон называют остаточным битумом. Если же гудрон сам по себе твердый и хрупкий, то остаточный битум получают после удаления из нефти светлых нефтепродуктов и части масел. При продувке горячего гудрона (в жидкообразном состоянии) воздухом получают окисленный битум. Более половины битумов в нашей стране получают окислением. Смешивая твердый гудрон с ранее отогнанными маслами и смолами, получают компаундированный битум.

Получение этих трех видов битума можно проследить по схеме. Получение остаточного битума изображено стрелкой с надписью "перегонка", идущей от нефти к битумам. Стрелка от гудрона к битумам с надписью "окисление" – получение окисленного битума. Две стрелки без подписи, сходящиеся к кругу "битумы", показывают, что, смешивая масла и смолы с гудроном, также можно получить битум (компаундированный).

Дегти получают из каменного угля, реже из древесины или торфа. Сырье подвергают сухой перегонке, т.е. нагреванию без доступа воздуха при температуре 500… 600 ºС. Процесс называют также полукоксованием. При разложении сырья образуются низкомолекулярные продукты, сырой деготь, состоящий из масел и смол, а также сухой или вязкий остаток, так называемый пек. Если полукоксованию подвергается каменный или бурый уголь, то низкомолекулярные продукты – это газы, фенолы, соли аммония. Химический состав каменноугольных масел и смол также отличается от состава нефтепродуктов. Сходство каменноугольных смол и масел с нефтяными только внешнее. Масла – жидкие продукты, имеющие вязкость больше, чем обычные жидкости. С повышением вязкости цвет масел обычно становится более темным. Смолы отличаются от масел большей вязкостью, липкостью, более темным цветом. Смолы во многом определяют вяжущие свойства битумов и дегтей. Остатки от перегонки нефти и полукоксования угля также похожи, но пек, в отличие от гудрона, чаще бывает твердый и имеет отличительный признак – раковистый излом.

В качестве строительных вяжущих используют два вида дегтя. О тогнанный деготь, получают после удаления из продуктов разложения угля низкомолекулярных веществ, легких и средних масел. Составленный деготь – продукт смешения пека с ранее отогнанными смолами и маслами.

Получение двух названных видов строительных дегтей схематично представлено в правой части рис. 8.2.

Полимеры – высокомолекулярные вещества, природные или синтетические. В отличие от битумов и дегтей, они не являются специфическими строительными вяжущими. Кроме того, есть изделия, состоящие из одного только полимера, который в этом случае не является вяжущим по определению (см. п. 8.1). В то же время в пластмассах, которые имеют применение и в строительстве, полимеры являются вяжущим, склеивающим компонентом, скрепляющим частицы, волокна или листы заполнителей. Высокопрочным и химически стойким конструкционным строительным материалом является полимербетон. Полимеры входят во множество жидкообразных строительных композиций – клеев, герметиков, красок.

На схеме (см. рис. 8.2) показано происхождение синтетических полимеров – из низкомолекулярных веществ полимеризацией. Конечно, низкомолекулярные органические вещества могут получаться не только из нефти и каменного угля. Но и других источников органических веществ – сырья для полимеров – не так уж много.

Смешанные вяжущие. Из перечисленных в начале параграфа смешанных вяжущих наиболее распространены битумнополимерные. Для них принят термин "битумы, модифицированные полимерами". Синтетические полимеры дороже битумов. Но и небольшие добавки-модификаторы значительно улучшают свойства битумного вяжущего. До недавнего времени к битумам добавляли преимущественно синтетические каучуки. Каучук вводили в покровный слой мягких кровельных материалов (армобит и др.), в безосновные композиции (изол) и различные мастики (см. гл.1). В последние годы в кровельных и гидроизоляционных материалах "нового поколения" (изопласт и др.) стали использовать другие синтетические полимеры, например, атактический полипропилен.

Из дегтебитумных материалов известен гудрокам – высококачественное вяжущее, полученное совместным окислением гудрона и каменноугольных смол.

Битумы и дегти – группа органических вяжущих коагуляционного твердения. Химический состав битумов и дегтей зависит от состава сырья и может быть разным даже для одной и той же марки материала, Более всего сходны битумы и дегти по элементному составу. В них повышенное содержание углерода (70… 80 %), до 15 % водорода, а также кислород, сера, азот, в среднем менее 5 % каждого.

В практике принято считать, что битумы и дегти состоят из трех компонентов: масел, смол и твердой части. Все компоненты битумов и дегтей представляют собой углеводороды и их производные. Различие межу названными компонентами состава в вязкости и средней молекулярной массе. Маслами считают вещества с молекулярной массой (M_r) примерно от 300 до 800. Для смол M_r = 800… 2000, для твердых составных частей М_r = 2000… 5000 и более. Твердые вещества битумов и дегтей приближаются по свойствам к полимерам. Твердые и вязкие дегти размягчаются при более низкой температуре, чем соответствующие битумы, так как содержат некоторое количество низкомолекулярных фенолов.

Основное влияние на свойства битумов и дегтей оказывает их структура и структурные состояния при различной температуре. Здесь принята теория мицеллярного строения битумов и дегтей, которая хорошо объясняет их основные свойства, имеющие практическое значение.

Некоторые характеристики битумов и дегтей сравниваются в табл. 8.1.

Таблица. 8.1

Сравнительная характеристика битумов и дегтей.

Битумы	Дегти
1. Химический состав
В маслах и смолах – преимущественно углеводороды метанового и нафтенового ряда и их производные. В твердой части - асфальтены, карбены, карбоиды, парафины.	В маслах и смолах – преимущественно ароматические углеводороды и их производные. В твердой части – вещества с большим содержанием углерода ("свободный углерод")
2. Строение
Схема мицеллы органического вяжущего: 1. – твердая часть, 2 – смолы (нерастворимые в маслах), 3 – растворы смол в маслах.
3.Адгезия к минеральным материалам
Хорошая адгезия к основным породам (известняк, доломит и др.), т.к. битумы содержат анионоактивные поверхностно-активные вещества (ПАВ).	Хорошая адгезия как к основным, так и кислым породам (гранит и др.), дегти содержат не только анионоактивные, но и катионоактивные ПАВ
4. Старение
Старение происходит преимущественно в результате превращения масел в смолы, а смол в твердую часть, повышается жесткость и хрупкость.	К процессам увеличения твердой части добавляется испарение жидких масел и вымывание водой фенолов. Старение происходит быстрее.
5. Токсичность и биостойкость
Битум и битумные материалы малотоксичны и соответственно недостаточно биостойки. Для повышения биостойкости к битумам добавляют антисептики.	Дегти более токсичны ввиду содержания в них ароматических соединений, в частности, фенолов. По этой же причине дегтевые материалы более биостойки, чем битумные.

Свойства нефтяных битумов.

Дегти применяются значительно реже, чем битумы, поэтому свойства битумов рассматривают обычно более подробно. Свойства битумов определяются их реологическим состоянием. На реологическое состояние битумов сильно влияет температура, а при одной и той же температуре – состав.

При комнатной температуре различают твердые, вязкие и жидкие битумы. От твердых битумов к жидким уменьшается содержание асфальтенов и возрастает относительное количество масел. Реологическая модель Максвелла (см. гл. 5) реализуется для вязких битумов. Твердые битумы могут отвечать модели типичного твердого тела, а жидкие приближаются по свойствам к обычной ньютоновской жидкости.

При повышении температуры твердые битумы становятся вязкими, а вязкие – жидкими. При понижении температуры наблюдаются обратные явления. На морозе все битумы приобретают состояние твердого тела.

Количественно определяются не реологические характеристики, а свойства, имеющие значение для практики.

Важнейшая для битумов величина – вязкость – характеризуется косвенно и по-разному для твердых, вязких и жидких битумов.

Для твердых и вязких битумов важнейшей характеристикой, зависящей от вязкости, является глубина проникания в битум иглы стандартного прибора (пенетрометра), выраженная в десятых долях мм.

Другой важный показатель свойств твердых и вязких битумов – температура размягчения – характеризует изменение вязкости с повышением температуры. Определяется условным методом на приборе "Кольцо и шар".

Третий, также по существу вязкостный показатель – растяжимость битума – характеризуется абсолютным удлинением стандартного образца-восьмерки при определенной температуре и скорости деформации на приборе, называемом дуктилометром.

Методика определения трех перечисленных важнейших свойств битумов – в руководствах к лабораторным работам.

Численные значения пенетрации (глубины проникания иглы пенетрометра), температуры размягчения и растяжимости определяют вид по применению и марку твердого и вязкого битума.

По применению различают битумы дорожные, строительные, кровельные и др. В табл. 8.2 даны обозначения марок и показателей свойств твердых и вязких битумов.

Таблица 8.2

Характеристика нефтяных битумов

Марка битума	Пенетрация при 25º, десятые доли мм	Температура размягчения, ºС, не ниже	Растяжимость, см, при 25º, не менее
Строительные битумы
БН 50/50	41… 60
БН 70/30	21… 40
БН 90/10	5… 20
Кровельные битумы
БНК 45/180	140… 300	40… 50	не норм.
БНК 90/40	35… 45	85… 95	не норм.
БНК 90/30	25… 35	85… 95	не норм.
Дорожные битумы
БНД 200/300	201… 300		не норм.
БНД 130/200	131.. 200
БНД 90/130	91… 130
БНД 60/90	61… 90
БНД 40/60	40… 60

Жидкие битумы получают разбавлением вязких битумов жидкими нефтепродуктами, Они бывают среднегустеющие (СГ) и медленногустеющие (МГ). Основной показатель – условная вязкость, измеряемая временем протекания 50 мл битума при 60º через отверстие 5 мм (С⁵₆₀). Примеры обозначения марок жидких битумов:

· СГ 130/200 – битум среднегустеющий, С⁵₆₀ = 130… 200 с;

· МГ 40/70 – битум медленногустеющий, С⁵₆₀ = 40… 70 с;

· МГО 70/130 – битум медленногустеющий на основе окисленного вязкого, С⁵₆₀ = 70… 130 с.