Физико-механические свойства нефтяных битумов

4. Характеристика дегтевых вяжущих веществ. Классификация, маркировка, состав, свойства, применение

Дегтевые вяжущие получают в процессе деструктивной (нагревание без доступа воздуха) перегонки твердых видов топлива (каменного и бурого угля, торфа, горючих сланцев и др.); в настоящее время имеют меньшее применение, чем битумные.

Деготь (каменноугольный, древесный, торфяной) темно коричневого цвета с характерным резким запахом нафталина и фенола. Состоит из углеводородов и их сернистых, азотистых и кислородных производных. В сыром виде каменноугольный деготь в строительстве не применяют, так как он содержит воду и летучие фракции. Химический состав дегтей сложен. В нем находится около 200 различных органических веществ.

В зависимости от исходного сырья получают:

• каменноугольные дёгти;

• торфяные дёгти;

• древесные дегти.

В строительстве чаще применяют дегтевые каменноугольные вяжущие: каменноугольный деготь и каменноугольный пек.

Каменноугольный деготь – вязкая невзрывоопасная маслянистая жидкость черного цвета с характерным запахом, обусловленным содержанием в нем фенолов и нафталина, определяющих токсичные свойства дёгтя.

Каменноугольные дегти в зависимости от значения вязкости подразделяют на шесть марок:

1. Д-1 (для обеспыливания дорог и поверхностной обработки дорожных покрытий и оснований);

2. Д-1 и Д-2 (для обработки грунтово-гравийных и щебёночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии);

3. Д-3 и Д-4 (для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии);

4. Д-5 и Д-6 (для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дёгтебетона и щебёночных смесей в смесительных установках);

5. Д-6 (для глубокой пропитки) щебёночных дорожных покрытий; для изготовления горячего дёгтебетона.

Сырой каменноугольный деготь не пригоден для производства строительных материалов из-за содержания значительного количества летучих веществ и растворимых, вымываемых водой соединений, которые понижают их погодоустойчивость.

Каменноугольный пек – твердое хрупкое аморфное вещество черного цвета с характерным блеском и раковистым изломом, с плотностью 1,28 г/см³ и температурой размягчения 50-60 °С, не растворимое в воде, но растворимое в органических растворителях.

Получают пек следующим образом: из сырого дегтя сначала отгоняют воду (при 100°С), все легкие (при 170°С) и часть тяжелого, шпалопропиточного масла (при 270-300°С) самого тяжелого антраценового масла (при 360°С), в результате получают отогнанный деготь – пек, который применяют в строительстве.

Следует помнить, что пек – токсическое вещество; при работе с ним необходимо соблюдать правила безопасности, защищать кожу, слизистые оболочки.

Пек сплавляют с антраценовым маслом или отогнанным дегтем и получают составленный деготь, который обладает высокими вяжущими и приклеивающими свойствами, малой хрупкостью и слабо размягчается под действием солнечных лучей. Он наиболее пригодный для строительных целей.

Пек в зависимости от температуры размягчения, зольности и содержания влаги производят двух марок: среднетемпературный и высокотемпературный.

Отличительные особенности дёгтевых материалов от битумных:·под действием влаги, кислорода воздуха, солнечной радиации сравнительно быстро стареют, становятся хрупкими и малопрочными. Старение вызвано испарением масел и вымыванием фенолов водой. Дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют гидрофобность, эластичность, покрываются трещинами; · более биостойки, чем битумные. Стойкость к гниению объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты).

Применение - дегтевые материалы служат ценным сырьем для получения разных химических продуктов.

Свойства дёгтей. Вязкость дегтей является характеристикой их структурно-механических свойств и зависит главным образом от температуры. При повышении температуры вязкость снижается, при понижении – резко возрастает; при отрицательных температурах дегти становятся хрупкими.

Структурная вязкость для жидких дегтей определяется временем истечения пробы в секундах при постоянной температуре через отверстие стандартного вискозиметра размером 5 или 10 мм.

Теплостойкость дегтей, имеющих аморфное строение, определяется на приборе «кольцо и шар» Она ниже, чем у нефтяных битумов благодаря более грубой дисперсности и повышенной плавкости.

«Пассивные» сцепления с мрамором и песком и др. При размягчении прочно сцепляются с камнем, деревом, металлом и др.

Атмосфероустойчивость. В результате совместного протекания процессов испарения масел и химического видоизменения компонентов дёгти стареют интенсивнее нефтяных битумов.

Пластичность дёгтя низкая и обусловливается небольшим количеством в них вязко пластичных компонентов и наличием свободного углерода.

При нормальной температуре дёгти – это твердые массы или густые жидкости темного, почти черного цвета; при нагревании они размягчаются (разжижаются), а при охлаждении – отвердевают. Эта особенность позволяет применять их как связующее вещество.

Они практически не растворяются в воде (а многие и в кислотах) благодаря отсутствию пористости, но растворяются в органических рас-творителях (сероуглероде, хлороформе, бензоле, дихлорэтане и др.). Это позволяет их использовать при изготовлении лаков и мастик.

Дёгти водостойки и морозостойки, поэтому их используют в качестве кровельных и гидроизоляционных материалов.

Дегти имеют аморфное строение, поэтому у них нет определенной температуры плавления, а существуют интервалы размягчения, т.е. при нагревании они постепенно переходят из твердого состояния в вязкожидкое.

Дегти обладают антисептическими свойствами, поэтому материалы на основе дегтя применяют для защиты от гниения: дегтем пропитывают шпалы, столбы и др.

Каменноугольные дегти – горючие вещества; температура вспышки дегтя– 150-190°С, температура воспламенения– 180-270°С; температура самовоспламенения выше 540°С. Температурные пределы: нижний – выше 120°С, верхний – выше 150°С. Хранят дегти в закрытых хранилищах, оборудованных устройствами для обогрева паром.

Применение – в строительстве дегти применяют для производства рулонных кровельных, гидроизоляционных и герметизирующих материалов, изготовления различных мастик, паст, эмульсий и простейших лаков, приготовления асфальтовых бетонов и растворов; дёгтевые вяжущие применяют при строительстве дорог и изготовлении кровельных материалов.

При оценке качества дегтей необходимо знать их групповой состав.

В него входят:

• масла — вязкие жидкости светло-желтого цвета, состоящие из углеводородов, водорода, серы и незначительно кислорода и азота. Придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения;

• смолы (твёрдые и мягкие)– вязкопластичные высокомолекулярные аморфные вещества темно-коричневого цвета, 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, водород, кислород и сера и др.

Смешивание битума с дегтем или с дегтевыми продуктами (например, антраценовым маслом) позволяет получить битумно-дегтевые материалы, отличающиеся более высокой смачивающей и адгезионной способностью, биохимической стойкостью, что весьма важно при изготовлении кровельных и гидроизоляционных материалов на картонной основе.

5. Характеристика асфальтовых и дегтевых растворов и бетонов

Асфальтовый раствор – уплотненная смесь асфальтового вяжущего с мелким заполнителем – песком (чистый и сухой песок с наибольшей крупностью зерен 5 мм).

.Асфальтовое вяжущее – смесь нефтяного битума (9-11%) с мине-ральным порошком (из известняков, доломита, мела, асбеста, шлака). Последний уменьшает расход битума и повышает температуру размягчения раствора.

Для повышения качества раствора в его состав вводят асфальтовый порошок, содержащий природный битум. Минеральные порошки при смешивании с битумом образуют структурированную систему, обладающую повышенной прочностью и водоустойчивостью.

Изготовляют асфальтовые растворы на специализированных заводах следующим путём: в варочный котел загружают битум и смесь сухих компонентов раствора. При постоянном перемешивании смесь нагревают до 180°С. При достижении полной однородности раствора его в горячем состоянии подают на место укладки. Укладывают асфальтовые растворы слоем (толщиной 20-30 мм) на сухое уплотненное основание, уплотняют и заглаживают гладилками или механическими катками.

Применение - асфальтовые растворы применяют в строительстве для устройства полов промышленных зданий и складов, для покрытия тротуаров, плоских крыш, в качестве основания для плиточных полов.

Асфальтовый бетон — искусственный строительный материал, полученный в результате твердения рационально подобранной, перемешанной до однородного состояния и уплотненной смеси нефтяного битума, минерального порошка, песка и крупного заполнителя (щебня или гравия).

Общее содержание битума в асфальтобетоне 5-6% по массе. Крупный заполнитель изготовляют из прочных и морозостойких изверженных, осадочных и метаморфических горных пород, а также из металлургических шлаков. Чаще всего используют щебень из известняков и доломитов крупностью 10...40 мм, хорошо сцепляющийся с битумом. Щебень должен быть чистым; не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 2%. Форма зёрен должна приближаться к тетраэдрной и кубовидной, а поверхность – к шероховатой, что повышает внутреннее трение и прилипание вяжущего. Содержание лещадных и игловатых зёрен ограничивается 15-25%. Кроме того, щебень должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Количество дроблёного гравия, также служащего для приготовления асфальтобетонных смесей, должно достигать не менее 80%. К нему предъявляют те же требования, что и к щебню.

Для приготовления асфальтобетона применяют крупно- и среднезернистые пески из группы природных и дроблёных песков(высевок), в част-ности кварцевый песок, состоящий из окатанных зёрен кварца. Песок должен быть чистым и содержать пылевато-глинистых частиц не более 3% по массе.

Минеральный порошок получают размолом известняков, доломитов, доменных шлаков. По техническим требованиям набухание смеси порошка с битумом не должно превышать 2,5%. Карбонатные горные породы, используемые для производства минеральных порошков, не должны содержать глинистых примесей более 5%.

Марку битума выбирают в зависимости от вида асфальтобетона, климатических условий и категории дороги. В технологии производства асфальтобетона успешно применяют ПАВы, введение которых улучшает сцепление битума с минеральным материалом, увеличивает степень обволакивания битумом минеральных частиц, сокращает время перемешивания, улучшает удобоукладываемость и уплотняемость смесей. К ним относятся: карбоновые кислоты, кубовые остатки синтетических жирных кислот, госсиполовая кислота, окисленный петролатум, каменноугольная смола и др.

Асфальтовые бетоны различают по степени подвижности и способу применения. По степени подвижности бетоны делят на:

• Пластичные;

• жесткие.

Пластичные уплотняются легко, жесткие - трудно (с использованием тяжелых катков или вибрации).

По способу применения бетоны делят на укладываемые:

• в горячем состоянии;

• холодном состоянии.

Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси, имеющие при укладке температуру 140-170 °С. Технология их производства следующая: смесь предварительно высушенных и подогретых до 180-200°С минерального порошка, песка и щебня загружают в смеситель с расплавленным битумом и перемешивают до готовности. Горячие смеси перевозят на автосамосвалах и укладывают только на прочное сухое основание. Основанием для покрытия может быть слой бетона, булыжная мостовая, иногда слой щебня или булыжника. Асфальтобетон укладывают в один или два слоя, затем укатывают тяжелыми катками. По краям дорожного покрытия должны быть устроены бортовые камни. После остывания через 1-2 ч асфальтобетон отвердевает, приобретая плотность и прочность.

Асфальтобетонные смеси, укладываемые в холодном состоянии, приготовляют на жидких битумах. Эти смеси набирают прочность в течение нескольких дней. Твердение происходит в результате окисления, испарения и частичного поглощения основанием вяжущего вещества. Преимущество их в том, что их можно укладывать в сырую и холодную погоду, их стоимость ниже, но они менее долговечны и прочны.

Преимущества асфальтового бетона — высокая прочность, хорошее сопротивление упругим и пластическим деформациям, ровность и гигиеничность покрытия, легкость очистки.

Применение - асфальтобетон применяют для дорожного покрытия, для устройства полов промышленных цехов, складов, хранилищ, плоской кровли, стяжек.

Дегтевые растворы и бетоны — аналогичны асфальтовым, только для их приготовления используют дегтевые вяжущие. Однако по своему качеству они уступают асфальтовым. Дегтевые растворы и бетоны обладают меньшими износо- и водостойкостью, теплоустойчивостью и атмосферостойкостью.

Применение - в строительстве для устройства покрытия на дорогах второстепенного значения и для ремонта.

Вопросы для самопроверки

1. Сырье для производствва органических вяжущих веществ

2. Классификация органических вяжущих веществ

3. Характеристика основных групп органических вяжущих веществ

4. Требования к качеству органических вяжущих веществ

5. Характеристика битумных вяжущих веществ

6. Отличительные особенности природного битума от искусственного

7. Маркировка, состав, свойства и применение битумных вяжущих веществ

8. Классификация дегтевых вяжущих веществ

9. Маркировка, состав, свойства и применение дегтевых вяжущих веществ

10. Асфальтовы и дегтевые растворы и бетоны. Применение

План практического занятия

1. Органические вяжущие вещества. Общие сведения

2. Классификация органических вяжущих веществ.

3. Характеристика основных групп. Требования к качеству

4. Характеристика битумных вяжущих веществ.

5. Классификация, маркировка, состав, свойства, применение битумных вяжущих веществ

6. Характеристика дегтевых вяжущих веществ.

7. Классификация, маркировка, состав, свойства, применение дегтевых вяжущих веществ

8. Характеристика асфальтовых и дегтевых растворов и бетонов