01. Классификация органических вяжущих веществ

Органические вяжущие представляют собой твердые, вязко-пластичные или жидкие вещества, состоящие из высокомолекулярных соединений на основе углерода. Они встречаются в природе в чистом виде – природные вяжущие, или получаются простой переработкой продуктов органического происхождения – искусственные.

Сырьем для производства органических вяжущих является нефть, природные битумосодержащие породы, каменные угли, горючие сланцы, торф, древесина, а также побочные продукты промышленности.

Физико-химическая переработка такого сырья дает смолообразные остатки. В результате дополнительной переработки остатков получаются органические вяжущие вещества.

Характерной особенностью органических вяжущих является их чувствительность к действию температур. На этом основано их использование в расплавленном состоянии для обработки, связывания и склеивания различных материалов.

Основные требования, которые предъявляют к органическим вяжущим, состоят в том, чтобы в период объединения они обладали вязкостью, позволяющей хорошо смазывать и обволакивать, образуя прочную водостойкую пленку, а также чтобы эти вяжущие были стабильны.

Органические вяжущие применяются для устройства дорожных покрытий, тротуаров, полов, для изготовления кровельных и гидроизолирующих материалов, для защиты металлов, древесины, бетона от коррозии, для производства лакокрасочных материалов.

По назначению органические вяжущие материалы делят на дорожные, строительные, кровельные, гидроизоляционные, специальные.

По химическому составу, свойствам и виду сырья, органические вяжущие для дорожного строительства разделяют на битумы и дегти.

Применяют и комплексные органические вяжущие: битумы дегтевые, дегти битумные, гидрокамовые (продукт совместного окисления каменноугольного вяжущего и нефтяного гудрона), дегти полимерные и битумы полимерные, битумы резиновые.

Битумы – органические вяжущие вещества, состоящие из высокомолекулярных углеводородов нафтенового, метанового и ароматических рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных.

Дегти - органические вяжущие вещества, состоящие из высокомолекулярных ароматических углеводородов и их кислотных, сернистых и азотистых производных.

Битумы по виду сырья разделяют на нефтяные, получаемые из нефти и из смолистых остатков, и природные, встречающиеся в чистом виде, которые извлекают из асфальтовых горных пород (известняки, песчаники, пески).

Сланцевые битумы – продукт переработки сланцевой смолы, получаемой при сухой перегонке горючих сланцев.

Дегти получают сухой деструктивной перегонкой каменного и бурого угля, древесины и торфа.

В зависимости от главнейших строительных свойств и консистенции при нормальной температуре, органические вяжущие условно делят на твердые, вязки, жидкие.

Твердые битумы при t=20-25^◦ C обладают вязкоупругими свойствами. Подвижность и текучесть – при t=180-200^◦ C.

Вязкие битумы и дегти при t=20-25^◦ C находятся в вязкопластичном малоподвижном состоянии, а на интервале t=100-120^◦ C они становятся текучими и по мере окисления, полимеризации, испарения легких фракций, они приобретают свойства твердых битумов.

Жидкие битумы при t=20-25^◦ C находятся в жидком состоянии и по мере испарения легких фракций они приобретают свойства вязких битумов, а затем твердых битумов.

Помимо нагрева, вязкие и жидкие органические вяжущие переходят в текучее состояние путем эмульгирования и получают дорожные эмульсии.

Дорожная эмульсия – дисперсная система, состоящая из органического вяжущего, диспергированного в водной среде с эмульгатором, предающим эмульсии устойчивость. Эмульсии применяются без подогрева. При распределении эмульсии по поверхности каменных материалов, происходит ее распад с выделением вяжущего материала. Вязкие и жидкие органические вяжущие в расплавленном состоянии или в виде эмульсий применяют для приготовления асфальтобетонов, дегтебетонов, черного щебня и гравия, для укрепления грунтов и проведения других дорожных работ.

. Состав органических вяжущих веществ.

Органические вяжущие представляют собой сложную смесь углеводородов различных классов и их неметаллических производных. Углерод IV-валентен и главной особенностью является образование соединений, в которых атомы углерода, связанные между собой, могут образовывать цепочные и циклические соединения.

В зависимости от числа атомов и их взаимного расположения изменяются свойства вещества.

В битумах выделяют следующие группы углеводородов, примерно: масла 40-60%, смолы 20-40%, асфальтены 10-25%, карбены и карбойды 1-3%, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды 1%, парафины ≤ 5%.

Масла — вещества желтого цвета плотностью ниже 1000 кг/м³, состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, ароматических и полициклических углеводородов с молекулярной массой 300-800. Масла выделяются из битума легким бензином и придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения.

Смолы (нейтральные и кислые) — легкоплавкие вязкопластичные вещества темно-коричневого цвета плотностью около 1000 кг/м³. Смолы состоят из более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 600-1000. По химическому составу они в основном относятся к гетероциклическим ароматическим высокомолекулярным соединениям. В смолах сконцентрирована основная масса сернистых, кислородных, а в большинстве случаев и азотистых соединений (до 2 %). Эти соединения в большей части полярные, поверхностно-активные, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водоустойчивые пленки. Смолы плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне, хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, образуя истинные, а не коллоидные растворы.

Содержанием смол обусловливается растяжимость и эластичность битумов.

Асфальтены — твердые неплавкие вещества плотностью немного больше 1000 кг/м³, состоят из смеси насыщенных гетероциклических соединений, содержащих наряду с углеродом и водородом кислород или серу. Они весьма близки по элементарному составу и строению к смолам, но отличаются от них более высокой (в 2-3 раза) молекулярной массой.

Асфальтены растворимы в бензоле и являются важной составной частью вяжущих, они влияют на процессы структурообразования в битуме. Содержание асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость (хрупкость) битумов.

Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко, преимущественно в крекинг-битумах, в количестве 1-2 %. Увеличение их содержания повышает вязкость и хрупкость битума. По составу и свойствам карбены похожи на асфальтены, но они нерастворимы в бензоле.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - вещества коричнево-серого цвета, обладают густой маслянистой или смолистой консистенцией. Плотность их выше 1000 кг/м, они хорошо растворяются в спирте, хлороформе и плохо в бензине. Асфальтогеновые и карбоновые кислоты, и их ангидриды, а также фенолы - наиболее полярные компоненты вяжущих, а, следовательно, и наиболее активные. Их содержание определяет интенсивность прилипания вяжущих к каменным материалам, в особенности к основным карбонатным породам.

Парафин относится к твердым метановым углеводородам. Его содержание в битумах зависит от исходного сырья.

Повышение содержания парафина более чем на 5% ухудшает дорожно-строительные свойства битумов. При содержании парафина в битуме до 3,5 % он, как правило, не оказывает существенного влияния на свойства битума. Большее его содержание снижает растяжимость битума и повышает температуру затвердевания. При нагревании парафинистый битум переходит в жидкое состояние при меньшей температуре, чем беспарафинистый. На свойства битумов оказывает влияние не только количественное содержание парафинов, но и структура парафиновых углеводородов.

Дегти. В состав каменноугольных дегтей входят преимущественно углеводороды ароматического ряда (производные бензола) С₆Н₆ и их соединения с кислородом, азотом серой и другими элементами. В дегтях содержатся следующие группы веществ: твердые, углистые, неплавкие (нерастворимые в органических растворителях), которые называются свободным углеродом. Эти вещества состоят из сложных органических соединений со значительным содержанием углерода и большой молекулярной массой. К этой группе веществ относятся также частицы угля, механически занесенные в смолу при ее изготовлении.

Компоненты дегтя:

твердые неплавкие вещества - дегтевые смолы, растворимые только в пиридине и состоящие из высокомолекулярных циклических соединений в кислородном ядре. Твердые дегтевые смолы подобны асфалтенам, находящимся в нефтяных битумах;

вязкопластические плавкие дегтевые смолы, растворимые в бензоле и хлороформе. Они также состоят из сложных высокомолекулярных кислородных органических соединений и подобны нефтяным смолам;

жидкие дегтевые масла, представляющие собой жидкие углеводороды более простого химического строения, чем другие компоненты дегтя.

Кроме указанных основных групп веществ, в дегтях содержатся нафталин, антрацен кислые вещества (фенолы, карбоновые кислоты),а также основания (пиридиновые и др.).

Примерный групповой состав каменноугольных дегтей (%): вязкопластические смолы 10 - 15, нафталин 7, твердые смолы 5 - 10, антрацен 10, свободный углерод 2 - 20, фенолы 5, дегтевые масла 60 - 80.

Структура дегтей изменяется при содержании нафталина и антрацена более 15 %, так как они выкристаллизовываются и создают зернистую структуру дегтя с пониженными вяжущими свойствами.