Конобеева А.Б., Кострикина А.В. Товароведение и экспертиза строительных материалов. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

291

РАЗДЕЛ 10. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

10.1. Общие сведения

Согласно археологическим исследованиям органические вяжущие

начали применять в строительстве 4500—5000 лет назад: природный би-

тум и смолу использовали в качестве вяжущих и гидроизоляционных ма-

териалов в различных сооружениях Древнего Египта и Вавилона, изоляции

каналов и водостоков, фундаментов дворцов и храмов, стен и полов в ам-

барах и зернохранилищах (битумная обмазка способствовала длительному

хранению зерна и других сельскохозяйственных продуктов). С середины

19в. с помощью битумных вяжущих стали укладывать дорожные покрытия.

В 1300 г. итальянский путешественник Марко Поло впервые обнаружил

залежи «жидкого асфальта» в г. Баку. В России асфальт начали применять

в 40-х годах XIX в. в дорожном строительстве, затем стали изготавливать

лаки, краски, гидроизоляционные материалы. В XX в. были получены ис-

кусственные или нефтяные битумы, расширился ассортимент органиче-

ских вяжущих и материалов, получаемых на их основе.

Органические вяжущие – группа природных или искусственных

твёрдых, вязко-пластичных или жидких веществ, состоящих из смеси ор-

ганических высокомолекулярных соединений. Они хорошо объединяются

с каменными материалами и образуют прочную водостойкую плёнку. По

составу, структуре, свойствам, изменению свойств в зависимости от тем-

пературы органические вяжущие достаточно близки к термопластичным

полимерам и материалам на их основе. Встречаются в природе в чистом

виде или получаются путём их переработки.

Сырьём для производства органических вяжущих являются продук-

ты органического происхождения – каменный уголь, нефть, горючие слан-

цы, торф, древесина; физико-химическая переработка этого сырья (фрак-

ционная разгонка, сухая деструктивная перегонка и др.) даёт наряду с цен-

ными продуктами смолообразные остатки. В результате дополнительной

переработки этих остатков получают органические вещества.

В строительстве наряду с минеральными вяжущими применяют ор-

ганические вяжущие — битумные и дегтевые (так называемые «черные

вяжущие») и полимеры.

В зависимости от свойств, химического состава, вида сырья и техно-

логии получения принята следующая классификация органических вяжу-

щих веществ:

• битумы;

• дёгти.

Битумные и дегтевые представляют собой сложные смеси угле-

водородов и их производных.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

292

Полимеры (от греч. polymeres — многообразный, состоящий из мно-

гих частей) — вещества с высокой молекулярной массой, молекулы кото-

рых состоят из большого числа повторяющихся мономерных звеньев.

В зависимости от строительных свойств и консистенции органиче-

ские вяжущие делят на группы:

• твёрдые битумы и дёгти (пеки), обладающие при 20-25°С вяз-

ко-упругими свойствами; при 120-180°С они приобретают подвижность

• вязкие битумы и дёгти, обладающие при 20-25°С вязкими и

пластичными свойствами

• жидкие битумы и дёгти при 20-25°С текучие, содержащие в

своём составе летучие низкомолекулярные углеводороды; применяют их

при температуре в диапазоне от 15 до 120°С. они способны загустевать по

мере испарения летучих углеводородов, тем самым приобретают свойства

вязких битумов и дёгтей

• битумные эмульсии и суспензии – дисперсные системы, со-

стоящие из диспергированного вяжущего материала (битума или дёгтя) в

водной среде с добавкой эмульгатора, обеспечивающего их устойчивость.

При нормальной температуре текучи.

По назначению органические вяжущие делят на:

• дорожные – битумы нефтяные (вязкие и жидкие), дёгти камен-

ноугольные, битумы сланцевые, эмульсии битумные

• строительные битумы

• кровельные битумы

• изоляционные битумы

• специальные битумы.

Требования к качеству органических вяжущих:

• легко объединяться с каменными материалами, образуя проч-

ную водостойкую плёнку

• обладать вязкостью, позволяющей в момент объединения с ма-

териалом хорошо его обволакивать, а в период работы связывать мине-

ральные частицы в прочный монолит

• быть стабильными, т.е. не изменять свойства в процессе экс-

плуатации в покрытиях.

Применение - в гидротехническом, дорожном (для устройства до-

рожных покрытий, тротуаров, полов), промышленно-гражданском строи-

тельстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтовых

растворов и бетонов, уплотняющих герметизирующих материалов, гидро-

изоляционных и дорожных мастик, битумных эмульсий, кровельно-

гидроизоляционных паст, для устройства и ремонта мягких крыш, защиты

от коррозии бетона, металлов и от радиоактивных излучений.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

293

10.2 Битумные вяжущие вещества

Битумы - вяжущие вещества, сложные соединения из смеси углево-

дородов нафтенового, ароматического и метанового рядов и их сернистых,

кислородных и азотистых производных, полностью растворимых в сероуг-

лероде. Химический состав битумов сложен, они содержат около 200 раз-

личных органических веществ.

Различают битумы 3-х видов:

• природные;

• искусственные нефтяные;

• сланцевые.

Природные битумы – органическое вещество, почти без запаха,

пластичное в нагретом состоянии, представленное в виде вязкой жидкости

или твердообразного вещества темно-коричневого или черного цвета, ко-

торые в чистом виде встречаются сравнительно редко, образуя озёра; часто

пропитывают асфальтовые (или битумные) горные породы – асфальтовые

известняки, песчаники, пески и доломиты. Из асфальтовых пород природ-

ные битумы получают экстрагированием с помощью различных раствори-

телей (но это дорогостоящий способ, поэтому он не получил достаточного

распространения) или вывариванием в горячей воде.

Природный битум образовался в верхних слоях земной коры из неф-

ти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а

также в результате естественного процесса окислительной полимеризации

нефти. Осадочные горные породы, пропитанные природным битумом на-

зывают асфальтовыми.

Отличительные особенности природного битума от искусственного:

• высокая атмосферостойкость;

• замедленные темпы старения.

Применение – в связи с дефицитностью и высокой стоимостью при-

меняют в основном для производства битумных лаков.

Нефтяные битумы – продукты переработки нефти и ее смолистых

остатков – по стоимости почти в шесть раз ниже природных. Нефть – жид-

кое горючее ископаемое в виде маслянистой тёмно-бурой жидкости с при-

сущим ей запахом керосина; представляет собой сложную смесь большого

числа углеводородов различных классов, а также их соединений с кисло-

родом, серой, азотом.

В зависимости от вязкости нефтяные битумы делят на:

• твердые;

• полутвердые;

• жидкие.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

294

В зависимости от скорости формирования структуры жидкие битумы

делятся на три класса:

• БГ – быстрогустеющие;

• СГ – среднегустеющие;

• МГ – медленногустеющие.

Жидкие битумы применяют в качестве вяжущего в подогретом до 60-

100

С состоянии - при строительстве дорог (для обработки гравийных и

щебеночных смесей, изготовления асфальтовых материалов).

В зависимости от способа переработки нефтяные битумы делят на:

• остаточные (гудроны);

• окисленные;

• крекинговые;

• компаундированные (смешанные);

• битумы деасфальтизации.

Остаточные битумы (гудрон) образуются после отгонки из нефти

бензина, керосина и глубокого отбора части масел; при нормальной темпе-

ратуре являются твердыми веществами. Гудрон – остаток после отгонки из

мазута масляных фракций; он является основным сырьем для получения

нефтяных битумов.

Окисленные битумы (полутвердое состояние) получают в кубах

(конверторах) непрерывного или периодического действия путем продувки

воздуха через нефтяные остатки, которые при этом окисляются и уплот-

няются под действием кислорода.

Крекинговые битумы получают при крекинге (разложении при вы-

сокой температуре) нефти и нефтяных масел (жидкие битумы).

Компаундированные получают смешиванием нефтяных продуктов

различной вязкости. Компаундирование – это вторичный процесс их пере-

работки. Ведь битум или смолистый остаток, полученный перегонкой,

окислением, экстракцией или деасфальтизацией, не всегда удовлетворяет

требованиям по всем показателям, предъявляемым к дорожным битумам.

Поэтому путём смешения битума с другими смолистыми остатками соот-

ветствующего состава можно значительно улучшить его свойства и дове-

сти до требуемых.

Битумы деасфальтизации получают осаждением асфальтосмоли-

стой части гудронов пропаном и другими растворителями.

В строительстве чаще используют остаточные и окисленные битумы.

Нефтяные битумы в нагретом состоянии разливают в тару и после

остывания отправляют по назначению.

Сланцевые битумы – битумы, образующиеся при переработке про-

дуктов перегонки битуминозных (горючих) сланцев без доступа воздуха.

Термин «сланцевые битумы» не совсем точен. По свойствам и химическо-

му составу они приближаются к битумным материалам, а по способу по-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

295

лучения – к дегтям. Область применения сланцевых битумов в основном

та же, что и нефтяных.

Индексация битумов

Строительные нефтяные битумы выпускают трех марок: битум неф-

тяной БН-50/50, БН-70/3О, БН-90/1О (числитель – температура размягче-

ния, °С; знаменатель – среднее значение глубины проникания иглы). При-

меняются для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеи-

вающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных

кровель.

Нефтяные кровельные битумы, применяемые для производства кро-

вельных и гидроизоляционных материалов, вырабатывают трех марок: би-

тум нефтяной кровельный БНК-45/180 – пропиточный битум, БНК-90141 и

БНК-90/30 – покровные битумы (числитель – среднее значение температу-

ры размягчения, °С, знаменатель – среднее значение глубины проникания

иглы).

Нефтяные дорожные битумы, применяемые в качестве вяжущего при

строительстве дорожных и аэродромных покрытий, выпускают пяти ма-

рок: битум нефтяной дорожный БНд-200/300, БНд-130/200, БНд-90/130,

БНд-60/90, БНд-40160. Цифры показывают допускаемые пределы откло-

нения глубины проникания иглы при 25°С.

Применение:

• твердые нефтяные битумы применяют в производстве рулон-

ных кровельных материалов, битумных мастик;

• полутвердые – для изготовления гидроизоляционных материа-

лов, битумных обмазок, асфальтовых растворов и бетонов и других мате-

риалов;

• жидкие – преимущественно для дорожного строительства.

Состав битумов

В групповой состав битумов входят:

• масла – вязкие жидкости светло-желтого цвета с плотностью

не ниже 1000 кг/м

, состоящие из углеводородов (85-88%) с молекулярной

массой 100-500, водорода (10-14%), серы (до 4%) и незначительно кисло-

рода и азота. Придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают

испаряемость и снижают температуру размягчения;

• смолы (кислые и нейтральные) – вязкопластичные высокомо-

лекулярные аморфные вещества темно-коричневого цвета с плотностью

около 1000 кг/м

и молекулярной массой 600-2000, от содержания которых

зависят степень пластичности, растяжимости битумов и вяжущие свойства.

По химическому составу они в основном относятся к гетероцикли-

ческим ароматическим высокомолекулярным соединениям, в состав кото-

рых входят углерод (80-87%), водород (10-18%), кислород (1-10%) и сера

(1-1-%):

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

296

• асфальтены – твердые хрупкие неплавкие вещества кристал-

лического строения с плотностью более1000 кг/м

и молекулярной массой

1000-5000, содержание которых определяет теплоустойчивость, вязкость и

хрупкость вяжущих материалов. По химическому составу представляют

собой смесь насыщенных гетероциклических соединений, содержащих уг-

лерод, водород, кислород и серу;

• карбены и карбоиды – твердые углеродистые вещества, обра-

зующиеся при высоких температурах; их содержание повышает вязкость и

хрупкость битума. В битумах встречаются редко. По составу схожи с ас-

фальтенами, но содержат больше углерода, имеют большую плотность и

более тёмный цвет. Карбоиды – твёрдые вещества типа сажи;

• асфальтогеновые кислоты и их ангидриды – смолообразные

вещества коричнево-серого цвета с плотностью более1000 кг/м

, способст-

вующие более интенсивной адгезии битумов к каменным материалам, осо-

бенно к карбонатным породам;

• примесь в битуме кристаллического парафина (твёрдого ме-

танового углеводорода) понижает его качество, в частности повышает

хрупкость при пониженных температурах. Нефти в России в основном вы-

сокопарафинистые, поэтому при производстве битумов необходимо, чтобы

содержание парафина в них не превышало 5%. Повышение содержания

парафина ухудшает дорожно-строительные свойства битумов: снижает

растяжимость и повышает температуру затвердевания битума (см. табл.

17).

Таблица 17 – Примерный групповой состав битума

Компонент Содержание, %

Масла 40-60

Смолы 20-40

Асфальтены 10-25

Карбены и карбоиды 1-2

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды

Свойства битумов

Основные свойства, определяющие качество нефтяных битумов и де-

ление их на марки – вязкость, растяжимость, температура размягчения и

вспышки.

Вязкость (твердость, или пенетрация) битумов является характери-

стикой их структурно-механических свойств и зависит главным образом от

температуры. При низких температурах вязкость битума увеличивается, и

он приобретает свойства твердого тела; с увеличением температуры вяз-

кость уменьшается и битум переходит в состояние густой жидкости почти

чёрного цвета. Эта особенность позволяет применять их как связующее

вещество. Структурная вязкость для жидких битумов определяется време-

нем истечения пробы в секундах при постоянной температуре через отвер-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

297

стие стандартного вискозиметра размером 5 или 10 мм. Для полутвердых и

твердых битумов структурированная вязкость, точнее текучесть (величина,

обратная вязкости), измеряется в условных единицах по глубине проника-

ния иглы в битум при определенной нагрузке, температуре, времени по-

гружения.

Растяжимость (дуктильность) – свойство битумов вытягиваться в

тонкие нити под влиянием приложенной растягивающей силы. Оно харак-

теризуется абсолютным удлинением до разрыва нити (см) образца битума

(в виде восьмерки) при температуре 25°С, определяемым на приборе - дук-

тилометре (рис.26). Растяжимость характеризует пластичность вязких би-

тумов. Высокие пластические свойства вязких битумов наблюдаются

обычно при значительном содержании смол, оптимальном содержании ас-

фальтенов и масел и незначительном содержании карбенов и карбоидов.

Рис.26. Дуктилометр: 1 – червячный винт; 2 – салазки; 3 – маховик;

4 – разборная форма; 5 – битум

Температура вспышки – важное свойство для установления техноло-

гических параметров при работе с битумом, ее измеряют на специальном

приборе (за температуру вспышки принимают температуру, которую пока-

зал термометр при первом появлении синего пламени над частью или над

всей поверхностью образца битума, выделившего пары вяжущих). Темпе-

ратура вспышки характеризует степень огнеопасности битума при разо-

гревании в котлах. Она составляет 220-240°С (в зависимости от марки);

минимальная температура самовоспламенения 300-368°С. Температура,

при которой пламя горит не менее 5 секунд, называется температурой вос-

пламенения.

Температура размягчения битума характеризует степень его под-

вижности и составляет от 20°С до 80-110°С и выше. Битумы имеют

аморфное строение, поэтому у них нет определенной температуры плавле-

ния, а существуют большие температурные интервалы размягчения, т. е.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

298

при нагревании они постепенно переходят из твердого состояния в вязко-

жидкое, что характеризует пригодность битума для использования в раз-

личных температурных условиях, т.е. пластические и тепловые качества

битума.

Температура размягчения имеет большое практическое значение, так

как при данной температуре битум теряет ряд своих строительных свойств,

например, склеивающие свойства, поэтому в конструкциях, в которых би-

тум может подвергаться нагреванию до температуры 50°С, следует приме-

нять битум с температурой размягчения 65-70°С.

Теплостойкость определяют с помощью прибора «кольцо и шар»

(рис.27) по температуре, при которой битум, залитый в кольцо, выдавли-

вается на определенную глубину (2,54 см) под действием массы стального

шарика и помещается в подогреваемую водяную баню. Температуру раз-

мягчения определяют по температуре водяной бани, когда битум размягча-

ется и шарик опустится на нижнюю полочку прибора.

Рассмотренные свойства связаны между собой некоторой за-

висимостью. Так, твердые битумы с малой глубиной проникания иглы

имеют высокую температуру размягчения и малую растяжимость, т.е. яв-

ляются хрупкими, а битумы с низкой температурой размягчения имеют

большую пенетрацию, могут сильно растягиваться, т.е. обладают высо-

кой пластичностью.

Рис. 27. Прибор «кольцо и шар» для определения

температуры размягчения битума

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

299

Температура хрупкости или затвердевания. При отрицательных

температурах битумы становятся хрупкими. Температура хрупкости - тем-

пература, при которой образуется первая трещина на изгибаемом тонком

слое битума, нанесенном на стальную пластинку специального прибора.

Чем ниже температура хрупкости битума, тем выше его морозостойкость и

тем выше качество битума. За рубежом в некоторых странах температуру

хрупкости устанавливают по пенетрации.

Битумы гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, имеют

плотное строение, пористость их практически равна нулю, поэтому они

водонепроницаемы и морозостойки (на них меньше образуется трещин).

Битумы стойки по отношению к водным растворам многих кислот,

щелочей, солей и большинству агрессивных газов, но растворяются полно-

стью или частично в различных органических растворителях (сероуглеро-

де, хлороформе, бензоле, дихлорэтане, этиловом спирте, бензине, бензоле

и др.), поэтому их применяют их для приготовления лаков, красок и мас-

тик.

Битумы при размягчении прочно сцепляются (обладают адгезией) с

камнем, деревом, металлом и др. Используются при применении в качест-

ве вяжущих веществ; переводить в рабочее состояние битумы можно рас-

плавлением, растворением в органических растворителях и эмульгирова-

нием в воде (получение битумных эмульсий производят с помощью специ-

альных добавок-эмульгаторов).

Нефтяные битумы хорошо совмещаются с резиной и полимерами,

что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в со-

ответствии с требованиями современного строительства. Получаемые при

этом материалы называют резинобитумными и битумно-полимерными. К

ним можно отнести «монофлекс» - битумно-полимерный материал, обла-

дающий высокой морозостойкостью (до -50°С) и теплостойкостью (до

+100°С), сохраняя при этом пластичность и гибкость: его верхняя поверх-

ность укреплена полиэстером, нижняя – плёнкой, а внутри – модифициро-

ванный битум.

В целом битумы сходны по составу и структуре, основным техниче-

ским свойствам с дёгтями.

Основные показатели физико-механических свойств нефтяных би-

тумов приведены в таблице18.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

300

Таблица 18 – Физико-механические свойства нефтяных битумов

Температура, °С, не ниже

Марка

битума

Глубина про-

ни

кания иглы

при 25°С, 0,1

мм

Растяжимость

при 25°С

, см, не

менее

размягчения вспышки

Строительные

БН-50/50 41…60 40 50 220

БН-70/30 21…40 3 70 230

БН-90/10 5…20 1 90 240

Кровельные

БНК

45/180

140…220

40…50

240

БНК-90/40 35…45 85…95 240

БНК-90/30 25…35

Не нормируется

90…95 240

Дорожные улучшения

БНД-200/300 201…300 Не

нормируется

35 200

БНД-130/220 131…200 65 39 220

БНД

90/130

91…130

220

БНД-60/90 61…90 50 47 220

БНД-40/60 40…60 40 51 220

Недостатки битумных вяжущих – старение – процесс медленного

изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением

хрупкости и снижением гидрофобности. Происходит оно от действия сол-

нечного света и кислорода воздуха, поэтому на стройплощадках битум

хранят под навесом или в специальных закрытых складах, защищая их от

действия солнечных лучей и атмосферных осадков.

10.3 Дёгтевые вяжущие вещества

Дегтевые вяжущие получают в процессе деструктивной (нагревание

без доступа воздуха) перегонки твердых видов топлива (каменного и буро-

го 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 про-

изводных. В сыром виде каменноугольный деготь в строительстве не при-

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com