![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Битумы: происхождение, состав и свойства.
Битумы делят на природные и нефтяные. Природные битумы представляют собой твердые или вязкие композиции, которые образовались из нефти в осадоч-ных породах земной коры под влиянием процессов окисления и полимеризации. Они встречаются редко в виде залежей, состоящих из битума с примесями минера-льных веществ, а чаще пропитывают пески, рыхлые песчаники, карбонатные поро-ды или глинистые грунты. Такие горные породы называют битуминозными. Природные битумы имеют высокую атмосферостойкость, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов. Их извлекают из горных пород вываркой в по-дкисленной горячей воде или вымывают растворителями. При содержании битума меньше 3% извлечение битумов нерационально и тогда размолотые горные по-роды используют в виде асфальтового порошка или как сырье для производства ма-стик. Основное использование природных битумов происходит в лакокрасочной промышленности. Нефтяные битумы получают из нефти путем переработки ее остатков после отбора легколетучих компонентов. Различают остаточные, окисленные и компа-ундные нефтяные битумы. Наиболее распространены окисленные битумы, полученные специальной обра-боткой остаточных битумов или гудрона, продувая через них воздух при температуре 210-300°С. Нефтяные остатки окисляются и уплотняются за счет полимеризации природных высокомолекулярных соединений. Смешивая остатки специально обрабо-танного гудрона с масляными дистиллятами, получают компаундные (смешанные) битумы. Нефтяные битумы при нормальной температуре (18-20°С) могут быть тве-рдыми (упругими или даже хрупкими), полутвердыми (вязкопластичными) или жидкой консистенции. Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углеводородов метанового Масла придают битуму подвижность и текучесть. При обычной температуре эта группа углеводородов с молекулярной массой 100-500 и с плотностью меньше единицы предопределяет реологические свойства битумов. Смолы представляют собой углеводороды более сложной структуры. Их мо-лекулярная масса доходит до 500-1000, а плотность — до единицы. Смолы об-ладают хорошей прили-паемостью и поэтому придают битумам вяжущие свойства и пластичность. Асфальтены — твердые неплавкие высокомолекулярные соединения с плотностью несколько выше единицы и молекулярной массой 1000-5000. Больши-нство асфальтенов растворимы в масляных и смолистых фракциях битума, лишь карбены и карбоиды, содержащие свободный углерод, практически нераствори-мы. Асфальтены придают битуму твердость в нормальных условиях и повышают его теплоустойчивость. Важно отметить главное свойство асфальтенов — их способность при нагревании и в присутствии воздуха образовываться из смол и ма-сел. Такие условия создаются в присутствии солнечной радиации. Входящие в состав битума перечисленные группы углеводородов образуют сложную дисперсную систему, где молекулярный раствор части смол в маслах выс-тупает дисперсной средой, а дисперсной фазой являются асфальтены с адсорбиро-ванной на их поверхности частью смол. Основным структурообразующим элемен-том битума являются мицеллы — комплексные частицы, в ядре которых находят-ся ядра из асфальтенов размером до 20 мкм, а оболочку мицелл составляют смо-лы и тонкий молекулярный слой масел. Если в битуме наблюдается избыток ма-сел, то мицеллы как бы плавают в нем, образуя структуру, известную под названи-ем золь. Такая структура характерна для жидких битумов. Если же мицеллы конта-ктируют друг с другом непосредственно и в системе ощущается недостаток масел, то такая структура характерна для твердых битумов и ее называют гель. У вязких би-тумов наблюдается переходная структура «золь-гель». Важно отметить, что при по-вышении температуры структура битума меняется. Мицеллы снимают с себя пос-ледовательно масляную и смоляную оболочки, доля дисперсионной среды возраста-ет, и твердые битумы меняют мицеллярную пространственную сетку на плаваю-щую структуру золь, что облегчает совмещение битума с каменными материалами При небольшом увеличении содержания смол и частично асфальтогенов мо-жет происходить некоторое улучшение свойств битумов со временем. Однако значительное увеличение этих составляющих может привести к быстрому изменению свойств битума, что повлечет за собой потерю им пластических свойств и уве-личение твердости и хрупкости. Таким образом, изменение соотношения между количественным содержа-нием различных групп углеводородов, являющихся структурными составляющими битума, отражается на физико-химической структуре материала и сильно меняет его свойства. Воздействие воздуха основано на окислении и полимеризации углеводоро-дов, в частности непредельного ряда, изменения группового химического состава и свойств битумов. Окислительный процесс ускоряется под комплексным воздейст-вием воздуха, теплоты солнечного света, особенно его ультрафиолетовых лучей. К старению битума может приводить еще и длительный контакт с некоторыми мате-риалами, содержащими полуторные оксиды железа и алюминия. За счет накопле-ния труднорастворимых и нерастворимых твердых частиц (в основном карбенов и карбоидов) у битума начинают проявляться хрупкие свойства, что и ведет к его старению. Основными свойствами, определяющими качество битумов, являются вязкость, хрупкость, тогда как для жидких битумов — это вязкость и содер-жание летучих веществ. Вязкость битума зависит от температуры и группового состава. Мерой оценки вязкости считается пенетр, равный 0, 1 мм. Определение вязкости жид-ких битумов производят на стандартном вискозиметре. За условную вязкость принимают время истечения определенного объема битума при нормированной температуре и диаметре калиброванного отверстия прибора и ее обознача-ют буквой С. Пластичность битумов характеризуется условной предельной де-формацией стандартного образца-восьмерки из битума, определяемой на при-боре-дуктилометре при нормируемой температуре испытаний и скорости при-ложения нагрузки. Это свойство называют растяжимость и выражают в см, указывая при этом температуру испытания. Растяжимость битума зависит прежде всего от температуры, группового состава и структуры. При увели-чении содержания смол растяжимость увеличивается. Значительно снижают растяжимость парафины, содержащиеся в битуме. Для определения температуры размягчения битумов используют стан-дартный прибор — «кольцо и шар» (К и Ш). Образец битума, размещенный в кольце, устанавливают на верхнюю полку прибора, а затем на поверхность битума ставятшарик определенного размера и массы. За температуру размягчения принимают среднюю температуру, определенную по 2-3 образцам, при которых шарик с битумом начинает касаться нижней полки прибора, расположенной от верхней на расстоянии 23, 4 мм. Это свойство битума называют иногда верхним температурным пределом. Нижний температурный предел применения битума характеризуется температурой хрупкости. Для ее определения используется стан-дартный прибор, основным элементом которого является тонкая стальная пласти-на. На эту пластину наносят тонкий слой битума и помещают в среду с понижаю-щейся отрицательной температурой. За температуру хрупкости принимают отрицательную температуру, при которой на стальной пластинке при ее изгибе и распрям-лении появляется первая трещина. При использовании битума в дорожных покрытиях часто пользуются так на-зываемым температурным рабочим интервалом. По его величине, представляю-щей разность между температурами хрупкости и размягчения (в абсолютных еди-ницах), производят выбор вида и марки битума для конкретных условий примене-ния. Описанные свойства битумов хорошо связаны между собой и в совокупности характеризуют марку битума. Так, например, битумы с высокой вязкостью более те-плостойки и более хрупки при отрицательных температурах. Битумы также обладают и рядом других важных свойств: стойкостью к дейс-твиям различных растворов кислот, щелочей, солей и к большинству агрессивных газов. Они хорошо растворяются в органических растворителях (например, спирте, бензине, бензоле и т.п.), обладают высокой водостойкостью и водонепроницаемо-стью. При производстве работ с битумами следует соблюдать правила противопо-жарной безопасности, так как при нагревании битума из него выделяются пары, ко-торые при наличии открытого пламени способны вспыхнуть. Для учета огнестойко-сти битума определяют температуру вспышки его паров. По назначению нефтяные битумы делят на дорожные, строительные и кро-вельные. Основные марки твердых и вязких битумов приведены в ГОСТ. Битумы нефтяные дорожные обозначают БНД, их свойства должны удовле-творять требованиям ГОСТ 22245; марки строительных битумов обозначают БН, а их свойства должны соответствовать ГОСТ 6617, у кровельных битумов марка обозначается БНК, а свойства должны соответствовать ГОСТ 8548. Например, для дорожного битума марки БНД 200/300 пенетрация должна быть в пределах 201-300 при температуре 25°С, температура размягчения не ни-же 35°С, а хрупкости — не выше -20°С. Для строительного битума пенетрация в пределах 4-60, температура размягчения не ниже 50-60°С, а температура хру-пкости не нормируется. У кровельного битума марки БНК 90/30 пенетрация на-ходится в пределах 25-35, температура размягчения не ниже 80°С, а хрупкости не выше -10°С. Жидкие нефтяные битумы делят на два класса: сред негустеющие (СГ) и мед-ленногустеющие МГ и МГО. Марка таких битумов характеризуется интервалом ус-ловной вязкости в секундах, определенной по вискозиметру с отверстием 5 мм при температуре 60°С (например, СГ 40/70, МГ 40/70 и МГО 40/70). Наиболь-шее применение (свыше 60% от общего производства) нефтяные битумы (твер-дые и полутвердые) находят в дорожном строительстве для изготовления асфаль-тобетонов и битумоминеральных смесей. Остальная часть битумов (40%) примерно равномерно используется в из-готовлении кровельных и гидроизоляционных материалов, а также некоторых гер-метиков.
|