Строительные материалы и изделия

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Органические вяжущие вещества — это высокомолекулярные при­родные или синтетические вещества, способные:

• приобретать жидко-вязкую консистенцию при нагревании или при действии растворителей или же имеющие жидко-вязкую конси­стенцию в исходном состоянии;

• с течением времени самопроизвольно или под действием опре­деленных факторов (температуры, веществ-отвердителей и др.) пере­ходить в твердое состояние.

При этом как в жидком, так и в твердом состоянии эти вещества имеют хорошую адгезию к другим материалам.

В зависимости от происхождения, химического и вещественного состава органические вяжущие делят на следующие группы:

• черные вяжущие (битумы и дегти);

• природные смолы, клеи и полимеры;

• синтетические полимерные продукты.

Природные высокомолекулярные вещества применяют как в их естественном состоянии, так и после химической модификации, при­дающей им необходимые свойства. Например, целлюлозу применяют в виде эфиров (нитроцеллюлоза, метилцеллюлоза и т. п.). Битумы также часто подвергают модификации.

Самая обширная группа органических вяжущих — синтетические полимеры. Их получают из низкомолекулярных продуктов {мономеров) полимеризацией и поликонденсацией. Специфическая группа поли­меров — каучуки и каучукоподобные полимеры, обладающие высоко­эластичными свойствами — способностью к большим упругим дефор­мациям; их также называют эластомерами.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям орга­нические вяжущие делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичными называют вещества, которые при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают; причем такие переходы могут повторяться много раз. Термопластичность объясняется линейным строением молекул и невысоким межмолекулярным взаимодействием. По этой же причине большинство термопластов способно растворяться в соответствующих растворителях. К термопластам относятся битумы, смолы, многие широко распространенные полимеры — полиэтилен, поливинилхло­рид, полистирол и др.

Термореактивными называют вещества, у которых переход из жид­кого состояния в твердое происходит необратимо. При этом у них

пространственные сетки — гигантские макромолекулы. Такое необра­тимое твердение (этот процесс называют также «отверждение», «сшив - кал, «вулканизация») происходит не только под действием нагрева (отсюда пошел термин «термореактйвные вещества»), но и под дейст­вием веществ отвердителей, УФ и у-излучения и других факторов. Отвержденные термореактивные полимеры, как правило, более тепло­стойки, чем термопластичные.

Термореактивные вяжущие поступают на строительство часто в виде вязких жидкостей, называемых не совсем правильно «смолами». В химической технологии такие продукты частичной полимеризации (с молекулярной массой менее 1000), имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигоме­рами.

К термореактивным органическим вяжущим относятся, например, эпоксидные и полиэфирные олигомеры (смолы), олифы, каучуки в смеси с вулканизаторами и др.

Органические вяжущие существенно отличаются от неорганиче­ских (минеральных). Адгезионные свойства многих органических вя­жущих значительно выше, чем минеральных. Прочность на сжатие у них сопоставима с прочностью минеральных, а при изгибе и растяже­нии во много раз выше. Следует помнить, что у термопластичных вяжущих прочность быстро падает при повышении температуры из-за размягчения полимера. Органические вяжущие характеризуются низ­кой термостойкостью. В зависимости от состава и строения темпера­тура их размягчения составляет 80...250° С. В большинстве своем это горючие вещества.

Большинство органических вяжущих водо - и химически стойки (они хорошо противостоят действию кислот, щелочей и солевых растворов). Стоимость органических вяжущих значительно выше, чем минеральных, а объемы их производства — намного ниже.

Из сказанного видно, что отличия органических вяжущих от ми­неральных носят как положительный, так и отрицательный характер. Поэтому каждый вид вяжущих имеет свои рациональные области применения, выбираемые с учетом всех его свойств. В последние годы широко используется модификация минеральных вяжущих органиче­скими с целью получения композиционных материалов с принципиаль­но новым набором свойств (см. § 2.1).

Органические вяжущие[3] используются в строительстве для полу­чения клеев, мастик, лакокрасочных материалов (см. гл. 18), полимер­ных и полимерцементных растворов и бетонов (см. § 12.8). Большая же часть синтетических полимеров используется при производстве пластмасс, в состав которых, как правило, входят наполнители и другие компоненты, снижающие стоимость и придающие пластмассам спе­циальные свойства.

Высокая стоимость полимерных вяжущих выдвигает на первый план при их использовании задачу снижения полимероемкости, т. е. получения требуемого результата при минимальном расходе полимера. Поэтому полимерные вяжущие применяют в основном для получения тонких облицовочных изделий (плиток, пленок, погонажных изделий), покрасочных и клеящих составов, защитных химически стойких по­крытий, а также для изготовления газонаполненных пластмасс — теплоизоляционных материалов с уникально низкой плотностью (10...50 кг/м3).

Первыми органическими вяжущими, которые начали применять в строительстве, были битумы и дегти. Имеются свидетельства приме­нения битумных материалов в I тысячелетии до н. э. в Месопотамии при строительстве «висячих» садов Семирамиды, тоннеля под Евфра­том и асфальтированных мостовых. Известно применение битумных материалов в Древнем Риме. Средневековые строители, в том числе и наши предки, применяли смолы и дегти для защиты древесины от гниения.

Хотя битумы и дегти имеют различное происхождение и несколько отличаются составом, оба обладают общими характерными свойства­ми. При нагревании они обратимо разжижаются и в таком состоянии хорошо смачивают другие материалы, а при охлаждении отвердевают, прочно склеивая смоченные ими материалы. Кроме того, битумы и дегти водостойки и водонепроницаемы, и если ими пропитать или покрыть другие материалы, то они преобретают гидрофобные (водо­отталкивающие) свойства. Битумы и дегти хорошо растворяются в органических растворителях. Перечисленные свойства предопределили использование битумов и дегтей для получения клеящих и гидроизо­ляционных материалов, а также для получения специальных дорожных бетонов — асфальтобетонов.

Битумы (от лат. bitumen — смола) — при комнатной температуре вязкопластичные или твердые вещества черного или темно-коричне­вого цвета, представляющие собой сложную смесь высокомолекуляр­ных углеводородов и их неметаллических производных. В зависимости от происхождения битумы могут быть природные и искусственные (техногенные); источником образования или получения битумов и в том, и в другом случае является нефть.

Природные битумы встречаются в виде асфальтовых пород, например, песка, пористого известняка, пропитанных битумом (содер - жание битума от 5 до 20 %). Такие породы встречаются в Венесуэле. Канаде, на острове Тринидад и др. Есть месторождения практически чистых битумов, например, битумные озера на Сахалине. Природные битумы образовались при разливе нефти в результате испарения из нее легких фракций и частичного окисления кислородом воздуха. Мировые запасы природного битума более 500 млрд. т.

Искусственные битумы образуются в виде остатка при получении из нефти топлива и масел — нефтяные битумы.

Битумы — сложные коллоидно-дисперсные системы, состоящие из нескольких групп веществ:

• твердые высокомолекулярные вещества (асфальтены, карбены, карбоиды), придающие битуму твердость;

• смолистые вещества, придающие битуму клейкость;

• нефтяные масла, придающие битуму вязкость и термопластйч - ность.

В этой дисперсной системе масла являются дисперсионной средой, а асфальтены — дис­персной фазой; смолы играют роль стабилиза­тора дисперсии (рис. 9.1). При нагреве масла разжижаются и битум становится жидко-вяз­ким, а при охлаждении густеют и затвердевают и битум становится твердым и даже хрупким.

Битумы делят на три типа по области их применения: дорожные (для асфальтобетонов), кровельные (для мягких кровельных материа­лов) и строительные (для изготовления мастик, гидроизоляции и др.). Каждый тип битумов в зависимости от состава может иметь различ­ные марки (табл. 9.1).

Рис. 9.1. Схема коллоид­но-дисперсного строения битума

из которых: температура размягчения, твердость и растяжимость.

Температуру размягчения определяют на стандартном приборе «Кольцо и шар» (рис. 9.2), Температурой размягчения считается тем­пература, при которой шарик проваливается сквозь битум, заплавлен - ный в кольцо. (Обратите внимание: у битума, как у сложной кол­лоидной системы, нет определенной температуры плавления: он раз­мягчается постепенно.)

Рис. 9.2. Определение температуры раз­мягчения битума:

а — схема прибора «Кольцо и шар»; б — положе­ние шарика в начале испытания; в — положение шарика в конце испытания; 1 — стакан; 2..Л - диски; 5 — термометр; 6 — крепежные стержни

1 — столик; 2— игла; 3 — зажимное устройст­во; 4 —стержень иглодержателя; 5 — циферб­лат; 6 — стрелка; 7 — штанга; 8 — кронштейн; 9— штатив; /0—зеркало; 11 — подставка

Твердость (вязкость) битума определяют на приборе пенетрометр (рис. 9.3) по погружению иглы в образен, битума (единица шкалы прибора 0,1 мм) при температуре 25° С.

Растяжимость битума определяют по абсолютному удлинению (в см) стандартного образца битума, растягиваемого в воде при 25° С со скоростью 5 см/мин (рис. 9.4).

а) .

ш

Р и с. 9.4. Определение растяжимости битума: ,

а — дуктилометр; б — разборная, форма; 1 — ящик из-оцинкованной стали; 2 — винт; 3 — салаз - ки; 4 — гайка; 5 — образец битума; 6 — неподвижная опора; 7 — редуктор; 8 — электродвига - ^ , тель; 9— стрелка; 10 — линейка (по ней фиксируется удлинение в момент разрыва) ■'

Транспортируют битумы в фанерных барабанах или бумажных мешках. Хранят в закрытых складах или под навесом таким образом, чтобы на битум не попадали прямые солнечные лучи - Битум — горючее : вещество, поэтому при работе с ним, особенно при разогреве битума, следует соблюдать требования пожарной безопасности.

Деготь — продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых видов топлива (древесины, угля, горючих сланцев, торфа и т. п.), представляющих собой вязкую темно-бурую жидкость с характерным «дегтярным» запахом.

Деготь, вероятно, один из старейших химических продуктов, по­лучаемых человеком. С древнейших времен на Руси было развито «дегтекурение» — получение дегтя из бересты (тонкой березовой коры). Бересту нагревали без доступа воздуха до 200...300° С. При этом обра­зовывалась темная вязкая жидкость с сильным запахом. Позже стали ; вырабатывать деготь из древесины березы и других лиственных пород.

Деготь использовался для пропитки деревянных сооружений, ло­док, рыбацких сетей, смазки сапог и т. п. Такая обработка защищала от гниения, благодаря антисептирующему и гидрофобизирующему действию дегтя. Антисептирующие свойства дегтя используются и в медицине (мазь Вишневского, дегтярное мыло и т. п.). Копчение продуктов (рыбы, мяса) также основано на обработке их продуктами сухой перегонки древесины.

В больших масштабах деготь стал производиться с конца XIX в., когда стала развиваться металлургия. Деготь является побочным про­дуктом при коксовании углей (высокотемпературной — до 1000° С обработки каменных углей с целью получения кокса).

Дегти, как и битумы,— сложная дисперсная система, состоящая из большого числа (несколько тысяч) различных углеводородов (жидких и твердых) и их неметаллических производных. Но в отличие от битума, где преобладают парафиновые углеводороды, в дегте много аромати­ческих углеводородов и их производных (бензола, толуола, нафталина, фенола и др.). Именно они придают дегтю антисептические свойства.

Сырой деготь практически не применяется. Его разгоняют, получая растворители, различные масла (антраценовое, креозотовое и др.) и твердообразное вещество — пек.

Пек (от голл. рек — смола) — аморфный хрупкий при обычных температурах остаток от перегонки сырого дегтя при температуре более 360° С. Он состоит из смолистых веществ, «свободного углерода», антрацена, масел и других слаболетучих соединений. Пеки применяют для получения составного дегтя, сплавлением его с маслами, и пекового лака, растворением его в ароматических растворителях. Составные дегти используют для гидроизоляции и антисептирующих покрытий древесины. ,

Дегти менее атмосферостойки, чем битумы. Под действием солнечного излучения и кислорода они окисляются, превращаясь в твердые хрупкие продукты; это объясняется наличием в дегте, в отличие от битума, активных реакционноспособных соединений. Дегти и продукты на их основе — канцерогены, поэтому их исполь­зование в местах, где возможен их длительный контакт с человеком, запрещено.

При работе с дегтями и пеком следует помнить, что они и их пары могут вызвать воспаление или аллергические реакции при контакте с кожей и в особенности — слизистыми оболочками.

Общий недостаток битумов и деггей — узкий интервал температур, при которых материалы на их основе обладают прочностью и эластич­ностью. При понижении температуры до 0...—10° С они становятся хрупкими, а при повышении до 40...60° С начинают течь. Для расши­рения интервала эксплуатационных температур битумы и дегти моди­фицируют, добавляя термопластичные полимеры и каучуки.