СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Битумные вяжущие вещества

Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5%, азота 0-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соеди­нений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться смеси углеводородов метанового и нафтенового рядов и их кислородных, сернистых и азо­тистых производных. Все многообразие соединений, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводо­роды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотно­стью более 1, объединенные общим названием «асфальтены». В ас­фальтенах содержатся карбены, растворимые только в СС14 и кар - боиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды-парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно - коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводо­родов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой яв­ляются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18-20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности — от тяжелых смол к маслам.

Свойства битума как дисперсной системы определяются соот­ношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфаль - тенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости биту­ма. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Группы углеводородов, входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя сложную дисперс­ную систему, предопреде­ляют их структуру и свойст­ва (рис. 13.1). Если в дис­персной системе имеется избыток дисперсной среды, то комплексные частицы — мицеллы — не контакти­руют между собой, свободно перемещаясь. Эта структура характерна для жидких би­тумов при нормальной тем­пературе и для вязких битумов — при повышенных температурах (рис. 13.1,а). При большом количестве мицелл они контактируют между собой, образуя мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при вы­сокой температуре (рис. 13.1,6).

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. По­этому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых би­тумов в рабочее состояние: нагревание до 140-170 °С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, ла - койль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холод­ные мастики и т. п.); эмульгирование и получение битумных эмуль­сий и паст.

Свойства битумов

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидро - фобность, атмосферостойкость, растворимость в органических рас­творителях, повышенная деформативность, способность размягчать­ся при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства
кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеб­лется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м °С); теплоемкость — 1,8-1,97 кДж/кг °С. Коэффициент объемного теплового расшире­ния при 25 °С находится в пределах от 5-Ю'4 до SIO^C'1, причем бо­лее вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения. Ус­тойчивость при нагревании характеризуется потерей массы при на­гревании пробы битума при 160 °С в течение 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240 °С в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляци­онные свойства используют при устройстве изоляции электро­кабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение биту­мов при температуре 20-25 °С составляет 25-35 эрг/см2. От содержа­ния поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепле­ние с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионовСа2+ и Mg2+.

Старение — процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и ки­слорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хруп­ких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых ве­ществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава, строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твер­дые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязкоупру­гим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновре­менно возникает упругая (обратамая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязкоупругих тел используют реологическую модель Максвелла и др. (см. гл. 1).

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентраци­ей до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляю­щих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конст­рукций, стальных труб и др.

Физико-механические свойства. Марку битума определяют по твердости, температуре размягчения и растяжимости.

Твердость определяют по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора - пенетрометра.

Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар», помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той темпера­туре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под дей­ствием собственной массы проходит через кольцо, заполненное ис­пытуемым битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума («восьмерки») при температуре 25 °С, определяемым на приборе — дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По на­значению различают битумы строительные, кровельные и дорожные. Основные требования, предъявляемые к строительным и кровель­ным битумам, приведены в табл. 13.1.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальто­вых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель.

Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/1 80 пропитывают основу (кровельный картон); а ту­гоплавкие битумы служат для покровного слоя. Битумом пропиты­вали железобетонные конструкции, работающие в грунте, в частно­сти сваи для антикоррозионной защиты.