Слайд 1ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Кафедра «Строительные материалы»
Слайд 2 Органические вяжущие – это
группа природных или искусственных
твердых, вязкопластичных или жидких
веществ,
состоящих из смеси
органических высокомолекулярных
соединений и их неуглеродных
производных. Характеризуются
способностью при нагревании
размягчаться, а при охлаждении
становиться вязкими и даже твердыми.
Слайд 3
1. Классификация органических вяжущих.
По происхождению:
- природные;
- искусственные.
2. По вязкости:
- твердые;
- вязкие;
- жидкие.
Слайд 43. По виду вяжущего:
1) битумные - состоят из нефтяных
битумов или сплавов нефтяных и природных битумов;
2) дегтевые
– смесь каменноугольных и
сланцевых дегтей или сплавов с дегтевыми
маслами;
3) гудрокамовые – состоят из продуктов
совместного окисления нефтяного гудрона и
каменноугольных масел;
4) дегтебитумополимерные - содержат
нефтяные битумы или каменноугольные
дегтевые вещества и полимеры.
Слайд 5
1. Способность при нагревании размягчаться, а при охлаждении становиться твердыми.
2.
Нерастворимость в воде.
3. Растворимость в органических растворителях.
4. Обладают вяжущими свойствами.
5.
Имеют темно-коричневый или черный цвет.
6. Содержат летучие вещества.
2. Физико-химические свойства органических вяжущих.
Слайд 6 3. Эксплуатационные свойства.
1. Водостойкость, водонепроницаемость.
2. Стойкость к действию агрессивных сред.
3.
Прочность сцепления с деревом, камнем, металлом.
4. Технологичность применения.
Слайд 7
1. Горючесть.
2. Низкая температура размягчения.
3. Хрупкость при отрицательных температурах.
4. Склонность
к старению.
4. Отрицательные свойства.
Слайд 85. Сырье.
1. Нефть.
2. Природные битумы.
3. Битумосодержащие породы.
4. Ископаемые угли.
5. Горючие
сланцы.
6. Побочные продукты промышленного
производства (отходы нефтехимии,
нефтепереработки).
Слайд 9 6. Области применения в строительстве
1. Для приготовления асфальтобетона.
2. Изготовления кровельных,
гидроизоляционных, пароизоляционных материалов и изделий.
3. Для дорожных мастик и эмульсий.
4.
Для изготовления лаков.
Слайд 10 7. Битумы.
Битумы состоят из смеси
высокомолекулярных углеводородов метанового (СnH2n+2),
нафтенового (СnН2n),
ароматического (СnН2n-6) рядов и
их кислородных и сернистых производных.
Слайд 117.1. Нефтяные битумы.
Являются продуктами переработки нефти.
7.1.1. Классификация.
По просхождению:
природные;
искусственные.
Слайд 12
2. По вязкости:
1) твердые:
а) строительные, марок БН
70/30 и
БН 90/10;
б) кровельные,
марок БНК 45/180;
БНК 90/40;
в) битумы изоляционные, марок
БНИ.
Слайд 132) вязкие нефтяные битумы. Используются главным образом в автодорожном строительстве.
К ним относятся битумы нефтяные дорожные вязкие (БН и БНД
40/60, 60/90, 90/130, 130/200, 200/300).
Слайд 14
3) жидкие нефтяные битумы.
Используются в производстве холодного и теплого
асфальтобетона, для устройства оснований и покрытий способом пропитки, для укрепления
грунтов. Жидкие битумы бывают трех классов: БГ, СГ, МГ, МГО.
Слайд 15 3. По способу переработки:
1) остаточные;
2) окисленные;
3) крекинговые;
4) экстрактные;
5) компаундированные.
Слайд 16
7.1.2. Химический состав битумов.
Зависит от свойств исходной нефти и способа
получения. Основными элементами являются:
С (углерод) – 75 – 85
%
Н (водород) – 7 – 10 %
S (сера) – 0 - 5 %
O (кислород) – 2 – 8%
N (азот) – 0 – 2 %
Слайд 17 7.1.3. Групповой состав битумов.
Перечень найденных в битумах углеводородов состоит из
более 300 наименований. Выделить же индивидуальные углеводороды из битумов весьма
сложно. Поэтому для исследования структуры и свойств битумов пользуются, так называемым, групповым составом, т.е. выделяют отдельные группы углеводородов с более или менее сходными свойствами.
Слайд 181. Масла - жидкие при обычной температуре углеводороды с плотностью
меньше 1 г/см3. Содержание их в битуме – 40 -
60 %. Придают битуму подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и растяжимость, снижают температуру размягчения.
Слайд 192. Смолы - легкоплавкие вязкопластичные вещества твердые или полутвердые, темно-коричнего
цвета при обычной температуре с плотностью около 1 г/cм3. Содержатся
в битуме в количестве 20 - 40 %, определяют эластичность и растяжимость вяжущего.
Слайд 203. Асфальтены - твердые вещества черного цвета с плотностью
немного более
1 г/см3. Содержатся в битуме в количестве 10 - 25
%. Являются важной составной частью вяжущего и сильно влияют на процессы структурообразования в битумах. Количество асфальтенов определяет температурную устойчивость, вязкость и твердость вяжущих материалов. Повышают температуру размягчения.
Слайд 214. Асфальтогеновые и карбоновые кислоты - густой смолистой или масляной
консистенции вещества с плотностью более 1 г/см3. Содержатся в битуме
в количестве 1 %, за счет присутствия в них большого количества гетероатомов определяют интенсивность прилипания вяжущего к каменным материалам.
Слайд 225. Карбены и карбоиды - твердые вещества. Содержатся в основном
в крекинг-битумах в количестве 1 - 2 %, повышают вязкость
и хрупкость битума.
Слайд 236. Парафин - твердое вещество, при содержании его более 5%
снижается растяжимость , ухудшается структура и повышается температура затвердевания битума.
Малейшие изменения в исходном сырье и технологии его переработки ведут к изменению состава битума и его свойств.
Слайд 247.1.4. Структурно-механические свойства битумов.
Основными показателями, определяющими работу битумов в дорожных
покрытиях, являются прочность, пластичность и вязкость.
Плотность битумов составляет
0,8 – 1,3 г/см3.
2. Теплопроводность лежит в пределах
0,5 – 0,6 Вт/ м ˚С.
Слайд 253. Вязкость - свойство материал оказывать сопротивление перемещению частиц под
действием внешних сил.
Вязкость битума изменяется с температурой. При пониженных
температурах вязкость битума велика и он приобретает свойства твердого тела. С увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в жидкое состояние.
Слайд 26Для характеристики вязкости твердых и вязких битумов пользуются условным показателем
– глубиной проникания иглы при действии на нее груза массой
100 г в течение 5 с при температуре 25 и 0 0С (масса груза 200 г) в течение 60 с. Определяют на приборе – пенетрометре. Выражается в условных градусах и обозначается П25. При температуре 25 0С находится в пределах 300-40 усл. град.
Слайд 27 Рис. 1 Пенетрометр.
1 – опорная
площадка; 2 – лимб; 3 –кремальера; 4 – стержень с
иглой;
5 – стопорная кнопка; 6 – кристаллизатор.
Слайд 28Вязкость жидких битумов определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени
истечения 50 мл вяжущего через калиброванное отверстие стандартного диаметра 5
мм при температуре 60 0С
Слайд 29Рис. 2. Стандартный дорожный вискозиметр.
1-корпус аппарата;
2-водяная баня; 3-стакан;
4-
блок управления;
5-мешалка; 6-лаборатоный термометр; 7-основание;
8-водомерная трубка;
9-резиновый шланг;
10-клапан;
11-мерный цилиндр;
13-теплоизоляционная прокладка; 14-кожух;
15-регулировочные винты; 16-ТЭН; 17-пробирка с термочувствительным элементом.
Слайд 304. Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения
шейки образца, имеющего форму «восьмерки». Показателем служит длина нити битума
в см в момент разрыва. Испытания проводят при скорости деформирования 5 см/мин и температуре 25 и 0 0С. Дорожные вязкие битумы имеют растяжимость более 40 см при 25 0С и
1-3 см при 0 0С.
Слайд 31 Рис. 3. Дуктилометр
1 - ванна; 2
- стрелка; 3 – червячный винт.
Слайд 325. Когезия характеризует прочность межмолекулярных связей и определяется на когезиометре,
состоящем из двух пластин, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм.
Когезия в основном зависит от содержания смол в битуме.
Перечисленные свойства битума зависят от температуры, группового состава и характера структуры. Высокие пластические свойства наблюдаются при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и незначительном содержании карбенов и карбоидов.
Слайд 33Битум при изменении температуры сильно меняет свои свойства и главным
образом вязкость. При повышении температуры вязкость уменьшается, при понижении –
увеличивается. Переход из жидкого в вязкопластичное, а затем в твердое (хрупкое) состояние протекает в определенном интервале температур (-30 до +60 0С), называемом интервалом превращения (интервалом пластичности):
ТП = tР – tХр
Слайд 346. Температура размягчения характеризует верхний температурный предел применимости битума. Определяется
на приборе «Кольцо и шар». Кольцо заполняют битумом, на его
поверхность укладывают стальной шарик и помещают в подогреваемую водяную баню.
Температура размягчения битумов находится в пределах 30-60 0С. Она увеличивается при повышенном содержании смол и асфальтенов.
Слайд 35Рис. 4. Прибор «Кольцо и шар».
1 – термометр; 2 –
металлические диски; 3 – стержень;
4 – кольцо; 5 – шар.
Слайд 36
7. Температура хрупкости характеризует нижний температурный предел.
Определяется на приборе Франса. Тонкий слой битума наносят на стальную
пластинку и постепенно охлаждают. За температуру хрупкости принимают температуру в момент появления первой трещины при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов находится в пределах от -5 до -25 0С.
Слайд 378. Устойчивость при нагревании битумов определяют по уменьшению массы и
изменению свойств. Пробы нагревают до 160 0С в течение 5
ч. Изменение свойств при нагреве объясняется испарением части легких масел, а также процессами окисления и полимеризации. По этим изменениям можно судить о стабильности свойств битума во времени.
Слайд 38 9. Температура вспышки – это температура, при которой пары, образующиеся
при подогреве битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного к
ним пламени. Температура вспышки вязких и твердых битумов не ниже 180-200 0С, жидких класса СГ не ниже 37-60 0С и класса МГ не ниже 100-110 0С.
Слайд 39Рис. 5. Прибор Бренкена для определения температуры вспышки
1 – штатив;
2 – термометр; 3 – тигель с песком; 4 –
внутренний тигель;
5 – горелка; 6 – зажигательное приспособление.
Слайд 4010. Сцепление битумов с каменными материалами (адгезия). Для вязких и
жидких битумов определяют сцепление с мрамором и песком. Характеризуется способностью
битума удерживаться на поверхности минеральных зерен в присутствии воды.
11. Старение - повышение хрупкости и
снижение гидрофобности под действием света, кислорода воздуха, повышенных температур за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.
Слайд 417.1.5. Строение битумов.
1. Макромолекулярная теория.
Битумы – истинные растворы, гомогенные растворы
(состоят из одной фазы) различных высокомолекулярных углеводородов (линейных, разветвленных, сетчатых).
При определенных условиях могут переходить в двухфазные –гетерогенные – системы (например, при изменении температуры).
Слайд 422. Мицеллярная теория.
Битумы – это коллоидные растворы высокомолекулярных соединений, т.е.
дисперсная система. Дисперсная фаза – асфальтены, дисперсионная среда – смолы,
масла (асфальтены).
По обеим теориям асфальтены главный структурообразующий компонент.
В зависимости от содержания и свойств компонентов битума (асфальтенов, масел и смол) могут образовываться различные дисперсные системы.
Слайд 43Золь – коллоидные растворы, частички дисперсной фазы свободно перемещаются.
Золь отождествляется
со структурой раствора, в нем содержится больше масел.
Такая структура характерна
для жидкого битума.
Гель – это структурированная дисперсная система, содержащая в большом количестве асфальтены (твердые битумы).
Золь – гель - промежуточная структура, которой обладают вязкие битумы.
Слайд 44а)
б)
Рис. 6. Схема структуры битума:
а) жидкого; б) твердого;
1 – мицелла;
2 – раствор смол в маслах;
3 – асфальтены (ядро мицеллы
размером 18-28 мкм);
4 – смолы ( оболочка мицеллы).
Слайд 457.1.6. Способы получения нефтяных битумов.
Атмосферно-вакуумная перегонка
нефти (остаточные битумы).
2. Окисление
нефтяных остатков
(окисленные битумы).
3. Компаундирование (смешение).
Слайд 46 Производство остаточных битумов.
Остаточные битумы получают в остатке после разгонки
тяжелой смолистой нефти на фракции в трубчатых установках. В зависимости
от содержания смол в исходной нефти получают остаточный битум разной вязкости. Например, жидкие дорожные битумы МГ 70/130, МГ 130/200 и вязкие дорожные битумы. Остаточные битумы обладают лучшей теплоустойчивостью. Сырьевая база несколько ограничена.
Слайд 472. Производство окисленных битумов.
Сущность метода: окисление кислородом воздуха нефтяных остатков
(гудронов). Это наиболее распространенный способ получения нефтяных битумов.
Окисление осуществляют в
специальных установках при температуре 250 0С в присутствии катализаторов. В зависимости от качества гудронов, а также условий окисления получают битумы с разными свойствами.
Слайд 483. Компаундирование – смешение.
Битумы или остатки, полученные в процессе переработки
нефти, не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к дорожным битумам. Для
получения битума с необходимыми свойствами проводят смешение битума с другими смолистыми остатками соответствующего состава. В настоящее время этим методом получают большое количество дорожных битумов.
Слайд 497.1.7. Виды битумов, применяемых для строительных целей.
7.1.7.1. Битумы нефтяные твердые.
Твердые
нефтяные битумы обладают высокой вязкостью, низкой пластичностью.
Слайд 50Выпускают твердые битумы следующих видов и марок:
строительные марок БН 50/50;
БН 70/30 и
БН 90/10 (в числителе – температура
размягчения, в знаменателе
– вязкость при
25 0С в усл. град.);
2) кровельные марок БНК 45/180;
БНК 90/40;
3) битум для изоляции нефтегазопроводов
БНИ-IV; БНИ –IV-3; БНИ – V;
4) специальные для лакокрасочных
материалов.
Слайд 517.1.7.2. Битумы нефтяные вязкие
Битумы нефтяные вязкие применяют в качестве вяжущего
материала при строительстве дорожных и аэродромных покрытий.
В соответствии с ГОСТ
22245-91 вязкие дорожные битумы разделяются на марки, которые определяются комплексом показателей качества.
Выпускают следующих марок:
- битумы нефтяные дорожные вязкие БН
60/90; БН 90/130; БН 130/200; БН 200/300;
- битумы нефтяные дорожные вязкие –
улучшенные БНД 40/60; БНД 60/90;
БНД 90/130; БНД 130/200; БНД 200/300.
Слайд 527.1.7.3. Битумы нефтяные жидкие.
Используют в производстве холодного и горячего асфальтобетона,
для устройства оснований и покрытий способом пропитки, для укрепления грунтов.
Их применение не требует подогрева (или до 60-70 0С).
Жидкие битумы бывают трех классов:
БГ – быстрогустеющие;
СГ – среднегустеющие;
МГ – медленногустеющие;
МГО – медленногустеющие окисленные.
Слайд 53Каждый класс в зависимости от вязкости делят на марки:
БГ 40/70;
70/130; 130/200; 200/300.
Дробная цифра обозначает пределы вязкости в сек (по
времени истечения из стандартного дорожного вискозиметра).
Получают жидкие битумы путем разжижения вязких битумов жидкими нефтепродуктами.
Количество разжижителя устанавливают в зависимости от назначения жидкого битума.
Слайд 54Скорость запустевания зависит от условий испарения летучих фракций и климатических
условий в период их применения.
Медленногустеющие жидкие битумы применяют при строительстве
оснований и облегченных покрытий, для приготовления холодного асфальтобетона.
При затруднительных условиях испарения летучих фракций необходимости быстрого нарастания прочности используют жидкий битум класса СГ.
Слайд 557.1.7.4. Природные битумы.
Природные битумы по составу и свойствам близки к
нефтяным, в чистом виде встречаются редко. Чаще встречаются битуминозные породы
(асфальты): горные породы пропитанные природным битумом.
Природный битум образовался в верхних слоях земной коры из нефти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а также процессов полимеризации и окисления.
Слайд 56 Месторождения природных битумов и асфальтов в зависимости от условий залегания
разделяют на три группы:
пластовые (битуминозные известняки,
доломиты, песчаники)
содержание битума
5 – 20 % с температурой размягчения
100-1100С ;
2) жильные – битум содержит незначительное количество минеральных примесей, чаще асфальтиты с температурой размягчения выше 100 0С;
3) поверхностные - образуются в результате выхода битумов на поверхность.
Слайд 57 Асфальтовые породы перерабатывают с целью извлечения чистого битума, применяемого в
лакокрасочной промышленности, и получения асфальтовых материалов (асфальтового порошка, асфальтовой мастики
или асфальтобетона).
Слайд 588.Старение органических вяжущих и методы повышения их стабильности.
Органические вяжущие в
процессе их работы в дорожных покрытиях подвергаются воздействию всего комплекса
атмосферных факторов и с течением времени изменяют свои свойства.
Слайд 59По условиям механического износа асфальтобетонные покрытия толщиной 4 см должны
служить 30-40 лет. Но нередко их разрушение происходит через 7-10
лет за счет преждевременного старения битума и потери им вязкопластичных свойств.
Факторы старения:
испарение масел;
химическое изменение компонентов битума
и образование новых веществ. Эти
изменения связаны в основном с
процессами окисления.
Слайд 60В процессе старения битума происходит изменение группового состава сначала в
результате испарения масел, затем накопления смол и асфальтенов и превращения
смол в асфальтены. С изменением группового состава битумов происходит изменение их структуры, повышается вязкость, теплоустойчивость, упругость, понижается пластичность, битумы становятся хрупкими.
Слайд 61Для замедления процессов окисления можно вводить добавки – ингибиторы (противостарители),
которые могут быть двух типов:
вещества, обрывающие окислительную
цепь реакций, т.е. реагирующие со свободными
радикалами на стадии их образования
(антиоксиданты аминного и фенольного типа);
2) вещества, предотвращающие разложение
гидропероксидов по радикальному механизму, т.е.
разрушающие гидропероксиды до неактивных для
развития окислительно цепи продуктов
(сульфиды, тиофосфаты).
Слайд 62Замедляющее действие на старение оказывают соли жирных кислот. Для повышения
структурной стабильности битума применяют отходы шинной промышленности, которые кроме замедления
старения оказывают пластифицирующее действие, расширяют интервал пластичности.
Минеральные порошки из талька, сланца, доломита, слюды, известняков адсорбируют на своей поверхности соединения битума с активными функциональными группами, снижают запас их химической энергии, и, следовательно, снижают склонность к старению.
Слайд 63Ввиду непостоянства состава битумов нет общепринятых методов повышения их стабильности
и для отдельных видов битумов надо выбирать соответствующие методы их
стабилизации. Погодоустойчивость зависит от происхождения и состава нефти, технологии ее переработки и получения битума. Остаточные битумы более устойчивы, чем окисленные, а битумы, полученные с добавлением крекинг - остатков, более подвержены старению.
