1. Органические вяжущие



страница1/4
Дата25.04.2016
Размер0.76 Mb.
  1   2   3   4
1. Органические вяжущие.


  1. Общие сведения и классификация.

  2. Состав и структура нефтяного дорожного битума.

  3. Производство нефтяных дорожных битумов.

  4. Свойства битумов и методы определения свойств.

  5. Сланцевые битумы.

  6. Битумные эмульсии.

  7. Дорожные дегти.







Н.В. Быстров




Э.В. Котлярский


§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ.
Органическими вяжущими - битумы и дегти - называют сложную смесь высокомолекулярных углеводов различной струк­туры с плотностью от 0,9 до 1,1 г/ см
Обозначения

БНД - битумы нефтяные дорожные вязкие

БН - битумы нефтяные вязкие

СГ - битумы нефтяные дорожные жидкие густеющие со средней скоростью

МГ - битумы нефтяные дорожные жидкие медленногу­стеющие

МГО - битумы нефтяные дорожные жидкие окисленные

Вяжущим веществом эту смесь называют потому, что ее используют для связывания (склеивания) минеральных зерен различной крупности в прочный и плотный дорожно-строитель­ный материал - асфальтобетон, дегтебетон и другие подобные им мате­риалы.


Классификация органических вяжущих

Битумы

-нефтяные, сланцевые, природные

-твердые, вязкие, жидкие

-дорожные, кровельные, изоляционные



Дегти

-каменноугольные

-торфяные

-древесные



Эмульсии

-битумные

-дегтевые

В дорожном строительстве применяют, главным образом, битумы нефтяные вязкие и жидкие, в меньшей степени битумные эмульсии и каменноугольные дегти.

Основным дорожно-строительным материалом с примене­нием нефтяных битумов являются асфальтобетонные и другие битумоминеральные смеси, подобные асфальтобетону.

В отечественной и зарубежной практике дорожные одежды с покрытиями из асфальтобетона и битумоминеральных смесей занимают ведущее положение. В Российской Федерации дорож­ная сеть с усовершенствованными покрытиями на 95% имеет по­крытия из смесей на основе органических вяжущих.


§ 2. СОСТАВ НЕФТЯНЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ.
Нефтяной битум состоит из углеводородов различных классов и их неметаллических производных, что зависит главным образом от состава нефти, из которой битум получен.

В состав битумов присутствуют следующие химические элементы:



углерод С

73- 87%

водород Н

8-12 %

кислород О

1-12%

сера S

1- 5%

азот N

- до 1%

и другие элементы

Строительно-технические свойства битума зависят не только от химического, но и от группового состава, который характеризуется молекулярной массой, строе­нием молекул, вязкости. Битумы состоят из масел, смол и асфальтенов.

Исходная нефть, являющаяся сырьем для получения битума и сами битумы включают в себя в различном количественном соотношении ароматические (), нафтеновые (), метановые () и гетероциклические углеводороды и их производные.

Битумы состоят из:



Масел -

40-60%

Смол -

20-40%

Асфальтенов -

10-25%

В относительно небольшом количестве в битуме содержатся так же:

карбены и карбоиды - 1-3%;

асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - до 1%



Масла состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, аро­матических и полициклических углеводородов. При комнатной температуре они подвижны, текучи, легко испаряются при нагревании битума.

Цвет масел светло-желтый, плотность меньше 1000 кг/м3 , молекулярная масса от 300 до 800 у.е.

Увеличение содержания масел снижает температуру раз­мягчения битума при нагревании.

При пониженных отрицательных температурах смолы способствуют повышению трещиностойкости битума.



Смолы (нейтральные и кислые) - легкоплавкие пластичные вещества темно-коричневого цвета , плотность около 1000 кг/см с молекулярной массой 600-1000.

По химическому составу смолы относятся к гетероцикли­ческим, ароматическим высокомолекулярным соеди­нениям.

Смолы полярны и поверхностно-активны, поэтому их сце­пление (адгезия) с поверхностью минеральных зерен обеспечи­вает асфальтобетону повышенную водостойкость.

Смолы хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне.

От содержания смол зависят растяжимость и эластич­ность битума.

Асфальтены - твердые неплавкие вещества плотностью больше 1000 кг/м3. Кроме углерода и водорода содержат кислород и серу.

Молекулярная масса асфальтенов в 2-3 раза больше, чем у смол.

Асфальтены растворимы в бензоле. При прочих равных условиях с увеличением их содержания в битуме повышается теплостойкость, вязкость и хрупкость битумов.

Карбены и карбоиды - черные твердые вещества, содер­жащиеся, главным образом, в крекинг-битумах. Они повышают вяз­кость, хрупкость и температурную устойчивость битума.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - густые масля­нистые вещества коричневого цвета, плотностью более 1000 кг/м 3 , хорошо растворяются в спирте и хлороформе, плохо - в бензине.

Асфальтогеновые и карбоновые кислоты, а также фенолы представляют собой полярные поверхностно-активные вещества, повышающие адге­зию битума к камню. В большей степени это проявляется с карбонатными горными породами.



Парафин - твердый метановый углеводород. Повышенное содержание в битуме парафина снижает его растяжимость и повышает температуру хрупкости. Поэтому содержание парафина в битуме не должно превышать 6%.

При нагревании парафинистый битум переходит в жидкое состояние быстрее, чем малопарафинистый.


§ 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

Структура битума

Битумы - коллоидное вещество. По мнению профессора А.С. Колбановской они могут иметь структуру трех типов:



тип I - структура Золь

тип II - структура Золь-гель

тип III - структура Гель

К первому структурно-реологическому типу относят битумы, скорость сдвига которых при постоянном напряжении подчиняется закону Ньютона.

Структура битума первого типа определяется коагуляци­онной сеткой (каркасом) из асфальтенов, набухших в ароматиче­ских углеводородах.

Такие битумы пластичны в широком интервале темпера­тур, тиксотропны, однако имеют пониженную растяжимость.

Получают эти битумы окислением гудрона отбора масел или при компаундировании переокисленных битумов экстрактами се­лективной очистки масел.

Структура I типа.

Дисперсная фаза - сетка-каркас из асфальтенов, набухших в ароматических углеводородах.

Дисперсионная среда - смесь парафино-нафтеновых и ароматических уг­леводородов.

Твердые парафины могут образовывать вторую структур­ную сетку, кристаллизационную.



Структура II типа.

Разбавленная суспензия асфальтенов в структурирован­ной солями дисперсионной среде.

Отдельные агрегаты асфальтенов находятся в дисперси­онной среде , структурированной смолами в большей степени, чем среда I типа, но в меньшей, чем среда II структурного типа.

В битумах второго типа асфальтены не связаны друг с другом и не взаимодействуют. Такие битумы имеют узкий интервал пластично­сти, не тиксотропны, резко изменяют вязкость при нагревании.

Их получают незначительным доокислением гудрона после глубокого отбора из него масляной фракции.

Структура битумов третьего типа определяется взаимосо­пряженными сетками отдельных агрегатов асфальтенов и адсор­бированных на их поверхности тяжелых смол, пронизывающих весь объем системы.

Свойства битумов третьего типа промежуточны между свойствами битумов первого и второго типа.

Получают такие битумы окислением гудронов со средней глубиной отбора масел, компаундированием с гудроном битумов, переокисленных до температуры размягчения 56 - 60 о С.

Битумы третьего типа более предпочтительны для приготов­ления асфальтовых бетонов и других битумоминеральных смесей.

Групповой состав битумов трех типов приведем в табл. 1, свойства - в табл. 2.



Таблица 1

Наименование

компонентов



Структурно-реологический тип битумов

I

II

III

Смолы

<24%

>36%

29-34%

Масла

>50%

<48%

46-50%

Асфальтены

>25%

<18%

21-23%


Таблица 2

Наименование

свойств


Показатели свойств битумов

разных типов



I

II

III

Глубина проникания иглы:










при 25 оС

50

55

53

при 0 оС




16




при 46 оС

320

148

120

Растяжимость при 25 оС, см

>100

>100

>100

Индекс пенетрации

1,2

0,2

2,3

Температура размягчения.

50

55

65


СВОЙСТВА БИТУМА.

Битум в асфальтобетонном покрытии связывает зерна щебня, песка и минерального порошка в плотный и прочный мо­нолит, работающий при разных условиях температуры и влажно­сти зимой и летом и при разных силовых воздействиях автомо­бильных колес - сжатии, сдвиге, изгибе.

Битум термопластичен, поэтому его способность связы­вать минеральные зерна изменяется с изменением температуры и влажности.

В связи с этим битум должен обладать комплексом свойств - вязкостью, теплостойкостью, пластичностью, хрупкостью, способностью склеивать минеральные зерна (адгезия).

Битум - реологическое* вещество и определение его фи­зико-механических свойств при разной температуре трудоемко, требует сложного оборудования и приборов, что не всегда возможно в производственных условиях, поэтому еще более 100 лет тому назад были предложены простые и общедоступные методы и приборы, принятые и нормированные одинаковыми во всех странах.

Эти простые методы дают условные показатели свойств, которые там не менее достаточно полно характеризуют качество битума, как дорожного вяжущего. В таблице приведены основные свойства битумов, спо­собы определения этих свойств и приборы



Таблица 3

Свойства битумов

Метод определения свойства

Названия

прибора


Вязкость

Определение глу­бины проникания иглы

Пенетрометр

Теплостойкость

Метод Кольцо и Шар

Кольцо с шаром

Пластичность

Растяжимость

Дуктилометр

Хрупкость

Температура хрупкости

Прибор Фрааса

__________________________________________________________________________________________

* Реология - раздел механики, занимающийся изучением текучести жидких и газообразных веществ, а также процессов, связанных с остаточными деформациями твердых и твердоподобных тел.

Условную вязкость вязких битумов определяют на приборе “Пенетрометр” (рис.1) при температуре 25 оС и 0 оС.

При 25 оС масса штанги 5 с иглой равна 100 г, время по­гружения иглы в битум - 5 с (штанга освобождается нажатием кнопки 6). При 0 оС масса штанги с иглой - 200 г, время погружения иглы - 60 с.

Цена одного деления на лимбе 0,1 мм погружения иглы.

Глубину проникания П25 или По определяют по разнице двух отсчетов на лимбе: первый отсчет при положении иглы, под­веденной к поверхности битума в чашке 2; второй отсчет - после остановки штанги с иглой через 5 или 60 г.




Рис.1. ПЕНЕТРОМЕТР

а) 1. Груз, 2. Чашка с битумом, 3.Сосуд с водой, 4. Кремальера, вращающая стрелку,5. Штанга, 6. Кнопка, удерживающая штангу 5,

б) Игла.
Условную вязкость жидких битумов определяют на стан­дартном вискозиметре (рис. 2) по времени истечения в секундах 50 см3 битума через калиброванное отверстие диаметром 5 мм при температуре 60 о С и обозначают индексом С560 С.

Рис. 2. Стандартный дорожный вискозиметр

а) Общий вид: 1- цилиндр 1 с донным вкладышем

2 -шариковый клапан

б) цилиндр, в) вкладыш, г) клапан

1 - водяная баня, 2 - крышка, 3 - цилиндр,

4 - клапан, 5- донный вкладыш с калиброванным

отверстием 5 мм.

Теплоустойчивость вязкого битума определяют темпера­турой размягчения на приборе “Кольцо с шаром” (рис. 3 ) и обозна­чают индексом Тр.

Рис.3. Прибор “Кольцо и Шар”

  1. Кольцо

  2. Шар

  3. Битум

Битум, залитый в кольцо 1 ставят на верхнюю полку при­бора вместе с шаром, положенным на битум и воду, начиная с 5оС в минуту до тех пор, пока битум с шаром размягчится и опустится на нижнюю полку.

Температуру воды при этом считают температурой раз­мягчения битума.

Пластичность вязкого битума определяют на приборе “Дуктилометр” (рис. 4) растяжимостью до разрыва нити.

Рис.4. Дуктилометр.

а) Общий вид : 1. Водяной ящик, 2.Винт, движущий

каретку 3 и зажимное устройство. 4.5. Образец битума.

6.Линейка.

б) Форма “восьмерка” 1 с залитым в нее битумом. Боковые вставки 2 перед испытанием снимают

Растяжимость в сантиметрах определяют растягивая нить битума в воде со скоростью 5 см в минуту. Температура воды 25оС или 0оС.



Температуру хрупкости вязкого битума определяют на приборе Фрааса (рис. 5) и обозначают индексом Тхр

Температура, при которой битум переходит из вязко-пластического в хрупкое состояние, называют температурой хрупкости.

На пластинку 7 наносят тонкий слой битума, вставляют ее в изгибающее приспособление 6 в стеклянной пробирке 2 , которую ставят в прозрачный стеклянный термос 8.

Рис.5. Прибор Фрааса.

1.Стеклянный термос. 2.Стеклянная пробирка.

3.Трубка, изгибающая пластинку 7.

4.Термометр.

5.Устройство, двигающее трубку 3.

6.Приспособление, нажимающее на пластинку 7.

7.Пластинка со слоем битума.

8.Термос.
Между стенками пробирки и внутренними стенками термоса вводят охлаждающий реагент , например сжиженный азот, с таким расчетом, чтобы температура в пробирке опускалась со скоростью 1оС в минуту.

Охлаждение начинают от температуры + 15оС и время от времени по мере охлаждения пластину сгибают и распрямляют до тех пор, пока на слое битума не появится поперечная трещина.

Ориентировочно температуру хрупкости можно определять по номограмме рис. 6.

где По- глубина проникания при 0оС, П25 - при 25оС

Цифры на линиях - показатели условной вязкости.
По разнице между температурой размягчения Тр и температурой хрупкости Тхр определяют интервал пластичности битумов:

Тпл = Тр - Тхр

Величина интервала пластичности показывает, насколько тепловые свойства битума соответствуют реальным годичным изменениям температуры в данной местности.

Изменение вязкости битума при изменении температуры характеризуется индексом пенертации И.П.


Битумы с индексом пенетрации меньше 2 очень чувствительны к изменению температуры и сходны с Ньютоновской жидкостью.

При И.П. от -2 до + 2 менее чувствительны к изменению температуры.

Чем больше И.П., тем шире Тп.
Температура вспышки - это та температура, при которой вспыхивают от поднесенного пламени газы, выделяющиеся с поверхности битума при постепенном повышении его температуры.

Изменение объема битума при изменении температуры определяется коэффициентом объемного температурного расширения, который для разных битумов изменяется в пределах от 5х10 -4 до 8х10-4



Сцепление битума с поверхностью камня оценивают визуально по величине поверхности минерального материала, сохранившей пленку битума при кипячении в соленой воде в течение 30 минут для вязкого битума и 3 минут для жидкого.

Реология - раздел механики, в котором изучаются процессы, связанные с остаточными деформациями твердых тел.

Ползучесть - медленная деформация материала под влиянием постоянной, длительно действующей нагрузки.

Релаксация - процесс постепенного перехода системы из неравновесного состояния , вызванного внешними причинами, в равновесное.

В сопротивлении материалов - это процесс перехода упругих деформаций в нагруженном материале в пластические.

Пластичность

Смешиваемость ( поверхностное натяжение), растекание

Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.

Вязкость (внутреннее трение) материала - его способность к поглощению механической энергии (работы), прилагаемой при пластической (остаточной, до разрушения) деформации.

Реологические характеристики битума

а) полная реологическая кривая

б) изменение вязкости с повышением напряжения

ОА - область постоянства наибольшей вязкости

АБ - область постепенного уменьшения вязкости

БВ - лавинное разрушение структуры

ВГ - область постоянства наименьшей вязкости

0 - максимальная вязкость неразрушенной структуры

m - минимальная вязкость разрушенной структуры

эф - эффективная вязкость

Градиент скорости деформирования жидкого 1 , жидкоподобного 2, твердого 3,твердоподобного тел


Реологические кривые битума при температуре от

-20оС до + 30оС

С изменением температуры в течение года от положительной летом до отрицательной зимой ,физическое состояние (консистенция) битума изменяется от вязко-текучего при 50 - 100оС до хрупкого и упругого при минус 20 - 30оС.

В первом случае (летом) свойства битума в слое покрытия можно характеризовать показателями, близкими к закону деформирования идеальной жидкости по уравнению Ньютона.



Где - относительная деформация,

- напряжение при сдвиге,

- вязкость,



t - время действия напряжения
Во втором случае (зимой) свойства битума в покрытии близки к свойствам упругих материалов, деформирование которых характеризуют законом Гука:



где - относительная деформация,

- напряжение при растяжении,



E - модуль упругости.

Напряжения и деформации в слое покрытия летом и зимой различаются так сильно, как будто они касаются двух разных материалов, тем не мене битум в асфальтобетоне должен быть прочным клеем, связывающим минеральные зерна при любых условиях температуры и нагрузки.

Поэтому основными показателями, характеризующими работу битума в покрытии, должны быть реологические показатели - пластичность, вязкость, прочность, зависящая от времени действия нагрузки, зависимость свойств от температуры.

Битумы занимают промежуточное место между твердыми и жидкими материалами, поэтому в них при приложении нагрузки возникают как упругие обратимые, так и пластичные остаточные деформации.

Для определения вязко-упругих и вязко-пластичных реологических свойств битума строят графики зависимости скорости деформирования от напряжения сдвига (рис. )

На рис. показаны закономерности деформирования жидких 1 и жидкоподобных 2, твердых 3 и твердоподобных 4 материалов.

Жидкоподобные битумы при температуре выше 50оС, твердоподобные - при отрицательной температуре - твердоподобны.

Деформирование битума в жидкоподобном состоянии начинается сразу после приложения нагрузки и скорость деформирования увеличивается до напряжения, соответствующего точке “а”, далее при равномерном увеличении напряжения скорость деформирования становится равномерной, график выходит на прямую, что соответствует закону Ньютона.

Аналогична зависимость напряжения и скорости деформирования битума в твердоподобном состоянии.

Сцепление битума с поверхностью минеральных материалов, необходимое для повышения прочности и водостойкости асфальтобетона, обеспечивается поверхностным натяжением, смачиванием битумом поверх минеральных материалов, адгезией битума к камню.

Адгезия (сцепление) битума к каменному материалу тем сильнее, чем лучше битум смачивает поверхность камня и растекается по ней, что зависит от поверхностного натяжения.



Поверхностное натяжение битума при температуре 25оС равно (25 - 30) х 10-3 Дж/см2.

Поверхностное натяжение битума определяют косвенно его поверхностной активностью - способностью снижать поверхностное натяжение битума на границе с водой.

Чем выше поверхностная активность битума, тем выше его полярность, а следовательно, адсорбция на поверхности минеральных материалов.

Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из неполярной части ( углеводороды ) и полярной активной группы ( и др.).

На разделе фаз полярной и неполярной жидкостей молекулы поверхностно-активных веществ ориентируются по линии раздела - полярной группой к полярной жидкости (вода), неполярной - к неполярной жидкости ( раствор битума).

__________________________________________________________Примечание: Поверхностное натяжение - это работа, затрачиваемая на образование единицы поверхности. ПАВ - вещества, снижающие поверхностное натяжение

От содержания полярных компонентов в битуме зависит его смачивающая способность и интенсивность сцепления с поверхностью минеральных материалов.

Смачивающая способность битумом поверхности минеральных зерен зависит от поверхностно-активных полярных соединений и свойств каменных материалов.

Эту способность определяют по краевому углу смачивания, рис.

Острый угол смачивания означает, что молекулярное притяжение камня растянуло каплю жидкости, оказалось сильнее поверхностного натяжения жидкости, смачивание хорошее.

Если поверхностное натяжение жидкости больше поверхностного натяжения камня, жидкость образует каплю, формы шара, смачивание отсутствует.



Сцепление битума с поверхностью камня определяют кипячением смесей битума с песком (кварц) и мрамором (основная порода).

Битумы - вещество реологическое и термопластичное, поэтому его физико-механические свойства характеризуются не только напряжениями и деформациями, но так же и зависимостями этих свойств от времени их действия и температуры.

Определение реологических свойств трудоемко и требует сложного оборудования, что доступно только для научно-исследовательских организаций, поэтому для широкой производственной практики разработан комплекс простых приборов для характеристики таких свойств битума, как вязкость, теплостойкость, пластичность, хрупкость.

  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница