К органическим вяжущим веществам относят битумные и дегтевые материалы, которые обладают следующими ценными свойствами: водонепроницаемостью; стойкостью против действия агрессивных жидкостей, щелочей и кислот; способностью понижать вязкость при нагреве и снова ее восстанавливать при последующем охлаждении, а также прочно сцепляться с разными материалами — деревом, бетоном, камнем и др.
Битумные и дегтевые вяжущие являются гидрофобными материалами, не смачиваемыми и не растворимыми в воде.
Плотность их 900–1300 кг/м3. Благодаря высокой водостойкости и ничтожной пористости они используются как основной компонент гидроизоляционных материалов, имеющих высокую водонепроницаемость.
Битумные вяжущие
Битумами называют сложные смеси углеводородов и их производных, т.е. соединение высокомолекулярных углеводородов с кислородом, азотом, серой. Они бывают природные и искусственные. Искусственные, в свою очередь, подразделяют на нефтяные, сланцевые, угольные, торфяные. В строительстве применяют в основном нефтяные битумы.
Состав. Битумы содержат от 70 до 87% углерода, до 15% водорода, до 2% кислорода, до 1,5% серы, доли процента азота и следы металлов. Групповой их состав следующий: масла, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды. Содержание масел составляет 35–60%. Плотность их менее 1 г/см3. Они являются растворителями для твердых частей и определяют консистенцию битумов.
Содержание смол составляет 20–40%. Плотность их около 1 г/см3. Это твердые и полутвердые вещества, растворимые в бензине, бензоле.
Содержание асфальтенов составляет 4–35 56. Это твердые кристаллические вещества плотностью более 1 г/см3. Они оказывают существенное влияние на теплоустойчивость, вязкость и твердость битумов. Под действием солнечного света стареют, могут образовывать хрупкие вещества, что приводит к разрушению битумов.
Содержание карбенов и карбоидов составляет до 3%. Это твердые вещества. Карбены по составу близки к асфальтенам. Они не растворимы в бензоле и растворимы в сероуглероде. Карбоиды не растворяются в известных растворителях.
Содержание карбонов и карбоидов повышает вязкость и хрупкость битумов.
Основные свойства. Основными свойствами битума являются адгезия, вязкость, растяжимость, твердость, хрупкость, старение.
Адгезия — прочность сцепления битума с каменными материалами. Она зависит от природы битума и минерального материала.
Вязкость битума является основной характеристикой его структурно-механических свойств. Она оценивается условным показателем твердости или вязкости.
Вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения в секундах 50 мл вяжущего при температуре 60 оС через калибровочное отверстие диаметром 5 мм. Она должна находиться в интервале от 25 до 200 с.
Твердость вязких и твердых битумов определяется по глубине погружения иглы под нагрузкой 100 г в течение 5 с при температуре 25 оС или под нагрузкой 200 г в течение 60 с при 0 оС. Она должна быть в интервале от 5 до 300 оС.
Растяжимость характеризуется способностью битума вытягиваться в тонкие нити. Определяется испытанием битумных образцов при температуре 25 оС и скорости растяжения 5 см/мин. Растяжимость вязких и твердых битумов находится в интервале от 1 до 65 см.
Температура размягчения характеризуется способностью битума переходить из вязкопластичного состояния в жидкое при определенной температуре. Определяют ее на специальном приборе “кольцо и шар”. Она соответствует температуре, при которой стальной шар массой 9,5 г проходит через заполненное битумом кольцо диаметром 15,7 мм.
Твердость, вязкость и температура размягчения битума зависят от содержания в нем асфальтенов и смол.
Хрупкостью называют способность битума при определенной температуре переходить из упруго-пластичного в твердое или хрупкое состояние. Определяют ее по температуре, при которой в изгибаемом слое битума на металлической пластинке при охлаждении с одной стороны не появятся трещины. Температура хрупкости для дорожных битумов должна быть в интервале от –20 до –10 оС.
Строение битумов характеризуется изменением их свойств. В результате воздействия на битум кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, испарения легколетучих углеводородов масла переходят в смолы, смолы — в асфальтены. Накопление асфальтенов уменьшает пластичность и повышает хрупкость битумов.
Природные битумы получают из битуминозных горных пород с содержанием битума от 10 до 80%. Битум образовался из нефти в результате удаления легких фракций и окисления более тяжелых фракций. Минеральным остовом таких пород являются песчаники, доломиты, глинистые грунты.
Извлекают природный битум из песчаника водной вываркой, из известняков и доломитов — экстрагированием органическими растворителями. Применяют его для изготовления лаков, клеящих мастик. Измельченные битумные породы используют для асфальтовых мастик, холодного асфальтобетона.
Нефтяные битумы получают из нефти. Нефть — сложная смесь углеводородов с примесью органических кислородных, сернистых и азотистых соединений. Битумы получают из остатков после отгонки из нефти летучих дистилляторов. По способу получения их разделяют на остаточные, крекинговые и окисленные. Остаточные получают после отгонки легких фракций бензина, керосина, дизтоплива, масел. Остатком является мазут или гудрон, из которых при помощи глубокого вакуума и перегретого пара при температуре 300–350 оС получают битум.
Крекинговые битумы образуются в результате расщепления молекул тяжелой части нефти на более легкие углеводороды при температуре 420–650 оС. Крекинг — остаток — применяется как жидкий битум для изготовления вязких дорожных битумов.
Окисленные битумы получают продувкой воздуха через остаточные и крекинговые битумы при температуре 230–290 оС. Эти битумы имеют повышенное содержание асфальтенов и более теплоустойчивы. В зависимости от физико-механических свойств нефтяные битумы подразделяются на вязкие, твердые и жидкие.
Вязкие битумы выпускают двух видов: битумы нефтяные дорожные марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130. БНД 130/200, БНД 200/300 и битумы нефтяные марок БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200 и БН 200/300. Битумы БНД являются улучшенными. Применяют их в дорожном строительстве.
Твердые битумы подразделяют на кровельные, изоляционные и строительные. Кровельные битумы выпускают марок БНК 90/30, БНК 90/40 и БНК 45/180. Их применяют для изготовления кровельных материалов. Битумы изоляционные выпускают марок БНИ-1У, БНИ-У и БНИ-1У-3 (зимний). Они характеризуются повышенной химической стойкостью, имеют хорошее сцепление с металлом, сохраняют пластичность при отрицательной температуре. Применяют для изоляции трубопроводов.
Строительные битумы выпускают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Их применяют для устройства гидроизоляций, для кровельных работ, иногда используют для изоляции нефте- и газопроводов.
Жидкие битумы подразделяют на три класса: БГ — быстрогустеющие, СГ — среднегустеющие, МГ — медленногустеющие и имеют следующие марки: БГ 25/40, БГ 40/70, БГ 70/130, СГ 25/40, СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200, МГ 25/40, МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200. Получают их путем разжижения вязких битумов жидкими нефтяными продуктами. Применяют для обработки гравийных и щебеночных смесей и изготовления холодных асфальтовых материалов.
Сланцевые битумы получают из сланцевой смолы после отгонки легких фракций, которая образуется из горючих сланцев при нагревании их без доступа воздуха при температуре около 550 оС. Сланцевые битумы менее теплостойки, быстрее стареют, имеют резкий запах. Их рекомендуют применять для дорожных покрытий вне населенных пунктов.
Рассмотренные свойства находятся во взаимосвязи. Например, твердые битумы имеют высокую температуру размягчения, но малую напряженность, т.е. являются относительно хрупкими; наоборот, битумы, размягчающиеся при невысокой температуре, могут сильно растягиваться, т.е. обладают большой пластичностью. Технические свойства битумов изменяются в связи с их способностью “стареть”. Под влиянием атмосферных факторов битум может менять свои пластичные и вяжущие свойства, приобретая хрупкость.
Битумы перевозят в деревянных бочках, бидонах, фанерных или металлофанерных барабанах, бумажных мешках, иногда навалом в виде отформованных плит. Транспортируют эти материалы к месту применения в железнодорожных цистернах, оборудованных подогревательными устройствами, или на платформах.
Нефтяные битумы следует хранить в специальных складах или под навесом, защищая их от действия солнечных лучей и атмосферных осадков.
Дегтевые вяжущие
К этой группе материалов относят побочные продукты (дегти, масла и пеки), получаемые при переработке каменного и бурого углей, торфа, горных сланцев, древесины.
Дегти. Дегти представляют собой вязко-жидкие продукты разложения органических веществ, главным образом твердых видов топлива при высокой температуре без доступа воздуха. Дегти имеют сложный состав и состоят из большого количества различных веществ.
Наибольшее значение для строительной промышленности имеют дегти, получаемые при коксовании угля. Газовые дегти образуются при получении из топлива газа. В зависимости от температуры коксования дегти бывают высоко- и низкотемпературными.
Высоко- и низкотемпературные дегти каменноугольные подразделяют на сырые, отогнанные и составленные.
Сырой высокотемпературный деготь непосредственно для производства строительных материалов не применяют, так как он содержит воду и много летучих составных частей, используемых другими отраслями как самостоятельные продукты.
Отогнанный высокотемпературный деготь получают из сырого дегтя путем отделения воды, легких и средних масел.
При дальнейшей разгонке из дегтя выделяются тяжелые и антраценовые масла, в остатке получается каменноугольный пек.
Составленные дегти получают сплавлением при температуре 140–150 оС пека и масла или пека и обезвоженного сырого дегтя. Получают смешанные дегти сплавлением низкотемпературных дегтей (получаемых при температуре 450–600 оС) и высокотемпературных (получаемых при температуре 900–1200 оС) или масел высокотемпературных дегтей.
Основными показателями свойств каменноугольных дегтей являются: вязкость, фракционный состав, температура размягчения остатка после разгонки.
Вязкость определяют с помощью стандартного вискозиметра при температурах 30 и 50 оС и диаметре сточного отверстия 5 и 10 мм. Вязкость понижается при повышении температуры.
Фракционный состав дегтей, определяемый содержанием фракций в интервалах температур 0–170, 0–270, 0–300 оС, их характеризует степень стойкости дегтя к воздействиям внешней среды.
Путем смешивания нефтяных и каменноугольных органических вяжущих получают рулонные материалы и мастики с повышенными свойствами, носящие название дегтебитумные, гудрокамовые.
Дегтебитумные материалы. Это смеси каменноугольных дегтепродуктов или сланцевых дегтей с нефтяными битумами.
Дегтебитумные рулонные материалы ДБ изготовляют пропиткой кровельного картона дегтепродуктами с последующим покрытием с обеих сторон нефтяным битумом.
Дегтебитумные материалы применяют для многослойных плоских, совмещенных и водоналивных кровельных покрытий, для оклеечной гидро- и пароизоляции.
Применяют также дегтебитумные материалы с посыпками: крупнозернистой ДББ, чешуйчатой ДБЧ, мелкой минеральной ДБМ.
Дегтебитумные материалы разрешается укладывать на холодных и горячих битумных или дегтевых мастиках.
Гудрокамовые материалы. Они состоят из продуктов совместного окисления каменноугольных масел и нефтяного гудрона.
Гудрокамовые материалы РГМ изготовляют пропиткой и покрытием с обеих сторон кровельного картона гудрокамом. Применяют гудрокамовые материалы для многослойных плоских и совмещенных кровель, оклеечной гидроизоляции при склеивании холодными и горячими гудрокамовыми мастиками.