Сырьем для производства органических вяжущих материалов являются: нефть, каменный уголь, горючие сланцы. Фракционная разгонка такого сырья дает наряду с ценными продуктами - смолообразные остатки. После дополнительной переработки которых получают органические вяжущие. Органические вяжущие должны обеспечивать:
- хорошее обволакивание минеральных частиц;
- хорошее сцепление, позволяющее связывать минеральные частицы в прочный монолит;
- водоустойчивость и стабильность (не изменять своих свойств) в процессе службы в покрытиях.
Битумы бывают природные, нефтяные, сланцевые. Дегти - каменноугольные, торфяные, древесные. По главным строительным свойствам и консистенции органические вяжущие условно делят на следующие группы:
- твердые битумы и дегти при 20...25 °С обладают вязко-упругими свойствами, а при 120...180 °С приобретают подвижность;
- вязкие битумы и дегти при 20...25 °С обладают вязкими и пластичными свойствами, а при 120...180 °С приобретают текучесть;
- жидкие битумы и дегти при 20...25 °С - текучие. По мере испарения летучих углеводородов затвердевают и приобретают свойства близкие к вязким битумам.
Примерный групповой состав битума:
масла 40...60 %;
смолы 20...40 %;
асфальтены 10...25 %;
карбены и карбоиды 1...3 %.
Масла - вещества светло-желтого цвета. Масла придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения.
Смолы - легкоплавные, вязко-пластичные вещества, их содержание в вяжущем обуславливает его растяжимость и эластичность.
Асфальтены - твердые неплавкие вещества с плотностью более 1000 кг/м3. Они обеспечивают температурную устойчивость, вязкость и твердость(хрупкость) битума.
Карбены по составу похожи на асфальтены, но содержат больше углерода, имеют большую плотность и более темный цвет. Их содержание повышает вязкость и хрупкость.
Карбоиды - твердые вещества типа сажи, нерастворимы в органических растворителях.
Парафин - содержание зависит от исходного сырья и должно быть менее 3,5 %. Большее содержание снижает растяжимость и повышает температуру затвердевания.
Примерный групповой состав каменноугольных дорожных дегтей:
дегтевые масла - 60... 80 %;
смолы - 15...25 %;
нафталин - 7 %;
антрацен - 10 %;
фенолы - 5 % - ядовиты.
Физико-химические свойства органических вяжущих. Реологические свойства (рео - течь) - это наука о течении деформации реальных тел.
Вязкость (вязких и твердых) битумов. Для характеристик вязкости пользуются условным показателем - глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) при действии на нее груза 100 г в течение 60 с при температуре 25 °С. Глубину проникания определяют на пинетрометре. Она выражается в градусах (1 ° = 0,1 мм) и обозначается П25. Например, пенетрация дорожного вязкого битума П25 = 40...300 °.
Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму «восьмерки». Это испытание проводят при температуре 25 и 0°С и скорости деформации (растяжения 0,5 см/мин.)
Д25 > 40 см До > 1...3 см.
Когезия - характеризует прочность межмолекулярных связей. Ее определяют на приборе, состоящем из двух пластинок, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм. Когезия зависит от содержания в битуме смол и составляет для вязких битумов от 0,07 до 0,3 МПа.
Вязкость, растяжимость и когезия зависят от температуры и группового состава битума, т.е. содержания в битуме масел, смол, асфальтенов.
Чувствительность органических вяжущих к изменению температуры оценивают температурой размягчения и температурой хрупкости.
Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар». Кольцо заполняют битумом, на его поверхности укладывают шарик и помещают в подогреваемую водяную баню, по мере размягчения битума шарик опускается на нижнюю полочку прибора. Температура размягчения колеблется в пределах 30...50°С.
Температуру хрупкости определяют на приборе Фрааса. Тонкий слой битума наносится на латунную пластинку и постепенно охлаждается. За температуру хрупкости принимают показания термометра в момент появления первой трещины на битуме при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов колеблется в пределах от -20 до -50°С. Чем ниже температура хрупкости, тем выше его качество. Асфальтобетонные покрытия более морозостойки, на них меньше образуется трещин.
Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия). Сцепление битума оценивают в зависимости от степени смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов, приведенных в ГОСТ. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбации красителей, меченых атомов и др.
Битумы нефтяные
В соответствии с ГОСТ-22245-90 [ 66], вязкие дорожные битумы разделяются на марки. Марка битума определяется комплексом показателей качества. Дорожные битумы БНД отличаются от БН более высокими показателями. Они являются улучшенными. Марки вязких дорожных битумов приведены в табл. 6.5.1.
Таблица 6.5.1
Марки вязких дорожных битумов
| Наименование показателя | БНД 200/300 | БНД 130/200 | БНД 90/130 | БНД 60/90 | БНД 40/60 |
| Глубина проникания иглы | |||||
| при 25 ° С | 201-300 | 131-200 | 91-130 | 61 -90 | 40-60 |
| при 0 ° С, не менее | |||||
| Температура размягчения по «кольцу и шару», °С, не ниже | |||||
| Растяжимость, см, не менее: | |||||
| при 25 ° С | - | ||||
| при 0°С | 6,0 | 4,0 | 3,5 | - | |
| Температура хрупкости, °С, не выше | -20 | -18 | -17 | -15 | -12 |
| Сцепление с мрамором или песком | Выдерживает |
Битумы нефтяные применяются для строительства дорожных покрытий, гидроизоляционных, кровельных и других видов работ. В зависимости от назначения нефтеперерабатывающая промышленность выпускает соответст вующие по свойствам виды нефтяных битумов. Битумы вязкие применяют в качестве вяжущего материала при строительстве дорожных и аэродромных покрытий. Их изготавливают из окисленных инеокисленных продуктов прямой перегонки нефти или компаундированием этих продуктов с экстрактами селективной очистки. Изготовление вязких дорожных нефтяных битумов из крекинг остатков и битумов деасфальтизации без дополнительной переработки не допускается.
Область применения нефтяных вязких битумов в дорожном строительстве приведена в табл. 6.5.2.
Таблица 6.5.2
Область применения вязких битумов
| Марка битума | Область применения |
| БНД 200/300 | Для поверхностной обработки, холодных асфальтобетонных смесей, грунтасфальта |
| БНД 130/200 | Для поверхностной обработки, горячих асфальтобетонных смесей |
| БНД 90/130 | Для горячих смесей в южных районах, для устройства покрытий на автомагистралях с тяжелым движением в районах с континентальным климатом |
| БНД 40/60 | Для покрытий на автомагистралях в южных районах, литых асфальтобетонных смесях |
Битумы нефтяные жидкие В зависимости от скорости формирования структуры, жидкие битумы разделяют на 3 класса [ ГОСТ 11955-82]:
СГ - среднегустеющие;
МГ - медленногустеющие;
МГО - медленногустеющие остаточные.
Жидкие битумы класса СГ допускается применять для устройства дорожных покрытий и оснований во всех дорожно-климатических зонах.
Свойства битумов определяются, прежде всего, качеством нефти, зависящим от соотношения в ней асфальтенов, смол, масел, парафина.
Основными свойствами жидких битумов являются вязкость и скорость загустевания, температура размягчения, прилипания (адгезия).
Вязкость жидких битумов и дегтей определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения вяжущего через калиброванное отверстие (5 мм при 60 ° С). Вязкость жидких битумов принято обозначать С560. Она находится в пределах 25...200 с.
Скорость загустевания определяют по количеству испарившегося разжижителя после выдерживания битума в термостате при t = 60° C в течение 5 часов.
После выдержки потери составляют для битумов класса СГ - 10...7 %; МГ - 8...5 %.
Температура размягчения остатка после испарения летучих веществ (разжижителя).
Прилипание - способность каменных материалов, предварительно обработанных битумом, удерживать битумную пленку при ее вытеснении методом кипячения в воде.
Справочник дорожного мастера
Получение жидких битумов производят путем разжижения вязких битумов жидкими нефтяными продуктами. Добавка бензина, лигроина, керосина прямой гонки несколько нарушает структуру битума. Лучшие результаты обычно дают добавки к нефтяным битумам крекинг бензина, керосина и более тяжелых нефтепродуктов.
Применение битумов различных классов (СГ, МГ, МГО) связано с потребностью получать различную скорость их загустевания. Скорость загустевания зависит от условий испарения летучих фракций и климатических условий применения.
Жидкие битумы класса МГ и МГО применяют при строительстве дорожных покрытий облегченного типа и оснований во II... V дорожно-климатических зонах.
При затруднительных условиях испарения летучих фракций, а также при необходимости быстрого нарастания прочности дорожных покрытий используют жидкий битум класса СГ.
Марки жидких битумов в пределах одного класса разделяют по вязкости.
Область применения их зависит от характера минеральных материалов, способа обработки и климатических условий:
40/70 - для обеспыливания и предварительной обработки дорожных покрытий, для обработки грунтовых смесей на полотне дороги;
41/70...71/30 - для обработки гравийных и щебеночных смесей холодным способом на полотне дороги;
71/131...131/200 - для поверхностной обработки дорожных покрытий, для приготовления горячего и холодного асфальтобетонов.
Битумы сланцевые
Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горячих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие.
Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных генераторах или туннельных печах до 550°С, при этом выделяется газ, низкотемпературная смола в количестве 15...20 % от массы сланца и полукокс. В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин - с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо - от 180 до 250°С; дизельное топливо - от 225 до 325°С; мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций - до 300 или 325°С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум.
По составу и свойствам сланцевые битумы несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах также определяют грунтовый состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше. Показатели свойств сланцевых битумов приведены в табл. 6.5.3.
Таблица 6.5.3
Характеристика сланцевых битумов
| Показатели | С-1 | С-2 | С-3 | С-4 | С-5 | С-6 |
| Вязкость по стандартному вискозиметру: | ||||||
| С525, не более | - | - | - | - | - | |
| С560, не более | - | 5...12 | 12...2 | 20...3 | 35...10 | 100...20 |
| Фракционный состав: выкипает при нагревании до 360 ° С, % к объему | 10...4 | 10...35 | 5...25 | 2...15 | 0...10 | 0...5 |
| Температура вспышки в открытом тигле, ° С не ниже |
Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов.
Каменноугольные дегти
Дегти получают в процессе пирогенетической, диструктивной (без или с ограниченным количеством воздуха) переработки каменных и бурых углей. В результате такой переработки получают ряд ценных продуктов, в том числе смолообразные вещества - сырые дегти. В зависимости от вида перерабатываемого сырья получают каменноугольные и древесные дегти.
По составу и структуре каменноугольные дегти подобны битумам, в них входят преимущественно углеводороды ароматического ряда (производные бензола) и их соединения с кислородом, азотом, серой и другими элементами.
Основными свойствами, которые характеризуют каменноугольные дегти, являются вязкость, пластичность, теплоустойчивость, прилипание, погодоустойчивость.
Большинство высокомолекулярных углеводородных веществ, которые входят в состав дегтей, имеют ненасыщенный характер. Они сравнительно легко вступают во взаимодействия с веществами окружающей среды (кислородом воздуха), образуя более сложные химические соединения. Этот процесс ускоряется при действии высоких температур, ультрафиолетовых лучей (солнечная радиация) и других факторов. В результате совместного протекания процессов испарения масел и химического взаимодействия компонентов дегти стареют более интенсивно, чем нефтяные битумы.
В зависимости от конструкции дорожной одежды, способов приготовления полуфабрикатов и климатических условий в дорожном строительстве применяют дегти следующих марок:
Д-1 - для обеспыливания дорог и поверхностной обработки;
Д-1 и Д-2 - для обработки грунтово-гравийных и щебеночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии;
Д-3 и Д-4 - для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии;
Д-5 и Д-6 - для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дегтебетона и щебеночных смесей в смесительных установках;
Д-6 - для глубокой пропитки щебеночных дорожных покрытий и изготовления горячего дегтебетона.
Применять дегти в городских условиях запрещено из-за содержания в дегте фенолов.
Битумные эмульсии
Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость (фаза) в виде мельчайших капель размером 0,1 мкм диспергирована (раздроблена) в другой жидкости (среде), не смешивающейся с ней. Дорожные битумные эмульсии представляют собой жидкость темно-коричневого цвета, получаемую путем диспергирования битума в водном растворе эмульгатора или щелочного вещества.
По структуре эмульсии делят на прямые и обратные. В прямых эмульсиях битум равномерно распределен в воде в виде мельчайших капель, окруженных слоем эмульгатора, в обратных вода равномерно распределена в битуме или дегте в виде мельчайших капель, стабилизированных слоем эмульгатора. Прямые эмульсии имеют разновидности: анионные, катионные, пасты. Анионные эмульсии в качестве эмульгатора содержат мыла высокомолекулярных соединений органических кислот, катионные - органические азотосодержащие соединения.
В качестве анионоактивных эмульгаторов применяют мыла: щелочные соли нафтеновых, сульфонафтеновых, смоляных органических кислот, сульфитно-спиртовая барда и др. Эти соединения содержатся в отходах лесохимической и топливной промышленности.
К катионоактивным эмульгаторам относятся катионовые мыла, являющиеся производными четвертично замещенного аммония и солями аминов.
К твердым эмульгаторам относятся тонкоизмельченные порошки глин, извести, цемента, сажи, угля и т.д. Для повышения устойчивости к твердым эмульгаторам, как правило, добавляют органические эмульгаторы (мыла, сульфитно-спиртовую барду и др.).
В настоящее время широко используются более экономичные эмульгаторы: талловое масло, жировой гудрон, полимеры канифольно-экстракционного производства, стеарин и ка-тионактивные препараты ХД-180, ХД-34, а также карбоксиломин. При диссоциации этих веществ поверхностно-активным является катион, который понижает поверхностное натяжение воды, растекается по битуму и способствует его дисперсированию при перемешивании.
В соответствии с технологическими условиями применения дорожных эмульсий, к ним предъявляются следующие требования [ ГОСТ 18659-81]:
Скорость распада - нарушение равновесия дисперсной системы при взаимодействии эмульсии с каменным материалом за счет адсорбции эмульгатора, испарения и поглощения воды. Скорость распада эмульсии определяют при смешении ее с цементом. Время от начала смешения до образования неразмешиваемого комка характеризует скорость распада в минутах.
По скорости распада дорожные битумные эмульсии подразделяют на три класса: БА - быстрораспадающиеся; СА - среднераспадающиеся; МА - медленнораспадающиеся.
Вязкость эмульсии - выбирают в зависимости от условий и способа обработки минеральных материалов. Ее определяют на вискозиметре типа ВУ или на вискозиметре для нефтяных битумов со сточным отверстием 3 мм при температуре 20+2°С. По величине вязкости и содержанию в них битума эмульсии класса БА подразделяют на марки БА-1 и БА-2, класса МА - на марки МА-1 МА-2.
Содержание битума с эмульгатором характеризует концентрацию эмульсии и определяется в процентах как отношение массы битума с эмульгатором к массе эмульсии. Содержание битума с эмульгатором определяется как остаток при выпаривании воды из эмульсии.
Однородность эмульсии определяют процеживанием ее навески через сито с сеткой №14. Однородность устанавливают в процентах как отношение остатка на сите и навеске эмульсии. Она должна быть не более 0,5 %.
Устойчивость эмульсии определяют по изменению ее однородности при хранении, при выдерживании проб эмульсии в течение недели или месяца.
Устойчивость при транспортировании определяют после двух часов встряхивания навески эмульсии. Если эмульсия не распалась, т.е. не произошло необратимого разделения ее на битум и воду, то она выдержала испытание.
Дорожные битумные эмульсии должны отвечать требованиям согласно табл. 6.5.4 [67].
Таблица 6.5.4
Требования, предъявляемые к битумным эмульсиям
| Показатели | БА-1 | БА-2 | СА | МА-1 | ГМА-2 |
| быстрораспадающийся | среднераспадающийся | медленнораспадающийся | |||
| Скорость распада при смешении с цементом, мин | Менее 5 | Менее 5 | 5...10 | Более 10 | Более 10 |
| Содержание битума с эмульгатором | 45...60 | 45...54 | 55...60 | 51...55 | 40...50 |
| Вязкость при 20 ° С по вискозиметру ВУ, град | 5...10 | 2...6 | 6...10 | 2...8 | 1,5...5 |
| Вязкость при 20 ° С по вискозиметру ВУ для нефтяных битумов с отверстием 3 мм, С | 15...30 | 10...20 | 20...40 | 10...25 | 8...15 |
| Устойчивость (при хранении) по остатку на сите с сеткой №14, % не более: | |||||
| через 7 суток | 0,8 | 0,7 | 0,8 | 0,8 | 0,7 |
| через 30 суток | 1,0 | 1,0 | 1,2 | 1,2 | 1,2 |
Определение свойств битума, выделенного из эмульсии, производят после испарения воды. Глубина проникновения и растяжимость не должны уменьшаться более чем на 15 % от показателей исходного материала. Битумные эмульсии в дорожном строительстве начали применяться с 30-х годов не только в России, но и в Германии, Франции, Англии.
Для приготовления эмульсий используют нефтяные битумы от БНД 200/300 до БНД 40/60 в зависимости от климатических условий района строительства, конструкции дорожной одежды. В качестве эмульгаторов используют продукты, содержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), в основном анионные (табл. 6.5.5) высшие органические кислоты или их щелочные соли (мыла). В качестве щелочных веществ применяют едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия.
Таблица 6.5.5
Состав раствора эмульгатора для приготовления прямых битумных эмульсий анионного типа
| Состав раствора эмульгатора | Содержание компонентов, % | |||||||||
| для быстрораспадающейся эмульсии | для среднераспадающейся эмульсии | для медленнораспадающейся эмульсии | ||||||||
| составы | составы | составы | ||||||||
| Вода | 97,28 | 98,48 | 97,88 | 96,38 | 98,48 | 97,72 | 95,86 | 97,5 | 93,0 | |
| Асидол-мылонафт | 2,0 | - | - | - | - | - | - | - | - | |
| Едкий натр | 0,32 | 0,24 | 0,12 | 0,40 | 0,12 | 0,36 | 0,64 | - | - | |
| Жидкое стекло | 0,40 | - | - | - | - | - | - | - | - | |
| Сульфитное мыло | - | - | 2,0 | - | - | - | - | - | - | |
| Соапсток | - | - | - | 3,22 | - | - | - | - | ||
| Стеарин | - | 1,22 | - | - | - | 1,92 | - | - | - | |
| Канифольное мыло | - | - | - | - | 1,40 | - | - | - | - | |
| Древесная смола | - | - | - | - | - | - | 3,5 | - | ||
| Щелочные вытравки | - | - | - | - | - | - | - | 2,5 | ||
| Сульфитно-спиртовая барда | - | - | - | - | - | - | - | - |
Технология приготовления разных видов эмульсий имеет свои особенности. Дорожные эмульсии приготовляют на базах. Приготовление в основном сводится к диспергированию жидкостей и стабилизации дисперсной системы. Для диспергирования жидкости применяют гомогенизаторы, лопастные или шнеко-лопастные, акустические диспергаторы.