15.2. Битумные и дегтевые вяжущие

Битумы (от санскритского «гвитумен», т.е. смола) – органические вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При обычных температурах битумы могут находиться в твердом, вязком или жидком состоянии. Плотность битумов немного более 1 г/см³.

Различают природные и искусственные (нефтяные) битумы. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако чаще они пронизывают осадочные (битуминозные) горные породы. Нефтяные битумы получают путем переработки нефти. При ее нагревании выделяют легкие фракции (бензин, лигроин, керосин), а затем масла (машинные и др.). В конечном итоге остается густой смолистый остаток – гудрон. Он является исходным сырьем для получения вязкого и твердого битума, но может использоваться и в качестве битумного вяжущего, особенно в случае использования высокосмолистых нефтей. В зависимости от способа получения нефтяные битумы бывают: окисленные, получаемые окислением гудрона (продувкой воздуха); остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; крекинговые, получаемые окислением остатков, образующихся при крекинге нефти; битумы деасфальтизации, получаемые осаждением асфальтеносмолистой части гудрона пропаном; кислотные битумы, получаемые переработкой кислых гудронов.

Химический состав битумов. Элементарный состав (% по массе): углерод – 70-80, водород  10-15, сера  2-9, кислород – 1-5 и азот  0-2. Эти элементы образуют предельные углеводороды различных рядов (ароматического, парафинового, нафтенового) от С₉Н₂₀ до С₃₀Н₆₂ с различной молекулярной массой (от 300 до 5000).

Большое значение имеет групповой состав битумов. Он включает: а) масла (35-60 %) с молекулярной массой 300 – 600, плотностью менее 1 г/см³; они выделяются растворением в легком бензине; б) смолы – вязкопластические вещества (20-40 %) с молекулярной массой 600 – 1000, плотностью около 1 г/см³; растворяются в бензоле, хлороформе; в) асфальтены – твердая часть битума (10-40 %) с молекулярной массой 1000 – 5000, плотностью более 1 г/см³; растворяются только в горячем бензоле и четыреххлористом углероде. В битумах встречаются парафины – твердые метановые углеводороды (до 6-8 %), снижающие пластичность битума и увеличивающие его хрупкость.

По внутреннему строению битум представляет собой коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой – частицы асфальтенов (10-20 мкм), окруженные оболочками убывающей плотности от смол – к маслам. При изменении группового состава битума, в том числе под влиянием внешних факторов (температуры и др.), изменяются его свойства. При понижении содержания асфальтенов и смол (при повышении температуры – за счет частичного растворения смол в маслах) структура битума становится типа «золь», с малой плотностью и вязкостью. При повышении содержания асфальтенов и смол (при понижении температуры – за счет обратного перехода) структура битума становится типа «гель», с большей плотностью и вязкостью.

Физические свойства битумов: плотность в зависимости от группового состава – 0,8-1,3 г/см³; теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м ^. К).

По структурно-механическим свойствам битумы являются типичными реологическими телами. Жидкие битумы при обычной температуре, а вязкие и твердые битумы при повышенных температурах ведут себя как ньютоновские и структурированные жидкости. Вязкие и твердые битумы при обычной температуре являются упруговязкими и упруговязко-пластичными телами, а при отрицательных температурах становятся упругохрупкими.

К физико-механическим (техническим) свойствам битумов относятся: глубина проникания иглы в битум, или твердость, и растяжимость, или пластичность (для твердых и вязких битумов), условная вязкость (для жидких битумов), а также температура размягчения.

Глубина проникания иглы (пенетрация) определяется (в десятых долях миллиметра – градусах) на приборе-пенетрометре при действии на иглу груза 100 г в течение 5 с при температуре 25 С или при грузе 100 г в течение 60 с – при 0 С.

Растяжимость (дуктильность) определяется на приборе-дуктилометре по длине нити в момент разрыва образца (в сантиметрах) при температура испытания 25 и 0 С.

Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения 50 см³ битума через отверстие вискозиметра определенного диаметра при стандартных температурах.

Температура размягчения отражает переход битума из вязкопластического состояния в жидкое. Она определяется на приборе «кольцо и шар» («КиШ»). За температуру размягчения принимается температура, при которой металлический шарик, продавливая битум при нагревании, касается нижней полки прибора.

Важным свойством битума является адгезия – прилипание к поверхности минеральных и органических материалов. Оценивают адгезию по визуальному методу по пятибалльной шкале. Если после кипячения в дистиллированной воде пленка полностью сохраняется, то адгезия оценивается пятью баллами (прилипание отличное), если пленка полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды, то прилипание оценивается одним баллом (прилипание плохое).

В зависимости от показателей основных свойств битумы делят на марки. Твердые и вязкие нефтяные битумы (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 (цифры дроби – допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 С).

Для обозначения марок битумов специального назначения вводится дополнительная буква (Д – дорожный, К – кровельный и т.д.). Битумы нефтяные дорожные (БНД) имеют марки: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300 (цифры дроби – допустимые для данной марки пределы пенетрации при 25 С).

Для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов применяют битумы кровельные (БНК) марок: БНК 45/180 (пропиточные), БНК 90/40 и БНК 90/30 (покровные). Здесь числитель дроби указывает среднее значение температуры размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации при температуре 25 С.

Битумы строительные (БН) бывают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Здесь числитель – средняя температура размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации.

Жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания подразделяются на среднегустеющие (СГ), получаемые разжижением дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, и медленногустеющие (МГ и МГО), получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей. Тот или иной класс битума определяется количеством испарившегося разжижителя при выдерживании образца битума в термостате или вакуумтермостате при определенных температурах. В зависимости от условной вязкости среднегустеющие битумы имеют марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200; медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200.

Отвердевание битумов может происходить в объемном и пленочном состояниях. В объемном состоянии отвердевание идет в результате охлаждения, образования сетчатой структуры из макромолекул и повышения его вязкости. Отвердеванию битума в пленочном состоянии способствует, кроме того, физико-химическое взаимодействие его макромолекул с поверхностью зерен заполнителя и особенно порошкообразного наполнителя (минерального порошка). В жидких битумах как фактор отвердевания существенно испарение легких фракций разжижителя или самого битума. Наиболее благоприятный комплекс эксплуатационных свойств конструкционных материалов на основе битумов достигается при максимально возможном пленочном состоянии битума и минимальном количестве его в объемном состоянии.

К добавкам, улучшающим свойства битумов, относятся добавки поверхностно-активных веществ, полимеров, а также измельченной резины из отслуживших автомобильных покрышек и т.п.

Полимерные добавки можно отнести к структурирующим, которые позволяют рас­ширить интервал работоспособности материала, так как с их введе­нием повышается тепло- и морозостойкость. Однако следует иметь в виду, что иногда полимерная добавка может ускорить старение композиции под влиянием атмосферных факторов, поэтому реко­мендуется выбирать атмосферостойкие полимеры. Кроме того, по­лимеры с битумами трудно совмещаются. В настоящее время изу­чено совмещение с битумом большинства известных полимеров, хотя пока еще мало из них реально используется в производстве битумных материалов.

Полимерные добавки улучшают упругие свойства, растяжимость, когезию органических вяжущих (битумов и дегтей). Наибольшее применение получили эпоксидные смолы, поливинилацетат, поли­стирол, синтетические каучук и латекс, натуральный латекс, обычно находящиеся в состоянии растворов или латексов (водных дисперсий) и ко­личество которых в горячем битуме или дегте составляет 1-6 % от массы вяжущего. Синтетические и натуральные каучуки использу­ются для модификации вязких и жидких битумов и дегтей.

При смешивании с битумами каучуки создают в битуме само­стоятельную решетку, способную воспринимать деформации битума. Для увеличения прочности битумно-полимерного материала можно частично или полностью завулканизировать каучук, при этом ка­учук сначала набухает в битуме, а затем частично растворяется. В последнем случае снижается температура хрупкости материала с одновременным повышением его теплостойкости.

Дивинилстирольные и изопренстирольные термоэластопласты являются наиболее технологичными добавками к битумам, так как при нагревании они расплавляются и при перемешивании быстро образуют гомогенную смесь. Эти сплавы превосходят битумно-каучуковые за счет их более равномерного распределения в битумах при перемешивании.

При получении сплавов битума с полимером или каучуком не­редко добавляются стабилизаторы, вулканизирующие реагенты, ускорители и другие дополнительные компоненты.

Из отходов промышленности чаще других используют атактический полипропилен, вторичные полиэтилены, различные кубовые остатки, например кубовые остатки ректификации стирола, регене­раты резины и др.

Дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные получают путем сухой (без доступа воздуха) перегонки соответствующих видов твердого топлива. Для строительных целей применяются дегтевые вяжущие, состоящие из отогнанного дегтя, который получают после отбора из сырых каменноугольных дегтей летучих фракций, и составленного дегтя, который изготовляют смешением горячего пека с дегтевыми маслами (антраценовым и др.) или обезвоженными сырыми дегтями.

Пек – твердое или вязкое аморфное вещество черного цвета. Это остаточный продукт перегонки каменноугольных дегтей при тем­пературе более 360 °С.

В состав дегтевых вяжущих входят в основном непредельные углеводороды ароматического ряда – производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой. Поэтому атмосферостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих ниже по сравнению с битумными материалами (дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы). В то же время биостойкость дегтевых материалов выше, что объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты).