Битумные вяжущие вещества

МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение  высшего профессионального образования

Тульский  государственный университет

 

Кафедра: «Строительство, строительные материалы и конструкции»

 

 

 

 

 

Контрольная работа заочника

по дисциплине: «Строительные материалы и изделия»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы б360822в	А.П. Сысоев
Проверил: к.т.н. доцент	С.Б. Сергеева

 

 

 

Тула 2013 г.

 

 

 

Оглавление

1. Битумные вяжущие вещества 3

1.1 Состав и строение битумов 3

1.2 Свойства битумов 4

1.3 Производство битумов 6

1.4  МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ 8

2.  Подбор состава тяжелого бетона 11

Список литературы 13

 

 

1. Битумные вяжущие вещества

1.1 Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим  
вяжущим веществам.

Природные битумы (вязкие и жидкие) встречаются как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), которые пропитаны  природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации  нефти, пропитавшей эти осадочные  горные породы.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода  
70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5% азота 0-2$$,  
Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться смеси углеводородов метанового и нафтенового  рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Все многообразие соединений, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума - это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотностью более 1, объединенные общим названием "асфальтены". В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СС4 и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды-парафины.

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18-20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности - от тяжелых смол к маслам.

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальгенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Группы  углеводородов, входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя сложную дисперсную систему, предопределяют их структуру и свойства (рис.1). Если в дисперсной системе имеется избыток дисперсной среды, то комплексные частицы - мицеллы не контактируют между собой свободно перемещаясь. Эта структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре и для вязких битумов при повышенных температурах (рис.1а). При большом количестве мицелл они контактируют между собой, образуя мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при высокой температуре (рис.1б).

 

Рис.1. 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)

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: нагревание до 140-170 С, размягчающие смолы и увеличивающие их растворимость в маслах; растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.); эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

1.2 Свойства битумов

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м·°С); теплоемкость- 1,8-1,97 кДж/ кг·°С . Коэффициент объемного теплового расширения, причем более при 25°С находится в пределах от 5·10^-4 до 8·10^-40 С^-1, причем вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения. Устойчивость при нагревании характеризуется: потерей массы при нагревании пробы битума при 160 °С в терении 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240 °С в зависимости от марки).

Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см². От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и сго сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са²⁺ и Мg²⁺ .

Старение - процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Реологические свойства битума зависят от группового состава, строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др. 

Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.

Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.

Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора - пенетрометра.

Температуру размягчения определяют на приборе "кольцо и шар", помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым  
битумом.

Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума ("восьмерки") при температуре 25°С, определяемым на приборе - дуктилометре.

Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные.  
Основные требования, предъявляемые к строительным и кровельным  
битумам, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические свойства нефтяных битумов

 

 

Марка битума	Температура раз- мучения (°С), не ниже	Глубина проникания иглы при 25 С, 10мм	Растяжимость (см при 25°С, не менее
Строительные битумы
БН 50/50	50	41-60	40
БН 70/30	70	2140	3
БН 90/10	90	5-20	1
Кровельные битумы
БНК 45/180	40-45	140-220	не формируется
БНК 90/40	85-95	3545	“
БНК 90/30	85-95	25-35	“

1.3 Производство битумов

Основным сырьём для производства битума в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.

 Различают три основных способа  получения нефтяных битумов.

1. Концентрированием  нефтяных остатков путём перегонки  их в вакууме получают остаточные  битумы. Для получения остаточных  битумов может быть использовано  только сырьё с большим содержанием  асфальтосмолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжёлых высокосмолистых сернистых нефтях. В процессах вакуумной перегонки и деасфальтизации получают остаточные и осаждённые битумы. Главное назначение этих процессов – извлечение дистиллятных фракций для выработки моторных топлив – в случае первого, подготовка сырья для производства базовых масел (начальный этап) – в случае второго. В то же время побочные продукты этих процессов – гудрон перегонки и асфальт деасфальтизации – соответствуют требованиям по сырью в производстве битумов или их используют в качестве сырья в производстве окисленных битумов.

 

2. Окислением  кислородом воздуха различных  нефтяных остатков и их композиций  при температуре 180 – 300 0С (окисленные  битумы). Окисление воздухом позволяет  существенно увеличить содержание  асфальтосмолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Для производства окисленных битумов БашНИИНП предложено классифицировать нефти по содержанию (%, мас.) в них асфальтенов (А), смол (С) и твёрдых парафинов (П).

 Основным процессом производства  битумов является окисление –  продувка гудронов воздухом. Окисленные  битумы получают в аппаратах  периодического и непрерывного  действия. Последние более экономичные и простые в обслуживании. Принцип получения окисленных битумов основан на реакциях уплотнения при повышенных температурах в присутствии воздуха, приводящих к увеличению концентрации асфальтенов, способствующих повышению температуры размягчения битумов, и смол, улучшающих адгезионные и эластичные свойства товарного продукта.

 Аппараты, используемые в производстве  битумов – трубчатые реактора  или окислительные колонны. При  получении строительных битумов  предпочтительны первые, дорожных  – вторые.

3. Смешением  различных окисленных и остаточных  битумов, а также нефтяных остатков  и дистиллятов между собой  получают компаундированные битумы.

Остаточные битумы – мягкие легкоплавкие продукты, окисленные – эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг-остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства.

Технология 

Остаточные битумы вырабатывают из мазутов с высокой концентрацией  асфальтосмолистых веществ вакуумной перегонкой как остаток этой перегонки. Напомним, что мазут является остатком от атмосферной перегонки нефти.

 Более  подробно остановимся на окислении  гудронов или остаточных битумов  кислородом воздуха. Основными  параметрами процесса являются  температура, расход воздуха и  давление.

 Чем  выше температура, тем быстрее  протекает процесс окисления,  но при слишком высокой температуре  ускоряется образование карбенов и карбоидов, которые предают битумам нежелательную повышенную хрупкость. Обычно температуру поддерживают на уровне 250 – 280 0С.

 Чем  больше расход воздуха, тем  меньше требуется времени на  окисление. При чрезмерно большом  расходе воздуха температура  в окислительной колонне может  возрасти выше допустимой. Поэтому  расход воздуха является основным  регулирующим параметром для  поддержания нужной температуры.  Общий расход воздуха зависит  от химического состава сырья  и качества получаемого битума  и составляет от 50 до 400 м3 / т битума.