Дорожно-строительные материалы

       Сырьём  для производства органических вяжущих  породы является нефть, природные битумосодержащие породы, каменные угли, горючие сланцы, торф, древесина, побочные продукты промышленности. Физ.-хим. Переработка такого сырья даёт смолообразующие остатки в дополнительной переработки остатков получаются ОВВ.

       Характерной особенностью этих вяжущих являются их чувствительность к действию температур. На этом основано использование их в расплавленном состоянии для  обработки, связывания и склеивания различных материалов.

       Основные  требования, предъявляемые к органическим вяжущим состоят в том, чтобы они обладали достаточной вязкостью, позволяющей хорошо смазывать и обволакивать, образуя прочную водостойкую плёнку и чтобы эти вяжущие были стабильны.

       По  назначению ОВВ делятся на: дорожные, строительные, кровельные, гидроизоляционные, специальные.

       По  химическому составу, свойствам  и виду сырья ОВВ для дорожного  строительства делятся на битумы и дёгти. Применяют так же и  комплексные вяжущие – битумодёгтевые, дёгтебитумные, гидрокамовые (продукт совместного окисления каменно-угольного вяжущего и нефтяного гудрона), дёгтеполимерные, битумно-полимерные и битуморезиновые.

       Битумы  – органические вяжущие вещества, состоящие из высокосалекулярных углеводородов нафтеновых, метановых и ароматических рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных.

       Дёгти – органические вяжущие вещества, состоящие из высокомалекулярных ароматических  углеводородов и их кислородных, сернистых и азотистых продуктов.

       По  виду сырья битумы делятся на:

       - нефтяные (полученные из нефти  и смолистых остатков);

       - природные  (в чистом виде встречаются  редко, их извлекают из асфальтовых  ГП – известняки, песчаники, пески и др.).

       - сланцевые (продукт переработки  сланцевой смолы, полученный при сухой перегонке горючих сланцев).

       Дёгти получают сухой деструктивной перегонкой каменного и бурого угля, древесины  и торфа.

       В зависимости от главнейшей строительных свойств и консистенции при нормальной температуре органические вяжущие делятся на: твёрдые, мягкие и жидкие.

       Твёрдые битумы при температуре 20-25⁰С обладают вязкоупругими своёствами (подвижными и текучими они становятся при температуре 180⁰С).

       Вязкие  битумы при температуре 20-25⁰С находятся в вязкопластичном малоподвижном состоянии, а в интервале температур 100-120⁰С они становятся текучими и по мере окисления, полимеризации, испарения лёгких фракций они преобразуют свойства твёрдых битумов.

       Жидкие  битумы при температуре 20-2⁰С находятся в жидком состоянии, и по мере испарения лёгких фракций они преобразуют свойства твёрдых битумов.

       Кроме нагрева вязкие и жидкие органические вяжущие вещества переходят в  текучее состояние путём эмульгирования.

       Эму́льсия—  дисперсная система с жидкой дисперсионной  средой и жидкой дисперсной фазой.

       Дорожная  эмульсия – дисперсная система, состоящая  из органического вяжущего, диспергированного  в водной среде с эмульгатором, придающим эмульсии устойчивость (эмульсия используется без подогрева).

       При распределении эмульсии по поверхности  каменных материалов происходит её распад с выделением вяжущего вещества.

       Вязкие  и жидкие органические вяжущие в  расплавленном состоянии  или  в виде эмульсии применяются для  приготовления асфальтобетонов, дёгтебетонов, чёрного щебня и гравия, для  укрепления грунтов и других дорожных работ. 
 

3. ХИМИЧЕСКИЙ  И ГРУППОВОЙ СОСТАВ, ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА БИТУМОВ

 

       СОСТАВ: ОВВ представляют собой сложную смесь углеводородов различных классов и их неметаллических производных.

       Углерод 4-хвалентный и главной осью является образование соединений, в которых атомы углерода связанные между собой может образовать цепочные и цикличные соединения. Цепочные: 
 
 
 

       Цикличные соединения: 
 
 

       В зависимости от числа атомов и  их взаимного расположения изменяются и свойства ОВВ.

       В битумах выделяют следующие группы углеводородов:

       - масла (40-60%);

       - смолы (20-40%);

       - асфальтены (10-25%);

       - карбены и карбоиды (1-3%);

       - асфальтогеновые кислоты и их  ангидриды (1%);

       - парафины (<5%).

       Масла – вещества жёлтого цвета, плотностью менее 1000 кг/м³, состоящие из смеси парафиновых, нафтеновых, ароматических и полициклических углеводородов с малекулярной массой 300-800.

       Масла выделяются из битума лёгким бензином. Они придают вяжущему веществу подвижность, текучесть, повышают испаряемость, снижают температуру размягчения.

       Смолы (нейтральные и кислые) – легкоплавкие, вязкопластичные вещества тёмно-коричневого цвета, плотность которых около 1000 кг/м³. Состоят из более сложных, чем масла углеводородов с молекулярной массой 600-100. По химическому составу они относятся к гетероциклиеским ароматическим высокомолекулярным соединениям.

       В смолах сконцентрирована основная масса  сернистых, кислородных и азотистых (до 2%) соединений. Эти соединения являются полярными поверхностноактивными, поэтому хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водоустойчивые плёнки. Смолы плохорастворимы в этиловом эфире, бензине, бензоле и хлороформе, образуя при этом истинные растворы. Содержание смол обуславливает растяжимость и эластичность битумов.

       Асфальтены – твёрдые, неплавкие вещества плотностью немного более 100 кг/м³, состоят из смол насыщенных гетероциклических соединений, содержащих углерод, водород, кислород или серу. Они близки по строению к смолам, но отличаются более высокой молекулярной массой. Асфальтены растворимы в бензоле. Они являются важной составляющей частью вяжущих, так как влияют на структурообразование в битуме.

       Содержание  асфальтенов определяют температурную  чстойчивость, вязкость и твёрдость  битумов.

       Карбонаты и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко преимущественно в крекинг-битумах, повышают вязкозть и хрупкость битумов. По состоянию и свойствам они похожи на асфальтены, но они не растворимы в бензоле.

       Асфальто-геновые  кислоты и их ангидриды – вещества коричнево-серого цвета, обладающие густой маслянистой или смолянистой консистенцией, плотностью более 1000 кг/м³. Растворяются в спирте, хлороформе и плохо в бензине. Их содержание определяет интенсивность прилипания вяжущих к каменным материалам. В особенности к карбонатным породам.

       Парафины  относятся к твёрдым метановым углеводородам. Его содержание в битумах зависит от исходного сырья. Повышение содержания парафина более, чем на 5% ухудшает дорожно-строительные свойства битумов.

       Содержание  до 3,5% не оказывает существенное влияние на свойства битумов.

       Сверхдопустимое содержание снижает растяжимость битумов  и повышает температуру затвердевания.

       При нагреве парафинистый битум переходит  в жидкое состояние при меношей  температуре, чем безпарафинистый.

       Дёгти В состав входят преимущественно углеводороды ароматического ряда и их соединения с кислородом, азотом, серой и др. элементами. В дёгтях содержатся следующие группы веществ: твёрдые, углистые и неплавкие.

       Они состоят из сложных органических соединений со значительным содержанием углерода и большой молекулярной массой.

       К этой группе веществ можно отнести  частицы угля, механически занесённых в смолу при её изготовлении.

       Компоненты  дёгтя:

       - твёрдые неплавкие вещества, представленные  дёгтевыми смолами, которые растворимы  только в пиридине и состоят  из высокомолекулярных циклических соединений в кислородном ядре. Они подобно асфальтенам, находящимся в нефтяных битумах.

       - вязкопластичные плавкие дёгтевые  смолы растворимы в бензоле  и хлороформе. Они так же состоят  из сложных высокомолекулярных  кислородных органических соединений и по свойствам подобны нефтяным смолам.

       - жидкие дёгтевые масла представляют  собой углеводороды более простого  химического строения, чем другие компоненты. Кроме этих компонентов в состав дёгтя входит нафталин, фенолы, карбонатные кислоты.

       Применяют групповой состав каменно-угольного  дёгтя:

       - непластичные (смолы 5-10%);

       - вязкопластичные 10-15%);

       - парафины (до 7%);

       - антроцен (до 10%);

       - свободный углерод (2-20%);

       - фенолы (до 5%);

       - дёгтевые масла (60-80%).

       Структура дёгтей изменяется при содержании нафталина и антрацена, т.к. эти вещества выкристаллизовываются и создают зернистую структуру дёгтя с пониженными вяжущими свойствами. 

        СВОЙСТВА  ОВВ. Механические свойства ОВВ зависят от температуры ВВ. К механическим свойствам относят прочность, пластичность, вязкость.

        Вязкость  битумов при понижении температуры до 10-20⁰С относительно велика и он приобретает свойства твердого тела. С повышением температуры вязкость снижается и битум переходит в жидкое состояние.

        Вязкость зависит  от скорости деформации. Это обуславливается процессами структурообразования в битуме, которые влияют на его упруго-пластичные свойства. При разрушении структурных связей в битуме влияние скорости деформации на показатель вязкости снижается.

        Установлено, что  в состоянии покоя через некоторое время в битуме восстанавливается разрушенные структурные связи – тиксотропия.

        Для характеристики вяжущих твёрдых и вязких битумов  пользуются условным показателем –  глубины проникновения стандартной  иглы при действии на неё груза массой 100г в течении 5 сек при температуре 25%; при 0⁰С масса должна быть 20 г и действие в течении 60 сек.

        Глубина проникновения  иглы определяется в пенетрометре.

        Вязкость выражается в градусах 1⁰С = 0,1мм погружения: П₂₅-25 показывает температуру испытания.)

        Пенетрация дорожных вязких битумов при температуре 25⁰С находится в пределах 300-400⁰ по шкале.

        Вязкость жидких битумов и дёгтей определяется с  помощью стандартного вязкозиметра по времени истечения 50мл вяжущего через колиброванное отверстие  диаметром 5мм, температура вяжущего должна быть 60⁰С.

        Растяжимость  битума определяется с помощью прибора дуктилометра. Путём растяжения шейки образца, имеющего форму восьмёрки. Показателем растяжимости битума служат длина нити битума в момент разрыва (см).

        Это испытание проводят при температуре 25⁰С (растяжимость более 40 см) и 0⁰С (растяжимость 0-3см).

        Растяжимость битума, как и вязкость зависит от температуры, группового состава, характера структуры. Высокие пластические свойства битумов наблюдается при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и незначительном содержании карбенов и карбоидов. При изменении температуры битум сильно меняет свои свойства (главным образом вязкость). При температуре 40-50⁰С битум переходит в жидкообразное состояное и для большинства дорожных конструкций не обеспечивает требуемой прочности.