1. Органические вяжущие
жүктеу/скачать 0.56 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- § 1. КЛАССИФИКАЦИЯ.
- Обозначения БНД
- Классификация органических вяжущих Битумы
- Дегти
- § 2. СОСТАВ НЕФТЯНЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ.
- § 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА Структура битума
1. Органические вяжущие.
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ. Органическими вяжущими - битумы и дегти - называют сложную смесь высокомолекулярных углеводов различной структуры с плотностью от 0,9 до 1,1 г/ см Обозначения БНД - битумы нефтяные дорожные вязкие БН - битумы нефтяные вязкие СГ - битумы нефтяные дорожные жидкие густеющие со средней скоростью МГ - битумы нефтяные дорожные жидкие медленногустеющие МГО - битумы нефтяные дорожные жидкие окисленные Вяжущим веществом эту смесь называют потому, что ее используют для связывания (склеивания) минеральных зерен различной крупности в прочный и плотный дорожно-строительный материал - асфальтобетон, дегтебетон и другие подобные им материалы. Классификация органических вяжущих Битумы -нефтяные, сланцевые, природные -твердые, вязкие, жидкие -дорожные, кровельные, изоляционные Дегти -каменноугольные -торфяные -древесные Эмульсии -битумные -дегтевые В дорожном строительстве применяют, главным образом, битумы нефтяные вязкие и жидкие, в меньшей степени битумные эмульсии и каменноугольные дегти. Основным дорожно-строительным материалом с применением нефтяных битумов являются асфальтобетонные и другие битумоминеральные смеси, подобные асфальтобетону. В отечественной и зарубежной практике дорожные одежды с покрытиями из асфальтобетона и битумоминеральных смесей занимают ведущее положение. В Российской Федерации дорожная сеть с усовершенствованными покрытиями на 95% имеет покрытия из смесей на основе органических вяжущих. § 2. СОСТАВ НЕФТЯНЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ. Нефтяной битум состоит из углеводородов различных классов и их неметаллических производных, что зависит главным образом от состава нефти, из которой битум получен. В состав битумов присутствуют следующие химические элементы:
Строительно-технические свойства битума зависят не только от химического, но и от группового состава, который характеризуется молекулярной массой, строением молекул, вязкости. Битумы состоят из масел, смол и асфальтенов. Исходная нефть, являющаяся сырьем для получения битума и сами битумы включают в себя в различном количественном соотношении ароматические ( Битумы состоят из:
В относительно небольшом количестве в битуме содержатся так же: карбены и карбоиды - 1-3%; асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - до 1% Масла состоят из смеси парафиновых, нафтеновых, ароматических и полициклических углеводородов. При комнатной температуре они подвижны, текучи, легко испаряются при нагревании битума. Цвет масел светло-желтый, плотность меньше 1000 кг/м3 , молекулярная масса от 300 до 800 у.е. Увеличение содержания масел снижает температуру размягчения битума при нагревании. При пониженных отрицательных температурах смолы способствуют повышению трещиностойкости битума. Смолы (нейтральные и кислые) - легкоплавкие пластичные вещества темно-коричневого цвета , плотность около 1000 кг/см с молекулярной массой 600-1000. По химическому составу смолы относятся к гетероциклическим, ароматическим высокомолекулярным соединениям. Смолы полярны и поверхностно-активны, поэтому их сцепление (адгезия) с поверхностью минеральных зерен обеспечивает асфальтобетону повышенную водостойкость. Смолы хорошо растворяются в этиловом эфире, бензине, бензоле, хлороформе, плохо растворяются в этиловом спирте и ацетоне. От содержания смол зависят растяжимость и эластичность битума.
Молекулярная масса асфальтенов в 2-3 раза больше, чем у смол. Асфальтены растворимы в бензоле. При прочих равных условиях с увеличением их содержания в битуме повышается теплостойкость, вязкость и хрупкость битумов.
Асфальтогеновые и карбоновые кислоты, а также фенолы представляют собой полярные поверхностно-активные вещества, повышающие адгезию битума к камню. В большей степени это проявляется с карбонатными горными породами. Парафин - твердый метановый углеводород. Повышенное содержание в битуме парафина снижает его растяжимость и повышает температуру хрупкости. Поэтому содержание парафина в битуме не должно превышать 6%. При нагревании парафинистый битум переходит в жидкое состояние быстрее, чем малопарафинистый. § 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА Структура битума Битумы - коллоидное вещество. По мнению профессора А.С. Колбановской они могут иметь структуру трех типов: тип I - структура Золь тип II - структура Золь-гель тип III - структура Гель К первому структурно-реологическому типу относят битумы, скорость сдвига которых при постоянном напряжении подчиняется закону Ньютона. Структура битума первого типа определяется коагуляционной сеткой (каркасом) из асфальтенов, набухших в ароматических углеводородах. Такие битумы пластичны в широком интервале температур, тиксотропны, однако имеют пониженную растяжимость. Получают эти битумы окислением гудрона отбора масел или при компаундировании переокисленных битумов экстрактами селективной очистки масел.
Дисперсная фаза - сетка-каркас из асфальтенов, набухших в ароматических углеводородах. Дисперсионная среда - смесь парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов. Твердые парафины могут образовывать вторую структурную сетку, кристаллизационную. Структура II типа. Разбавленная суспензия асфальтенов в структурированной солями дисперсионной среде. Отдельные агрегаты асфальтенов находятся в дисперсионной среде , структурированной смолами в большей степени, чем среда I типа, но в меньшей, чем среда II структурного типа. В битумах второго типа асфальтены не связаны друг с другом и не взаимодействуют. Такие битумы имеют узкий интервал пластичности, не тиксотропны, резко изменяют вязкость при нагревании. Их получают незначительным доокислением гудрона после глубокого отбора из него масляной фракции. Структура битумов третьего типа определяется взаимосопряженными сетками отдельных агрегатов асфальтенов и адсорбированных на их поверхности тяжелых смол, пронизывающих весь объем системы. Свойства битумов третьего типа промежуточны между свойствами битумов первого и второго типа. Получают такие битумы окислением гудронов со средней глубиной отбора масел, компаундированием с гудроном битумов, переокисленных до температуры размягчения 56 - 60 о С. Битумы третьего типа более предпочтительны для приготовления асфальтовых бетонов и других битумоминеральных смесей. Групповой состав битумов трех типов приведем в табл. 1, свойства - в табл. 2. Таблица 1
Таблица 2
СВОЙСТВА БИТУМА. Битум в асфальтобетонном покрытии связывает зерна щебня, песка и минерального порошка в плотный и прочный монолит, работающий при разных условиях температуры и влажности зимой и летом и при разных силовых воздействиях автомобильных колес - сжатии, сдвиге, изгибе. Битум термопластичен, поэтому его способность связывать минеральные зерна изменяется с изменением температуры и влажности. В связи с этим битум должен обладать комплексом свойств - вязкостью, теплостойкостью, пластичностью, хрупкостью, способностью склеивать минеральные зерна (адгезия). Битум - реологическое* вещество и определение его физико-механических свойств при разной температуре трудоемко, требует сложного оборудования и приборов, что не всегда возможно в производственных условиях, поэтому еще более 100 лет тому назад были предложены простые и общедоступные методы и приборы, принятые и нормированные одинаковыми во всех странах. Эти простые методы дают условные показатели свойств, которые там не менее достаточно полно характеризуют качество битума, как дорожного вяжущего. В таблице приведены основные свойства битумов, способы определения этих свойств и приборы Таблица 3
__________________________________________________________________________________________ * Реология - раздел механики, занимающийся изучением текучести жидких и газообразных веществ, а также процессов, связанных с остаточными деформациями твердых и твердоподобных тел. Условную вязкость вязких битумов определяют на приборе “Пенетрометр” (рис.1) при температуре 25 оС и 0 оС. При 25 оС масса штанги 5 с иглой равна 100 г, время погружения иглы в битум - 5 с (штанга освобождается нажатием кнопки 6). При 0 оС масса штанги с иглой - 200 г, время погружения иглы - 60 с. Цена одного деления на лимбе 0,1 мм погружения иглы. Глубину проникания П25 или По определяют по разнице двух отсчетов на лимбе: первый отсчет при положении иглы, подведенной к поверхности битума в чашке 2; второй отсчет - после остановки штанги с иглой через 5 или 60 г. Рис.1. ПЕНЕТРОМЕТР а) 1. Груз, 2. Чашка с битумом, 3.Сосуд с водой, 4. Кремальера, вращающая стрелку,5. Штанга, 6. Кнопка, удерживающая штангу 5, б) Игла. Условную вязкость жидких битумов определяют на стандартном вискозиметре (рис. 2) по времени истечения в секундах 50 см3 битума через калиброванное отверстие диаметром 5 мм при температуре 60 о С и обозначают индексом С560 С. Рис. 2. Стандартный дорожный вискозиметр а) Общий вид: 1- цилиндр 1 с донным вкладышем 2 -шариковый клапан б) цилиндр, в) вкладыш, г) клапан 1 - водяная баня, 2 - крышка, 3 - цилиндр, 4 - клапан, 5- донный вкладыш с калиброванным отверстием 5 мм. Теплоустойчивость вязкого битума определяют температурой размягчения на приборе “Кольцо с шаром” (рис. 3 ) и обозначают индексом Тр. Рис.3. Прибор “Кольцо и Шар”
Битум, залитый в кольцо 1 ставят на верхнюю полку прибора вместе с шаром, положенным на битум и воду, начиная с 5оС в минуту до тех пор, пока битум с шаром размягчится и опустится на нижнюю полку. Температуру воды при этом считают температурой размягчения битума.
Растяжимость в сантиметрах определяют растягивая нить битума в воде со скоростью 5 см в минуту. Температура воды 25оС или 0оС. Температуру хрупкости вязкого битума определяют на приборе Фрааса (рис. 5) и обозначают индексом Тхр Температура, при которой битум переходит из вязко-пластического в хрупкое состояние, называют температурой хрупкости. На пластинку 7 наносят тонкий слой битума, вставляют ее в изгибающее приспособление 6 в стеклянной пробирке 2 , которую ставят в прозрачный стеклянный термос 8.
Охлаждение начинают от температуры + 15оС и время от времени по мере охлаждения пластину сгибают и распрямляют до тех пор, пока на слое битума не появится поперечная трещина. Ориентировочно температуру хрупкости можно определять по номограмме рис. 6. где По- глубина проникания при 0оС, П25 - при 25оС Цифры на линиях - показатели условной вязкости.
Величина интервала пластичности показывает, насколько тепловые свойства битума соответствуют реальным годичным изменениям температуры в данной местности. Изменение вязкости битума при изменении температуры характеризуется индексом пенертации И.П.
При И.П. от -2 до + 2 менее чувствительны к изменению температуры. Чем больше И.П., тем шире Тп.
Изменение объема битума при изменении температуры определяется коэффициентом объемного температурного расширения, который для разных битумов изменяется в пределах от 5х10 -4 до 8х10-4 Сцепление битума с поверхностью камня оценивают визуально по величине поверхности минерального материала, сохранившей пленку битума при кипячении в соленой воде в течение 30 минут для вязкого битума и 3 минут для жидкого. Реология - раздел механики, в котором изучаются процессы, связанные с остаточными деформациями твердых тел. Ползучесть - медленная деформация материала под влиянием постоянной, длительно действующей нагрузки. Релаксация - процесс постепенного перехода системы из неравновесного состояния , вызванного внешними причинами, в равновесное. В сопротивлении материалов - это процесс перехода упругих деформаций в нагруженном материале в пластические. Пластичность Смешиваемость ( поверхностное натяжение), растекание Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. Вязкость (внутреннее трение) материала - его способность к поглощению механической энергии (работы), прилагаемой при пластической (остаточной, до разрушения) деформации. Реологические характеристики битума а) полная реологическая кривая б) изменение вязкости с повышением напряжения ОА - область постоянства наибольшей вязкости АБ - область постепенного уменьшения вязкости БВ - лавинное разрушение структуры ВГ - область постоянства наименьшей вязкости 0 - максимальная вязкость неразрушенной структуры m - минимальная вязкость разрушенной структуры эф - эффективная вязкость Градиент скорости деформирования жидкого 1 , жидкоподобного 2, твердого 3,твердоподобного тел
С изменением температуры в течение года от положительной летом до отрицательной зимой ,физическое состояние (консистенция) битума изменяется от вязко-текучего при 50 - 100оС до хрупкого и упругого при минус 20 - 30оС. В первом случае (летом) свойства битума в слое покрытия можно характеризовать показателями, близкими к закону деформирования идеальной жидкости по уравнению Ньютона.
- вязкость, t - время действия напряжения Во втором случае (зимой) свойства битума в покрытии близки к свойствам упругих материалов, деформирование которых характеризуют законом Гука: 
где - относительная деформация, - напряжение при растяжении, E - модуль упругости. Напряжения и деформации в слое покрытия летом и зимой различаются так сильно, как будто они касаются двух разных материалов, тем не мене битум в асфальтобетоне должен быть прочным клеем, связывающим минеральные зерна при любых условиях температуры и нагрузки. Поэтому основными показателями, характеризующими работу битума в покрытии, должны быть реологические показатели - пластичность, вязкость, прочность, зависящая от времени действия нагрузки, зависимость свойств от температуры. Битумы занимают промежуточное место между твердыми и жидкими материалами, поэтому в них при приложении нагрузки возникают как упругие обратимые, так и пластичные остаточные деформации. Для определения вязко-упругих и вязко-пластичных реологических свойств битума строят графики зависимости скорости деформирования от напряжения сдвига (рис. ) На рис. показаны закономерности деформирования жидких 1 и жидкоподобных 2, твердых 3 и твердоподобных 4 материалов. Жидкоподобные битумы при температуре выше 50оС, твердоподобные - при отрицательной температуре - твердоподобны. Деформирование битума в жидкоподобном состоянии начинается сразу после приложения нагрузки и скорость деформирования увеличивается до напряжения, соответствующего точке “а”, далее при равномерном увеличении напряжения скорость деформирования становится равномерной, график выходит на прямую, что соответствует закону Ньютона. Аналогична зависимость напряжения и скорости деформирования битума в твердоподобном состоянии.
Адгезия (сцепление) битума к каменному материалу тем сильнее, чем лучше битум смачивает поверхность камня и растекается по ней, что зависит от поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение битума при температуре 25оС равно (25 - 30) х 10-3 Дж/см2. Поверхностное натяжение битума определяют косвенно его поверхностной активностью - способностью снижать поверхностное натяжение битума на границе с водой. Чем выше поверхностная активность битума, тем выше его полярность, а следовательно, адсорбция на поверхности минеральных материалов. Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из неполярной части ( углеводороды На разделе фаз полярной и неполярной жидкостей молекулы поверхностно-активных веществ ориентируются по линии раздела - полярной группой к полярной жидкости (вода), неполярной - к неполярной жидкости ( раствор битума). __________________________________________________________Примечание: Поверхностное натяжение - это работа, затрачиваемая на образование единицы поверхности. ПАВ - вещества, снижающие поверхностное натяжение От содержания полярных компонентов в битуме зависит его смачивающая способность и интенсивность сцепления с поверхностью минеральных материалов.
Эту способность определяют по краевому углу смачивания, рис. Острый угол смачивания означает, что молекулярное притяжение камня растянуло каплю жидкости, оказалось сильнее поверхностного натяжения жидкости, смачивание хорошее. Если поверхностное натяжение жидкости больше поверхностного натяжения камня, жидкость образует каплю, формы шара, смачивание отсутствует. Сцепление битума с поверхностью камня определяют кипячением смесей битума с песком (кварц) и мрамором (основная порода). Битумы - вещество реологическое и термопластичное, поэтому его физико-механические свойства характеризуются не только напряжениями и деформациями, но так же и зависимостями этих свойств от времени их действия и температуры. Определение реологических свойств трудоемко и требует сложного оборудования, что доступно только для научно-исследовательских организаций, поэтому для широкой производственной практики разработан комплекс простых приборов для характеристики таких свойств битума, как вязкость, теплостойкость, пластичность, хрупкость.
жүктеу/скачать 0.56 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
), нафтеновые (
), метановые (
) и гетероциклические углеводороды и их производные.
) и полярной активной группы (
и др.).