нефтяные дорожные вязкие битумы гост 22245-90

МИНИСТЕРСТРО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
УКРАИНЫ
ПРИДНЕПРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРА
Методические указания к учебно-исследовательской работе по курсу
«Строительное материаловедение» "Органические вяжущие вещества.
Нефтяные битумы".
Для студентов строительных специальностей
Днепропетровск ПГАСиА 2000
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
"СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ" "ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ
ВЕЩЕСТВА». НЕФТЯНЫЕ БИТУШ» /по курсу «Строительное материаловедение:
Утверждено на заседании
кафедры строительных материалов
Протокол №8 от 21.01.2000 г.
Днепропетровск ПГАСиА 2000
Методические указания к учебно исследовательской лабораторной работе
"Органические вяжущие вещества".Нефтяные битумы"./по курсу "Строительное
материаловедение:../Состав.В.Н.Глущенко.А.П.Полтавцев
Дненропетровск.ПГАСиА.IЗс.
Определение битума, его классификация, марки.
Битумами называются сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их
неметаллических производных, т.е. соединений с серой, азотом, кислородом.
Битумы классифицируются:1.По происхождению- на природное и искусственные
(нефтяные); 2.По консистенции (при Т=18°С) на твердые, полутвердые и жидкие ;3. По
назначению- на дорожные, строительные. кровельные, изоляционные.
Установление марки битума зависит от подтверждения опытным путем следующих
характеристик, приведенных в таблице I.
Таблица I
Основные требования к нефтяным битумам
температура Температура Температ Глубина проникновения иглы
Растяжимость, см. , не менее
Марка
розмягчения
хрупкости
к
(с)
к
(с)
не более
0.1 мм (градус) при
ура
вспышки
к
(с)
Не менее
298к
(25°С)
273к (08C)
при
298к (258C)
при
273к (0°С)
НЕФТЯНЫЕ ДОРОЖНЫЕ ВЯЗКИЕ БИТУМЫ ГОСТ 22245-90
БНД
200/300
308/35
253/(-20)
473/200
200-300
45
-
20
БНД130/200
313/40
255/(-I8)
493/220
131-200
35
65
6
БНД 90/I30
318/45
256/(-I7)
493/220
9I-130
28
60
4,2
БНД 60/90
321/48
258/(-15)
493/220
61-90
20
50
3,5
БНД 40/6O
325/52
263/(-IO)
493/220
40-60
13
40
-
СТРОИТЕЛЬНЫЕ БИТУМЫ ГОСТ 6617-76
БН 50/50
323/50
-
504/231
41-60
-
40
-
БН 70/30
343/70
-
503/230
70-30
-
3
-
БН 90/10
363/9O
-
513/240
5-20
-
I
-
БНК 45/180
313-323
(40-50)
-
513/240
I40-220
0-
-
-
БНК 90/40
358-368
(85-95)
253/(-20)
513/240
35-45
-
-
-
БНК 9О/30
358-368
(85-95)
263/(-IO)
513/240
25-35
-
-
-
БНИ-IУ-3
338/65
-
50З/230
30-50
15
4
_
БНИ-IУ
348/75
-
503/230
25-40
12
3
_
БНИ-У
363/90
-
503/230
20
9
2
-
КРОВКЛЬНЫЕ БИТУМЫ ГОСТ 9548-74
ИЗОЛЯЦИОННЫЕ БИТУМЫ ГОСТ 9812-74
Плотность битумов всех марок должна бить около I г/ом3. Битумы не должны содержать
водорастворимых кислот и щелочей, в них допускается присутствие следов воды.
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ
I. Глубина проникания иглы ГОСТ 11501-78
Глубину проникания иглы определяют специальным прибором (пенетрометром), погружая
стальную иглу в напитываемый матерная (рис.1 ). Глубину погружения иглы выражают в
градусах, определяемых по шкале пенетрометра, причем каждый градус диска соответствует
опусканию иглы на 0.1 мм.
Для испытания предварительно обезвоженный образец битума расплавляют на песчаной бане
в сушильном шкафу. Расплавленный битум наливают в металлическую чашечку (диаметр 55мм.
высота 45 мм) на высоту не менее 30 мм, охлаждают в течение I ч при температуре 18...20 °С и
до испытания помещают в ванну с температурой воды 25 °С на I ч. После приобретения
битумом температуры воды чашку вынимают из ванны и помещают в кристаллизатор (плоский
сосуд) с водой температурой 25 °С (вода должна покрывать образец), и ставят на столик
пенетрометра. После этого подводят острие иглы к поверхности битума. а контактную рейку
опускают до соприкосновения с верхней частью иглодержателя и отмечают положение стрелки
на шкале. Одновременно пускают в ход секундомер и нажимают кнопку, давая игле свободно
входить в испытываемый битум в течение 5 с, затем кнопку отпускают. После этою доводят
контактную рейку вновь до верхнего конца иглодержателя и отмечают второе положение
стрелки на шкале. Разность второго и первого отсчетов дает показатель глубины проникания в
градусах (десятых долях миллиметра).
Определение повторяют 3 раза в различных точках поверхности образца битума, отстоящих
не менее чем на I см от края чашки и друг от друга. Среднее из трех определений дает значение
глубины проникания. После каждого определения иглу
очищают от приставшего битума тканью, смоченной
бензолом, бензином или скипидаром.
Рис. I.
Пенетрометр: I - штатив; 2 - диск с циферблатом;
3 - зажимное устройство; 4 - зеркало; 5 - игла:
6 - испытываемый битум; 7 - сосуд с водой: 8 - столик
2. Растяжимость битумов ГОСТ 11505-75
Растяжимость битумов определяют в дуктилометре (рис. 2). который представляет собой
деревянный ящик I, покрытий внутри оцинкованной
жестью и снабженный двумя кремальерами 3. По
кремальерам двигаются салазки 4, движение которым
передается, или от маховичка 2 или от электромотора.
Ящик снабжен шкалой 6, по которой скользит указатель,
прикрепленный к салазкам. Растяжение производят со
скоростью 5 см/мин. Разборная латунная форма, имеющая
вид восьмерки, состоит из четырех отдельных частей (рис.
3). Площадь наименьшего поперечного сечения (шейки)
формы 1см2
Рис.2.
Дуктилометр:
I – деревянный ящик; 2 - маховичок;
3 - кремальеры; 4 - салазки;
5 - испытываемый образец;
6 - шкала
Растяжимость определяют следующим образом. Обезвоженный и расплавленный битум
наливают в формы, помешенные на металлической пластинке, с небольшим избытком. Перед
заливкой пластинку и боковины форм во избежание прилипания к ним битума смазывают
смесью талька с глицерином или покрывают промасленной папиросной бумагой. После заливки
формы охлаждают на воздухе при температуре 18...20 °С в течение 30 мин, горячим острым
ножом срезают избыток битума в два приема от
середины формы к краям. Срезав избыток битума,
образцы помещают в воду (25 °С) на I ч 30 мин, следя
за тем, чтобы температура была постоянной. После
этого образцы снимают с пластинки и закрепляют на
дуктилометре, надевая кольца форм на штифты его
салазок, а затем отнимают боковые части форм.
Предварительно в дуктилометр наливают воду,
которая должна покрывать формы с образцами не
менее чем 2.5 см. Температура воды 25 °С.
Рис. 3. Форма для испытания образцов
битумов на растяжение
После удаления боковых форм включают электромотор или начинают вращать маховичок,
растягивая битум со скоростью 5 см/мин.
В момент разрыва битумной нити отмечают увеличение длины образца по шкале, которая
принимается за меру растяжимости битума. Испытанию подвергают 3 абзаца, в качестве
окончательного результата берут среднее из трех показателей.
3. Температура размягчения битума ГOCT 11506-73
Температуру размягчения битума определяют на приборе "Кольцо и шар" (рис. 4), который
состоит из трех металлических дисков, скрепленных между собой тремя стержнями. Расстояние
между нижним и средним дисками 25,4 мм. Средний диск имеет 4 отверстия, в которые
вставляются латунные кольца с внутренним диаметром 15,88 мм, высотой 6,25 мм и толщиной
стенок 2,38 мм. В центре верхнего диска имеется отверстие для термометра.
Ртутный шарик термометра во время опыта должен находиться в центре второго диска.
Перед началом испытания поверхность металлической или стеклянной пластинки
смазывают смесью талька с глицерином (1:3) или одним глицерином, кладут на пластинку
кольца и заливают их расплавленным битумом с избытком.
После охлаждения колец с битумом (примерно через 30
мин) избыток битума срезают горячим ножом вровень с
краями кольца. Затем кольца вставляют в отверстия
среднего диска и прибор помещают в химический стакан,
наполненный свежепрокипяченной водой о температурой
+5°С и выдерживают там в течение 15 мин. Уровень воды
в стакане должен быть выше поверхности битума в
кольцах не меньше чем на 5 см. Если ожидаемая
температура размягчения битума выше 80 °С, вместо воды
в химический стакан наливают глицерин и кольца с
битумом перед испытанием выдерживают 15 мин при
температуре 32 °С. После этого прибор из стакана
вынимают и в центре каждого кольца на поверхность
битума кладут стальной шарик диаметром 9,53 мм и
массой 3,5 г. Прибор опять помещают в стакан, который
ставят на плитку или спиртовку, предварительно
покрытую асбестовой сеткой. Скорость подъема
температуры воды (через 3 мин) должна составлять
5 °С/мин.
Рис.4. Прибор "Кольцо и шар":
I - шар; 2,4 - битум; 3 - кольцо;
5 - термометр; 6 - спиртовка
При нагревании воды битум размягчается и под действием стального шарика, а также
собственной массы вытекает из кольца. Температуру, при которой деформирующийся битум
коснется нижней пластинки прибора, принимают за температуру размягчения битума.
Наблюдения ведут одновременно за двумя кольцами.
За расчетную температуру размягчения принимают среднее из двух определений, если
разница между ними не превышает I °С.
4. Температура вспышки
Температурой вспышки называют температуру, при которой газообразные продукты,
выделяющиеся из битума при нагревании, образуют с воздухом смесь, вспыхивающую на
короткое время при поднесении к ней пламени. Температура вспышки характеризует
огнестойкость битума и имеет значение для своевременного предохранения от возможных
пожаров и несчастных случаев.
Температуру вспышки определяют стандартным прибором Мартенс - Пенского.
Из воздушной ванны прибора вынимают латунный резервуар, снимают крышку и тщательно
промывают как резервуар, тек и крышку с заслонкой и мешалкой бензином, затем протирают
тканью или ватой и высушивают над пламенем спиртовой горелки. После подготовки
резервуара в него наливают испытываемый продукт до уступа, образованного внутри резервуара посредством расточки, закрывают крышкой, предварительно хорошо промытой
бензином, протертой и тщательно высушенной. Вставляют в тубус крышки ртутный термометр,
входящий в комплект прибора. Резервуар помещают в воздушную ванну между тремя
ограниченными винтами в корпусе прибора.
После сборки прибора в горелку наливают спирт, зажигают ее или включают прибор для
обогрева, испытываемого материала.
Сначала температуру испытываемого материала можно повышать быстро и когда она
достигнет температуры на 20 С ниже предлагаемой температуры вспышки, нагревание ведут
так, чтобы скорость подъема температуры было 4 С/мин. В это время начинают проводить
испытание через каждые 2 °С, а за 5 °С до ожидаемой вспышки - через I С. С момента
включения прибора в сеть (при нагревании) испытываемый продукт следует перемешивать
вращением конца ручкой пружины гибкой передачи, соединенной с мешалкой. Только в момент
испытания на вспышку перемешивание прекращают.
Для определения температуры вспышки поворачивают головку пружинного рычага, который
отодвигает заслонку в крышке, открывают отверстие в крышке. При этом сопло горелки
наклоняется в отверстие.
Диаметр пламени 3...4 мм. Отверстие в крышке должно открываться на I с. Посла вспышки
температура обыкновенно сразу повышается на несколько градусов, поэтому руководствуются
предыдущим показанием термометра. Отметив эту температуру, опыт повторяют снова, вынув
латунный резервуар особам крючком, прилагаемым к прибору.
Для повторных определений необходимо брать новую порцию битума, так как бывший в
употреблении теряет часть своих летучих фракций. Допускаемые расхождения между
определениями температуры 2...3 °С.
Битум для испытаний должен быть тщательно просушен при температуре 105...110 °С, так
как вода, присутствующая в битуме, испаряется в процессе испытания и насыщает
пространство над битумом, вытесняет воздух и горячие пары. При испытании это
обнаруживается не слишком частым погасанием пламени горелки.
5. Плотность битума.
Плотность битума определяют пикнометрическим методом. Перед применением пикнометра
для определения плотности битума необходимо знать его "водное число", под которым
принимают массу воды в объеме пикнометра при температуре испытания.
Пикнометр тщательно последовательно промывают хромовой смесью. дистиллированной
водой, спиртом, просушивают продуванием воздуха и взвешивают с точностью до 0.001 г(м1).
С помощью пипетки наполняют пикнометр дистиллированной водой и помешают в термостат
или баню с температурой 20°С на 30 мин. После этого из пикнометра отбирают избыток воды с
помощью пипетки, отсчитывают уровень по нижнему краю мениски, вытирают шейку
пикнометра изнутри и закрывают пробкой. Затем вытирают пикнометр снаружи и взвешивают с
той же точностью (м2) . Водное число определяют как разность масс наполненного водой и
чистого сухого пикнометра
М=М1 – М2
Чистый высушенный пикнометр примерно наполовину наполняют мелкими кусочками
испытываемого битума, недопуская загрязнения стенок и горлышка. Затем помещают
пикнометр в термостат и выдерживают его там в течение 30 мин при температуре около 100 °С
до полного рас плавления битума и удаления пузырьков воздуха.
Охлаждают пикнометр в водяном термостате или водяной бане при температуре до 20°С, а
затем закрывают пробкой, обтирают снаружи и взвешивают на аналитических весах (М3). После
этого заливают в пикнометр дистиллированную воду с температурой 20+2 °С, выдерживают в
термостате при 20 °С до тех пор пока уровень мениска не перестанет изменяться. Избыток воды
отбирают пипеткой; вытирают пикнометр и взвешивают (М4). Плотность битума вычисляется с
точностью до 0.001 г/см3

М3 М2
( М 2  М 1)  ( М 4  М 3)
Зная водное число пикнометра, плотность определяют по формуле:

М 3  М1
М  ( М 4  М 3)
Полученное значение плотности битума должно быть приведено к плотности воды при
температуре 4 °С
 (4)  0,9982 
где 0,9982 - плотность воды при температуре 20 °С.
Если температура битума при испытании была больше или меньше 20 °С, плотность
 (4)  0,9982  (t )  к (t  20),
где к - средняя температурная поправка на плотность, определяемая в зависимости от
плотности битума по табл. 2.
Таблица 2
Средние температурные поправки К при вычислении плотности битума
Плотность
К
Плотность
К
0.96...0.97
0.000554
0.97...0.98
0.000541
O.000607
0.98...0.99
0.000528
0.93...0.94
0.000594
0.99...1.00
0.000515
0.92...0.95
0.000581
1.00...1.10
0.000502
0.95...0.96
0.000567
1,10...1.20
0.000489
0.90...0.91
0.000633
0.91...0.92
0.000620
0.92...0.93
'
Плотность битума может быть определена следующим простым методом. В мензурку
наливают воду, предварительно прокипяченную для удаления воздуха. Затем из битума
изготавливают шарик диаметром 5...10 мм и погружают его в мензурку. Если плотность битума
больше единицы, шарик тонет в воде. Добавляя постепенно к воде поваренную соль и
интенсивно помешивая стеклянной палочкой, увеличивают плотность воды до тех пор, пока
шарик битума не всплывет. Это произойдет тогда, когда плотность жидкости в мензурке будет
равна плотности битума. Плотность жидкости определяют ареометром и принимают за
плотность битума. Если плотность битума меньше единицы, вместо поваренной соли в воду
добавляют спирт. Приставшие к битуму пузырьки воздуха необходимо тщательно удалять,
сбивая их стеклянной палочкой, так как они искажают результаты испытаний.
Учебно-исследовательская работа
Исследование зависимости температуры размягчения смеси битума разных марок от их
количественного соотношения.
При наличии битума известных марок его содержание в смеси
t  t2
100;
t1  t 2
Б  100  Б ,
Б
где Б, Бм - массовая доля в смеси соответственно более и менее тугоплавкого битума, %;t, t1, t2,
- температура размягчения соответственно смеси битумов, более тугоплавкого и менее
тугоплавкого битумов,°С.
Посла расчета битумной смеси, её приготавливают и проверяют на температуру
размягчения.
Температуру размягчения определяют по методу "Кольцо и шар". Каждое звено
студентов приготавливают смесь битумов с определенной температурой размягчения.
На основании полученных всеми звеньями температур размягчения строят график
зависимости температуры размягчения битумов от их количественного соотношения.
НЕКОТОРЫЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БИТУМАХ
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 C9Н20 до С30 Н20 и их соединений с серой, кислородом, азотом. Все
многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая
часть, смола и масляные фракции: масла (45-65%); смолы (15-30%), асфальтены (1030%). Масла - вязкие жидкости, состоящие из смесей углеводородов с молекулярной
массой 300-500, смолы - вязкопластичные высокомолекулярные вещества,
включающие углеводороды с молекулярной массой 600-800, асфальтены - твердые
хрупкие вещества с молекулярной массой 1000-5000 и выше. Кроме асфальтенов
могут в небольшом количестве входить и другие твердые вещества: карбоны и
карбоиды (1-2%), парафины (0,6-8%).
В состав битумов входят асфальтогеновые кислоты (до 1%)- смолообразные
вещества, обладающие высокой полярностью и способствующие более интенсивной
адгезии битумов к каменным материалам.
Битумы являются гидрофобными веществами, образующие коллоидные системы
мицеллярного строения. Мицелла-это частица коллоидного вещества, представляющая
собой сложное новообразование, в котором дисперсная фаза (ядро частицы) находится
в определенной физико-химической связи с окружающей средой. Через слой ионов так называемую сольватную оболочку. В битумах ядрами мицелл являются частицы
асфальтенов. Они стабилизированы адсорбированный слоен смол. Мицеллы
суспэнзированы в масляной среде, в зависимости от их количества они могут быть как
отдельными, так и связанными з цепочечные соединения.
От соотношения масел, смол и твердых компонентов зависит агрегатное состояние
битумов. Контакт между мицеллами отсутствует при избыточном содержании масел, с
повышением температуры мицеллы разрушаются.
В обоих случаях битумы находятся в жидком состоянии. Наоборот, с повышением
концентрации дисперской фазы имеет место коагуляция, т.е. слипание частиц, что
приводит к увеличению вязкости и твердению битумов. Переход системы в вязкое или
твердое состояние идет также при охлаждении битумов постепенным выделением
частиц наибольшей молекулярной массы, которая становится центром образования
новыx мицелл. Высокой концентрации мицелл: вступают в непосредственный контакт
и структура переходит в состояние геля, т.е. структурированной системы,
образовавшейся в результате действия молекулярных сил сцепления между
коллоидными частицами, поэтому битумы можно отнести к органическим
коагуляционным вяжущим материалам.
По способу получения различают нефтяные битумы остаточной, окисленные,
крекинг -битумы, компаундированные и битумы диасфальтизации. Исходными
продуктами служит мазут, соляровое масло и гудрон.
В странах СНГ наиболее распространено производство окисленных битумов. В
гудрон, протекающий по трубам, вздувается сильная струя воздуха, образующаяся
битумная пена (эмульсия) окисляется в змеевике реактора. Преимуществом
эмульсионных установок является малая длительность процесса окисления
(10часов).
Значительное количество битума нефтеперерабатывающих заводах получают
смешиванием (компаудированием) нефтяных продуктов различной вязкости, таким
образом легче обеспечить требуемые свойства битумов. Битумы диасфальтизации
(экстрактные) получают осаждением асфальтосмолистые части гудронов пропаном и
другими растворителям.
При разжижении вязких битумов жидкими нефтяными продуктами установленного
фракционного состава с добавлением поверхностно - активных веществ получают
жидкие нефтяные битумы. В зависимости от скорости формирования структуры
жидкие битумы делят на три класса: ВГ - быстрогустеющие, СГ - густеющие со
средней скоростью и МГ - медленногустеющие. Транспортируют битумы в
железнодорожных или автомобильных цистернах, а также в специальных битумных
полувагонах бункерах. Перед выгрузкой битума из цистерн его предварительно
подогревают паром через змеевики. При выгрузке битума из бункерных вагонов пар
пропускают между двойными стенками.
Тугоплавкие битумы перевозят в виде болванок на железнодорожных платформах.