Лекция по битуму
реклама
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ Профессор Котлярский Э.В. МАДИ (ГТУ) Органические вяжущие материалы используются для получения гидроизоляционных, кровельных материалов, для приготовления композиционных материалов и смесей для устройства дорожных и аэродромных покрытий и оснований и для многих других целей. 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 дорожностроительный материал - асфальтобетон, дегтебетон и другие подобные им материалы. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ БИТУМЫ ДЕГТИ ЭМУЛЬСИИ 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. БИТУМЫ 1. по вязкости ТВЕРДЫЕ ВЯЗКИЕ ЖИДКИЕ ТВЕРДЫЕ БИТУМЫ СТРОИТЕЛЬНЫЕ БН-IV БН-V ИЗОЛЯЦИОННЫЕ БНИ 60/90 БНИ 90/130 ВЯЗКИЕ БИТУМЫ Дорожные Гидроизоляционные БНД БН 40/60 60/90 90/130 130/200 200/300 40/60 60/90 90/130 130/200 200/300 БНК БНК-1 БНК-2 ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ СГ 25/40 МГ 40/70 70/130 МГО 130/200 ДЕГТИ ДРЕВЕСНЫЕ Д-0 Д-1 КАМЕННОУГОЛЬНЫЕ Д-2 Д-3 Д-4 Д-5 ТОРФЯНЫЕ Д-6 Д-7 ЭМУЛЬСИИ ПРЯМЫЕ АНИОНОАКТИВНЫЕ ЭБА ОБРАТНЫЕ КАТИОНОАКТИВНЫЕ ЭБК БЫСТРОРАСПАДАЮЩИЕСЯ ЭБА-1 СРЕДНЕРАСПАДАЮЩИЕСЯ ЭБК-1 ЭБА-2 МЕДЛЕННОРАСПАДАЮЩИЕСЯ ЭБК-2 ЭБА-3 ЭБК-3 СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ ЦЕПОЧЕЧНЫЕ C–C–C–C–C–C– ЦЕПОЧЕЧНЫЕ РАЗВЕТВЛЕННЫЕ - C C–C–C–C–C–C– C– ЦИКЛИЧЕСКИЕ С С С С С С У г л е в о д о р о д ы ВЯЗКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ Битумы – органический вяжущий материал, получаемый в результате переработки нефти Элементарный состав Химический элемент Количество, % масс. Углерод C 80,0 – 85,0 Водород Н 8,0 – 11,5 Кислород О 0,2 – 4,0 Сера S 0,5 – 7,0 Азот N 0,2 - 0,5 СОСТАВ БИТУМОВ Углеводороды Ароматические Нафтеновые Метановые Гетероциклические Формула CnH2n-6 CnH2n CnH2n+2 (Содержат O, S, N) Групповой состав Группы углеводородов Мальтены Масла Смолы Асфальтены Карбены и карбоиды Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды % 40 – 60 20 – 40 10 – 25 1–3 1 Определения: Руденская И.М. – Битумы это раствор высокомолекулярных органических соединений, в котором асфальтеновая часть растворена в мальтеновой части. Ребиндер П.А., Колбановская А.С. и др. – Битум это дисперсная система, в которой дисперсионной средой являются мальтены, а дисперсной фазой - асфальтены Состав нефтяных битумов Нефтяной битум состоит из углеводородов различных классов и их неметаллических производных, что зависит главным образом от состава нефти, из которой битум получен. углерод С 73- 87% водород Н 8-12 % кислород О 1-12% сера S 1- 5% азот N - до 1% и другие элементы Углеводороды Исходная нефть, являющаяся сырьем для получения битума и сами битумы включают в себя в различном количественном соотношении: C n H 2 n6 ароматические, C n H 2n нафтеновые, метановые C n H 2 n 2 и гетероциклические углеводороды и их производные. Групповой состав Битумы состоят из: Масел - 40-60% Смол -20-40% Асфальтенов -10-25% 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. Асфальтены твердые неплавкие вещества плотностью больше 1000 кг/м3. Кроме углерода и водорода содержат кислород и серу. 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. Карбены и карбоиды - черные твердые вещества, содержащиеся, главным образом, в крекингбитумах. Они повышают вязкость, хрупкость и температурную устойчивость битума. Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - густые маслянистые вещества коричневого цвета, плотностью более 1000 кг/м 3 , хорошо растворяются в спирте и хлороформе, плохо - в бензине. 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. 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 Структура I типа. К первому структурно-реологическому типу относят битумы, скорость сдвига которых при постоянном напряжении подчиняется закону Ньютона. Дисперсная фаза - сетка-каркас из асфальтенов, набухших в ароматических углеводородах. Дисперсионная среда - смесь парафинонафтеновых 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 III типа. Структура определяется взаимосопряженными сетками отдельных агрегатов асфальтенов и адсорбированных на их поверхности тяжелых смол, пронизывающих весь объем системы. Свойства битумов этого типа промежуточны между свойствами битумов I и II 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. Структурно-реологический Наименовани тип битумов е I II III компонентов Смолы <24% >36% 29-34% Масла >50% <48% 46-50% Асфальтены >25% <18% 21-23% Показатели свойств битумов разных типов Показатели свойств битумов разных типов Наименование свойств Глубина иглы: при 25 при 0 I II III 50 55 53 проникания о С о С 16 при 46 оС Растяжимость при 25 см Индекс пенетрации Температура о С, 320 148 120 >100 >100 >100 1,2 0,2 2,3 ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЗКИМ ДОРОЖНЫМ БИТУМАМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ: 1). Теплоустойчивость при высоких летних температурах; ≥ max 2). Трещиностойкость при низких зимних температурах; ≤ min 3). Битум должен хорошо прилипать к каменным материалам; 4). Свойства битума должны быть стабильны во времени под действием эксплуатационных факторов. (T) = const ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЗКИМ ДОРОЖНЫМ БИТУМАМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ: 1). Хорошо смачивать и обволакивать каменные частицы в процессе перемешивания; 2). При перемешивании иметь небольшую вязкость; 3). При укладке и уплотнении битумоминеральных смесей вязкость битума должна средней. min min max Свойства битумов Свойства твердых тел Упруго-вязко-пластические свойства Свойства жидкостей Интервал пластичности (В интервале пластичности соблюдается условие: 0 p 1 ). Закон Гука E d dt p to Закон Ньютона d dt - вязкость где: d - деформация; - напряжения; (константа материала), dt – время; р – пластичность. При р = 0 – абсолютно твердое тело; При р = 1 – абсолютная жидкость Вязкость битумов dt d 1 Пуаз = г/см*с (СГС) 1 Па*с = н/м*с (СИ) Вискозиметр – прибор для определения вязкости. Принципы определения вязкости: а) абсолютной: б) относительной: Вязкость битумов зависит от температуры и скорости приложения нагрузки (скорости испытания) Определение глубины проникания иглы: = const (100 г или 200 г); dt = const (5с или 60 с); to = const (25о или 0о) Вязкость обратна глубине проникания иглы. Показатель глубины проникания иглы характеризует условную вязкость битумов. Вязкость битумов ВЯЗКОСТЬ Температура, оС Температура, оС 60 40 180 140 100 60 20 1,E+02 1,E+00 20 1,E+10 1,E+08 1,E+06 1,E+04 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 Глуцбина проникания иглы, 0,1 мм 1,E+14 1,E+12 -20 Вязкость, ПА*с ВЯЗКОСТЬ Показатели, характеризующие эксплуатационную надежность битумов Температура размягчения Температура размягчения (Тр) характеризует условный переход вяжущего из упруго-вязко-пластического в жидкое состояние. Тр позволяет оценить теплоустойчивость битумов, т.е. их надежность работы в жаркий летний период (сдвиги, колея, волнообразование, пластические деформации). Тр характеризует верхнюю границу интервала пластичности. Тр определяется при помощи прибора КиШ (Кольцо и шар). С увеличением вязкости битума Тр возрастает. Вязкость битумов при температуре размягчения независимо от марки составляет примерно 104 Па с. Температура размягчения Вязкость, Па*с 1,E+10 1,E+07 1,E+05 0 350 20 190 40 70 60 100 90 80 70 60 50 40 30 20 5 80 Температура размягчения, о С ТЕМПЕРАТУРА РАЗМЯГЧЕНИЯ 100 3,E+03 Температура размягчения, о С ТЕМПЕРАТУРА РАЗМЯГЧЕНИЯ Глубина проникания иглы, 0,1 мм Температура хрупкости Температура хрупкости (Тхр) характеризует условный переход вяжущего из упруго-вязко-пластического в твердое состояние. Тхр позволяет оценить трещиностойкость битумов, т.е. их надежность работы в холодный зимний период (трещины, сколы, выбоины и другие хрупкие деформации). Тхр характеризует нижнюю границу интервала пластичности. Тхр определяется при помощи прибора Фрааса. С увеличением вязкости битума Тхр возрастает. Вязкость битумов при температуре хрупкости независимо от марки составляет примерно 1013 - 1014 пуаз. Температура хрупкости Вязкость, Па*с ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКОСТИ 5 0 -10 -15 -20 -25 350 190 70 -30 5 С -5 о Температура размягчения, 3,E+03 1,E+05 1,E+07 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 1,E+10 Температура хрупкости, о С ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКОСТИ Глубина проникания иглы, 0,1 мм Показатели, моделирующие поведение битума в асфальтовом бетоне и битумоминеральных смесях Растяжимость (дуктильность) 2 1 2 1 Растяжимость (дуктильность) Д25 , До Дуктильность РАСТЯЖИМОСТЬ 20 3,E+03 1,E+05 1,E+07 0 Вязкость, Па*с 350 40 190 60 70 80 100 90 80 70 60 50 40 30 20 5 Растяжимость, см 100 1,E+10 Растяжимость, см РАСТЯЖИМОСТЬ Глубина проникания иглы, 0,1 мм Сцепление с каменным материалом (адгезия) Сцепление битума с каменным материалом - оценивается по методу кипячения Старение битума Характеризует стабильность его свойств во времени Масла Мальтены Смолы Асфальтены Свойство П25 По Изменение Уменьшаются Тр Увеличивается Тхр Увеличивается Оценка Допускается в пределах марки + - Технические требования Свойства 40/60 41-60 13 51 -10 40 П25 По, не менее Тр, не ниже Тхр, не выше Д25, не менее Сцепление Тв, не ниже Показатели для марок БНД: 60/90 90/130 130/200 200/300 61-90 91-130 131-200 201-300 20 28 35 45 47 43 39 35 -15 -17 -18 -20 50 60 65 – Выдерживает 200 Принципы выбора битума для применения в различных дорожно-климатических зонах ЮГ Тр БНД 40/60 СЕВЕР Тхр БНД 200/300 Производство вязких дорожных битумов Схемы производства вязких дорожных битумов на НПЗ Топливная Масляная Битумы Остаточные Окисленные Компаундированные ПРИРОДНЫЕ БИТУМЫ Природные битумы образовались из нефти в верхних слоях земной коры в результате медленного испарения из нее легких и средних фракций, природной деасфальтизации нефти, а также процессов взаимодействия ее компонентов с кислородом и серой. По своему химическому составу и свойствам сходны с нефтяными битумами. по вязкости: ПРИРОДНЫЕ БИТУМЫ ТВЕРДЫЕ ВЯЗКИЕ Асфальтиты Грегемиты Гильсониты Асфальты Кериты ЖИДКИЕ Мальты Месторождения природных битумов бывают: Пластовые Линзовые Жильные Поверхностные Известняки, доломиты, песчанники Пески, суглинки, супеси до 15 % 5 – 80 % По содержанию серы и кислорода: Природные битумы Высокосернистые Асфальтиты, асфальты, мальты Высококислородные Групповой состав: Мальты Асфальты Асфальтиты 25 15 37,8 42,8 55 20 30 55 19,4 Масла Смолы Асфальтены Масла Смолы Асфальтены Масла Смолы Асфальтены СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ Битумы r, г/см3 Тр, оС Асфальтиты 1,1 – 1,21 45 – 215 Асфальты 1,03 – 1,1 70 – 75 Мальты 0,96 – 1,03 20 – 40 П25 10 – 15 300 и более ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ ВЯЗКОСТЬ Цель: Снизить вязкость битумов и получить возможность работы без подогрева материалов. Вязкость, ПА*с 1,E+14 1,E+12 1,E+10 1,E+08 1,E+06 1,E+04 1,E+02 1,E+00 -20 20 60 100 140 180 о Температура, С ВЯЗКОСТЬ 1,E+14 Вязкость, Па*с Жидкий дорожный битум = Вязкий дорожный битум +Разжижитель. 1,E+12 1,E+10 1,E+08 1,E+06 1,E+04 1,E+02 1,E+00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Количество разжижителя, % Формирование свойств На начальной стадии эксплуатации разжижитель испаряется и в дальнейшем работает вязкий битум или близкий к нему по свойствам. Разжижитель Битум ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ КЛАССЫ СГ МГ Северные районы Южные районы МГО Классификация жидких битумов Класс жидкого битума зависит от качества разжижителя СГ – керосин, легкие нефти; МГ – соляровое масло, нефть, легкие гудроны и др. Классификация по вязкости: ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ 25/40 40/70 70/130 МАРКИ 130/200 Выбор марки зависит от вида производимых дорожных работ: 25/40 – уход за твердеющим бетоном, подгрунтовка оснований перед укладкой асфальтобетонных покрытий, посев трав при укреплении откосов. 40/70 – укрепление грунтов, смешение на месте, пропитка. 70/130 – приготовление холодного асфальтобетона. 130/200 – приготовление горячего асфальтобетона на полувязких битумах. Преимущества и недостатки жидких дорожных битумов. ПРЕИМУЩЕСТВА: Возможность работы без подогрева каменных материалов и грунтов; Увеличение времени на выполнение технологических операций по транспортированию, укладке и уплотнению холодных асфальтобетонных и битумоминеральных смесей; Увеличение продолжительности строительного сезона; Экономия до 10-15% битума. НЕДОСТАТКИ: Использование в качестве разжижителей дефицитных дорогих нефтепродуктов; Экологические аспекты (испаряясь разжижители неблагоприятно воздействуют на окружающую среду; Более низкие показатели строительно-технических свойств уплотненных смесей; Необходимость иметь вспомогательные и подсобные производства и цеха для приготовления жидких битумов. Ограничение движения транспорта на период формирования материалом своих свойств с регулированием движения автотранспорта (от 2-3 недель в зависимости от погодных условий). ДОРОЖНЫЕ ЭМУЛЬСИИ Цель: Снизить вязкость битумов и получить возможность работы без подогрева материалов. Битумная эмульсия = Вязкий дорожный битум + Вода + Эмульгатор. Формирование свойств На начальной стадии эксплуатации вода испаряется и в дальнейшем работает вязкий битум с эмульгатором. Вода Вязкий битум + эмульгатор Дисперсная система - эмульсия Вода - (дисперсионная среда) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Битум (дисперсная фаза) + + + + + + + + + + + КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМУЛЬСИЙ 1. По содержанию вяжущего: ЭМУЛЬСИИ Прямые Обратные (битум в воде) (вода в битуме) (до 47 % битума) от 50 до 80 % битума КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМУЛЬСИЙ 2. По качеству эмульгатора: ЭМУЛЬСИИ ЭБА Анионоактивные С основными горными породами ЭБК Катионоактивные С кислыми горными породами Дисперсная система Вода - (дисперсионная среда) - Битум (дисперсная фаза - - КЛАССИФИКАЦИЯ ЭМУЛЬСИЙ 3. По скорости распада: ЭМУЛЬСИИ ЭБК-1 ЭБК-2 ЭБК-3 Быстрораспадающиеся До 30 мин Среднераспадающиеся до 2 час Медленнораспадающиеся до 24 час Роль эмульгатора в битумной эмульсии 1. 2. 3. Позволяет получить дисперсную систему; Регулирует сцепление эмульгированного битума с каменным материалом; Регулирует время распада эмульсии. ПРОИЗВОДСТВО ЭМУЛЬСИЙ БИТУМ ВОДА ЭМУЛЬГАТОР ЭМУЛЬГИРУЮЩАЯ СМЕСЬ ДИСПЕРГАТОР БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ Преимущества и недостатки дорожных эмульсий 1. 2. 3. 4. 5. ПРЕИМУЩЕСТВА: Возможность работы без подогрева каменных материалов и грунтов; Увеличение времени на выполнение технологических операций по транспортированию, укладке и уплотнению холодных асфальтобетонных и битумоминеральных смесей ; Возможность работы с влажными материалами; Увеличение продолжительности строительного сезона; Экономия до 15-25% битума. НЕДОСТАТКИ: Эмульсия распадается; Эмульсию нельзя долго хранить; Эмульсию нельзя далеко (долго) возить; Необходимость иметь вспомогательные и подсобные производства и цеха для приготовления дорожных эмульсий. Необходимо ограничение движения транспорта на период формирования материалом своих свойств с регулированием движения автотранспорта (от 2-3 недель в зависимости от погодных условий).
