Битумные и дегтевые вяжущие вещества и материалы на их основе

Битумные и дегтевые вяжущие вещества наряду с полимерами и органическими клеями образуют группу органических вяжущих веществ. На основе этих вяжущих производят большое количество материалов и изделий для строительства: асфальтовые бетоны и растворы рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы мастики пасты эмульсии и некоторые лаки.

Битумные материалы могут быть как природные встречающиеся в виде отдельных скоплений или чаще пропитывающие горные породы так и искусственные получаемые при переработке нефти. Дегтевые — искусственные материалы, получаемые в заводских условиях при сухой перегонке твердых видов топлива. Различают следующие группы битумных и дегтевых вяжущих веществ: битумные состоящие из нефтяных битумов или из сплавов нефтяных и природных битумов; дегтевые — каменноугольные или сланцевые или сплавы дегтевых масел с пеками; смешанного вида — гудрокамовые (продукты совместного окисления каменноугольных масел и нефтяного гудрона); дегтеи битумополимерные содержащие нефтяные битумы или каменноугольные дегтевые вещества и полимеры. Битумные и дегтевые вяжущие имеют темно-коричневый или черный цвет поэтому их часто называют «черными вяжущими». Наиболее широкое применение в строительстве и производстве строительных материалов получили битумные вяжущие и особенно нефтяные битумы которые в нашей стране по объему выпуска среди остальных органических вяжущих занимали первое место. Дегтевые материалы применяют ограниченно так как большинство их служит сырьем для получения разных ценных химических продуктов. К тому же дегтевые вяжущие и материалы на их основе в условиях эксплуатации (под влиянием влаги кислорода воздуха солнечной радиации) сравнительно быстро «стареют» становясь хрупкими и малопрочными обладают неприятным запахом и выделяют вредные для здоровья вещества. В настоящее время битумные и дегтевые вяжущие широко используют в строительстве для изготовления асфальтобетона кровельных и гидроизоляционных материалов гидроизоляционных мастик и т. п.

Битум и его свойства и области применения

В процессе сухой перегонки (без доступа воздуха) каменного или бурого угля сланца дерева торфа и других органических веществ с целью получения кокса полукокса газа и т. п. образуются летучие вещества которые после конденсации (сгущения) образуют вязкие жидкости называемые соответственно каменноугольными буроугольными сланцевыми торфяными древесными дегтями. Наиболее широкое применение в строительстве получили каменноугольные дегти обладающие более высокими строительными свойствами чем другие дегти. Различают сырые и отогнанные каменноугольные дегти.

Химический состав дегтя сложен он включает более 200 различных органических соединений в основном углеводородов преимущественно ароматического ряда и их неметаллических производных т. е. соединений углеводородов с кислородом азотом и серой. Эти соединения в дегте образуют сложную дисперсную систему в которой свободный углерод и твердые смолы ограниченно растворимые в дегтевых маслах являются дисперсной фазой, а масла — дисперсионной средой. Стабильность этой системы нарушается при изменении оптимальных условий (например при испарении легких фракций) что сказывается на изменении важных строительно-технических свойств материалов и изделий на их основе.

Сырые дегти — низкои высокотемпературные получают при полукоксовании и коксовании каменных углей соответственно при 500…700 и 900…1100°С. Они представляют собой маслянистые жидкости темного цвета с характерным запахом обусловленным содержанием в них фенолов и нафталина. Сырые дегти содержат значительное количество летучих веществ, а также соединений растворимых и вымываемых водой которые понижают их погодоустойчивость. Поэтому сырые дегти непосредственно для производства строительных материалов не применяют.

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам. 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 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. 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 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 повышенных температурах. При большом количестве мицелл они контактируют между собой образуя мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при высокой температуре.

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 для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст. битум дегтевый асфальтен Свойства дегтей в основном те же что и у битумов, но они отличаются меньшей теплои погодоустойчивостью. Неустойчивость дегтей к процессам старения (низкая погодоустойчивость) связана с испарением летучих составляющих из дегтя даже при слабом нагревании (например на солнце) а также и с тем что многие соединения в нем являются ненасыщенными и поэтому легко вступают в химическое взаимодействие с веществами внешней среды изменяя свой состав и структуру что приводит к появлению хрупкости и растрескиванию.