Слайд 1ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Профессор Котлярский Э.В. МАДИ (ГТУ)
Слайд 2Органические 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.
Слайд 3Обозначения
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.
Слайд 4КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
БИТУМЫ
Слайд 5Классификация 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.
Слайд 6БИТУМЫ
1. по вязкости
ТВЕРДЫЕ ВЯЗКИЕ
Слайд 7ТВЕРДЫЕ БИТУМЫ
СТРОИТЕЛЬНЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ
БН-IV БН-V
БНИ 60/90 БНИ 90/130
Дорожные Гидроизоляционные
БНД БН БНК
40/60 40/60 БНК-1 БНК-2
60/90 60/90
90/130 90/130
130/200 130/200
200/300 200/300
Слайд 9ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ
СГ
МГ МГО
25/40 40/70 70/130 130/200
Слайд 10ДЕГТИ
ДРЕВЕСНЫЕ КАМЕННОУГОЛЬНЫЕ ТОРФЯНЫЕ
Д-0
Д-1 Д-2 Д-3 Д-4 Д-5 Д-6 Д-7
ОБРАТНЫЕ
АНИОНОАКТИВНЫЕ КАТИОНОАКТИВНЫЕ ЭБА ЭБК
БЫСТРОРАСПАДАЮЩИЕСЯ
ЭБА-1 СРЕДНЕРАСПАДАЮЩИЕСЯ
ЭБК-1 ЭБА-2 МЕДЛЕННОРАСПАДАЮЩИЕСЯ
ЭБК-2 ЭБА-3
ЭБК-3
Слайд 12СОСТАВ 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
Углеводороды
Слайд 13ВЯЗКИЕ 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
Слайд 14СОСТАВ БИТУМОВ
Углеводороды Формула
Ароматические
CnH2n-6
Нафтеновые CnH2n
Метановые CnH2n+2
Гетероциклические (Содержат O, S, N)
Слайд 15Групповой состав
Группы углеводородов
%
Мальтены Масла 40 – 60
Смолы 20 – 40
Асфальтены 10 – 25
Карбены и карбоиды 1 – 3
Асфальтогеновые кислоты
и их ангидриды 1
Слайд 16Определения:
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
Слайд 17Нефтяной битум состоит из углеводородов различных классов и их неметаллических производных,
что зависит главным образом от состава нефти, из которой битум получен.
Состав нефтяных битумов
Слайд 18Углеводороды
Исходная нефть, являющаяся сырьем для получения битума и сами битумы включают
в себя в различном количественном соотношении:
ароматические,
нафтеновые,
метановые
и гетероциклические углеводороды и их производные.
Слайд 19Групповой 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%
Слайд 20Масла
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.
Слайд 21Смолы (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.
Слайд 22Асфальтены
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.
Слайд 23Карбены и карбоиды
- черные твердые вещества, содержащиеся, главным образом, в крекинг-битумах.
Они повышают вязкость, хрупкость и температурную устойчивость битума.
Слайд 24Асфальтогеновые 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.
Слайд 25Парафин
- 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.
Слайд 26Структура 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
Слайд 27Структура 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 парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов.
Твердые парафины могут образовывать вторую структурную сетку, кристаллизационную.
Слайд 28Структура 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.
Слайд 29Структура 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.
Слайд 31Показатели свойств битумов
разных типов
Слайд 32ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЗКИМ ДОРОЖНЫМ БИТУМАМ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ:
1). Теплоустойчивость при высоких летних температурах;
η ≥
ηmax
2). Трещиностойкость при низких зимних температурах;
η ≤ ηmin
3). Битум должен хорошо прилипать к каменным материалам;
4). Свойства битума должны быть стабильны во времени под действием эксплуатационных факторов.
η (T) = const
Слайд 33ТРЕБОВАНИЯ К ВЯЗКИМ ДОРОЖНЫМ БИТУМАМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ:
1). Хорошо смачивать и обволакивать каменные частицы
в процессе перемешивания;
2). При перемешивании иметь небольшую вязкость;
η > ηmin
3). При укладке и уплотнении битумоминеральных смесей вязкость битума должна средней.
ηmin > η > ηmax
Слайд 34Свойства битумов
Свойства твердых тел
Закон Гука
Упруго-вязко-пластические свойства
Интервал пластичности
(В интервале пластичности соблюдается условие: 0 < p < 1 ).
Свойства жидкостей
Закон Ньютона
to
Слайд 35Вязкость битумов
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:
τ = 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.
Слайд 37Показатели, 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.
Слайд 39Температура 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.
Слайд 41Показатели, моделирующие поведение битума в асфальтовом бетоне и битумоминеральных смесях
Растяжимость (дуктильность)
Растяжимость
(дуктильность)
Д25 , До
Слайд 43Сцепление с каменным материалом (адгезия)
Сцепление битума с каменным материалом - оценивается
Слайд 44Старение битума
Характеризует стабильность его свойств во времени
Масла
Мальтены
Смолы
Асфальтены
Свойство Изменение Оценка
П25 По Уменьшаются Допускается в
пределах марки
Тр Увеличивается +
Тхр Увеличивается -
Слайд 45Технические требования
Свойства
Показатели для марок БНД:
40/60 60/90 90/130 130/200 200/300
П25 41-60 61-90 91-130 131-200 201-300
По, не менее 13 20 28 35 45
Тр, не ниже 51 47 43 39 35
Тхр, не выше -10 -15 -17 -18 -20
Д25, не менее 40 50 60 65 –
Сцепление Выдерживает
Тв, не ниже 200
Принципы выбора битума для применения в различных дорожно-климатических зонах
ЮГ Тр БНД 40/60
СЕВЕР Тхр БНД 200/300
Слайд 46Производство вязких дорожных
битумов
Схемы производства
вязких дорожных битумов на НПЗ
Топливная
Масляная
Битумы
Остаточные Окисленные Компаундированные
Слайд 47ПРИРОДНЫЕ 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 ЖИДКИЕ
Асфальтиты Асфальты Мальты
Грегемиты Гильсониты Кериты
Слайд 48Месторождения природных битумов бывают:
Пластовые Линзовые Жильные Поверхностные
Известняки, Пески,
доломиты, суглинки,
песчанники супеси
Слайд 49По содержанию серы и кислорода:
Природные битумы
Высокосернистые Высококислородные
Асфальтиты,
асфальты,
мальты
Слайд 51СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ БИТУМОВ
Битумы ρ, г/см3
Тр, оС П25
Асфальтиты 1,1 – 1,21 45 – 215
Асфальты 1,03 – 1,1 70 – 75 10 – 15
Мальты 0,96 – 1,03 20 – 40 300
и более
Слайд 52ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ
Цель: Снизить вязкость битумов и получить возможность работы без
подогрева материалов.
Жидкий дорожный битум =
Вязкий дорожный битум +Разжижитель.
Слайд 53Формирование свойств
На начальной стадии эксплуатации разжижитель испаряется и в даль-нейшем работает
вязкий битум или близкий к нему по свойствам.
Разжижитель
Битум
Слайд 54ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ
КЛАССЫ
СГ
МГ МГО
Северные Южные
районы районы
Слайд 55Классификация жидких битумов
Класс жидкого битума зависит от качества разжижителя
СГ – керосин,
легкие нефти;
МГ – соляровое масло, нефть,
легкие гудроны и др.
Слайд 56Классификация по вязкости:
ЖИДКИЕ ДОРОЖНЫЕ БИТУМЫ
25/40 40/70
70/130 130/200
МАРКИ
Слайд 57Выбор 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.
Слайд 58Преимущества и недостатки
жидких дорожных битумов.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
Возможность работы без подогрева каменных материалов и
грунтов;
Увеличение времени на выполнение техноло-гических операций по транспортированию, укладке и уплотнению холодных асфальто-бетонных и битумоминеральных смесей;
Увеличение продолжительности строительного сезона;
Экономия до 10-15% битума.
Слайд 59 НЕДОСТАТКИ:
Использование в качестве разжижителей дефицитных дорогих нефтепродуктов;
Экологические
аспекты (испаряясь разжижители небла-гоприятно 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).
Слайд 60ДОРОЖНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
Цель: Снизить вязкость битумов и получить возможность работы без подогрева
материалов.
Битумная эмульсия = Вязкий дорожный битум + Вода + Эмульгатор.
Слайд 61Формирование свойств
На начальной стадии эксплуатации вода испаряется и в дальнейшем работает
вязкий битум с эмульгатором.
Вода
Слайд 62Дисперсная система - эмульсия
Вода - (дисперсионная среда)
+ + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + + +
+ +
Битум (дисперсная фаза)
Слайд 63КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭМУЛЬСИЙ
По содержанию вяжущего:
Э М У Л Ь С И И
Прямые Обратные
(битум в воде) (вода в битуме)
(до 47 % битума) от 50 до 80 % битума
Слайд 64КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭМУЛЬСИЙ
2. По качеству эмульгатора:
Э М У Л Ь С И И
ЭБА ЭБК
Анионоактивные Катионоактивные
С основными С кислыми горными
горными породами породами
Слайд 65Дисперсная система
Вода - (дисперсионная среда)
- - - -
- - - -
- - - -
- - - -
- - - -
- - - -
Битум (дисперсная фаза
Слайд 66КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭМУЛЬСИЙ
3. По скорости распада:
ЭМУЛЬСИИ
ЭБК-1 ЭБК-2 ЭБК-3
Быстрораспадающиеся
До 30 мин Среднераспадающиеся
до 2 час Медленнораспадающиеся
до 24 час
Слайд 67Роль эмульгатора в битумной
эмульсии
Позволяет получить дисперсную систему;
Регулирует сцепление эмульгирован-ного битума с
каменным материалом;
Регулирует время распада эмульсии.
Слайд 68
ПРОИЗВОДСТВО ЭМУЛЬСИЙ
БИТУМ
ВОДА ЭМУЛЬГАТОР
ЭМУЛЬГИРУЮЩАЯ СМЕСЬ
ДИСПЕРГАТОР
БИТУМНАЯ ЭМУЛЬСИЯ
Слайд 69Преимущества и недостатки
дорожных эмульсий
ПРЕИМУЩЕСТВА:
Возможность работы без подогрева каменных материалов и грунтов;
Увеличение
времени на выполнение техноло-гических операций по транспортированию, ук-ладке и уплотнению холодных асфальто-бетонных и битумоминеральных смесей ;
Возможность работы с влажными материа-лами;
Увеличение продолжительности строительного сезона;
Экономия до 15-25% битума.
Слайд 70НЕДОСТАТКИ:
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).