Битумные вяжущие вещества
МИНОБРНАУКИ РФ
Федеральное
государственное бюджетное
учреждение
высшего профессионального
Тульский государственный университет
Кафедра: «Строительство, строительные материалы и конструкции»
Контрольная работа заочника
по дисциплине:
«Строительные материалы и
Выполнил: студент группы б360822в |
|
Проверил: к.т.н. доцент |
|
Тула 2013 г.
Оглавление
1. Битумные вяжущие вещества 3
1.1 Состав и строение битумов 3
1.2 Свойства битумов 4
1.3 Производство битумов 6
1.4 МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ 8
2. Подбор состава тяжелого бетона 11
Список литературы 13
1. Битумные вяжущие вещества
1.1 Состав и строение битумов
Битумы относятся к наиболее распространенным
органическим
вяжущим веществам.
Природные битумы (вязкие и жидкие)
встречаются как в чистом виде,
так и в «битуминозных» породах.
Битуминозными или асфальтовыми
породами называют горные породы (известняки
или песчаники), которые пропитаны
природными битумами. Они образовались
в земной коре в результате длительных
процессов окисления и
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 асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СС4 и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. 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 и асфальгенов. 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 (рис.1). 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 для вязких битумов при повышенных температурах (рис.1а). При большом количестве мицелл они контактируют между собой, образуя мицеллярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при высокой температуре (рис.1б).
Рис.1. Схема структуры битума: а) жидкого; б) твердого; 1 - мицелла;
2 - раствор смол в маслах; 3 - асфальтены (ядро мицеллы размером 18...28 мкм); 4 - смолы (оболочка мицеллы)
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 (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.); эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.
1.2 Свойства битумов
Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготавливаемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.
Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м·°С); теплоемкость- 1,8-1,97 кДж/ кг·°С . Коэффициент объемного теплового расширения, причем более при 25°С находится в пределах от 5·10-4 до 8·10-40 С-1, причем вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения. Устойчивость при нагревании характеризуется: потерей массы при нагревании пробы битума при 160 °С в терении 5 ч (не более 1%) и температурой вспышки (230-240 °С в зависимости от марки).
Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.
Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и сго сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са2+ и Мg2+ .
Старение - процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.
Реологические свойства битума зависят от группового состава, строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др.
Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. Битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксиды азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др.
Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью.
Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра) прибора - пенетрометра.
Температуру размягчения определяют
на приборе "кольцо и шар", помещаемом
в сосуд с водой; она соответствует той
температуре нагреваемой воды, при которой
металлический шарик под действием собственной
массы проходит через кольцо, заполненное
испытуемым
битумом.
Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума ("восьмерки") при температуре 25°С, определяемым на приборе - дуктилометре.
Марку битума
выбирают в зависимости от назначения.
По назначению различают битумы строительные,
кровельные и дорожные.
Основные требования, предъявляемые к
строительным и кровельным
битумам, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства нефтяных битумов
Марка битума |
Температура раз- мучения (°С), не ниже |
Глубина проникания иглы при 25 С, 10мм |
Растяжимость (см при 25°С, не менее |
Строительные битумы | |||
БН 50/50 |
50 |
41-60 |
40 |
БН 70/30 |
70 |
2140 |
3 |
БН 90/10 |
90 |
5-20 |
1 |
Кровельные битумы | |||
БНК 45/180 |
40-45 |
140-220 |
не формируется |
БНК 90/40 |
85-95 |
3545 |
“ |
БНК 90/30 |
85-95 |
25-35 |
“ |
1.3 Производство битумов
Основным сырьём для производства битума в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.
Различают три основных
1. Концентрированием
нефтяных остатков путём
2. Окислением
кислородом воздуха различных
нефтяных остатков и их
Основным процессом
Аппараты, используемые в производстве
битумов – трубчатые реактора
или окислительные колонны.
3. Смешением
различных окисленных и
Остаточные битумы – мягкие легкоплавкие продукты, окисленные – эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг-остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства.
Технология
Остаточные битумы вырабатывают из
мазутов с высокой
Более
подробно остановимся на
Чем
выше температура, тем быстрее
протекает процесс окисления,
но при слишком высокой
Чем
больше расход воздуха, тем
меньше требуется времени на
окисление. При чрезмерно
Давление
в зоне реакции при его
Принципиальная схема получения окисленного битума показана на рисунке 2.
Рис.2. Принципиальная схема установки получения окисленных битумов
1 – окислительная колонна; 2 – отпарная колонна (промежуточный сепаратор); 3 – сборник соляра (сепаратор); 4 – скруббер; 5 – печь; 6 – теплообменник; 7 – насосы; потоки: I - гудрон, II – лёгкие продукты окисления с отработанным воздухом, III – битум на отпарку, IV – готовый битум, V – пары стабилизации битума, VI – отработанный воздух, VII – очищенный отработанный воздух, VIII – свежий воздух, IX - соляр, X - вода, XI – загрязнённая нефтепродуктом вода, XII – водяной пар, XIII – рециркулят
Основным
аппаратом является
Технологический режим процесса следующий:
температура, °С:
сырья на выходе из печи …………………… 180 – 250
в
окислительной колонне, не
битума на выходе из холодильника ……….. 170 – 200
налива битума в цистерны …………………. 170 – 180
давление в окислительной колонне, МПа …….. 0,3 – 08
расход воздуха, м3 / т битума ………………….. 50 – 400
тепловой эффект процесса, кДж / кг битума ….. 168 – 502
содержание кислорода в газообразных
продуктах окисления, % …………… 3 -11
отношение рециркулят : сырьё ………………… 6 : 1
Наконец, третий способ
Технологический режим такой установки:
температура, 0С:
сырья на входе в установку ……………………. 100 – 120
окисления в реакторах …………………………. 260
битума после холодильников ………………….. 170
давление, МПа:
воздуха на входе в смесители ………………….. 0,9
смеси на входе в реактора ……………………… 0,8
расход воздуха, м3 / м3 продукта …………………… 100 – 150
отношение рециркулят : сырьё ………………………. 6 : 1
Мощность установок
Вязкие природные битумы получают
путем извлечения их из известняков,
доломитов или песчаников, пропитанных
природными битумами. Природные битумы
по ряду показателей их свойств (погодоустойчивости,
высокой адгезии) превосходят нефтяные.
Применение природных битумов в
строительстве ограничивается высокой
стоимостью и относительно малым
объемом их производства. Вязкие природные
битумы используются главным образом
в химической и лакокрасочной
промышленности. При переработке
асфальтовых горных пород могут
быть получены асфальтовый порошок,
асфальтовая мастика или
К недостаткам природных и
В строительстве в качестве природных жидких битумов используются тяжелые, высокосмолистые нефти.
1.4 МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ
Основное применение битумные вяжущие вещества получили при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов.
Рулонные материалы. Кровлю из рулонных материалов делают из нескольких слоев, составляющих кровельный ковер. В низ ковра укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний слой устраивают из покровных материалов, имеющих слой из тугоплавкового битума (дегтя) и посыпку: крупнозернистую (К), мелкозернистую (М) или пылевидную (П). Допускается выпуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (РКЧ).
Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Основные материалы изготовляют путем обработки основы (кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани и др.) битумами, дегтями и их смесями. Безосновные получают в виде полотнищ определенной толщины, применяя прокатку смесей, составленных из органического вяжущего (чаще битума), наполнителя (минерального порошка или измельченной резины) и добавок (антисептика, пластификатора) .
Рубероид изготовляют, пропитывая кровельный картон расплавленным легкоплавким битумом с последующим покрытием с одной или с обеих сторон тугоплавким нефтяным битумом с наполнителем и посыпкой. Кровельный картон получают из тряпья, бумажной макулатуры и древесной целлюлозы. Крупнозернистая цветная посыпка не только повышает атмосферостойкость рубероида, но и придает ему привлекательный вид. Производство рубероида включает: подогрев пропиточной и покровной массы до 180 — 200°С; пропитку полотна картона в пропиточной ванне; отжим валками машины излишнего битума;
рис. 3. Схема рубероидной машины:
1 - бобины картона; 2 - размоточный станок; 3 – сушильный станок; 4 – магазин запаса картона; 5 - сушильные цилиндры; 6 - пропиточная ванна; 7-10 - отжимные вальцы: 8 - камера допропитки; 9 - покровная ванна; 11-13 - посыпочные бункера; 14 — холодильные барабаны; 14 - намоточный станок
рис. 4. Устройство изоляции из наплавляемою рубероида на горизонтальной поверхности с помощью огневых форсунок
протягивание пропитанного картона через другую ванну более тугоплавким битумом для нанесения покровного слоя; посыпку минеральным порошком или другим посыпочным материалом с одной или обеих сторон; охлаждение материала на цилиндрах водой или с помощью иного устройства; резку ленты на куски стандартной длины и считывания их в рулоны (рис.3).
Рубероид подвержен гниению в этом его недостаток, поэтому освоено производство антисептированного рубероида.
Для районов с холодным климатом выпускают рубероид РЭМ-350 с эластичным покровным слоем битума, модифицированным полимерами. Добавка полимера снижает температуру хрупкости покровного битума до — 50'С. Долговечность кровли увеличивается в 1,5 — 2 раза; рубероид с эластичным покровным слоем обладает повышенной погодоустойчивостью.
Направляемый рубероид. Его главное преимущество в том, что при устройстве кровли наклейка осуществляется без применения кровельной мастики — расплавлением утолщенного нижнего, покровного слоя (пламенем горелки или другим способом). В результате удешевляются кровельные работы, улучшаются условия труда (рис.4) и повышается на 50 % производительность труда.
Пергамин - рулонный беспокровный материал, получаемый пропиткой кровельного картона расплавленным нефтяным битумом с температурой размягчения не ниже 40°С. Является подкладочным материалом под рубероид и используется для пароизоляции.
Стеклорубероид и стекловойлок - рулонные материалы, получаемые путем двухстороннего нанесения битумного (битумно-резинового или битумно-полимерного) вяжущего на стекловолокнистый холст или на стекловойлок и покрытия с одной или двух сторон сплошным слоем посыпки. Применяют стеклорубероид для верхнего и нижних слоев кровельного ковра и для оклеенной гидроизоляция, Сочетание биостойкой основы и пропитки с повышенными физико-механическими свойствами позволило получить стеклорубероид долговечностью около 30 лет.
Гидростеклоизол - гидроизоляционный рулонный материал, предназначенный для гидроизоляция железобетонных обделок тоннелей (марка Т), пролетных строений мостов, путепроводов и других инженерных сооружений (марка М). Гидростеклоизол состоит из стеклоосновы (тканой или нетканой сетчатой, дублированной стеклохолстом), покрытой с обеих сторон слоем битумной массы, составленной из битума, минерального наполнителя (около 20 %): молотого талька, магнезита и пластификатора. Рулон длиной 10 м имеет ширину 0,85-1,15 м. Гидростеклоизол наклеивают без применения мастик - равномерным оплавлением его поверхности пламенем газовоздушной горелки, не допускаю сосредоточенного нагрева всей толщины гидроизоляционного слоя.
Асфальтовые армированные маты получают путем покрытия предварительно пропитанной стеклоткани с обеих сторон гидроизоляционной битумной мастикой. Используют для оклеенной гидроизоляция и уплотнения деформационных швов.
Фольгоизол — рулонный двухслойный материал из топкой рифленой или гладкой алюминиевой фольги, покрытой с нижней стороны защитным битумно-резиновым составом. Он предназначен для устройства кровель и паро-гидроизоляции зданий и сооружений, герметизации стыков. Длина рулона 10 м, ширина 1 м. Внешняя поверхность фольгоизола может быть окрашена в различные цвета атмосферостойкими лаками. Фольгоизол — долговечный материал, не требующий ухода в течение всего периода его эксплуатации.
Фольгорубероид — гидроизоляционный материал из алюминиевой фольги, покрытой с обеих сторон битумной мастикой, выпускают двух марок, отличающихся толщиной алюминиевой фольги. Он имеет высокую прочность на разрыв и долговечность. Применяют для гидроизоляции подземных и гидротехнических сооружений.
Гидроизол — рулонный беспокровный гидроизоляционный материал, полученный путем пропитки асбестового картона нефтяным битумом. Он предназначается для устройства гидроизоляционного слоя в подземных и гидротехнических сооружениях, а также для защитного противокоррозионного покрытия.
Изол и бризол не имеют специальной основы в виде картона или ткани, ее роль выполняют волокна асбеста, вводимые в битумно-резиновое вяжущее в качестве дисперсной арматуры.
Бризол изготовляют, прокатывая массу, полученную смешиванием нефтяного битума, дробленой резины (от изношенных автопокрышек), асбестового волокна и пластификатора. Бризол стоек к серной кислоте при концентрации до 40% и к соляной кислоте при концентрации до 20% и температуре до 60°С. Его применяют для защиты от коррозии подземных металлических конструкций и трубопроводов. Приклеивают к поверхности битумно-резиновой мастикой.
Изол — безосновный рулонный гидроизоляционный и кровельный материал, изготовляемый прокаткой резинобитумной композиции, полученной термомеханической обработкой девулканизированной резины, нефтяного битума, минерального наполнителя, антисептика и пластификатора. Изол долговечнее рубероида более чем в 2 раза, эластичен, биостоек, незначительно поглощает влагу. Его выпускают в рулонах шириной 800 и 1000 мм, толщиной 2 мм общей площадью полотна 10 — 15 м2. Изол применяют для гидроизоляция гидротехнических сооружений, бассейнов, резервуаров, подвалов, антикоррозионной защиты трубопроводов, для покрытия двух- и трехслойных пологих и плоских кровель. Приклеивают изол холодной или горячей мастикой с тем же названием.
Также битумные вяжущие вещества используют при производстве мастик, эмульсий, лакокрасочных покрытий и асфальтовых бетонов и растворов.
2. Подбор состава тяжелого бетона
Подбор состава тяжелого бетона марки Rб=20МПа; подвижность бетонной смеси ОК=3-4 см.
Характеристики исходных материалов: портландцемент активностью Rц=35МПа, насыпная плотность цемента ρн.ц.=1200 кг/м3, насыпная плотность кварцевого песка ρн.п.=1500 кг/м3, гранитного щебня ρн.щ.=1600 кг/м3, их истинная плотность ρц=3100 кг/м3, ρп=2630 кг/м3, ρщ=2800 кг/м3, пустотность щебня Vп.щ.=0,42, наибольшая крупность зерен щебня Днаиб=40 мм, влажность песка Wп= 3%, влажность щебня Wщ=2%.
Подбор состава:
- Водоцементное отношение определяем по формуле:
Rб=А Rц(Ц/В-0,5)
После преобразования отношение В/Ц формула примет вид:
В/Ц=А Rц/( Rб+0,5А Rц)=0,65·35/(20+0,5·0,65·35)=
Значение А=0,65 выбираем по табл. 9.1 [4] как для высококачественных материалов.
- Расход воды на 1 м3 бетонной смеси определяем по табл. 9.2 [4], учитывая заданную осадку конуса бетонной смеси ОК=3-4 см. Для получения крупного заполнителя щебня с наибольшей крупностью зерен 40 мм, расход воды на 1 м3 бетонной смеси должен составлять В=175 кг.
- Расход цемента на 1 м3 бетона:
Ц=В/(В/Ц)=175/0,725=241,38 кг.
- Расход щебня в сухом состоянии на 1 м3 бетона
Щ=1/( Vп.щ.·α/ ρн.щ.+1/ ρщ)=1/(0,42·1,335/1600+1/2800)
Значение коэффициента раздвижки зерен α=1,335 выбрано по табл. 9.3[4].
- Расход песка в сухом состоянии на 1 м3 бетона:
