Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ БИТУМА
Методические указания
к лабораторным работам
Томск 2006
УДК 665.637
Пименова свойств битума: Методические указания / , . Томск: Изд-во Томского архитектурно-строительного университета, 2006.-21 с.
Рецензент профессор
Редактор
Методические указания предназначены для студентов всех специальностей направления «Строительство» дневной, заочной и дистанционной формы обучения, при изучении дисциплины «Материаловедение».
Печатается по решению методического семинара кафедры строительных материалов и изделий № 2 от 01.01.2001 г.
Утверждены и введены в действие: проректором по учебной работе .
с 01.01.2007
до 01.01.2012
Изд. лиц. № 000 от 31.10.97. Подписано в печать. Формат 60х90/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Печать офсет. Уч.-изд. л. Тираж 200 экз.
Заказ №________
Изд-во ТГАСУ, г. Томск, пл. Соляная, 2
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИТУМАХ
Битумы - органические вяжущие вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Для битумов характерно хорошее сцепление с минеральными материалами, стойкость к воде, растворам кислот и щелочей. При нагревании битумы обратимо переходят ввязкотекучее состояние. Битумы способны разжижаться органическими растворителями и загустевать при их испарении.
В зависимости от происхождения битумы подразделяют на природные и искусственные. В строительстве используются преимущественно искусственные нефтяные битумы, получаемые из остатков перегонки нефти. В зависимости от консистенции битумы подразделяют на твердые, вязкие и жидкие.
Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных органических веществ. Основные химические элементы, входящие в состав битумов: углерод (70-87%), водород (8-12%), сера (0,5-7%), кислород (0,2-12%), азот (0-2%). Эти элементы в виде различных комбинаций образуют вещества, которые условно можно выделить в следующие группы: масла, смолы, асфальтены, карбены, карбоиды, парафины.
Масла – жидкая часть битума, вязкотекучие вещества. Они легче воды – их относительная плотность менее 1. Масла - это смесь углеводородов: предельных (Сn H2n+2), циклических (Сn H2n ) и ароматических (Сn H2n -6). Их молекулярная масса лежит в пределах 300-600. Они растворимы в ацетоне, эфире, бензине, бензоле. Масла придают битумам подвижность и текучесть. Содержание масел в битумах лежит в пределах от 35 до 60%.
|
Благодаря этому смолы обеспечивают адгезию битума к различным материалам. Вяжущие свойства и пластичность битума обусловлены именно наличием смол. Содержание смол в битуме лежит в пределах от 20% до 40%.
Асфальтены – твердые хрупкие вещества с относительной плотностью более 1 и молекулярной массой . Асфальтены не плавятся при нагревании и растворяются лишь в горячем бензоле, в бензине они нерастворимы. Асфальтены придают битумам твердость и теплостойкость. Их содержание в битуме лежит в пределах от 10% до 40%.
Масла, смолы и асфальтены – это основные компоненты, от их соотношения зависят строительно-технические свойства битума.
Кроме того, в битумах содержатся карбены и карбоиды в количестве 1-3%. Это углистые неплавкие и нерастворимые вещества, ухудшающие качества битума, поскольку уменьшают его пластичность. Другими нежелательными компонентами битума являются парафины – они не только снижают пластичность, но и ухудшают адгезию. Содержание парафинов в битуме может достигать 6-8%.
По структуре битум представляет собой коллоидную систему: дисперсионной средой являются масла, а дисперсной фазой - мельчайшие коллоидные частицы. Каждая коллоидная частица имеет ядро из асфальтенов размером 18-20 мкм, окруженное тонкой оболочкой смол. Коллоидные частицы взаимодействуют между собой через прослойку масел – чем толще эта прослойка, тем слабее взаимодействие, что отражается на консистенции битумов.
Под влиянием солнечной радиации, высоких температур, кислорода воздуха групповой состав битумов постепенно изменяется за счет химического перехода масел в смолы, смол - в асфальтены, а асфальтенов – в карбены.
Основными характеристиками, определяющими качество битумов и их назначение, являются вязкость, пластичность, теплостойкость, пожароопасность, адгезионная способность. В зависимости от назначения битумы подразделяют на общестроительные, дорожные, кровельные, изоляционные. Марки битумов в соответствии с их показателями качества приведены в Приложении.
2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель настоящей работы – освоить методы испытания битумов, изучить их свойства, познакомиться с требованиями, предъявляемыми к ним, сделать заключение о марке испытуемого битума.
3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Для достижения поставленной в работе цели нужно определить следующие характеристики битума:*)
- глубину проникания стандартной иглы в битум (пенетрацию);
- стабильность битума при продолжительном прогреве;
- растяжимость (дуктильность);
- температуру размягчения.
_____________________________________________________
*) – Испытания проводятся на предварительно обезвоженном и очищенном от механических примесей битуме. Все операции по подготовке битума производятся лаборантами заблаговременно.
4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Определение глубины проникания
стандартной иглы в битум
Для проведения испытания требуется:
- битум;
- металлическая чашка;
- пенетрометр;
- кристаллизатор с водой для термостатирования образцов;
- секундомер;
- ветошь, смоченная в бензине.
- термометр химический с ценой деления 1 оС и шкалой 0…+100 оС;
Глубина проникания иглы в битум (пенетрация) - условная величина, характеризующая вязкость и твердость битума. Испытание заключается в измерении глубины погружения иглы в образец битума при температуре + 25 оС в течение 5 с под нагрузкой 100 г. Глубину проникания определяют при помощи прибора пенетрометра.
Прибор (рис. 1) состоит из металлического штатива (1), укрепленного на подставке (2), на этой же подставке помещен столик (3). На штативе имеется металлический кронштейн, состоящий из двух частей. В верхней части (5) установлен циферблат (10) разделенный на 360о со стрелкой, которая передвигается по циферблату в зависимости от передвижения вверх или вниз зубчатой рейки (6). В нижней части кронштейна (7) при помощи стопорной кнопки (4) укреплен подвижный стержень - иглодержас иглой (9). На стержень надет цилиндрический груз.
Масса иглодержателя с иглой и грузом – 100+0,25 г. Для проведения испытания расплавленную пробу битума заливают в металлическую чашку на высоту не менее 30 мм и охлаждают на воздухе до температуры 18…20 °С. Затем чашку с битумом выдерживают в течение одного часа в ванне с водой при температуре 25 °С. (Подготовка пробы для испытания производится лаборантам заблаговременно, а студенты получают готовую пробу).
Испытание производят в следующем порядке:
Чашку с битумом переносят в кристаллизатор, заполненный водой с температурой +25 +1 °С. Уровень воды над битумом должен быть не менее 10 мм.
Кристаллизатор устанавливают на столик прибора, иглу прибора приводят в соприкосновение с поверхностью битума, зубчатую рейку опускают до верхнего края иглодержателя, ставят стрелку на нулевое деление циферблата или отмечают положение стрелки на циферблате до погружения иглы в битум и данные заносят в табл. 1. После этого включают секундомер и одновременно нажимают кнопку прибора, давая игле свободно погружаться в битум в течение 5 с. По истечении 5 с кнопку отпускают. Зубчатую рейку вновь доводят до верхнего конца иглодержателя и отмечают положение стрелки на циферблате после погружения иглы в битум, данные заносят в табл. 1.
Перемещение стрелки циферблата в угловых градусах характеризует глубину проникания иглы. Каждый угловой градус соответствует глубине проникания иглы в 0,1 мм. Например, если перемещение стрелки равно 40 градусам, то это значит, что игла проникла в битум на 4 мм. Определение производят в трех различных точках образца битума и берут среднее арифметическое значение из трех измерений. Иглу прибора после каждого погружения в битум необходимо протирать ветошью, смоченной в бензине.
Таблица 1
№ опыта | Показание стрелки на циферблате, град. | Глубина проникания иглы в битум | Среднеарифметическое значение глубины проникания иглы в битум, град. | ||
до погружения иглы | после погружения иглы | град. | мм | ||
1 2 3 |
Для перехода от глубина проникания иглы к динамической вязкости битума можно пользоваться формулой Зааля:
,
где 
- динамическая вязкость, Па∙с; П - глубина проникания иглы в битум, выраженная в десятых долях миллиметра.
4.2. Определение стабильности битума
при продолжительном прогреве
При продолжительном нагревании битума часть легких фракций может улетучиться, в связи с чем свойства битума изменяются. Степень изменения свойств зависит от продолжительности нагрева, температуры, возможности вовлечения воздуха и других факторов. Поэтому при оценке качества битума определяют стабильность свойств при длительном нагреве. Стабильность оценивается по изменению таких качественных показателей, как изменение массы и глубины проникания иглы в остаток битума после прогрева при 163 оС в течение 5 часов.
Для проведения испытаний требуется:
- битум;
- металлическая чашка;
- шкаф сушильный с терморегулятором, поддерживающий температуру с точностью до +1 оС;
- термометр лабораторный с ценой деления 1 до 200 оС;
- эксикатор;
- весы технические лабораторные с разновесами;
- пенетрометр;
- кристаллизатор с водой для термостатирования образцов;
- секундомер;
- ветошь, смоченная в бензине.
Тщательно вымытые чашки помещают не менее чем на 30 мин в сушильный шкаф при 105±1 °С. Затем чашки охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают с точностью до 0,01 г.
4.2.1. Определение изменения массы
Пробу расплавленного битума наливают в металлическую чашку и, осторожно наклоняя её, распределяют битум по дну слоем приблизительно 4 мм.
После охлаждения битума до комнатной температуры в эксикаторе пробу взвешивают с точностью до 0,01 г. Взвешенную пробу устанавливают на горизонтальную решетку сушильного шкафа, предварительно подогретого до 163±1 °С. Температуру контролируют термометром, ртутный резервуар которого находится на уровне чашки. Во время испытания сушильный шкаф не открывают. Прогрев битума продолжают 5 ч. Так как при установлении проб температура сушильного шкафа понижается, то 5 ч отсчитывают от момента достижения 163 °С. Время достижения заданной температуры не должно превышать 15 мин.
По истечении 5 ч чашку с битумом вынимают из сушильного шкафа и устанавливают в эксикатор. После охлаждения до комнатной температуры взвешивают с точностью до 0,01 г.
Изменение массы битума после прогрева (X) в процентах вычисляют по формуле
где G - масса чашки с битумом до прогрева, г;
G1 - масса чашки с битумом после прогрева, г;
G0 - масса пустой чашки, г.
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений.
Допускаемые расхождения между двумя параллельными определениями не должны превышать величин, указанных в табл. 2.
Таблица 2
Изменение массы, % | Допускаемые расхождения, % |
До 0,2 Св. 0,2 до 1,0 Св. 1,0 | 0,05 0,10 0,16 |
4.2.2. Определения степени изменения
глубины проникания иглы
Битум в достаточном количестве прогревают в течение 5 ч при 163 оС по методике, описанной выше. Затем расплавляют его до подвижного состояния и заливают в металлическую чашку на высоту не менее 30 мм, охлаждают до комнатной температуры и выдерживают не менее 1 ч в кристаллизаторе с водой при 25 оС.
Глубину проникания иглы в битум определяют по методике, изложенной в п. 4.1.
Степень изменения глубины проникания иглы в битум после прогрева при температуре 163 оС за 5 ч определяют по формyле:
где П1 - глубина проникания иглы до испытания нагревом, град.; П2 - глубина проникания иглы после испытания нагревом, град.
4.3. Определение температуры размягчения битума
Температура размягчения характеризует теплостойкость битума: переход его из упругопластичного в вязкотекучее состояние; при этой температуре битум утрачивает свои клеящие свойства.
Испытание проводят на приборе «кольцо и шар» (рис. 2). Оно заключается в определении температуры, при которой битум, находящийся в кольце заданных размеров, размягчается и под действием веса стандртного металлического шарика выдавливается на определенную глубину.
Для проведения испытания расплавленный битум заливается в два кольца прибора. Кольца при заливке устанавливают в горизонтальное положение на стеклянной пластинке, покрытой тонким слоем талька с глицерином. Битум заливают так, чтобы он возвышался над кольцами на 1,5…2 мм, а после охлаждения до 25оС излишки битума срезают горячим ножом. (Эта работа выполняется лаборантами до начала занятий).
Кольца вставляют в гнезда средней полки прибора. В отверстие полки прибора вставляют термометр так, чтобы его нижний конец оказался на уровне колец. В центре каждого кольца с битумом укладывают по одному стальному шарику диаметром 9,5 мм и массой 3,5 г. Подвеску с кольцами и шара ми устанавливают в термостойкий стакан с водой - температура воды 5оС для битумов с температурой размягчения ниже 80оС либо 34оС для битумов с температурой размягчения выше 80оС. Стакан помещают на песчаную баню и начинают нагревать со скоростью 5 град/мин. По мере нагревания битум размягчается и продавливается шариком.
Для каждого кольца и шарика отмечают температуру, при которой выдавливаемый шариком битум коснется контрольного диска (основания) прибора. Полученные результаты заносят в табл. 3. За температуру размягчения битума принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений, округленных до целого числа.
Допускаемые расхождения между результатами параллельных определений не должны превышать 1 оС.
Таблица 3
№ опыта | Температура в момент касания шариком нижней полки прибора, оС | Среднее значение температуры размягчения, оС |
1 2 |
4.4. Определение растяжимости битума
Растяжимость (дуктильность) - это косвенный показатель пластичности битума, характеризующий его способность вытягиваться в тонкую нить.
Испытание проводят на приборе дуктилометре (рис. 3). Оно заключается в определении максимальной длины нити, в которую может растянуться без разрыва битум, залитый в форму-восьмерку, половинки которой раздвигаются с постоянной скоростью 5 см/мин при 25 оС.
Рис. 3. Дуктилометр:
1 - сосуд; 2 - уровень воды; 3 - электродвигатель;
4 - вяжущее; 5 - линейка; 6 - нить вяжущего в момент разрыва
Для проведения испытаний разогретый битум наливают в три формы-восьмерки. Форма должна быть заполнена битумом вровень с краями. Охладив до комнатной температуры, образцы выдерживают не менее 1 ч в ванне с водой при 25 0С (эта работа выполняется лаборантом). Формы с битумом закрепляют в дуктилометре, для чего кольца зажимов надевают на штифты, находящиеся на салазках и стойке прибора. После этого снимают боковые части форм.
Дуктилометр наполняют водой, имеющей температуру испытания, т. е.25оС. При этом вода должна покрывать образцы слоем 25 мм. Затем включают двигатель дуктилометра и наблюдают за растяжением битума.
За растяжимость битума принимают длину нити битума в сантиметрах, отмеченную указателем в момент ее разрыва. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение трех определений. Результаты заносят в табл. 4.
Таблица 4
№ образца | Длина нити в момент разрыва, см | Среднее арифметическое значение растяжимости, см |
1 2 3 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сопоставляя полученные результаты испытаний с показателями, приведенными в стандартах (см. приложение), делают заключение о марке битума.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие вяжущие называют битумами? Каково происхождение битумов? Из каких химических элементов состоят битумы? Какие группы веществ входят в состав битумов? Как эти вещества различаются по свойствам? От чего зависит консистенция битумов? По каким показателям испытывают битум, чтобы установить его марку? Какой показатель характеризует твердость битума? Какой показатель характеризует пластичность битума? Какой показатель характеризует теплостойкость битума? Как изменится глубина проникания иглы в битум и температура его размягчения с увеличением содержания асфальтенов? Как изменится глубина проникания иглы в битум и температура его размягчения с увеличением содержания масел? Как изменится растяжимость битума с увеличением содержания смол? Пользуясь данными таблицы 2 ПРИЛОЖЕНИЯ, укажите, в каком из двух битумов выше содержание асфальтенов: БН50/50 или БН 90/10? Ответ обоснуйте. Пользуясь данными таблиц 2,3 ПРИЛОЖЕНИЯ, укажите, в каком из двух битумов выше содержание смол: БН70/30 или БНД 90/130? Ответ обоснуйте.15. Пользуясь данными таблицы 4 ПРИЛОЖЕНИЯ, укажите, в каком из двух битумов выше содержание масел: БНК-45/180 или БНК 90/40? Ответ обоснуйте.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Строительные материалы: Учебник / Под общей редакцией . – М.: Изд-во АСВ, 2000. – 336 с.
2. Рыбьев материаловедение: Учебное пособие для строительных вузов.– М.: Высш. шк., 2002. – 701 с.
3. Попов материалы и изделия: учебник /, .- М.: Высш. шк., 2002.-367с.
4. Попов качества строительных материалов: Учебное пособие/ , , -М.: изд-во АСВ, 1999.-240с.
5. Строительные материалы: Учебно-справочное пособие/ Под ред. , . - Ровстов н/Д.: изд-во «Феникс»,2004.-608с.
6. ГОСТ *. Битумы нефтяные дорожные вязкие. ТУ.
7. ГОСТ 6617-76*. Битумы нефтяные строительные. ТУ.
8. ГОСТ 9546-75*. Битумы нефтяные кровельные. ТУ.
9. ГОСТ 9862-90. Битумы нефтяные изоляционные. ТУ.
10. ГОСТ *. Битумы нефтяные. Метод определения изменения массы после прогрева.
11. ГОСТ *. Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникания иглы.
12. ГОСТ *. Битумы нефтяные. Метод определения растяжимости.
13. ГОСТ *. Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару.
.
.
ПРИЛОЖЕНИЕ
МАРКИ И СВОЙСТВА НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
Таблица 1. Битумы нефтяные изоляционные. ГОСТ 9862-90.
Наименование показателя | Норма для марки | ||
БНИ-IV-3 | БНИ-IV | БНИ-V | |
1. Температура размягчения, °С | 65—75 | 75—85 | 90—100 |
2. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: при 25 °С при 0°С, не менее | 30—50 15 | 25—40 12 | 20—40 9 |
3. Растяжимость при 25 °С, см, не менее | 4 | 3 | 2 |
4. Изменение массы после прогрева, %, не более | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Таблица 2. Битумы нефтяные строительные. ГОСТ 6617-76*.
Наименование показателя | Норма для марки | ||
БН 50/50 | БН 70/30 | БН 90/10 | |
1. Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм | 41—60 | 21—40 | 5—20 |
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С | 50—60 | 70—80 | 90—105 |
3. Растяжимость при 25 °С, не менее | 40 | 3,0 | 1,0 |
4. Изменение массы после прогрева, %, не более | 0,50 | 0,50 | 0,50 |
Продолжение приложения
Таблица 3. Битумы нефтяные дорожные вязкие. ГОСТ *.
Наименование показателя | Норма для битума марки | ||||||||
БНД 200/300 | БНД 130/200 | БНД 90/130 | БНД 60/90 | БНД 40/60 | БН 200/300 | БН 130/200 | БН 90/130 | БН 60/90 | |
1. Глубина проникания иглы, 0,1 мм: - при 25 °С - при 0 оС, не менее | 201-300 45 | 131-200 35 | 91-130 28 | 61-90 20 | 40-60 13 | 201-300 24 | 131-200 18 | 91-130 15 | 60-90 10 |
2. Температура размягчения по кольцу и шару, °С, не ниже | 35 | 40 | 43 | 47 | 51 | 33 | 38 | 41 | 45 |
3. Растяжимость, см. не менее: - при 25°С - при 0°С | — 20 | 70 6,0 | 65 4,0 | 55 3,5 | 45 — | — — | 80 — | 80 — | 70 — |
4. Изменение темпера-туры размягчения после прогрева, оС, не более | 7 | 6 | 5 | 5 | 5 | 8 | 7 | 6 | 6 |
5. Индекс пенетрации | От –1,0 до +1,0 | От –1,5 до +1,0 |
Продолжение приложения
Таблица 4. Битумы нефтяные кровельные. ГОСТ 9546-75*.
Наименование показателя | Норма для марки | |||
БНК-45/180 | БНК-45/190 высшей категории качества | БНК-90/40 | БНК-90/30 | |
1. Глубина проникания иглы при 25 °С, 0,1 мм | 40—220 | 160—220 | 35—45 | 25—35 |
2. Температура размягчения, °С | 40—50 | 40—50 | 85—95 | 85—95 |
5. Изменение массы после прогрева, %, не более | 1 | 0,8 | 0,5 | 0,5 |
6. Глубина проникания иглы при 25 °С в остаток после прогрева, %, от первоначальной вели чины, не менее | 55 | 60 | 70 | 70 |
11. Индекс пенетрации | — | От плюс 1,0 до плюс 2,5 | — | — |
Примечание. При получении битума из смеси нефтей, одержащих более 50 % Западно-Сибирских, индекс пенетрации должен быть от 0 до плюс 2,5.
