Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 28 )

Битумы строительные (БН) бывают марок БН 50/50, БН 70/30,  БН 90/10. Здесь числитель – средняя температура размягчения, знаменатель – среднее значение пенетрации.

Жидкие битумы в зависимости от скорости загустевания подразделяются на среднегустеющие (СГ), получаемые разжижением дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, и медленногустеющие (МГ и МГО), получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей. Тот или иной класс битума определяется количеством испарившегося разжижителя при выдерживании образца битума в термостате или вакуумтермостате при определенных температурах. В зависимости от условной вязкости среднегустеющие битумы имеют марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200; медленногустеющие – МГ 40/70, МГ 70/130,
МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200.

Отвердевание битумов может происходить в объемном и пленочном состояниях. В объемном состоянии отвердевание идет в результате охлаждения, образования сетчатой структуры из макромолекул и повышения его вязкости. Отвердеванию битума в пленочном состоянии способствует, кроме того, физико-химическое взаимодействие его макромолекул с поверхностью зерен заполнителя и особенно порошкообразного наполнителя (минерального порошка). В жидких битумах как фактор отвердевания существенно испарение легких фракций разжижителя или самого битума. Наиболее благоприятный комплекс эксплуатационных свойств конструкционных материалов на основе битумов достигается при максимально возможном пленочном состоянии битума и минимальном количестве его в объемном состоянии.

К добавкам, улучшающим свойства битумов, относятся добавки поверхностно-активных веществ, полимеров, а также измельченной резины из отслуживших автомобильных покрышек и т. п.

Полимерные добавки можно отнести к структурирующим, которые позволяют рас­ширить интервал работоспособности материала, так как с их введе­нием повышается тепло - и морозостойкость. Однако следует иметь в виду, что иногда полимерная добавка может ускорить старение композиции под влиянием атмосферных факторов, поэтому реко­мендуется выбирать атмосферостойкие полимеры. Кроме того, по­лимеры с битумами трудно совмещаются. В настоящее время изу­чено совмещение с битумом большинства известных полимеров, хотя пока еще мало из них реально используется в производстве битумных материалов.

Полимерные добавки улучшают упругие свойства, растяжимость, когезию органических вяжущих (битумов и дегтей). Наибольшее применение получили эпоксидные смолы, поливинилацетат, поли­стирол, синтетические каучук и латекс, натуральный латекс, обычно находящиеся в состоянии растворов или латексов (водных дисперсий) и ко­личество которых в горячем битуме или дегте составляет 1 – 6 % от массы вяжущего. Синтетические и натуральные каучуки использу­ются для модификации вязких и жидких битумов и дегтей.

При смешивании с битумами каучуки создают в битуме само­стоятельную решетку, способную воспринимать деформации битума. Для увеличения прочности битумно-полимерного материала можно частично или полностью завулканизировать каучук, при этом ка­учук сначала набухает в битуме, а затем частично растворяется. В последнем случае снижается температура хрупкости материала с одновременным повышением его теплостойкости.

Дивинилстирольные и изопренстирольные термоэластопласты являются наиболее технологичными добавками к битумам, так как при нагревании они расплавляются и при перемешивании быстро образуют гомогенную смесь. Эти сплавы превосходят битумно-каучуковые за счет их более равномерного распределения в битумах при перемешивании.

При получении сплавов битума с полимером или каучуком не­редко добавляются стабилизаторы, вулканизирующие реагенты, ускорители и другие дополнительные компоненты.

Из отходов промышленности чаще других используют атактический полипропилен, вторичные полиэтилены, различные кубовые остатки, например кубовые остатки ректификации стирола, регене­раты резины и др.

Дегти каменноугольные, сланцевые, торфяные и древесные получают путем сухой (без доступа воздуха) перегонки соответствующих видов твердого топлива. Для строительных целей применяются дегтевые вяжущие, состоящие из отогнанного дегтя, который получают после отбора из сырых каменноугольных дегтей летучих фракций, и составленного дегтя, который изготовляют смешением горячего пека с дегтевыми маслами (антраценовым и др.) или обезвоженными сырыми дегтями.

Пек – твердое или вязкое аморфное вещество черного цвета. Это остаточный продукт перегонки каменноугольных дегтей при тем­пературе более 360 °С.

В состав дегтевых вяжущих входят в основном непредельные углеводороды ароматического ряда – производные бензола и их соединения с кислородом, азотом и серой. Поэтому атмосферостойкость материалов на основе дегтевых вяжущих ниже по сравнению с битумными материалами (дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы). В то же время биостойкость дегтевых материалов выше, что объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты).

11.2. Асфальтовые бетоны и растворы

Асфальтобетон (асфальтобетонная смесь) – важнейший дорожно-строительный материал, получаемый в результате уплотнения при оптимальной температуре рационально рассчитанной и приготовленной смеси, состоящей из битумного вяжущего, минерального порошка и заполняющих компонентов. При отсутствии в смеси крупного заполнителя (щебня или гравия) этот материал именуется песчаным асфальтом или асфальтовым раствором. В асфальтовых растворах и бетонах матричным компонентом, соединяющим зерна заполнителей в единое целое, является асфальтовое связующее (называемое также асфальтовым вяжущим), представляющее собой композицию нефтяного битума с тонкомолотым минеральным порошком (как правило, из известняка, доломита и других карбонатных пород). Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но и повышает прочностные свойства и теплостойкость материала (за счет перевода битума из объемного в пленочное состояние).

В зависимости от вида минеральной составляющей различают асфальтобетонные смеси: щебеночные, гравийные, песчаные. В зависимости от температуры укладки асфальтобетонные смеси бывают: горячие – изготовляемые на вязких нефтяных дорожных битумах и применяемые непосредственно после приготовления – с температурой укладки не менее  120 °C, и холодные – изготовляемые на жидких битумах – с температурой укладки свыше 5 °C. Среди горячих иногда выделяют теплые асфальтобетонные смеси – изготовляемые на вязких и жидких битумах – с температурой укладки не менее 70 °C.

Наиболее распространены горячие асфальтобетонные смеси. В зависимости от величины остаточной пористости асфальтобетоны из этих смесей делят: а) на высокоплотные с остаточной пористостью 1-2,5 %;  б) плотные с остаточной пористостью 2,5-5 %; б) пористые с остаточной пористостью 5-10 % (для нижних слоев покрытий и основания); в) высокопористые с остаточной пористостью 10-18 %.

В зависимости от наибольшего размера минеральных зерен горячие смеси подразделяют: а) на крупнозернистые (с зернами до 40 мм); б) мелкозернистые (с зернами до 20 мм); в) песчаные (с зернами до 5 мм). Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные. Горячие щебеночные и гравийные смеси в зависимости от содержания в них щебня или гравия, а также песчаные горячие смеси в зависимости от вида песка подразделяют на типы: А – многощебенистые (с содержанием щебня от  50 до 60 %); Б – среднещебенистые (с содержанием щебня от 40 до 50 %); В – малощебенистые (с содержанием щебня от 30 до 40 %); Г – песчаные смеси на песках из отсевов дробления, а также их смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 %; Д – песчаные на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе. Холодные щебеночные и гравийные смеси соответственно подразделяют на типы Бх и Вх, а холодные песчаные смеси – на типы Гх и Дх.

Исходные материалы для асфальтобетонов. Марку битума выбирают в зависимости от вида асфальтобетона, климатических условий строительства, категорий дороги. В необходимых случаях применяют полимерно-битумные вяжущие и модифицированные битумы.

Для асфальтобетонных смесей минеральный порошок получают путем тонкого измельчения известняков, доломитов и других карбонатных пород, а также основных доменных шлаков. В горных породах для приготовления неактивированного минерального порошка содержание глинистых примесей не должно превышать 5 %. Для приготовления активированного минерального порошка в горную породу перед измельчением вводят активирующую смесь, состоящую из битума и поверхностно-активного вещества (ПАВ) или продукта, содержащего ПАВ. Тонкость помола порошков должна быть такой, чтобы при мокром рассеве сквозь сито с отверстиями 1,25 мм проходило 100 %; 0,315 мм – соответственно для активированного и неактивированного порошка – не менее 95 и 90 %; 0,071 мм – не менее 80 и 70 % порошка по массе. Активированный минеральный порошок должен быть гидрофобным. Активированные порошки при хранении не комкуются, улучшают перемешивание и уплотнение смесей; расход битума при приготовлении асфальтобетона уменьшается.

В качестве крупного заполнителя применяют щебень с размерами зерен от 5 (3) до 20 мм (в крупнозернистых смесях – до 40 мм) из горных пород магматического и метаморфического происхождения с прочностью не менее 100 МПа в водонасыщенном состоянии, а также пород осадочного происхождения и доменных шлаков с прочностью не менее 80 МПа. Морозостойкость щебня должна составлять не менее 50 циклов испытания на морозостойкость для верхнего и не менее 25 – для нижнего слоев дорожного покрытия. Гравий применяется тех же размеров, но его свойства хуже, чем у щебня, поэтому рекомендуется не менее 50 % гравия дробить в щебень.

Мелким заполнителем асфальтобетона является песок. Используют как дробленый песок (в т. ч. высевы при дроблении щебня), так  и природный (речной, овражный, горный) с размерами зерен 0,14 - 5 (3) мм. Содержание в природном песке пылеватых, глинистых и илистых примесей должно быть не более 3 %, в том числе частиц менее 0,14 мм – не более  15 %.С целью улучшения зернового состава минеральной части асфальтобетона (достижения минимальной пустотности смеси заполнителей) песок делят на две фракции по граничному зерну 1,25 или 0,63 мм в зависимости от крупности песка либо используют смесь двух песков (крупного и среднего).