Минерально-органические композиционные материалы.

К этой группе относятся материалы на основе органических связующих веществ с неорганическими наполнителями: пластмассы, асфальтовые материалы, лакокрасочные материалы.

Пластическими массами называют материалы, обладающие пластичностью на определенном этапе их изготовления, которая частично или полностью теряется после отверждения связующего вещества – полимера – высокомолекулярного соединения, являющегося основной составной частью пластических масс.

Полимеры могут быть природными (каучук, целлюлоза, шелк, шерсть и т.д.) и искусственными (синтетическими), получаемыми из низкомолекулярных веществ, а также в результате модифицирования природных полимеров.

Пластмассы состоят из связующего вещества (полимера), наполнителя и специальных добавок – пластификаторов, отвердителей, стабилизаторов и красителей.

Синтетические полимеры подразделяются в зависимости от метода получения на полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризационные полимеры – полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и другие – получают преимущественно методом полимеризации, когда химический состав полимера и мономера не изменяется.

Поликонденсационные полимеры – альдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие – получают методами поликонденсации, в результате изменяется химический состав участвующих веществ, а состав получаемого продукта отличается от состава исходных компонентов.

По внутреннему строению различают линейные и пространственные полимеры. Различие во внутреннем строении обусловливает разные свойства полимеров по отношению к действию тепла.

Термопластичные полимеры способны обратимо размягчаться при нагреве и отвердевать при охлаждении, сохраняя основные свойства (линейная структура).

Термореактивными называют полимеры, которые, будучи отверждены, не переходят при нагреве в пластичное состояние (пространственное строение).

Наиболее часто применяемые полимеры:

1. Полимеризационные:

а) Полиэтилен – представляет собой твердый белый роговидный продукт в виде гранул или порошка. Это один из самых легких полимеров – r = 0,92…0,97 г/см³. В сочетании с высоким пределом прочности при растяжении (12…32 МПа) имеет значительный коэффициент конструктивного качества. Недостатками являются низкий модуль упругости (150…800 МПа), малая твердость и теплостойкость (108…130 °С), большой коэффициент температурного расширения. Получают путем полимеризации этилена (природного газа): 1) при высоком давлении (изделия повышенной гибкости) – 120…150 МПа; 2) при среднем давлении (3…7 МПа) в углеводородных растворителях с катализаторами; 3) при атмосферном или небольшом избыточном давлении (0,05…0,6 МПа) с участием металлоорганических катализаторов (изделия имеют повышенную жесткость и твердость). Применяют для изготовления гидроизоляционных материалов, труб, предметов санитарно-технического оборудования.

б) Поливинилхлорид (ПВХ) является продуктом полимеризации винилхлорида (бесцветного газа, обладающего эфирным запахом). Получают из ацетилена или дихлорэтана. ПВХ представляет собой белый или желтоватый порошок, лишенный запаха и вкуса. Теплостойкость – до 60 °С. Плотность – 1,38…1,40 г/см³ (в 1,4 раза больше, чем у полиэтилена). Прочность при растяжении – 50…60 МПа, при изгибе – 80…120 МПа. Используется при изготовлении материалов для пола (однослойных и многослойных линолеумов и плиток), а также гидроизоляционных и отделочных декоративных материалов. ПВХ стоек к действию кислот, щелочей, спирта, бензина, смазочных масел, поэтому из него изготовляют трубы для водоснабжения и канализации. Из ПВХ также производят плинтусы, поручни, ячеистые теплоизоляционные материалы. Недостатки: резкое снижение прочности при повышении температуры, ползучесть при длительном действии нагрузки.

в) Полистирол – один из наиболее часто применяемых полимеров. Представляет собой твердый прозрачный материал, похожий на стекло, в виде гранул или крупного порошка. Получают полимеризацией стирола (продукта переработки этилена и бензола). Полистирол легок (r = 1,04…1,06 г/см³), малотеплопроводен (l = 0,09…0,15 Вт/м·°С), обладает высокими механическими свойствами (R _р = 35…60 МПа; R _сж. = 80…110 МПа), водостоек, противостоит действию кислот и щелочей. Применяют для изготовления плиток для облицовки ванных комнат, санузлов, кухонь, технических помещений; делают трубки для электропроводки. Недостатки: невысокая теплостойкость, хрупкость.

г) Полиметилметакрилат («оргстекло») – продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (в виде прозрачных гранул). Получают из нефтяных углеводородов или природного газа. Особенностью оргстекла является его исключительная светопропускающая способность (прозрачность), а также светостойкость, атмосферостойкость, способность пропускать ультрафиолетовые лучи. Применяют для остекления окон больниц, витрин, теплиц, парников, фонарей производственных помещений, устройства декоративных ограждений и т.п. Свойства: высокая прочность (R _сж = 120…160 МПа; R _р = 60…80 МПа; R _из = 80…140 МПа); легкость обработки резанием, шлифовкой; формуется при 90 °С. Недостатки: горючесть; слабо работает на истирание; низкая теплостойкость (80 °С); не стоек в растворах кислот и щелочей, а также и в органических растворителях (ацетон).

2. Поликонденсационные:

а) Фенолоформальдегидные полимеры получают в результате поликонденсации фенолов (фенола, крезола) с альдегидами (формальдегидом, фурфуролом, лигнином). Наиболее широко распространены фенолоформальдегидные полимеры, представляющие собой (при нормальной температуре) твердые, хрупкие вещества светлого или темно-коричневого цвета с r = 1,20…1,27 г/см³. Хорошо совмещаются с органическими наполнителями – древесными опилками и стружкой, бумагой, тканью, стеклянным волокном (получаются пластики более прочные и менее хрупкие, чем сами полимеры). Относительно дешевы. Получают их из фенола и формальдегида нагреванием в водных растворах кислот и щелочей в присутствии катализаторов. Применяют в качестве связующего при изготовлении древесно-стружечных плит, бумажно-слоистых пластиков, стеклопластиков и изделий из минеральной ваты, для получения клеев, лаков, водостойкой фанеры; на основе фенолоформальдегидного полимера приготовляют пресс-порошки, из которых изготовляют трубы, листы, плитки и электротехнические изделия.

б) Карбамидные (мочевиноформальдегидные) полимеры– бесцветные кристаллы, хорошо растворяются в воде и окрашиваются в различные цвета, дешевы. Применяются для изготовления теплоизоляционных материалов (ячеистых пластмасс и сотопластов), слоистых и волокнистых пластиков и клеев.

в) Кремнийорганические полимеры – имеют кремнеземистый каркас с органическими ответвлениями, поэтому этот полимер сочетает в себе лучшие свойства силикатных материалов – высокую теплостойкость и высокую пластичность, характерную для обычных синтетических полимеров. Применяют для изготовления фасадных красок; как добавку в бетон, для его гидрофобизации; на основе этих полимеров изготовляют жаростойкие лаки и эмали (300…500 °С); из них готовят связующее и пропиточные составы при производстве слоистых пластиков.

г) Эпоксидные полимеры – жидкости различной вязкости (в зависимости от температуры). Обладают высокой химической стойкостью, светопропусканием, повышенной теплостойкостью (до 150 °С) и универсальной клеящей способностью. Отверждаются с помощью специальных отвердителей в холодном и горячем состоянии. На их основе изготовляют клеи, краски, мастики, растворы и бетоны.

Другие компоненты пластмасс:

1. Наполнители – представляют собой разнообразные неорганические и органические порошки и волокна. Они значительно уменьшают потребность в дорогостоящем полимере и тем самым намного удешевляют изделия из пластмасс. Кроме того, наполнители улучшают ряд свойств изделий: повышают теплостойкость и твердость, сопротивляемость растяжению и изгибу (особенно волокнистые).

В зависимости от наличия наполнителей различают ненаполненные пластмассы (наполнитель отсутствует, пластмасса – есть полимер), пластмассы с порошкообразным или волокнистым наполнителем, слоистые пластмассы, газонаполненные пластмассы.

Упрочняющее действие наполнителя объясняется взаимодействием молекул полимера с поверхностью частиц заполнителя, что сопровождается упорядочением молекул полимера, их определенной ориентацией и расположением, а также связыванием наполнителя в плотный и прочный конгломерат. Наибольшее повышение механических свойств достигается при использовании волокнистого и слоистого наполнителя. Волокнистым наполнителем является тонкое стеклянное и древесное волокно; порошкообразным – тальк, мел и др.

2. Пластификаторы – вещества, добавляемые к полимеру для повышения его эластичности и уменьшения хрупкости за счет уменьшения связей в цепях молекул полимера.

3. Отвердители – вещества, являющиеся инициаторами реакции полимеризации и ускоряющие процесс отверждения пластмасс.

4. Стабилизаторы – способствуют сохранению структуры и свойств пластмасс во времени, предотвращая их раннее старение при воздействии солнечного света, кислорода воздуха, нагрева и других факторов.

Материалы и изделия из пластмасс.

Все материалы и изделия из пластмасс можно разделить на несколько групп. Самые прочные и дорогие – волокнистые пластмассы. К ним относятся стеклопластики, древесно-стружечные (ДСП) и древесно-волокнистые (ДВП) плиты, некоторые листовые, плиточные и рулонные материалы. Они состоят из двух основных компонентов: упрочняющих волокон (или ткани) и связующего (полимера). Наполнение материала волокном обычно составляет 20…90 % (коэффициент 0,2…0,9).

Стеклопластики (рис. 6.28) – армируются стеклянным волокном или тканью. Связующим веществом служат фенолоформальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три вида стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленных волокон, тканей или матов.

 

 

а б

Рис. 6.28. Стеклопластик:

а – профилированный; б – рулонный

1. Стеклопластик с ориентированными волокнами (СВАМ – стекловолокнистый анизотропный материал) обладает очень высокой прочностью (R _Р – до 1000 МПа), относительной легкостью (r_ср = 1,8…2,0 г/см²), химически стоек. Применяется для изготовления строительных конструкций, различных емкостей, труб.

2. Стеклопластик с рубленным стекловолокном изготовляют в виде листов (волокнистых или плоских) на полиэфирном связующем, обладает светопроводящей способностью. Применяют для устройства кровель, ограждений, перегородок.

3. Стеклопластики на основе стеклоткани получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком давлении и температуре – «текстолит». Используют его для изготовления многослойных стеновых панелей.

Древесно-стружечные плиты – изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными полимерами (карбамидными или фенолоформальдегидными). Имеют размеры: длину – 180…350 см, ширину – 122…175 см, толщину –0,4…10 см. Расход полимера составляет 8…12 % (по массе). Стружку получают на специальных стружечных станках, при этом используют отходы деревообработки и неделовую древесину. В качестве отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную смолами, или покрывают водостойкими лаками. Средняя плотность плит – 1,0…1,35 г/см³. Используют как отделочный, конструкционный, тепло- и звукоизоляционный материал. Для повышения биостойкости добавляют антисептики (фтористый и кремнефтористый натрий, буру и т.д.); огнестойкости – антипирены (сульфат аммония и диаммонийфосфат). Для уменьшения набухания во влажном воздухе в исходную массу вводят гидрофобизующие вещества (парафиновую эмульсию, раствор кремнийорганического полимера).

Волокнистые пластмассы.

Древесно-волокнистые плиты изготовляют горячим прессованием волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, воды, наполнителей, полимера, антисептиков, антипиренов, гидрофобизующих веществ. Размеры: длина – 120…360 см; ширина – 100…180 см; толщина твердых плит – 0,3…0,8 см, теплоизоляционных – 0,8…2,5 см; средняя плотность – 250…950 кг/м³; прочность – 1,2…50 МПа. Применяют: твердые плиты – для изготовления перегородок, настилов полов и потолков, дверных полотен и встроенной мебели; отделочные плиты – для облицовки стен и потолков, предварительно оклеив их синтетической пленкой или окрасив водоэмульсионными красками, покрыв эмалями тепло- и звукоизоляционными (в этом случае для их изготовления используют отходы сельскохозяйственного производства – тростник, солому).

Фанера – представляет собой листовой материал, склеенный из трех или более слоев лущеного шпона. Наружные слои шпона в фанере называют «рубашками», а внутренние – «серединками». Слои шпона располагают при склеивании таким образом, чтобы волокна смежных листов были взаимно перпендикулярны или направлены под углом. Шпон готовят на лущильных станках, где с вымоченных в горячей воде коротких бревен снимается тонкий непрерывный «ковер», который и называется шпоном. Для приготовления шпона используют как листовые, так и хвойные породы древесины (береза, дуб, клен, сосна, ели и др.). Изготовляют фанеру путем прессования промазанных клеем листов шпона при температуре 120…160 °С и давлении 1,4…2,0 МПа. Фанера бывает повышенной водостойкости (марка ФСФ – на фенолоформальдегидном клее); средней водостойкости (ФК и ФБА – на карбамидном и альбумино-казеиновом клее), ограниченной водостойкости (ФБ – на казеиновом клее). Выпускают также бакелиторезиновую фанеру (повышенной толщины) – листы толщиной 0,5…1,8 см и фанерные плиты – толщиной 0,8…3,0 см и 3,5…7,8 см.

Столярные плиты – это реечные щиты, оклеенные с обеих сторон березовым или другим шпоном. Толщина – 1,6…5,0 см. Применяют для изготовления дверей, перегородок и встроенных шкафов.

Древесно-слоистые пластики (упрочненная фанера) – изготовляют на основе фенолоформальдегидного полимера. Имеют повышенную среднюю плотность 1,2…13 г/см³ и высокие механические свойства: сопротивление истиранию, R _раст = 140…260 МПа, R _из = 150…280 МПа. Противостоят действию масел, растворителей.

Декоративно-облицовочные изделия – изготовляют в виде листов, пленок и т.д. Декоративные безосновные самоклеящиеся поливинилхлоридные пленки производят из пасты, состоящей из полимера (поливинилхлорида), пигмента, пластификатора и стабилизатора. На поверхности пленки печатают рисунок, воспроизводящий древесину, камень, ткани. Эти пленки стойки к моющим средствам, растворам щелочей и разбавленных кислот, атмосферо- и морозостойки.

Декоративные поливинилхлоридные панели («полидекор») – имеют текстуру, имитирующую различные породы древесины, и используются для отделки стен и потолков.

Линкруст представляет собой бумажную основу, покрытую слоем пасты, состоящей из связующего (глифталевого полимера), олифы, парафина и наполнителей (древесной муки, сепарированного мела). Для наклейки линкруста применяют казеиновый клей или различные мастики.

Влагостойкие («моющиеся») обои – рулонный материал на бумажной основе, покрытой тонким слоем полимера.

Облицовочные полистирольные плитки – тонкие квадратные или прямоугольные, изготовляют методом литья. Приклеивают полимерными или каучуковыми мастиками. Применяют для облицовки различных технических помещений, санузлов, но горючи, поэтому должны укладываться вдали от открытого огня. Полистирольные панели изготовляют с добавлением вспенивающего компонента. Имеют толщину 8…10 мм. Крепятся к стенам и потолкам шурупами или гвоздями.

Бумажно-слоистый пластик – изготовляют из нескольких слоев специальной бумаги, пропитанной фенолоформальдегидным или карбамидным полимером. Хорошо обрабатывается (пилится, сверлится). Прикрепляется битумно-каучуковыми мастиками, эпоксидными или другими клеями, или механическим способом.

Материалы для полов. Линолеум (рис. 6.29) – бывает безосновным и на теплозвукоизоляционной основе (тканевой, войлочной). Изготовляют

 

Рис. 6.29. Виды линолеума

путем нанесения пасты, содержащей полимер, пластификатор, наполнитель, краситель и другие добавки, на джутовую или иную ткань (на тканевой основе). При изготовлении на войлочной основе материал дополнительно пропитывают антисептиками. Линолеум-релин – изготовляют из резины. Состоит из двух слоев – нижнего, изготовленного из смеси бывшей в употреблении дробленой резины с битумом, и верхнего, состоящего из смеси синтетического каучука (резины) с наполнителем и пигментом. У основных линолеумов основой может служить пористая (ячеистая) пластмасса, придающая покрытию пола высокие тепло- и звукоизоляционные свойства. Укладывают линолеум по ровному основанию с использованием горячих и холодных мастик.

Бесшовные полы устраивают на основе водной дисперсии, включающей полимер (ПВА), воду, наполнитель (молотый песок, зола и т.п.), пигмент (охра, крон, редоксайд). Перемешанную однородную мастику наносят на подготовленное основание распылением в 2–3 слоя.

Полимербетонные полы (рис. 6.30) помимо связующего (фенолоформальдегидного, эпоксидного или полиэфирного полимера) содержат порошкообразный наполнитель, крупный и мелкий заполнитель (песок, щебень или гравий), а также большое количество добавок (модификаторов, пластификаторов, отвердителей, стабилизаторов и др.). Тщательно перемешанную массу укладывают на хорошо подготовленное основание слоем толщиной 20…50 мм и уплотняют виброрейками или катками. Недостаток – большая ползучесть.

 

Рис. 6.30. Напольные полимерные покрытия (наливные полы)

Полимерцементы имеют в качестве связующего основы каучуковые латексы (или ПВА) и портландцемент. Заполнителем служит песок с зернами до 3 мм. Для полимерцементов характерны низкое водопоглощение и водопроницаемость, повышенная прочность на растяжение и изгиб. В строительстве применяют полимерцементные краски и клеи, защитные обмазки (например, арматуры). Полимерцементные растворы и бетоны используются в виде защитных слоев резервуаров, труб, а также для устройства полов.

Материалы и изделия специального назначения из пластмасс.

К материалам и изделиям специального назначения из пластмасс относят трубы, санитарно-технические, погонажные изделия, синтетические клеи, гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие материалы, а также специальные лакокрасочные составы.

Термопластичные трубы изготовляют разными способами: экструзией, прессованием, сваркой, склеиванием из полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена) с наполнителем или без него. Их преимущества перед стальными трубами: в 3…6 раз легче, выше коррозионная стойкость, увеличенная на 30…40 % пропускная способность (благодаря низкому коэффициенту трения), легче обрабатываются (резанием, сверлением, свариванием). Используют для сооружения водопроводных и канализационных сетей, вентиляционных систем. Прозрачные трубы из полиметилметакрилата наиболее распространены в парфюмерной и медицинской промышленности (гигиеничны, без запаха).

Стеклопластиковые трубы (рис. 6.31) – производят центробежным способом – намоткой на сердечник стеклоткани или стеклолент, пропитанных полиэфирным полимером. Преимущества: значительно прочнее других полимерных труб, выдерживают температуру до 150 °С. Применяют в основном в химической и нефтяной промышленности.

 

 

 

Рис. 6.31. Стеклопластиковые трубы

Санитарно-технические изделия: ванны, мойки, смывные бачки, детали кранов-смесителей, переходники и другие. Преимущества: малая масса (ванна примерно в 10 раз легче чугунной), коррозионностойки, дешевле чугунных.

Изготовляют с применением широкого диапазона полимеров (полистирол, полиметилметакрилат, стеклопластик).

Погонажные изделия – плинтусы, поручни лестничных перил, наличники, проступи и т.п. Изготовляют из поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола и т.д. Хорошо окрашиваются, долговечны, не дороже деревянных.

Синтетические клеи изготовляют в виде жидкостей, порошков и пленок из синтетических смол, каучуков и производных целлюлозы в смеси с растворителями, наполнителями, пластификаторами и отвердителями (горячего и холодного отверждения). Свойства: высокая клеющая способность, водостойкость, биостойкость, способность склеивать различные материалы (древесину, пластмассы, металлы, керамику, стекло, природные и искусственные камни). Применяют для склеивания строительных конструкций (даже мостов).

Гидроизоляционные пленочные материалы изготовляют из чистых полимеров (без накопителей): ПВХ, полиэтилена, ацетилцеллюлозы, синтетического каучука и других. Толщина пленки зависит от ее назначения: для сооружения противофильтрационной завесы (в каналах, дамбах) применяют полиэтиленовую пленку толщиной 0,5 см; для гидроизоляции туннелей – полиэтиленовую пленку или ПВХ толщиной 1,5…2 мм. Обладают достаточной прочностью при растяжении (15,0…17,0 МПа), стойкостью к действию природных вод, щелочных и кислотных растворов с концентрацией до 5%. Пленочные материалы используют также в конструкциях плоских крыш.

Кровельные материалы.

Волнистые и плоские кровельные листы изготовляют из стеклопластиков на полиэфирных полимерах. Свойства: R _раст = 220…230 МПа, R _из = 350…400 МПа. Кровля получается легкой, прочной, прозрачной, эстетичной, но имеет серьезный недостаток – горючесть. Толщина листов – 0,8…1,5 мм. При использовании в качестве основы крафт-бумаги, кровельного картона, хлопчатобумажной или стеклянной ткани получают рулонные материалы.

Герметизирующие материалы (герметики) применяют для уплотнения швов между элементами сборных конструкций (панелями и блоками наружных стен и т.д). Герметики обеспечивают эластичность швов, необходимую для восприятия температурных усадочных деформаций, и не допускают проникновения влаги через швы. Герметики производят в виде мастик и эластичных уплотняющих прокладок.

1) Герметизирующая тиоколовая мастика изготовляется на основе полисульфидного каучука (тиокола) и резинобитумного вяжущего. Перед началом работ тиоколовую пасту тщательно перемешивают с вулканизирующей добавкой, ускорителем вулканизации и разжижителем. В результате вулканизации смесь отверждается непосредственно в шве и получается эластичный резиноподобный уплотнитель черного цвета.

2) Нетвердеющая герметизирующая мастика производится из полиизобутилена, мягчителя (масла) и тонкодисперсного минерального наполнителя (мела, известняка). Мастика изол – сложная смесь из резиновой крошки, битума, кумароновой смолы, волокнистого наполнителя (асбеста) и антисептика (антраценового масла). Эту мастику применяют как в горячем состоянии (80…100 °С), так и в холодном – с добавлением растворителя (бензина, лигроина, зеленого масла). Используется в основном для приклеивания пороизола.

Все мастики наносятся в пластичном состоянии специальными шприцами со сменными наконечниками, позволяющими заполнять не только сам шов, но и места их пересечений. Мастики имеют хорошую адгезию к бетону и другим строительным материалам и сохраняют ее при положительных и отрицательных температурах.

Эластичные прокладки. Пороизол изготовляют в виде эластичных пористых жгутов из крошки отработанной резины, мягчителя, порообразователя и антисептика. Выпускают в виде полос прямоугольного сечения размером 30 x 40 и 40 x 40 мм или жгутов диаметром 10…60 мм.

Герметик – пористая прокладка в виде жгута с водонепроницаемой пленкой на поверхности. Производят на основе негорючего полихлорпренового каучука, хорошо сопротивляющегося атмосферным воздействиям. Герметик более долговечен, чем пороизол и водонепроницаем (благодаря наружной оболочке).

Асфальтовыми называют материалы, основу которых составляют так называемые органические вяжущие вещества – битумы и дегти.

Битумами называют вяжущие вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных. Битумы бывают природные и искусственные (нефтяные).

Природные битумы (рис. 6.32) – это вязкие жидкости или твердо-пластичные вещества, образовавшиеся в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Они встречаются в местах нефтяных месторождений, но в чистом виде – редко, чаще пропитывают осадочные горные породы. Такие горные породы называют асфальтовыми (известняки, песчаники, глины, пески). Из них извлекают битум или размалывают и применяют в виде порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы получают переработкой нефтяного сырья и в зависимости от технологии получения подразделяют на остаточные (получаемые из гудрона путем отбора из него масел), окисленные (получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах посредством продувки воздухом), крекинговые (полученные в результате переработки остатков, образующихся при крекинге нефти).

Рис. 6.32. Битум в кварце

Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Используется как сырье для получения битумов, а также в качестве вяжущего в дорожном строительстве.

Строение битумов и дегтей.

Все соединения, входящие в состав органических вяжущих, можно разделить на три группы: твердая часть (у битумов – асфальтены и парафины, у дегтей – свободный углерод), смолы и масла. Твердая часть – высокомолекулярные соединения плотностью > 1. Смолы – аморфные вещества темно-коричневого цвета плотностью ~1. Масляные фракции состоят из различных углеводородов плотностью < 1.

По своему строению органические вяжущие вещества представляют собой коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла.

Основные свойства битумов.

Свойства битума зависят от его состава и соотношения входящих в него компонентов. Так, повышение количества асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости. Наоборот, повышенное содержание масел, частично растворяющих смолы, делает битум мягким и легкоплавким. Парафин в битумах ухудшает их свойства (повышает хрупкость), поэтому его содержание ограничивается 5%.

Физические свойства: плотность – 0,8…1,3 г/см³; теплопроводность – 0,5…0,6 Вт/м·°С; т еплоемкость – 1,8…1,97 кДж/кг·°С. Специальные свойства битумов: гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, расплавляемость.

Физико-химические свойства. Адгезионная способность – сцепление, приклеивание к какой-нибудь поверхности. Старение – процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется старение действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел.

Химические свойства. Битумы хорошо сопротивляются действию щелочей (концентрацией до 45 %) и некоторых кислот: фосфорной (до 80 %), серной (до 50 %), соляной (до 25 %), уксусной (до 10 %). Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей оксид азота. Растворяются в органических растворителях.

Механические свойства. Марка – в понятие марки битума входят следующие показатели: твердость, температура размягчения и растяжимость. Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению битумы классифицируются на строительные, кровельные и дорожные. Твердость характеризуется глубиной проникновения иглы пенетрометра. Температура размягчения определяется на приборе «кольцо-шар», расположенном в сосуде с водой. При нагревании воды металлический шарик под действием собственного веса проваливается через кольцо, заполненное испытуемым битумом. Растяжимость выражается абсолютным удлинением образца битума («восьмерки») в сантиметрах при температуре 25 ^оС, определяемым на приборе дуктилометре.

Применение битумов.

Строительные битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, для восстановления покрытий. Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов (рис. 6.33). Например, легкоплавким битумом марки БНК 45 / 180 (битум нефтяной кровельный, температура размягчения 40…45 °С, твердость 14,0…2,20 мм) пропитывают основу (кровельный картон), а тугоплавкие битумы (например, БНК 90/30) служат для устройства покровного слоя рулонных материалов.

 

 

Рис. 6.33. Применение битума в качестве рулонного кровельного материала

Перед применением битум переводят в так называемое рабочее состояние одним из способов:

– нагреванием до 140…170 °С, сопровождающимся размягчением смол, входящих в состав битума, и увеличением их растворимости в маслах;

– растворением битума в органических растворителях (зеленое нефтяное масло, лакойль и т.д.) для придания рабочей консистенции без нагрева;

– эмульгированием, т.е. смешиванием в специальных машинах (эмульгаторах, диспергаторах) разогретого битума в горячей воде с добавкой вещества-эмульгатора (ПАВ, СДВ, глина, известь, сажа).

Дегтевые материалы: дегти и пеки.

Деготь – густая вязкая масса черно-коричневого цвета, образующаяся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива (каменного и бурого угля, горючих сланцев, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом каменноугольные дегти, получаемые в коксохимическом производстве. При переработке 1 т угля получают 700…750 кг кокса и 30…40 кг сырой каменноугольной смолы (сырого дегтя).

Пек – аморфная хрупкая масса черного цвета с характерным раковистым изломом. Состоит (аналогично битуму) из высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных, а также свободного углерода (8…30 %). Плотность – 1,25…1,28 г/см³. Образуется как твердый остаток после отделения легких фракций от сырого дегтя.

Дегтевые вяжущие вещества подразделяют на следующие виды:

а) сырой каменноугольный низкотемпературный деготь – вязкая темно-бурая жидкость, r = 0,85…1,0 г/см³, получаемая при полукоксовании (500…600 °С), часто служит для получения отогнанного дегтя;

б) сырой каменноугольный высокотемпературный деготь – черная вязкая жидкость или вязкотвердый продукт, r = 1,12…1,23 г/см³, температура размягчения 40…70 °С, получают при коксовании (1000…1300 °С);

в) отогнанный деготь («каменноугольная смола») – получают в результате фракционирования сырого низкотемпературного дегтя с выделением керосиновой фракции (до 30 %). По вязкости и свойствам близок к высокотемпературному дегтю;

г) составленные дегти – получают сплавлением пеков с дегтевыми маслами (антраценовым или другим) или обезвоженными сырыми дегтями. Широко применяются в строительстве, так как, изменяя соотношение между пеком и растворителем (антраценовым маслом), можно получать вяжущее требуемой вязкости и температуры размягчения.

Свойства дегтей.

Средняя плотность дегтей равна 1,25 г/см³.

Вязкость дегтей повышается с увеличением в их составе свободного углерода и твердых смол за счет уменьшения масляной части.

Температура размягчения дегтей несколько ниже, чем у битумов (тугоплавких).

Атмосферостойкость дегтевых материалов ниже, по сравнению с битумными материалами. Это объясняется тем, что дегти стареют быстрее, чем нефтяные битумы, поскольку в них содержится большее количество непредельных углеводородов, которые подвергаются окислительной полимеризации при контакте с кислородом и водой, а также при воздействии ультрафиолетовых лучей солнечного света. Ускоряет старение испарение масел и вымывание водой фенолов. В результате дегтевые материалы становятся хрупкими и теряют водоотталкивающие свойства.

Дегтевые вяжущие – более древние вяжущие вещества, которые в настоящее время практически полностью вытеснены битумами. Однако, уместно отметить, что строительные материалы на основе дегтей имеют более высокую биостойкость по сравнению с битумными. Стойкость против гниения объясняется высокой токсичностью содержащегося в дегтях фенола (карболовой кислоты) и других летучих соединений, которые и являются причиной быстрого старения дегтевых материалов.

Виды и номенклатура изделий на основе битумных и дегтевых вяжущих веществ: 1) рулонные, 2) листовые, 3) штучные, 4) мастики, 5) эмульсии и пасты, 6) лакокрасочные покрытия, 7) асфальтовые бетоны и растворы.

Рулонные материалы (рис. 6.34). Выпускают основные и безосновные рулонные материалы. Основные представляют собой ковры из кровельного картона, асбестовой бумаги, стеклоткани (основы), обработанные битумами, дегтями или их смесями. Безосновные получают в виде

 

Рис. 6.34. Рулонные кровельные материалы на основе битума

полот нищ определенной толщины после прокатки смесей, состоящих из органического вяжущего, наполнителя (минерального порошка или измельченной резины) и добавок (антисептика, пластификатора и др.). Рулонные материалы на основе органических вяжущих веществ используются для устройства гидроизоляционной защиты различного назначения (например, изготовление кровли в несколько слоев рулонного материала, составляющего кровельный ковер). В низ ковра укладывают подкладочные материалы (беспокровные), а верхний слой устраивают из кровельных материалов, имеющих покровный слой из тугоплавкого битума (дегтя) с посыпкой: крупнозернистой (к), мелкозернистой (м) или пылевидной (п). Допускается выпуск кровельного рубероида с чешуйчатой посыпкой (ч).