Существенной характеристикой свойств битума является также и температура размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» («К и Ш»), Температура размягчения битума, выраженная в градусах Цельсия, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора в момент, когда битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16,0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3,5 г и постепенного нагрева воды со скоростью 5°С в минуту, коснется нижней полки подставки. Нижняя полка подставки прибора находится на стандартном расстоянии от кольца, равном 25 мм. Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в. пределах от 20 до 95°С.
Для характеристики тепловых свойств битумов кроме температуры размягчения определяют температуру хрупкости.
Температуру хрупкости битума определяют на специальном приборе Фрааса. Для этой цели испытуемый битум наносят тонким слоем па латунную пластинку, которая вместе с битумом может охлаждаться и изгибаться с помощью приспособления, имеющегося на приборе. За температуру хрупкости принимают ту температуру, при которой на топком изгибаемом слое битума образуется первая трещина. Температура хрупкости, например, дорожных битумов может быть от —20 до +5°С. Очевидно, что чем ниже температура хрупкости битума, тем больше его морозостойкость и выше качество.
Температура вспышки — температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяют на стандартном приборе и отмечают по показанию термометра в момент вспышки паров битума. Температура вспышки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует степень огнеопасности битума при его разогреве.
Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия— прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума 5 баллов в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды.
В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки:
1. Для дорожного строительства но ГОСТу предусмотрены пять марок от БНД (битум нефтяной дорожный)-200/300 до БНД-40/60, где цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С, и четыре марки БН от 200/300 до БН-60/90.
2. Для строительных работ по ГОСТу предусмотрено три марки, обозначаемые «БН» — битум нефтяной: БН-50/50, БН-70/30 и БН-90/10, где цифры числителя дроби соответствуют показателю температуры размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а знаменателя — указывают на средние значения пределов изменения пенетрации при 25°С.
3. Для кровельных работ по ГОСТу предусмотрены следующие марки: БНК (битум нефтяной кровельный)-45/180, БНК-90/40 и 90/30, а также БНК-45/190. В данном случае числитель дроби соответствует среднему значению показателей температуры размягчения по «К и Ш», а знаменатель — среднему значению показателей пенетрации на 25СС.
Кроме твердых и вязкопластичных битумов указанных марок существуют жидкие битумы. Жидкие битумы при комнатной температуре имеют незначительную вязкость, т. е. жидкую консистенцию, и применяются в строительстве в холодном или слегка подогретом (до 50.. .60°С) состоянии.
Вследствие испарения летучих фракций и процессов окисления жидкие битумы постепенно загустевают. В зависимости от скорости загустевания жидкие нефтяные битумы выпускают двух классов—густеющие со средней скоростью (класс СГ) и медленногустеющие (класс МГ). Жидкие битумы класса СГ изготовляют путем разжижения обычных, вязких битумов легкими разжижителями типа керосина. Для получения битумов класса МГ применяют разжижители каменноугольного или нефтяного происхождения (нефть, мазут и т. п.). В зависимости от показателей вязкости дорожные жидкие битумы классов СГ и МГ каждый делят на три марки - эти битумы должны удовлетворять требованиям ГОСТа.
5. Получение нефтяных битумов
Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей отличающихся друг от друга химическим составом и свойствами.
Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций — гудрон, крекинг — в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно-вакуумной перегонке нефти (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке нефти (компаундированные битумы).
Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению.
Окисленные битумы получают путем продувки воздухом нефтяных остатков (гудрона) на специальных окислительных установках до заданной вязкости. В результате взаимодействия кислорода воздуха с гудроном в процессе продувки идет реакция образования высокомолекулярных компонентов окисленного битума и повышение его вязкости. За последнее время освоен метод непрерывного окисления битума. Нефтяные остатки при температуре около -210°С поступают в реактор, где с помощью специальных аппаратов (диспергаторов) засасывается воздух и распределяется в окисляемом продукте. В данной технологии наряду с интенсификацией процесса окисления улучшается качество окисленного битума.
Смешанные (компаундированные) битумы получают в основном путем смешения битума деасфальтизации (остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном) с масляными дистиллятами.
Нефтяные битумы, как твердые или вязкопластичные, так и жидкие, находят широкое применение в строительстве. Их используют для устройства дорожных покрытий, покрытий аэродромов, устройства плоских кровель, ирригационных каналов, производства гидроизоляционных и кровельных материалов в лакокрасочной и химической промышленности.
6. Дегти
Дегтями называют продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых топлив — каменного угля, древесины, торфа, горючих сланцев и других органических веществ. В зависимости от исходного сырья может быть получен каменноугольный, древесный, торфяной или сланцевый деготь. Для строительных целей наибольшее применение получили каменноугольные дегти.
Сырой каменноугольный деготь, получаемый в процессе коксования и газификации угля, представляет собой вязкую жидкость черного цвета с характерным запахом фенола, крезола и нафталина.
Для строительных целей и в промышленности строительных материалов применяются дегти отогнанные, получающиеся после отбора из сырых дегтей летучих веществ, или составленные, изготовляемые смешением горячего пека с антраценовым маслом или другими жидкими дегтевыми материалами. Наибольшее распространение имеют составленные дегти.
Составленные и отогнанные дегти характеризуются вязкостью (по стандартному вискозиметру) и фракционным составом. По сравнению с битумами дегти отличаются меньшей теплостойкостью и худшей погодоустойчивостью. Однако адгезия (прилипание) дегтей выше, чем у битумов, вследствие большего содержания полярных групп в молекулах масел дегтя.
Дорожные каменноугольные дегти и другие дегтевые материалы (пек, антраценовое масло) применяются для изготовления дегтебетонов, а также для производства дегтевых кровельных и гидроизоляционных материалов.
Сланцевые дегти получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. В настоящее время эти дегти в виде вязких и жидких. По химическому составу и свойствам сланцевые дегти приближаются к битумным материалам и поэтому им присвоен не совсем точный термин «сланцевые битумы». Сланцевые битумы в большей степени по сравнению с нефтяными изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчнвость таких битумов также меньше, чем у нефтяных. Сланцевые битумы используются обычно при тех же видах работ, как и нефтяные битумы.
7. Битумные и дегтевые эмульсии и пасты
Битумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные системы, в которых вода является дисперсионной средой, а тонко диспергированный битум или деготь — дисперсной фазой. Образование и устойчивость эмульсий достигается путем введения в ее состав некоторых поверхностно-активных веществ — эмульгаторов, понижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз — битум или деготь/вода. В качестве эмульгаторов применяют водорастворимые органические вещества (мыла, соли нафтеновых и сульфонафтеновых кислот и др.) или твердые минеральные порошки (глины, известь, цементы, уголь). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3% (твердых порошков — 5...15%) в зависимости от тонкости диспергирования битума или дегтя. В настоящее время часто используют более экономичные эмульгаторы (талловое масло, жировой гудрон, стеарин и др.). При изготовлении дорожных эмульсий битум или деготь в количестве 50...60% по массе диспергируют до размеров частиц от 0,001 до 0,1 мм.
Эмульсии, содержащие органические вяжущие материалы в большем количестве (60...70%), называют высококонцентрированными. Они, а также эмульсии с твердыми эмульгаторами имеют значительную вязкость и называются пастами. Для получения текучего состояния пасты разбавляют водой на месте производства работ, что делает их при значительных перевозках экономичнее обычных эмульсий.