Текст книги "Строительные материалы на основе битумов и дегтей"

Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.

Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.

Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.

Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).

2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).

3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).

4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).

5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).

6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).

7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).

8 Топаз.

9 Корунд.

10 Алмаз.

Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.

Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.

Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.

Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.

Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.

Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.

Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).

Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.

Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.

Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.

Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.

Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.

Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.

Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.

Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.

Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.

Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.

Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.

Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.

Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.

Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.

Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.

Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.

Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМОВ И ДЕГТЕЙ

Битумы. Органические вяжущие материалы аморфной структуры, в состав которых входят высокомолекулярные углеводы и их производные, представляют битумы и дегти.

К битумным материалам относятся битумы природные, то есть продукты естественного окисления нефти, и искусственные, полученные путем заводской переработки нефти. Природный битум представляет собой органическое вещество черного или темно-коричневого цвета, при нагревании он постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние. При охлаждении битум затвердевает. Природный битум нерастворим в воде, однако легко растворяется в хлороформе, сероуглероде, бензоле, бензине. Структура природных битумов, их физико-механические и физико-химические свойства близки к нефтяным битумам. Природные битумы можно добывать из битумных пород путем выварки в специальных емкостях или растворением в органических растворителях. Битумные известняковые и доломитовые породы без извлечения битума используют в виде тонкого порошка для получения асфальтовой мастики и асфальтовых бетонов.

Основными свойствами битумов и дегтей являются следующие:

– водонепроницаемость;

– гидрофобность (не смачиваются водой);

– стойкость против действия кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов;

– способность прочно сцепляться с каменными материалами, деревом, металлом;

– способность приобретать пластичность при нагревании;

– быстро увеличивать вязкость при остывании;

– морозостойкость.

Эти свойства позволяют широко использовать битумы при получении гидроизоляционных и кровельных материалов. Срок эксплуатации битумных изделий на воздухе невелик, так как под воздействием солнечного света и кислорода происходит старение битумов, которое сопровождается повышением твердости и хрупкости. Поэтому нефтяные битумы перевозят в закрытых емкостях или бумажных мешках и хранят в специальных закрытых складах, защищенных от действия солнечных лучей и атмосферных осадков. Битум строительный и кровельный транспортируют в бочках, фанерных барабанах и без тары в крытых вагонах и на платформах. Жидкие битумы и каменноугольные дегти перевозят в железнодорожных цистернах, автоцистернах, бункерах-полувагонах.

Природный битум образовался из нефти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а также под влиянием процессов полимеризации и окисления. В верхние слои земной коры нефть попадает в результате миграции, при этом под влиянием тепловых воздействий и давления на протяжении тысячелетий происходило заполнение пустот и пор и горных пород и их пропитывание нефтью. В чистом виде природный битум встречается очень редко. Чаще встречаются пропитанные битумом горные породы – известняки, песчаники, доломиты и др.

Битумы обладают атмосферным строением и в отличие от кристаллических материалов не имеют определенной температуры плавления. Постепенный переход из твердого состояния в вязкотекучеее обратим и происходит без изменения основных свойств, поэтому битумы относят к термопластичным органическим материалам. На этом свойстве битумов основана технология получения материалов и изделий с их использованием.

Учитывая условия работы кровельных материалов, для битумов, согласно стандарту, предусмотрено определение следующих теплотехнических показателей: температуры размягчения, которая характеризует теплостойкость и степень размягчения битумов при нагревании, а также температуры вспышки газообразных продуктов, выделяющихся из битума при нагревании.

Последний показатель необходим для отработки безопасной технологии получения материалов и изделий с использованием битумов. Качество битумов оценивают также по вязкости и растяжимости. Вязкость определяют по глубине проникновения иглы в битум в течение определенного времени под воздействием фиксированной нагрузки при температуре испытания 25 0С. Вязкость выражается в градусах, причем один градус соответствует глубине проникновения иглы на 0,1 мм.

Растяжимость представляет собой способность битумов вытягиваться в тонкие нити, разрывающиеся под действием приложенной растягивающей нагрузки, ее измеряют в сантиметрах. Температуру размягчения, вязкость и растяжимость битума находятся во взаимосвязи.

Твердые битумы имеют высокую температуру размягчения, но малую растяжимость, то есть относительно хрупки. Мягкие битумы размягчаются при невысокой температуре, могут сильно растягиваться, то есть обладают большой пластичностью. На основе этих свойств битуму присваивают марку, условное обозначение которой включает буквы, определяющие применение битума, и цифры, характеризующие его основные свойства. Например, марки БН-90/10, БНК-90/40 представляют собой битумы нефтяной строительный и кровельный, температура размягчения которых 90 0С, вязкость 10 градусов и 40 градусов соответственно; БНД-130/200 – битум нефтяной дорожный вязкостью 131…200 градусов. Так как органические вяжущие материалы абсолютно плотные, то их средняя плотность и истинная плотность численно равны и колеблются в зависимости от состава от 800 до 1300 кг/м куб.

По отношению к водным растворам многих кислот, щелочей и большинства солей битумы коррозионностойки, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях – спирте, скипидаре, ацетоне. Это свойство позволяет их применять для приготовления антикорроизонных мастик, красок и лаков.

Механические свойства битумов зависят от температуры окружающего воздуха. При температуре 20 0С – это, как правило, твердые, относительно пластичные материалы, при отрицательной – хрупкие. Чтобы повысить эластичность, теплостойкость, механическую прочность в органические вяжущие вещества вводят полимерные и минеральные добавки. Материалы на основе битума не применяют в условиях воздействия горячей воды, масла, нефтепродуктов и растворителей.

Дегти. Дегти получают в результате сухой перегонки твердых видов топлива: каменного угля, торфа, горючих сланцев. Деготь представляет собой темноокрашенный вязкий жидкий продукт, обладающий низкой атмосферостойкостью. Для повышения вязкости, атмосферостойкости и температуростойкости в состав дегтей вводят наполнители – известняк и песок. По исходному сырью дегти делят на каменноугольные, торфяные, древесные и сланцевые. В строительстве наибольшее значение имеют каменноугольные дегти, которые являются побочным продуктом процессов коксования и газификации каменного угля.

Все органические вяжущие вещества имеют черный или темно-бурый цвет, поэтому их также называют черными вяжущими. Битумы и дегти близки по составу, поэтому основные их свойства достаточно схожи. Их используют для получения материалов и изделий специального назначения: гидроизоляционных материалов, асфальтовых бетонов, изготовления кровельных и пароизоляционных материалов и изделий, кровельных покрытий, гидроизоляционных и дорожных мастик, битумных эмульсий, кровельно-гидроизоляционных паст.

Гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие материалы на основе битумных и дегтевых вяжущих материалов бывают рулонные, листовые, эмульсии, пасты, мастики, лакокрасочные, бетоны и штучные.

В зависимости от условий работы строительной конструкции применяют различные виды гидроизоляции, а также материалы, использованные для ее выполнения. Так, например, для защиты кровли от разрушения, для защиты подземных конструкций, фундаментов под оборудование, железобетонных причалов и свай применяют окрасочную гидроизоляцию. Выполняют окрасочную гидроизоляцию в несколько слоев с использованием битумных, дегтевых и битумно-полимерных мастик.

Мастики. Мастики представляют собой пластичные или вязкотекучие композиции, в состав которых входит само органическое вяжущее вещество (кровельный, дорожный битумы или их смеси), высокомолекулярные смолы для увеличения пластичности и тонкомолотый минеральный наполнитель (песок, известняк, асбест, тальк) для повышения долговечности, прочности, температуростойкости покрытия и экономии битума. Чтобы облегчить нанесение состава на защищаемую поверхность, мастику либо разогревают (горячая мастика), либо вводят в нее органический растворитель (холодная мастика). К недостаткам горячих мастик относятся нестабильность свойств, большой расход энергии на производстве, возможность получения ожогов при их применении, относительно низкие эксплуатационные свойства при атмосферных воздействиях, тяжелые условия труда. При работе с холодными мастиками испаряется токсичный растворитель, существует вероятность взрыва.

В настоящее время широко применяют битумно-эмульсионные мастики. Они представляют собой равномерно распределенные в воде мелкие частицы битума, покрытые слоем твердого (цемент, глина, известь) или жидкого (мыло, сульфитно-спиртовая барда) эмульгатора, и наполнителя. Эмульгатор обеспечивает однородность и стабильность эмульсии, срок хранения которой не превышает нескольких месяцев. Эти мастики не содержат токсичных растворителей, гигиеничны, взрывобезопасны, пожаробезопасны, легко наносятся на защищаемую поверхность, в том числе влажную, методом распыления сжатым воздухом. Защитное покрытие образуется за счет испарения воды. Битумно-эмульсионные мастики предназначены для устройства и ремонта кровли, наружной гидроизоляции подземных частей зданий и сооружений, стен, полов при температуре не ниже 5 0С. Качество мастик оценивают по тем же показателям, что и качество битумов.

Для выполнения кровли и гидроизоляции строительных конструкций наиболее часто применяют следующие мастичные составы:

МБК-Г-55 (65, 75, 85, 100) – мастика битумная, кровельная горячая теплостойкостью 55…100 градусов;

МБР-Г-55 (65, 75, 85, 100) – битумная с наполнителем из резиновой крошки;

МББГ-90 (80) – горячая бутумно-бутил-каучуковая;

ВК-Х-60 – битумно-кукерсольная холодная. Для этой же цели применяют резинобитумную мастику изол, которая может быть горячей и холодной.