- •1. СОСТАВ И СВОЙСТВА БИТУМОВ
- •1.1. Классификация битумов
- •1.2. Состав битумов
- •1.4. Основные свойства битумов
- •Контрольные вопросы
- •2. ПРОИЗВОДСТВО НЕФТЯНЫХ БИТУМОВ
- •2.1. Классификация способов производства битумов
- •2.3. Технология производства битумов деасфальтизации
- •2.4. Производство битумов окислением
- •2.4.1. Основы процесса окисления воздухом
- •2.4.2. Режимы процесса окисления
- •2.4.4. Окисление в трубчатом реакторе
- •2.4.5. Окисление в пустотелой колонне
- •2.5. Получение битумов методом компаундирования
- •Контрольные вопросы
- •3. ХРАНЕНИЕ ВЯЖУЩИХ
- •3.1. Битумные и эмульсионные базы
- •3.2. Классификация битумохранилищ
- •3.3. Разогрев битума в хранилище
- •3.4. Битумонагревательное оборудование
- •4. БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
- •4.1. Необходимость применения эмульсий
- •4.2. Классификация эмульсий
- •4.3. Структурный состав битумных эмульсий
- •4.4. Эмульгаторы для приготовления битумных эмульсий
- •4.4.1. Типы эмульгаторов
- •4.4.2. Принцип действия эмульгаторов
- •4.5. Приготовление дорожных эмульсий
- •4.5.1. Технологический процесс приготовления эмульсий
- •Контрольные вопросы
- •5. МОДИФИЦИРОВАННЫЕ БИТУМЫ
- •5.1. Общие сведения о модифицированных битумах
- •5.2. Технология приготовления полимерно-битумных вяжущих на основе полимеров
- •5.4. Технология приготовления резинобитумных вяжущих на основе эластомера дорожного
- •Контрольные вопросы
- •6. ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БИТУМА
- •6.3. Расчёт основных параметров автогудронатора
- •6.4. Расчет теплоизоляции цистерны
- •Контрольные вопросы
- •7.1. Смеси на основе битумных вяжущих материалов
- •7.1.1. Виды органоминеральных смесей
- •7.1.2. Органоминеральные смеси, содержащие воду
- •7.1.3. Смеси, не содержащие воду
- •7.2. Поверхностная обработка дорожных покрытий
- •7.4. Устройство покрытий и оснований способом пропитки
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУ ОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
СибАДИК.В. Беляев
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Учебное пособие
Омск 2017
1
УДК 625.76 ББК 39.311 Б42
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке неподлежит.
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. С.А. Милюшенко (СибАДИ); канд. техн. наук В.В. Голубенко (ООО «Автомобильные дороги и мосты», г. Омск)
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве учебного пособия.
Беляев, Константин Владимирович.
Б42 Технологии и оборудование для приготовления и применения вяжущих материалов в строительстве [Электронный ресурс] : учебное пособие / К.В. Беляев ;
кафедра «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве». – Электрон. дан. − Омск : СибАДИ, 2017. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-
bin/irbis64r_plus/cgiirbis_64_ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей.
Рассматривается классификация основных свойств битумов. Последовательно рассмотрены основные стадии применения вяжущих материалов, включая их изготовление, хранение, транспортирование и применение. Даются классификация и технологические схемы оборудования для производства битумных вяжущих, а также
производных материалов на основе битума – битумных эмульсий и
модифицированных битумов. Изложена методика расчёта оборудования для транспортирования битума. Описаны основные направления использования битумных вяжущих в дорожном строительстве. Приведены схемы машин для производства работ.
Имеет интерактивное оглавление в виде закладок.
Предназначено для студентов всех форм обучения, обучающихся по направлениям «Наземные транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация транспортно-технолог ческ х маш н комплексов», при проведении лекционных и практических занятий.
Может быть полезно для инженеров и механиков дорожных ремонтностроительных организаций, эксплуатирующих дорожно-строительную технику.
ISBN 978-5СибАДИ-93204-888-7.
Текстовое (символьное) издание (11,5 МБ)
Системные требования : Intel, 3,4 GHz ; 150 МБ ; Windows XP/Vista/7 ; 1 ГБ свободного места на жестком диске ; программа для чтения pdf-файлов
Adobe Acrobat Reader ; Google Chrome
Редактор И.Г. Кузнецова Издание первое. Дата подписания к использованию 21.04.2017
Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2017
1
ВВЕДЕНИЕ
Битум с древних пор является одним из наиболее известных строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства привлекли внимание уже на заре развития цивилизации. Отмечены исторические факты применения природного битума в Древнем Вавилоне для укрепления берегов, в Древнем Риме для укрепления дорог и т.д. Однако в течение длительного времени битум не находил широко применения. В XX в. широкое распространение получил автомобильный транспорт, для перемещения которого потребовались дороги с усовершенствованным типом покрытий. Выход был найден в применении асфальтовых бетонов, в которых связующим материалом является битум. Высокие демпфирующие способности асфальтобетонных покрытий выгодно отличают их от цементобетонных покрытий. Применению битумов способствовало развитие нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, т.к. объёмы
природных битумов невелики. |
|
Основным потребителем нефтяных битумов является дорожное |
|
|
И |
строительство, в настоящее время около 90% производимого во всём |
|
мире объёма товарного битума потребляется дорожной отраслью. |
|
|
Д |
Назначением вяжущих материалов является соединение камен- |
ного материала в единый прочный монолит и обеспечение неизмен- |
|
|
и |
ных эксплуатационных показателейАв течение заданного срока служ- |
|
бы. |
С |
|
Основным сырьём бдля производства битумов в нашей стране |
являются остаточные продукты нефтепереработки – гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций. Использование природных битумов стало незначительным.
Производство нефтяных битумов осуществляют различными способами – окислением воздухом, перегонкой мазута с глубоким отбором дистиллята, деасфальтизацией гудрона пропаном. Для получения требуемых свойств широко применяют компаундирование. Каждый из способов производства имеет свои особенности, к числу которых необходимо отнести различные уровни материальных и энергетических затрат, влияние свойства и качества применяемого сырья на качество получаемого материала.
Внедрение новых дорожно-строительных материалов и технологий строительства на основе производных битумных материалов – битумных эмульсий, литых эмульсионно-минеральных смесей, моди-
3
фицированных битумов – привело к развитию оборудования для работы с вяжущими материалами и нового поколения дорожностроительной техники.
Применение материалов на основе модифицированных битумов для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов позволяет существенно снизить трудоёмкость производства и упростить технологию работ.
Многоступенчатая обработка исходного сырья (переработка нефти с получением остатка, применяемого в качестве сырья для получения битума, производство битума, транспортирование, хранение, модификация или производство продуктов на основе битумов и собственно применение конечного продукта) сопровождается нагревом и
остыванием битума, его взаимодействием с окружающей средой. Как следствие, с одной стороны, вяжущий материал приобретает необходимые эксплуатационные и технологические свойства, с другой – происходит его старение, изменение состава и свойств, влияющих на надёжность и долговечность сооружений.
По этим причинам для качественнойИи эффективной организации производства специалистам, занятым в сфере строительства, не-
обходимо обладать комплексом знанийДо вяжущих материалах и их модификациях как материалах, о еспечивающих важнейшие эксплуа-
тационные свойства и долговечность, начиная с приготовления и за- |
||
канчивая применен ем. |
|
А |
|
б |
|
и |
|
|
С |
|
|
4
1. СОСТАВ И СВОЙСТВА БИТУМОВ
Нефтяные битумы – продукты тёмно-черного цвета, обычно твердые при комнатной температуре. Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь высокомолекулярных углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, выкипающую в основном при температурах выше 450–500 °С. Для битумов характерно хорошее сцепление с минеральными материалами, стойкость к воде, растворам кислот и щелочей. При нагревании битумы обратимо переходят в вязкотекучее состояние. Битумы способны разжижаться органическими растворителями и загустевать при их испарении.
Применение битума как одного из наиболее известных инже- нерно-строительных материалов основано на его специфических фи- зико-химических свойствах. Область применения битума достаточно широка: при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений. Главным
потребителем битума является дорожное строительство. |
|
|
И |
1.1. Классификация битумов |
|
Д |
|
Разнообразие спосо ов применений, производства и состава вя- |
|
жущих материалов на основе Аитума обуславливает наличие целого |
|
ряда способов класс ф ц ровать итумы. |
|
В классификац , разработаннойб |
Р.Б. Гуном [14], по происхож- |
дению существуют б тумы: |
|
и |
|
природные (в основном это высоковязкие нефти из битуминоз- |
|
ных пород); |
|
С |
|
искусственные (полученные различными технологическими приёмами из углеводородного сырья);
пиробитумы (продукты высокотемпературного термолиза сланцевого, древесного и другого вида сырья);
дёгти и пеки каменноугольного, торфяного, жирового и другого происхождения.
В соответствии со способом производства различают три основных типа нефтяных битумов: остаточные, окисленные и компаундированные.
Остаточные битумы получают как кубовые остатки (выкипающие выше 450–550 °С) процессов первичной переработки специ-
5
альных тяжелых нефтей. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием CAB (смо- листо-асфальтеновых веществ), которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых нефтях.
Окисленные битумы получают окислением тяжёлых остатков переработки нефти (выше 400–450 С) или их смесей с различными экстрактами, смолами или другими тяжелыми полупродуктами нефтепереработки кислородом воздуха при 250–280 С.
Компаундированные битумы получают смешением различных окисленных и остаточных битумов, битумов деасфальтизации, а также других нефтяных остатков и полупродуктов производства, тяжелых дистиллятов между собой.
Битумы деасфальтизации получают в результате извлечения САВ из нефтепродуктов при помощи растворителей.
Выбор того или иного способа получения битума определяется возможностями предприятия производить необходимые потребителю продукты стандартного качества из имеющегося в распоряжении сы-
рья. |
И |
|
По областям применения битумы классифицируют как дорож- |
строительных дорожных ра от (ГОСТ 22245–90), а также жидкие – для продленияСсезона дорожных работ (ГОСТ 11955–74).
ные, строительные, кровельные, изоляционные, битумы специального |
||
назначения и др. |
|
Д |
|
|
|
Дорожные – выпускаются в наибольшем объёме (70–80%) и |
||
предназначены для про зводстваАвсех основных видов ремонтно- |
||
|
б |
|
|
и |
|
Кровельные – применяют для изготовления кровли и производства различных кровельных материалов (ГОСТ 9548–74). Их, в свою очередь, разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя).
Строительные – применяют при выполнении различных ре- монтно-строительных работ, в частности для гидроизоляции фундаментов зданий (ГОСТ 6617–76).
Изоляционные – используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии (ГОСТ 9812–74) и для приготовления заливочных аккумуляторных мастик (ГОСТ 8771–76).
Специальные битумы предназначены для использования в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности
(ГОСТ 21822–76).
6
Битумы – высокоплавкие мягчители (рубраксы), их производят для резинотехнической и шинной промышленности (ГОСТ 781–78).
Дорожные битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте асфальтобетонных дорожных покрытий.
Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применяемого битума и его качества.
Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.
Вязкие битумы в России вырабатываются в соответствии с ГОСТ 22245–90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие» [10]. Нормы на свойства вязких битумов по ГОСТ 22245–90 приведены в табл. 1.1. Вязкие битумы подразделяются на классы БН и БНД, т.е. битумы нефтяные и битумы нефтяные дорожные. Качество битумов БНД выше, чем БН.
Битумы марок БНД характеризуются более широким интервалом пластичности и более высокой теплостойкостью по сравнению с битумами марок БН, обладают лучшими низкотемпературными свойствами и сцеплением с поверхностью минеральных зёрен, но менее
Все дорожные битумы маркируютсяДИпо значениям показателя пенетрации. Рекомендации по применению зависят от типа дорожных битумов и их пенетрации при 25 °С:
устойчивы к старению.
– в первой дорожно-климатической зоне при среднемесячной температуре наиболее холодного времени года не выше – 20 °С реко-
мендуется использовать |
итумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД |
|||
90/130; |
|
|
А |
|
– во второй третьейбзонах при |
температуре в пределах – |
|||
|
С |
|
|
|
10…–20 ° – б тумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, |
||||
БНД 60/90; |
и |
|
|
|
– во второй, третьей и четвертой зонах при температуре |
||||
–5…–10 С |
– битумы |
БНД 130/200, |
БНД 90/130, БНД 60/90, |
БНД 40/60;
– в четвертой и пятой климатических зонах при температуре не ниже + 5 °С – битумы БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60.
Жидкие дорожные битумы представляют собой остаточные продукты полутвердой и жидкой консистенций, полученные при первичной переработке иефти и крекинге тяжелых нефтепродуктов. Высокосмолистые тяжелые нефти – это также естественные жидкие битумы. Использование таких битумов дает возможность исключить высокотемпературные процессы, использовать различные способы обработки минеральных материалов и продлить сезон строительных работ.
7
Таблица 1.1
Нормы на свойства вязких битумов
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Норма для битума марки |
|
|
|
||
|
Показатель |
БНД |
БНД |
|
БНД |
|
БНД |
БНД |
БН |
БН |
БН |
БН |
||
|
|
200/300 |
130/200 |
|
90/130 |
|
60/90 |
40/60 |
200/300 |
130/200 |
90/130 |
60/90 |
||
1. |
Глубина проникания иглы, 0,1 мм: |
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при 25 °С |
201-300 |
131-200 |
|
91-130 |
|
61-90 |
40-60 |
201-300 |
131-200 |
91-130 |
60-90 |
|||
при 0 °С, не менее |
45 |
|
35 |
|
|
28 |
|
20 |
13 |
24 |
18 |
15 |
10 |
|
2. |
Температура размягчения по коль- |
35 |
|
40 |
|
|
43 |
|
47 |
51 |
33 |
38 |
41 |
45 |
цу и шару, °С, не ниже |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. |
Растяжимость, см, не менее: |
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при 25 °С |
- |
|
70 |
|
|
65 |
|
55 |
45 |
- |
80 |
80 |
70 |
|
при 0 °С |
20 |
|
6,0 |
|
4,0Д3,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
||||
4. |
Температура хрупкости, °С, не |
-20 |
и |
|
-17 |
|
-15 |
-12 |
-14 |
-12 |
-10 |
-6 |
||
выше |
|
-18 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5. |
Температура вспышки, °С, не ниже |
220 |
220 |
|
230 |
|
230 |
230 |
220 |
230 |
240 |
240 |
||
6. |
Изменение температуры размягче- |
С |
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ния после прогрева, °С, не более |
7 |
|
6 |
|
|
5 |
|
5 |
5 |
8 |
7 |
6 |
6 |
|
7. |
Индекс пенетрации |
|
|
От - 1,0 до +1,0 |
|
|
От -1,5 до +1,0 |
|
8
Из дорожного покрытия, включающего жидкие битумы, с течением времени под действием кислорода воздуха, солнечных лучей, адсорбции каменным материалом или грунтом и других факторов испаряются низкокипящие фракции и уплотняются высокомолекулярные соединения. В результате этого дорожные покрытия становятся механически прочными и теплостойкими.
По ГОСТ 11955–82 «Битумы нефтяные дорожные жидкие» в зависимости от скорости формирования структуры жидкие битумы подразделяются на два класса [11]:
1.Густеющие со средней скоростью, получаемые разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами (СГ) и предназначенные для строительства капитальных и облегченных дорожных
покрытий, а также для устройства их оснований во всех дорожноклиматических зонах страны. И
2.Медленногустеющие, получаемые разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктамиД(МГ) и получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей
(МГО), предназначенные для получения холодного асфальтобетона, а также для строительства дорожныхАпокрытий облегченного типа и оснований во II–V дорожно-климатических зонах и других целей.
Жидкие дорожные битумы могут быть получены из вязких путём их компаундирования с разжижающими нефтепродуктами (например, керосин, д изельное топливо) и поверхностно-активными веществами (табл. 1.2).
Жидкие битумыСмарок СК и МГ, получаемые разжижением вязких битумов жидк ми нефтепродуктами, по сравнению с марками МГО характеризуются более высокой скоростью формирования структуры, постоянством состава и надёжным сцеплением с поверхностью каменного материала [7].
Жидкие битумы предназначены для продления сезона дорожного строительства. Применение жидких дорожных битумов не соответствует современным требованиям к энергосбережению и защите окружающей среды. Кроме того, низкая температура вспышки изначально предопределяет их пожароопасность [2].
Для жидких битумов основными нормами качества являются:
условная вязкость при 60 С, температура вспышки (от 37 С для БГ до 110 °С для МГ). Количество испарившегося разжижителя при 100 С за 1,3 и 5 часов.
9
Соотношение вязкого битума и разжижителя |
Таблица 1.2 |
||||
|
|||||
|
|
Количество разжижителя, |
|||
Требуемая марка |
Марка исходного |
% массы исходного битума |
|||
жидкого битума |
битума |
Технический |
|
|
Дизельное |
|
|
керосин |
|
|
топливо |
СГ 130/200 |
БНД 40/60 |
14-18 |
|
|
– |
БНД 60/90 |
12-18 |
|
|
– |
|
|
|
|
|||
СГ 70/130 |
БНД 40/60 |
16-20 |
|
|
– |
БНД 60/90 |
14-17 |
|
|
– |
|
|
|
|
|||
МГ 130/200 |
БНД 60/90 |
– |
|
|
17-28 |
БНД 90/130 |
– |
|
|
14-18 |
|
|
|
|
|||
МГ 70/130 |
БНД 40/60 |
– |
|
|
18-28 |
БНД 60/90 |
– |
|
|
16-20 |
|
|
|
|
|||
БНД 200/300 |
БНД 60/90 |
4-7 |
|
|
5,8 |
БНД 90/130 |
3-5 |
|
|
4-7 |
|
|
|
|
|||
БНД 130/200 |
БНД 60/90 |
4-6 |
|
|
4-8 |
БНД 90/130 |
3-4 |
|
|
3,5 |
|
|
|
|
|||
|
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Д |
|
В зависимости от марки асфальтобетонной смеси содержание
битума в ней составляет 5,5–8% масс. ля большей части покрытий
общим является сочетание в них минеральных наполнителей и биту- |
|||
|
б |
|
|
ма, в которых последний используют в качестве прочной водонепро- |
|||
ницаемой связующей среды [7]. |
|
||
и |
|
||
В зависимости от температурыАобрабатываемой и укладываемой |
|||
смеси различают горяч й |
холодный способы строительства дорож- |
||
С |
|
эксплуатации |
автомобильных дорог |
ных покрытий. Практ ка |
показывает, что эксплуатац онная надёжность дорожных покрытий в значительной степени определяется свойствами битума. Долговечность работы битума в составе асфальтобетонного покрытия связана, прежде всего, с его высокими низкотемпературными, пластичными и адгезионными свойствами. Это должно надёжно обеспечивать выполнение битумами трех основных задач их приме-
нения: склеивание |
между собой |
частиц минерального материала, |
||
релаксирование возникающих |
температурных |
и |
деформаци- |
|
онных напряжений |
и понижение вязкости |
при |
температурах |
130–160 °С для равномерного смачивания и обволакивания частиц минерального материала.
Достижение такого комплекса высоких показателей качества дорожных битумов возможно только за счет оптимизации их компонентного состава (минимизации содержания в составе сырья
10