UGLjOVODONIČNA VEZIVA I MATERIJALI Uvod: Bitumeni i katrani

Transcript

1 Uvod: Bitumeni i katrani Bitumeni i katrani mogu se svrstati u građevinske materijale i sirovine za industrijske proizvode koji se vrlo široko koriste u oblastima: putogradnja, hidroizolacije i antikoroziona zaštita. Bitumeni i katrani su smeše visokomolekularnih ugljovodonika, kao i drugih organskih jedinjenja na bazi kiseonika, sumpora i azota. Bitumeni i katrani imaju dobru prionljivost (atheziju) za kamen, pesak, beton, opeku, čelik i druge materijale. Bitumeni i katrani odlikuju se vodonepropustljivošću, zadovoljavajućom otpornošću na atmosferske uticaje, plastičnošću i nizom drugih pozitivnih svojstava.

2 Bitumen Definiše se kao crna, na normalnoj temperaturi polukruta ili kruta lepljiva masa, potpuno rastvorljiva u ugljendisulfidu (CS2). Tehnički bitumeni dele se na prirodne i veštačke. Prirodni bitumeni se sreću u prirodi ili skoro u čistom obliku, ili kao pratioci nekih stena npr. krečnjaka i peščara. Kako su prirodni bitumeni prilično deficitarni, odnosno, kako je eksploatacija bitumena sadržanih u stenskim masama vrlo skupa (usitnjavanje, pa zatim obrada toplom vodom ili rastvaračima), u građevinarstvu se danas prvenstveno koriste veštački bitumeni koji se dobijaju iz nafte.

3 Bitumen Izdvajanje o kome je reč na skici, vrši se postupcima atmosferske destilacije ili vakuum destilacije, pri čemu se dobijeni ostatak bitumen ili neposredno koristi, ili se podvrgava dodatnim tretmanima postupcima duvanja i deparafinacije (deasfaltizacije). Duvanje Kroz bitumen se na visokoj temperaturi uduvava vazduh oksidacija, polimerizacija. Deparafinacija Smanjivanje sadržaja parafina u ostatku (on je u većem procentu štetan sastojak)

4 Bitumen Elementarni sastav bitumena Visokomolekularni ugljovodonici: - Ugljenik (C) % - Vodonik (H) % Sumpor (S) 2 9 % Kiseonik (O) 1 5 % Azot (N) 0 2 % Ovi elementi grade niz vrlo složenih jedinjenja, među kojima su najviše zastupljeni visokomolekularni ugljovodonici metanskog (C n H 2n+2 ) i naftenskog (C n H 2n ) reda.

5 Bitumen Visokomolekularni ugljovodonici - metanskog reda (C n H 2n +2) - naftenskog reda (C n H 2n ) Ulja: - U tečnom agregatnom stanju, 45-60%, - γ s <1000 kg/m 3, M= , - Daju veću pokretljivost, tj. niži viskozitet. Smole: - Viskozno i plastično ponašanje, 15-30%, - γ s 1000 kg/m 3, M= , - Nosioci plastičnosti i vezivnih svojstava Asfalteni: - U čvrstom agregatnom stanju, 5-30% - γ s >1000 kg/m 3, M= , - Teško topljivi, daju tvrdoću i termičku postojanost. Parafini: - Čvrsti ugljovodonici u obliku kristala, - Štetno deluju na svojstva bitumena (smanjuju lepljivost) u količini >2,5%. Izdvajanje posebnih ugljovodoničnih jedinjenja je vrlo složeno, pa se stoga, radi izučavanja strukture i svojstava bitumena, najčešće specijalnim metodama, iz bitumena izdvajaju grupe ugljovodonika sa manje više sličnim svojstvima. Ove grupe jedinjenja date su pregledom na levoj strani slajda

6 Katran Premda se često identifikuju, između bitumena i katrana postoje velike razlike: Kao prvo, u dobijanju: Katran se dobija suvom destilacijom kamenog uglja, mrkog uglja, drveta i slično. Katrani brže stare usled isparavanja lakših ulja u njihovom sastavu, usled oksidacije i polimerizacije. Katrani su osetljiviji na temperaturne promene, a prionljivost za agregat je veća, usled čega se često mešaju sa bitumenima. Katran je otporniji na naftne derivate. Katran je mrkocrna viskozna tečnost, specifičnog mirisa, sastavljena od mešavine različitih uljnih frakcija, katranske smole, slobodnog ugljenika i manjih količina fenola, antracena, naftalina i drugih organskih jedinjenja.

7 Svojstva i ispitivanja: Viskoznost Za određivanje viskoznosti koriste se odgovarajući viskozimetri kod kojih se ispitivanja sprovode na bazi teorijske viskoznosti, u kom slučaju se viskoznost izražava u Pa s. Viskoznost katrana i još nekih drugih materijala na bazi bitumena, međutim, određuje se putem posebnog viskozimetra za katran, kod koga se kao pokazatelj usvaja vreme u sekundama, potrebno da kroz određenu mlaznicu istekne 50 cm 3 supstance na temperaturi od 30 ili 40ºC. Otvori mlaznice su 10 ili 14 mm, u zavisnosti od viskoznosti uzorka.

8 Svojstva i ispitivanja: Reološka svojstva ε traj raste sa: -povećanjem sadržaja ulja -porastom temperature - povećanjem dužine trajanja opterećenja

9 Svojstva i ispitivanja: Penetracija Uređaj za ispitivanje penetracije Ispitivanje penetracije je osnovna metoda za identifikaciju bitumena za kolovozne zastore. S obzirom na penetraciju, ovi bitumeni nose oznake BIT 200, BIT 130, BIT 45 itd.- što znači da u slučaju ovih bitumena penetracija iznosi 20 mm, 13 mm, 4.5 mm. Ispitivanje penetracije omogućava i definisanje viskoznosti bitumena (postoji niz empirijskih formula za zavisnost penetracija viskoznost, za razne temperature).

10 Svojstva i ispitivanja: Tačka razmekšavanja po PK Aparatura (gore) i postupak (dole) za ispitivanje tačke razmekšavanja po PK Postepeno zagrevanje u vodenom kupatilu uzorka bitumena, koji ispunjava metalni prsten propisanih dimenzija, preko koga se, pre početka ispitivanja, postavlja čelična kuglica, takođe propisanih dimenzija. Bitumen, kao amorfni materijal, razmekšava se u širem temperaturnom intervalu, te je uveden pojam konvencionalne tačke razmekšavanja bitumena. To je temperatura koja se dobija primenom metode prstena i kuglice (PK). Ispitivanje tačke razmekšavanja po PK je takođe jedna od standardnih metoda za identifikaciju bitumena: zajedno sa penetracijom, služi za označavanje bitumena za industrijske svrhe (duvanih bitumena). Npr. 85/40 duvani bitumen sa tačkom razmekšavanja 85ºC i penetracijom od 4 mm.

11 Svojstva i ispitivanja: Rastegljivost duktilitet i Tačka loma po Frasu Brzina istezanja: 5 cm/min! Т = 25 0 C Pad temperature: 1 0 C/min! Merenje duktiliteta bitumena Određivanje tačke loma po Frasu

12 Svojstva i ispitivanja : Indeks penetracije Pri oceni kvaliteta bitumena veliki značaj ima odnos penetracije i temperature razmekšavanja. S obzirom na uslove kojima su izloženi tokom eksploatacije, bitumeni se smatraju kvalitetnijim ako pri određenoj temperaturi razmekšavanja imaju veće vrednosti penetracije. Drugim rečima, odnos između penetracije i temperature razmekšavanja predstavlja merilo temperaturne osetljivosti bitumena. Temperaturna osetljivost bitumena najčešće se definiše putem tzv. indeksa penetracije IP, koji je funkcija penetracije i tačke razmekšavanja po PK. Na sledećem slajdu prikazan je dijagram za definisanje indeksa penetracije IP.

13 Svojstva i ispitivanja : Indeks penetracije

14 Ispitivanje stabilnosti bitumena Bitumen se u praksi izlaže delovanju visokih temperatura, kako bi mu se snizio viskozitet i omogućilo obavijanje agregata slojem optimalne debljine. Time dolazi do određenih hemijskih procesa u bitumenu i do promene njegovih svojstava. Za ocenu ovih promena vrši se ispitivanje stabilnosti bitumena, koje se sastoji u zagrevanju bitumena 5 h na temperaturi 163ºC, u posudi prečnika 128 mm i u sloju debljine 4 mm. Meri se gubitak mase i vrše neka od osnovnih ispitivanja, pa se na bazi poređenja dobijenih rezultata donosi zaključak o stabilnosti bitumena. Važeći tehnički propisi precizno definišu granice u okviru kojih mogu da se kreću svojstva bitumena posle izvršenog ispitivanja stabilnosti.

15 Ugljovodonična veziva za kolovoze Ugljovodonična veziva kod kolovoznih zastora na putevima 1.Bitumeni za kolovozne zastore 2.Razređeni bitumeni za kolovozne zastore 3.Bitumenske emulzije 4.Katrani za kolovoze 5.Hladni katrani za kolovoze

16 Ugljovodonična veziva za kolovoze Bitumeni za kolovozne zastore Prema vrednosti penetracije dele se na pet vrsta: BIT 200, BIT 130, BIT 45, BIT 25, BIT 15 Primena: 1. Za izradu kolovoznih zastora 2. Kao sirovinska osnova za: - bitumenske emulzije - razređene bitumene 3. Za proizvodnju hidroizolacionih materijala U cilju poboljšanja prionljivosti, često se dodaju površinski aktivne materije dopovi. Modifikovani bitumeni: bitumeni čija su reološka svojstva poboljšana dodatkom sintetičkih smola.

17 Ugljovodonična veziva za kolovoze Razređeni bitumeni za kolovozne zastore Bitumeni čija je viskoznost privremeno snižena dodatkom izvesnih rastvarača, koji posle ugrađivanja bitumena delimično ili potpuno ispare. Dele se prema graničnim vrednostima viskoznosti (u sekundama) na pet vrsta: RB 0/1, RB 5/10, RB 30/50, RB 100/170, RB 200/300 Primena: Posebno su pogodni za površinske obrade i stabilizacije tla bitumenom. U zavisnosti od viskoznosti, mogu se pri mešanju sa agregatom zagrevati do 90 C. Pripadaju grupi zapaljivih materijala.

18 Ugljovodonična veziva za kolovoze Bitumenske emulzije Pripadaju kategoriji disperznih sistema, koji se sastoje od bitumena i vode sa određenim emulgatorima. Čestice bitumena (0.1-10) 10-3 mm disperzna faza Voda disperiziona sredina Voda u bitumenskoj emulziji omogućava rad po hladnom postupku. Prema brzini raspadanja dele se na: - NE 50 (nestabilne bitumenske emulzije) - PE 55 (polustabilne bitimenske emulzije) - SE 55 (stabilne bitumenske emulzije) Broj u oznaci predstavlja minimalni sadržaj bitumena u % (sadržaj bitumena u emulzijama 50-70%) Anjonske (bazne) kod karbonatnih agregata, Katjonske (kisele) kod eruptivnih agregata. Primena: - površinske obrade - stabilizacije tla - asfalt za duže lagerovanje (za popravke kolovoza).

19 Ugljovodonična veziva za kolovoze Katrani za kolovoze Proizvode se obradom katranske smole katranskim uljima (čime se katranskim smolama snižava viskozitet). S obzirom na viskozitet (u sec) postoje sledeći tipovi: K 10/17, K 20/35, K 80/125, K 140/240, K 250/500 Primena: za izradu kolovoznih zastora (sami ili u kombinaciji sa bitumenom K: BIT = 85:15) Hladni katrani za kolovoze Katrani čiji je viskozitet privremeno snižen dodatkom ulja za razređivanje, koja posle ugrađivanja oksidišu ili isparavaju iz kolovoznog zastora. Obično se sastoji od: - 85% katrana - 15% razređivača (ulja)

20 Asfalti: definicija, vrste asfalta Pod asfaltima se podrazumevaju veštački kameni materijali dobijeni očvršćavanjem racionalno sastavljenih mešavina od: Ugljovodoničnih veziva (bitumena i/ili katrana), Kamenog brašna i Krupnijeg kamenog agregata (rečnog ili drobljenog). Ovakve mešavine mogu se naći i u prirodi, pa se može govoriti o prirodnim i veštačkim asfaltima. U zavisnosti od vrste mešavine, postoji više tipova veštačkih asfalta: Površinske obrade, Penetracije, polupenetracije i zasuti makadam, Asfaltni betoni (asfalt betoni), Liveni asfalti i Specijalni asfalti.

21 Asfalti: Asfaltni betoni Sadržaj ugljovodoničnih veziva: 5-12% Sadržaj kamenog brašna filera (0/0,09mm): 5-20% Vrući asfaltni betoni (asfaltni betoni koji se ugrađuju po vrućem postupku) - na mestu spravljanja: T= C - na mestu ugrađivanja: T= C Vezivo: bitumeni za kolovozne zastore Agregat: pesak (0,09/2mm)+kamena sitnež (2/22.4mm) Hladni asfaltni betoni (asfaltni betoni koji se ugrađuju po hladnom postupku) - na mestu spravljanja: T=60-80 C - na mestu ugrađivanja: potpuno rashlađeni. Vezivo: razređeni bitumeni i katrani za kolovoze Agregat: pesak (0,09/2mm)+kamena sitnež (2/12.5mm)

22 Asfalti: Asfaltni betoni Sastavljanje mešavina asfaltnih betona Optimalna struktura: Struktura u kojoj zrna agregata (pesak i kamena sitnež) uspostavljaju kontakt kroz tanke proslojke veziva (ugljovodonični materijal+filer). Granulometrijski sastav agregata: n d Y 100 ; n=1/1.5-1/3 D (smanjenje vrednosti n vodi povećanju sadržaja sitnih frakcija).

23 Asfalti: Asfaltni betoni

24 Asfalti: Asfaltni betoni Iz uslova da je: V uv = m uv /γ uv = V ša Iz uslova da vezivo obavije sva zrna agregata slojem debljine е, tj.: V uv = m uv /γ uv = е Σ F (1) U poslednjem, trećem izrazu je: k 0 = γ uv e

25 Asfalti: Asfaltni betoni Osnovna svojstva asfaltnih betona Viskoznost i osetljivost na temperaturne promene ugljovodoničnih veziva odražava se i na svojstva asfaltnih betona: 1. Imaju svojstvo prilagođavanja obliku podloge, 2. Ako količina ugljovodoničnog veziva pređe određenu optimalnu vrednost, pri visokim temperaturama doći će do potiskivanja agregata u njenu dubinu i kretanja veziva ka površini (segregacija). Asfalt beton postaće veoma plastičan, oslabiće veza između zrna agregata, smanjiće se čvrstoća i trajnost asfaltnih betona. 3. Čvrstoća pri pritisku: - na 20 C: 2-3 MPa - na 50 C: MPa - na -20 C: odgovaraju čvrstoćama običnih betona

26 Asfalti: Asfaltni betoni Osnovna ispitivanja asfaltnih betona U osnovna ispitivanja asfaltnih betona spadaju: - Ispitivanje sastava asfalt betona - Ispitivanje stabilnosti i tečenja po Maršalovoj metodi. Sem navedenog, kod asfaltnih betona ispituje se još i: - Procenat zaostalih šupljina u mešavini - Upijanje vode i bubrenje - Zapreminska masa Kod uzoraka izvađenih iz kolovoznih zastora, ispituje se: - Stepen komprimiranosti - Procenat zaostalih šupljina

27 Asfalti: Asfaltni betoni Ispitivanje stabilnosti i tečenja po Maršalu Ovo ispitivanje vrši se na cilindrima =101,6 mm, H=63,5 mm koji se izrađuju zbijanjem, na tačno propisan način. Ovi uzorci se zagrevaju do T=60ºC, a zatim se podvrgavaju ispitivanju stabilnosti i tečenja u naročitoj, Maršalovoj presi. Uzorak se u presi izlaže pritisku po izvodnicama, pri čemu su čeljusti kojima se vrši opterećenje polukružne, sa poluprečnicima krivine jednakim poluprečniku uzorka. Brzina kretanja čeljusti je konstantna 50 mm/min. Prati se rast sile (kn) i rast deformacije na mernom instrumentu (mm). U momentu dostizanja maksimalne sile vrši se očitavanje sile i odgovarajuće deformacije uzorka. Ove dve vrednosti označavaju se kao Stabilnost i tečenje po Maršalu. Na bazi ove dve veličine sračunava se Modul ukočenosti po Maršalu na 60ºC, prema izrazu: M u стабилност у kn течење у mm 10 mm (N/mm 2 MPa)

28 Asfalti: Asfaltni betoni

29 Asfalti: Asfaltni betoni Ugrađivanje asfaltnih betona Ugrađivanje se načelno vrši samo pod povoljnim vremenskim uslovima Koriste se specijalne mašine (raspoređivači i finišeri) Na nepristupačnim mestima dozvoljava se i ručno ugrađivanje Zbijanje se vrši mehaničkim sredstvima (naročitim valjcima) Na nepristupačnim mestima dozvoljava se i ručno zbijanje Važna napomena: Kod vrućih asfaltnih betona zbijanje se završava tokom procesa ugrađivanja i valjanja (zbijanja). U slučaju hladnih asfaltnih betona koji očvršćavaju usled oksidacije, isparavanja i delimičnog upijanja pojedinih komponenata veziva (razređivači), ovaj proces može da traje i dana.

30 Liveni asfalti Liveni asfalti su mešavine ugljovodoničnih veziva i mineralnih materijala (agregata) bez šupljina, koje se pri ugrađivanju ne valjaju niti vibriraju. Prema sastavu mase liveni asfalti se dele na: Obične livene asfalte (sa 30-40% kamene sitneži) Tvrdo livene asfalte (sa 40-55% kamene sitneži)

31 Liveni asfalti Optimalni sadržaji pojedinih komponenata: Kamen (plemenita sitnež): - u tvrdo livenom asfaltu % - u (običnom) livenom asfaltu % Filer: najmanje 20 % Bitumen 6,5 9 % Pesak: dopuna do 100 % U slučaju livenih asfalta, mora da bude zadovoljen i sledeći uslov: Procenat šupljina utresene (zbijene) mineralne mase sme da bude: - za tvrdo livene asfalte: najviše 18 %, - za livene asfalte (obične): najviše 22 %.

32 Liveni asfalti Spravljanje i ugrađivanje livenih asfalta Spravljanje: u stalnim ili pokretnim kazanima u stalnim postrojenjima asfaltnim bazama u svim slučajevima mešavina se kuva na T= C Transport mešavine: u naročitim pokretnim kazanima, snabdevenim uređajima za mešanje i održavanje temperature Ugrađivanje: ručno (samo za male količine) ili mašinsko masa se izručuje na samo mesto ugrađivanja ručno ugrađivanje pomoću drvenih lopatica i glačala (pegli) Mašinsko ugrađivanje specijalnim finišerima, koji masu razlivaju i ugrađuju putem zagrejane talpe mora se nanositi uvek na suvu podlogu Hrapavljenje: površina livenog asfalta se uvek hrapavi, posipanjem eruptivne kamene sitneži svetle boje preko još tople ugrađene mase, kao i valjanjem lakim zupčastim valjcima.

33 Hidroizolacije na bazi bitumena Svaki materijal koji se primenjuje u hidroizolacijama treba da bude: Nepropustljiv za vlagu i vodu, Dovoljno plastičan na niskim i postojan na povišenim temperaturama, Sposoban da bez oštećenja prati deformacije podloge i da premosti manje pukotine u njoj, Otporan prema mehaničkim i atmosferskim uticajima (prema starenju), Prionljiv za druge materijale, Bez štetnog delovanja na materijale sa kojima dolazi u dodir, na ljude i okolinu, Primenljiv pri različitim uslovima rada, Dobar elektro izolator, Pogodan za primenu u smislu težine, otpornosti prema oštećenjima tokom rada, lake nabavke i sl.

34 Hidroizolacije na bazi bitumena Na području hidroizolacija najširu primenu imaju industrijski bitumeni, koji se dobijaju postupkom duvanja (duvani bitumen). Imaju visoku tačku razmekšavanja po PK, a malu penetraciju (veći indeks penetracije). Kod nas se proizvodi 6 standardnih vrsta duvanih bitumena, koji nose oznaku ind.bit. i sledeće brojne oznake: 70/30, 85/25, 85/40, 105/15, 115/15 i 135/10 (prvi broj u oznaci je tačka razmekšavanja po PK, a drugi srednja vrednost penetracije). Mehanička svojstva bitumena mogu se poboljšati upotrebom raznih vrsta armatura (sirovi krovni karton, sirova juta, azbestna lepenka, poliesterski filc, poliamidna tkanina, aluminijumska folija ( albifol ) i dr.

35 Hidroizolacije na bazi bitumena Hidroizolacioni materijali u rolnama Bitumenski trakasti proizvodi koji se pakuju u rolne, a proizvode se ili samo impregnisanjem, ili impregnisanjem i oblaganjem, ili, pak, samo oblaganjem odgovarajućih uložaka bilo čistim bitumenom, bilo modifikovanim (polimer bitumenom), sa nekim punilom ili bez punila.