 |
|
 |  |
|
|
| |
 | Aeronautica | Comunicatii | Constructii | Electronica | Navigatie | Pompieri |
| Tehnica mecanica |
Bitumurile sunt materiale naturale sau artificiale de natura organica, de consistenta variabila (de la lichid vascos la solide casante) si de culoare brun-negru. Bitumul amestecat cu pulberi minerale se numeste asfalt.
În natura bitumurile se gasesc sub forma de depozite in scoarta terestra, sub forma de lacuri (asfalt de lac), imbiband diferite roci (bitum de roca, sisturi bituminoase) sau zacamintele de carbuni (bitum de carbuni).
Bitumurile artificiale se obtin din prelucrarea prin cracare a pacurii parafinoase (bitum de cracare) sau prin distilarea pacurii asfaltoase (bitum de petrol - care prin oxidare-suflare formeaza bitumul suflat, material de calitate superioara).
Bitumurile sunt amestecuri complexe de hidrocarburi (alcani, cicloalcani, aromatice, naftenice), derivati cu oxigen (acizi grasi, acizi naftenici, anhidride etc.), cu sulf (derivati din hidrocarburi), azot (compusi complecsi cu masa moleculara mare), derivati heterociclici in care sunt continuti si ioni metalici (Ni, V, Cu, Fe).
Complexitatea compozitiei nu permite separarea din bitum a componentilor chimici individuali.
Prin metode chimice si fizico-mecanice de investigatie (separare prin dizolvare selectiva, cromatografie, difuziune termica) s-au putut separa din bitum grupe de componenti, care s-au studiat, stabilindu-se caracteristicile lor.
Un mod frecvent utilizat de fractionare a bitumului este dizolvarea selectiva, utilizand ca solvent normal-heptanul. Prin tratare cu n-heptan, bitumul se fractioneaza in:
Solubil in heptan, denumit maltene, alcatuit din molecule organice cu mase moleculare cuprinse intre 250 - 1250. Maltenele la randul lor pot fi fractionate (prin cromatografie) in fractie uleioasa, formata preponderent din hidrocarburi cu un continut variabil de derivati cu sulf si o fractie vascoasa (rasini) alcatuita din compusi heteroatomici (continand O, S, N) si hidrocarburi policiclice grele.
Fractia uleioasa (petrolene) reprezinta 40 - 60 % din masa bitumului si este alcatuita in principal din hidrocarburi naftenice si aromatice, mono sau policiclice (asemanatoare celor existente in uleiurile minerale utilizate ca lubrefianti). Uleiurile contin si hidrocarburi parafinice (alcani) precum si derivati cu sulf (tionaftene, derivati sulfurati ai hidrocarburilor aromate etc.).
Rasinile contin compusi policiclici saturati, aromatici sau cu heteroatomi (O, S, N). Ele pot contine si compusi cu caracter acid (acizi carboxilici; fenoli) sau cu caracter bazic (derivati cu azot), cu caracter polar.
Compusii organici din rasini, sunt relativ bogati in hidrogen (raportul H/C = 1,41 - 1,66) si am un caracter aromatic mai putin pronuntat decat asfaltenele.
Insolubil in heptan, denumit asfaltene, alcatuit din substante organice cu masa moleculara mai mare de 900, de regula de ordinul 103 - 104. Asfaltenele reprezinta 10 - 30 % din masa bitumului. Moleculele ce le alcatuiesc au tendinta de asociere cu formare de structuri micelare. Edificiile moleculare ce alcatuiesc asfaltenele pot fi asimilate cu polimeri, cu grad de polimerizare relativ mic (n £ 10), ceea ce explica masa moleculara mare. Speciile moleculare ce alcatuiesc asfaltenele se pot diferentia dupa scheletul carbonic, plasarea heteroatomilor (O, N, S) sau a gruparilor functionale (-COOH; -CH; -COO).
Proprietatile bitumurilor sunt determinate de compozitia chimica, atat de natura speciilor moleculare, cat si de raportul in care acestea se gasesc in bitum.
Compozitia bitumurilor variaza in limite largi, ea fiind dependenta de natura materiei prime (tipul de petrol) si tehnologia de obtinere.
Compozitia bitumurilor de petrol se poate inscrie in urmatoarele limite: petrolene 40 - 65 %, maltene 18 - 40 %, asfaltene 15 - 30 %. Proprietatile bitumurilor sunt determinate de proportia dintre componenti.
Bitumurile sunt sisteme coloidal disperse, care in functie de compozitie sau temperatura pot fi de tip sol, sol-gel sau gel (fig. 1.1.). Fiecare tip de structura se caracterizeaza prin proprietati reologice specifice.
La temperaturi obisnuite structura bitumurilor este micelara. Faza intermicelara este formata dintr-o dispersie de rasini in petrolene. Continutul micelar este variabil pentru diferite tipuri de bitum si la diferite temperaturi. Particula coloidala poate avea caracter liofil (fig. 2 a) sau liofob (fig. 2 b), in functie de absenta sau prezenta acizilor organici in bitum.
a b
Asfaltenele formeaza nucleul particulei. Ele retin pe suprafata maltenele, fata de care au o mare putere de absorbtie. În cazul particulei liofobe acizii se retin odata cu maltenele si disociaza in stare absorbita.
Echilibrul adsorbtie-desorbtie asfaltene-maltene, da stabilitate sistemului si depinde de raportul dintre fazele participante la proces, de compozitia lor chimica, de structura si de temperatura.
Cresterea temperaturii poate duce la disparitia micelelor si la starea nemicelara a bitumurilor (fig. 3).
Figura 3. Starea micelara si nemicelara a
bitumurilor
Transformarile care au loc in complexul coloidal care este bitumul, se reflecta in caracteristicile fizico-chimice ale acestui material.
Astfel, cresterea continutului in asfaltene duce la cresterea punctului de inmuiere; scaderea continutului micelar (prin adaos de solventi sau ridicarea temperaturii) duce la reducerea vascozitatii si in final la fluidificare (la 160 - 180° C).
În utilizarile lui in constructii bitumul trece prin toate starile si tipurile de structuri, dar in exploatare se utilizeaza mai ales in starea de gel.
La solicitari interne de scurta durata, bitumul are o comportare elastica cu atat mai pronuntata cu cat temperatura este mai joasa.
La temperaturi ridicate (dar sub punctul de picurare) si la solicitari de durata, deformatia bitumului este partial elastica si partial, dar preponderent, plastica (asociata cu tixotropie).
Daca durata de actiune a fortei este mare se produce curgerea lenta a bitumului. Daca intensitatea solicitarii scade in timp apare relaxarea materialului, deformatiile se reduc.
Aceasta comportare la solicitari este determinata de structura gelica, de natura fortelor de legatura din gel, de mutatiile ce pot apare in structura bitumului.
Proprietatile reologice ale bitumurilor sunt transmise materialelor de constructie pe baza de bitum, cu unele modificari si atenuari introduse de celelalte componente ale acestor materiale.
1.3.2. Adeziunea
Adeziunea este tensiunea interfaciala la limita de separatie lichid-solid. Forta necesara separarii suprafetelor in contact se numeste forta de adeziune.
Adeziunea bitumului la suporturi solide este determinata de compozitia bitumului (parafinele scad adeziunea), dar mai ales de natura suprafetei solide. Este un fenomen de adsorbtie-chemosorbtie ce poate fi intensificat prin adaos de substante tensioactive (aditivi).
Adeziunea se poate defini si ca efortul necesar pe unitate de suprafata pentru a detasa liantul de pe suport.
Adezivitatea este adeziunea bitumului fata de suprafetele solidelor in prezenta apei si este conditionata de natura suprafetei.
Daca solidul este hidrofil, apa se interpune intre suprafata acestuia si bitum si impiedica adeziunea.
Daca suprafata este hidrofoba (oleofoba) adeziunea bitumului este buna si in prezenta apei.
Solidele de natura acida sau cu incarcare electronegativa (cuart, argila, granite, sticla etc.) sunt mai hidrofile decat cele bazice sau cu incarcare electropozitiva (betoane, roci bazice etc.). Din aceasta cauza bitumul adera mai bine de suporturi bazice.
Densitatea bitumului este de circa 1000 kg/m3 si depinde de compozitia lui chimica. Ea creste cu cresterea procentului in compusi aromatici si derivati cu sulf si cu scaderea continutului in compusi saturati.
Pentru bitumul solid,
vascozitatea, respectiv consistenta, se apreciaza prin metoda
penetrometrica standard (prin adancimea de patrundere timp de 5
secunde a unui ac incarcat cu o greutate de
Consistenta (masurata penetrometric) scade cu cresterea continutului in asfaltene si cu scaderea temperaturii.
Intervalul de plasticitate este zona de temperatura in care bitumul isi pastreaza proprietatile plastice (nu curge si nu devine casant).
El se caracterizeaza prin limita superioara (punct de picurare si punct de inmuiere) si inferioara (punct de rupere Frass).
Extinderea acestui interval depinde de compozitia bitumului.
Pentru ca bitumul sa aiba proprietati plastice intr-un domeniu mai larg de temperatura se filerizeaza (se foloseste un adaos de pulbere fina - filer), sau se aditiveaza.
Ductilitatea bitumului este aptitudinea lui de a se trage in fire si depinde de compozitia chimica, structura bitumului, precum si de temperatura. Da indicatii asupra modului de comportare a bitumului la variatii de temperatura.
Absorbtia de apa este mica din cauza caracterului hidrofob al bitumului. Moleculele mici ale apei difuzeaza lent printre micelele mari ale bitumului, procesul fiind accelerat de agitatia termica a dispersoidului coloidal. Saturarea cu apa intervine la 4 - 5 % apa difuzata in bitum.
Absorbtia de apa decurge cu marire de volum si are drept consecinta scaderea adeziunii la suport. Patrunderea apei poate fi diminuata prin tinerea stratului de bitum sub presiune, care impiedica umflarea si indirect absorbtia de apa (acesta este un mijloc de protectie al hidroizolatiilor cu bitum si fundatii).
Caracteristicile fizice ale bitumurilor se determina in baza standardelor in vigoare.
Îmbatranirea bitumurilor este un proces chimic complex ce duce la modificarea ireversibila a compozitiei chimice si structurii bitumului, avand drept consecinta modificarea in rau a proprietatilor bitumului, limitand durabilitatea tuturor materialelor pe baza de bitum.
Procesul de imbatranire are loc sub influenta factorilor de mediu (oxigen atmosferic, variatii de temperatura, electroliti, radiatii solare etc.).
Sub influenta temperaturilor ridicate si a oxigenului atmosferic, componentii bitumului sufera procese de polimerizare si dehidrogenare, ce pot ajunge pana la transformarea lor in carbune (petrolene rasini asfaltene carbune - (carboide). Materialul devine casant, friabil.
Viteza proceselor de imbatranire depinde de provenienta si de compozitia chimica a bitumului precum si de conditiile externe.
Bitumurile naturale imbatranesc mai repede decat cele de petrol.
Bitumurile oxidate (suflate) imbatranesc mai greu decat cele din alte clase, deoarece componentii sensibili la oxigen au suferit modificari structurale inca in timpul fabricatiei.
Un continut mare in sulf sensibilizeaza bitumurile la actiunea radiatiilor ultraviolete accelerand procesele de imbatranire.
Bitumurile moi imbatranesc initial mai repede decat cele dure, dar rezista timp mai indelungat la actiunea agentilor atmosferici.
Procesul de imbatranire poate fi incetinit prin adaos de pulberi opace, absorbante de radiatii ultraviolete (filiere) sau prin aditivarea bitumurilor.
Apa libera existenta in bitum, prin inghet-dezghet repetat deformeaza bitumul si acceleraza fisurarea cauzata de imbatranire.
Comportarea bitumului la agresiune chimica - bitumurile rezista bine la actiunea mediilor agresive (acide, slab bazice, solutii saline si amestecate) ceea ce le face utilizabile la protectia anticoroziva.
Stabilitatea chimica a bitumului se reduce sub actiunea luminii, temperaturilor ridicate si oxigenului. Din aceasta cauza protectiile cu bitum sunt mai rezistente (eficiente) in absenta acestor factori (la lucrari ingropate).
Rezistenta bitumului la agresiune poate fi marita prin aditivarea lui cu materiale din polimeri organici (poliizobutena, rasini epoxidice), care modifica favorabil si alte proprietati (rezistentele mecanice, stabilitatea la incalzire, in cazul rasinilor epoxidice).
Bitumul se poate degrada sub actiunea biologica a unor microorganisme, actiune ce poate fi franata prin adaugarea de fungicide (fungitox), mai ales in hidroizolatiile cu bitum executate in subteran.
În aceasta grupa intra diferite tipuri de bitum (de lac, de extractie sau natural, de petrol etc.) utilizate la cald pentru hidroizolatii, protectii anticorozive, ca liant pentru realizarea mortarelor si betoanelor asfaltice.
Bitumurile de petrol dupa provenienta si compozitie se clasifica in parafinoase si neparafinoase.
Dupa utilizari bitumurile se impart in principal in:
bitumuri pentru drumuri (clasificare in clase, dupa valorile penetratiei);
bitumuri industriale neparafinoase (clasificate dupa puncte de inmuiere), ce se fabrica simple (I) si aditive (I A);
bitumuri pentru hidroizolatii simple (H) si aditivitate (H A), clasificate dupa punctele de inmuiere;
bitumuri speciale: pentru protectia conductelor subterane, pentru fabricarea suspensiilor de bitum filerizat, pentru impregnarea cartoanelor etc.
Bitumurile simple pot fi puse in lucrare prin topire, ce duce la reducerea vascozitatii lor.
Pentru corectarea unor proprietati (interval de plasticitate, deformatii, curgere, consistenta, adeziune la suport etc.) bitumurile se aditiveaza prin adaos de compusi macromoleculari, ca de exemplu izopropena atactica (PA), copolimer stiren butadienstirenic (SBS), cauciucuri, rasini epoxidice etc.
Alegerea aditivului se realizeaza in functie de compatibilitatea sa cu bitumul (sa se omogenizeze cu acesta), de rezistenta termica (140 - 180° C), pastrarea proprietatilor la temperaturi joase etc.
Tipul de aditiv macromolecular se alege in functie de bitumul utilizat si de cerintele fata de amestecul bitum - polimer rezultat. Bitumurile corect selectate si corespunzator aditivate au proprietati superioare si se utilizeaza fie ca liant pentru betoane asfaltice, fie pentru obtinerea de materiale hidroizolatoare cu proprietati superioare celor clasice.
1.4.3. Solutiile de bitum (bitum taiat, cutback)
Prin natura lor, sunt solutii (coloidale) de bitum in solventi organici volatili, care la aplicare pe suport se evapora, bitumul ramanand sub forma de pelicula ce poate functiona ca liant sau cu strat de acoperire.
Solventii utilizati trebuie sa fie relativ ieftini, netoxici, putin inflamabili, sa aiba continut mare in compusi aromatici (peste 20 %) pentru a asigura o dispersare cat mai buna a bitumului si o uscare cat mai rapida la utilizare.
Bitumurile utilizate trebuie sa prezinte o tendinta redusa de gelifiere datorata asocierii asfaltenelor, pentru a da solutii (coloidale) cat mai stabile.
Bitumurile taiate se utilizeaza la rece pentru amorsarea suprafetelor (la hidroizolatii, in lucrari de drumuri etc.), pentru fabricarea de masticuri si chituri (pentru hidroizolatii) cu uscare rapida.
Solutiile adera bine numai la suport uscat, dar prin aditivare (cu substante tensioactive) capata adeziune si la suport umed.
Materialul are o serie de dezavantaje (utilizare de solventi, uscarea prealabila a suportului, toxicitatea si inflamabilitatea vaporilor formati la uscarea solutiei etc.) ce ii limiteaza utilizarile.
În lucru cu solutiile de bitum trebuie acordata atentie normelor in vigoare de protectie a muncii si de paza contra incendiilor.
Bitumurile sunt substante hidrofobe ce nu adera la suport umed, ceea ce, alaturi de punere in lucrare in stare topita, creeaza dificultati in utilizarea lor.
Pentru inlaturarea acestor inconveniente se utilizeaza emulsiile bituminoase.
Emulsiile de bitum se obtin prin omogenizarea in mori coloidale a unui amestec bine dozat de bitum, apa si emulgatori (emulseri) de tip coloidal (dispersii de sapunuri in apa etc) sau pulberi minerale (hidrofobe sau hidrofile).
Emulsiile de bitum se impart dupa structura lor in emulsii anionice si cationice.
Emulsiile anionice au particulele dispersoidului incarcate negativ. Se pot fabrica sub forma de emulsii directe (emulgatori, sapunuri de sodiu si potasiu ale acizilor grasi 1 - 3 %) sau inverse emulgator - oleatii si stearatii de calciu - in cantitate mare), ultimele fara aplicabilitate tehnica.
În emulsiile directe (bitum-apa) particulele dispersate de bitum sunt incarcate negativ (fig. 6), iar mediul apos este bazic (pH 9 - 11). Bitumul continut in aceste emulsii precipita (prin ruperea emulsiei) pe suprafete cu caracter bazic (agregate calcaroase, beton de ciment etc).
Figura 6. Emulsii cationice (a) si anionice (b)
a b
Emulsiile anionice se pot dilua cu apa si din aceasta cauza, dupa punerea in lucrare ele pot fi spalate (prin reemulsionare) de pe suprafetele pe care s-au aplicat.
Emulsiile cationice sunt materiale bituminoase introduse mai recent in practica. Particulele de bitum din aceste emulsii au sarcina electrica pozitiva (fig. 6.b), iar faza apoasa are caracter acid. Emulgatorii utilizati sunt sulfati sau cloruri ai unor mono sau diamine alchidice (ex: clorhidrat de propilen diamina).
Aceste emulsii adera bine la suprafete cu caracter acid (nisipuri cuartoase, granite etc) dar si la cele bazice, ceea ce le face de mai larga utilizare.
Ele au o uscare initiala rapida, ceea ce reduce posibilitatea reemulsionarii sub actiunea apei.
Emulsiile de bitum se pot utiliza in hidroizolatii si pentru fabricarea materialelor de hidroizolatii stratificate, la confectionarea la rece a chiturilor, masticurilor; in constructia de drumuri pentru lucrari la rece (amorsari, anrobari, mixturi), in stabilizari de pamanturi etc.
Pentru obtinerea de emulsii bitumurile trebuiesc selectate compozitional atat pentru obtinerea unei emulsii cat mai omogene compozitional, cat si mai stabile. Un continut ridicat in acizi (naftenici) favorizeaza obtinerea emulsiilor stabile, pe cand un continut ridicat in parafine (alcani) este defavorizant.
Stabilitatea emulsiei este dependenta si de emulgator, atat prin lungimea catenei hidrocarbonate cat si prin natura gruparii functionale polare si capacitatea acesteia de a disocia electrolitic.
În contact cu suportul (amestecare cu agregate, aplicarea pe suprafete) emulsiile "se rup", adica bitumul se separa de apa si precipita pe suport. Pentru ca emulsiile sa se "intareasca", dupa rupere, trebuie sa se piarda apa pentru evaporare.
Un dezavantaj al utilizarii emulsiilor este posibilitatea ca in prezenta apei (din precipitatii) sa aiba loc procesul de reemulsionare a bitumului (precipitat pe suport ca urmare a ruperii emulsiei).
1.4.6. Masticurile bituminoase
Masticurile bituminoase sunt amestecuri de bitum cu filere, ce se pot utiliza la cald sau la rece.
Masticurile utilizabile la cald se obtin din bitum topit in amestec cu filere pulverulente (calcare, dolomite, var stins in praf, bazalt pulbere, ciment silicios, cenusa de termocentrala) de finete cat mai mare, sau fibroase (azbest, vata minerala etc.) constituite pe cat posibil din fibre independente.
Prin filerizare se imbunatatesc calitatile bitumului: creste vascozitatea, se largeste intervalul de plasticitate, cresc rezistentele mecanice, se intarzie imbatranirea, se reduc contractiile si tendinta de fisurare si se micsoreaza pretul de cost.
Actiunea filerelor pulverulente este datorata suprafetei lor specifice (103 - 104 cm2/g), la nivelul careia decurg intense fenomene de adsorbtie a componentelor bitumului (petrolene). Bitumul neadsorbit, aflat in campul de forte Van der Waals creat de filer, genereaza structuri mai puternic tixotrope. Prin acestea amestecul capata coeziune interna mai mare.
Pe de alta parte filerul actioneaza ca ecran pentru radiatiile ce catalizeaza procesele de imbatranire, franand astfel acest proces.
Filerele fibroase au putere de adsorbtie mai mica. Cresterea coeziunii interne este datorata, in acest caz, impaslirii fibrelor si creerii unei armaturi in masa bitumului. La deformare, fibrele se orienteaza in sensul actiunii fortei si prin acestea creste si rezistenta la intindere.
Utilizarea filerelor mixte (fibroase - pulverulente) duce la obtinerea de masticuri cu proprietati superioare.
Masticurile utilizabile la cald se folosesc ca liant in mixturile asfaltice, in realizarea hidroizolatiilor plastice si la fabricarea materialelor hidroizolatoare (cartoane, panze, impaslituri si tesaturi din fibre de sticla), pentru impregnare, in lipire.
Masticurile utilizabile la rece se fabrica din bitumuri taiate sau din dispersii apoase de bitum si filere.
La noi in tara se utilizeaza masticuri pe baza de subif si fibre celulozice denumite celochit (masa de spaclu).
Se pot fabrica chituri si pe baza de fibre anorganice (vata minerala, fibre de sticla, azbest defibrat etc.).
Masticurile utilizabile la rece se folosesc pentru etanseizari de rosturi in hidroizolatii.
Sunt materiale compozite obtinute prin intarirea unui amestec bine dozat de lianti bituminosi si agregate. În stare proaspata aceste amestecuri poarta denumirea de mixturi asfaltice.
Spre deosebire de mortarele si betoanele de ciment, cele pe baza de bitum isi schimba rezistentele mecanice si deformatiile in functie de temperatura.
Destinatia lor principalaa o constituie constructia de drumuri si piste de aeroport.
Bitumul indeplineste rolul de liant si hidrofobizant al amestecului. El peliculizeaza granulele de agregat, umple golurile dintre granule, chituindu-le intr-un tot.
Pentru a-si putea indeplini rolul de liant este necesar ca bitumul sa-si pastreze plasticitatea intr-un interval cat mai larg de temperaturi.
El trebuie sa se ancoreze cat mai bine pe suprafata agregatelor si sa se gaseasca in cantitate optima pentru a se asigura rezistente mecanice maxime mortarului si betonului asfaltic.
Ca liant se poate folosi bitumul ca atare sau materiale pe baza de bitum (emulsii, subif etc.). Bitumul pentru drumuri trebuie sa corespunda unor conditii standard de calitate.
Agregatul din mortarele si betoanele asfaltice trebuie sa prezinte o granulozitate continua, cu volum minim de goluri, pentru a utiliza in realizarea mixturilor o cantitate minima de liant.
Amestecul de agregate in betoanele bituminoase este alcatuit din filer, nisip silicios si criblura sau pietris de rau. Pentru fiecare component al agregatului se pun conditii severe de calitate (standardizate).
Filerul trebuie sa aiba caracter bazic si o suprafata specifica cat mai mare (rest pe sita cu 4900 ochiuri/cm2 ma 20 %). El trebuie sa nu interactioneze chimic cu componentii bitumului si sa nu-i adsoarba selectiv. Adeziunea la interfata bitum - filer trebuie sa fie cat mai mare. La aceasta interfata decurg fenomene de adsorbtie care imbunatatesc comportarea bitumului in timp si la solicitari mecanice.
Filerul influenteaza pozitiv granulozitatea agregatului, el acoperind domeniul 0-0,2 mm. Pe de alta parte influenteaza pozitiv proprietatile liantului bituminos (largeste intervalul de plasticitate, intarzie imbatranirea, mareste frecarea interioara etc.) contribuind la cresterea durabilitatii si la imbunatatirea comportarii betonului la solicitari statice.
Pe langa rolul sau tehnic pozitiv, filerul contribuie si la scaderea consumului de liant (cel mai scump component al mixturilor asfaltice) si prin aceasta prezinta si un avantaj economic.
Nisipul silicios in betoanele
asfaltice acopera intervalul de granulozitate de la 0.2 la
Criblura se livreaza pe sorturi granulare (3/5, 5/8, 8/15, 15/25), iar conditiile de calitate sunt mai severe decat la alte categorii de agregate. Ele provin din roci magmatice negelive la care bitumul are adeziune buna (bazalt, porfir, granit, cuart - adeziunea bitumului descreste in aceasta ordine).
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate
