Гидроизоляциялық материалдардың өндірісіне арналған шикізат

1. Табиғи және мұнай битумдар.

2. Өнімді алу тәсілдері, технологиялық ерекшеліктері.

3. Битумдардың химиялық құрамымен, қасиеттері, битум компоненттерінің әсері.

4. Битумдардың маркалары.

Гидроизоляциялық материалдар және бұйымдар өндірісі үшін келесі шикізатты: органикалық (битумдар, қарамай, полимерлер, еріткіштер, пластификаторлар және т.б.), минералды (талшықты және ұнтақ тәріздес толтырғыштар, себетін заттар – құм, слюда қалдықтары, майда түйіршікті қиыршықтас және т.б.) қолданылады. Гидроизоляциялық материалдар технологиясынан тәуелді шикізатты заттарды өңдеудің келесі түрлерге: тазалауға, қыздыруға, балқуға, сұйық бояуға, үлпілдеуге (асбест), жууға, араластыруға және т.с.с. ұшырайды.

Битумдар – жоғары молекулялы көмірсутегінің қоспасынан және олардың металды емес туындысынан тұратын қара немесе қара түсті курай түсіндегі органикалық заттар, яғни оттегі, азот және күкіртпен көмірсутегінің қосылыстары. Бөлмелі температурада битумдар қатты, тұтқыр және тұтқыр-сұйық болады, олар органикалық еріткіштерде (ыстық бензолда, хлороформада, күкірт көміртегінде және т.б.) жақсы ериді, қыздыру кезінде жеңіл жылжымалы сұйықтыққа айналады, салқындату кезінде қайтадан қоюланады; олардың нақты тығыздығы ~ 1 г/см³. Битумдар мұнайдан алынатын (мұнай битумдар) табиғи және жасанды болуы мүмкін.

Табиғи битумдар геологиялық және климаттық факторлар әрекетіндегі мұнайдан құрылған, нәтижесінде мұнайдан жеңіл қосулар бөлшекпен буланған, полимерлеу және тотығу процестері болған. Осы битумдар жер қыртысының жоғарғы қатпарларында болады немесе беттік көл түрінде жиналады. Кен қатпарлы форма кезінде табиғи битум әктастарды, құмдақтарды, доломиттерді және басқа тау жыныстарды сініреді және онда 5...20% және көп мөлшерінде құрайды. Осы тау жыныстарды битуминозды немесе асфальтты деп атайды және онда 10% көп битум құрамы кезінде оны мақсатқа сәйкес алу. Битумды жиі суда пісіру арқылы немесе органикалық еріткіштермен экстрагировалау арқылы алады.

Бірінші тәсіл кезінде асфальтты тау жынысты 6...10мм өлшемімен бөлшектерге ұнтақтайды және қазанға сумен тиейді. Суға битумды минералды бөлшектерден бөлудің жақсартылуы үшін тұзды қышқылды қосады. Қышқыл сумен тау жыныстың қоспасы тұрақты араластыру кезінде қайнатады, осы кезде битум балқиды, бетке шығады. Оны кәкпір (сүзекі) деген арнайы құрылғымен алады және одан суды және минералды бөлшектерді бөлуге арналған тұндырғышқа аударады. Кейбір жағдайда битумды ауамен тотықтырады, оның тұтқырлығы қажетті мағынаға дейін көбейеді.

Екінші тәсіл бойынша битумды тау жыныстарды ұнтақтайды және арнайы сыйымдылықтарға тиейді, органикалық еріткішті құяды және араластырады. Битум еріткіште ериді, ерітіндіні төгіп алады және еріткішті буландыру жолымен битумды алады. Екіншісіне қарағанда, табиғи битумдарды алудың бірінші тәсілі үнемді. Беттік битумдар жер бетіне мұнайдың шығу нәтижесінде құрылады, көл түрінде жиналады және қоспаның едәуір емес мөлшерін құрайды.

Битуминозды жыныстарда битумның кіші мөлшері кезінде оларды уату көмегімен асфальтты ұнтақты алу үшін қолданады. Қоспадағы битуммен майда дисперсті ұнтақты коррозияға қарсы жабу, асфальтты бетон, асфальтты мастика зауытты шарттарда дайындау үшін қолданады.

Мұнай битумдарды мұнайды қайта өңдеу кезінде алады:

1) атмосфералық-вакуумды айдаумен (қалған битумдар);

2) мұнай қалдықтарын тотығуымен – гудрондарды ауа оттегімен (қышқыл битумдар);

3) жоғары температура және үлкен қысым кезінде (крекинг битумдары) – крекинг тәсілімен мазутты қайта өңдеу кезінде құрылатын крекинг-қалдықтарды тотығуымен (ауа үрлеу жолымен);

4) пропанмен және басқа әлсіз еріткіштермен – деасфальтизация (экстрактты битумдар) гудрондардың асфальтты шайырлы бөлігін тұндыруымен;

5) қышқыл гудрондарды қайта өңдеуімен (қышқылды битумдар);

6) экстрактармен майлы фракцияларды тазалаудан деасфальтизацияның битумдарын және мұнайды қайта өңдеу кезінде алынатын қалдықтарды араластыруымен (компаундирленген битумдар).

Тотыққан битумдарды алу тәсілі көбіне таралған. Тотығу процесіне «Сақина және шар» әдісі бойынша 18...22°С тең гудрон жұмсаруының негізгі температура, сонымен қатар ауа шығыны, тотығу температурасы және созылымдылығы әсер етеді. Тотығу температурасы 250...280 °С.

Тотыққан битумдарды кезеңдік тотығуымен және құбырлы змеевиктарда (жылан түтіктерде) үздіксіз тотығуымен алады (3.2 сурет РР-дан).

Картон рубероидты зауыттардың көбісінде гидроизоляциялық және шатырлы материалдардың өнеркәсібінде 3 жартылай бағаналы аппаратардың жүйесінде үздіксіз тәсілмен өндіреді (3.2 сурет РР-дан). Аппарат – диаметрі 2,5м және ұзындығы 15м тік цилиндрлік ыдыс. Әр аппараттардың жұмыс сыйымдылығы 50м³. Шет жағында аппарат қақпағында тотығу газдарды шығаруға арналған штуцер бар, ал ортасында – ауа беру құбырын кіргізуге арналған штуцер. Орталық бойынша осы құбыр түбінен 0,5...0,6м ара қашықтығына дейін түсірілген және крест тәрізді көлденең орналасқан маточникпен (барборатормен) аяқталады. Көлденеңге 30° бұрышымен маточниктың әр құбырының ұзындығы бойынша үлкен жылдамдықпен қысымы 0,2 МПа тотығатын битумға баратын саңылаулар. Ауа сорғалаудың әрекетінен битум орталық айналасында айналады, осының арқасында ауа аппараттың барлық қима бойынша біркелкі бөлінеді. Ауа көпіршіктерінің қалқып шығатын масса әрекетімен сұйықтың бір бөлігі үстіне жүреді, ал оның орнына маточниктерге үстінде газдан және ауадан босалған битум түседі.

Жоғары сападағы мұнай битумы құбырлы типтегі аппаратта алады. Осы аппарат өтетін буындармен қосылған 10м ұзындығымен және 200мм диаметрімен тік құбырлардан тұрады. Аппарат құбырының жалпы ұзындығы 310м, аппараттың жұмыс сыйымдылығы 9,75м³. Рециркуляттың және шығатын битум және ауа беруі бір соңынан іске асырылады, ал реактордың басқа соңы сепаратормен қосылған, онда битумнан газ бөлінуі болады.

Крекинг битумдарының өндірісі үшін қысымдардың (5 МПа дейін) және жоғары температураның (450°С дейін) әрекетімен ұшырайтын крекинг-қалдықтарды немесе мұнай өнімдерді қолданады. Қалған крекинг-битумдарды крекинг-қалдықтардың вакуум астында айдау жолымен, тотыққан – гудрондардан битумдардың өндірісі кезінде сияқты сол технологиялық схемалар бойынша құбырлы және текше қондырғыларда сол қалдықтарды тотығуымен алады. Крекинг-битумдарда созылымдылық және кіші ауа райына тұрақтылығы бар, сондықтан гидроизоляциялық материалдарды дайындау үшін қолданылмайды.

Экстрактты (сірінділі) битумдарды пропанның, дихлорэтил эфирдің (хлорекс) еріткіштерімен өңделген гудроннан алады. Экстрактты битумдар жоғары емес сапамен ерекшеленеді, төмен температура кезінде жоғары морттылығы бар, осы битумдардың тұтқырлығын төмендету үшін гудронмен араластыруға тура келеді.

Битумдар метанды (С_nН_2n+2), нафтенды (С_nН_2n) және хош иісті (С_nН_2n-6) қатардағы көмірсутегі күрделі және көп тәрізді құрамымен ерекшеленеді. Битум көмірсутекті химиялық қосулардың құрамына оттегі, азот, күкірт, ванадий, темір, никель және басқа элементтер кіреді. Қазірде битумдарда 300 мыңнан көп әр түрлі қосылыстар бар. Битум молекулаларының негізгі бөлігі көміртегінің 25...150 атомдардан тұрады. Атомдар санына және олардың өзара орналастыруынан тәуелді заттың қасиеттері өзгереді. Мысалы, неғұрлым бір қосылыстың молекулярлы массасы көп болса, соғұрлым онда арасындағы молекулярлы өзара әсері күшті болады. Битумдар молекуласының молекулярлы массасы 400...5000 құрайды. Хош иісті көмірсутектер жылу, оттегі және ультракүлгін сәулелер әсері кезінде жоғарылатылған тұрақтылығы бар, олардың тотығуы шайырлармен құрылады. Метанды көмірсутегі (парафиндер) көп рет қайталанатын буындардан – СН₂ – метильді топтармен – СН₃ тұратын түзу шынжырларды көрсетеді, олар теріс температура кезінде битумдардың қасиеттерін нашарлатып, кристалдана алады. Тотығу кезінде нафтенды көмірсутегі бөлшектеп шайырларға өтеді.

Битумдардың элементарлы құрамының шектері: С=70...87%, Н =8...12%, О=0,2...12%, S=0,5...7%, N=1% дейін. Табиғи битумдарға қарағанда, мұнай битумдарға оттегінің мөлшері (2% дейін) кіші, ал көміртегінің мөлшері кіші шектерде болады (84...87%); оттегі, күкірт, азот белсенді функционалды топтардың құрамына кіреді: ОН, N₂Н, SН, СООН.

Битумдардың элементарлы құрамы битумдардың қасиеттері туралы аса жуықталған көрсетуін береді, сондықтан топты жиі құрамымен қолданады. Құрылым және қасиеттер бойынша жақын бөлек қосылыстарға бөлінуі, оларды еріткіштерде (бензолда, ацетонда және т.б.) бірдей емес еруінде, сонымен қатар адсорбенттермен әр түрлі таңдау адсорбтауында (флоридин, силикагель және т.б.) негізделген.

Битумның топтық құрамына эфирде немесе жеңіл бензинде ерітумен алынатын майлар кіреді. Майлар 300...600 молекулярлы массамен күрделі емес құрылымына салыстырмалы парафинды, нафтенды және хош иісті қатардағы көмірсутектен тұрады. Олар ашық сары түсті және битумдарға қозғалуды және аққыштықты береді. Олардың нағыз тығыздығы 1 г/см³ кем емес. Битумдарда майлардың мөлшері 35...60% (масса бойынша) С:Н қатынасы хош иістіліктің дәрежесін сипаттайды және майлар үшін 0,55...0,66 құрайды.

Шайырлар600...1000 молекулярлы массамен циклды және гетероциклды құрылымдағы көмірсутегінен тұрады, қою қоңыр түсті, нағыз тығыздығы 1 г/см³. Шайырлар бензинда, бензолда, хлороформада жақсы ериді. Олар жеңіл балқитын, тұтқыр иілімді заттар, битумдарға суға төзімділікті, майысқақтықты береді, тас материалдарға битумдардың адгезиясын жақсартады, оларға суға төзімді қабықшаларды қалыптауға мүмкіндік туғызады. Битумдарда шайырлардың мөлшері 2...40% (масса бойынша).

Асфальтендер 1 г/см³ көп емес тығыздығымен қатты балқымайтын заттар, олардың молекулярлы массасы 1200...6000 құрайды. Олар хлороформада, ыстық бензолда және 4 хлорлы көміртегінде ериді, бірақ жеңіл бензинде ерімейді. Олардың мөлшері битумдардың температураға төзімділігі, тұтқырлығын және қаттылығын жоғарылатады. Әдетте битумдарда 10...40% (масса бойынша) асфальтендерді құрайды. Ультракүлгін сәулелер әрекетімен олар карбендерге өтіп, бензолда ерімейтін болады.

Карбендер және карбоидтер 1...3% мөлшерінде крекинг-битумдарда негізінде құрайды. Карбендер, қасиеттер және құрамы бойынша асфальтендерге жақын, бірақ көп көміртегін құрайды және үлкен тығыздығы бар. Олар ыстық бензолда және 4 хлорлы көміртегінде ерімейді, тек қана күкірт көміртегінде ериді. Карбоидтер – атақты еріткіштерде ерімейтін қатты заттар. Карбендер және карбоидтердің мөлшері көбеюімен битумдардың тұтқырлығы және морттылығы көбейеді.

Асфальттогенды қышқылдар этилды спиртта жақсы ериді, полярлы болып табылады және беттік-белсенді заттарға жатады. Асфальттогенды қышқылдардың және олардың ангидриттардың жалпы мөлшері битумдарға 3% дейін. Олар тасты материалдарға битумдардың жоғары адгезиясына мүмкіндік туғызады.

Парафиндер қатты метанды көмірсутегіне жатады, олар битумдардың қасиеттерін нашарлатады. Әсіресе қолайлы емес ықпалды ірі кристалды парафиндер көрсетеді (иілімділік төмендейді және битумдардың морттылығы көбейеді). Битумдарда парафиндердің мөлшері 6...8% құра алады.

Өзінің ішкі құрылымы бойынша битум күрделі коллоидты жүйені көрсетеді, онда дисперсті ортасы майларда шайырлардың ерітіндісі болып табылады, ал дисперсті фазасы 18...20мкм өлшемі макромолекулаға дейін ортада коллоидты ерітілген асфальтендер, карбендер және карбоидтер болады. Күн радиациясы, жоғары температура, ауа оттегісі әсерінен битумдардың топтық құрамы шайырға майдың химиялық өту есебінен, ал асфальтенге шайырдың өтуі өзгереді.

Битумдардың қасиеттері олардың құрамынан, құрылымынан және температурадан тәуелді. Қарама-қарсылық битумдар компоненттерінің молекулаларында электрлік қуат бөлуін сипаттайды. Ол адгезияны, когезияны, мөлшерді және ылғалдандыру жылдамдығын, битумдардың басқа физикалық сипаттамаларын, әсіресе оларды минералды материалдармен өзара әсері кезінде алдын ала анықтайды.

Органикалық байланыстырғыштардың қарама-қарсылығы туралы α=А/Вх100 еріткіш коэффициенті бойынша шартты есептейді, мұнда А – метилды спиртта битум еріткіші, %; В – бензолда битум еріткіші, %. Мұнай битумдар үшін α=5...35. Неғұрлым қарама-қарсылық жоғары болса, соғұрлым тас материалдармен байланыстырғыш ілінісі жақсырақ. Қарама-қарсылық туралы тас материалдар бетін битуммен ылғалдандыру бойынша есептеуге болады. Бірақ тас материалдарға битум жабылуы (адгезия) битум беттік созылуы және қарама-қарсылықтан ғана емес, сонымен қатар минералды материалдардың табиғатынан тәуелді. Жабысу беріктігін тас материалдардың (құм, мәрмәрдән істелген қиқымдар) қабілеттілігінде негізделген әр түрлі әдістермен процесінде органикалық байланыстырғыштармен алдын ала өңделген оның қабыршағын ұстайды.

Битумдардың тұтқырлығы оларды қыздыру кезінде маңызды өзгереді (3.3 сурет РР-дан), қатты битумдарда ол, 0°С кезінде 60 с ішінде, 200г немесе 25 °С температура кезінде 5 с ішінде 100г массамен жүкті оған әрекет кезінде стандартты иненің ену тереңдігімен шартты сипатталады және тұтқырлыққа қарсы мөлшері өрнектейді, яғни аққыштық және пенетрометрмен анықталады. Сұйық битумдардың тұтқырлығын стандартты температура кезінде вискозиметр саңылауы арқылы битумның нақты мөлшері біту уақытымен сипатталады. Тұтқыр және қатты битумдарда дуктилометрде стандартты үлгі-восьмерка сынағымен анықталатын және олардың созылымдылығын сипаттайтын иілімділікті анықтайды.

Битумдардың үшінші ең маңызды сипаттамасы (тұтқырлық және созылымдылық) қаттыдан немесе тұтқыр иілімді күйден сұйыққа битумның өтуін бейнелейтін жұмсару температурасы болып табылады. Ол «Сақина және шар» әдіс бойынша анықталады. Құрал сақинасында орналасатын битум 5°С/мин жылдамдығымен қыздыру кезінде жұмсарады, ал битумда орналасатын болатты шағын шар түсіріледі және құралдың бақылау дискісін (негізін) тигізеді, битум жұмсаруының негізгі температурасын белгілейді.

Мортты күйге битумның өтуі Фраас арнайы құралда (3.4 сурет) анықталатын морттылық немесе қатаю температура кезінде болады. Оған 1°С/мин жылдамдығымен салқындату кезінде майысуға ұшырайтын, болатты пластинкаға жағатын битум қабатында бірінші жарылудың пайда болуы сәйкес келеді.

Битумдардың жылу тұрақтылығы туралы жұмсару температура бойынша ғана емес, пенетрация индексі бойынша есептейді. Пенетрация индексін (ИП) мына формула бойынша есептейді:

ИП= - 100,

мұнда А – коэффициент; А= ; t_p – жұмсару температурасы, °С.

Неғұрлым пенетрация индексі жоғары, соғұрлым жылу тұрақтылығы көп және битум иілімділігінің интервалы кең. Қасиеттерді жақсарту үшін битумдарға латекстерды, каучукты және басқаларды қосады.

Конструкция пайдалануының процесінде битумдар қасиеттері өзгереді, яғни битумдар біртіндеп тозады, ол олардың өндіріс құрамынан және тәсілінен тәуелді: мысалы, крекинг-битумдар тотыққаннан тез тозады. Гидрохинон, сульфопиридин, күкірт, полиэфирлі қанықпаған шайырлар, кумаронды шайыр, өнеркәсіп бутилкаучукты қалдықтарының регенераторлары, стеаринды, нафтенды, олеинды тұздар ингибиторының қосылуы битумдар тозуын бәсеңдетеді.

Негізгі қасиеттерден тәуелді тұтқыр мұнай битумдарды маркаларға бөледі. Мұнай жол битумдарды 5 маркалармен өңдейді (3.1 кесте РР-дан): БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 және БНД 200/300; мұнай (БН) – 4 марка: БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300. Бөлшектің алымы °С-та жұмсару температурасының көрсеткіштердің орташа мағынасын көрсетеді; бөлімі – 25°С кезінде пенетрация көрсеткіштерінің орташа мағынасы.

БНД маркалардың битумдары тас материалдармен жақсы ілінісімен ерекшеленеді, теріс температура кезінде жеткілікті жоғары иілімділігі бар, климаттық өзара әсерлігіне төзімді.

Шатырлы және гидроизоляциялық материалдарды дайындау үшін битумдардың келесі маркаларын қолданады: БНК 45/180 (сіңірілген); БНК 90/40 және БНК 90/130 (жабатын).

Мұнай және газбен өткізуді оқшаулау үшін қатты құрылыс битумдар БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10 маркаларын қолдануға болады. Оларды мұнай түзу айдауының қалған өнімдердің және май өндірісінің экстракт және асфальттармен олардың қоспаларын тотығуымен алады.

Мұнай изоляциялық битумдар БНИ-IV-3, БНИ-IV және БНИ-V маркаларымен коррозиядан құбырмен өткізуді оқшаулау үшін қолданылады. Оларды мұнай түзу айдауының қалған өнімдердің және май өндірісінің экстракт және асфальттармен олардың қоспаларын тотығуымен алады.

Қасиеттері арнайы химиялық өңдеумен немесе пластификаторды қосуымен жақсартылған битумдар немесе олардың балқымалары динамикалық беріктіктегі және жоғарылатылған жылу тұрақтылығындағы рулонды және дана гидроизоляциялық материалдарды және лактарды дайындау кезінде бояғыш немесе жабысатын гидроизоляциялық құрамдар сияқты қолданады.

Сұйық битумдарды салқын күйінде (15...20°С температурамен) және температурасы 100°С дейін шамасында қыздырылған болып қолданылады. Келе-келе сұйық битумдар тотығу, ұшу фракциялар булануының есебі арқылы қоюланады.

Қоюлану жылдамдығынан тәуелді сұйық битумдар 2 класқа бөлінеді:

1. сұйық мұнай өнімдерден битумдарды сұйылтумен алынатын орташа қоюланатын (СГ);

2. қалғаннан немесе жартылай тотыққан мұнай өнімдерді және олардың қоспаларынан алынатын баяу қоюланатын (МГ) және маркалар (МГО).

Битум класы вакуумтермостатта немесе нақты температура кезінде термостатта битум үлгісінің ұстау кезінде буланған сұйылтқыштың мөлшері бойынша орналастырады. Кластан және тұтқырлықтан тәуелді сұйық битумдардың маркалары: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200, МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, Р4ГО 130/200.

СГ кластың сұйық мұнай битумдарды лигроинмен, бензинмен, керосинмен тұтқыр битумдардың сұйылту жолымен дайындайды; баяу қоюланатын битумдарды сұйылтқыш ретінде майлы мұнай өнімдерді, табиғи шайырлы мұнай және т.с.с. қолданып алады. Баяу қоюланатын битумдар табиғи – ауыр шайырлы мұнай болуы мүмкін. Сұйылтқышты қосу кезінде тұтқыр битум дисперсті құрылымының өзгеруі болады. Кейбір сұйылтқыштар битум дисперсті фазасының коагуляцияның пайда болуы және оның қасиеттерін нашарлатады, сондықтан сұйылтқыш қажетті фракционды құрамын және тұтқыр битумда сияқты қарама-қарсылығы болуы керек.

Сұйық битумдарды дайындау үшін тұтқыр битумдарды, егер жеңіл сұйылтқыштарды қолданса, 80...90°С температусына дейін және ауыр сұйылтқыштарды қолдану кезінде 130...140°С температусына дейін қыздырады; соңғысын жеке сыйымдылықта алдын ала қыздырады, содан кейін қоспаны тұрақты араластыру кезінде сұйылтатын битумға қосады.