LIANTI HIDROCARBONATI

Liantii hidrocarbonati au fost folositi din cele mai vechi timpuri atat in activitatea de constructie dar si in medicina, sub denumirea de bitumuri sau asfalturi.

Liantii hidrocarbonati sunt materiale organice, complexe, in stare lichida sau solida si structura coloidala.

Dupa provenienta liantii hidrocarbonati pot fi: naturali, formati prin oxidarea naturala a titeiului (bitum de lac, de roca, etc.) sau artificiali obtinuti prin prelucrarea titeiului (bitum de petrol ) sau prin distilarea uscata a lemnului sau carbunilor (gudroane si smoala).

1. Compozitia chimica a liantilor hidrocarbonati.

Liantii hidrocarbonati sunt amestecuri complexe de hidrocarburi lichide, solide, si derivati ai acestora cu oxigenul, sulful, azotul, etc. Structurile chimice ale liantilor hidrocarbonati nu se pot evidentia prin analiza tuturor substantelor componente.

Compozitia chimica a liantilor hidrocarbonati se evidentiaza pe grupe de substante asemanatoare prin compozitie, structura, solubilitate, comportare la caldura. Separarea se face prin tratarea liantilor hidrocarbonati cu solventi selectivi, pentru obtinerea urmatoarelor grupe:

Petrolene (uleiuri) - alcatuite din hidrocarburi aciclice, si ciclice simple sau condensate, de consistenta fluid-vascoasa in conditii normale de temperatura in eter de petrol.

Maltene (rasini) - formate din amestecuri de hidrocarburi ciclice si aromatice si derivati ai acestora cu oxigenul, sulful si azotul si acizi asfaltogeni. La temperaturile obisnuite se prezinta ca mase semisolide, cu deformabilitate plastica mare. Se dizolva in eter de petrol.

Asfaltene - hidrocarburi aromatice policiclice cu molecule mari; se prezinta ca substante solide, friabile, de culoare neagra; la incalzire peste 300^OC se carbonizeaza fara a se topi. Se dizolva in tetraclorura de carbon.

Din asfaltene se pot separa urmatoarele subgrupe:

-Carbene - solide macromoleculare cu structura aromatica policiclica, sarace in hidrogen. Se dizolva in sulfura de carbon.

-Carboide - substante cu un continut ridicat de carbon, de consistenta solida si insolubile.

Compozitia chimica a liantilor hidrocarbonati variaza in limite foarte largi fiind in functie de modul de formare, sursa, etc.

2. Structura liantilor hidrocarbonati.

Liantii bituminosi sunt sisteme disperse coloidale, faza lichida fiind alcatuita din solutia de maltene si petrolene, iar faza solida o formeaza asfaltenele si carbenele. Micelele sunt formate din particule de asfaltene si carbene cu pelicule adsorbite de maltene.

Cand in liant mediul de dispersie este lichid se formeaza o structura de tip sol. Prin reducerea mediului de dispersie (prin evaporare lenta sau oxidare), micelele incep sa se asocieze formand structuri tip gel. Transformarile sol-gel sunt insotite de modificarile vascozitatii liantului, trecand de la caracteristicile lichidelor la cele vascos-plastice. Transformarea este reversibila prin adaos de solutii de maltene in petrolene.

3. Proprietatile liantilor hidrocarbonati.

Tixotropia - la incalzire liantii hidrocarbonati isi modifica consistenta din vascos-plastica (gel) in fluid-vascoasa (sol).

La racire procesul este invers. Procesul este acelasi la solicitari mecanice si se explica prin cresterea energiei cinetice sau prin ruperea legaturilor dintre micelele din structura de tip gel.

Imbatranirea liantilor hidrocarbonati consta in pierderea in timp a plasticitatii si transformarea ireversibila in mase friabile.

Modificarile sunt consecinta a transformarilor de structura chimica, prin oxidare, polimerizare si policondensare sub actiunea oxigenului din aer, a radiatiilor solare, a temperaturilor ridicate sau de lunga durata, cand se micsoreaza continutul in petrolene si maltene (faza lichida) si cresterea continutului in asfaltene, carbene si carboide (faza solida, friabila).

Limitele de plasticitate definesc intervalul de temperatura in care liantii hidrocarbonati pot fi folositi fara a curge sau a deveni casanti.

Cu cat limitele de plasticitate sunt mai largi cu atat liantul se considera mai bun. Limitele trebuie sa nu permita scurgerea liantilor pe timp de vara (se aduna la streasina, drumurile fac valuri etc.) si sa nu fisureze pe timp de iarna.

Adeziunea este determinata de capacitatea liantului de a umecta suprafata solidelor si de a fi absorbite de acestea.

Rezistenta chimica - liantii hidrocarbonati prezinta o rezistenta satisfacatoare la actiunea coroziva a agentilor chimici neoxidanti: gaze, saruri, unii acizi si nu rezista la actiunea uleiurilor, grasimilor si plastifiantilor utilizati in industria maselor plastice.

4. Caracteristici tehnice.

Liantii hidrocarbonati se caracterizeaza prin determinari standardizate pentru stabilirea proprietatilor acestora.

Limitele de plasticitate se apreciaza prin punctul de inmuiere sau picurare (pentru stabilirea limitei superioare) si prin punctul de rupere (pentru stabilirea limitei inferioare).

Punctul de inmuiere se defineste prin temperatura la care liantul aflat intr-un inel si sub masa constanta a unei bile prezinta o deformatie standard.

Aparatul de inventar folosit este numit "inel-bila" (fig. 1).

Punctul de picurare reprezinta temperatura la care liantul incalzit in conditii standard permite formarea si caderea unei picaturi printr-un orificiu calibrat al unei cupe.

Aparatul standardizat este numit aparat Ubbelohde (fig. 2).

Punctul de rupere (Fraass) reprezinta temperatura la care liantul isi pierde plasticitatea din cauza racirii si se fisureaza la solicitarea de incovoiere.

Pentru determinare se foloseste aparatul Fraass (fig. 3).

Consistenta liantilor hidrocarbonati se apreciaza prin penetratie care reprezinta adancimea de patrundere a unui ac standardizat, intr-un timp limitat si la o temperatura data, in proba de incercat. Determinarea se face cu penetrometrul Richardson (fig. 4). Penetratia se exprima in grade de penetratie cu zecimi de milimetru.

Ductilitatea defineste alungirea pe care o poate suporta un liant la o anumita temperatura si se determina cu ductilometrul Dow (fig. 5).

Stabilitatea la incalzire se determina prin pierderea de masa si modificarile de penetratie pe o proba mentinuta un timp standardizat la 103^OC. Determinarea permite aprecierea imbatranirii.

5. Tipuri de lianti hidrocarbonati.

5.1. Bitumuri naturale.

Bitumurile naturale s-au format prin modificarile titeiului in conditii naturale. Pot fi:

Bitum de lac (epurat) - s-a format prin migrarea bitumului din rocile din preajma lacurilor sub actiunea caldurii. Extragerea consta in indepartarea apei prin incalzire la (180200)^OC. Sunt aduse din insula Tridinad, Cuba.

Bitum de extractie - se obtine din rocile sau nisipurile bituminoase prin dizolvare in solventi organici sau prin emulsionare intr-o solutie acida de hidroxid de sodiu sau acid sulfuric.

In tara noastra bitumul de extractie se obtine din nisipurile bituminoase de la Derna si Tatarusi si imbunatatit prin oxidare la cald. Se produce in sapte tipuri notate cu DTAG si se foloseste lucrari de drumuri si hidroizolatii.

5.2. Bitumuri de petrol.

Bitumul de petrol, cel mai utilizat in tara noastra, se obtine prin distilarea fractionata a titeiului de pacura asfaltoasa. Se fabrica urmatoarele tipuri de bitumuri:

Bitumul neparafinos pentru drumuri se obtine din pacuri asfaltoase supuse oxidarii prin trecerea unui curent de aer prin masa incalzita la (180200)^OC, cand prin oxidarea petrolenelor si asfaltenelor se obtine un bitum de calitate (bitum suflat). Se fabrica in sase tipuri notate cu D urmate de doua cifre ce se refera la valoarea penetratiei (ex. D40,50).

Bitumul pentru materiale si lucrari de hidroizolatii se obtine din pacura neparafinoasa prin oxidare. Se livreaza in cinci tipuri functie de punctul de inmuiere. Se noteaza cu H si intervalul de temperatura in care trebuie sa se gaseasca punctul de inmuiere (ex. H45/55). Se foloseste la lucrari de hidroizolatii la terase, fundatii, invelitori etc. si pentru fabricarea materialelor hidroizolatoare (cartoane, panze si impaslituri bitumate).

Bitumul pentru lacuri si amestecuri electroizolante se obtine din pacura asfaltoasa si se livreaza in doua tipuri: E110 si E125 (cifra reprezinta temperatura minima admisa pentru punctul de inmuiere). Se utilizeaza la prepararea lacurilor, cand se impune sa aiba o solubilitate totala, si uleiurilor, la fabricarea white-spirt-ului si la fabricarea amestecurilor electroizolatoare in electronica.

Bitumul industrial neparafinos se obtine din pacura asfaltoasa si se livreaza in patru tipuri in functie de intervalul de temperatura in care trebuie sa se incadreze punctul de inmuiere. Se noteaza cu I si intervalul caracteristic de temperatura (ex. I45/55). Se utilizeaza la izolarea cablurilor electrice, la obtinerea prin aglomerare a granulelor si fibrelor (pluta, fibre din sticla sau m), a materialelor termoizolante si la obtinerea prafului de carbune.

5.3. Gudroane si smoale.

Gudroanele se obtin in procesul de distilare uscata a carbunilor (pentru fabricarea cocsului) si a lemnului. Smoala rezulta prin distilarea fractionata a gudroanelor.

Compozitia chimica a gudroanelor si smoalelor difera esential de cea a bitumurilor naturale si de petrol avand un interval de plasticitate redus si o imbatranire rapida si in plus s-a demonstrat ca au efecte toxice si cancerigene. Din aceste motive folosirea in constructii este limitata si se recomanda utilizarea cu prudenta a acestor produse.

6. Produse pe baza de bitum.

In mod obisnuit liantii hidrocarbonati se pun in opera prin incalzire, cand prin tixotropie se obtine un sistem tip sol. Sistemul este neeconomic, neexistand instalatii complexe cu arii limitate de folosire. Depasirea unei limite de temperatura poate conduce la imbatranirea liantului. Pentru inlaturarea acestor neajunsuri au fost realizate produse pe baza de bitum ce pot fi lucrate la rece. Din categoria acestora fac parte:

6.1. Solutii bituminoase.

Solutiile bituminoase, denumite si bitumuri taiate, se obtin prin dizolvarea bitumului topit in solventi (benzen, etc.). Intarirea se realizeaza prin evaporarea solventului (scaderea fazei lichide din sistem).

Solutiile bituminoase se folosesc sub forma de pelicule impermeabile pe beton, metal, zidarie si ca liant la prepararea mixturilor asfaltice.

6.2. Emulsii bituminoase.

Emulsiile bituminoase se prezinta ca dispersii foarte fine de bitum in apa realizate cu ajutorul emulgatorilor (substante tensioactive - saruri de sodiu sau potasiu) si agitare mecanica puternica. In aceste conditii emulgatorul se adsoarbe cu capatul hidrofob pe particulele de bitum hidrofilizandu-le, ceea ce le permite sa ramana dispersate in apa. Cand emulsia vine in contact cu suprafata unui solid (beton, agregat etc.) emulgatorul este adsorbit cu terminatia hidrofila, echilibrul emulsiei se distruge si bitumul precipita aderand la suport.

In functie de rezistenta opusa la distrugerea echilibrului, emulsiile pot fi:

- normale - echilibrul se strica la contactul cu nisipul;

- sensibile - echilibrul se strica la contactul cu particule foarte fine (filer);

-stabile - la care ruperea echilibrului se realizeaza la contactul cu particule foarte fine si in timp indelungat.

Emulsiile se folosesc la realizarea bitumurilor rutiere executate la rece.

6.3. Suspensii bituminoase.

Suspensiile bituminoase se realizeaza prin hidrofilizarea particulelor de bitum cu ajutorul filerelor. Din aceasta cauza se mai numesc si suspensii filerizate (subif). Ca filer, la bitumul rezultat se foloseste pasta de var. Se obtine o pasta de culoare bruna, care se poate lucra cu apa rece si care are o adezivitate foarte buna la toate tipurile de materiale.

Suspensiile bituminoase se utilizeaza la executarea mortarelor si betoanelor asfaltice, la amorsarea suprafetelor, pentru hidroizolatii, la protectia metalelor impotriva coroziunii. Lucrarile trebuie efectuate pe vreme calduroasa si uscata sau sa permita evaporarea apei si intarirea amestecului.

Prin amestecarea suspensiilor de filer cu fibre celulozice se obtine un chit, denumit celulochit, folosit la realizarea hidroizolatiilor, etansarea rezervoarelor de apa, chituirea geamurilor etc. Celulochitul are o foarte buna adezivitate si stabilitate la caldura.

6.4. Masticuri bituminoase.

Masticurile bituminoase sunt amestecuri omogene obtinute din bitum topit si diferite materiale minerale sub forma de filer. Filerul trebuie sa aiba afinitate fata de bitum si o anumita finete de macinare. Filerele imbunatatesc caracteristicile amestecurilor prin generarea unui sistem bitum-filer cu apreciabile forte de adeziune si frecare la interfete ce au ca urmare cresterea rezistentelor mecanice, a vascozitatii, a punctului de inmuiere si scaderea punctului de rupere etc. In acelasi timp intarzie imbatranirea bitumurilor prin reducerea tendintei de evaporare si oxidare a petrolenelor, prin faptul ca filerele sunt opace la radiatia solara si impermeabile fata de oxigen, cat si absorbtiei de catre acestea a unei parti din petrolene, care sunt redate treptat bitumului, cand echilibrul acestuia s-a perturbat.

Masticurile bituminoase se folosesc la inchiderea rosturilor din diferite elemente de constructii, conducte si la realizarea izolatiilor hidrofuge.

6.5. Mortare si betoane asfaltice.

Mortarele si betoanele asfaltice sunt amestecuri omogene realizate din bitum, agregate fine - filere si nisipuri pentru mortare asfaltice si respectiv pietris sau piatra sparta pentru betoane asfaltice.

Bitumurile au rolul de a acoperi particulele de agregat cu pelicule subtiri si impreuna cu filerele sa umple spatiile intergranulare.

Bitumul imprima mortarelor, respectiv betoanelor asfaltice o comportare elastica la solicitari reduse de scurta durata si o comportare plastica la solicitari mari sau de lunga durata.

Filerul are rolul complex de actiune favorabila asupra granulozitatii agregatului si asupra bitumului (masticului).

Nisipul foloseste pentru a asigura granulozitatea continua a agregatului.

Agregatul mare, pietrisul sau piatra sparta, trebuie sa se caracterizeze prin forma colturoasa, sa provina din roci eruptive, foarte rezistente, n cu caracter bazic.

Caracteristicile mortarelor si betoanelor asfaltice depind de caracteristicile materialelor componente dar si in mare masura, de raportul dintre acestea, astfel:

- cand filerulul se gaseste in cantitate prea mica pentru a umple golurile dintre granule, granulele de agregat mare se reazema unele pe altele si pentru realizarea unui beton compact trebuie sa se mareasca dozajul de bitum, ceea ce determina cresterea deformatiilor si reducerea rezistentelor mecanice.

- cand filerul este corect dozat pentru umplerea spatiilor intergranulare, granulele reazema unele pe altele, dozajul de bitum este minim necesar, avand ca urmare marirea frecarii interioare si implicit reducerea deformatiilor si cresterea deformatiilor si cresterea rezistentelor mecanice.

- cand filerul se gaseste in exces, granulele de agregat nu se reazema unele pe altele si in acest caz este necesara cresterea dozajului de bitum, se reduce frecarea interioara, cresc deformatiile si scad rezistentele mecanice.

Stabilirea dozajelor la mortarele si betoanele asfaltice se face experimental efectuand urmatoarele determinari: stabilirea dozajului de liant, granulozitatea agregatelor, densitatea aparenta, rezistenta la compresiune, absorbtia de apa, umflarea la apa si adancimea de patrundere a poansonului.