Битумы
Битумы представляют собой вещества, состоящие главным образом из смеси высокомолекулярных углеводородов метанового, нафтенового и ароматического рядов и их кислородных и сернистых производных.
В зависимости от исходного сырья различают битумы природные и искусственные нефтяные. По консистенции (при температуре 18 °C) битумы делят на твердые, полутвердые и жидкие; по преимущественному назначению – на дорожные, строительные и кровельные.
Природный битум —органическое вещество черного или темно-коричневого цвета, при нагревании постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние, а при охлаждении затвердевает. Природный битум нерастворим в воде, но легко растворяется в сероуглероде, хлороформе, бензоле и трудно в бензине. Структура природных битумов, их физико-химические и физико-механические свойства близки к нефтяным битумам. Природный битум в чистом виде бывает редко, чаще встречаются пропитанные битумом горные породы (известняки, доломиты, песчаники, грунт). Природный битум образовался из нефти в результате медленного удаления из нее легких и средних фракций, а также под влиянием процессов полимеризации и окисления. В верхние слои земной коры нефть попала в результате миграции, при этом под влиянием тепловых воздействий и давления на протяжении тысячелетий происходило заполнение пустот и пор горных пород и их пропитывание нефтью.
Природные битумы можно извлекать из битумных пород вываркой в котлах или растворением в органических растворителях (методом экстрагирования). Извлечение битума из асфальтовых пород целесообразно лишь в том случае, когда содержание его в породе составляет не менее 10–15 %. Более экономичным является экстрагирование природного битума вываркой в воде, для чего асфальтовую породу измельчают до крупности 6–8 мм и загружают в котел с водой, подкисленной соляной кислотой. Воду в котле подогревают до кипения, при этом битум отделяется от породы и всплывает в виде пены. Этот битум переводят в отстойники для отделения от воды и минеральных примесей. Если битум имеет недостаточную вязкость, то его продувают перегретым паром или воздухом. Битумные известняковые и доломитовые породы без извлечения битума используют в виде тонкого порошка (асфальтовый порошок) для получения асфальтовой мастики и асфальтовых бетонов.
Нефтяные битумыявляются продуктом переработки нефти и ее смолистых остатков. В зависимости от вязкости нефтяные битумы делят на твердые, полутвердые и жидкие, а в зависимости от способа переработки – на остаточные гудроны, окисленные, крекинговые и экстрактные. Остаточные гудроныполучают при атмосферно-вакуумной перегонке высокосмолистой нефти после отбора бензина, керосина и масляных фракций. Они представляют собой черные твердые или почти твердые при нормальной температуре вещества темного или темно-коричневого цвета. Окисленные битумыпроизводят путем продувки воздуха через нефтяные остатки. В процессе производства окисленных битумов кислород воздуха реагирует с водородом, содержащимся в остатках, образуя водяные пары. Потеря водорода сопровождается уплотнением нефтяных остатков вследствие их полимеризации и сгущения.
Крекинговые битумыполучают при крекинге (разложении при высокой температуре) нефти и нефтяных масел с целью получения большого выхода бензина. Продувка воздуха через эти остатки дает окисленные крекинговые битумы. Нефтяные битумы в нагретом состоянии разливают в тару и после остывания направляют по назначению.
Свойства битумов. Физико-механические свойства битумных материалов должны характеризовать материал с точки зрения его молекулярного строения, а также по совокупности присущих ему свойств. Битумы твердые и полутвердые делят на марки. В основу этого деления положены вязкость, пластичность и поведение битума при изменении температуры.
Вязкостьбитума зависит от температуры. При пониженных температурах она велика и битум приобретает свойства твердого тела; с увеличением температуры вязкость уменьшается и битум переходит в жидкое состояние. Для характеристики вязкости битумов (вязких и твердых) пользуются условным показателем твердости – глубиной проникания иглы (пенетрацией). Вязкость жидких битумов определяют на стандартном вискозиметре по времени истечения порции битума при определенной его температуре и диаметре отверстия прибора.
Пластичностьвязких битумов характеризует растяжимость, которую определяют с помощью специального прибора – дуктилометра. Испытаниям подвергают образцы битума в виде восьмерок стандартной формы и размеров. Показателем растяжимости битума служит величина деформации шейки образца в момент разрыва, выраженная в сантиметрах. Это испытание проводят при скорости растяжения 5 см/мин и температурах 25 и 0 °C. Так же как и вязкость, пластичность битумов зависит от температуры, группового состава и характера структуры. Пластические свойства наблюдаются у битумов, содержащих значительное количество смол, оптимальное количество асфальтенов и масел и небольшое – карбенов и карбоидов. Вязкие битумы, содержащие твердые парафины, при низких температурах имеют небольшую тягучесть.
Температура размягченияявляется важной оценкой свойств битумов и характеризует верхний температурный предел его применения. Определяют ее на приборе «кольцо и шар». Латунное кольцо диаметром 16 мм и высотой 6,4 мм заполняют битумом, на поверхность последнего укладывают шарик диаметром 9,5 мм и массой 3,5 г. Температуру размягчения определяют по температуре воды в приборе, когда битум размягчится и шарик опустится на нижнюю полочку этажерки.
Температура хрупкостихарактеризует нижний температурный предел применения битума. При этой температуре появляется первая трещина в тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку стандартного прибора при ее изгибе и распрямлении. Температурный интервал между температурой хрупкости и температурой размягчения называют температурным рабочим интервалом.Для учета огнеопасности при нагревании битума определяют температуру вспышки паров, выделяемых из битума при нагревании от прикосновения пламени.
Наряду с основными свойствами битумов, определяющими их марку, битумы характеризуются также и другими показателями, например их устойчивостью в водной среде, которая обусловливается содержанием масел, смол и асфальтенов; когезией, прочностью межмолекулярных связей, прилипанием битума к каменным материалам (адгезия), погодоустойчивостью битумов, т. е. способностью противостоять воздействию атмосферных факторов в элементах сооружений.
Для строительных целей применяются битумы, свойства которых соответствуют условиям их работы в строительных конструкциях. Битумы классов БГ и СГ получают в результате разбавления вязких битумов легкими разжижителями (керосином и т. п.). Битум класса МГ получают в остатке после перегонки нефти или разжижением вязких битумов масляными продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения. Каждый класс в зависимости от вязкости делят на марки.
