ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий.

Есиркепова М.М.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауезова, Казахстан

Свойства дорожных битумов и их производство

К основным свойствам дорожных битумов относят: вязкость, устойчивость против старения, пластичность, адгезию к каменным материалам.

Вязкость – способность битумов сопротивляться перемешиванию частиц под воздействием внешних сил. Она в основном зависит от грунтового состава битума и температуры.

В производственных условиях вязкость вязких битумов характеризуют условным показателям консистенции – глубиной проникания стандартной иглы (прибор пенетрометр) в битум при температуре 25°С за 5 с под действием груза 100 г. Вязкость жидких битумов характеризует продолжительность их истечения через отверстие d=5 мм при t=20 или 60°С.

Старение – изменение химического состава, структуры и свойств би-тума под действием кислорода воздуха, света, высокой температуры, воды, характера поверхности минерального материала и др.

В результате старения битумы повышают свою вязкость и хрупкость. При длительном хранении битума на открытом воздухе на его поверхности в результате окисления появляются трещины, шелушение, ухудшается прилипаемость к минеральным материалам.

Пластичность битумов, как и вязкость, зависит от грунтового состава, структуры и температуры нагрева. Высокая пластичность битумов бывает обычно при значительном содержании смол, оптимальном содержании асфальтенов и масел и незначительном содержании карбенов и карбоидов. Пластические свойства вязких битумов характеризуются растяжимостью.

Нефтяные дорожные битумы представляют продукт перегонки нефти. В результате фракционированной перегонки нефти получают горячие вещества (бензин, лигроин и др.), масла (машинное, веретенное и др.), а также гудрон или остатки, направляемые для получения нефтяного битума. Если остаток будет иметь недостаточную вязкость, то его окисляют в окислительных установках. В настоящее время применяются следующие способы получения нефтяных битумов:

1) атмосферно-вакуумная перегонка сырой нефти с получением остатка, навиваемого гудроном, который при переработке высокосмолистых нефтей представляет собой остаточный битум;

2) окисление нефтяных остатков (гудронов, крекинг-остатков) кислородом воздуха, при этом получают окисленные битумы;

3) смешение остатков, получающихся при переработке нефти, битумов деасфальтизации с экстрактами от очистки масляных фракций – процесс получения битумов компаундированием.

Могут быть сочетания указанных способов, В зависимости от способа получения битумы имеют различная наименования: остаточные, крекинг-битумы, окисленные, компаундированные, битумы деасфальтизации и др.

Производство остаточных битумов. Остаточные битумы получают в виде остатка после отбора из нефти летучих и частично масляных фрак-ций. Сырьем для производства остаточных битумов после атмосферной или вакуумной перегонки служат мазуты, гудрон, а также смолистые остатки, образующиеся при перегонке нефти. При атмосферно-вакуумной перегонке высокосмолистой нефти (как остаток после отбора топливных и масляных фракций) получают остаточный битум. При перегонке нефти с меньшим содержанием смолистых веществ получают менее вязкий остаток по свойствам, отвечающий требованиям жидких дорожных битумов СГ-70/130, СГ-130/200.

Производство окисленных битумов осуществляют методом окисления, который является одним из наиболее распространенных. Метод окисления может применяться при переработке смолистых и малосмолистых нефтей и позволяет получать высококачественные дорожные строительные и специальные битумы. В отличие от других методов (перегонки, экстракции), когда асфальтосмолистые компоненты почти не изменяются, при окислении происходят существенные изменения их качественного и количественного состава.

Нефтяные битумы, получаемые в результате переработки остатков нефти, образующихся при фракционной перегонке нефти, нашли широкое распространение в дорожном строительстве в качестве вяжущего материала, Дорожные нефтяные битумы делят на две группы: вязкие и жидкие (разжиженные), Каждая группа включает несколько марок, различающихся по вязкости.

Вязкие дорожные битумы подразделяют на пять марок: БНД-40/60, БНД-60/90, БНД-90/130, БНД-130/200, БНД-200/300. При применении по-верхностно-активных веществ (ПАВ) к марке битума добавляют букву «п». Например, БНДп-40/60, БНДп-130/200 и т.д.

Примечание: Для битумов с поверхностно-активными добавками до-пускается снижение нормы показателя растяжимости при 25°С на 10% и увеличение содержания водорастворимых соединений до 0,5%.

Жидкие нефтяные битумы – высокосмольные тяжелые нефти, а также жидкие и полутвердые нефтяные продукты, полученные после перегонки и крекингования нефти или путем разжижение вязких битумов.

В зависимости от скорости формирования структуры различают три класса жидких (разжижениях) битумов: быстрогустеющие (БГ), густеющие со средней скоростью (СГ), медленногустеющие (МГ).

Классификация органических вяжущих материалов

Органические вяжущие представляют собой группу природных или искусственных твердых, вязкопластичных или жидких веществ, состоящих из смеси органических высокомолекулярных соединений.

Органические вяжущие материалы имеют ряд положительных свойств: хорошо прилипают к поверхности минеральных материалов (после соответствующей подготовки), обладают достаточной пластичностью и эластичностью, относительно стойки против атмосферных факторов, практически не растворимы в воде и являются водоотталкивающими (гидрофобными).

Сырьем для производства органических вяжущих являются: нефть, каменный уголь, горючие сланцы, торф, которые подвергают физико-химической переработке (фракционной разгонке, сухой деструктивной перегонке и др.); в результате, помимо других ценных продуктов, получают смолообразующие остатки. Эти остатки подвергают дополнительной переработке с целью получения таких свойств, которые присущи органическим вяжущим материалам: хорошая когезия и адгезия.

В зависимости от химического состава органические вяжущие материалы делят на битумы и дегти.

Битумы – водонерастворимые материалы, которые состоят из смеси углеводородов, и их кислородных, сернистых и азотных производных, растворимых в сероуглероде СS2 или четыреххлористом углероде ССl4. Они бывают твердые, вязкие и жидкие.

Дегти – водонерастворимые материалы, состоящие из углеводородов и их сернистых, азотистых и кислородных производных ароматического ряда. Они бывают жидкими и вязкими.

о роду сырья битумы разделяются на природные и искусственные (нефтяные и сланцевые), а дегти – только искусственные (торфяные, древесные и каменноугольные).

К органическим вяжущим материалам относятся:

1) битумы нефтяные дорожные вязкие, улучшенные;

2) битумы нефтяные дорожные жидкие, улучшенные;

3) битумы сланцевые;

4) дегти каменноугольные дорожные;

5) эмульсии битумные и дегтевые.

Для улучшения свойств в битумы иногда вводят ПАВ (поверхностно-активные вещества).

Природные битумы. Природные битумы (вязкие и жидкие) могут встречаться как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), пропитанные природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации нефти, пропитавшей эти осадочные горные породы.

Вязкие природные битумы получают путем извлечения их из известняков, доломитов или песчаников, пропитанных природными битумами.

Природные битумы по ряду показателей их свойств (высокой адгезии, погодоустойчивости) превосходят нефтяные. Применение природных битумов в строительстве ограничивается высокой стоимостью и относительно малым объемом их производства. Вязкие природные битумы используются главным образом в химической и лакокрасочной промышленности. При переработке асфальтовых горных пород могут быть получены асфальтовый порошок, асфальтовая мастика или асфальтовый бетон для холодной укладки. Асфальтовый порошок получают путем измельчения карбонатных пород, если содержание природного битума в них не превышает 2... 3% по массе. Он имеет широкое применение для изготовления асфальтовых бетонов и растворов. Асфальтовая мастика — продукт объединения асфальтового порошка с природным или нефтяным битумом.

К недостаткам как природных, так и нефтяных битумов следует отнести их повышенную хрупкость при отрицательных температурах.

В качестве природных жидких битумов в строительстве используются тяжелые, высокосмолистые нефти.