Битумы: происхождение, состав и свойства.

Битумы делят на природные и нефтяные. Природные би­тумы представляют собой твердые или вязкие композиции, которые образовались из нефти в осадоч-ных породах земной коры под влиянием процессов окисления и полимеризации. Они встречаются редко в виде залежей, состоящих из битума с примесями минера-льных веществ, а чаще пропитывают пес­ки, рыхлые песчаники, карбонатные поро-ды или глинистые грунты. Такие горные породы называют битуминозными.

Природные битумы имеют высокую атмосферостойкость, хорошо прилипают к поверхности каменных материалов. Их извлекают из горных пород вываркой в по-дкисленной горячей воде или вымывают растворителями. При содержании битума меньше 3% извлечение битумов нерационально и тогда раз­молотые горные по-роды используют в виде асфальтового по­рошка или как сырье для производства ма-стик. Основное ис­пользование природных битумов происходит в лакокрасочной промышленности.

Нефтяные битумы получают из нефти путем переработ­ки ее остатков после отбора легколетучих компонентов. Различают остаточные, окисленные и компа-ундные нефтяные битумы.

Наиболее распространены окисленные битумы, полученные специальной обра-боткой остаточных битумов или гудрона, про­дувая через них воздух при температуре 210-300°С. Нефтяные остатки окисляются и уплотняются за счет полимеризации при­родных высокомолекулярных соединений. Смешивая остатки специально обрабо-танного гудрона с масляными дистиллята­ми, получают компаундные (смешанные) битумы. Нефтяные битумы при нормальной температуре (18-20°С) могут быть тве-рдыми (упругими или даже хрупкими), полу­твердыми (вязкопластичными) или жидкой консистенции.

Битумы состоят из смеси высокомолекулярных углево­дородов метанового , нафтенового и арома­тических рядов, их кислородных, сернистых и азотистых про­изводных. Элементарный химический состав всех разновид­ностей битума примерно одинаков, в нем до 70-85 % углеро­да, до 15% водорода и до 10% кислорода, небольшое содер­жание серы и азота. Однако химический состав битума не дает представления о десятках химических соединений, которые в нем содержатся и решающим образом влияют на структуру и свойства битумов. О би-тумах легче судить по их групповому составу, включающему масла, смо­лы и асфа-льтены, их модификации (карбены и карбоиды), ан­гидриты и пр.

Масла придают битуму подвижность и текучесть. При обычной температуре эта группа углеводородов с молекуляр­ной массой 100-500 и с плотностью меньше единицы предоп­ределяет реологические свойства битумов.

Смолы представляют собой углеводороды более сложной структуры. Их мо-лекулярная масса доходит до 500-1000, а плотность — до единицы. Смолы об-ладают хорошей прили-паемостью и поэтому придают битумам вяжущие свойства и пластичность.

Асфальтены — твердые неплавкие высокомолекулярные соединения с плотностью несколько выше единицы и молеку­лярной массой 1000-5000. Больши-нство асфальтенов раство­римы в масляных и смолистых фракциях битума, лишь кар­бены и карбоиды, содержащие свободный углерод, практически нераствори-мы. Асфальтены придают битуму твердость в нормальных условиях и повышают его теплоустойчивость. Важно отметить главное свойство асфальтенов — их способ­ность при нагревании и в присутствии воздуха образовываться из смол и ма-сел. Такие условия создаются в присутствии сол­нечной радиации.

Входящие в состав битума перечисленные группы углево­дородов образуют сложную дисперсную систему, где молеку­лярный раствор части смол в маслах выс-тупает дисперсной средой, а дисперсной фазой являются асфальтены с адсорби­ро-ванной на их поверхности частью смол. Основным структу­рообразующим элемен-том битума являются мицеллы — ком­плексные частицы, в ядре которых находят-ся ядра из асфаль­тенов размером до 20 мкм, а оболочку мицелл составляют смо-лы и тонкий молекулярный слой масел. Если в битуме наблюдается избыток ма-сел, то мицеллы как бы плавают в нем, образуя структуру, известную под названи-ем золь. Такая структура характерна для жидких битумов. Если же мицеллы конта-ктируют друг с другом непосредственно и в системе ощу­щается недостаток масел, то такая структура характерна для твердых битумов и ее называют гель. У вязких би-тумов на­блюдается переходная структура «золь-гель». Важно отметить, что при по-вышении температуры структура битума меняется. Мицеллы снимают с себя пос-ледовательно масляную и смо­ляную оболочки, доля дисперсионной среды возраста-ет, и твер­дые битумы меняют мицеллярную пространственную сетку на плаваю-щую структуру золь, что облегчает совмещение би­тума с каменными материалами

При небольшом увеличении содержания смол и частично асфальтогенов мо-жет происходить некоторое улучшение свойств битумов со временем. Однако значительное увеличе­ние этих составляющих может привести к быстрому измене­нию свойств битума, что повлечет за собой потерю им пласти­ческих свойств и уве-личение твердости и хрупкости.

Таким образом, изменение соотношения между количе­ственным содержа-нием различных групп углеводородов, яв­ляющихся структурными составляющими битума, отражает­ся на физико-химической структуре материала и сильно меня­ет его свойства.

Воздействие воздуха основано на окислении и полимери­зации углеводоро-дов, в частности непредельного ряда, изме­нения группового химического состава и свойств битумов. Окислительный процесс ускоряется под комплексным воздей­ст-вием воздуха, теплоты солнечного света, особенно его уль­трафиолетовых лучей. К старению битума может приводить еще и длительный контакт с некоторыми мате-риалами, со­держащими полуторные оксиды железа и алюминия. За счет накопле-ния труднорастворимых и нерастворимых твердых частиц (в основном карбенов и карбоидов) у битума начинают проявляться хрупкие свойства, что и ведет к его старению.

Основными свойствами, определяющими качество биту­мов, являются вязкость, хрупкость, тогда как для жидких би­тумов — это вязкость и содер-жание летучих веществ.

Вязкость битума зависит от температуры и группового со­става. Мерой оценки вязкости считается пенетр, равный 0, 1 мм. Определение вязкости жид-ких битумов производят на стан­дартном вискозиметре. За условную вязкость принимают время истечения определенного объема битума при нормирован­ной температуре и диаметре калиброванного отверстия прибо­ра и ее обознача-ют буквой С. Пластичность битумов характеризуется условной предель­ной де-формацией стандартного образца-восьмерки из битума, определяемой на при-боре-дуктилометре при нормируемой тем­пературе испытаний и скорости при-ложения нагрузки. Это свойство называют растяжимость и выражают в см, указывая при этом температуру испытания. Растяжимость битума за­висит прежде всего от температуры, группового состава и структуры. При увели-чении содержания смол растяжимость увеличивается. Значительно снижают растяжимость парафи­ны, содержащиеся в битуме.

Для определения температуры размягчения битумов ис­пользуют стан-дартный прибор — «кольцо и шар» (К и Ш). Об­разец битума, размещенный в кольце, устанавливают на верх­нюю полку прибора, а затем на поверхность битума ставятшарик определенного размера и массы. За температуру раз­мягчения принимают среднюю температуру, определенную по 2-3 образцам, при которых шарик с битумом начинает касать­ся нижней полки прибора, расположенной от верхней на рас­стоянии 23, 4 мм. Это свойство битума называют иногда верх­ним температурным пределом. Нижний темпера­турный предел применения битума характеризуется темпера­турой хрупкости. Для ее определения используется стан-дарт­ный прибор, основным элементом которого является тонкая стальная пласти-на. На эту пластину наносят тонкий слой би­тума и помещают в среду с понижаю-щейся отрицательной тем­пературой. За температуру хрупкости принимают отрица­тельную температуру, при которой на стальной пластинке при ее изгибе и распрям-лении появляется первая трещина.

При использовании битума в дорожных покрытиях часто пользуются так на-зываемым температурным рабочим интер­валом. По его величине, представляю-щей разность между тем­пературами хрупкости и размягчения (в абсолютных еди-ни­цах), производят выбор вида и марки битума для конкретных условий примене-ния.

Описанные свойства битумов хорошо связаны между со­бой и в совокупности характеризуют марку битума. Так, на­пример, битумы с высокой вязкостью более те-плостойки и бо­лее хрупки при отрицательных температурах.

Битумы также обладают и рядом других важных свойств: стойкостью к дейс-твиям различных растворов кислот, щело­чей, солей и к большинству агрессивных газов. Они хорошо растворяются в органических растворителях (например, спир­те, бензине, бензоле и т.п.), обладают высокой водостойкос­тью и водонепроницаемо-стью. При производстве работ с битумами следует соблюдать правила противопо-жарной безопасности, так как при нагрева­нии битума из него выделяются пары, ко-торые при наличии открытого пламени способны вспыхнуть. Для учета огнестой­ко-сти битума определяют температуру вспышки его паров.

По назначению нефтяные битумы делят на дорожные, строительные и кро-вельные. Основные марки твердых и вяз­ких битумов приведены в ГОСТ.

Битумы нефтяные дорожные обозначают БНД, их свой­ства должны удовле-творять требованиям ГОСТ 22245; мар­ки строительных битумов обозначают БН, а их свойства дол­жны соответствовать ГОСТ 6617, у кровельных битумов мар­ка обозначается БНК, а свойства должны соответствовать ГОСТ 8548.

Например, для дорожного битума марки БНД 200/300 пенетрация должна быть в пределах 201-300 при темпера­туре 25°С, температура размягчения не ни-же 35°С, а хруп­кости — не выше -20°С. Для строительного битума пенет­рация в пределах 4-60, температура размягчения не ниже 50-60°С, а температура хру-пкости не нормируется. У кро­вельного битума марки БНК 90/30 пенетрация на-ходится в пределах 25-35, температура размягчения не ниже 80°С, а хрупкости не выше -10°С.

Жидкие нефтяные битумы делят на два класса: сред негустеющие (СГ) и мед-ленногустеющие МГ и МГО. Марка таких битумов характеризуется интервалом ус-ловной вязкости в се­кундах, определенной по вискозиметру с отверстием 5 мм при температуре 60°С (например, СГ 40/70, МГ 40/70 и МГО 40/70). Наиболь-шее применение (свыше 60% от общего производ­ства) нефтяные битумы (твер-дые и полутвердые) находят в дорожном строительстве для изготовления асфаль-тобетонов и битумоминеральных смесей.

Остальная часть битумов (40%) примерно равномерно ис­пользуется в из-готовлении кровельных и гидроизоляционных материалов, а также некоторых гер-метиков.