2.3. Роль пар у покращенні властивостей нафтових бітумів. Сучасні уявлення про склад і структуру бітумів

Дорожні бітуми (згідно з ДСТУ 4044-2001) отримують в результаті окислення залишків атмосферно-вакуумної перегонки нафти на нафтоперегонних заводах, селективного поділу нафтопродуктів (асфальтів деасфальтизації, екстрактів селективного очищення), а також компаундуванням високов’язких окислених і неокислених продуктів.

Нафтові бітуми – це суміш високомолекулярних вуглеводнів нафти, а також їх похідних, які містять кисень, азот, сірку та комплексні сполуки металів. Оцінювати бітум прийнято за груповим хімічним складом, тобто за вмістом різних груп вуглеводнів, які мають в певних межах подібні властивості: в’язкість, температуру розм’якшення, розчинність у певних розчинниках тощо. Переважно, із бітумів виділяють наступні 5 груп вуглеводнів залежно від розчинника, в якому вони розчиняються (мас. %):

1. оливи (розчиняються в пропані) – 40...60;

2. смоли (розчиняються в пентані) – 20...40;

3. асфальтени (розчиняються в бензолі) – 10...25;

4. карбени і карбоїди (розчиняються в сірковуглеці) – 1...3;

5. мезофаза (нерозчинна в піридині) – до 1.

Комбінацію масел (олив) і смол часто розглядають сумісно і називають мальтенами. В більшості випадків обмежуються трьома головними складовими: оливи, смоли, асфальтени, оскільки через складність будови не вдається виділити з достатньою чистотою окремі компоненти бітуму. Розділити окремі фракції бітуму можна при вакуумній дистиляції, екстрагуванні розчинниками, термодифузії тощо.

Середня молекулярна маса бітуму складає 700...800 кисневих одиниць.

Сучасні уявлення про структуру бітумів, які ґрунтуються на основних положеннях Ф/Х механіки, сучасної колоїдної хімії і фізичної хімії високополімерів трактують бітум як просторову дисперсну систему, дисперсна фаза якої – асфальтени, а дисперсне середовище – оливи і смоли. Асфальтени з ліофобно-ліофільною мозаїчною поверхнею адсорбують високомолекулярні смоли і набухають в середовищі олив і низькомолекулярних смол.

Всі бітуми незалежно від виду нафти і технології одержання можуть бути поділені на три структурні типи (рис.3). Критерієм поділу є вміст і властивості асфальтенів і мальтенів.

Структура 1-го типу (гель) утворюється, коли в бітумі міститься багато асфальтенів, які зв’язані одні з одними та утворюють єдину коагуляційну сітку-каркас. При цьому асфальтени знаходяться у слабо структурованому смолами дисперсному середовищі.

Структура 2-го типу (золь) утворюється, коли в бітумі міститься мало асфальтенів, які не взаємодіють одні з одними і хаотично розташовані в сильно структурованому смолами дисперсному середовищі. До даного структурного типу відносяться бітуми марки БН.

Структура 3-го типу (золь-гель) характерна для бітумів, які мають проміжний склад відносно 1-го і 2-го типів. Кількість асфальтенів (18...23 мас. %) в цій системі така, що вони вже можуть взаємодіяти між собою своїми полярними ділянками поверхні, утворюючи агрегати і зародки коагуляційної структури, але їх ще недостатньо для створення суцільної сітки-каркасу. До даного структурного типу відносяться бітуми марки БНД.

Багаторічні спостереження за ділянками асфальтобетонних покриттів, а також дослідження асфальтобетонів на бітумах різних типів підтвердили переваги бітумів марки БНД у порівнянні з бітумами марки БН.

2 “Золь”

3 “Золь-гель”

1 “Гель”

Концентрація дисперсної фази

C^*_m C^**_m C_m,%мас.

C^*_v C^**_v C_m,%об.

Рис. 2.5. Крива структуроутворення бітумів

Наявність структури того чи іншого типу, без сумніву, обумовлює структурно-механічні і, в першу чергу, деформаційні властивості бітумів у широкому діапазоні температур. Водночас, на властивості бітуму, його здатність до хімічних і ф/х змін під дією кисню повітря, поверхні мінерального матеріалу і води при технологічній переробці та експлуатації в дорожньому покритті не можуть не вплинути особливості окремих структурних елементів.