Глава 1. Битумные вяжущие: состав, строение и основные свойства битумов

1.1 Введение

Нефтяной битум впервые был получен с 1898 г. из нефтяных остатков путем окисления их воздухом при высоких температурах (300—320° С).

Нефтяные битумы относятся к одним из самых многотоннажных видов нефтепродуктов в России и за рубежом. Они широко применяются в дорожном строительстве, при ремонте дорог, аэродромов, в дорожном и промышленном строительстве (для изготовления кровельных материалов, для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии и для приготовления лакокрасочных материалов).

Основным потребителем нефтяных битумов является дорожное строительство, в настоящее время до 90% производимого во всем мире объема товарных битумов потребляется дорожной отраслью. Доля дорожных покрытий с применением битума в России составляет 93-95% от всех усовершенствованных покрытий.

В нашей стране исторически сложилось, что нефтеперерабатывающая промышленность в основном заинтересована в углублении процесса переработки и максимального отбора светлых фракций, однако полностью отсутствует база нефтепереработки, которая целенаправленно занималась бы производством высококачественных дорожных битумов.

Дорожные битумы, выпускаемые отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями, принципиально отличаются по своему качеству от битумов, производимых за рубежом, где в качестве исходного сырья используются нефти только определенного группового химического состава и где практически отсутствует твёрдый парафин.

Для производства дорожных битумов созданы специальные нефтебитумные заводы, поставку сырья для которых обеспечивают водным путем из Венесуэлы и Ливии. Качество нефтяных битумов служит определяющим фактором в обеспечении долговечности дорожных покрытий. На сегодняшний день до 70 % выпускаемых в России и странах СНГ битумов не соответствуют по ассортименту и качеству требованиям современного рынка, и в первую очередь это касается битумов дорожного, строительного и специального назначений. В результате срок службы дорог в России составляет в среднем 6-7 лет, в то время как в развитых зарубежных странах этот показатель достигает 10-15 лет. Указанная проблема вызывает необходимость поиска новых материалов для получения битумных вяжущих заданного качества. Поэтому все большее распространение в последнее время получают модифицированные битумные вяжущие, позволяющие расширить температурный интервал работоспособности за счет повышения теплостойкости и морозостойкости, обеспечить надежность и долговечность сооружений.

Постоянный интерес в повышении качества как самих товарных битумов, так и в расширении перечня материалов, используемых в композитах на основе битума, объясняется широким спектром их практического применения.

1.2. Битум. Общие представления

Битумы благодаря ряду ценных свойств нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства в качестве связующего, водонепроницаемого, тепло- и звукоизолирующего материала в различных битумных композиционных материалах [1,2].

Битумы (от лат. bitumen - горная смола) - твердые или смолообразные, водонерастворимые (преимущественно черного цвета) вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов метанового C₂H_2n+2, нафтенового C₂H_2n и ароматического рядов и их кислородных, сернистых и азотных производных.

Различают природные и искусственные нефтяные битумы. Применение находят как одни, так и другие [3,4], однако наибольшее распространение приобрели нефтяные окисленные битумы [5].

Природные битумы это вязкие жидкости или твердообразные вещества, получившиеся в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.

Природные битумы в чистом виде встречается редко. Чаще встречаются пропитанные битумом горные породы (известняки, доломиты, песчаники, грунты). Залежи природных битумов разрабатывают открытыми (карьерными) и подземными (шахтными, скважинными) методами. Извлечение битума из пород выполняется тремя способами[6]:

- водой с добавлением поверхностно-активных веществ;

- экстракцией органическими растворителями;

- тепловым воздействием.

Скважинные методы добычи осуществляются с применением паротеплового воздействия, внутрипластового горения или других источников воздействия на пласт: вибрационных, акустических, электромагнитных [7].

Природные битумы и битуминозные породы относятся к категории комплексного сырья. Наличие в природных битумах реакционноспособных кислородсодержащих групп предопределяет их более высокую силу сцепления с породой (адгезионные свойства) по сравнению с искусственными композициями на основе продуктов нефтепереработки [8].

Ученые рассматривают два варианта использования природных битумов:

1. Комплексное сырье для строительства дорог получают без отделения углеводородной составляющей от породы.

2. Разделение органической (продукция химической промышленности) и минеральной (строительные материалы) составляющих битуминозных пород.

Нефтяные (искусственные) битумы получают путем переработки нефти. По консистенции (при температуре 18 ⁰С) битумы могут быть: твердыми - обладают упругими, а иногда хрупкими свойствами; вязкими - обладают вязкопластичными свойствами; жидкими – обладают легкотекучими свойствами [9].

Для современного производства нефтяных битумов наиболее характерными являются следующие способы получения битумов:

1. Концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме в присутствии водяного пара или инертного газа.

2. Окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации гудрона, экстрактов селективной очистки масел, крекинг-остатков или их смесей).

3. Компаундирование различных нефтяных остатков с дистиллятами, с окисленными или остаточными битумами [6,7,10].

В зависимости от способа производства получаемые битумы подразделяются на три основные группы [7]:

1. Остаточные битумы.

2. Окисленные битумы.

3. Компаундированные битумы.