5.1.2. Нефтяные битумы.

Исходным сырьем для нефтяных битумов является нефть - маслянистая жидкость, представляющая собой сложную смесь углеводородов.

Нефтяные битумы получают из нефти путем обработки остатков, образующихся при ее фракционной перегонке на нефтеперерабатывающих заводах. В зависимости от способа производства различают остаточные, полученные в результате атмосферно-вакуумной перегонки; окисленные - в результате окисления гудрона кислородом; крекинговые - окисления остатков крекинга, образующихся при переработке мазута при высоких температурах (до 450˚С) и давлении (до 5 Мпа); компаундированные (смешанные) - получают в основном путем смешения битума деасфальтизации (остаточный продукт после обработки гудрона жидким пропаном) с масляными дистиллятами.

Наиболее распространен способ получения окисленных нефтяных битумов из гудрона. Через гудрон низкой вязкости продувают воздух, подвергая его окислению. Окисление проводят в битумных (асфальтовых) кубах непрерывного и периодического действия, в бескомпрессорных или трубчатых реакторах и колоннах. При продувке под воздействием кислорода воздуха в гудроне образуются высокомолекулярные соединения, и его вязкость повышается. Окисленные битумы более погодоустойчивы, чем остаточные, и по долговечности приравниваются к природным битумам.

В нефтяных битумах различают следующие составные части: масла, смолистые составляющие, асфальтены, карбены и карбоиды.

Масла - жидкая при обычной температуре группа соединений светло-желтого цвета, придающая битуму подвижность и текучесть. Истинная плотность масел составляет менее 1000 кг/м³, молекулярная масса - 300 - 600. Содержание масел в битумах составляет 35 -60 % (по массе).

Смолы - вязкопластичные вещества, твердые или полутвердые при обычной температуре, темно-коричневого цвета. Смолы улучшают адгезию (возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных (твёрдых или жидких) тел (фаз)) битума к наполнителям благодаря наличию полярных углеводородов. Кроме того, они придают битуму эластичность и водоустойчивость. Смолы имеют плотность около 1000 кг/см³ и молекулярную массу в пределах 600-1000. Содержание смол в битумах составляет 20 -40 % по массе.

Асфальтены - твердые неплавкие высокополимерные соединения плотностью более 1000 кг/м³, с молекулярной массой в пределах 1000 - 5000. Асфальтены придают битуму твердость и температуростойкость; обычно в битумах содержится 10 - 40 % асфальтенов (по массе). Асфальтены растворимы в хлороформе, горячем бензоле и четыреххлористом углероде.

5.1.3. Состав битумов.

Элементный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5%, азота 0-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соеди¬нений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться смеси углеводородов метанового и нафтеново рядов и их кислородных, сернистых и азо¬тистых производных. Все многообразие соединений, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума - это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотностью более 1, объединенные общим названием "асфальтены". В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в тетрахлорметане ССl₄ и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды - парафины.

Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140—170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

Микроскопические электронные исследования указывают на отсутствие в битумах частиц коллоидных размеров и на то, что структурные элементы битума состоят из скоплений, образованных различными компонентами ввиду наличия в битумах сил взаимного притяжения между молекулами разного типа. Значительные силы притяжения способствуют ориентации молекул, поэтому процесс формирования структурных единиц в битумах в какой-то степени похож на обычную кристаллизацию. Парафин, находящийся в битуме в достаточном количестве, обычно кристаллизуется.