Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Битумы


Битумы

Битумы — органические вещества черного или темно-бурого цвета, состоящие из смеси сравнительно высокомолекулярных углеводородов и неметаллических производных, т. е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом. При комнатной температуре битумы находятся в твердом, вязком, вязкопластичном и жидком состояниях. Они полностью растворяются в бензоле, толуоле, ксилоле, хлороформе, сероуглероде и некоторых других органических растворителях. При нагревании переходят в легкоподвижные жидкости, при охлаждении — вновь загустевают. Их истинная плотность около 1 г/см3.

Битумы имеются природные и искусственные, т. е. получаемые из нефти в заводских условиях и именуемые как нефтяные.

Природные битумы образовались в естественных условиях из нефти в результате очень длительного воздействия на нее климатических и геологических факторов, протекания процессов окисления и полимеризации углеводородов, испарения легких нефтяных фракций. Природные битумы залегают в верхних пластах земной коры или скапливаются в виде поверхностных озер.

При пластовой форме залегания природным битумом пропитаны известняки, доломиты, песчаники и другие пористые горные породы. В них битум содержится в количестве 5—20% по массе и более, а породы носят название битуминозных, или асфальтовых. При содержании битума в породах более 10% целесообразно его извлекать, чтобы использовать в технологии как связующий компонент. Наиболее распространенные способы извлечения битума из горных пород — выварка в воде и экстрагирование органическими растворителями.

По первому способу асфальтовую горную породу дробят на частицы размером 6—10 мм и погружают в котел с водой. В воду добавляют соляную кислоту для лучшего отделения битума от минеральных частиц. Смесь измельченной горной породы с подкисленной водой кипятят при постоянном перемешивании. Битум всплывает на поверхность обычно в виде пены, которую вычерпывают, а в отстойниках отделяют от воды. Нагреванием природный битум подсушивают и, если требуется, сгущают продувкой воздуха. Полностью извлечь битум из горной породы не удается.

По второму способу измельченную породу обрабатывают в котлах или специальных емкостях органическим растворителем, в котором битум растворяется. При этом удобнее и выгоднее применять негорючую и более дешевую жидкость, например трихлорэтилен. Битум из раствора легко извлекается выпариванием растворителя. При температуре около 100°С удаляют последние частицы растворителя, а при более высокой температуре битум сгущают продувкой воздуха до желаемой вязкости. Первый способ экономичнее второго, но значительная часть битума теряется. При втором способе извлечение его почти полное.

При малом содержании битума в породах извлекать его непродуктивно; такие породы измельчают до порошкообразного состояния; полученный асфальтовый порошок используют в качестве высококачественной добавки в асфальтовых бетонах, мастиках, антикоррозионных покрытиях.

Нефтяные битумы получают из нефти. Путем ее нагревания выделяют жидкие горючие компоненты — бензин, лигроин, керосин. Далее, при температуре 300—400°С, отгоняют машинные, веретенные, трансформаторные и другие смазочные масла. Выделение этих масел из нефти ведется под вакуумом. В результате разделения (разгонки) нефти на горючие и смазочные вещества в емкости остается гУстой смолистый остаток, содержащий твердые частицы, — гудрон. Он является исходным сырьем для получения полутвердого и твердого битума, но может использоваться и без переработки, как жидкий битум. Экономически более выгодно получать битум из тяжелых нефтей, в которых масса остатка (гудрона) составляет до 7—8%, тогда как в легких нефтях — не свыше 1%.

Разработан ряд способов получения нефтебитума: атмосфер-но-вакуумной перегонкой (остаточные битумы); окислением гудро-нов кислородом воздуха (окисленные нефтебитумы); окисление способом продувки воздухом крекинг-остатков, образующихся при переработке мазута способом крекинга, — при высоких температурах и больших давлениях (крекинговые битумы); осаждением асфа-льтено-смолистой части гудронов пропаном (битумы деасфальтиза-ции); переработкой кислых гудронов (кислотные битумы).

Наиболее распространен способ получения окисленных нефтяных битумов из гудрона. На процесс окисления влияют исходная вязкость гудрона, расход воздуха, продолжительность и температура окисления, которая обычно находится в пределах 250—280°С. Битумы получают периодическим или непрерывным окислением. На рис. 10.1, а показана технологическая схема производства окисленного битума периодическим способом, который осуществляется в битумных (асфальтовых) кубах. Эта установка может работать также и непрерывным способом, при котором гудрон продувается воздухом одновременно в нескольких кубах, располагаемых последовательно (рис. ГОЛ, б).

Высокого качества нефтяной битум получают непрерывным окислением на установке трубчатого типа (рис. 10.2). Эта установка состоит из вертикальных труб диаметром 200 мм и высотой Юм, соединенных переходными звеньями. Общая длина труб аппарата 310 м, рабочая вместимость аппарата 9,75 м3.

Подача воздуха и битума — исходного и рециркулята, осуществляется с одного конца, а другой конец реактора 1 соединен с сепаратором 3, в котором происходит отделение газа от битума. Газ после отделения тяжелых фракций сжигают в печи дожита 2, а битум частично идет на рециркуляцию, а частично перетекает в продуктовый бак 4. Реакции окисления проходят при температуре 260—270°С Производительность одного реактора 15—17 т/ч битума с температурой размягчения 85—90°С по КиШ или удельная эффективность аппарата 1,54—1,74 т/чм3. Принудительная рециркуляция битума в трубчатых реакторах создается циркуляционными насосами различной конструкции, преимущественно шестереночными или паровыми поршневыми. Устойчивость процесса окисления в трубчатых реакторах обеспечивается рециркуляцией окисленного битума. В его поток перед насосом подается сырье, подлежащее окислению. Чем больше кратность циркуляции, тем устойчивее проходит процесс окисления, что, однако, увеличивает расход электроэнергии.

На непрерывно действующей трубчатой установке используется и принцип эмульсионного окисления сырья; для этого в гудрон, протекающий по трубам, вдувают воздух, который вспенивает массу.

Рис. 10.1. Технологическая схема производства окисленного битума:
а — в установках периодического действия: 1 — битумный куб; 2 — труба для отвода отработанного воздуха и газа; 3 — труба для подачи воздуха; 4— компрессор; 5 — воздушная магистраль; 6 — насосы; 7— магистраль для подачи битума; 8— холодильник для охлаждения битума; 9 — маточник; 10 — газосборник; 11 — дымовая труба; 12 — теплообменник (емкость) для тяжелого нефтяного остатка; 13 — магистраль для подачи гудрона; 14 — раздаточник; б — в установках непрерывного действия: 1 — емкость для сырья; 2 — компрессорная установка; 3 — воздушная магистраль; 4 — паровая магистраль; 5 — обратная воздушная магистраль с ловушками; 6 — битумные кубы; 7 — насос; 8— аварийная емкость; 9 — парообразователь; 10 — раздаточник; 11 — подающая магистраль; 12 — обратная магистраль; 13 — насос; 14 — куб

Газы и пары выбрасываются в атмосферу, а окисленный битум стекает в приемный бак. Продолжительность окисления намного сокращается по сравнению с другими способами производства, а качество битума выше, чем при окислении в кубах.

Производство крекинговых битумов, которые тоже могут быть °статочными и окисленными, основано на расщеплении сырья при высоких температурах (до 450°С) и давлении (до 5 МПа). Мазут распадается на более легкие и устойчивые углеводороды и на менее легкие и неустойчивые углеводороды и их производные. Неустойчивые углеводороды в процессе полимеризации образуют асфаль-тено-смолистые вещества. Остаточные крекинг-битумы получают путем перегонки под вакуумом крекинг-остатков; окисленные —-окислением тех же остатков в кубовых или трубчатых установках воздухом по технологическим схемам, принятым для производства обычных нефтяных битумов из гудронов.

Рис. 10.2. Технологическая схема окисления битума на непрерывно-действующей трубчатой установке:
1 — реактор; 2 — циклонная печь для сжигания газа; 3 — сепаратор; 4 — продуктовый бак; 5 — продуктовый насос; 6 — насос сырьевой паровой; 7 — насос циркуляционный паровой

Битумы деасфальтизации получают из гудрона, обрабатываемого предварительно пропаном или дихлорэтиловым эфиром (хлорек-сом). С помощью такой обработки из масляного гудрона извлекается дополнительное количество горюче-смазочных фракций, тогда как асфальтены и тяжелые смолы оседают, образуя экстракт с малым содержанием масел. Из этого экстракта испаряют растворитель и получают битум, именуемый экстрактным (или битумом деасфальтизации). Он отличается невысоким качеством, имеет повышенную хрупкость при низких температурах. Для уменьшения вязкости этих битумов приходится перед употреблением смешивать их с гудроном.

Состав, структура и свойства битумов (природных и нефтяных) имеют некоторые непринципиальные различия. Вместе с тем, они характеризуются сложным и многообразным составом основных углеводородов, главным образом метанового (СШл+г), нафтенового (СпНш) и ароматического (СНЬл-б) рядов. В состав основных углеводородных соединений битума обычно входят также кислород, азот, сера, ванадий, железо, никель и другие элементы. Основная часть молекул битума состоит из 25—150 атомов углерода. В зависимости от числа атомов в молекулах и их взаимного расположения изменяются свойства вещества. Например, чем больше молекулярная масса одного и того же соединения, тем сильнее в нем межмолекулярное взаимодействие. Молекулярная масса молекул битумов составляет 400—5000. Ароматические углеводороды имеют повышенную устойчивость при воздействии теплоты, кислорода и ультрафиолетовых лучей; их окисление сопровождается образованием смол. Метановые углеводороды (парафины) представляют собой прямые цепи, состоящие из многократно повторяющихся звеньев _СНг- с метальными группами -СНз, при отрицательных температурах способны выкристаллизовываться, ухудшая свойства битумов. Нафтеновые углеводороды при окислении частично переходят в смолы.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: С — 70—87%, Н — 8—12%, О — 0,2—12%, S — 0,5—7%, N — до 1%. В нефтяных битумах содержание кислорода меньше (до 2%), чем в природных, а содержание углерода изменяется в меньших пределах (84——87%); кислород, сера, азот входят в состав активных функциональных групп: ОН, N2H, SH, СООН. В целом, однако, элементарный состав дает лишь весьма приближенное представление о свойствах битумов, поэтому чаще пользуются групповым составом. Разделение битума на отдельные группы соединений, близких по строению и свойствам, основано на неодинаковой растворимости их в растворителях (бензоле, сероуглероде и др.), а также различной избирательной адсорбируемости силикагелем, флоридином и другими адсорбентами.

В групповой состав битума входят масла, извлекаемые растворением их в петролейном эфире или легком бензине. Масла состоят из углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического рядов относительно несложного строения с молекулярной массой 300—600. Они имеют светло-желтый цвет и придают битуму подвижность и текучесть. Истинная плотность менее 1 г/см3. Содержание масел в битумах 35—60% (по массе). Отношение количеств С:Н характеризует степень ароматичности и составляет для группы масел 0,55—0,60.

Вторым групповым компонентом битумов являются смолы. Они состоят из углеводородов циклического и гетероциклического строения с молекулярной массой 600—-1000, имеют темно-коричневый Цвет, истинную плотность, равную примерно 1 г/см3. Содержат наибольшее количество сернистых, азотистых и кислородных производных углеводородов (эти соединения полярны), что придает им поверхностную активность, а битуму — улучшение адгезии к камен-ньщ материалам, которые участвуют в ИСК в качестве зернистых Материалов (заполнителя). Величина С:Н составляет 0,6—0,8. Смолыхорошо растворяются в бензоле, хлороформе и представляют совой легкоплавкие, вязкопластичные вещества. Их присутствие придает битуму эластичность, водоустойчивость. Содержание смол в битумах 20—40% (по массе).

Асфалътены — твердые неплавкие вещества с плотностью немного более 1 г/см3, их молекулярная масса составляет 1000—5000. Они растворимы в хлороформе, горячем бензоле и четыреххлори-стом углероде, но не растворимы в легком бензине. В асфальтенах атомное отношение С:Н составляет 0,8—1,0. Их содержание повышает температуростойкость, вязкость и твердость битумов. Обычно в битумах содержится 10—40% (по массе) асфальтенов. Под дейст-j вием ультрафиолетовых лучей они становятся нерастворимыми в бензоле, переходя в карбены.

Карбены и карбоиды содержатся в основном в крекинг-битумах в количестве 1—3%. Карбены по своим свойствам и составу близки к асфальтенам, но содержат больше углерода и имеют большую плотность. Они не растворяются в горячем бензоле и четыреххлори-! стом углероде, растворимы только в сероуглероде. Карбоиды — твердые вещества, нерастворимые в известных растворителях. С увеличением содержания карбенов и карбоидов увеличивается вязкость и хрупкость битумов. Эти твердые вещества в битумах относятся к кислород- и серосодержащим полициклическим соединениям.

Асфальтогеновые кислоты хорошо растворяются в этиловом спирте, являются полярными и выполняют функции поверхностно-активных веществ. К этой же группе относят ангидриды асфаль-тогеновых кислот. Общее содержание асфальтогеновых кислот и их ангидридов в битумах до 3%. Они способствуют высокой адгезии битумов к каменным материалам.

Парафины относятся к твердым метановым углеводородам, они ухудшают свойства битумов. Особенно неблагоприятное влияние оказывают крупнокристаллические парафины (снижается пластичность и увеличивается хрупкость битумов). Содержание парафинов в битумах может составлять 6—8%.
По внутреннему строению битум представляет собой сложную коллоидную систему, дисперсионной средой в которой является раствор смол в маслах, а дисперсной фазой — асфальтены, карбены и карбоиды, коллоидно-растворенные в среде до макромолекул размером 18—20 мкм. В пограничной зоне адсорбированы асфальтогеновые кислоты, плотно удерживаемые на макромолекулах асфальтенов.

Под влиянием солнечной радиации, высоких температур, кислорода воздуха групповой состав битумов изменяется за счет химического перехода масел в смолы, а смол — в асфальтены. Групповые углеводороды входят в состав битумов в различных соотношениях их масс, что, естественно, предопределяет их структуру и свойства. Структура битумов становится то типа золь, с малой вязкостью, то более плотной типа гель, с повышенной вязкостью, что зависит и от температуры битума. При нагревании или увеличении содержания масел структура гель переходит в золь. Вязкость битумов при их нагревании быстро изменяется — падает.

Твердые битумы (типа гель) характеризуются условно глубиной проникания стандартной иглы при действии на нее груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 200 г в течение 60 с при 0°С; она выражает величину, обратную вязкости, т. е. текучесть, и определяется пенетрометром в градусах. Каждый градус означает погружение иглы на 0,1 мм. При температурах 25°С пенетрация вязких и твердых битумов П25 = 5—300. Условная вязкость жидких битумов (типа золь) характеризуется временем истечения определенного количества битума (50 см3) через отверстие вискозиметра при одной-двух стандартных температурах, а именно: С255 и Сбо5. Здесь верхний индекс — величина диаметра (в мм) стандартного отверстия, нижний — температура испытания.
Кроме пенетрации, у вязких и твердых битумов определяют еще пластичность и температуру размягчения. Пластичность определяют по растяжимости образцов-восьмерок на специальном приборе — дуктилометре при температурах — 25 и 0°С (для улучшенных битумов). Температура размягчения отражает переход битума из твердого или вязкопластического состояния в жидкое. Она определяется по методу «Кольца и шара». По особой методике нередко фиксируют также температуру перехода битума в хрупкое состояние (прибор Фрааса). По разности температур размягчения и хрупкости судят о качестве битумного материала: чем больше интервал этих температур (именуемый как интервал пластичности), тем выше качество. О теплоустойчивости битума судят по индексу пенетрации (ИП).

Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия — прилипание к поверхности минеральных и органических материалов. Разработано несколько методов и приборов для определения адгезии. По визуальному методу степень прилипания битума к каменному материалу оценивается по пятибалльной шкале. Если пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде, прилипание битума отличное и оценивается 5 баллами; если пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды, прилипание очень плохое и оценивается в 1 балл.

В зависимости от показателей основных свойств вязкие – (твердые) нефтяные битумы подразделяют на марки. Битумы нефтяные (БН) вырабатывают четырех марок: БН 60/90, БН 90/130, ЬН 130/200, БН 200/300. Цифры дроби указывают на допустимые ДЛя данной марки пределы показателей пенетрации при 25°С. Битумы нефтяные дорожные выпускают пяти марок: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 и БНД 200/300. Битумы марок БНД отличаются хорошим сцеплением с каменными материалами, имеют достаточно высокую пластичность при отрицательных температурах, проявляют стойкость к климатическим воздействиям.

Для изготовления кровельных и гидроизоляционных материалов применяют битумы марок БНК 45/180 (пропиточные), БНК 90/40 и БНК 90/30 (покровные). Числитель дроби указывает среднее значение показателей температуры размягчения (в °С), знаменатель — среднее значение показателей пенетрации при температуре 25°С (табл. 10.1-10.3). Предусмотрены марки нефтяных битумов и для некоторых других технологий—при изоляции трубопроводов от коррозии (марки БНИ), для строительных целей (марки БН), для приклеивания и окраски при устройстве гидроизоляции и изготовления лаков повышенной теплостойкости (марки улучшенных битумов, полученных с помощью особой химической обработки и т. п.).

Кроме вязких (твердых) в строительстве используют жидкие битумы как подогретыми до температуры около 100°С, так и в холодном состоянии (температурой 15—20°С). Со временем жидкие битумы загустевают за счет испарения летучих фракций, окисления и других процессов. Важнейшие свойства жидких битумов: вязкость, скорость загустевания и свойства остатка после испарения летучих фракций, адгезия, температура вспышки, погодоустойчивость и др.

В зависимости от скорости загустевания жидкие битумы подразделяются на среднегустеющие (СГ), получаемые разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами; медленногусте-ющие (МГ и МГО), получаемые из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов или их смесей. Класс битума устанавливают по количеству испарившегося разжижителя при выдерживании образца битума в термостате или в вакуумтермостате при определенных температурах.

В зависимости от класса и вязкости жидкие битумы имеют марки: СГ 40/70, СГ 70/130, СГ 130/200, МГ 40/70, МГ 70/130, МГ 130/200, МГО 40/70, МГО 70/130, МГО 130/200.

Жидкие нефтяные битумы класса СГ приготовляют путем разжижения вязких битумов керосином, бензином, лигроином и др.; медленногустеющие битумы получают, применяя в качестве разжи-жителей масляные нефтепродукты, природные смолистые нефти, мазут и т. п. Медленногустеющие; битумы могут быть природными — тяжелые смолистые нефти. При добавлении разжижителя происходит изменение дисперсной структуры вязкого битума. Некоторые разжижители могут вызвать коагуляцию дисперсной фазы битума и ухудшить его вяжущие свойства, поэтому разжижитель* Должен иметь требуемый фракционный состав и полярность, аналогичные вязкому битуму.

При приготовлении жидких битумов вязкие битумы нагревают До температуры 80—90°С, если применяют легкие разжижители, и До температуры 130—140°С — для тяжелых разжижителей; последние предварительно подогревают в отдельной емкости, а затем добавляют в разжижаемый битум при постоянном перемешивании смеси.

При нагревании жидких нефтяных битумов необходимо соблюдать требуемую температуру, предусмотренную нормативно-технической документацией для каждой марки, и более краткое выдерживание их при этих температурах. Требуется соблюдать также технику противопожарной безопасности. В качестве природных жидких битумов в строительстве используют тяжелые высокосмолистые нефти.





Похожие статьи:
Строительные термины и определения

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум