Стоимость
Бензин
Нормаль 80
39 300 Р
Бензин
Регуляр 92
39 500 Р
Бензин
Премиум 95
42 800 Р
ДТл
34 300 Р
РТ
32 300 Р
СПБТ
24 300 Р
Битум
8 300 Р

Битумы, их классификация, свойства и строение

Под термином “битум” понимают жидкие, полу твердые или твердые соединения углерода и водорода с небольшим количеством кислорода, серо-, азотсодержащих веществ и металлов и значительным содержанием асфальтено-смолистых веществ, хорошо растворимых в сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях. Битумы могут быть природного происхождения или получены при переработке нефти, торфа, углей и сланцев.

В зависимости от характера применения отечественные битумы подразделяют на группы, подгруппы и марки.

Битумы - один из важных продуктов переработки нефти. В промышленных объемах битумы получают из остатков перегонки нефти. Они состоят в основном из смол, масел и асфальтенов и с точки зрения физико-химической механики дисперсных систем представляют собой сложную коллоидную систему, или коллоидный раствор асфальтенов и ассоциированных с ними высокомолекулярных смол в среде, образованной маслами и низкомолекулярными смолами. Асфальтены могут образовывать в зависимости от количественного соотношения со смолами и маслами или жесткий каркас, или отдельные мицеллы, адсорбирующие и удерживающие смолы. Смолы обуславливают цементирующие, связующие свойства битума и его эластичность. Масла являются разжижающей средой, в которой растворяются смолы и набухают асфальтены.

Еще в 1924 году Нелленштейн высказал предположение о коллоидной структуре нефтяных битумов. Он считал, что они состоят из трех компонентов: лиофобных частиц (асфальтенов), лиофильных веществ (смол), окружающих лиофобные частицы и препятствующих их слиянию, и масляной фазы, в которой они суспензированы. Значительное число исследователей разделяют эту точку зрения. Различия во взглядах обнаруживаются при объяснении принципов построения самой структуры, а также характера и вида взаимодействия в ней. Согласно менее распространенной точке зрения, битумы можно рассматривать как растворы асфальтенов в мальтенах или как растворы асфальтенов и твердых смол в маслах и мягких смолах.

Классификация битумов

Современное, наиболее полное, коллоидно-химическое представление о нефтяных дисперсных системах (НДС) и битумах, в том числе представлено в работе З.И. Сюняева и др., который первым ввел понятие «сложная структурная единица» или ССЕ.

ССЕ в НДС образуются за счет межмолекулярного взаимодействия. В основе межмолекулярного взаимодействия (ММВ) лежат Вандер-Ваальсовы силы, обусловленные балансом сил притяжения и отталкивания. Под воздействием внешних факторов размеры ядра и адсорбционно-сольватного слоя ССЕ могут изменяться. Ядро с минимальным радиусом образует на своей поверхности сольватный слой максимальной толщины и наоборот. При изменении размеров ядра и адсорбционно-сольватного слоя происходит количественное перераспределение углеводородов между фазами, что оказывает значительное влияние на физико-химические свойства НДС.

Основным структурным элементом нефтяного битума является асфальтеновый комплекс, состоящий из зародыша - ядра, ассоциата молекул асфальтенов и адсорбционно-сольватного слоя, образованного из наиболее лиофильных молекул смол, преимущественно спиртобензольных, и некоторых компонентов масел. Средний эффективный диаметр этих асфальтеновых комплексов составляет 2,6 нм, образующийся мономолекулярный адсорбционный слой имеет толщину 2,3 нм, а размер агрегатов 10 нм.

Битумы при комнатной температуре находятся в структурированном состоянии, при повышении же температуре они плавятся и становятся подвижными. По классификации, приведенной в работе, дисперсные системы по отсутствию или наличию взаимодействия между частицами делятся на свободнодисперсные и связнодисперсные. Некоторые исследователи эти состояния называют соответственно, золь и гель. В состоянии гель дисперсные частицы связаны друг с другом в единый каркас с иммобилизованной дисперсионной средой, а в состоянии золь, дисперсные частицы битумов не взаимодействуют друг с другом и хаотически расположены в сплошной дисперсионной среде. Кроме того, предполагается существование промежуточного состояния золь-гель, в котором дисперсные частицы, взаимодействуя между собой, образуют в отдельных областях объема не связанные друг с другом кластеры.

Нефтяные битумы являются дисперсными системами, основу которых составляют частицы, по своему строению сходные с многокомпонентной мицеллой. Ядро частицы состоит из относительно высокомолекулярных и потому наиболее трудно растворимых асфальтенов, а также в отдельных случаях из карбенов и карбоидов. Вокруг ядра располагаются адсорбированные низкомолекулярные асфальтены или их ассоциаты, а вокруг последних - смолы. Причем на периферии находятся наиболее растворимые вещества этого типа. Молекулы смол связаны между собой за счет полярных (обычно кислород- азот и серо содержащих) групп.

Таким образом, дисперсные частицы битума, в отличие от мицелл типичных поверхностно-активных и коллоидных частиц не имеют резко выраженной поверхности раздела с дисперсионной средой. Вязкое масло (точнее, раствор различных низкомолекулярных продуктов превращения углеводородов, а также парафина в масле) образует дисперсионную среду битума. Концентрация в ней частиц велика, и битум относится к концентрированным дисперсным системам. Стабилизаторами дисперсной системы служат смолы, которые не препятствуют образованию структуры, но снижают силу связи между частицами. Деформируемость периферического слоя частиц и слабые связи между ними объясняют эластичность битума и его способность растягиваться.

Большой интерес представляет вопрос: как структура и структурообразование влияют на термостойкость битумов и материалов на их основе? Содержанием и соотношением, каких структур определяется прочность битумов?

Устойчивость битума, как дисперсной системы зависит от степени сродства мальтенов (сумма масел и смол) и асфальтенов, которое с определенным приближением можно расценить как разность между степенью ароматичности (отношение числа атомов углерода, входящих в ароматические структуры, к общему числу углеродных атомов в молекуле) асфальтенов и мальтенов. По мнению авторов, скорость старения битума зависит от соотношения масел, смол и асфальтенов, а также от содержания в них ароматических фрагментов.

Опыт эксплуатации дорожных асфальтобетонных покрытий свидетельствует о том, что под влиянием низких температур и влажности в асфальтобетоне могут возникать трещины. Для увеличения срока службы дорожных покрытий необходимо создание прочных асфальтобетонных смесей.

Так как дорожные битумы всегда применяются как связующие компоненты в смеси с минеральными материалами, то прогнозирование поведения битума в рабочих условиях невозможно без учета свойств используемого минерального наполнителя. Характер и прочность связей, возникающих на границе разделения фаз между компонентами битумоминеральной смеси, зависит от химической природы битума и минерального материала. Практически все битумы содержат вещества, обладающие достаточно хорошо выраженными кислотными функциями, поэтому хорошая адгезия их к карбонатным породам может быть объяснена кислотно-основным взаимодействием с поверхностными атомами кальция и магния. Но, поскольку в дорожном строительстве в составе асфальтобетонных смесей используются, как правило, различные кислые материалы: граниты, пески речные, морские и т.д., то для обеспечения адгезионной прочности дорожных покрытий необходимо вводить дополнительно адгезионные добавки щелочной природы. Причем до настоящего времени не имеется радикального метода решения этого вопроса.

Химический состав битума, безусловно, влияет на его свойства, но определяющим, по-видимому, является не только количество тех или иных компонентов в системе, но и их строение, и соотношение между собой. Наиболее простая зависимость прослеживается между температурой размягчения и составом битумов. В первом приближении можно считать, что температура размягчения повышается с увеличением концентрации асфальтенов в битуме. В зависимости от концентрации асфальтенов битумы могут образовывать структуры типа золь, золь-гель или гель. Для разрушения этих структур требуется разная энергия, поэтому битумы с большим содержанием асфальтенов, имеющие структуру типа гель, характеризуются более высокой температурой размягчения.

Влияние состава битумов на их температуру хрупкости и пенетрацию более сложное, так как эти показатели зависят в большей степени от свойств дисперсионной среды.

В принципе, температура хрупкости битума, как и температура размягчения, повышается с увеличением количества дисперсной фазы (асфальтенов), так как их жесткий каркас становится при этом более хрупким. Однако это явление можно рассматривать и с другой стороны: температура хрупкости повышается потому, что уменьшается количество дисперсионной среды и повышается температура перехода ее в твердое состояние. Иными словами, температура хрупкости характеризует момент, когда вся система теряет пластичность, становясь аморфным твердым телом.

Пенетрация, будучи по существу параметром вязкости, также характеризует изменение пластичности среды в зависимости от изменения ее количества и состава. Для повышения пенетрации и понижения температуры хрупкости при заданной температуре размягчения необходимо понизить вязкость и температуру застывания дисперсионной среды.

Это достигается тремя путями:

  1. Каталитическое окисление. Чаще всего в качестве катализаторов используются хлорид железа и оксид фосфора.
  2. Введение в битум различных добавок, главным образом, синтетических полимеров. Этот метод получил очень широкое распространение.
  3. Компаундирование. Так называемый переокисленный битум с большим содержанием асфальтенов смешивают с гудроном, асфальтом деасфальтизации или экстрактом селективной очистки масел, т.е. продуктами, содержащими достаточно много низкомолекулярных ароматических масел с невысокой вязкостью и относительно низкой температурой застывания.