14.1.2 Битумы

Битумами называются сложные смеси углеводородов и их производных, т.е. соединения высокомолекулярных углеводородов с кислородом, азотом, серой. Они бывают природные и искусственные. Искусственные, в свою очередь, подразделяются на нефтяные, сланцевые, угольные, торфяные. В строительстве применяются в основном нефтяные битумы.

Состав. Нефтяные битумы содержат от 84 до 87 % углерода, до 15 % водорода, до 2 % кислорода, до 1,5 % серы, доли процента азота и следы металлов. Групповой их состав следующий: масла, смолы, асфальтены, карбены и карбоиды, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, парафины.

Содержание масел составляет 35–60 % по массе. Истинная плотность их менее 1 г/см³. Они являются растворителями для твердых частей и определяют консистенцию битумов.

Содержание смол составляет 20–40 %. Истинная плотность их около 1 г/см³. Это твердые и полутвердые вещества, растворимые в бензине, бензоле. Они придают битуму эластичность, водоустойчивость.

Содержание асфальтенов составляет 4–35 %. Это твердые кристаллические вещества с истинной плотностью более 1 г/см³. Они повышают теплоустойчивость, вязкость и твердость битумов. Под действием солнечного света стареют, могут образовывать хрупкие вещества, что приводит к разрушению битумов.

Содержание карбенов и карбоиды составляют до 3 %. Это твердые вещества. Карбены по составу близки к асфальтенам. Они не растворимы в бензоле и растворимы в сероуглероде. Карбоиды не растворяются в известных растворителях. Карбены и карбоиды повышает вязкость и хрупкость битумов.

Асфальтогеновых кислот и их ангидридов содержится в битумах до 3 %. Они обладают поверхностно-активными свойствами. Повышают адгезию битумов к каменным материалам.

Содержание парафинов составляет 6–8 %. Они относятся к твердым метановым углеводородам. Снижают пластичность и увеличивают хрупкость битумов.

Битум представляет собой коллоидную систему, в которой раствор смол в маслах является дисперсной средой, а дисперсной фазой – асфальтены, карбены и карбоиды. На поверхности макромолекул асфальтенов адсорбированы асфальтогеновые кислоты.

Солнечная радиация, высокие температуры, кислород воздуха в процессе эксплуатации изменяют групповой состав битумов. Масла переходят в смолы, смолы в асфальтены, что влияет на структуру и свойства битумов.

Основные свойства. Основными свойствами битума являются адгезия, вязкость, растяжимость, твердость, хрупкость, старение.

Адгезия (прилипание) – прочность сцепления битума с каменными материалами. Она зависит от природы битума и минерального материала. Степень прилипания оценивают способностью битума удерживаться на поверхности минерального материала при воздействии кипящей воды.

Вязкость битума является основной характеристикой его структурно-механических свойств. Она оценивается условным показателем твердости или вязкости. С повышением температуры вязкость уменьшается, с понижением – увеличивается. При низких температурах битум приобретает свойство твердого тела.

Твердость вязких и твердых битумов определяется по глубине погружения иглы под нагрузкой 100 г в течение 5 с при температуре 25 ⁰С или под нагрузкой 200 г в течение 60 с при 0 ⁰С. Она должна быть в интервале от 5 до 300 0,1 мм.

Условная вязкость жидких битумов характеризуется временем истечения в секундах 50 мл вяжущего при температуре 60 ⁰С через калибровочное отверстие диаметром 5 мм. Она должна находиться в интервале от 25 до 200 с.

Растяжимость характеризуется способностью битума вытягиваться в тонкие нити. Определяется испытанием битумных образцов при температуре 25 ⁰С и скорости растяжения 5 см/мин. Растяжимость вязких и твердых битумов находится в интервале от 1 до 65 см.

Температура размягчения характеризуется способностью битума переходить из вязкопластичного состояния в жидкое при определенной температуре. Определяют ее на специальном приборе «кольцо и шар». Она соответствует температуре, при которой стальной шар массой 9,5 г проходит через заполненное битумом кольцо диаметром 15,7 мм. Она должна быть в интервале от 33 до 105 ⁰С.

Твердость, вязкость и температура размягчения битума зависит от содержания в нем асфальтенов и смол.

Хрупкостью называется способность битума при определенной температуре переходить из упруго-пластичного в твердое или жидкое состояние. Определяют ее по температуре, при которой в изгибаемом слое битума на металлической пластинке при охлаждении с одной стороны не появятся трещины. Температура хрупкости для дорожных битумов должна быть в интервале от –20 до –6 ⁰С.

Старение битумов характеризуется изменением их свойств. В результате воздействия на битум кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей, испарения легколетучих углеводородов масла переходят в смолы, смолы в асфальтены. Накопление асфальтенов уменьшает пластичность и повышает хрупкость битумов.

Природные битумы получают из битуминозных горных пород с содержанием битума от 10 до 80 %. Битум образовался из нефти в результате удаления легких фракций и окисления более тяжелых фракций. Минеральным остовом таких пород являются песчаники, доломиты, глинистые грунты.

Извлекают природный битум из песчаника водной вываркой. Горную породу измельчают до зерен размером 6--10 мм и кипятят в воде с добавкой соляной кислоты, которую вводят для лучшего отделения битума от минеральных частиц. Всплывший в виде пены битум вычерпывают и в отстойниках отделяют от воды. При необходимости битум сгущают продувкой воздуха.

Из известняков и доломитов битум извлекают экстрагированием органическими растворителями. Измельченную горную породу смешивают с органическим растворителем. Чаще всего применяют дешевый трихлорэтан, в котором битум растворяется, а затем его извлекают выпариванием растворителя.

Применяют природный битум для изготовления лаков, клеящих мастик.

При малом содержании битума в горной породе ее экономичнее измельчать и применять в виде асфальтового порошка в асфальтобетонах, мастиках, антикоррозионных покрытиях.

Нефтяные битумы получают из нефти. Нефть – сложная смесь углеводородов с примесью органических кислородных, сернистых и азотистых соединений. Битумы получают из остатков после отгонки из нефти летучих дистиллятов. По способу получения их разделяют на остаточные, крекинговые и окисленные.

Остаточные получают после отгонки легких фракций бензина, керосина, дизтоплива, масел. Остатком является мазут или гудрон, из которых при помощи глубокого вакуума и перегретого пара при температуре 300– 350 ⁰С получают битум.

Крекинговые битумы образуются в результате расщепления молекул тяжелой части нефти на более легкие углеводороды при температуре 420– 650 ⁰С. Крекинг-остаток применяется как жидкий битум для изготовления дорожных битумов.

Окисленные битумы получают продувкой воздуха через остаточные и крекинговые битумы при температуре 230–290 ⁰С. Эти битумы имеют повышенное содержание асфальтенов и более теплоустойчивы.

В зависимости от физико-механических свойств нефтяные битумы подразделяются на твердые, вязкие и жидкие.

Твердые битумы подразделяются на строительные, кровельные и изоляционные.

Строительные битумы выпускают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Их применяют для устройства гидроизоляций, кровельных работ, иногда используют для изоляции нефте- и газопроводов.

Кровельные битумы выпускают марок БНК 40/180, БНК 45/195 и БНК 90/30. Их применяют для изготовления кровельных материалов. Битумы марок БНК 40/180 и БНК 45/195 – для пропитки кровельного картона, битум марки 90/30 – для покровных слоев. Первая цифра дроби обозначает температуру размягчения битума в ⁰С, вторая – твердость (глубину проникновения иглы в 0,1 мм).

Битумы изоляционные выпускают марок БНИ–IV, БНИ–V и БНИ–IV-3 (зимний). Они характеризуются повышенной химической стойкостью, имеют хорошее сцепление с металлом, сохраняют пластичность при отрицательной температуре. Применяют для изоляции трубопроводов от грунтовой коррозии.

Вязкие битумы выпускаются следующих видов: битумы нефтяные дорожные марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/130, БН 130/200 и БН 200/300; битумы модифицированные дорожные марок БМА 50/70, БМА 70/100, БМА 100/130, БМП 100/150, БМП 150/200, БММ 130/150; битумы для верхнего слоя дорожного покрытия марок БД 200/300, БД 130/200, БД 90/130, БД 60/90, БД 40/60.

Цифры дроби указывают на глубину погружения иглы при 25 ⁰С в 0,1 мм.

Битумы БНД, БМА, БМП, БД являются улучшенными. Они имеют хорошее сцепление с каменными материалами, пониженную хрупкость при отрицательных температурах, стойки при воздействии климатических факторов. Вязкие битумы применяют в дорожном строительстве. Свойства твердых и вязких битумов приведены в таблице 14.1.

Таблица 14.1 – Технические характеристики твердых и вязких битумов

Жидкие битумы подразделяются на два класса: среднегустеющие (СГ), медленногустеющие (МГ) и имеют следующие 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. Число дроби указывает на условную вязкость по вискозиметру с отверстием 5 мм при 60 ⁰С.

Свойства битумов приведены в таблице 14.2.

Таблица 14.2 – Технические характеристики жидких битумов

Для изготовления жидких битумов применяют вязкие дорожные битумы с глубиной проникновения иглы не более 90 0,1 мм.

Среднегустеющие битумы получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами. Их применяют во всех дорожно-климатических зонах для строительства капитальных и облегченных дорожных покрытий, оснований под покрытия.

Медленногустеющие битумы получают разжижением вязких дорожных битумов жидкими нефтепродуктами, битумы получают из остаточных или частично окисленных нефтепродуктов, а также их смесей. В качестве медленногустеющих битумов могут применяться природные тяжелые смолистые нефти.

Жидкие битумы при обычной температуре находятся в жидкотекучем состоянии. Применяют их подогретыми до 100 ⁰С или холодными при 15–20 ⁰С для приготовления холодного асфальтобетона во II–V дорожно-климатических зонах для дорожных покрытий облегченного типа и оснований.

Сланцевые битумы получают из сланцевой смолы после отгонки легких фракций, которая образуется из горючих сланцев при нагревании их без доступа воздуха при температуре около 550 ⁰С. Сланцевые битумы менее теплостойки, быстрее стареют, имеют резкий запах. Их рекомендуют применять для дорожных покрытий вне населенных пунктов.