Определение битума, свойства битума, применение битума Информация об определении битума, свойства битума, применение битума Методы испытания и соответствующие виды классификаций Пенетрация Температура размягчения Температура хрупкости Дуктильность Вязкость Реология битумов Растворимость Применение и требования к качеству Дорожный Строительный Кровельный Изоляционный Хрупкие Битум для заливочных аккумуляторных мастик Промышленное производство Способы Технология
Битумы это (от лат. Asphalt — горная смола) — твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0, 95— 1, 50 г/см³. Свойства битумов зависят от способов производства, качества сырья (природы перерабатываемой черного золота), а также от параметров процесса термолиза – температуры, давления, продолжительности. Получение высококачественных битумов из нефтей разной природы (компонентый состав) возможно при правильном определении не только вклада того или иного процесса в общую технологическую схему производства, но и последовательности их проведения. Битум — это товар черного цвета с плотностью около единицы, с низкой тепло и электропроводностью. Он прекрасно противостоит воздействию различных химических реагентов, водо и газонепроницаем, устойчив к действию различных видов радиации и длительному тепловому воз действию. Именно такие ценные качества битумов в сочетании с низкой ценой и массовым производством сделали их незаменимыми во многих областях хозяйства. Будучи веществом аморфным, битум не имеет температуры плавления. Переход от твердого состояния к жидкому характеризуется температурой размягчения, которая обычно определяется по методу «кольца и шара» . Твердость битумов оценивается путем измерения пенетрации, а пластичность растяжимостью (дуктильностью). Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0, 95— 1, 50 г/см 3. Как будет подробно рассмотрено ниже, нефтяные битумы по способу производства делятся на остаточные, окисленные и компаундированные. Остаточные битумы – мягкие легкоплавкие продукты, окисленные – эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства.
Методы испытания и соответствующие виды классификаций Для классификации товарных битумов по сортам в зависимости от их качества разработаны и применяются различные методы испытания. Эти методы утверждены стандартами разных стран. Целью общепринятых методов испытания качества битумов является определение их консистенции, чистоты и теплостойкости. Для определения консистенции предложено много методов, позволяющих установить ее зависимость от вязкости. Битумы характеризуют и сравнивают по степени текучести при определенной температуре или по температуре определения некоторых свойств. К таким показателям, характеризующим свойства твердых битумов, относятся глубина проникания стандартной иглы (пенетрация), температура размягчения, растяжимость в нить (дуктильность), температура хрупкости. Эти исследования, строго говоря, не эквивалентны прямому определению вязкости, но находят широкое практическое применение, потому что позволяют быстро характеризовать консистенцию битума. К основным показателям, характеризующим свойства битумов, можно также отнести адгезию, поверхностное натяжение на границе раздела фаз, когезию, тепловые, оптические и диэлектрические свойства. К числу сопоставимых показателей, кроме того, можно отнести потерю массы при нагревании и изменение пенетрации после него, растворимость в органических растворителях, зольность, температуру вспышки, плотность, реологические свойства.
Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. К ним относятся естественные производные черного золота, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления, например асфальты, кериты, мальты, озокериты и др. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески) Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты нефтепереработки, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами. Битум с давних пор является одним из наиболее известных инженерно строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации. Некоторые показатели определяют как для исходного битума, так и для битума после прогрева, который имитирует процесс старения. Стандартами задаются определённые значения показателей качества, что отражает оптимальный состав битума. Этот состав может быть различным для разных областей применения битумов.
Пенетрация — показатель, характеризующий глубину проникания тела стандартной формы в полужидкие и полутвердые продукты при определенном режиме, обусловливающем способность этого тела проникать в товар, а товара — оказывать сопротивление этому прониканию. Пенетрацию определяют пенетром, устройство которого и методика испытания даны в ГОСТ 11501— 78; за единицу пенетрации принята глубина проникания иглы на 0, 1 мм. Пенетрация дорожных нефтяных битумов различных марок при 25 °С, нагрузке 100 Г, в течение 5 сек составляет 40— 300*0, 1 мм, а при 0 °С, нагрузке 200 Г, в течение 60 сек— от 13 до 50*0, 1 мм. Таким образом, в зависимости от температуры, нагрузки и длительности проникания иглы значение пенетрации существенно изменяется. Поэтому условия ее определения заранее оговаривают. Пенетрация косвенно характеризует степень твердости битумов. Чем выше пенетрация битума при заданной температуре размягчения и при заданной пенетрации — температура размягчения битума, тем выше его теплостойкость. Получить битумы с высокой теплостойкостью можно соответствующим подбором сырья, технологического способа и режима производства. Температура размягчения битумов — это температура, при которой битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое. Методика определения температуры размягчения условна и научно не обоснована, но широко применяется на практике. Испытание проводят по ГОСТ 11506— 73 методом «кольцо и шар» (Ки. Ш), а также иногда методом Кремер — Сарнова.
Индекс пенетрации — показатель, характеризующий степень коллоидности битума или отклонение его состояния о вязкостного. По индексу пенетрации битумы делят на три группы. 1) битумы с индексом пенетрации менее 2, не имеющие дисперсной фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены (битумы из крекинг остатков и пеки из каменноугольных смол). Эластичность таких битумов очень мала или практически равна нулю. 2) битумы с индексом пенетрации от 2 до +2 (остаточные и малоокисленные). 3) битумы с индексом пенетрации более +2 имеют значительную эластичность и резко выраженные коллоидные свойства гелей. Это окисленные битумы с высокой растяжимостью.
Температура хрупкости — это температура, при которой материал разрушается под действием кратковременно приложенной нагрузки. По Фраасу — это температура, при которой модуль упругости битума при длительности загружения 11 сек для всех битумов одинаков и равен 1100 к. Г/см 2 (1, 0787 108 н/м 2). Температура хрупкости характеризует поведение битума в дорожном покрытии: чем она ниже, тем выше качество дорожного битума. Окисленные битумы имеют более низкую температуру хрупкости, чем другие битумы той же пенетрации. Температура хрупкости дорожных битумов обычно колеблется в пределах от — 2 до — 30 °С. Для ее определения применяют метод, описанный в ГОСТ 11507 -78 с дополнением по п. 3. 2. Дуктильность Растяжимость (дуктилъностъ) битума характеризуется расстоянием, на которое его можно вытянуть в нить до разрыва. Этот показатель косвенно характеризует также прилипаемость битума и связан с природой его компонентов. Дорожные нефтяные битумы имеют высокую растяжимость — более 40 см. Повышение растяжимости битумов не всегда соответствует улучшению их свойств. По показателю растяжимости нельзя судить о качестве дорожных битумов, так как условия испытания (растяжение со скоростью 5 см/мин) отличаются от условий работы битума в дорожном покрытии.
Растяжимость битумов при 25 °С имеет максимальное значение, отвечающее их переходу от состояния ньютоновской жидкости к структурированной. Чем больше битум отклоняется от ньютоновского течения, тем меньше его растяжимость при 25°С, но достаточно высока при 0°С. Битум должен обладать повышенной растяжимостью при низких температурах (0 и 15°С) и умеренной при 25°С. Методика и устройство прибора для определения растяжимости битумов приведены в ГОСТ 11505 — 75. Вязкость битумов более полно характеризует их консистенцию при различных температурах применения по сравнению с эмпирическими показателями, такими, как пенетрация и температура размягчения. Ее легко и в более короткий срок можно измерить при любой требуемой температуре производства и применения битума. Желательно, чтобы битум при прочих равных показателях обладал наибольшей вязкостью при максимальной тем пературе применения и имел как можно более пологую вязкостно температурную кривую. При температуре ниже 40 °С битум подобен твердообразным системам, при температурах от 40 до 140 °С — структурированным жидкостям, при температуре выше 140 °С — истинным жидкостям. Битумы ведут себя как истинная жидкость, когда их вязкость понижается до 102— 103 пз.
Вязкость битумов определяют в вискозиметрах Энглера, Сейболта и Фурола, методом падающего шара, в капилляре Фенске, на ротационном вискозиметре, реовискозиметре, консистометре и др. Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие. Вязкие битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий. Основное количество таких битумов вырабатывается в Российской Федерации в соответсвии с ГОСТ 22245 90. Жидкие битумы предназначены для удлинения сезона дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955 82 их получают смешением вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями — разжижителями. После укладки покрытия разжижитель постепенно испаряется. Реология битумов Реология (от греч. rheos — течение, поток), наука о деформациях и текучести вещества. Реология рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением разнообразных вязких и пластических материалов (неньютоновских жидкостей, дисперсных систем и др. ), а также явления релаксации напряжений, упругого последействия и т. д. Реология битумов изучена недостаточно. Основными показателями, определяемыми при исследовании реологических свойств битумов в диапазоне температур приготовления и укладки смеси, а также эксплуатации покрытия, являются вязкость и деформативные характеристики битума (модуль упругости, модуль деформациии др. ). Поведение битума под действием внешних деформирующих сил определяется комплексом механических свойств, к которым относятся вязкость, упругость, пластичность, хрупкость, усталость, ползучесть, прочность. Каждое свойство зависит от температуры и характера напряженного состояния и связанно с межмолекулярными взаимодействиями и наличием структуры. Реологические свойства не должны значительно изменяться при нагреве битума в битумных котлах, приготовлении и укладке смеси и в течение длительного времени службы.
По реологическим свойствам битумы делятся на три типа: 1) вещества, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона, когда напряжение снимают, наступает состояние неэластичной упругости. Сюда можно отнести вязкие неколлоидные жидкости, неэластичные или слабоэластичные золи. 2) Вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига скорость сдвига после начала деформации снижается и через некоторое время становится почти постоянной, когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавливается, коллоидное состояние биту мов этого типа золь-гель. 3) При постоянном напряжении сдвига в начале деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается, если приложенное напряжение сдвига больше некоторого определенного значения, после того как напряжение снято, упругость восстанавливается, битумы этого типа имеют структуру геля.
Растворимость В основе большинства существующих методов анализа битумов лежит различие в растворимости их компонентов в ряде органических растворителей. Впервые деление, основанное на этом принципе, предложил Ричардсон, раз деливший битумы на растворимые в бензине мальтены и нерастворимые в этом растворителе асфальтены. Впоследствии Маркуон с помощью адсорбции на фуллеровой земле разделил мальтены на масла и смолы. В основном эта ме тодика сохранилась и до настоящего времени, но появилось большое количество ее разновидностей, позволяющих получить более узкие, но менее представительные фракции. Применение и требования к качеству Применение битума как одного из наиболее известных инженерно строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. д. Кровельные битумы применяют для производства кровельных материалов. Их разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя). Изоляционные битумы используют для изоляции газопроводов с целью защиты их от коррозии. В настоящее время области использования чрезвычайно широки. Достаточно назвать: • дорожное строительство, • изготовление кровельных материалов, • применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, • строительство зданий и сооружений, прокладку нефтепроводов и др.
Основным сырьем для производства являются остаточные продукты переработки нефти: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций. Использование природного битума крайне незначительно. Главным же приобретателем битума является дорожное строительство (около 90 %), в первую очередь, из за того, что нефтяной битум является самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий. Использование битумов в дорожном строительстве позволяет покрытию дорог выдерживать повышенные статические и динамические нагрузки в широком интервале температур при сохранении длительной жизнеспособности и погодоустойчивости. Вязкие битумы, применяемые в дорожном покрытии, используются как вяжущее между каменными материалами. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применённого битума и его качества. При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро , средне и медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы.
Более подробно рассмотрим битумы различного назначения. Дорожный Качество дорожного битума в основном определяет долговечность дорожных покрытий. Появление трещин на дорожном покрытии означает, что оно на 85% исчерпало срок службы. Установлено, что показатель «температура хрупкости» битума характеризует время до начала интенсивного трещинообразования дорожного полотна, так как его определение показывает наиболее опасное состояние дорожного покрытия при резких перепадах температур в зимнее время. Соотношение физико химических показателей битумов БНД обеспечивает дорожному покрытию наибольшую сдвигоустойчивость, трещиностойкость, длительную водо и морозостойкость. Строительный Битумы строительных марок БН, применяемые для гидроизоляции фундаментов зданий, отличаются малой пенетрацией и дуктильностью и высокой температурой размягчения (от 37 до 105 0 С), т. е. они тугоплавкие и твёрдые. Строительный битум нормируется по ГОСТ 6617 – 76 Строительный битум – это сложная смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения. Особая структура вещества, придает ему важные свойства, способствующие эффективному использованию в самых различных областях строительства. Строительный битумы БН 90/10 и БН 70/30 находят применение в таких процессах, как гидроизоляция бетонных сооружений и фундаментов, газопроводов различного назначения, предварительное огрунтование оснований под мягкую кровлю, кроме того, эти марки активно используется в процессе изготовления битумных лаков, битумных мастик, битумного праймера, гидростеклоизола и некоторых других строительных материалов.
Битум строительный ( в т. ч. Битум строительный БН 90/10) является одним из наиболее известных и важных строительных материалов. Благодаря своим адгезионным и гидрофобным свойствам строительный битум находит широкое применение в дорожном строительстве, изготовлении кровельных материалов, прокладке нефтепроводов, при битумной гидроизоляции фундаментов зданий и сооружений. Битум строительный (в т. ч. Битум БН 90/10) представляет собой сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, в основном не выкипающую при температурах перегонки черного золота. Определение всех составляющих битум соединений невозможно. Групповой состав битума предопределяет его коллоидную структуру и реологическое поведение и тем самым технические свойства, которые характеризуются условными показателями качества, определяемыми в стандартных условиях. Среди этих показателей важнейшие: пенетрация (глубина проникания иглы в битум), температуры размягчения и хрупкости, дуктильность (растяжимость) способность битума растягиваться в нить. Некоторые показатели определяют как для исходного битума, так и для битума после прогрева, который имитирует процесс старения. Стандартами задаются определенные значения показателей качества, что отражает оптимальный состав битума. Этот состав может быть различным для разных областей применения битумов: от гидроизоляции битумной до ремонта и устройства кровли. Битумная черепица
В соответствии с ГОСТ 22245 90 вырабатываются вязкие строительные битумы двух типов: БНД и БН. Все строительные битумы маркируются по пенетрации при 25 °С. При равной пенетрации при 25 °С битумы БНД имеют более высокую температуру размягчения, более низкую температуру хрупкости и большие значения пенетрации при 0 °С, чем битумы БН (строительный битум БН 90/10, БН 70/30). В то же время для битумов БНД устанавливаются требования по дуктильности при 0 °С, а требования по дуктильности при 25 °С менее строгие в сравнении с битумами БН (строительный битум БН 90/10, БН 70/30). Требования к термостабильности битумов БНД более жесткие. Рекомендации по применению зависят от типа строительных битумов и их пенетрации при 25 °С. В первой дорожно климатической зоне при среднемесячной температуре наиболее холодного времени года не выше 20 °С рекомендуется использовать битумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130; во второй и третьей зонах при температуре в пределах 10. . . 20 °С битумы БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90; во второй, третьей и четвертой зонах при температуре 5. . . 10 °С битумы БН 200/300, БН 130/200, БН 90/130, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60; в четвертой и пятой климатических зонах при температуре не ниже 5 °С битумы БН 90/130, БН 60/90, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60. Жидкие битумы предназначены для удлинения сезона дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955 82 их получают смешением вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями разжижителями. После укладки покрытия разжижитель постепенно испаряется. Применение жидких дорожных битумов не соответствует современным требованиям к энергосбережению и защите окружающей среды. Кроме того, низкая температура вспышки предопределяет их пожароопасность. Битум строительный БН 90/10 применяют при выполнении различных строительных работ, в частности для битумной гидроизоляции фундаментов зданий. Битум строительный (битум БН 90/10, БН 70/30) используется для битумной гидроизоляции бетонных сооружений; для битумной гидроизоляции фундаментов; для предварительного огрунтования основания под мягкую кровлю. Также битум строительный (битум БН 90/10, БН 70/30) применяется для изготовления битумных мастик, праймера битумного, гидростеклоизола и др. Битум строительный (битум БН 90/10, БН 70/30) выпускается в брикетах по 25 кг. Некоторые производители битума строительного (битум БН 90/10, БН 70/30) выпускают битум строительный (битум БН 90/10, БН 70/30) в барабанах по 25 50 кг.
Гидроизоляция битумная наиболее дешевая из всех видов гидроизоляций бетона и фундаментов. Битумная гидроизоляция – это расплавленный битум БН 90/10 (битум БН 70/30) нанесенный на поверхность бетона (фундамента). Возможно добавление в битум БН 90/10 (битум БН 70/30) растворителей Уайт спирит, нефрас, либо керосин (бензин). Гидроизоляция битумная с применением открытого огня возможна только в местах, где это разрешено правилами пожарной безопасности; в иных случаях для битумной гидроизоляции следует использовать битум БН 90/10, БН 70/30 и растворители указанные выше. Также для гидроизоляции битумной возможно использование готовой к применению битумной мастики, уже содержащей растворитель (безогневой вид битумной гидроизоляции). Такой вид битумной гидроизоляции дороже, но по издержке времени намного экономичнее. Возможна как внутренняя, так и внешняя битумная гидроизоляция. Выбор гидроизоляции (будь то гидроизоляция битумная, гидроизоляция рулонными наплавляемыми материалами или гидроизоляция сухими смесями) зависит только от индивидуальных вкусов.
Кровельный Примерно такие же показатели качества установлены и для кровельных битумов БНК, но для них нормируется ещё и температура хрупкости. Их используют как пропиточные (для получения толя и рубероида) и для покрытия крыш. Изоляционный Изоляционные битумы БНИ применяются для изоляции газопроводов с целью предотвращения их от коррозии. При малой пенетрации и малой дуктильности они должны быть достаточно тукоплавкими (особенно для аккумуляторных мастик). Кроме того, для мастик нормируется растворимость в толуоле или в хлороформе (не менее 99, 5 %, т. е. почти полная растворимость). Хрупкие Существуют две марки хрупких битумов, которые размягчаются при 100 – 110 0 С и 125 – 135 0 С, имеют мизерную пенетрацию и более жёсткие нормы по растворимости. Они используются в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности Битум для заливочных аккумуляторных мастик • • Ниже приведена характеристика битума для заливочных аккумуляторных мастик по ГОСТ 8771 – 76: Температура размягчения, 0 С - 105 – 115 Пенетрация при 25 0 С, 0, 1 мм - 10 – 16 Дуктильность при 25 0 С, см, не менее 1 Растворимость в толуоле или хлороформе, %, не менее 99, 50 Изменение массы после прогрева, %, не более 0, 50 Температура вспышки, 0 С, не ниже 260 Индекс пенетрации, не менее 4
Промышленное производство Производство нефтяных разновидностей битума осуществляется: продувкой гудронов воздухом перегонкой мазутов с глубоким отбором дистиллятов деасфальтизацией гудронов пропаном. Широко применяется также компаундирование продуктов различных процессов. Основным процессом производства в странах СНГ является окисление — продувка гудронов воздухом. В соответствии со способами производства марки разделяют на окисленные, остаточные, осажденные и компаундированные. Классифицируют битумы и по областям применения. В настоящее время основную массу производимых марок на постсоветском пространстве составляют: - Битум нефтяной дорожный жидкий (ГОСТ 11955 -82) - Битум нефтяной строительный (ГОСТ 6617 -76) Пожалуй, одним из универсальных строительных материалов, который применяется в самых различных сферах строительства и используется на разных этапах возведения новых построек, является строительный битум. Его применение стало практически традицией и важным элементом всего строительного процесса. Поэтому сфера его использования сегодня является настолько широкой
Способы Производство нефтяных битумов является одним из термических процессов переработки нефти. Основные параметры термических процессов, влияющие на ассортимент, материальный баланс и качество получаемых продуктов, качество сырья, давление, температура и продолжительность термолиза (термического процесса). Основным сырьём для производства битума в нашей стране являются остаточные продукты переработки нефти: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др. Различают три основных способа получения нефтяных битумов. Основным сырьём для производства битума в нашей стране являются остаточные продукты переработки нефти: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.
Различают три основных способа получения нефтяных битумов. • Концентрированием нефтяных остатков путём перегонки их в вакууме получают остаточные битумы. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырьё с большим содержанием асфальтосмолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжёлых высокосмолистых сернистых нефтях. В процессах вакуумной перегонки и деасфальтизации получают остаточные и осаждённые битумы. Главное назначение этих процессов – извлечение дистиллятных фракций для выработки моторных топлив – в случае первого, подготовка сырья для производства базовых масел (начальный этап) – в случае второго. В то же время побочные продукты этих процессов – гудрон перегонки и асфальт деасфальтизации – соответствуют требованиям по сырью в производстве битумов или их используют в качестве сырья в производстве окисленных битумов. • Окислением кислородом воздуха различных нефтяных остатков и их композиций при температуре 180 – 300 0 С (окисленные битумы). Окисление воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальтосмолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Для производства окисленных битумов Баш. НИИНП предложено классифицировать черного золота по содержанию (%, мас. ) в них асфальтенов (А), смол (С) и твёрдых парафинов (П). Нефть считается пригодной для производства окисленных битумов, если выполняется условие: Основным процессом производства битумов является окисление – продувка гудронов воздухом. Окисленные битумы получают в аппаратах периодического и непрерывного действия. Последние более экономичные и простые в обслуживании. Принцип получения окисленных битумов основан на реакциях уплотнения при повышенных температурах в присутствии воздуха, приводящих к увеличению концентрации асфальтенов, способствующих повышению температуры размягчения битумов, и смол, улучшающих адгезионные и эластичные свойства товарного товара. Аппараты, используемые в производстве битумов – трубчатые реактора или окислительные колонны. При получении строительных битумов предпочтительны первые, дорожных – вторые.
• Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы. Остаточные битумы – мягкие легкоплавкие продукты, окисленные – эластичные и термостабильные. Битумы, получаемые окислением крекинг остатков, содержат большое количество карбенов и карбоидов, которые нарушают однородность битумов и ухудшают их цементирующие свойства. Технология Остаточные битумы вырабатывают из мазутов с высокой концентрацией асфальтосмолистых веществ вакуумной перегонкой как остаток этой перегонки. Напомним, что мазут является остатком от атмосферной перегонки черного золота. Более подробно остановимся на окислении гудронов или остаточных битумов кислородом воздуха. Основными параметрами процесса являются температура, затрата воздуха и давление. Чем выше температура, тем быстрее протекает процесс окисления, но при слишком высокой температуре ускоряется образование карбенов и карбоидов, которые предают битумам нежелательную повышенную хрупкость. Обычно температуру поддерживают на уровне 250 – 280 0 С. Чем больше издержка воздуха, тем меньше требуется времени на окисление. При чрезмерно большом расходе воздуха температура в окислительной колонне может возрасти выше допустимой. Поэтому затрата воздуха является основным регулирующим параметром для поддержания нужной температуры. Общий издержка воздуха зависит от химического состава сырья и качества получаемого битума и составляет от 50 до 400 M 3 / т битума.
Давление в зоне реакции при его повышении интенсифицирует процесс, и качество окисленного битума улучшается. В частности, повышается пенетрация битума при неизменной температуре размягчения. Обычно давление колеблется от 0, 3 до 0, 8 МПа. Основным аппаратом является окислительная колонна диаметром 3400 мм и высотой 21 500 мм. Технологический режим процесса следующий: • • • температура, 0 С: сырья на выходе из печи 180 – 250 в окислительной колонне, не выше 290 Битума на выходе из холодильника 170 – 200 налива битума в цистерны 170 – 180 давление в окислительной колонне, МПа 0, 3 – 08 Затрата воздуха, M 3 / т битума 50 – 400 тепловой эффект процесса, к. Дж / кг битума 168 – 502 содержание кислорода в газообразных продуктах окисления, % 3 -11 отношение рециркулят : сырьё 6 : 1 Наконец, третий способ получения битумов – это компаундирование. Способ этот является завершающей стадией получения битумов и использует в качестве компонентов как битумы, полученные в виде остатков вакуумной перегонки, так и окисленные битумы. Кроме того, одними из важных компонентов компаундов являются экстракты селективной очистки дистиллятных масел и деасфальтизаты, так как, являясь концентратом полициклической многокольчатой ароматики, они придают битуму эластичность и хорошую растяжимость.
Технологический режим такой установки: • • • температура, 0 С: сырья на входе в установку 100 – 120 окисления в реакторах 260 Битума после холодильников 170 давление, МПа: воздуха на входе в смесители 0, 9 смеси на входе в реактора 0, 8 Затрата воздуха, M 3 / M 3 товара 100 – 150 отношение рециркулят : сырьё 6 : 1 Мощность установок производства битума – от 120 до 500 тыс. т / год. Битумы нефтяные, состав, структура и свойства Нефтяные битумы представляют собой твердые, вязкопластичные или жидкие продукты нефтепереработки. По химическому составу битумы — сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных азота, кислорода и серы, полностью растворимые в сероуглероде. Для исследования битумов их разделяют на основные группы углеводородов (близкие по свойствам) — масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Масла — смесь циклических углеводородов (в основном нафтенового ряда) светло желтой окраски с плотностью менее 1 и молекулярной массой 300. . . 500; повышенное содержание масел в битумах придает им подвижность, текучесть. Количество масел в битумах колеблется в пределах 45. . . 60%. Смолы — вязкопластичные вещества темно коричневого цвета с плотностью около 1 и молекулярной массой до 1000. Смолы имеют более сложный состав углеводородов, нежели масла. Они состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений нейтрального характера и придают битумам большую тягучесть и эластичность. Содержание смол 15. , 30%.
Асфальтены и их модификации (карбены и карбоиды) твердые, неплавкие вещества с плотностью несколько больше 1 и молекулярной массой 1000. . . 5000 и более. Эта группа углеводородов является существенной составной частью битумов. Повышенное содержание асфальтенов в битуме определяет его высокие вязкость и температурную устойчивость. Общее содержание асфальтенов в различных битумах составляет 5. . . 30% и более. Карбены и карбоиды встречаются в битумах сравнительно редко в малом количестве (1. . . 2%) и способствуют повышению хрупкости битума. Асфальтовые кислоты и их ангидриды — вещества коричневатого цвета смолистой консистенции с плотностью более 1. Они относятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми. Асфальтогеновые кислоты являются поверхностно активной частью битума и способствуют повышению сцепления его с поверхностью минеральных заполнителей. Содержание их в нефтяных битумах составляет около 1 %. Вышеуказанные группы углеводородов битума образуют сложную дисперсную систему — коллоидный раствор, в котором жидкая среда —это масла и раствор смол в маслах, а твердая фаза представлена асфальтенами, на поверхности которых адсорбированы асфальтогеновые кислоты. Масла, смолы и асфальтены входят в состав битумов в различных соотношениях и тем самым предопределяют их структуру. В зависимости от количественного содержания масел, смол и асфальтенов (а также от температуры нагрева) коллоидная структура битума — «гель» , «зольгель» претерпевают изменения от типа «золь» до типа «гель» . Структура гель — характерна для твердых битумов при температуре 2 О. . . 25°С и обусловливается обычно повышенным содержанием асфальтенов. Структура золь присуща битумам жидкой консистенции с повышенным содержанием смол и масел. Важнейшими свойствами битумов, характеризующими их качество, являются вязкость, пластичность, температуры размягчения и хрупкости; кроме того, следует отметить высокую адгезию, обусловливающую способность битумов сцеплять в монолит минеральные зерна заполнителей; они способны также придавать гидрофобные свойства материалам, обработанным битумом.
Основной характеристикой структурно механических свойств битумов является вязкость, зависящая главным образом от температуры и группового состава. Вязкость — сопротивление внутренних слоев битума перемещению относительно друга. Для многих битумов вязкость непостоянна и уменьшается с увеличением напряжения сдвига или градиента скорости деформации. При повышении температуры вязкость снижается, при ее понижении вязкость быстро возрастает, а при отрицательных температурах битум становится хрупким. Для измерения структурной вязкости применяют различные приборы, позволяющие определить вязкость в абсолютных единицах (Па с) или выразить ее в условных единицах. Для характеристики вязкости, точнее величины обратной вязкости, т. . е. текучести битумов, принимается условный показатель — глубина проникания иглы в битум (пенетрация). Глубину проникания иглы в битум определяют на приборе — пенетрометре при действии на иглу груза массой 100 г в течение 5 с при температуре 25°С или 0°С при грузе 200 г в течение 60 с. Пеиетрация твердых или вязких битумов выражается в единицах (градусах), равных 0, 1 мм проникания иглы в битум. Чем больше вязкость, тем меньше проникание иглы в битум. Пластичность является важным свойством битумов. Она повышается с увеличением содержания масел, длительности действия нагрузки и повышения температуры. Пластические свойства твердых и вязких битумов условно характеризуются растяжимостью (дуктильностью) —способностью вытягиваться в тонкие нити под действием внешних постоянных сил. Растяжимость определяют на специальном приборе — дуктилометре при скорости деформации образца битума в виде «восьмерки» 5 см/мин, температурах испытания 25 и 0°С. Показателем растяжимости служит длина нити в момент разрыва образца, выраженная в сантиметрах. Пластические свойства битума зависят от температуры, группового состава и структуры. Так, например, с повышением содержания смол и асфальтенов пластичность при постоянной температуре битумов возрастает. Существенной характеристикой свойств битума является также и температура размягчения, определяемая на приборе «кольцо и шар» ( «К и Ш» ), Температура размягчения битума, выраженная в градусах Цельсия, соответствует температуре водяной бани в стакане прибора в момент, когда битум, имеющийся в латунном кольце (диаметр 16, 0 мм), деформируясь под воздействием металлического шарика массой 3, 5 г и постепенного нагрева воды со скоростью 5°С в минуту, коснется нижней полки подставки. Нижняя полка подставки прибора находится на стандартном расстоянии от кольца, равном 25 мм. Температура размягчения вязких и твердых битумов колеблется в. пределах от 20 до 95°С.
Температура вспышки — температура, при которой пары образующиеся при нагревании битума в открытом тигле, воспламеняются от поднесенного пламени. Температуру вспышки определяют на стандартном приборе и отмечают по показанию термометра в момент вспышки паров битума. Температура вспышки твердых и вязких битумов обычно выше 200°С и характеризует степень огнеопасности битума при его разогреве. Существенной особенностью битумов является их высокая адгезия— прилипание к поверхности различных минеральных и органическиx материалов. Для определения адгезии существует много методов и приборов. Одним из них является визуальный метод, по которому степень прилипания битумов к поверхности минеральных материалов оценивают по пятибалльной шкале. Отличное прилипание битума 5 баллов в том случае, когда пленка битума на поверхности гравия или щебня полностью сохранилась после кипячения в дистиллированной воде. Очень плохое прилипание, оцениваемое в один балл, когда пленка битума после кипячения полностью смещается с минеральных зерен и всплывает на поверхность воды. В зависимости от показателей основных свойств, особенно вязкости, пластичности и температуры размягчения, нефтяные битумы делятся на марки: • Для дорожного строительства но ГОСТу предусмотрены пять марок от БНД (битум нефтяной дорожный) 200/300 до БНД 40/60, где цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С, и четыре марки БН от 200/300 до БН 60/90. • Для строительных работ по ГОСТу предусмотрено три марки, обозначаемые «БН» — битум нефтяной: БН 50/50, БН 70/30 и БН 90/10, где цифры числителя дроби соответствуют показателю температуры размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а знаменателя — указывают на средние значения пределов изменения пенетрации при 25°С. • Для кровельных работ по ГОСТу предусмотрены следующие марки: БНК (битум нефтяной кровельный) 45/180, БНК 90/40 и 90/30, а также БНК 45/190. В данном случае числитель дроби соответствует среднему значению показателей температуры размягчения по «К и Ш» , а знаменатель — среднему значению показателей пенетрации на 25 СС.
Кроме твердых и вязкопластичных битумов указанных марок существуют жидкие битумы. Жидкие битумы при комнатной температуре имеют незначительную вязкость, т. е. жидкую консистенцию, и применяются в строительстве в холодном или слегка подогретом (до 50. . . 60°С) состоянии. Вследствие испарения летучих фракций и процессов окисления жидкие битумы постепенно загустевают. В зависимости от скорости загустевания жидкие нефтяные битумы выпускают двух классов—густеющие со средней скоростью (класс СГ) и медленногустеющие (класс МГ). Жидкие битумы класса СГ изготовляют путем разжижения обычных, вязких битумов легкими разжижителями типа керосина. Для получения битумов класса МГ применяют разжижители каменноугольного или нефтяного происхождения (нефть, мазут и т. п. ). В зависимости от показателей вязкости дорожные жидкие битумы классов СГ и МГ каждый делят на три марки эти битумы должны удовлетворять требованиям ГОСТа. Нефтяные битумы получают на нефтеперерабатывающих заводах из различных нефтей отличающихся друг от друга химическим составом и свойствами. Нефть на заводах подвергается фракционной перегонке с целью получения светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина) смазочных масел и других видов нефтепродуктов. Нефтяные остатки после отбора более легких по массе фракций — гудрон, крекинг — в дальнейшем используют в качестве сырья для получения нефтяных битумов заданных свойств. В настоящее время нефтяные битумы получают при атмосферно вакуумной перегонке черного золота (остаточные битумы); окислением нефтяных остатков (окисленные битумы) и смешением остатков, образующихся при перегонке черного золота (компаундированные битумы). Остаточные битумы представляют собой продукты малой вязкости и обычно подвергаются окислению. Окисленные битумы получают путем продувки воздухом нефтяных остатков (гудрона) на специальных окислительных установках до заданной вязкости. В результате взаимодействия кислорода воздуха с гудроном в процессе продувки идет реакция образования высокомолекулярных компонентов окисленного битума и повышение его вязкости. За последнее время освоен метод непрерывного окисления битума. Нефтяные остатки при температуре около 210°С поступают в реактор, где с помощью специальных аппаратов (диспергаторов) засасывается воздух и распределяется в окисляемом товаре. В данной технологии наряду с интенсификацией процесса окисления улучшается качество окисленного битума.
Битумы твердых горючих ископаемых Смесь орг. веществ, содержащихся в торфе, углях и способных растворяться в низкокипящих слабополярных орг. р рителях при температуре кипения последних. Содержание битумов в торфе колеблется от 5, 6 до 28, 5%. При обработке торфа разл. растворителями выход Б. составляет (%): эфиром 3, 5, бензином 5, 0, бензолом 8, 0, дихлорэтаном 10, 5, смесью этанола с бензолом (1 : 1) 12. Битум торфа порошки или маслянистые твердые вещества желтого, коричневого или черного цвета. Содержат 65 75% С и 9 12% Н, их т. каплепад. 55 75°С, кислотное число 20 60. Орг. масса битума торфа состоит из восковых (50 80%), смоляных кислот, углеводородов и смол. Восковые кислоты имеют т. пл. 77 90°С, кислотные числа 116 160, мол. м. 340 380. Содержание масел в битуме 14 22%. В бурых углях количество битума изменяется в широких пределах (10 20%); макс. выход достигается при обработке землистых бурых углей спирто бензолъной смесью (1: 1). Буроугольные битумы твердые маслянистые вещества коричневого цвета; элементный состав: 77 80% С, 9 12% Н; т. каплепад. 90 92°С, кислотное число 35 36. Содержание восков в битумах землистых бурых углей достигает 70 80%, в битумах других видов 29 30%; содержание смол соотв. 20 30 и 70 71%. Воски содержат 80% С, 13% Н, 0, 6% О; т. пл 80°С, кислотное число 23. Выход битума при обработке каменных углей спирто бензолъной смесью (1: 1) составляет 0, 5 4, 0%. Такие битумы твердые смолистые вещества темного цвета; содержат 82 87% С и 7 10% Н; кислотное число 40. Практическую ценность представляют битумы торфов и бурых углей, в осн. их восковая часть, называемая горным воском (монтан воском)
Природные битумы полутвердая или твердая смесь преимущественно углеводородного состава, растворимая в органических растворителях. Генетически они представляют собой в различной степени дегазированные, потерявшие легкие фракции, вязкие полутвердые естественные производные черного золота мальты, асфальтиты. Природные битумы это составная часть горючих ископаемых. К ним относятся естественные производные черного золота, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления, например асфальты, кериты, мальты, озокериты и др. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом. Традиционные битумы применяются все реже, а вот произведенные на их основе битумно полимерные материалы и синтетическая нефть пользуются большой популярностью. Это символизирует собой новую эру в развитии рынка битума. Самые большие запасы битума находятся в Стране кленового листа. В последние годы здесь устойчиво растут темпы добычи битумов для производства на его основе синтетической черного золота.
Битумные лаки – это растворы природных или искусственных битумов в органических растворителях. Битумные лаки приготовляют из природных битумов, содержащих минимальное количество золы и серы (асфальтиты), или искусственных, получаемых при химической нефтепереработке. Растворителями для битумных лаков служат скипидар, уайт спирит, сольвент, ксилол и т. п. Битумные лаки готовят сплавлением битумов с природными (например, канифоль) или синтетическими (например, искусственные копалы) смолами при температуре 280 °С; затем в охлажденный (170°С) расплав вводят растворители. При производстве масляных битумных лаков, кроме того, вводят высыхающие масла (например, льняное, тунговое) и сиккативы (свинцовые, марганцевые или кобальтовые соли жирных кислот). В зависимости от назначения и условий применения состав битумных лаков можно значительно изменять, получая лаки с различной вязкостью, укрывистостью, временем высыхания (от 0, 3 до 3 ч). Большой дефект битумных лаков — склонность к загустеванию под воздействием кислорода воздуха; обычно его устраняют, вводя в лак перед употреблением небольшое количество скипидара.
Битумные лаки наносят на окрашиваемые объекты общими для лакокрасочных материалов методами (например, кистью, распылением). Масляные битумные лаки образуют необратимые (нерастворимые) плёнки, а безмасляные — обратимые (растворимые). Покрытия на основе битумных лаков обладают хорошей атмосферо , кислото и водостойкостью, а также высокими электроизоляционными свойствами. Недостатки покрытий — часто образующаяся «сыпь» (твёрдые включения на поверхности плёнки) и «оспа» (круглые оголения, достигающие окрашиваемой поверхности).
Битум в окружающей среде В окружающей среде битум лежит у нас под ногами в виде дорожного покрытия - асфальта. Асфальт производится из вязких нефтяных дорожных битумов. Трещины и швы асфальтированных покрытий герметизируются битумно полимерным герметиком. Основные свойства вязких нефтяных дорожных битумов хорошая связывающая способность с каменным материалом, высокая пластичность при отрицательных температурах и стойкость к климатическим воздействиям. В зависимости от основных свойств вязкие нефтяные дорожные битумы подразделяют на марки: БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БНД 130/200 и БНД 200/300; нефтяные (БН) четырех марок: БН 60/90; БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300; цифры дроби указывают на допустимые для данной марки пределы показателей пенетрации при 25° С. Для транспортировки битума с завода производителя его переливают из бункера в автомобильные или железнодорожные цистерны, формы или емкости методом герметичного налива битума. Так как битум переливается в расплавленном состоянии с высокой температурой нагрева, то метод герметичного налива битума исключает возможность поражения обслуживающего персонала. Из за невысокой стоимости, а также свойству не растворимости в воде, битум и его модификации нашли широкое применение в производстве гидроизоляционных и клеящих материалов, без которых сейчас не обходится ни одно строительное производство. Наибольшее распространение в строительном производстве получили битумные кровельные покрытия. В настоящее время производится большое разнообразие битумных кровельных покрытий, таких как битумные мастики, основные и безосновные рулонные кровельные битумные материалы, гидроизоляционные наплавляемые битумные материалы – к, битумная черепица, и т. п.
Наплавляемые гидроизоляционные битумные материалы – к получили широкое распространение в 70 80 гг. и используются в настоящее время. К ним относятся горячие битумные мастики и рулонные кровельные материалы, нанесение которых на бетонную поверхность осуществляется посредством нагрева до 160 180° С. Битумные мастики подразделяют на холодные и горячие, в зависимости от их состава. Огромное разнообразие битумных мастик с различными основными и физико химическими свойствами, назначением и способом применения подтверждаются сертификатом битумных мастик. Сертификат битумной мастики выдается после тщательного изучения состава научно исследовательским институтом. При производстве строительных и ремонтных работ по изоляции и теплоизоляции зданий широко применяется битум и его модификации. При изоляции швов и стыков металл – бетон, дерево – бетон или металл – древесина применяется битумно полимерный герметик. При выполнении теплоизоляции стен, мансард и кровельных конструкции, в вертикальных и наклонных стенах в мансардах, в межэтажных перегородках и перекрытиях используется битумный клей без органических растворителей. Во время использования такой клей не выделяет резких и вредных запахов, как клей с органическими растворителями в виде бензинов, керосинов, трихлорэтиленов и т. п. Наиболее распространенным природным, экологически чистым растворителем для битума и его модификаций является кукерсоль. Производить работы без вреда для здоровья с битумным клеем без органического растворителя можно в плохо вентилируемых и закрытых помещениях, таких как подвалы, чердаки. Таким образом, широкое применение битума играет огромную роль во всех областях жизни человека. Конец. (=^_^=)
Скачать презентацию Определение битума свойства битума применение битума Информация об
Презентация Microsoft PowerPoint (4) - копия.pptx