Битум и его виды

Битумом называют смолоподобный продукт чёрного или тёмно-коричневого цвета, который состоит из смеси углеводородов и их производных, не содержащих металлы.

Битум с давних пор является одним из наиболее известных строительных материалов. Благодаря своим адгезионным и гидрофобным свойствам он находит широкое применение в дорожном строительстве, изготовлении кровельных материалов, при строительстве фундаментов зданий и сооружений, прокладке трубопроводов.

Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, в основном не выкипающую при температурах перегонки нефти. Идентификация всех составляющих битум соединений невозможна. Но для решения многих задач оказывается достаточным определить содержание отдельных классов или групп веществ. Общепризнанным является разделение веществ по их отношению к растворителям и адсорбентам. В соответствии с эти битум состоит из асфальтенов - соединений не растворимых в алканах С5 - С7, смол - соединений, растворимых в алканах и десорбируемых с поверхности силикагеля бензолом или его смесью со спиртом, но не десорбируемых алканами, и масел - соединений, растворимых в алканах и десорбируемых указанными элюетами. Среди масел различают соединения парафиновой, нафтеновой или ароматической основы.

Свойства битума

Битумы термопластичны: при изменении температуры способны быть твёрдыми или смолоподобными. При сильном нагревании разжижаются, становясь пластичной массой с низкой текучестью. После остывания набирают первоначальную вязкость, без потери свойств и характеристик. Битумы относятся к веществам, которые не имеют чёткой температуры плавления (аморфность).

Ещё одно отличительное свойство – продукт не растворяется в большинстве кислот, воде, солевых растворах и щелочах, но при этом хорошо растворяется органическими растворителями.

Непористая структура битума наделяет его высокой плотностью (около 1,50 г/см). Благодаря этому даже тонкий слой этого инженерно-строительного материала является полностью водонепроницаемым.

Все эти свойства делают битумы незаменимыми в строительной сфере, укладки дорог, при проведении гидроизоляции различных поверхностей даже в самых неблагоприятных условиях.

Битумы обладают таким свойством, как «старение», под которым подразумевается изменение свойств и характеристик с течением времени. Старение сопровождается увеличением хрупкости и снижением гидроизоляционных свойств, которые ускоряются под воздействием ультрафиолета: в структуре материала уменьшается количество смолистых веществ и увеличивается содержание твёрдых частиц.

Состав битума

Битум включает в себя такие элементы:

  • углерод: 70–85%;
  • водород: 8–15%;
  • сера: 1–8%;
  • азот: до 2%;
  • кислород: 1–5%.

Полный химический состав очень сложен, но все элементарные соединения делятся на четыре группы:

  1. Твёрдые компоненты – высокомолекулярные углеводороды (асфальтены, карбоиды, карбены), придающие тугоплавкость и твёрдость. Их содержание колеблется в пределах 10–40%.
  2. Смолы – серосодержащие аморфные соединения, благодаря которым битум обладает хорошей адгезией к различным поверхностям. Содержание – от 20 до 40%.
  3. Кислоты играют роль поверхностно-активных веществ, которые защищают материал от воздействия ультрафиолета, создавая на поверхности плёнку. Их содержание в составе не достигает 3%.
  4. Нефтяные масла (30–60%) состоят из различных углеводородных соединений и придают вязкость и термопластичность.

Входящий в состав материала входит парафин повышает хрупкость при снижении температуры. Поэтому предельно допустимое содержание парафина – не более 5%.

Классификация битума

Для классификации битумов подходят два критерия: по происхождению и сфере применения.

Виды битума по происхождению

Здесь выделяют природные и искусственные битумы.

Природный

Естественная полимеризация нефти приводит к образованию чистого битума, залежи которого встречаются возле нефтяных месторождений, где они образуют битумные озёра или линзы. Однако такие явления очень редки, чаще всего природный битум пропитывает осадочные породы, поэтому процесс его добычи из горючих полезных ископаемых довольно трудоёмок.

Природные битумы подразделяются на три подвида:

  1. Поверхностные: образуются в результате выхода битумосодержащих пород на поверхность.
  2. Жильные: содержат небольшие включения примесей минералов.
  3. Пластовые: горная порода, пропитанная битумом.

Производство битума естественного происхождения можно разделить на несколько основных технологических этапов:

  • Добыча битумосодержащего сырья. Исходя из особенностей месторождения, применяется дренажный, шахтный, скважинный, карьерный и другие методы.
  • Разделение массы на минеральные и органические компоненты. Для этих целей используется метод выварки в воде, а для извлечения из горных пород применяются растворители.
  • После этого промежуточное сырьё поступает на дальнейшую переработку для получения чистого битума.

Сложность добычи природного битумосодержащего сырья и дальнейшей его переработки делает конечный продукт дорогим в ценовом соотношении, что ограничивает его сферу применения промышленной отраслью.

Искусственные (нефтяные) битумы

Производится из остатков перегонки нефти – гудрона. При нагреве или продувке гудрона кислородом получается полутвёрдая или твёрдая субстанция – искусственный нефтяной битум.

Для получения искусственного продукта применяется три технологии:

  1. Концентрирование: при помощи перегонки в вакууме нефтяных остатков получают остаточные битумы, которые также называют осаждёнными. Для их получения используется высокосмолистое сырьё (остатки перегонки сернистой нефти). Битумы, получаемые методом концентрирования – твёрдые вещества с небольшим коэффициентом вязкости.
  2. Окисление – наиболее применяемый метод получения искусственных битумов. Продувка кислородом нефтяных остатков и других различных компонентов производится при температуре 180–300 ºC. Благодаря этой методике, в конечном продукте увеличивается содержание асфальтенов и смол, благодаря которым готовый продукт отличается теплостойкостью и эластичностью.
  3. Смешивание. При пропорциональном смешивании битумов, полученных методом окисления и концентрирования, а также дистиллятов и других остатков, получают компаундированные битумы. Кроме этого, в процессе компаундирования (смешивания) в сырьё добавляют различные присадки: дёгти, каменноугольные масла, полимеры и другие добавки. Это позволяет получить материал с определёнными характеристиками и свойствами.

Производство искусственных битумов менее трудоёмкое и затратное, что отображается на стоимости конечного продукта. Именно благодаря своей низкой цене нефтяные битумы получили широкое применение в различных сферах.

Виды битума по сфере применения

(ГОСТ 22245-90)
Показатели Марка битума Метод испытаний
БНД 200/300 БНД 130/200 БНД 90/130 БНД 60/90 БНД 40/60 БН 200/300 БН 130/200 БН 90/130 БН 60/90
Глубина поникания иглы, 0,1 мм: при 250С 201-300 131-200 91-130 61-90 40-60 201-300 131-200 91-130 61-90 ГОСТ 11501
при 00С, не менее 45 35 28 20 13 24 18 15 10 ГОСТ 11506
Т-ра размягчения по КиШ,0 С, не ниже 35 40 43 47 51 33 38 41 45 ГОСТ 11505
Растяжимость,см,не менее при 250С - 70 65 55 45 - 80 80 70 ГОСТ 11507
при 00С 20 6 4 3,5 - - - - -
Т-ра хрупкости, 0С, не выше -20 -18 -17 -15 -12 -14 -12 -10 -6 ГОСТ 4333
 Температура вспышки, 0С, не ниже 220 220 230 230 230 220 230 240 240 ГОСТ 11506
Измерение температуры размягчения после прогрева,0С, не более 7 6 5 5 5 8 7 6 6
Массовая доля водорастворимых соединений, % не более 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 - - - - ГОСТ 11510
Индекс пенетрации От -1,0 до +1,0 От -1,5 до + 1,0
(ГОСТ 11955-82)
Показатели Марка битума Метод испытаний
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
Условная вызкость по вискозиметру с отверстием 5 мм, при 600С 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 131-200 ГОСТ 11503
Количество испарившегося разжижителя,%, не менее 10 8 7 8 7 5 - - - ГОСТ 11504
Т-ра размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя, 0С, не ниже 37 39 39 28 29 30 - - - ГОСТ 11506
Т-ра вспышки, 0С, не ниже 45 50 60 100 110 120 120 160 180 ГОСТ 4333
(ГОСТ 6617-76)
Показатели Марка битума
БН 70/30 БН 90/10
Глубина проникания иглы при 250С, 0,1 мм 21-40 20
Т-ра размягчения, 0С, не ниже 70  90
Т-ра  вспышки, 0С, не ниже 230 240
Растяжимость при 250С, см, не менее 3 1
Растворимость в бензоле или хлороформе, %, не менее 99 99
Изменение массы после прогрева, %, не более 1 1
Содержание водорастворимых соединений, %, не более 0,3 0,3
Содержание воды, % масс. следы следы
(ГОСТ 9548-74)
Показатели Марка битума Метод испытания
БНК-40/180 БНК-45/190 БНК-90/130
Глубина проникания иглы при 250С, 01 мм 160-210 160-220 25-35 ГОСТ 11501
Т-ра размягчения по КиШ, 0С 37-44 40-50 80-95 ГОСТ 11506
Т-ра хрупкости, 0С, не выше - - -10 ГОСТ 11507
Растворимость в толуоле или хлороформе, %, не менее 99,5 99,5 99,5 ГОСТ 20739
Изменение массы после прогрева, %, не более 0,8 0,8 0,5 ГОСТ 18180
Глубина проникания иглы при 250С в остатке после прогрева, % от первоначальной величины, не менее 60 60 70 ГОСТ 11501
Т-ра вспышки, 0С, не ниже 240 240 240 ГОСТ 4333
Массовая доля воды, не более следы следы следы ГОСТ 2477
Массовая доля парафина, не более 5 5 5 ГОСТ 17789 или 28967
(ГОСТ 9812-74)
Показатели Марка битума
БНИ-IV-3 БНИ-IV БНИ-V
Глубина поникания иглы, 0,1 мм:   при 250С 30-50 25-40 не мене 20
   при 00С, не менее 15 12 9
Т-ра размягчения, 0С, не ниже 65 75 90
Т-ра  вспышки, 0С, не ниже 230 230 230
Растяжимость при 250С, см, не ниже 4 3 2
Изменение массы после прогрева, %, не более 0,5 0,5 0,5
Содержание водорастворимых соединений, %, не более 0,2 0,2 0,2
Содержание парафина, % не более 4 - -
Водонасыщение за 24 ч, % масс., не более 0,2 0,2 0,2
Содержание воды, % масс. следы следы следы

В зависимости от эксплуатационных и технических характеристик, битумы подразделяются на следующие виды.

Дорожные

Битумы, применяемые в дорожном строительстве, делятся на вязкие и жидкие составы.

Вязкие

Основные требования к эксплуатационным характеристикам и техническим условиям описаны в ГОСТ 22245–90.

Этот вид производится методом окисления массы, получаемой после перегонки нефти. Применяется как вяжущее вещество при производстве асфальта для верхнего слоя дорог.

Вязкие битумы выпускаются следующих марок:

  • БНД: 200/300; 130/200; 90/130; 60/90; 40/60.
  • БН: 200/300; 130/200; 90/130; 60/90.

Жидкие

Технические условия и основные характеристики регламентирует ГОСТ 11955–82.

Жидкие битумы получаются в результате добавления растворителей к вязким компонентам и перемешивании их на специальных установках при помощи инертного газа. Применяются при дорожном строительстве, гидроизоляции оснований, а также других целях.

Жидкие битумы выпускаются следующих марок:

  • МГО: 40/70; 70/130; 130/200.
  • МГ: 40/70; 70/130; 130/200.
  • СГ: 40/70; 70/130; 130/200.

Строительные

Марки, технические требования и эксплуатационные показатели строительных битумов регламентирует ГОСТ 6617–76.

Строительные битумы – результат окисления остатков переработки сырой нефти. Также допускается использование метода компаундирования окисленных и неокисленных остатков с асфальтами и отходами масляного производства.

Строительные битумы производятся следующих марок БН: 50/50; 70/30; 90/10.

Кровельные

Марки, технические условия и основные характеристики кровельных битумов регламентирует ГОСТ 9548–74.

Кровельные битумы производятся таких марок БНК: 40/180; 45/190 – получают в результате окисления продуктов, оставшихся после атмосферно-вакуумной перегонки нефти. При дальнейшей переработке и окислении марки 45/190, получается битум БНК 90/30, который предназначается для покровного слоя кровли.

Изоляционные

Технические условия, основные эксплуатационные показатели и марки изоляционных битумов регламентирует ГОСТ 9812–74.

Изоляционные битумы производятся окислением продуктов, оставшихся после прямой перегонки, а также смесей остатков нефти с асфальтами и другими компонентами.

Производят следующие марки изоляционных битумов (БНИ): IV-З; IV; V.

Применение битума в строительстве

Битумы применяют во всех строительных отраслях:

  • Для защиты оснований от грунтовых вод, гидроизоляции перекрытий, оборудования плоских кровель.
  • Для изготовления асфальтобетона, который используется для строительства дорог.
  • При производстве кровельных и других гидроизоляционных материалов, мастик.
  • Защитной изоляции трубопроводов
  • Другие сферы применения.

Для использования по прямому назначению, битум чаще всего необходимо размягчить до пластичного (жидкого) состояния. Для этого применяют три способа:

  1. Нагревание до 130–170 ºC.
  2. Применение органического растворителя. Этот способ позволяет размягчить твёрдый продукт до нужной консистенции без нагрева. Применяется для получения мастик, которые можно наносить холодным методом.
  3. Эмульгирование битума для получения паст и эмульсий.

Технические характеристики битума

К разным битумам предъявляются различные требования по физико-химическим параметрам, описанные в действующих ГОСТах. Основными критериями, определяющими эксплуатационные характеристики и физико-химические свойства битумов, являются:

  1. Степень твёрдости или вязкости (пенетация). Определяется на специальном приборе – пенетрометре с иглой. Индекс пенетрации – глубина проникания иглы в исследуемый материал при температуре не более 25 ºC.
  2. Температура размягчения (пластичность) и хрупкость также определяется на специальном автоматическом аппарате. Суть метода – определение опытным путём температуры, при которой образец размягчается и теряет необходимую вязкость, а также при какой температуре теряет свою эластичность и становится хрупким.
  3. Дуктильность – это способность испытуемого образца растягиваться в нить при температуре 25 ºC. Определяется на специальном приборе – дуктилометре.

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), температура 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 битума.

Задачей технологии производства битумов является правильный выбор исходной нефти и процессов переработки.

Для производства окисленных дорожных битумов предложено классифицировать нефти по содержанию (%, мас. доля) в них асфальтенов (А), смол (С) и твердых парафинов (П). Нефть считается пригодной, если выполняется условие А+С больше, либо равно 0, при А+С меньше 6.

Предложена также классификационная зависимость, основанная на содержании (%, мас. доля) в нефти общей серы (S) и твердых парафинов, позволяющая не только судить о пригодности нефти для производства дорожных битумов окислением остатка перегонки, но и определить требования к остатку - к температуре (t) начала кипения по ИТК нефти.

Малосернистые высокопарафинистые нефти не соответствуют этим условиям, и поэтому никакие гудроны этих нефтей не могут дать качественных окисленных битумов. При П меньше 1 требования к глубине перегонки снижаются, и битумы могут быть получены даже из нефтей, практически не содержащих серы.

Вакуумную перегонку мазута используют доя получения остаточных битумов или гудрона с последующим окислением воздухом с целью производства окисленных битумов. В процессе деасфальтизации гудрона пропаном получают осажденные битумы, которые могут использоваться как товарный продукт, так и в качестве сырья для последующего окисления.

С углублением перегонки возрастает содержание в остатке асфальтенов и смол и уменьшается содержание масел. В процессе деасфатизации в асфальте-битуме концентрируются смолисто-асфальтеновые вещества. При этом в масляной части асфальта увеличивается доля ароматических структур. Процесс окисления характеризуется переходом легких ароматических соединений в тяжелые и далее - в смолы и асфальтены.

Увеличение отношения асфальтены: смолы в битуме и уменьшение доли ароматических соединений в масляной части битума приводит к повышению температуры размягчения, увелечению пенетрации при 0 °C и уменьшению дуктильности при 25 °C - для битумов с одинаковой пенетрацией при 25°C.