Битумы.Груповой состав битумов. Влияние состава на свойства битумов.

Битумы – сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (углеводород + кислород, сера, азот). Битумы растворимы в сероуглероде, хлороформе, бензоле и некоторых других органических веществах.

Природные битумы – густые жидкие или твердые вещества, могут быть в чистом виде, но в основном встречаются в виде асфальтеновых пород, т.е. битумных: песчаников, доломитов и известняков. Причиной образования битума являются процессы полимеризации и окисления нефти, удаление из нее легких и средних фракций, таким путем создаются слои земной коры, пропитанные битумом.

Состав битумов

1) Масла - наибольшая легкая часть битума, жидкие при обычной температуре соединений с плотностью меньше единицы, состав зависит от состава перерабатываемой нефти, содержание масел в битуме 40-40 %, малса определяют подвижность и текучесть битума. Масла - смесь нафтенов, полинафтенов, углеводородов метанового ряда, кислородные, сернистые и азотистые соединения в неактивных формах.

Твердая часть битумов - собирательный термин «асфальтены»- группа высокомолекулярных углеводородов из которых можно выделить: карбены (растворимы в ССl4 ) и карбоиды (не растворимы в ССl4 ).

2) Асфальтены –твердые вещества, плотность больше 1, содержание в битуме 10-25%, самые высокомолекулярные соединения в битуме. Хлороформ, сероугрерод – составляющие. Асфальтены определяют вязкость и температура-устойчивость битума.

3) Смолы – легкоплавкие, вязкопластичные вещества, при обычной температуре они могут быть твердыми или полутвердыми, плотность примерно равна 1, кол-во смол в битуме 20-40%. Растворяются в бензоле, эфире. Смола определяет пластичность и растяжимость битума.

4) Асфальтогеновые смолы и их ангидриды – это вещества смолистой или масляной консистенции, плотность больше 1, содержание в битуме примерно 1%. Определяют адгезию в битуме. (самая лучшая на Са-содержащих породах)

5) Парафины – это твердые вещества, в битуме до 3,5%, кол-во парафина определяется качеством нефти, чем больше парафина, тем ниже теплостойкость.

6) Карбены – высокомолекулярные вещества, содержащиеся в кренинг-битумах в кол-ве 1-2%, образуется при уплотнении асфальтенов тем больше, чем больше в битуме серы. Повышают вязкость и хрупкость битума.

7) Карбоиды – твердые вещества, аналогичны асфальтенам, не растворяются.

Химический состав битумов:

C - 84...87 %, N до 0,2 %,

H - 12...14 %, O до 10 %,

S - 0,01...7 %( загрязнитель нефти)

ГРУППОВОЙ СОСТАВ БИТУМОВ.

Перечень найденных в битумах углеводородов состоит из более 300 наименований. Выделить индивидуальные углеводороды из битумов весьма сложно. Поэтому для исследования структуры и свойств битумов пользуются, так называемым, групповым составом, т.е. выделяют отдельные группы углеводородов с более или менее сходными свойствами.

МАСЛА - смесь циклических углеводородов (в основном нафтенового ряда) светло-желтой окраски с плотностью менее 1 г/см3 и молекулярной массой 300...500, жидкие при обычной температуре. Содержание в битуме - 40..60 %. Масла определяют подвижность и текучесть битума.

СМОЛЫ - легкоплавкие вязкопластичные вещества твердые или полутвердые темно-коричневого цвета с плотностью около 1 г/см3 и молекулярной массой до 1000, состоят в основном из кислородных гетероциклических соединений нейтрального характера. Основным структурным элементом этих углеводородов являются конденсированные системы типа нафталина, которые также могут входить в состав гибридных структур, состоящих из трех и более циклов. Углеродный скелет молекул смол представляет собой полициклическую систему, состоящую преимущественно из ароматических колец высокой степени конденсации с алифатическими заместителями. Элементный состав смол отличается высоким соотношением содержания С и Н (С - 79-87 %; Н — 8,5-9,5 %). Кроме того, для смол характерно высокое содержание гетероатомов S, N и О, а также металлов.

Содержатся в битуме в количестве 20...40 %, определяют эластичность и растяжимость вяжущего.

АСФАЛЬТЕНЫ и их модификации (карбены и карбоиды) - твердые неплавкие вещества с плотностью более 1 г/см3 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, определяют процессы структурообразования. Общее содержание асфальтенов в различных битумах составляет 5...30% и более. При нагревании они разлагаются без плавления. При хранении на воздухе, особенно под действием солнечного света или других видов радиации, асфальтены переходят в нерастворимое состояние.

В асфальтенах содержится 80—88% углерода и 7,3— 9,4% водорода. Обычно в значительном количестве присутствуют гетероатомы: серы — до 9%, азота — до 1,5%, кислорода—до 9%.

Кроме того, в состав асфальтенов обычно входят металлы (Fe, V, Ni и др.), в виде порфириновых комплексов.

КАРБЕНЫ И КАРБОИДЫ - твердые вещества. Содержатся в основном в крекинг-битумах в количестве 1...2 %, повышают вязкость и хрупкость битума.

АСФАЛЬТОГЕНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ АНГИДРИДЫ - вещества коричневатого цвета смолистой консистенции с плотностью более 1 г/см3. Они относятся к группе полинафтеновых кислот и могут быть не только вязкими, но и твердыми. Содержатся в битуме в количестве 1 %, являются поверхностно-активной частью битума за счет присутствия в них большого количества гетероатомов, определяют интенсивность адгезии вяжущего к каменным материалам (заполнителям).

ПАРАФИН - твердое вещество, при содержании его более 3,5% снижается растяжимость, ухудшается структура и повышается температура затвердевания битума.

Малейшие изменения в исходном сырье и технологии его переработки ведут к изменению состава битума и его свойств.

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», «золь», «золь-гель» претерпевают изменения от типа «золь» до типа «гель». Структура гель — характерна для твердых битумов при температуре 2О ... 25°С и обусловливается обычно повышенным содержанием асфальтенов. Структура золь присуща битумам жидкой консистенции с повышенным содержанием смол и масел.