Качество дорожных битумов и, соответственно, эксплуатационная долговечность дорожных асфальтобетонных покрытий в значительной степени зависят от качества сырья для производства битумов. Могут быть использованы различные виды органического сырья (см. табл.).

Основные виды сырья для производства битумных вяжущих

Основные виды сырья для производства битумных вяжущих

В дорожном строительстве преобладающим является применение нефтяных битумов, получаемых путем переработки тяжелых остаточных фракций нефти.

Существующие тенденции в нефтепереработке и, в частности, все более глубокая переработка нефтяного сырья ставят задачу учета особенностей химического состава и структуры нефтяного сырья, используемого для производства дорожных битумов, и, соответственно, состава, структуры и физико-механических свойств получаемых дорожных битумов.

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, в том числе нафтеновых (СnH2n), ароматических (СnH2n-6) и метановых  (СnH2n+2) рядов, а также их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения метал­лов. Основная часть молекул битума включает 25–150 атомов С.

Состав битумов характеризуется элементным и групповым химическим составом.

Элементный состав битумов (% по массе): углерода – 80–85; водо­рода – 8–12,5; кислорода – 0,2–4; серы – 0,5–10; азота – 0,2–0,4. Содер­жание некоторых металлов в асфальтовых концентратах нефти (типа арланской) составляет (% по массе): V – 0,22; Ni; –0,115; Fe – 0,110; Са – 0,054 и т. д. Средняя молекулярная масса битумов не превышает 700–800  к.е.

Учитывая большое разнообразие индивидуальных химических соединений, входящих в состав битумов, для определения их химического состава  обычно используют данные об их групповом химическом составе.

Групповой химический состав битумов предусматривает подразделение всех разнообразных индивидуальных химических соединений, входящих в битум, на три основные группы: асфальтены, смолы и масла (мальтены).

Нефти по пригодности для производства битумов разделяют на три группы:

  1. Высокосмолистые малопарафинистые, смолистые малопарафинистые, высокосмолистые парафинистые. Состав таких нефтей соответствует условию А + С – 2,5П ≥ 8, где А – содержание асфальтенов, С – содержание смол, П – содержание парафинов.
  2. Смолистые парафинистые, малосмолистые малопарафинистые, состав которых отвечает условию А + С – 2,5П, находится в пределах от 0 до 8 при А + С более 6.
  3. Непригодые для производства битумов нефти трех типов: смолистые высокопарафинистые, малосмолистые парафинистые и малосмолистые высокопарафинистые, состав которых отвечает условию А + С – 2,5П, находится в пределах от 0 до 8 при А + С менее 6, а также если  А + С – 2,5П менее 0.

Для производства дорожных битумов наилучшим сырьем являются тяжелые смолистые  малопарафинистые нефти.

Требования к сырью для производства вязких дорожных битумов были сформулированы в утвержденных Минавтодором РСФСР в 1988 году Технических условиях ТУ 38 101583. В дополнение к указанным ТУ Гипродорнии было предложено  дополнительно ввести требования к таким важным показателям, как  однородность нефтяного сырья и отсутствие в нем вспенивающих компонентов.

Негативное влияние на качество нефтяного сырья оказывает  наличие в его составе асфальтов деасфальтизации, крекинг-остатков.

Главная цель формирования качественных характеристик сырья направлена на формирование из него наноструктурированного битума. Как известно, реакции окисления тяжелых нефтяных остатков  происходят с образованием мицельных наноагрегатов  асфальтенов, перерастающих в кластерные наноагрегатные структуры.  От того, как пойдет процесс взаимодействия нанокластеров между собой, от размеров кластеров асфальтенов и  скорости процесса  образования сетчатого каркаса кластеров наноагрегатов асфальтенов и зависят свойства получаемых битумных вяжущих.

Решающими факторами при выборе технологии являются  температура,  время и скорость реакции окисления.

Профессор Ф. Г.  Унгер  [2] указывал, что «размер и структура каждой коллоидной частицы зависят от равновесия энергий кинетического движения молекул и потенциала их парного взаимодействия. Условия технологического процесса образования, существования и разрушения надмолекулярных структур (ассоциативных комбинаций, мицелл, сложных структурных единиц, макромолекул) нефтяных дисперсных систем смолисто-асфальтеновых веществ предопределяют структуру и физико-химические свойства битумов.

Битумные системы являются термодинамически подвижными системами, в которых непрерывно осуществляются гемолитические переходы (диамагнитных молекул в парамагнитные и обратно) и  именно парамагнитные молекулы и гемолитические процессы вызывают переорганизацию надмолекулярных структур нефтяных дисперсных систем, т. е. определяют поведение системы в целом и условия образования структуры при изменении внешних условий технологического процесса.

Анализ многочисленных данных различных инструментальных методов исследований и сопоставление их указывают на то, что тяжелые углеродистые молекулы или отдельные атомы углерода соединяются в крупные структуры  типа ассоциатов, полимеров или кристаллических решеток за счет спинового возбуждения и спиновой поляризации через влияние растворителя и температуры».

Это позволило сделать вывод о возможности существования равновесной динамики коллоидного состояния таких сложных объектов, как битум, и сформулировать требования к параметрам технологического воздействия на нефтяные дисперсные системы с целью получения битумных вяжущих с заданными свойствами.

Основные способы производства вязких дорожных битумов следующие:

  1. Концентрирование нефтяных остаточных фракций путем перегонки их в вакууме в присутствии водяного пара (получение остаточных битумов).
  2. Окисление воздухом нефтяных остатков (мазутов, гудронов и пр.), позволяющее получать окисленные битумы.
  3. Смешение (компаундирование) жидких нефтяных остатков с вязкими остаточными или окисленными битумами, твердыми природными битумами (асфальтитами, гильсонитами).

В целях получения битумных вяжущих требуемого качества в их состав могут вводиться разного рода добавки, позволяющие получать модифицированные, комплексные и композиционные битумные вяжущие.

Известны многочисленные решения по введению в битум различных

модифицирующих компонентов,  в том числе  адгезионных  добавок,

полимеров, резиновой крошки, природных битумов, серы, а также структурирующих и стабилизирующих компонентов.

Модифицированные битумные вяжущие получают путем введения в битум специальных добавок (модификаторов), улучшающих те или иные свойства битума. К ним относятся битумы (или другие органические вяжущие), содержащие до 10 % (по массе) добавок модификатора.

В качестве модифицированных битумов широко известны разнообразные полимербитумные, резинобитумные вяжущие, битумы, модифицированные добавками поверхностно-активных веществ, природных битумов, а также продуктов нефтехимии, коксохимических и лесохимических производств.

Комплексные органические вяжущие (КОВ) – это вяжущие, состоящие из двух или более компонентов, в которых содержание основного компонента (нефтяного битума) менее 90 %  по массе. В качестве компонентов КОВ могут быть использованы природные битумы, тяжелые нефти, каменноугольные и сланцевые битумы, продукты нефтехимических, коксохимических и лесохимических производств. К числу КОВ относятся дегтебитумные и битумодегтевые вяжущие, сернобитумные, вяжущие, получаемые с использованием тяжелых нефтей и природных битумов, остатков от регенерации отработанных смазочных масел, а также композиционные вяжущие.

К композиционным вяжущим относятся КОВ, содержащие более трех компонентов, включая различные модифицирующие добавки, пластификаторы, структурирующие и стабилизирующие добавки (например, тонкодисперсные порошки и волокнистые наполнители).

Наиболее известным компонентом комплексных органических вяжущих из числа природных битуминозных материалов является тринидатский озерный асфальт, а также природные тугоплавкие битумы типа асфальтитов или гильсонитов.

Целью выбора качественного сырья для производства дорожных битумов и эффективной технологии их производства является обеспечение их соответствия требованиям действующего ГОСТ 22245-90 на битумы нефтяные дорожные вязкие, а также  требованиям обеспечения устойчивой адгезии к применяемым каменным материалам и величине интервала пластичности, соответствующей климатическим условиям района применения.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Руденская И. М., Руденский А. В.  Органические вяжущие для дорожного строительства. М.: Инфра-М, 2010.  С. 267.
2.  Унгер Ф. Г., Андреева Л. Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск: Наука, 1995. С.192.

А. В. Руденский,  д–р техн. наук, профессор