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.).

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 (С_nH_2n), ароматических (С_nH_2n-6) и метановых  (С_nH_2n+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