Природные битумы
Природные битумы(вязкие и жидкие) могут встречаться как в чистом виде, так и в «битуминозных» породах. Битуминозными или асфальтовыми породами называют горные породы (известняки или песчаники), пропитанные природными битумами. Они образовались в земной коре в результате длительных процессов окисления и полимеризации нефти, пропитавшей эти осадочные горные породы.
Вязкие природные битумыполучают путем извлечения их из известняков, доломитов или песчаников, пропитанных природными битумами.
Природные битумы по ряду показателей их свойств (высокой адгезии, погодоустойчивости) превосходят нефтяные. Применение природных битумов в строительстве ограничивается высокой стоимостью и относительно малым объемом их производства. Вязкие природные битумы используются главным образом в химической и лакокрасочной промышленности. При переработке асфальтовых горных пород могут быть получены асфальтовый порошок, асфальтовая мастика или асфальтовый бетон для холодной укладки. Асфальтовый порошок получают путем измельчения карбонатных пород, если содержание природного битума в них не превышает 2. 3% по массе. Он имеет широкое применение для изготовления асфальтовых бетонов и растворов. Асфальтовая мастика — продукт объединения асфальтового порошка с природным или нефтяным битумом.
К недостаткам как природных, так и нефтяных битумов следует отнести их повышенную хрупкость при отрицательных температурах.
В качествеприродных жидких битумовв строительстве используются тяжелые, высокосмолистые нефти.
Дегтями называют продукт сухой (без доступа воздуха) перегонки твердых топлив — каменного угля, древесины, торфа, горючих сланцев и других органических веществ. В зависимости от исходного сырья может быть получен каменноугольный, древесный, торфяной или сланцевый деготь. Для строительных целей наибольшее применение получили каменноугольные дегти.
Сырой каменноугольный деготь, получаемый в процессе коксования и газификации угля, представляет собой вязкую жидкость черного цвета с характерным запахом фенола, крезола и нафталина.
Для строительных целей и в промышленности строительных материалов применяются дегти отогнанные, получающиеся после отбора из сырых дегтей летучих веществ, или составленные, изготовляемые смешением горячего пека с антраценовым маслом или другими жидкими дегтевыми материалами. Наибольшее распространение имеют составленные дегти.
Составленные и отогнанные дегти характеризуются вязкостью (по стандартному вискозиметру) и фракционным составом. По сравнению с битумами дегти отличаются меньшей теплостойкостью и худшей погодоустойчивостью. Однако адгезия (прилипание) дегтей выше, чем у битумов, вследствие большего содержания полярных групп в молекулах масел дегтя.
Дорожные каменноугольные дегти и другие дегтевые материалы (пек, антраценовое масло) применяются для изготовления дегтебетонов, а также для производства дегтевых кровельных и гидроизоляционных материалов.
Сланцевые дегти получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. В настоящее время эти дегти в виде вязких и жидких. По химическому составу и свойствам сланцевые дегти приближаются к битумным материалам и поэтому им присвоен не совсем точный термин «сланцевые битумы». Сланцевые битумы в большей степени по сравнению с нефтяными изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчнвость таких битумов также меньше, чем у нефтяных. Сланцевые битумы используются обычно при тех же видах работ, как и нефтяные битумы.
Битумные и дегтевые эмульсии и пасты.
Битумные и дегтевые эмульсии представляют собой дисперсные системы, в которых вода является дисперсионной средой, а тонко диспергированный битум или деготь — дисперсной фазой. Образование и устойчивость эмульсий достигается путем введения в ее состав некоторых поверхностно-активных веществ — эмульгаторов, понижающих поверхностное натяжение на границе раздела фаз — битум или деготь/вода. В качестве эмульгаторов применяют водорастворимые органические вещества (мыла, соли нафтеновых и сульфонафтеновых кислот и др.) или твердые минеральные порошки (глины, известь, цементы, уголь). Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии не превышает 3% (твердых порошков — 5. 15%) в зависимости от тонкости диспергирования битума или дегтя. В настоящее время часто используют более экономичные эмульгаторы (талловое масло, жировой гудрон, стеарин и др.). При изготовлении дорожных эмульсий битум или деготь в количестве 50. 60% по массе диспергируют до размеров частиц от 0,001 до 0,1 мм.
Эмульсии, содержащие органические вяжущие материалы в большем количестве (60. 70%), называют высококонцентрированными. Они, а также эмульсии с твердыми эмульгаторами имеют значительную вязкость и называются пастами. Для получения текучего состояния пасты разбавляют водой на месте производства работ, что делает их при значительных перевозках экономичнее обычных эмульсий.
Битумные или дегтевые эмульсии и пасты применяются в дорожном строительстве при обработке дорожных покрытий во влажную погоду, окраске кровель, гидроизоляционных работах, изготовлении водостойких картонов и т, п.
При работе с битумными и особенно с дегтевыми материалами (пек, антраценовое масло и т. п.) необходимо проинструктировать рабочих и строго соблюдать правила техники безопасности и противопожарной техники. Погрузочно-разгрузочные работы дегтевых материалов желательно производить в прохладное время дня, избегая производства работ под лучами солнца. Антраценовое масло, например, при соприкосновении с кожными покровами человека может привести к ожогам, а пековая пыль, особенно в жаркую погоду, вызывает раздражение кожи и слизистых оболочек глаз.
При работе с пеком и антраценовым маслом следует снабдить рабочих специальной одеждой и следить за использованием ими предохранительных очков. Незащищенные части тела необходима предварительно смазывать специальными защитными пастами, содержащими крахмал, желатин, глицерин и другие компоненты.
Что такое битум и для чего он используется
Битум – многофункциональный материал, используемый в самых разных работах. Пропитанные этим веществом материалы абсолютно нечувствительны к действию воды, пара и сырости. Это свойство – самое востребованное среди характеристики битума.
История происхождения битума
Природный битум известен человечеству еще со времен неолита. В раскопках не раз находили копья, в которых наконечники крепились к основанию с помощью этого материала. Чуть позднее так скреплялись и другие инструменты. Битумная посуда предшествовала глиняной.
В более цивилизованную эпоху в Месопотамии битум использовался как клей при создании мозаики. Ареологии считают, что тогда же материал стали использовать для гидроизоляции. Месопотамия экспортировала его в другие страны.
Сегодня природный и искусственный битум используется очень широко. Он входит в состав асфальта и использовался в строительстве всех существующих дорог. Составы разного типа применяют для любых гидроизоляционных работ: при строительстве фундамента, возведении стен, настиле крыши. Твердые модификации материала используются в электротехнической и литейной промышленности.
Битум добывают из горных битумных пород. Его добыча составляет до 115 млн. тонн в год. Не меньший объем создает искусственный вариант, получаемый путем переработки нефти, сланцев, каменного угля.
Основные свойства и характеристики
Битум или горная смола – смесь углеводородов и их производных – азотистых, сернистых, металлосодержащих. Это твердая или очень вязкая смолоподобная субстанция. Совершенно нерастворимая в воде, но частично растворимая в бензоле, хлороформе и некоторых других растворителях.
Столь разнообразная смесь углеводов обеспечивает самые разные физические и химические свойства смеси. К наиболее интересным с точки зрения пользователя относят следующее.
- Плотность битума – колеблется от 0,95 до 1,50 г/см³ в зависимости от происхождения и вида.
- Теплопроводность характерна для аморфных веществ – 0,5–0,6 Вт/м*К. Теплоемкость составляет 1,8–1,97 кДж/кг•°С. Как теплоизоляционный материал он использоваться не может, однако в составе строительной конструкции способствует сохранению тепла.
- Одно из главных свойств состава – аморфность. Будучи твердым, он проявляет свойства жидкости. При нагревании он становится жидким, им можно смачивать и пропитывать твердые поверхности. При охлаждении отвердевает. Процесс сопровождается полимеризацией, поэтому смоченные им объекты склеиваются очень прочно.
- Температура плавления битума зависит от состава, колеблется от +160 до +200°С. Процесс происходит постепенно.
- Материал является диэлектриком и может применяться при обустройстве изоляции.
- Битум не взаимодействует с водой и не растворяется в ней. При застывании образует непроницаемый беспористый слой.
- Устойчив к большинству кислот, щелочей и солевых растворов, но не стоек к органическому растворителю, наподобие бензина, ацетона, бензола. Пропитка битумом придает бетонам, стальным трубам, железобетонным конструкциям устойчивость к химически агрессивной среде.
- Битуму свойственно такое явление, как старение. Под действием солнечного света и кислорода из воздуха материал постепенно изменяет состав. Содержание смол и масел уменьшается, падает гидрофобность и упругость.
8. Природные битумы
Природные битумы по составу и свойствам близки к нефтяным, в чистом виде встречаются редко. Гораздо чаще, встречаются битуминозные породы (асфальты): горные породы, пропитанные природным битумом.
Природный битум образовался в верхних слоях земной коры из нефти в результате медленного удаления из нее легких к средний фракций, а такж процессов полимеризации и окисления.
Месторождении природных битумов и аефальтов в зависимости от условий зглегищя разделяют на три группы:
1) пластовые (битуминозные известняки, доломиты, песчаники); и этих породах битум содержится в количестве от 5 до 20 % с температурой размягчения до 100 — 110°С;
2) жильные – битум содержит незначительное количество минеральных примесей, чаще асфальтиты с температурой размягчения выше 100°С;
3) поверхностные — месторождения образуются в результате выхода битумов на поверхность.
Групповой состав природных битумов, извлеченных из горных пород, характеризуется повышенным содержанием асфальтенов (40 — 70 %) н соответственно меньшим смол (20 — 30 %) и масел (10 — 30 %). В качестве дорожного жидкого битума применяются иногда тяжелые высокосмолистые нефти, удовлетворяющие требованиям на жидкие нефтяные битумы класса МГ.
Асфальтовые породы перерабатывали с целью извлечения чистого битума, применяемого главным образом в лакокрасочной промышленности, и получения асфальтовых материалов (асфальтового порошка, асфальтовой мастики или асфальтобетона), используемых в строительстве.
Извлечение битума из асфальтовых пород целесообразно лишь в том случае, когда содержание его составляет не менее 10 — 15 %. Основным и более экономичным методом является извлечение природного битума вываркой в воде; экстракция органическими растворителями применяется редко ввиду ее неэкономичности (неизбежная потеря растворителя).
Вываривание битума из битуминозной породы производится на месте добычи следующим образом. Асфальтовую породу измельчают до крупности зерен 6 — 8 мм и загружают в котел с водой, подкисленной соляной кислотой. Котел оборудован мешалкой. Воду в котле нагревают до кипения, при этом битум отделяется от породы и всплывает в виде пены. Всплывший битум переводят в отстой кики для отделения от воды и минеральных примесей. Если битум имеет недостаточную вязкость, его окисляют путем продувки перегретым паром или воздухом.
Структура природных битумов, их физико-химические и физико-механические свойства близки к свойствам нефтяных битумов. В большинстве природных битумов соединений, содержащих кислород и, в частности, асфальтогеновых кислот, больше, чем в нефтяных, поэтому они хорошо прилипают к каменным материалам Технические требования к природным битумам аналогичны требованиям к нефтяным битумам.
9. Сланцевые битумы
Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие. Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных газогенераторных или туннельных печах до температуры 550°С, при этом выделяются газ, низкотемпературная смола в количестве 15 — 20 % массы сланца и полукокс.
В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин — с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо — от 180 до 225°С, дизельное топливо — от 225 до 325° С, мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций — до 300 или 325 С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум. Сланцевые битумы делят на шесть марок: от С1 до С6. По составу и свойствам они несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах, как и в нефтяных, также определяют групповой состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше.
Наличие в сланцевых битумах большого количества кислородных и азотистых соединений, а также их способность растворяться в полярных растворителях (ацетоне и спирте) указывают на повышенное содержание в них полярных соединений.
Сланцевые битумы имеют высокую растяжимость при 25°С — более 100 см, поэтому она не нормируется. Сланцевые битумы в большей степени, чем нефтяные, изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчивость их также меньше нефтяных.
Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов. Сланцевые битумы хорошо совмещаются с нефтяными, что позволяет получать смешанные (компаундированные) битумы с требуемыми свойствами.
Природные битумы
Что такое нефтяной битум?
Природные битумы – это твердые или густые полужидкие углеводородные соединения, растворяющиеся в органических растворителях. Источником их образования является нефть. Превращение нефтей в битумы происходит при их окислении на месте выхода нефтяных пластов на дневную поверхность. Процесс сопровождается потерей легких фракций, растворенного газа. В мире известны крупные месторождения нефтяных битумов. В Восточно-Венесуэльском поясе содержится 636 млн.т. тяжелой нефти. В Канаде известно месторождение Атабаска, в котором содержится 48 млрд.т. тяжелой нефти и битума.
В классе нефтяных битумов различают четыре подкласса
- Битумы, являющиеся продуктами изменения нафтеновых нефтей. К ним относятся мальты, асфальты, асфальтиты и кериты. Мальты – это густовязкие черные нефти, обогащённые природой кислородом и серой. Плотность около 1 г/см 3 . Асфальты – твердые аморфные вещества черного, буровато-черного цвета. Плотность 1,07-1,09 г/см 3 . Плавятся при температуре 90-100ºС. Полностью растворяются в бензине. Асфальтиты – твердые хрупкие битумы, имеют более высокую плотность. Кериты – нефтяные угли, продукты высокого метаморфизма нефти, по внешнему виду похожи на каменный уголь. Отличаются почти полной нерастворимостью в органических растворителях и неплавкостью.
- Битумы, образующиеся в результате гипергенного изменения мальт и асфальтов. К ним относятся оксикериты и гуминокериты. Они практически не растворяются в органических растворителях.
- Битумы, образующиеся при изменении метановых нефтей. Это битумы парафинового ряда, твердые и полужидкие вещества, состоящие из высших алкановых углеводородов (парафинов) с примесью масел и асфальтовых компонентов. К ним относятся озокериты («горный воск») – воскообразные вещества с ароматическим и нефтяным запахом.
- Битумы, образующиеся при выветривании озокеритов.
- Дисперсные битумы. Кроме проявлений и месторождений битумов, нефтегазовая геология изучает рассеянные (дисперсные) битумы в осадочных горных породах. Они образовались из рассеянного органического вещества (РОВ), захороненного при осадконакоплении вместе с илами. Рассеянный битум извлекается из измельченной породы органическими растворителями и кислотной обработкой. Для его обозначения применяется термин «битумоид». Состав битумоида зависит от типа растворителя, применяемого для его извлечения. В практике в качестве растворителя часто применяется хлороформ. Экстракт, получаемый при этом, называется хлороформенным битумоидом.
Битум в нефтегазоносных бассейнах
В нефтегазоносных бассейнах встречаются слои и пачки сильно битуминозных глин, содержание дисперсного битума в которых составляет несколько процентов по весу. Вдоль южного побережья Финского залива известны силурийские битуминозные (горючие) сланцы. В Волго-Уральской провинции известны силурийские битуминозные мергели доминиковской свиты девона, а в Западно-Сибирской провинции – битуминозные глины баженовской свиты позднеюрского возраста.
Битум и асфальт могут быть переработаны в нефть. В мире известны крупные месторождения асфальта. Например, крупнейшее месторождение асфальта Атабаска в Канаде может дать 40 млрд. тонн нефти.