БИТУМНЫЕ И ДЕГТЕВЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И БЕТОНЫ (РАСТВОРЫ) НА ИХ ОСНОВЕ

Общие сведения

Битумы применялись в качестве строительного материала еще в 1лубокой древности в качестве вяжущего и водоизолирующего

материала.

К битумным материалам относятся следующие.

Природные битумы - вязкие жидкости или твердообразные ве­щества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических про­изводных. Природные битумы получились в результате естествен­ного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтные озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы.

Асфальтовые породы - пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка.

Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глу­бокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинго­вые, получаемые переработкой остатков, образующихся при кре­кинге нефти.

Гудрон - остаток после отгонки из мазута масляных фракций;

он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строитель­стве.

К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пе­ки, получаемые в результате сухой перегонки каменного угля, древесины и др..

Все эти материалы относятся к органическим вяжущим ве­ществам. Наиболее широкое применение они получили в промышленно-гражданском, гидротехническом, дорожном строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных и уплотняющих материалов - асфальтобетона, асфальтораствора. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответ­ствии с требованиями современного строительства.

Битумные вяжущие вещества

Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам.

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углеро­да 70-80%, водорода 10-15%, серы 2-9%, кислорода 1-5%, азота 0-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав би­тумов весьма сложен. Так, в них могут находиться смеси угле­водородов метанового и нафтенового рядов и их кислородных, сер­нистых и азотистых производных. Все многообразие соединений,

образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума - это высокомолекулярные углеводоро­ды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плот­ностью более 1, объединенные общим названием "асфальтены". В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СС4 и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды-пара-

Смолы представляют собой аморфные вещества темно-ко­ричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью

Масляные фракции битумов состоят из различных углево­дородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1.

По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18-20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности - от тяжелых смол к

Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соот­ношением входящих в него составных частей: масел, смол и ас-фальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хруп­кости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

Групповые углеводорода входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя сложную дисперсную систе­му, предопределяют их струк­туру и свойства. Если в дисперсной системе имеется избыток дисперсной среды, то комплексные час­тицы - мицеллы не контактируют между собой свободно перемещаясь. Эта структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре и для вязких битумов при повышенных температурах. При большом коли­честве мицелл они контактируют между собой, образуя мицел-дярную пространственную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью при высокой температуре.

Состав определил практические способы перевода твердых би­тумов в рабочее состояние: нагревание до 140-170°С, размягча­ющее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; раство­рение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т.п.); эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

Термин «битум» принято использовать в следующих значениях:

1. генетическом – под понятие «природный битум» подпадают такие полезные ископаемые органического происхождения, как: газ, нефть, горный деготь, смолы, мальта, горный воск, озокерит, асфальт и т.п.;
2. аналитическом — под битумом понимают вещества, которые извлекают из горных пород с использованием органических растворителей;
3. техническом – вещества природного и искусственного происхождения, используемые для покрытия дорог, устройства , приготовления мастик, лаков, праймеров и т.д.

Битум может быть как природным, так и иметь искусственное происхождение. Нефтяной битум получают на нефтеперерабатывающих заводах из нефти, которую подвергают фракционной перегонке. В результате получают светлые продукты (бензин, лигроин, керосин), смазочные масла и др. виды нефтепродуктов. Нефтяные остатки (после отбора более легких по массе фракций) используют в качестве сырья для производства нефтяных битумов. При атмосферно-вакуумной перегонки нефти получают остаточные битумы, при окислении нефтяных остатков — окисленные, при смешении остатков, образующихся при перегонке нефти, — компаундированные.

Материал имеет углеводородную основу и состоит из углерода (70-98%), водорода (1-14%), кислорода (0,3-10%), серы (0,2-10%), азота (0,1-3%). Важнейшие его свойства – способность растворяться в органических растворителях (бензин, бензол, ацетон, хлороформ), способность гореть, а также высокая адгезия (способность прилипать к различным поверхностям). В зависимости от состава и назначения битум нефтяной относят к одной трех классификационных групп:

1. жидкие – в дальнейшем подразделяются на разжиженные и остаточные;
2. вязкие;
3. твердые – в дальнейшем подразделяются на пластичные и хрупкие.

Области применения

Области назначения нефтяных битумов весьма обширны:

• дорожное строительство;
• кровельная промышленность;
• изоляция и гидроизоляция;
• кабельная промышленность
• резиновая и шинная промышленность;
• аккумуляторы;
• лаки и краски;
• металлургия;
• углебрикетное производство;
• нефтедобывающая промышленность.

Применение в индивидуальном строительстве

Битум — самый распространенный материал для гидроизоляции в индивидуальном строительстве. Свою популярность, в том числе и при строительстве своими руками, этот гидроизоляционный материал получил благодаря относительной простоте применения и низкой стоимости. При строительстве погребов и подвалов его используют для устройства оклеечной гидроизоляции и склейки полотнищ гидроизоляционных материалов.

Какие марки битумов бывают?

Использование марок битума для конкретных областей применения регламентируется соответствующими ГОСТами. Ниже дано описание основных марок:

1. Битум нефтяной дорожный вязкий регламентируется ГОСТом 22245-90, в соответствии с которым предусмотрены следующие марки битума нефтяного дорожного (цифры дроби в марке отражают допустимые для данной марки пределы изменения показателей пенетрации при 25°С):

Показатель	Нормативное значение, в зависимости от марки
	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 проникания иглы (0,1 мм):
При 25 °С	201-300	131-200	91-130	61-90	40-60	201-300	131-200	91-130	60-90
При 0 °С , не менее
Температура размягчения по кольцу и шару (°С), не ниже
Растяжимость (см ), не менее:
При 25 °С
При 0°С
Изменение температуры размягчения после прогрева (°С), не более
Индекс пенетрации	от -1,0 до +1,0					O т -1,5 до +1,0

Чтобы выбрать марку дорожного битума, нужно воспользоваться данными таблицы:

Дорожно-климатическая зона	Среднемесячные температуры наиболее холодного времени года (°С)	Марка битума дорожного
	Не выше -20	БНД 90/130,БНД 130/200,БНД 200/300
II и III	От-10 до-20	БНД 60/90,БНД 90/130, БНД 130/200,БНД 200/300
II,III,IV	От-5 до -10	БНД 40/бО,Б НД 60/90, БНД 90/130,БНД 130/200, БН 90/130,БН 130/200, БН 200/300
IV-V	Не ниже +5	БНД 40/60,БНД 60/90, БНД 90/130,БН 60/90, БН 90/130

2. Нефтяные битумы (БН), используемые для строительных работ , регламентируются ГОСТом 6617-76, в соответствии с которым установлены три марки битумов нефтяных строительных — БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10 (цифры в числителе дроби показывают температуру размягчения по «К и Ш» (кольцо и шар), а в знаменателе - указывают среднее значение пределов изменения пенетрации при 25°С):

Наименование	Норма для марки
	БН 50/50	БН 70/30	БН 90/10
	41-60	21-40	5-20
	50-60	70-80	90-105
Растяжимость (при 25 °С), не менее
Растворимость (%), не менее	99,50	99,50	99,50
Изменение массы после прогрева (%), не более	0,50	0,50	0,50
Температура вспышки (°С), не ниже
Массовая доля	Следы

БН 50/50:

БН 70/30:

• температура размягчения: 70-72 0 С;
• свойства: хороша адгезия, разбивается без осколков на крупные куски; наиболее пригоден для устройства гидроизоляционных покрытий.

БН 90/10:

• температура размягчения: около 90 0 С;
• свойства: высокая адгезия, малочувствителен к высокой температуре, разбивается молотком и образует осколки с блестящей поверхностью.

С течением времени материал теряет часть входящих в него масляных фракций, в результате чего становиться жестким, хрупким. При низких температурах также происходит потеря его эластичности, материал приобретает жесткость и ломкость.

3. Битумы нефтяные кровельные (БНК) , регламентируются ГОСТом 9548-74, в соответствии с которым установлены три марки кровельных битумов — БНК-40/180 (битум для пропитки), БНК-45/190 (битум для пропитки и получения покровного битума), БНК-90/30 (материал, для покровного слоя), в числителе дроби в марке указано среднее значение показателей температуры размягчения по «К и Ш», а в знаменателе - среднее значение показателей пенетрации при 25°С:

Наименование	Норма для марки
	БНК-40/180	БНК-45/190	БНК-90/30
Глубина проникания иглы (при 25 °С), 0,1 мм	160-210	160-220	25-35
Температура размягчения по кольцу и шару (°С)	37-44	40-50	80-95
Температура хрупкости (°С), не выше
Растворимость в толуоле или хлороформе (%), не менее	99,50	99,50	99,50
Изменение массы после прогрева, (%), не более	0,80	0,80	0,50
Глубина проникания иглы при 25 °С в остатке после прогрева (% от первоначальной величины), не менее
Температура вспышки (°С) не ниже
Массовая доля воды, не более	Следы
Массовая доля парафина (%), не более		5, 0
Индекс пенетрации		От 1,0 до 2,5

Как работать с битумом

Строительные и кровельные битумы традиционно широко применяются в строительстве для производства гидроизоляционных и кровельных работ. Битум разогревают в котле или битумоварке до текучего состояния и в жидком виде наносят на обеспыленное основание шпателем, кистью либо разливают и выравнивают специальными гребками (раклями).

Битум остывает очень быстро, поэтому разогрев материала производят после подготовки основания к нанесению битума.

Разогрев битума

производят в варочном котле из толстого металла с плотно закрывающейся крышкой, Толщина стенок котла должна быть не менее 4 мм, так как в тонкостенных емкостях материал будет быстро подгорать. Перед разогревом битум очищают от упаковки и раскалывают на небольшие куски, лучше делать это утром пока материал не размяк. Полученные куски укладывают в битумоварку (котел), заполняя на 2/3 объема.

Нагрев производят на малом огне, чтобы обеспечить постепенный и равномерный прогрев. Битум расплавляют до получения однородной массы, а при появлении на его поверхности посторонних примесей, удаляют их металлическим ситом (например, жестяной банкой с пробитыми в ней гвоздем отверстиями) на длинной палке. При разогревании материал шипит и пенится, так как выпаривается лишняя жидкость.

Температура нагревания — от 160 до 200 °С. При температуре 160-170 °С материал можно разогревать в течение 3 часов, а при большей температуре — не долее 1 часа. Для контроля температуры разогретого материала используют термометр со шкалой делений более 200 0 С.

При температуре свыше 220 °С свойства материала ухудшаются, так как в нем образуется кокс. Появление зелено-желтого дыма и пузырей – явный признак перегрева (происходит процесс коксования).

При нагревании до 240 °С и более материал может легко воспламениться. В этом случае нужно немедленно закрыть крышку котла (накрыть котел листом металла), чтобы потушить огонь. Такой битум при затвердевании будет хрупким и быстро потрескается, поэтому использовать его уже нельзя.

Битум разогревают до тех пор, пока масса не станет однородной, а ее поверхность – глянцевой, при этом от неё поднимается густой серый дым.

Расход для гидроизоляции:

Битум, разогретый до жидкого состояния, наносят слоем толщиной 1,5 — 2,5 мм.
Расход составляет 1,0 — 1,5 кг на кв.м.

Техника безопасности

При работе с горячим битумом необходимо проявлять большую осторожность во избежание ожогов. Для предотвращения несчастных случаев, необходимо помнить следующие требования техники безопасности:

• битумы – вещества горючие с температурой вспышки 220-300 0 С;
• минимальная температура самовоспламенения строительных нефтяных битумов — 368 0 С;
• котел для разогрева (варки) битума устанавливают на выровненной свободной площадке;
• при огневом подогреве котла необходимо следить, чтобы жидкий битум не попал в огонь. Для этого котел устанавливают с небольшим уклоном в сторону, противоположную топке;
• в непосредственной близости от котла располагают ящик с , лопаты и огнетушитель;
• при загорании небольшого количества битума, его тушат песком, пенным огнетушителем, кошмой. Приразвитии пожара разлитого на большой площади продукта, огонь тушат пенной струей;
• в процессе варки битумных мастик соблюдают правила смешивания битумов разных марок: после закладки в котел, расплавления битума БН-Ш и прекращения образования пены можно добавлять битумы более высоких марок;
• сухие куски битума опускают в варочный котел по борту котла, чтобы избежать брызг;
• необходимо следить, чтобы в варочный котел не попадала вода, снег или лед;
• в расплавленный битум нельзя добавлять битум третьей марки. Это может привести к большому пенообразованию, в результате чего содержимое котла выплеснется;
• котел нельзя загружать более чем на две трети его объема;
• при работе с горячим битумом и битумными мастиками необходимо надевать брезентовые рукавицы и костюмы, а также очки и кожаные ботинки.

Битум нефтяной строительный незаменим при устройстве гидроизоляции построенных своими руками погребов и подвалов. При покупке материала помните, что гарантийный срок хранения составляет один год с момента его производства.

Битум - это продукт переработки нефти и составная часть полезных ископаемых. В его состав входят углероды, кислородные, азотистые, серные и металлосодержащие производные. Существует несколько разновидностей этого материала, отличающихся по свойствам, составу и применению.

Разновидности

Битумы классифицируются по нескольким признакам. Первый критерий - происхождение и состав.

1. Природные битумы получают при добыче нефтяных полезных ископаемых. Их основной состав - углеводороды и производные, которые получаются при активном окислении нефтяных веществ в недрах земли. Природный углеводород может быть твердым или вязким. В привычном виде вещество получают на производстве, отделяя нужные фракции.
2. Битумы для укладки асфальта получают при добыче пористых полезных ископаемых, залегаемых глубоко в недрах земной коры. Породу измельчают вместе с углеводородным веществом, получается материал для дорожных работ.
3. Строительный битум - это синтетический продукт, получаемый из нефти промышленным путём. Материал используют для гидроизоляции конструкций и производства кровельных рулонных материалов и мягкой черепицы. Синтетический углеводород твердой структуры, для применения его растапливают до жидкого состояния, после чего он снова фиксирует свою форму уже на рабочей поверхности.

Состав

В строительных битумах, которые используют для гидроизоляции и изготовления кровельных материалов, состав приблизительно одинаковый. Его составляют:

• Углерод - около 80%;
• Водород - приблизительно 15%;
• Сера - 2…9%;
• Кислород - до 5%;
• Азот - до 2%.

Основные фракции внутри материала:

1. Твердая часть - асфальтены - высокомолекулярные углеводороды, их дополняют парафины.
2. Смолы тёмно-коричневого окраса, придающие битуму насыщенный цвет.
3. Консистенцию в расплавленном состоянии обеспечивают масляные фракции углеводородов.

Разное сочетание компонентов определяет разные характеристики, например, плотность битума кг/м3 может быть от 100 до 1400, в зависимости от марки.

Маркировка

Большое разнообразие битумов привело к необходимости к разделению материала на группы. Так появилась маркировка строительного вещества. Она включает в себя происхождение и назначение материала, температуру его нагрева и пенетрации. Рассмотрим пример БНК 90/30:

• БНК - битум нефтяной кровельный;
• 90 - оптимальная температура нагрева твердого вещества для плавления;
• 30 - величина пенетрации, то есть размер проникновения иглы пенетрометра в битум при 25°С в мм.

Битум нефтяной общего назначения

Марки битума строительного, который используют для гидроизоляции конструкций обмазочным методом - БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Стоит отметить: чем выше числитель дроби-обозначения, то есть температура размягчения, тем ниже пенетрация.

Подвид строительного битума - изоляционный: БНИ-IV-3, БНИ-IV. Таким обрабатывают подземные трубопроводы для защиты их от коррозии.

Удельный вес битума - 0,95…1,50 г/см3.

Битум кровельный

Рулонные материалы (рубероид, рубемаст, еврорубероид и другие), мягкая черепица шинглас изготавливают из кровельного битума марок:

• БНК 90/30 используют для покрытия кровли, организации финишного слоя;
• БНК 40/180 подходит для пропитывания поверхностей с целью гидроизоляции;
• БНК 45/190 служит материалом для изготовления кровельных материалов.

Температура плавления битума у кровельной разновидности материала небольшая, она не обязательно пропорциональна твердости покрова. Для данного типа важна пластичность листа, которую обеспечит полотно именно с мягкой текстурой.

Дорожный битум

В группу дорожных битумов входят несколько разновидностей материала по марке. Основное их отличие - климатическая зона, ведь дороги - это ответственные коммуникации. Рассматривая регионы, определяют максимальные и минимальные температуры:

• Для регионов с низкими температурами, зимой редко поднимающимися выше -20°С выбирают битумы марок БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300.
• Для умеренной зимы -20…-10°С подходят марки БНД 60/90 и ранее перечисленные 90/130, 130/200, 200/300.
• На местности с температурами зимой в пределах -10…-5°С дорожное полотно укладывают с применением битума БНД 40/60, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300.
• Для теплых регионов со средней температурой зимой +5°С применяют углеводороды марок БНД 40/60, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300 и ранее перечисленные.

Технология приготовления и нанесения

С рулонными материалами из битума для кровли и гидроизоляции всё просто - их раскатывают по конструкциям или по кровле и фиксируют наплавлением или приклеиванием на расплавленный битум. Последний, в свою очередь, может применяться как самостоятельный компонент в строительстве. Для этих целей его нужно правильно подготовить.

Существует 2 формы продажи битума:

• Твёрдая;
• Готовая жидкая.

Готовые мастики размешивают и наносят на поверхность кистью. Стоят такие растворы дороже твердого битума, а в качестве практически не уступают, но и не выигрывают, кроме удобства.

Чем растворить битум, если он загустел? Подойдут керосин, бензин и уайт-спирит. Их добавляют в небольшом количестве, дожидаются реакции с мастикой и тщательно размешивают. Этими же веществами можно вывести битумное пятно с поверхности пола, автомобиля или ткани.

Чтобы растворить твердый битум, понадобится газовая горелка и толстостенный котел с крышкой. Материал крошат на кусочки небольшого размера и заполняют ими емкость на 2/3. Нагревают котел до заданной в марке температуры, возможно превышение на 10-15°С. При этом, следует следить и за температурой, и за временем: градусов горелки может быть больше, тогда раствор расплавится быстрее, но перегрева допускать нельзя - качество углеводорода будет падать. Температура кипения битума у разных марок своя, самой высокой считается +200°С.

Во время нагрева всплывающие твердые частицы следует вылавливать и утилизировать.

Нагретый раствор наносят на поверхности широкой кистью и валиками. Следует соблюдать технику безопасности при работе с горячим материалом, использовать индивидуальные средства защиты.

Средний расход битума на 1 м2 гидроизоляции при слое 1,5…2,5 мм составляет 1…1,5 кг.

Битумы применялись в качестве строительного материала еще в глубокой древности. За 3000 лет до нашей эры в Вавилоне и Ассирии, расположенных в междуречье Тигра и Евфрата, природный битум использовали в качестве цементирующего и водоизолирующего материала. Органические вяжущие вещества делят на две основные группы: битумные и дегтевые. К битумным материалам относятся следующие: Природные битумы - вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводов и их неметаллических производных. Природные битумы получились в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти. Природные битумы встречаются в местах нефтяных месторождений, образуя линзы, а иногда и асфальтовые озера. Однако природные битумы в чистом виде встречаются редко, чаще они пронизывают осадочные горные породы. Асфальтовые породы - пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Из этих пород извлекают битум или их размалывают и применяют в виде асфальтового порошка. Нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти. Гудрон - остаток после отгонки из мазута масляных фракций; он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве. К дегтевым материалам относят различные виды дегтя и пеки. Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства. Возникла новая отрасль, производящая гидроизоляционные материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья. Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов осуществляется на полностью механизированных поточных линиях непрерывного действия.

Состав и строение битумов

Битумы относятся к наиболее распространенным органическим вяжущим веществам. Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70 - 80%, водорода 10 - 15%, серы 2 - 9%, кислорода 1 - 5%, азота 0 - 2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С9Н20 до С30Н62. Все многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла. Твердая часть битума - это высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой 1000-5000, плотностью более 1, объединенные общим названием асфальтены”. В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl4, и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды - парафины. Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1. Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1. По своему строению битум представляет коллоидную систему, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионной средой являются смолы и масла. Асфальтены битума, диспергированные в виде частиц размером 18-20 мкм, являются ядрами, каждое из них окружено оболочкой убывающей плотности - от тяжелых смол к маслам. Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума. Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при пониженных температурах. Поэтому стремятся к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%. Состав определил практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: 1) нагревание до 140-170°С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах; 2) растворение битума в органическом растворителе (зеленое нефтяное масло, лакойль и др.) для придания рабочей консистенции без нагрева (холодные мастики и т. п.); 3) эмульгирование и получение битумных эмульсий и паст.

Свойства битумов

Физические свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны; Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве. Плотность битумов в зависимости от группового состава колеблется в пределах от 0,8 до 1,3 г/см3. Теплопроводность характерна для аморфных веществ и составляет 0,5-0,6 Вт/(м °С); теплоемкость - 1,8-1,97 кДж/кг °С. Коэффициент объемного теплового расширения при 25°С находится в пределах от 5 10-4 до 8 10-4°С1, причем более вязкие битумы имеют больший коэффициент расширения; при пониженных температурах - около 2 104°С-1. Устойчивость при нагревании характеризуется: 1) потерей массы при нагревании пробы битума при 160°С в течение 5 ч (не более 1%) и 2) температурой вспышки (230-240°С - в зависимости от марки). Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2-0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей. Физико-химические свойства. Поверхностное натяжение битумов при температуре 20-25°С составляет 25-35 эрг/см2. От содержания поверхностно-активных полярных компонентов в органическом вяжущем зависит смачивающая способность вяжущего и его сцепление с каменными материалами (порошкообразными наполнителями, мелким и крупным заполнителем). Прочные хемосорбционные связи битум образует с наполнителем из известняка, доломита с большим количеством адсорбционных центров в виде катионов Са3+ и Ме+2. Старение - процесс медленного изменения состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением гидрофобности. Ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых веществ и масел. Реологические свойства битума зависят от группового состава и строения. Жидкие битумы, имеющие структуру типа золь, ведут себя как жидкости, течение которых подчиняется закону Ньютона. Твердые битумы, имеющие структуру типа гель, относятся к вязко-упругим материалам, так как при приложении к ним нагрузки одновременно возникает упругая (обратимая) и пластическая (необратимая) составляющие деформации. Для описания процесса деформирования вязко-упругих тел используют реологическую модель Максвелла и др. Химические свойства. Наиболее важным свойством является химическая стойкость битумов и битумных материалов к действию агрессивных веществ, вызывающих коррозию цементных бетонов, металлов и других строительных материалов. По данным Н. А. Мощанского, битумные материалы хорошо сопротивляются действию щелочей (с концентрацией до 45%), фосфорной кислоты (до 85%), а также серной (с концентрацией до 50%), соляной (до 25%) и уксусной (до 10%) кислот. Менее стойки битумы в атмосфере, содержащей окислы азота, а также при действии концентрированных растворов кислот (особенно окисляющих). Битум растворяется в органических растворителях. Благодаря своей химической стойкости и экономичности битумные материалы широко применяют для химической защиты железобетонных конструкций, стальных труб и др. Физико-механические свойства. Марку битума определяют твердостью, температурой размягчения и растяжимостью. Твердость находят по глубине проникания в битум иглы (в десятых долях миллиметра). Температуру размягчения определяют на приборе “кольцо и шар”, помещаемом в сосуд с водой; она соответствует той температуре нагреваемой воды, при которой металлический шарик под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное испытуемым битумом. Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума (“восьмерки”) при температуре 25°С, определяемым на приборе - дуктилометре. Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают битумы строительные, кровельные и дорожные. Строительные битумы применяют для изготовления асфальтобетона и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель. Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов. Легкоплавким битумом марки БНК 45/180 пропитывают основу (кровельный картон); а тугоплавкие битумы служат для покровного слоя.

Гумино-кериты, антраксолиты и др.) и их аналоги ().

Битумы природные применялись на Ближнем Востоке в 3-м тысячелетии до н. э. в качестве связующего строительного материала и для бальзамирования (Древний Египет). В дальнейшем битумы природные эпизодически использовались во многих странах для строительства, в медицине, военном деле, в качестве лаков и др. В 15 веке в инками строились дороги с покрытием из битумов природных. В конце 18 века была предпринята попытка коммерческой разработки битумов природных. Атабаски (Канада). В середине 19 века построены первые асфальтовые тротуары в Париже и Лондоне из битумов природных месторождения в Сеселе (), в 1870-80 — в ряде городов из асфальтов Тринидадского и Бермудского месторождений. В начале 20 века битумов природных интенсивно разрабатывают в США, Тринидаде, Франции, . В СССР асфальтовые битумы добывались в 30-50-х годов в Поволжье (Первомайское, Шугуровское, Садкинское и другие месторождения), Западном Казахстане (Мунайлы-Мола, Ак-Чий и др.), Грузии (Натанебское), Коми АССР (Ижемское) и других районах, озокериты — в Прикарпатье (Бориславское, Дзвинячское и др.) и Средней Азии (Шор-Су и др.). К началу 80-х годов эксплуатируются только Садкинское и Бориславское месторождения. Перспективы значительного расширения объёмов добычи битумов природных связаны с освоением и совершенствованием процесса промышленного получения из них нефти (см. ).

Битумы природные состоят из высокомолекулярных углеводородов и гетероатомных (кислородных, сернистых, азотистых, металлсодержащих) соединений. Физико-химические свойства битумов природных: консистенция — от вязкожидких (мальты) до рыхлых (гуминокериты); плотность соответственно от 965 до 1500 кг/м 3 ; температура размягчения от 35°С (мальты) до неплавких (кериты, антраксолиты, гуминокериты); растворимость в хлороформе от 100% (мальты, асфальты) до нерастворимых (антраксолиты). Классификационные границы для растворимых битумов природных определяют по содержанию масел: мальты 65-40%, асфальты 40-25%, асфальтиты 25-5%; для нерастворимых битумов — по параметрам элементного состава и оптическим данным. Для некоторых разностей асфальтовых битумов природных характерна обобщённость серой 10-15% и более (тиокериты, кискеиты), а также металлами (V, Ni, U, Со, Mo, Rb, Ge и др.). Известны промышленные ванадиево-битумные месторождения (например, в Перу с содержанием в золе V 2 О 5 до 65% и NiO — 7,5%), уран-битумные месторождения (на плато Колорадо, США) и др. Для ряда месторождений характерно наличие залежей с различными по составу битумов природных (например, озокеритов и мальт, асфальтов и керитов и др.).

Элементный состав (С, Н, О, S, N) определяется полумикро- и макрометодом, сжиганием; металлы в битумах устанавливаются методами колориметрирования, спектроскопии, нейтронно-активационным и др., групповой состав — методами восходящей хроматографии и др. Изучение нерастворимых и неплавких разностей твёрдых битумов природных осуществляется инфракрасной спектроскопией (диагностика химической структуры вещества) и методами углепетрографических исследований (определение отражательной способности и показателя преломления). Для некоторых областей использования битумов природных (например, в дорожном строительстве) определяются пенетрация, температура плавления, растяжимость, и др.

Битумы природные формируются в результате процессов: а) биохимических и химического окисления нефтей в зоне гипергенеза с образованием ряда асфальтовых битумов природных (мальта асфальт асфальтит оксикерит гуминокерит); б) концентрирования асфальтово-смолистых веществ за счёт нарушения равновесного состояния в коллоидной системе нефти с возникновением асфальтов, асфальтитов, реже мальт; в) природной деасфальтизации нефтей в залежах газом или лёгкими метановыми углеводородами с формированием твёрдых битумов природных — асфальтенитов (от асфальта до керитов); г) термального метаморфизма (контактового или гидротермального) смолистых нефтей и асфальтовых битумов природных с образованием керитов, антраксолитов, нефтяного кокса; д) дифференциации высоко-парафинистых нефтей при миграции с возникновением озокеритов; е) деструкции органического вещества в условиях контактового и динамометаморфизма с формированием битумов (нафтоидов) асфальтового и парафинового ряда, характеризующихся свойствами нефтяных битумов.

Основные запасы асфальтовых битумов природных (преимущественно мальт) приурочены к , где они контролируются зонами и несогласного срезания региональных нефтегазоносных комплексов осадочных бассейнов. Месторождения располагаются на внешних бортах мезозой-кайнозойских , примыкающих к и сводам древних платформ и находящихся в зоне действия активной инфильтрации. Крупнейшие из них (запасы в млрд. т) локализованы на склонах Канадского, Гвианского и других щитов, Оленёкского свода, где наряду с отдельными месторождениями прослежены зоны и пояса (Канадский, Оринокский) битумо-накопления. Месторождения подобного типа образовались в эпохи интенсивных поднятий краевых , когда создавались условия для восходящей латеральной из сопредельных прогибов и окисления её сульфатами и кислородом инфильтрационных вод. Величина потерь исходных запасов нефти за счёт битумо-образования в таких бассейнах превышает 95% (Западно-Канадский, Восточно-Венесуэльский). Залежи битумов природных (пластовые) структур распространены преимущественно в пределах эродированных сводовых поднятий и палеоподнятий в районах древних платформ (месторождения , на , палеосвода "Зинченко", Среднепечорского палеоподнятия в ), а также на бортах внутриплатформенных впадин и сопряжённых склонах крупных поднятий (группа месторождений Мелекесской впадины и Южного купола Татарского свода). Запасы отдельных залежей достигают сотен млн. т, зон битумонакопления — нескольких млрд. т.

Жильные и битумные скопления формируются на путях вертикальной миграции углеводородов по тектоническим трещинам и приурочены к локальным разрывам на нефтегазоносных структурах (Садкинское, Ивановское, Бориславское и другие месторождения), зонам региональных разрывов в передовых частях складчатых систем и на бортах межгорных впадин и краевых прогибов (система жил в юго-восточной части Турции, месторождения впадины Юинта в США и др.). Например, крупнейшие жильные тела в Турции (жилы Харбол, Авгамасья) достигают длины 3,5 км при мощности 20-80 м, прослеживаются на глубину до 500 м. Покровные залежи битумов природных образуются в результате субаэрального превращения излившихся нефтей, тяготеют к областям альпийской складчатости — внутренним бортам краевых прогибов и синклинальным прогибам, характеризуются высокой концентрацией битума при сравнительно небольших запасах. Отдельные залежи с запасами в десятки млн. т битума образуют т. н. асфальтовые озёра (Пич-Лейк на остров Тринидад, Гуаноко в восточной Венесуэле, Охинское и Нутовское на остров Сахалин).

Доказанные и перспективные геологические запасы битумов в промышленно развитых капиталистических и развивающихся странах оцениваются в 580 млрд. т, из которых 71% приходится на и 27% на Венесуэлу. Наибольшие геологические запасы битумов природных сосредоточены в Канаде (413,8 млрд. м 3), Венесуэле (около 159 млрд. м 3), США (около 5,2 млрд. м 3). Крупнейшие месторождения: в Канаде — , Колд-Лейк, Пис-Ривер, поле Трайэнгл, Уобаска; в Венесуэле — Пояс Ориноко (Суата — Моричаль, Хобо и др.); в США — Пеор-Спринг, Саннисайд, Тар-Санд — Трайэнгл; в Ираке-Кухе-Мунд. Значит, запасами битумов природных обладают

Добыча битумов природных ведётся карьерным, шахтным или скважинным способами. Первый эффективен при небольшой мощности покрывающих пород ( до 1). На больших глубинах (исчисляемых первыми сотнями м) применяют шахтный способ. Скважинная добыча вязких асфальтовых битумов природных характеризуется термическими и другими воздействиями на пласт.

Мировая добыча битумов и высоковязких нефтей в промышленно развитых и развивающихся странах (1981): 103,5 млн. т скважинным способом и 9,8 млн. т карьерами (в т.ч. Венесуэла 43,2 млн. т, США 17,2 млн. т, Канада 13 млн. т).

Битумы природные — комплексное сырьё, в основном химическое и энергетическое. Из асфальтовых битумов получают лёгкую синтетическую нефть и нефтяной кокс, компоненты моторного топлива и др. Битумы природные и тяжёлые высокосмолистые нефти — источники серы, ценных металлов (V, Ni, Sb, Ge, U) и др. В СССР обобщённость ванадием и никелем характерна для месторождений битумов природных некоторых районов Урало-Поволжья, Западного Казахстана, Средней Азии, северо-востока Европейской части СССР. Битумы природные используются как строительное сырьё (дорожные покрытия, производство мягкой кровли, асфальтитовой мастики и др.), в электропромышленности (изоляторы, антикоррозийные покрытия и др.).