4.3 Битумы

К углеводородным материалам относятся битумные и дёгтевые составы. Они имеют идентичный вещественный состав (45-65% масел, 15-30% смол, 10-30% углеродных частиц), в дёгте больше масел, в битуме – смол. Химический состав битума зависит от состава нефти, из которой его получают, и варьируют углеводороды составов: С₉Н₂₀ - С₃₀Н₆₂. Производство искусственных битумов основано на технологии переработки нефти. В зависимости от способа получения битума из гудрона его называют:

окисленным (получают окислением – продувкой воздухом гудрона при температуре 450-600°С);

остаточным, полученным глубоким отбором смол крекингом;

кислотным, полученным нейтрализацией кислотных остатков;

экстрактным, полученным при осаждении смол растворителями (пропаном). Вместе с битумом при растворении получают эффективное антикоррозионное покрытие для металлов – асфальт деасфальтизации.

В зависимости от количества твёрдых углеродных (карбены, карбоиды) частиц и смол различают три структуры битумов: жидкие, полутвёрдые и твёрдые.

В жидких битумах матрица (масло) непрерывна, мицеллы – углерод в оболочке из смолы свободно перемещаются, образуя золь (I).

Полутвёрдые битумы – вязкие системы, когда твёрдые мицеллы контактируют друг с другом в достаточном количестве матрицы, образуя гель (II).

Твёрдые битумы, если мицеллы образуют пространственную сетку (III). Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твёрдостью.

Всегда присутствуют в искусственных битумах парафины 5-8%, асфальтогеновые кислоты, анионактивные вещества, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ, соединения серы, азота и др. Битум образует прочные связи с карбонатными породами, содержащими катионы Са⁺⁺ и Мg⁺⁺, поэтому лучшим наполнителем для битума служит порошок из карбонатных пород (известняковая, доломитовая мука). Технология приготовления асфальтов такова: сначала готовят асфальтовое вяжущее (связку) из битума (матрицы) и наполнителя (известняковой муки), затем в него вводят мелкий заполнитель и только потом – крупный. Асфальтовое вяжущее является основой для приготовления асфальтовых растворов и бетонов.

Под воздействием ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха рвутся связи между углеводородными группами, улетучиваются масла и смолы, битум становится хрупким - начинает «стареть». Твёрдая часть битумов – асфальтены имеют молекулярную массу до 5000, плотность до 1,3 г/см³. Смолы – аморфные вещества с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1 г/см³. Масла битумов состоят из углеводородов с молекулярной массой 100-500, плотностью менее 1 г/см³. Плотность битумов колеблется в пределах от -0,8 до 1,3 г/см³, температура вспышки 230-240°С.

Битумы стойки к растворам щелочей и кислот, менее стойки к концентрированным кислотам, растворам окислов азота. Растворяются в органических растворителях, нефти.

Так как свойства битума зависят от соотношения составляющих веществ, определяют марки битума по температуре размягчения, вязкости и растяжимости (Методические указания, часть 2).

Органические материалы, переходящие в пластично-вязкое состояние при повышении температуры и затвердевающие при нормальной температуре или под воздействием катализатора, выполняют роль вяжущего или матрицы в композиционном материале. Поэтому и полимеры, и битумы относят к органическим вяжущим веществам.

Применяют большую часть битумов (60%) для получения асфальтобетонов на дорожное покрытие. 20% – на строительные нужды (мастики, пасты, стяжки, пропитки и др.) и 20% – на кровельные работы (рулонные и штучные гидроизоляционные материалы). В заводских условиях изготавливают рулонные основные и безосновные гидроизоляционные материалы. Перспективным направлением является устройство кровли из модифицированных полимерами битумных мастик, наносимых на кровлю напылением с одновременным распылением армирующего стекловолокна. При этом способе нанесения отпадает необходимость иметь рулонные кровельные материалы.