Химический состав искусственных битумов

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения, а также их производных, содержащих кислород, серу, азот и комплексные соединения метал­лов.

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 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.

Часть битума, нерастворимая в низкокипящих углеводородах па­рафинового ряда (н — пентане, н — гексане, изооктане), но раствори­мая в сероуглероде и четыреххлористом углероде и называемая асфальтенами, характеризуется следующими показателями: средняя моле­кулярная масса: 900—6000; плотность 1,01—1,24 г/см3; температура разложения 175—240° С; атомное отношение С: Н составляет 0,78 ÷ 0,94; растворимость в ароматических углеводородах — полная, в парафи­новых углеводородах—очень плохая, в циклопарафиновых углеводо­родах (нафтеновых) — частичная.

Асфальтены являются наиболее высокомолекулярными соедине­ниями нефти, в которых имеются кислород, сера, азотсодержащие со­единения и металлические комплексы — порфирины. Элементный со­став асфальтенов (% по массе): углерода 80—89; водорода 7—8,5; серы 1—8,5; азота 1—3; кислорода 3—5. По растворимости в разных растворителях асфальтены могут быть разделены на ряд фракций. Ас­фальтены полидисперсны как по массе, так и по структуре и элемент­ному составу молекул.

Асфальтены с относительно невысокой молекулярной массой (900—2000) имеют компактную систему в основном из гетероцикличе­ских гибридных колец,

тогда как более высокомолекулярные (2000—6000) содержат многокольчатые гетероциклические системы, соеди­ненные между собой алифатическими мостиками, и имеют короткие бо­ковые алифатические цепи.

С общей формулой C₈₄H₉₈S₃O (стрелками показаны места, по которым легко осуществляется конденсация)

Рентгеноструктурным анализом показано, что структура асфальтенов характеризуется хорошо организованными полициклическими системами — двухмерными дискообразными слоя­ми (гроздьями), имеющими диаметр 0,0005—0,0015 мкм.

Полиядерные пластины ассоциируются в кристаллоподобные обра­зования (пачки) толщиной 0,0012—0,002 мкм, состоящие из пяти – шести слоев. Расстояние между слоями 0,00035—0,00037 мкм. Расстоя­ние между звеньями в насыщенных структурах 0,0055—0,0006 мкм.

В асфальтеновых веществах концентрируются свободные радикалы, которые являются одним из факторов, определяющих склонность ас­фальтенов к ассоциации. Наличие свободных радикалов обусловлено тем, что в асфальтенах сосредоточено больше всего конденсированных ароматических структур, которые дают явления парамагнетизма. Это приводит к значительному межмолекулярному взаимодействию, спо­собствующему образованию надмолекулярных структур.

Концентрация парамагнитных частиц в значительной степени за­висит от величины молекулярной массы асфальтенов, их степени аро­матичности, способа выделения.

Асфальтены большинства битумов представляют собой при нор­мальной температуре твердые тела. По данным рентгеноструктурного анализа ясно, что часть веществ, составляющих груп­пу асфальтенов, является аморфными, другая часть представляет собой кристаллоподобные вещества.

В составе битумов могут находиться вещества, не растворимые в CS₂ и называемые карбоидами. Примерный химический состав карбоидов (% по массе): С - 74,25; Н — 5,13; S — 8,16; N - 1,10; О— 10,86; золы — 0,50; С:Н = 14,5; число омыления 124; кислотное число 4.

Кроме карбоидов, в битумах могут присутствовать также карбены — вещества, растворимые в сероуглероде, но не растворимые в четыреххлористом углероде.

Битумы могут содержать незначительные количества асфальтогеновых кислот и их ангидридов. Это вещества коричнево-серого цвета, густой смолистой консистенции, легко растворимые в спирте или хло­роформе и трудно в бензине. Асфальтогеновые кислоты и их ангидри­ды, являясь наиболее полярными компонентами битума, способствуют лучшему прилипанию его к поверхности минеральных материалов. О присутствии этих веществ в битуме судят по кислотному числу (0,5—1 мг КОН) и числу омыления (10—30 мг КОН).

Мальтены представляют часть битума, растворимую в низкокипящих предельных углеводородах. Основные свойства мальтенов: средняя молекулярная масса 400—800 к. е.; плотность 0,9—0,98 г/см³; атомное сотно­шение С: Н = 0,63 ч- 0,74; вязкость = 1*10² Па*с; растворяющая способность при наличии большого со­держания ароматических углеводородов. Мальтеновая часть битумов состоит из смол и масел.

Смолы битумов имеют основными структурными элементами кон­денсированные циклические системы, в состав которых входят арома­тические, циклопарафиновые и гетероциклические соединения. Эти системы соединены между собой короткими алифатическими мостиками и имеют несколько алифатических, реже циклических заместителей. Молекулярные массы смол в среднем варьируют от 500 до 2000. Обыч­но более низкие молекулярные массы (457—520) имеют бензольные смо­лы. В строении их преобладают ароматические кольца и короткие бо­ковые алифатические цепи.

Масла представляют собой углеводородную фракцию битумов и содержат сложную смесь углеводородов различных классов со средней молекулярной массой 400—600 и средней плотностью 0,911—0,923 г/см³. Это жидкость высокой вязкости, содержащая углеводороды циклические — в основном ароматические и в меньшей степени циклопарафины) и углеводороды (в основном парафинового, циклопарафинового и гибрид­ного строения с преобладанием боковых алкильных цепей). Масла снижают твердость и температуру размягче­ния битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость.

Структура битумов

По современным представлениям битумы следует рассматривать как растворы высокомолекулярных соединений нефтяного происхождения —асфальтенов и близких к ним по структуре твердых смол в среде из нефтяных масел – плавких смол.

В соответствии с теорией растворов высокомолекулярных соеди­нений (ВМС) в зависимости от внешних условий (температуры, давле­ния) битумы могут находиться в различных термодинамических со­стояниях, проходя последовательно все стадии от истинных растворов (при высоких технологических температурах) к коллоидным раство­рам надмолекулярных структур (ассоциатов) асфальтенов и смол до пластичных, а затем твердых тел.

Битумы являются термопластичными материалами и их механиче­ские свойства изменяются в широких пределах при переходе от жидко­го состояния в условиях высоких температур до твердого состояния при низких температурах. Под воздействием нагрузок в битумах воз­никают одновременно обратимые (упругие) и необратимые (пластиче­ские) составляющие деформации. Поэтому битумы следует рассматри­вать как тела различной степени пластичности.

Битум является аморфным веществом, то есть в твёрдом состоянии проявляет свойства жидкости. Это было доказано в 1927 году Томасом Парнеллом, который поместил битум в воронку и стал ждать, когда он вытечет. Первая капля упала через восемь лет.

Природные битумы

Природные битумы образовались в естественных условиях из нефти в результате очень длительного воздействия на нее климатических и геологических факторов, протекания процессов окисления и полимеризации углеводородов, испарения легких нефтяных фракций. Природные битумы залегают в верхних пластах земной коры или скапливаются в виде поверхностных озер.

Природные битумы представляют собой темную термопластичную массу, состоящую из сложной смеси углеводородов нефтяного проис­хождения и некоторого количества растительных и минеральных при­месей. Природные битумы встречаются различной консистенции — от твердых до жидких. Твердые природные битумы — тугоплавкая масса, почти полностью растворимая в некоторых органических растворите­лях. К твердым природным битумам относятся все разновидности ас­фальтитов. Вязкие природные битумы, содержащие, как правило, ми­неральные примеси, иногда называют природными асфальтами. Жид­кие природные битумы — мальты, представляют собой вязкую жид­кость, полностью растворимую в органических растворителях. К мальтам относят и тяжелые смолистые нефти.

Асфальтиты содержат менее 25% масел или более 75% смолистоасфальтеновых веществ. В зависимости от соотношений в групповом со­ставе асфальтиты разделены на две группы— грегемиты и гильсониты.

Грегемиты по сравнению с гильсонитами содержат меньше водорода и больше кислорода. Они богаче гильсонитов асфальтенами, но содер­жат меньше смол. Одной из особенностей грегемитов является присут­ствие твердых углеводородов в их масляной фракции. Они отличаются повышенной хрупкостью, неровным тусклым изломом, не плавятся без разложения. Температура размягчения их значительно выше, чем у гильсонитов (достигает 300°С), при этом размягчение сопровождается вспучиванием с признаками разложения. Удельная масса составляет 1,15—1,20 г/см³.

Гильсониты по элементному и групповому составу ближе к вязким битумам — асфальтам, чем грегемиты. Гильсониты имеют блестящий излом, при нагревании плавятся без видимого разложения. Удельная масса их равна 1,05—1,15 г/см³.

К твердым битумам отнесены также кериты — вещества, частично растворимые в органических растворителях и плавящиеся с разложе­нием.

Вязкие природные битумы содержат 25—40% масел или соответст­венно 60—75% асфальтосмолистых веществ. Они имеют блестящий или тусклый излом, размягчаются при небольшом нагревании. Вязкие природные битумы могут значительно различаться по содержанию асфальтенов — от 10—15 до 45—50%. Асфальты с ма­лым содержанием асфальтенов и соответственно с высоким содержа­нием смол и масел приближаются по свойствам к мальтам.

Мальты — жидкие битумы — содержат масел более 40% и соответ­ственно менее 60% асфальтосмолистых веществ. Элементный со­став близок к составу вязких битумов. Удельная масса их равна 0,9— 1,1 г/см³.

Значительно большие запасы природных битумов содержатся в со­ставе битумсодержащих пород. Эти породы представлены главным об­разом песками, песчаниками, известняками, доломитами.

Особой разновидностью битумсодержащих пород являются киры. Они образуют так называемые «кировые шляпы» озокеритовых место­рождений, покровы и залежи осадочных закированных пород, образо­вавшихся не в результате миграции воды и нефти, а в результате вы­хода на поверхность нефтеносных пластов с последующим их субаэральным выветриванием.

Природные битумы характеризуются рядом отличительных осо­бенностей, определяющих их высокие технико-эксплуатационные качества — реологические и адгезионные свойства.

Применение

Битумы — широко распространённый инженерно-строительный материал, используемый в разных сферах:

· для устройства гидроизоляции в строительстве дорог, зданий и сооружений, прокладке трубопроводов;

· в производстве асфальтобетона;

· при изготовлении кровельных материалов;

· в лакокрасочной и кабельной промышленности;

· для заливочных аккумуляторных мастик и др.

Литература

1. Руденская И. М., Руденский А. В. «Органические вяжущие для дорожного строительства» М.: Транспорт,1984.

2. Гун Р. Б. «Нефтяные битумы» М.: Химия, 1973.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: