Якість сировини для виробництва бітумів - найважливіший фактор отримання високоякісних дорожніх бітумів
Якість дорожніх бітумів і, відповідно, експлуатаційна довговічність дорожніх асфальтобетонних покриттів в значній мірі залежать від якості сировини для виробництва бітумів. Можуть бути використані різні види органічної сировини (див. Табл.).
Основні види сировини для виробництва бітумних в'яжучих
У дорожньому будівництві переважним є застосування нафтових бітумів, одержуваних шляхом переробки важких залишкових фракцій нафти.
В Україні такі заходи в нафтопереробці і, зокрема, все більше глибока переробка нафтової сировини ставлять завдання обліку особливостей хімічного складу і структури нафтової сировини, що використовується для виробництва дорожніх бітумів, і, відповідно, складу, структури і фізико-механічних властивостей одержуваних дорожніх бітумів.
Бітуми є складну суміш високомолекулярних вуглеводнів нафтового походження, в тому числі нафтенових (Сn H2n), ароматичних (Сn H2n-6) і метанових (Сn H2n + 2) рядів, а також їх похідних, що містять кисень, сірку, азот і комплексні сполуки метал-лов. Основна частина молекул бітуму включає 25-150 атомів С.
Склад бітумів характеризується елементним і груповим хімічним складом.
Елементний склад бітумів (% по масі): вуглецю - 80-85; водо-роду - 8-12,5; кисню - 0,2-4; сірки - 0,5-10; азоту - 0,2-0,4. Содер-жание деяких металів в асфальтових концентратах нафти (типу Арланской) становить (% по масі): V - 0,22; Ni; -0,115; Fe - 0,110; Са - 0,054 і т. Д. Середня молекулярна маса бітумів не перевищує 700-800 к.е.
З огляду на велику різноманітність індивідуальних хімічних сполук, що входять до складу бітумів, для визначення їх хімічного складу зазвичай використовують дані про їх груповому хімічному складі.
Груповий хімічний склад бітумів передбачає підрозділ всіх різноманітних індивідуальних хімічних сполук, що входять в бітум, на три основні групи: асфальтени, смоли і масла (Мальти).
Нафти по придатності для виробництва бітумів поділяють на три групи:
Для виробництва дорожніх бітумів найкращою сировиною є важкі смолисті малопарафіністие нафти.
Вимоги до сировини для виробництва в'язких дорожніх бітумів були сформульовані в затверджених Мінавтодор РРФСР в 1988 році Технічних умов ТУ 38 101583. На додаток до зазначених ТУ Гіпродорніі було запропоновано додатково ввести вимоги до такими важливими показниками, як однорідність нафтової сировини і відсутність в ньому вспенивающем компонентів.
Негативний вплив на якість нафтової сировини надає наявність в його складі асфальтів деасфальтизації, крекінг-залишків.
Головна мета формування якісних характеристик сировини спрямована на формування з нього наноструктурованого бітуму. Як відомо, реакції окислення важких нафтових залишків відбуваються з утворенням міцельних наноагрегатов асфальтенов, що переростають в кластерні наноагрегатние структури. Від того, як піде процес взаємодії нанокластеров між собою, від розмірів кластерів асфальтенов і швидкості процесу освіти сітчастого каркаса кластерів наноагрегатов асфальтенов і залежать властивості одержуваних бітумних в'яжучих.
Вирішальними факторами при виборі технології є температура, час і швидкість реакції окислення.
Професор Ф. Г. Унгер [2] вказував, що «розмір і структура кожної колоїдної частинки залежать від рівноваги енергій кінетичного руху молекул і потенціалу їх парного взаємодії. Умови технологічного процесу освіти, існування і руйнування надмолекулярних структур (асоціативних комбінацій, мицелл, складних структурних одиниць, макромолекул) нафтових дисперсних систем смолисто-асфальтенових речовин зумовлюють структуру та фізико-хімічні властивості бітумів.
Бітумні системи є термодинамічно рухливими системами, в яких безперервно здійснюються гемолитические переходи (діамагнітних молекул в парамагнітні і назад) і саме парамагнітні молекули і гемолітичні процеси викликають переорганізацію надмолекулярних структур нафтових дисперсних систем, т. Е. Визначають поведінку системи в цілому і умови утворення структури при зміні зовнішніх умов технологічного процесу.
Аналіз численних даних різних інструментальних методів досліджень і зіставлення їх вказують на те, що важкі вуглецеві молекули або окремі атоми вуглецю з'єднуються в більші структури типу асоціатів, полімерів або кристалічних решіток за рахунок спінового збудження і спінової поляризації через вплив розчинника і температури ».
Це дозволило зробити висновок про можливість існування рівноважної динаміки колоїдного стану таких складних об'єктів, як бітум, і сформулювати вимоги до параметрів технологічного впливу на нафтові дисперсні системи з метою отримання бітумних в'яжучих із заданими властивостями.
Основні способи виробництва в'язких дорожніх бітумів наступні:
- Концентрування нафтових залишкових фракцій шляхом перегонки їх у вакуумі в присутності водяної пари (отримання остаточних бітумів).
- Окислення повітрям нафтових залишків (мазутів, гудронів та ін.), Що дозволяє отримувати окислені бітуми.
- Змішання (компаундування) рідких нафтових залишків з в'язкими залишковими або окисленими бітумами, твердими природними бітумами (асфальтитами, гільсонітамі).
З метою отримання бітумних в'яжучих необхідної якості в їх склад можуть вводитися різного роду добавки, що дозволяють отримувати модифіковані, комплексні та композиційні бітумні в'яжучі.
Відомі численні рішення щодо введення в бітум різних
модифікують компонентів, в тому числі адгезійних добавок,
полімерів, гумової крихти, природних бітумів, сірки, а також структурують і стабілізуючих компонентів.
Модифіковані бітумні в'яжучі одержують шляхом введення в бітум спеціальних добавок (модифікаторів), що поліпшують ті або інші властивості бітуму. До них відносяться бітуми (або інші органічні в'яжучі), які містять до 10% (по масі) добавок модифікатора.
Як модифікованих бітумів широко відомі різноманітні Полімербітумние, резінобітумного в'яжучі, бітуми, модифіковані добавками поверхнево-активних речовин, природних бітумів, а також продуктів нафтохімії, коксохімічних і лісохімічних виробництв.
До композиційним в'язким ставляться КОВ, що містять більше трьох компонентів, включаючи різні добавки, пластифікатори, що структурують і стабілізуючі добавки (наприклад, тонкодисперсні порошки і волокнисті наповнювачі).
Найбільш відомим компонентом комплексних органічних в'яжучих з числа природних бітумінозних матеріалів є трінідатскій озерний асфальт, а також природні тугоплавкі бітуми типу асфальтітамі або гільсонітов.
Метою вибору якісної сировини для виробництва дорожніх бітумів і ефективної технології їх виробництва є забезпечення їх відповідності вимогам чинного ГОСТ 22245-90 на бітуми нафтові дорожні в'язкі, а також вимогам забезпечення стійкої адгезії до застосовуваних кам'яних матеріалів і величиною інтервалу пластичності, відповідної кліматичних умов району застосування.
А. В. Радянський, д-р техн. наук, професор
Журнал «Шляховики» - це галузеве інформаційне періодичне видання, що висвітлює діяльність підприємств дорожнього господарства.
На інформаційних майданчиках видання www.dorogniki.com і в групах журналу публікується інформація про будівництво доріг, відомості про які застосовуються сьогодні технологіях і матеріалах, інноваціях при будівництві доріг, ремонті доріг, ямковий ремонт, благоустрій територій та багато іншого, пов'язаному з будівництвом доріг, ремонтом доріг, ямковий ремонтом, благоустроєм території, з технологіями проектування, з bim, з інноваціями, з безпекою дорожнього руху.