Нефтяные битумы — это сложные коллоидные системы, состоящие из асфальтенов, смол и масел. В нормальных условиях они представляют собой твёрдые или полутвердые продукты, нерастворимые в воде. Основным сырьём для их производства служат тяжёлые остаточные фракции, образующиеся в процессе первичной и вторичной переработки нефти. К ним относятся гудроны, получаемые при вакуумной ректификации мазутов при температурах 450–550 °C и выше, крекинг-остатки, асфальтиты (асфальтовые растворы) из процессов деасфальтизации, а также экстракты, выделяемые при очистке масел.
Технология производства окисленных битумов
Для улучшения качественных характеристик битумное сырьё подвергают окислению кислородом воздуха. В ходе этого процесса часть масел преобразуется в смолы, а часть смол — в асфальтены. Непрерывное производство окисленного битума осуществляется в специальных аппаратах — окислительных колоннах или трубчатых реакторах, куда воздух подаётся с помощью компрессора. Реакция окисления сопровождается выделением тепла. Производительность современных битумных установок может достигать 0,5 млн тонн в год и более.
В трубчатых реакторах процесс ведётся при температуре около 270 °C и давлении 0,3–0,7 МПа. Расход воздуха составляет 120–170 нм³ на кубический метр сырья. Типичный реактор представляет собой змеевик из труб диаметром 219×7 мм общей длиной примерно 320 метров. Окислительная колонна — это вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 3,0–3,4 м и высотой около 23 м. Уровень сырья в колонне поддерживается на отметке 14–15 м, а воздух подаётся в нижнюю часть слоя через распределительное устройство. Температурный режим в колонне — 200–280 °C, давление — 0,08–0,12 МПа.
Выход готового продукта зависит от его назначения: для дорожных битумов он составляет 97–98% от массы сырья, для строительных — 94–97%. Для получения битумов определённых марок, особенно строительных, часто применяют компаундирование — смешивание различных компонентов. Например, окисленные битумы могут смешиваться с экстрактами, полученными при селективной очистке масляных фракций.
Сырьевые требования и классификация битумов
Качество конечного битума напрямую зависит от свойств исходной нефти. Наилучшим сырьём считаются нефти, в которых суммарное содержание асфальтенов и смол превышает удвоенное количество твёрдых парафинов. Высокопарафинистые нефти являются наихудшим вариантом для битумного производства. Также крайне важно, чтобы нефть перед переработкой была тщательно обессолена.
Сегодня производится более 70 марок битумов, которые классифицируются по двум основным признакам:
- По технологии получения: остаточные, окисленные, компаундированные.
- По назначению: дорожные, строительные, битумы специального назначения.
Мировые мощности по производству нефтяных битумов оцениваются примерно в 120 млн тонн в год. На долю России приходится около 10% от этого объёма, причём 76% российского производства составляют дорожные битумы.
Эксплуатационные требования и свойства
Требования к битумам, особенно дорожным, очень высоки и разнообразны. Основная функция дорожных битумов — связывание мелких частиц минеральных материалов (щебня, песка, камня), придание им гидрофобных свойств и заполнение пустот между ними. Именно от качества битума зависят прочность, эластичность и долговечность асфальтобетонного покрытия.
Строительные битумы, используемые, например, для гидроизоляции, могут быть менее эластичными, но должны обладать повышенной твёрдостью. В процессе эксплуатации на битум воздействуют солнечный свет, кислород воздуха, перепады температур и динамические нагрузки. Со временем это приводит к изменению его коллоидной структуры, материал становится хрупким, что вызывает разрушение покрытия.
Каждый компонент битума отвечает за определённые свойства:
- Асфальтены определяют твёрдость.
- Смолы придают эластичность и цементирующую способность.
- Масла обеспечивают морозостойкость.
Для улучшения адгезии (сцепления с минеральными материалами) в битумы часто вводят специальные присадки, например, поверхностно-активные вещества. Плотность битумов колеблется в пределах 1000–1100 кг/м³.
Маркировка и стандарты
Маркировка битумов отражает их ключевые физические свойства. Например, дорожные битумы по ГОСТ 22245-90 имеют обозначения типа БНД-200/300, БНД-130/200 и т.д. Цифры в марке указывают пределы глубины проникновения иглы (в десятых долях миллиметра) под нагрузкой 100 г в течение 5 секунд при температуре 25 °C. Температура размягчения для разных марок варьируется: не ниже 35 °C для БНД-200/300 и не ниже 51 °C для БНД-40/60. Температура хрупкости составляет не выше -20 °C и -10 °C соответственно.
Строительные битумы для гидроизоляции (марки БН-50/50, БН-70/30, БН-90/10 по ГОСТ 6617-76) обладают меньшей растяжимостью по сравнению с дорожными. В их маркировке числитель обозначает температуру размягчения, а знаменатель — среднюю глубину проникновения иглы.
Современные тенденции: модифицированные битумы
Мировая практика дорожного строительства с 1970-х годов перешла на использование модифицированных битумов (полимербитумов). В их состав вводят полимерные присадки, такие как стирол-бутадиен-стирольные (СБС) или бутадиен-стирольные каучуки, а также другие полимерные материалы. Широко применяются и другие добавки: волокнистые, адгезионные и прочие, которые придают базовому битуму повышенные эксплуатационные характеристики.
Использование модифицированных битумов позволяет создавать дорожные покрытия с увеличенным сроком службы — до 18–20 лет, что значительно повышает экономическую эффективность и снижает затраты на содержание дорожной сети.