Состав нефтяных битумов

Нефтяные битумы представляют собой твердый или жидкий органический материал из смеси углеводородов и их производных. Полученные продукты не растворяются в воде, но полностью или частично растворяются в сероуглероде, бензоле и ряде органических растворителей плотностью до 1,50 г/см³.

Элементный состав

В составе присутствуют углерод, водород, соединения и примеси металлов, в том числе железа, никеля, ванадия и т.д. Соотношение элементов складывается следующий образом (масс. %):

• углерод: 80-85%
• водород: 8-11,5%
• сера: 0,5-7%
• кислород: 0,2-4%
• азот: 0,2-0,5%

Компонентный состав

Нефтяные битумы являются дисперсной системой, т.е. образованы из нескольких фаз, которые не взаимодействуют между собой химически и практически не смешиваются. Дисперсионной средой выступают масла и смолы, а дисперсной фазой - асфальтены.

Что касается компонентов битума, то основная масса вещества гибридная и поэтому можно выделить только группы с приблизительным однообразием состава. Единственными соединениями, которые можно выделить в почти чистом виде, являются парафины.

Итак, компонентный состав нефтяного битума включает в себя:

• асфальтены
• карбены
• карбоиды
• нефтяные масла
• асфальтогеновые кислоты
• смолы

Асфальтены

Асфальтены - это высокомолекулярные соединения нефти, представляющие собой продукт полимеризации, конденсации и дегидрогенизации смол.

Вещество легко растворяется в сероуглероде и хлороформе, но не растворяется в ацетоне и спирте. Под воздействием солнечного света нагревается, но не растворяется.

Присутствие асфальтенов в битуме влияет на его температуру размягчения и твердость.

Возможен частичный переход в карбены и карбоиды при воздействии концентрированной серной кислоты на асфальтены в растворе хлороформа.

Карбены

Карбены схожи с асфальтенами как по составу, так и по свойствам. Отличие карбенов - это повышенное содержание углерода в составе и большая плотность.

Вещество не растворяется в тетрахлорметане, при этом растворяется в пиридине и сероуглероде.

Содержание карбенов в битуме крайне мало, но имеет негативное влияние на его некоторые характеристики, что приводит к повышению вязкости и хрупкости. Также их повышенное содержание приводит к снижению растяжимости.

Карбоиды

Карбоиды представляют собой специфическую группу в виде твердого вещества, похожего на сажу.

С точки зрения структуры вещество является сшитым трехмерным полимером, в следствие чего оно не растворяется ни в одном из существующих органических растворителей. Карбоиды - частицы необратимые с прочными фазовыми контактами, поэтому не способны к разрушению до молекулярного состояния под действием внешних факторов за исключением жестких приемов воздействия на нефтяные дисперсные системы.

Карбоиды практически отсутствуют в природных нефтях и асфальтах, а в заводских асфальтах могут наблюдаться в виде следов. При этом наличие карбоидов в битуме сказывается отрицательно на эксплуатационных качествах, в том числе понижается эластичность и повышается хрупкость.

Нефтяные масла

Нефтяные масла - это продукт переработки высококипящих нефтяных фракций, который состоит из смеси углеводородов: парафиновых, нафтеновых и др. Наличие нескольких групп углеводородов с разнородным составом приводит к тому, что влияние на свойства битума может отличаться.

В общих чертах при повышенном содержании масел битум становится более текучим и подвижным. Если рассматривать более детально, то существенную роль на температуру размягчения и температуру хрупкости оказывает соотношение масел к асфальтенам. Максимальная дуктильность достигается при соотношении 2:5.

Асфальтогеновые кислоты

Группа полинафтеновых кислот с твердой или высоковязкой консистенцией. По внешнему виду похожи на нейтральные смолы.

Асфальтогеновые кислоты легко растворимы в хлороформе и спирте, трудно растворимы в бензине.

Наличие асфальтогеновых кислот обеспечивает защиту коллоидной структуры битума. Так как кислоты являются поверхностно-активной частью, то они также оказывают влияние на повышение прочности и усиливают сцепление битума с материалами, например, с поверхностями из камня.

Смолы

Смолы в составе битума - это вещества, пластичные при комнатной температуре и занимающие 20-40% масс.

Вещество химически нестабильно, поэтому при длительном воздействии кислорода или иной окислительной среды, начинается переход смол в асфальтены и может наблюдаться необратимое изменение в фазовом составе битума - его старение.

Растворение возможно в бензоле, хлороформе, эфире и нефтяных маслах.

Присутствие смол в битуме оказывает положительное влияние на его пластичность и вяжущие свойства.