Органические вяжущие (стр. 3 )

Битумы занимают промежуточное место между твердыми и жидкими материалами, поэтому в них при приложении нагрузки возникают как упругие обратимые, так и пластичные остаточные деформации.

Для определения вязко-упругих и вязко-пластичных реологических свойств битума строят графики зависимости скорости деформирования от напряжения сдвига (рис. )

На рис. показаны закономерности деформирования жидких 1 и жидкоподобных 2, твердых 3 и твердоподобных 4 материалов.

Жидкоподобные битумы при температуре выше 50оС, твердоподобные - при отрицательной температуре - твердоподобны.

Деформирование битума в жидкоподобном состоянии начинается сразу после приложения нагрузки и скорость деформирования увеличивается до напряжения, соответствующего точке “а”, далее при равномерном увеличении напряжения скорость деформирования становится равномерной, график выходит на прямую, что соответствует закону Ньютона.

Аналогична зависимость напряжения и скорости деформирования битума в твердоподобном состоянии.

Сцепление битума с поверхностью минеральных материалов, необходимое для повышения прочности и водостойкости асфальтобетона, обеспечивается поверхностным натяжением, смачиванием битумом поверх минеральных материалов, адгезией битума к камню.

Адгезия (сцепление) битума к каменному материалу тем сильнее, чем лучше битум смачивает поверхность камня и растекается по ней, что зависит от поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение битума при температуре 25оС равно (25 - 30) х 10-3 Дж/см2.

Поверхностное натяжение битума определяют косвенно его поверхностной активностью - способностью снижать поверхностное натяжение битума на границе с водой.

Чем выше поверхностная активность битума, тем выше его полярность, а следовательно, адсорбция на поверхности минеральных материалов.

Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из неполярной части ( углеводороды ) и полярной активной группы ( и др.).

На разделе фаз полярной и неполярной жидкостей молекулы поверхностно-активных веществ ориентируются по линии раздела - полярной группой к полярной жидкости (вода), неполярной - к неполярной жидкости ( раствор битума).

__________________________________________________________Примечание: Поверхностное натяжение - это работа, затрачиваемая на образование единицы поверхности. ПАВ - вещества, снижающие поверхностное натяжение

От содержания полярных компонентов в битуме зависит его смачивающая способность и интенсивность сцепления с поверхностью минеральных материалов.

Смачивающая способность битумом поверхности минеральных зерен зависит от поверхностно-активных полярных соединений и свойств каменных материалов.

Эту способность определяют по краевому углу смачивания, рис.

Острый угол смачивания означает, что молекулярное притяжение камня растянуло каплю жидкости, оказалось сильнее поверхностного натяжения жидкости, смачивание хорошее.

Если поверхностное натяжение жидкости больше поверхностного натяжения камня, жидкость образует каплю, формы шара, смачивание отсутствует.

Сцепление битума с поверхностью камня определяют кипячением смесей битума с песком (кварц) и мрамором (основная порода).

Битумы - вещество реологическое и термопластичное, поэтому его физико-механические свойства характеризуются не только напряжениями и деформациями, но так же и зависимостями этих свойств от времени их действия и температуры.

Определение реологических свойств трудоемко и требует сложного оборудования, что доступно только для научно-исследовательских организаций, поэтому для широкой производственной практики разработан комплекс простых приборов для характеристики таких свойств битума, как вязкость, теплостойкость, пластичность, хрупкость.

§ 4. НЕФТЬ И МЕТОДЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ.

Нефть - жидкое органическое ископаемое от жидко-текучей до вязкой густой консистенции, от прозрачно-коричневого до темно-бурого цвета, с запахом керосина.

Плотность нефти - от 800 до 1000 кг/м3. Состав нефти: углерод 84 - 87 %, водород 12 - 14%, кислород до 2%, сера 0,01 - 7%, азот до 0,2%.

Нефти разных месторождений различаются по химическому составу и свойствам и подразделяются на ряды –

·  метановые -

·  нафтеновые -

·  ароматические -

Встречаются нефти смешанного состава: метано-нафтеновые и нафтено-ароматические.

По содержанию асфальто-смолистых веществ нефти подразделяют на:

·  высокосмолистые, более 20%,

·  смолистые - 8-10%

·  малосмолистые - меньше 8%.

По содержанию твердых парафинов нефти подразделяют на:

·  высокопарафинистые - более 6%

·  парафинистые - 2-6%

·  малопарафинистые - меньше 2%

Наиболее пригодны для переработки на битум нефти ароматического ряда, высокосмолистые, малопарафинистые.

Переработка нефти заключается в ее разделении на фракции, различающие по плотности и температуре кипения:

Битумы производят из гудрона, перерабатывая его различными методами.

В таблице 4 приведены названия фракций и сведения о их плотности и температуре кипения.

Переработка нефти производится на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Возможны три варианта переработки: фракционирование ( дистилляция), крекирование, специальные виды переработки.

Таблица 4

Продукты фракционирования	Физические свойства фракций
Температура кипения, оС	Плотность кг/м3
Светлые нефтефрации
Бензин	50-200	710-760
Лигроин	200-230	760-790
Керосин	230-315	790-870
Масляные фракции	Температура вспышки, оС
Соляровое масло	130-165	870-890
Парафин	165-190	890-920
Масло для двигателей	190-300	920-950
Остаточные продукты
Мазут	190-250	930-970
Гудрон	200-300	930-1000

·  - самая легкая бензиновая фракция выкипает при температуре от 50 до 200оС,

·  - самая тяжелая - гудрон, остается после отбора из нефти всех фракций горючих и смазочных материалов.

1. Фракционирование - главный вариант переработки - производится путем разгонки на фракции при атмосферном давлении и в вакууме.

По мере нагревания из нефти выкипают поочередно все более тяжелые фракции и, конденсируясь, превращаются в дистилляты, перечисленные в таблице 4.

Тяжелый остаток после отбора из нефти топливно-смазочных фракций - гудрон, является сырьем для приготовления битума.

2. Крекинг - процесс заключается в пиролизном расщеплении молекул тяжелых остатков нефти после фракционной разгонки.

При нагревании тяжелых остатков нефти до 425 - 650 оС и давлении 5 МПа, сложные молекулы делятся на более простые, легкие и мазут или гудрон распадается на бензино-керосиновые фракции с устойчивыми молекулами, оставляя некоторое количество неустойчивых молекул.

Неустойчивую часть крекинг-процесса путем окисления, полимеризации и фракционирования превращают в жидкий дорожный битум марок МГ 40/70 и МГ 70/30.

3. К специальным видам переработки отдельных фракций нефти относятся:

- селективная очистка масляных фракций фенолом или фурфуролом. После отгонки растворителя остается жидкий битум, который в смеси с гудроном идет на окисление для получения вязкого битума.

- обезмасливание гудрона жидким пропаном, в результате чего получают асфальт (битум) деасфальтизации.

Производство нефтяных битумов.

Нефтяные дорожные битумы производят тремя способами:

1 - атмосферно-вакуумная перегонка сырой нефти, при которой после отгонки топливных и масляных фракций остается гудрон.

При перегонке высокосмолистой нефти этот гудрон представляет собой остаточный битум, при перегонке менее пригодных нефтей, гудрон является сырьем для производства окисленных битумов.

2 - Окисление нефтяных остатков - гудрона, крекинг-остатков, кислородом воздуха является вторым способом производства окисленных битумов.

3 - Третий способ производства битумов - компаундирование, или смешение остатков перегонки нефти - битума деасфальтизации с экстрактами, получающимися при селективной очистке масляных фракций.

Производство остаточных битумов.

Остаточные битумы получают в виде высокосмолистого остатка после отбора из нефти топливно-смазочных фракций.

Такой способ возможен только при прямой перегонке высокосмолистых нефтей.

В результате получается вязкий битум марок БН 200 /300 до БН 60/ 90.

При прямой перегонке малосмолистых нефтей получают жидкие остаточные битумы марок МГ 130/ 200 и МГ 70/ 130.

Остаточные жидкие битумы получают также и при крекинг-процессе переработки нефти МГ 40/ 70 и МГ 70/ 130.

Производство окисленного битума.

Гудрон, полученный на атмосферно-вакуумной установке применяют при производстве вязких битумов, окисляя его продувкой воздухом.

Процесс окисления может быть периодическим или непрерывным.

Периодическое окисление проводится в окислительных кубах, непрерывный - в трубчатых или колонных окислительных установках.

Сочетание этих факторов и состава исходной нефти изменяют время окисления в широких пределах. Оно может изменяться в пределах от 15 до 60 часов при температуре 250о - 300оС.