Природные битумы

Органические вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводородов, изменяющие свои физико-механические свойства в зависимости от температуры.

Природные битумы – вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических производных. Огни образовались в результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.

По составу битумные вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводов метанового (С_nH_2n+n) и нафтенового (С_nH_2n) рядов и их неметаллических производных (углерод, водород, кислород, сера, азот), способных изменять свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. Углерода содержится 70...87 %, водорода до 15 %, кислорода до 10 %, серы до 1,5 %, азота менее 1 %.

Согласно современной коллоидной теории структуры битума все его групповые компоненты образуют структурированную дисперсную систему, состоящую из дисперсионной среды (мальтенов) и дисперсной фазы (асфальтенов). Выделить отдельные углеводородные соединения из этой смеси весьма сложно.

Комплексные частицы дисперсной системы (мицеллы), разрушаются при нагревании битума за счет усиления броуновского движения и частичного растворения асфальтенов, но при охлаждении структура битума самопроизвольно восстанавливаются.

- 19/3 - Вяжущие вещества

Мицелла 1. Асфальтены.

1 2. ПАВ.

2 3. Оболочка из смол.

3 4. Жидкие масла.

4

Мальтены – жидкая часть битумов, состоящая из масел и смол. Масла представляют собой вязкие жидкости с плотностью меньше единицы и молекулярной массой 300...500. Повышенное содержание масел в битуме снижает его твердость и температуру размягчения, придает ему подвижность и текучесть. В битумах содержится 45...65 % масел. Смолы представляют собой вязкопластичные вещества с плотностью около единицы. Они состоят из более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 500...1000. Смолы хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водостойкие пленки; придают битумам вяжущие свойства, повышают пластичность и растяжимость. В битумах содержится 15...30 % смол. Кроме того, мальтены содержат до 10 % серы и кислорода. Они являются растворителями и пластификаторами.

Асфальтены (10…30 %) – твердая часть битумов, состоящая из карбенов, растворимых только в CCl₄ и карбоидов, не растворимых в маслах и летучих растворителях. Они имеют молекулярную массу 1000…5000 и плотность более 1. В их состав могут входить также твердые углеводороды – парафины, которые повышают хрупкость битумов. Асфальтены, коллоидно растворенные в маслянистой и смолистой среде, становятся своеобразными центрами или ядрами, которые окружены оболочкой среды убывающей плотности от тяжелых вязких смол к сравнительно легким текучим маслам. В этой системе нет четко выраженной границы между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В пограничной зоне адсорбированы полярные молекулы асфальтогеновых кислот.

Кроме мальтенов и асфальтенов в состав битумов входят асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, представляющие собой вещества густой смолистой высоковязкой консистенции с плотностью более единицы. Это наиболее полярный, а, следовательно, и наиболее поверхностно-активный компонент битума, содержание которого определяет способность битума прилипать и прочно сцепляться с каменными и другими материалами. При плотной упаковке объёма битума мицеллами образуется структура типа «гель» и битум отличается высокой вязкостью и твердостью.

- 19/4 - Вяжущие вещества

Если есть избыток дисперсионной среды и мицеллы не контактируют между собой и свободно перемещаются, то структура относится к типу «золь». Такая структура характерна для жидких размягченных битумов с малой вязкостью.

Состояние и свойства битума всецело зависят от его фазового состава, изменить который можно регулированием технологических свойств битумных вяжущих: нагреванием и охлаждением, добавлением маслянистых углеводородов (лигроин, нефть, мазут), введением тонкодисперсных минеральных наполнителей, разжижением растворителями и получением эмульсий.

Асфальтовые породы представляют собой пористые горные породы (известняки, доломиты, песчаники, глины, пески), пропитанные битумом. Битум выделяют вывариванием горячей водой или растворением органическими растворителями дробленых асфальтовых пород.

Гудрон представляет собой остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Гудрон является основным сырьем для получения нефтяных битумов.