Нажмите "Enter" для пропуска содержимого

Битум: состав, свойства, виды, применение, как добывают

Природный битум

Образовался из нефти естественным путем. В нефтяных месторождениях сырье зреет без доступа воздуха. Если в силу каких-либо причин (например, геологической активности) нарушилась консервация залежей, нефть подверглась внешнему воздействию и претерпела изменения. В результате окисления атмосферным воздухом или под влиянием микроорганизмов (которые, кстати, могут также перерабатывать бензин и дизельное топливо) образовался природный битум (нетрадиционная нефть). Состав и физические свойства этих натуральных продуктов могут сильно различаться. В том или ином соотношении в сырье входят вещества, относящиеся к следующим группам:

  • асфальтены (твердые);
  • смолы (вязкие);
  • масла (мягкие).

Жидкий битум содержит больше масел и меньше асфальтенов, чем твердый. От консистенции и глубины залегания зависит метод разработки сырья. Вот как получают битум (и тяжелую нефть) природного происхождения:

  • рудничным способом – из горной выработки извлекают породу (битуминозный песок);
  • бурят скважины из шахт (шахтно-дренажный метод), либо с поверхности.

Во 2 случае пласт обычно прогревают, чтобы извлекать менее вязкую жидкость. При добыче породы из шахты или карьера, целевой продукт отделяют от песка с помощью растворителя либо горячей воды и эмульгатора.

Область применения

В зависимости от физических свойств различают следующие направления применения битума:

  • дорожное строительство;
  • устройство кровли;
  • гидроизоляция;
  • производство электорокабеля;
  • шино-резиновая технология;
  • аккумуляторы;
  • лакокрасочная продукция;
  • металлургия;
  • производство углебрикетов;
  • нефтепереработка.

В проведении строительных работ своими силами битум является самым востребованным материалом для гидроизоляции различных объектов, особенно погребов и подвалов.

Технология использования материала

При строительстве дорог и других объектов применяется технология разогревания битума. Этот процесс проводится в соответствии с определенными правилами. Техника использования материала заложена в характеристиках такого вещества, как битум. ГОСТ раскрывает его самые важные свойства.

Для разогрева материала, применяемого в строительстве и ремонте, используется специальный котел с толстыми металлическими стенками и герметично закрывающейся крышкой. Толщина материала позволит ему избежать подгорания.

Заполняется 2/3 емкости. Битум перед загрузкой раскалывается на куски небольшого размера.

Подогрев производится на небольшом огне, и материал растапливается до однородной массы. При появлении инородных примесей их извлекают специальным ситом. Предельная температура разогревания составляет +200 ˚С.

При температуре подогрева от +160 до +170 ˚С битум расплавится приблизительно за 3 часа. Если увеличить ее до предельного значения, процесс разогрева составит всего 1 час.

Битумы нефтяные дорожные не терпят увеличения подогрева свыше +200 ˚С, ведь их свойства от этого будут ухудшаться. При +220 ˚С начнет образовываться кокс.

При перегреве битума образуется неприятный желто-зеленый дым, а при достижении границы в +240 ˚С вещество может даже вспыхнуть. Тогда крышку котла закрывают, чтобы потушить пламя.

После перегрева и вспыхивания битум дорожный становится хрупким и уже не подойдет для проведения работ по строительству или ремонту.

Применение битума в строительстве

Битумы применяют во всех строительных отраслях:

  • Для защиты оснований от грунтовых вод, гидроизоляции перекрытий, оборудования плоских кровель.
  • Для изготовления асфальтобетона, который используется для строительства дорог.
  • При производстве кровельных и других гидроизоляционных материалов, мастик.
  • Защитной изоляции трубопроводов
  • Другие сферы применения.

Для использования по прямому назначению, битум чаще всего необходимо размягчить до пластичного (жидкого) состояния. Для этого применяют три способа:

  1. Нагревание до 130–170 ºC.
  2. Применение органического растворителя. Этот способ позволяет размягчить твёрдый продукт до нужной консистенции без нагрева. Применяется для получения мастик, которые можно наносить холодным методом.
  3. Эмульгирование битума для получения паст и эмульсий.

Физические свойства битума: 

Наименование параметра:Значение:
Плотность, г/см3

(зависит от температуры, давления и химического состава)

от 0,965 до 1,5
Плотность, кг/м3

(зависит от температуры, давления и химического состава)

от 965 до 1500
Агрегатное состояниетвердое или смолоподобное вещество
Цветчерный
Теплопроводность, Вт/(м∙°С)0,17-0,27
Температура размягчения*, оС*от 35 (мальты) до неплавких (кериты, антраксолиты, гуминокериты)
Удельная теплоёмкость, кДж/(кг∙К)1,591-1,968
Диэлектрическая проницаемость2,5-3,3
Удельная электрическая проводимость, Ом-1∙см-11∙10-14

Примечание:

* Битум является аморфным веществом, не имеющим температуры плавления. Его переход из твердого состояния в жидкое характеризуют температурой размягчения. Температуру размягчения обычно определяют прибором «кольцо и шар», который помещают в сосуд с водой. Температура размягчения определяется температурой нагреваемой воды, при которой металлический шарик, под действием собственной массы проходит через кольцо, заполненное исследуемым битумом.

Нефтяной дорожный

В строительстве дорог используются битумы нефтяные дорожные (ГОСТ 22245-90). Существует несколько марок такого материала.

Чтобы правильно подобрать разновидность, следует определиться с типом климатической зоны.

Для природных условий, которые характеризуются температурой в холодное время года в среднем не выше -20 ˚С, подойдут в соответствии с ГОСТом такие дорожные битумы, как БНД 200/300, БНД 130/200, а также БНД 90/130.

Для регионов, где средние температуры в холодное время года составляют от -10 до -20 ˚С, предусмотрены битумы нефтяные дорожные ІІ и ІІІ климатической дорожной зоны. К ним относятся приведенные выше разновидности, а также БНД 60/90.

Если же среднемесячные температуры в холодное время года находятся в пределах от -5 до -10 ˚С, то ГОСТ предусматривает использование таких нефтяных дорожных битумов, как все вышеперечисленные виды, а также БНД 40/60, БН 90/130, БН 130/200, БН 200/300.

Для местности, в которой зима характеризуется среднемесячными температурами не ниже +5 ˚С, подходят нефтяные дорожные битумы таких типов, как БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130, БН 60/90, БН 90/130.

Способы получения битума

Битум может быть естественным (природным) или искусственным (техническим). Природный представляет собой полезное ископаемое органического происхождения. В особенно большом количестве встречается в регионах с большими залежами нефти.

Природный битум может иметь твердую форму или вязкую консистенцию. Образуется в ходе природного окисления и полимеризации нефти, происходящих при нарушении герметичности нефтяных залежей. Добыча ведется разными методами:

  • Очистным шахтным или карьерным, когда породу извлекают и используют для экстракции битума с помощью растворителей или горячей воды, к которой добавлены эмульгирующие составы.
  • Дренажным шахтным, который заключается в добыче посредством самотека битума через восходящую дренажную систему, состоящую из пробуренных скважин.
  • Скважинным, при котором битум извлекают из скважин, пробуренных с поверхности. Метод применяется для разработки месторождений жидких природных битумов (битуминозной нефти), которые залегают на глубине более 100 м. Коэффициент извлечения продукта равен 30%.

Карьерный и шахтный методы имеют коэффициент извлечения битума 85-90%. Способы применимы для месторождений горных пород, которые обладают насыщенностью более 10% и глубиной залегания 60-90 м.

С учетом состава исходной нефти и особенностей ее переработки битум делится на разные классы:

  • антраксолиты,
  • асфальты,
  • асфальтены,
  • гуминокериты,
  • кериты,
  • мальты,
  • нафтиды,
  • нафтоиды,
  • озокериты.

Особое распространение получили асфальтовые битумы, которые образуются в горных породах с пористой структурой. Их перемалывают до порошкообразного состояния, после чего используют в укладке дорожных покрытий.

Технический (искусственный или синтетический) битум – побочный продукт перегонки нефти, сланцев и каменного угля. Известным способом получения выступает вакуумная перегонка мазута. В зависимости от способа нефтепереработки битум бывает:

  • Остаточным. Мягкий и легкоплавкий продукт.
  • Окислительным. Эластичный и термостабильный битум.
  • Крекинговым. В битуме большое количество карбенов и карбоидов.

Особое внимание при получении битума уделяют содержанию парафинов, поскольку они негативно влияют на пластичные характеристики. Чтобы этого избежать, количество парафиновых составляющих ограничивают 5%.

Как растапливать?

Твердые виды битума обязательно требуется расплавить. Чтобы повысить эффективность растапливания, необходимо колоть битум на небольшие фрагменты. Эти куски обрабатывают соляркой либо отработанным маслом (с полным покрытием, но без толстого слоя сверху). Простым бытовым нагревателем битума оказывается обычно костер. Плавление идет в стальной бочке или ведре на слабом монотонном огне. В противном случае оно будет происходить неравномерно.

Расплавленный материал оставляют прогреваться дальше, пока не остановится появление пены. Добавляют наполнитель — распушенный асбест, мел, цемент или гипс. Далее доливают растворитель (ни в коем случае нельзя применять нефтепродукты).

Разжиженный битум разогревать не требуется. Он изначально подготовлен с расчетом на оптимальную консистенцию.

Виды

Искусственные

Такой продукт получается побочным образом в нефтяной промышленности при изготовлении горюче-смазочных материалов. Первоначально, правда, получается гудрон, и лишь при продувке горячим воздухом либо нагреве вырабатывают собственно битум. Отгонка в глубоком вакууме позволяет получить такой продукт на основе высокосмолистой нефти. Чаще всего это твердые, умеренно вязкие вещества. А также встречается и окисленный битум.

Это тот самый продукт, который создают продувкой кислородом гудрона и прочих нефтяных остатков. Такие остаточные вещества отличаются повышенной вязкостью. Крекинговые битумы вырабатывают, разлагая сырую нефть и масла при повышенной температуре.

Встречаются еще и компаундированные продукты, которые вырабатывают перемешиванием остатков после переработки природной нефти.

Компаундирующая технология подразумевает обычно введение:

  • каменноугольных масел;
  • полимеров;
  • дегтей;
  • легких нефтяных фракций.
Природные

Природные

Пластовый битум представляет собой породы, пропитанные жидкими минеральными смолами. Часто этими породами оказываются песчаник либо известняк. Поверхностный состав возникает, когда жидкости выходят на поверхность. Жильный битум — тот, что имеет небольшую долю минеральных включений. Получают природные продукты, вываривая их в горячей воде или извлекая органическими растворителями из различных пород.

Строительный битум пускают в ход, чтобы получать мастики, гидроизоляционные и иные материалы. Кровельный продукт используют при производстве мягких кровельных изделий. Та смесь, которая используется для асфальтобетонов, выделяется в особую группу. Для удобства готовое изделие поставляется в брикетах либо в кусковой форме. В некоторых случаях смолистой комбинацией пропитывают волнистый лист из органических волокон, и такое изделие позволяет исключить ударные деформации.

Состав

Битум имеет следующий состав в классическом варианте:

  • до 80 % углерода;
  • до 15 % водорода;
  • от 2 до 9 % серы;
  • не более 5 % кислорода;
  • от 0 до 2 % азота.

Перечисленные вещества находятся в виде соединений углеводородов, серы, кислорода и азота.

Все элементы можно классифицировать по трем группам.

1. Твердая составляющая – высокомолекулярные углеводороды, которые называются асфальтенами. Также к твердым составляющим относятся парафины.

2. Смолы – аморфные материалы, которые имеют темно-коричневый окрас.

3. Масляные фракции – это различные углеводороды, которые имеют плотность менее 1.

Битум – это достаточно сложное вещество с определенным соотношением всех составляющих. Повышение в его массе асфальтенов приведет к увеличению твердости, хрупкости и температуры размягчения.

Парафины также снижают пластичность битума, поэтому при производстве уделяется внимание снижению их содержания до 5 % и менее.

Технические характеристики

Для битума типичен черный либо темно-коричневый цвет. Это термопластичное вещество, которое будет при различной температуре твердым или приобретающим смолоподобную консистенцию. Если его сильно разогреть, происходит расплавление. Но текучесть даже у расплавленного вещества незначительна. Когда оно остынет, вернется исходная вязкость, однозначной температуры плавления нет.

Битум иногда, при нарушении техники безопасности, кипит в цистерне. Это происходит, если не слить оттуда остатки воды, а затем подать излишне горячий (около 120 градусов) продукт. В подобном случае разливаются небольшие «смоляные озера». Кислоты и щелочи битум обычно не растворяют, как и солевые растворы.

Образование пор для него не характерно, и даже тонкий слой окажется совершенно непроницаем для воды.

То, сколько сохнет битум и основанные на нем вещества, определяется рядом факторов. Играют роль и толщина слоя, и степень влажности воздуха, и температура. Объемный удельный вес равен 1500 кг, потому в 1 м3 содержится ровно 1,5 тонны вещества. В состав типичного битума входят:

  • от 70 до 85% углерода;
  • от 8 до 15% водорода;
  • от 1 до 8% серы;
  • от 1 до 5% кислорода;
  • не более 2% азота.

Точно охарактеризовать химический состав весьма сложно. Однако элементарные соединения в составе битума удалось разделить на 4 основные категории. Твердый компонент представлен высокомолекулярными углеводородами. Смолы — это содержащие серу аморфные вещества. А также есть кислоты (менее 3%) и нефтяные масла (их количество варьируется от 30 до 60%).

Расход

Этот показатель может меняться в широких пределах. Но рассчитывается он отдельно для каждого применения. В любом случае затрата на 1 м2 определяется сообразно типу материала и варианту его использования. Обычно показатель расхода приводится на упаковке (с поправкой на толщину слоя). Так, при нанесении гидроизоляции на фундамент слоем 2 мм можно будет потратить 3-3,9 кг реактива на каждый «квадрат» (в сухом весе).

При покрытии кровли обычная затрата начинается от 0,8 кг. Она может достигать (в одном слое) 1,8 кг. Многое зависит от:

  • марки;
  • температуры воздуха;
  • подготовки поверхности.

Технология нанесения

Жидкий битум часто выступает обмазочной гидроизоляцией. Технология включает некоторые особенности.

  1. Бетонную поверхность перед обмазкой нужно очистить, освободить от раковин с пузырьками, удалить острые выступы и вмятины в местах стыков опалубки. Используют для этого мелкозернистые цементные составы или сухие строительные смеси.
  2. Высушивают поверхность. Допускается влажность не более 4%.
  3. Рекомендуется обработать поверхность битумным праймером (марки БН70/30, БН 90/10). Наносят грунтовку в 1 слой. На участках, где примыкает цементно-песчаный раствор, в 2 слоя.
  4. Битумную мастику укладывают с увлажняющей стороны. Наносят ее полосами – шпателем, валиком, наливом. Слой должен быть одинаковым по толщине и сплошным.
  5. Накладывают мастику снизу вверх. Это важно.
  6. Следующий слой битума наносят после полного отвердения и высыхания предыдущего.

Слой считается высохшим, если при прикладывании ватного тампона на нем не остается следов.

Разновидности

Битумы классифицируются по нескольким признакам. Первый критерий – происхождение и состав.

  1. Природные битумы получают при добыче нефтяных полезных ископаемых. Их основной состав – углеводороды и производные, которые получаются при активном окислении нефтяных веществ в недрах земли. Природный углеводород может быть твердым или вязким. В привычном виде вещество получают на производстве, отделяя нужные фракции.
  2. Битумы для укладки асфальта получают при добыче пористых полезных ископаемых, залегаемых глубоко в недрах земной коры. Породу измельчают вместе с углеводородным веществом, получается материал для дорожных работ.
  3. Строительный битум – это синтетический продукт, получаемый из нефти промышленным путём. Материал используют для гидроизоляции конструкций и производства кровельных рулонных материалов и мягкой черепицы. Синтетический углеводород твердой структуры, для применения его растапливают до жидкого состояния, после чего он снова фиксирует свою форму уже на рабочей поверхности.

Факторы, влияющие на тип дорожного материала

Битум дорожный, ГОСТ которого предусматривает несколько типов такого вещества, характеризуется множеством различных свойств. Каждое придает определенные качества материалу.

Самыми важными из них, определяющими область применения битума, считаются пластичность, температура размягчения, хрупкость, вспыхивание, вязкость, адгезионные качества.

Высокие температуры способствуют увеличению степени вязкости битума. При похолодании материал теряет это качество и в момент достижении тепловой границы становится хрупким.

Увеличить пластичность помогает добавление в состав материала масел. Чем больше морозоустойчивость нефтяного дорожного битума, тем выше класс его качества.

Температура вспыхивания также является очень важным показателем для такого материала, как битум дорожный. ГОСТ предусматривает стандартную величину этого показателя +200 ˚С и выше. Чем больше температура вспыхивания, тем меньше пожароопасность вещества.

Показатель адгезии поможет узнать, как хорошо схватывается битум с основанием поверхности. Чем выше этот показатель, тем прочнее держится материал на поверхности.

Маркировка и расшифровка материала

При маркировке продукта указывают следующее.

  • 2 или 3 литеры в начале обозначают применение материала. БН – битум нефтяной, указывает на строительную модификацию. БНК – кровельную, БНД – дорожную.
  • Цифры, следующие за аббревиатурой и написанные через косую черту, указывают на пенетрацию. Это глубина проникновения иглы материала на 0,1 мм при +25°С и при 0°С. Показатель демонстрирует, насколько изменяется твердость и упругость материала под действием температуры.

Иногда в маркировке появляются дополнительные литеры. Они обозначают добавки, которые влияют на свойства битума.

Способы (область) применения

Битум – древнейший строительный материал, который был известен человеку еще в эпоху неолита. Тогда его использовали для изготовления посуды, изоляции редких видов дерева в строительстве, в качестве связующего в мозаиках из полудрагоценных камней и раковин.

Природный битум – не товарный продукт. Чтобы сделать его таким, необходимы дополнительные технологические процессы. После этого материал становится подходящим для использования в разных сферах:

  • В строительстве. Ввиду нерастворимости в воде материал используется в гидроизоляционных работах. В отношении зданий и сооружений, трубопроводов, фундаментов.
  • В дорожных работах. Битум активно используется при изготовлении асфальтобетона.
  • В кровельных работах. Из битума производят мягкие кровельные материалы: рулонные и в виде черепицы. Примеры: рубемаст, гидростеклоизол, рубероид, мастика, пергамин, битумная бумага, стеклоэласт.

При использовании в строительстве битум проявляет несколько недостатков: низкую упругость, склонность к высыханию и высокую термочувствительность, которая проявляется в виде хрупкости при низкой и размягчении при высокой температуре. Чтобы устранить эти минусы, используют модифицированный битум, в который добавляют модификаторы, улучшающие свойства продукта.

Дополнительно битум используют как электроизоляцию в электротехнической промышленности, в отделке деревянных, кожаных и бумажных изделий, в изготовлении аккумуляторных мастик, изготовлении кабельной и лакокрасочной продукции, в прецизионном литье.

Хранение и перевозка

Складирование битумов происходит в специальных резервуарах. Они оборудованы механизмами перемешивания подогреваемого вещества. Эта техника должна иметь особые пути подачи водяного пара для профилактики вспыхивания паров материала.

Для опустошения резервуаров в них предусмотрено дно под уклоном.

Техника, перевозящая жидкий битум дорожный, оборудована специальными насосами, которые перекачивают вещество.

Если же материал перевозят в твердом виде, используются специальные разборные формы.

В процессе транспортировки и хранения обеспечиваются все требования пожарной безопасности, так как битум относится к легко воспламеняемым веществам. Выполняя все правила безопасности, можно не бояться возникновения непредсказуемых ситуаций в работе с этим материалом. Изучив свойства и разновидности материала, можно грамотно применять его в строительстве различных объектов.

Битум – это вещество, обладающее такими положительными качествами, как влагостойкость, прочность, неподверженность климатическим воздействиям, низкая звуко- и теплопроницаемость, а также малая проводимость тока. Благодаря этим свойствам он является очень востребованным и надежным строительным материалом.