Материалы, скрепленные битумом, называются битумными материалами. Изначально применение битумных материалов ограничивалось дорожным строительством. Теперь их применение распространилось на область строительства крыш, для промышленных целей, ковровой плитки, красок и в качестве специального покрытия для гидроизоляции.
- Использование битумных материалов в гибких дорожных покрытиях
- Составные части битумных материалов
- Источники битума
- Природный битум или природные асфальты
- Битум нефтеперерабатывающих заводов
- Производство битума
- Структура битума
- Влияние компонентов битума на свойства материала
История Битумные материалы
До появления битума в качестве связующего материала для битумных материалов использовался деготь.
После 20-го века в Великобритании появились новые типы транспортных средств с пневматическими шинами. Это было время, когда гудрон использовался при строительстве дорог на больших площадях.
Дорога строилась с использованием водосвязанных и гранулированных заполнителей в соответствии с принципами, разработанными компанией Macadam. Дороги Macadam производили большое количество пыли из-за действия пневматических шин и скорости движущихся транспортных средств. Это приводило к связыванию поверхности дороги гудроном.
Гудрон выступает в качестве подсыпки для покрытия поверхности. Он хорошо подходит для этой цели, так как его можно сделать полужидким и распылить соответствующим образом. При охлаждении он застывает и защищает дорогу от воздействия воды.
История битума началась с нефтеперерабатывающего битума, который использовался на мексиканских нефтяных месторождениях в Великобритании, примерно в 1913 году. Но в 1920 году именно нефтеперерабатывающий завод Shell Haven сыграл свою роль в привнесении битума в дорожное строительство.
Разница между битумом и гудроном
По сравнению с дегтем, битум менее восприимчив к температуре. Таким образом, для данной температуры битум имеет большую жесткость по сравнению с гудроном при той же температуре.
Это подтверждает более высокую устойчивость к деформации и размягчению по сравнению с гудроном. В дальнейшем, при высоких абразивных нагрузках, они ведут себя более хрупко и обладают высокой трещиностойкостью.
Со временем увеличивается количество транспортных средств, а значит и интенсивность движения. Следовательно, необходимо было создать дороги с растущими эксплуатационными характеристиками. Это привело к полному использованию битума вместо гудрона.
Виды битума
Чтобы соответствовать самым разным обстоятельствам, были разработаны самые разнообразные битумные смеси. Основные различия связаны с изменением содержания битума, марки битума, типа используемого заполнителя и размера заполнителя.
Традиционно в Великобритании битумы делятся на две категории. Первая – “асфальт” и вторая – “щебень“. В Северной Америке асфальт называют битумом.
Асфальт – это битумная смесь, прочность и жесткость которой достигается за счет свойств раствора. В то время как в случае с щебеночным покрытием прочность зависит от заполнителей, используемых в смеси (т.е. от градации заполнителей).
В каждом из указанных случаев свойства битума меняются. Выяснилось, что свойства асфальта в большей степени зависят от свойств битума, чем в случае с щебнем.
Представление асфальтовой смеси и ее характеристики
Представление смеси для макадама и ее характеристики
Использование битумных материалов в гибких дорожных покрытиях
Битумные материалы в основном используются для строительства гибких дорожных покрытий. Когда в дорожном строительстве используются бетонные плиты, мы называем это жесткой конструкцией.
Само гибкое дорожное покрытие имеет несколько слоев, каждый из которых выполняет определенные функции под нагрузкой. Общий вид слоев в гибком дорожном покрытии показан на рис. 3.
Различные слои в конструкции гибкого дорожного покрытия
В зависимости от положения и функции материала меняется и его характер. Поверхностный слой, связующее, а также основание могут быть из асфальта. Но тип и свойства асфальта в каждом из этих слоев различаются в зависимости от местоположения и функции.
Асфальт в поверхностном слое отличается от асфальта, используемого в связующем слое или в основании.
Составные части битумных материалов
Гранулированный заполнитель и битум являются составными частями битумного материала. В них присутствует небольшая доля воздуха, что делает битум трехфазным материалом.
Все свойства битумного материала в значительной степени зависят от индивидуальных свойств каждой фазы и их соответствующих пропорций в смеси. Две твердые фазы, т.е. битум и заполнитель, различны по своей природе.
Заполнитель жесткий и твердый по своей природе. Битум эластичен и изменяется под воздействием температуры, так как он мягкий. Таким образом, на характеристики материала в целом сильно влияет доля битума во всей смеси.
Подача битума может осуществляться различными способами в зависимости от того, требуется ли он для укладки или для облегчения каких-то других работ. Когда речь идет о качестве и характеристиках битумного материала, качество заполнителя также является основным фактором.
Мы можем использовать либо непрерывно градированные заполнители, которые называются асфальтобетоном (раньше в Великобритании они назывались щебнем, о чем говорилось в предыдущих разделах), либо использовать заполнители с разрывами, которые называются горячекатаным асфальтом или каменным асфальтом (в Великобритании они были известны как асфальт).
Заполнитель – это мелкий компонент заполнителя, который проходит через 63 микрона. Гранулированная смесь заполнителей может содержать некоторое количество наполнителей. Но когда этого недостаточно, используется дополнительный наполнитель в виде портландцемента, гашеной извести или известняковой пыли.
Источники битума
Битум в основном имеет два источника, а именно:
- природный битум
- Битум нефтепереработки
Природные битумы или природные асфальты
Битум получают из нефти естественным путем с помощью геологических сил. Они находятся в тесной связи с минеральными агрегатами. Они откладываются в пропитанных битумом породах и битуминозных песках, содержащих лишь небольшое количество битума в процентном соотношении.
Валь-де-Траверс в Швейцарии и “смоляные пески” в Северной Америке имеют значительные запасы битума. Скальные асфальты содержат 10% битума в виде известняка или песчаника, пропитанного битумом.
Озерные асфальты состоят из битумного “озера”, которое находится в битуме в виде дисперсного мелкодисперсного минерального вещества. Для дорог в Великобритании используется битум из залежей ранее упомянутых озерных отложений, найденных в озере Тринидад.
Асфальт, найденный в озере, очищают до частичного состояния, нагревая его до температуры 1600C. Это делается в открытой мастерской для удаления излишков воды. Затем материал фильтруется. Затем его перекачивают в бочки и транспортируют.
Материал трудно использовать непосредственно на дорогах, так как он состоит на 55% из битума, на 35% из минеральных веществ и на 10% из органических веществ. Даже после очистки перед использованием его смешивают с битумом нефтепереработки.
Битум нефтепереработки
Этот битум представляет собой остаточный материал, который остается после процесса фракционной перегонки сырой нефти. Нефть из разных стран отличается по содержанию битума.
Установлено, что нефть с Ближнего Востока и Северного моря должна пройти дальнейшую обработку даже после дистилляции, чтобы получить конечный битум. В этих источниках содержание битума очень мало.
Но нефть из Карибского бассейна и близлежащих стран дает более высокое содержание битума, который может быть извлечен с большой легкостью.
Производство битума
Производство битума – это длительный процесс, который вкратце представлен на приведенной ниже блок-схеме. Битум – это остаточный материал. Конечное свойство битума зависит от степени извлечения, вязкости и процесса дистилляции.
Настоящая нефтеперерабатывающая установка имеет возможность более точного извлечения битума требуемой вязкости и консистенции.
Блок-схема приготовления битума на НПЗ
Структура битума
Углеводороды и их производные, сформированные в сложной коллоидной системе, образуют структуру битума.
Битум представляет собой коллоидную систему, которая растворяется в трихлорэтилене. Этот растворитель используется для определения компонентов, присутствующих в битуме.
Составные части битума можно разделить следующим образом:
- Асфальтены: Нерастворимы в легких алифатических углеводородных растворителях.
- Мальтены: Растворимы в н-гептане.
Коллоидная система битума представляет собой систему с твердыми частицами асфальтенов, которые вместе образуют кластер молекул или это могут быть мицеллы; континуум мальтенов.
В зависимости от дисперсности мицелл битум может существовать либо в форме раствора, либо в форме геля. Раствор образуется при полном диспергировании. Гель образуется, когда мицеллы подвергаются флокуляции и превращаются в хлопья.
Битум принимает гелеобразный характер, когда в нем большее количество насыщенного масла молекулярного веса меньше. Битумы с ароматическими маслами проявляют характер sol. Это тот, в котором больше асфальтенов.
Влияние компонентов битума на свойства материала
Отдельные фракции, образующие битум, несомненно, вносят определенный вклад в свойства битумного материала.
- Асфальтены – это фракция, которая формирует тело материала.
- Смола в битуме способствует адгезии и пластичности материала.
- Вязкость и реология материала обеспечиваются маслами, присутствующими в битумном материале.
- Жесткость материала регулируется серой, которая присутствует в значительных количествах, в основном в высокомолекулярных взвешенных фракциях.
- Присутствие определенного комплекса кислорода влияет на кислотность битума. Кислотность битума – это фактор, определение которого поможет определить способность битума сцепляться с частицами заполнителя.
- Градация битума – различные методы градации битума.
- Различные виды битума, их свойства и применение.
- Асфальт, битум и гудрон – виды, различие и сравнение.
- Вязкость битумных материалов – измерения и факторы.
- Почему битум используется в дорожном строительстве? Свойства и преимущества битума для дорожных покрытий.
- Долговечность битумных покрытий и факторы, влияющие на нее.
- Виды битумных смесей для строительства дорожных покрытий и их применение.