Битумы и их применение в народном хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Классификация битумов

2. Состав битумов

3. Природный битум

4. Добыча и переработка природных битумов

5. Искусственный битум

6. Применение нефтяных битумов

Заключение

Введение

Битум - это твердое или смолоподобное вещество, применяемое в качестве связующего в строительной сфере. Его отличительным качеством выступают высокая адгезия к различным поверхностям и гидрофобность. Вещество имеет темно-коричневый или черный цвет.

Битум был первым продуктом из нефти, которым пользовался человек: уже за 3800 лет до н.э. его применяли как строительный материал. Битумы и асфальты, добываемые в районах нефтяных месторождений, использовали в качестве связывающих, антисептических, противокоррозионных и водонепроницаемых материалов, для строительства зданий и башен, водопроводных и сточных каналов, туннелей, зерно- и водохранилищ, дорог, в судостроении, медицине и мумификации трупов. С развитием нефтяной промышленности возросла переработка асфальто-смолистых нефтей, увеличилось производство и улучшилось качество битумов, которые вытеснили природный асфальт, но добыча последнего продолжается до сих пор.

В настоящее время битум широко применяют в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и реактивной технике , а также для защиты от радиоактивных излучений. Ведущей областью применения битумов являются строительство и ремонт дорог, жилых домов, промышленных предприятий и аэродромов.

битум нафтиды крекинговый

1. Классификация битумов

Под термином «битум» понимают жидкие, полутвердые или твердые соединения углерода и водорода, содержащие небольшое количество кислород, серу, азотсодержащих веществ и металлов, а также значительное количество асфальто-смолистых веществ, хорошо растворимых в сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях . Битумы могут быть природного происхождения или получены при переработке нефти, торфа, углей и сланцев. Для битуминозных материалов можно предложить классификацию, приведенную в таблице 1.

Таблица 1

2. Состав битумов

Битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефти и их гетеропроизводных, содержащих кислород, серу, азот и металлы (ванадий, железо, никель, натрий и др.). Элементарный состав битумов примерно следующий (в вес.%): углерода 80--85; водорода 8--11,5; кислорода 0,2--4; серы 0,5--7; азота 0,2-- 0,5.

Характерно, что с увеличением содержания серы в битуме повышаются его плотность (рис. 1) и коэффициент рефракции его масляного компонента (рис. 2)

Для разделения битумов на группы разработано большое число методов. Наиболее характерными и широко применяемыми в практике являются методы Маркуссона, ГрозНИИ, Н. Фурби, Н.И. Черножукова и Г.А. Тилюпо, С.Р. Сергиенко и сотрудников, О'Доннелля, Л.P. Клейншмидта, А. Бестужева и Д. Баргмана, ВНИИ НП и СоюзДорНИИ. Применяя различные методы разделения битумов и растворители, получают различные результаты по числу групп, их содержанию и структуре. Так, доля асфальтенов, осажденных при помощи петролейного эфира, меньше, чем при использовании н-гептана, и т.д. По методу Маркуссона битумы разделяют на масла, смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды. Часто пользуются делением битума на асфальтены и мальтены, представляющие собой сумму масел и смол.

Масла снижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость. Элементарный состав масел: углерода 85-88%, водорода 10-14%, серы до 4,5%, а также незначительное количество кислорода и азота. Молекулярный вес масел 240-800 (обычно 360-500), отношение С:Н (атомное), характеризующее степень ароматичности, обычно равно 0,55-0,66. Плотность масел меньше 1 г/см³ (103 кг/м³). Характеристика масляных соединений, входящих в состав битумов, следующая. Парафиновые соединения нормального и изостроения с числом углеродных атомов 26 и более, имеют плотность 0,79-0,82 г/см³ (790-820 кг/м ³), коэффициент рефракции 1,44-1,47, молекулярный вес 240-600, температуру кипения 350-520°С, температуру плавления 56-90°С. Нафтеновые структуры содержат от 20 до 35 углеродных атомов, плотность 0,82-0,87 г/см³ (820-870 кг/м³), коэффициент рефракции 1,47-1,49, молекулярный вес 450-650.

Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. В свободном виде они представляют собой твердые неплавящиеся хрупкие вещества черного или бурого цвета. В отличие от других компонентов битумов они нерастворимы в насыщенных углеводородах нормального строения (С5--С7), а также в смешанных полярных растворителях -- спирто-эфирных смесях и низкокипящих спиртах, в нефтяных газах (метане, этане, пропане и др.), но легко растворимы в жидкостях с высоким поверхностным натяжением более 24 дин/см (24 мн/м) -- бензоле и его гомологах, сероуглероде, хлороформе и четыреххлористом углероде.

Смолы при обычной температуре -- это твердые вещества красновато-бурого цвета. Их плотность 0,99-1,08 г/см³ (990-1080 кг/м³). Смолы являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Они относятся к структуры высокой степени конденсации, соединенным между собой алифатическими цепями.

В их состав входят кроме углерода (79-87%) и водорода (8,5-9,5%) кислород (1-10%), сера (1-10%), азот (до 2%) и много других элементов, включая металлы (Fe, Ni, V, Cr, Mg, Со и др.). Молекулярный вес смол 300-2500. Химический состав асфальтенов вследствие его сложности изучен недостаточно. Предложено несколько типов полициклических структур как основных звеньев молекул смол и асфальтенов.

Технология получения битумов существенно влияет на их состав. Так, содержание смол в битумах одной и той же температуры размягчения, полученных непрерывным окислением сырья в колонном аппарате и в змеевиковом реакторе, ниже, а содержание асфальтенов и масел несколько выше, чем в битумах, полученных окислением того же сырья в периодическое кубе. Отличаются также структура компонентов и свойства готовых битумов, полученных различными способами.

3. Природный битум

Природные битумы -- полезные природные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой -- нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления. По своему составу, зависящему от состава исходных нефтей и условий их преобразования, подразделяют на несколько классов: мальты (вязкие сгустившиеся нефти, подвергшиеся старению и выветриванию) и нафтиды. Нафтиды весьма широко распространены в природе -- это нефть и её производные: асфальты, асфальтиты, кериты, антраксолиты, озокериты и т.д. Добычу битумов проводят карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески), после чего битумы извлекаются из добытых асфальтовых горных пород с помощью органических растворителей или вываркой в горячей воде.

Искусственные или технические битумы -- это вторичные продукты переработки нефти, сланцев, каменного угля. По своему составу они сходны с природными битумами.

4. Добыча и переработка природных битумов

Добыча и переработка природных битумов производится в следущей последовательности: 1. добыча битумосодержащей породы. 2. разделение битумосодержащей породы на органическую и минеральные части. 3. транспортировка и переработка битума.

В зависимости от условий залегания и физических свойств сырья разработка месторождений природных битумов классифицируется следующим образом:

Карьерным и шахтным очистным. При данном способе породу извлекают на поверхность, где из нее экстрагируют битум органическим растворителем или горячей водой с добавкой эмульгирующих составов. Данным способами разрабатываются месторождения с содержанием в породе битума не менее 10% и глубиной залегания 60 -- 90 метров. Коэффициент извлечения битума при этом достигает 85 -- 90%. Примером такого способа добычи является Ярегское нефтяное месторождение в Республике Коми.

Шахтным, дренажным. При данном способе битумы добываются в шахте самотеком через дренажные скважины, пробуренные из горных выработок.

Скважинным, внутрипластовым -- битумы добываются путем термического или иного физического воздействия на породу насыщенную битумом через скважины, пробуренные с поверхности. Скважинными способами разрабатываются месторождения глубиной залегания жидких природных битумов (битуминозная нефть) более 100 метров. При скважинных способах коэффициент нефтеотдачи достигает в среднем 30%. В Татарстане битуминозную сверхвязкую нефть добывают на Ашальчинском месторождении. Здесь пробурено несколько пар дугообразных скважин с выходом на поверхность. Скважины расположены параллельно друг от друга на расстоянии несколько метров. В одну скважину подается пар, прогревающего пласт, а из другой происходит откачки нефти, ставшей менее вязкой под воздействием прогрева. Данный метод носит экспериментальный характер, экономически себя не оправдавший.

Твердый Битум также применяют в различных отраслях народного хозяйства: в литейном деле -- как один из компонентов модельных составов при прецизионном литье ; в качестве электроизоляционного материала в электротехнической промышленности, а также для отделки различных изделий из бумаги, кожи, дерева, и пр.

Мировые запасы природного битума составляют около 580 млрд т, добыча 115 млн.т

5. Искусственный битум

Искусственные битумы (технические битумы) -- это продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. Искусственные или технические битумы сходны по химическому составу с природными битумами. По виду технологического цикла искусственные битумы разделяют на окислительные, остаточные и крекинговые.

Данный тип битума является вторичным продуктом, получаемым при переработке нефти. При отборе из нее топлива и смазки получается гудрон. В результате продувки воздухом или нагрева он превращается в нефтяной битум. Продукт полученный таким образом называется окисленным. Его характерным качеством является достаточно высокая эластичность и тепловая устойчивость.

В том случае, если нефть поддается отгонки для вывода топлива с помощью вакуумной установки, то образованный в результате производства осадок является остаточным битумом. Его отличительным качеством выступает более высокая твердость и низкая вязкость.

Если переработка нефти осуществляется путем ее разложения для выхода бензина, что сопровождается высокими температурами, то полученный в результате осадок обладает хрупкостью. Это совершенно другой по качеству материал, который называют крекинговым битумом.

6. Применение нефтяных битумов

Значение битума в производстве дорожных покрытий первостепенно. Такие покрытия обеспечивают прочность, безопасность и в 2-2,5 раза дешевле, чем бетонные. Дорожные одежды состоят из основания (которое придает покрытию прочность, делает его ровным, а также передает давление транспорта на грунт) и дорожного покрытия. Общим для большей части дорожных покрытий является сочетание в них минеральных заполнителей и битума, в которых последний используют в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды.

Выбор типа покрытия и способа его строительства определяется местными условиями, характером автотранспорта и интенсивностью движения по данной дороге. Применяют следующие способы строительства дорожных покрытий: поверхностную обработку битумом дороги, грунта, основания; пропитку битумом дороги; покрытие дороги битумом, предварительно смешанным с каменным материалом в асфальтосмесителе; смешение битума с каменным материалом на дороге. В зависимости от температуры обрабатываемой и укладываемой смеси различают горячий и холодный способы строительства дорожных покрытий.

До настоящего времени применяют методы испытаний и оценки свойств битумов, существующие с конца прошлого столетия и уже не удовлетворяющие современным требованиям: они не отражают действительных условий работы битума в дорожных покрытиях, а характеризуют только некоторые его свойства в момент производства. Так, растяжимость является показателем весьма условным; все еще не установлена какая-либо взаимосвязь между растяжимостью битумов и свойствами полученных из них асфальтовых смесей.

Это объясняется тем, что при приготовлении таких смесей битум распределяется тонкой пленкой по поверхности каменного материала, нагретого до 200°C, и свойства его в этих условиях изменяются. Весьма трудно правильно оценить изменение структуры, состав и свойства битума в результате его службы в покрытии.

Результаты зависят от растворителя, применяемого для извлечения битума из смеси. С течением времени пенетрация битума в покрытии снижается с 40-70 до 10-20*0,1 мм и в нем появляются трещины. Предполагают, что одна из основных причин образования трещин в дорожных покрытиях -- применение вязкого битума с незначительной первоначальной пенетрацией (30--40). Поэтому даже в южных районах рекомендуется использовать битумы с пенетрацией 90-120*0,1 мм.

Общая тенденция в настоящее время -- применение возможно более мягкого битума, чтобы только была обеспечена необходимая температурная стойкость его в жаркую погоду. Битумы с повышенной температурой размягчения при одинаковой пенетрации более теплостойки.

Битумы как водозащитные средства применяют очень давно. Они водонепроницаемы и устойчивы к разрушению при низких температурах, нетоксичны и могут безопасно применяться для покрытия хранилищ питьевой воды и облицовки труб водоснабжения.

Битумы широко применяют в гидротехнических сооружениях, в частности, чтобы предотвратить просачивание воды в водопроницаемые породы и предохранить от оползней берега и каналы. Гидроизоляционный материал получают смешением битума с минеральным наполнителем. Покрытия из такого материала гарантируют долговременную защиту от протекания воды в бассейнах, водохранилищах, плотинах, дамбах, склонах побережий рек, морей, каналов, гаваней, портов. Смесь обладает также достаточной прочностью при действии нагрузок и имеет низкую стоимость по сравнению с другими материалами.

Затраты на гидросооружения с применением битумных материалов быстро окупаются. Битумные смеси используют и при строительстве молов и волноломов. При оседании мола покрытие деформируется, но не растрескивается. Впрыскивание в почву специальных битумных эмульсий.

Битумы широко применяют при производстве кровельного (рубероидного) и водоизоляционного картонов -- гидроизоляционных материалов для покрытия крыш, промышленных, гражданских и других сооружений.

Технология производства названных строительных материалов примерно одинакова и может быть проиллюстрирована примером получения рубероида: на тряпичный картон, пропитанный мягким битумом, накладывают слой из окисленного битума с минеральным наполнителем. Картон выпускают рулонами стандартной ширины и листами различных конфигураций. Сборные кровельные покрытия производят в виде кровельного картона из нескольких слоев. На месте потребления такой картон пропитывают и проклеивают расплавленным битумом. Если кровельный картон используют в качестве основы для укладки шифера, его часто упрочняют, подклеивая к нему слой ткани.

Ткани, пропитанные битумом, применяют в системах шахтной вентиляции и для водонепроницаемых покрытий. Бумагу с одно- и двусторонним битумным покрытием и многослойную бумагу, склеенную битумом, и иногда -- с тканевой прокладкой, используют для упаковки и в строительстве. Бумагу, пропитанную мягкими битумами, применяют в производстве электрокабелей, для водозащитных покрытий и тепловой изоляции промышленных трубопроводов.

Битумом пропитывают также асбестовые ткани и стеклянный войлок. Битум в виде эмульсии можно вводить в волокно при формовании бумаги. Этот способ успешно используют при производстве тяжелых сортов картона, чтобы придать ему полную водонепроницаемость.

Битумы водо- и газонепроницаемы, хорошо противостоят атмосферной и химической коррозии, поэтому их применяют в качестве противокоррозионных покрытий. На основе битумных вяжущих веществ изготовляют материалы и изделия для защиты металлов от действия кислот и щелочей, кислорода воздуха при температурах 20 - 60°С. Противокоррозионным материалом покрывают металлические конструкции, находящиеся в атмосфере, в воде и в земле, бетонные подземные каналы, в которых смонтированы кислотопроводы, полы в цехе, где возможен разлив серной кислоты, вентиляционные трубы и трубопроводы. Материалы для гидроизоляционных покрытий изготовляют в виде мастик (замазок), растворов и бетонов, гидроизоляционных рулонных и листовых материалов, порошков и лаков.

Мастики по способу применения делятся на горячие и холодные. Их применяют как для основного изоляционного слоя, так и в качестве приклеивающего состава при нанесении рулонных (бриола, гидроизола), стекловолокнистых и других материалов, а также в качестве изоляционного или противокоррозионного материала при строительстве магистральных газопроводов, нефтепроводов и трубопроводов для нефтепродуктов. Для производства мастик пользуются такими сортами окисленных битумов, которые дают прочный защитный покров (не плавящийся при температурах окружающего воздуха, не разрушающийся под действием слоя земли), достаточно эластичных, т. е . не растрескивающихся при ударах во время транспортирования и укладки труб.

К другим областям применения битумов можно отнести: строительство промышленных н гражданских зданий и сооружений; получение заливочных аккумуляторных мастик, электроизоляционных лент и труб, покрытий для изделий радиопромышленности, термопластических формовочных материалов, пластификаторов, кокса, смазок для прокатных станов, специальных покрытий и изделий, коллоидных растворов, применяемых при бурении нефтяных и газовых скважин; брикетирование; защиту от радиоактивных излучений; повышение урожайности; защиту от действия микроорганизмов и др.

Заключение

В будущем битумы благодаря своим специфическим свойствам -- прочности, термопластичности, водонепроницаемости, стойкости к воздействию атмосферных явлений, плохой проводимости тепла, электричества и звука и другим -- найдут еще более широкое и разнообразное применение в народном хозяйстве.

Размещено на Allbest.ru