Виды битума, что это такое, область применения

Битум искусственный и природный благодаря своим свойствам нашел широкое применение в различных производствах. Его используют не только для благоустройства дорог, но и в лакокрасочном производстве, в качестве изоляционного материала и  герметика.

Битум — что это такое?

Битум  (горная смола) – природное или искусственное вещество. Переводится он как  «асфальтовый», «горная смола». Он по виду напоминает твердую смолистую субстанцию темно-коричневого или черного цвета. В своем составе он содержит соединения серы, азота, металла, кислорода. Отличаясь высоким сцеплением с различными покрытиями, он используется в качестве связующего при выполнении строительных и ремонтных работ. Материалы, пропитанные им, становятся нечувствительными к влаге и  пару. В воде он нерастворим, но растворяется частично в хлороформе, бензоле и некоторых иных растворителях.

Фракционный (химический) состав и характеристики битума

Органическое вещество собой представляет смесь углеводов и их производных (неметаллических). Порядка 70-87% в нем содержится углерода, 8-12% водорода, 0,5-7% серы, 0,2-12% кислорода и до 2% азота.

В зависимости от происхождения, его плотность колеблется в диапазоне 0,95-1,5 г/ см³, теплоемкость лежит в диапазоне 1,8-1,97 кДж/кг•°С. Хотя использоваться самостоятельно в качестве теплоизоляционного материала он не может, входя в состав строительных смесей, помогает сохранять тепло. Такой состав обеспечивает материалу уникальные свойства.

Технические характеристики и маркировка

Вещество аморфно: являясь материалом твердым, при воздействии температуры (160-200 градусов), битум переходит в жидкое состояние. Им можно пропитывать поверхности, придавая им влагостойкость. При охлаждении, происходит процесс полимеризации, благодаря чему объекты, смоченные  битумом, надежно склеиваются, а последний застывает, образуя беспористый непроницаемый слой. Вязкость напрямую зависит от температуры: на холоде он густей очень быстро.

Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам, применяется материал также для изоляции.

Битум устойчив к действию агрессивных веществ: щелочей, кислот, солевых растворов, но, как упоминалось, растворяется в ацетоне, бензоле и других растворителях.

Упругий и гидрофобный материал изменяет свойства под воздействием ультрафиолетовых лучей и воздуха. Эти показатели снижаются, как и содержание масел и смол.

 Состав

Существует несколько разновидностей битума, но все они включают в свой состав:

• смолы (20-40% от общего объема). Улучшают сцепление с поверхностями;
• масла нефтяные (30-60%). Отвечает за пластичность и вязкость;
• кислоты асфальтогеновые (до 3%). Необходимы для обеспечения липкости покрытия;
• асфальтены (10-40%). Обеспечивают  веществу твердость и тугоплавкость.

Классификация битума по происхождению

Битумы, по методу их получения, делятся на 2 группы – природные, извлекаемые как ископаемое из горных битумных пород, и искусственные. Битумы природные отличаются от нефтяных низким содержанием парафина и высоким – минералов.

Технический (искусственный) битум

Искусственный битум (технический) – это вторичный продукт нефтеперегонки. Гудрон, образующийся после отбора из исходного сырья топлива и смазки, подвергают нагреву или продуву, получая эластичный нефтяной битум с высоким показателем теплоустойчивости.

Маркировка используемых в строительстве битумов

Битумы по консистенции классифицируются на:

• твердые – высокопластичные, хрупкие, пластичные;
• вязкие;
• жидкие (ражиженные), получаемые смешиванием битумов вязких с разжижителями (лигроином керосином, мазутов и др.). В зависимости от использованного разжижителя получают те или иные свойства материала. Эта группа подразделяется на  битумы средне- и медленногустеющие (СГ и МГ).

Все они используются в строительстве. Для основных работ предпочтительным считается марка БН 50/50, 70/30, 90/10. Для кровельных работ выбирают битумы с температурой воспламенения 240 градусов —  БНК 45/90, 45/180, 90/30, которые идеально пропитывают кровлю, наделяя ее влагозащитными свойствами. Для покрытия дорог в работу берут дорожные нефтяные битумы марок БНД 40/50, 90/130 (для асфальтобетонных горячих смесей), 60/90 (для дорожных щебеночных оснований) и 130/200.

Для дорог используются также улучшенные битумы марок БНД –У 70/100 и БНД-У 100/130.

Распространенные стройматериалы на основе битума

Производители сегодня могут предложить огромное разнообразие строительных материалов, изготовленных на основе битума:

• герметики. Составы на основе битума широко используют для гидроизоляции. Они являются надежной защитой от всякого рода протечек. Хорошо зарекомендовали они себя при монтаже мансардных окон, при заделке трещин на бетонных поверхностях и пр.;
• краски, которые обычно имеют темный цвет, что ограничивает их область применения. В то же время они отлично защищают поверхность, контактирующую с водой;
• мастики. Большой популярностью они пользуются при проведении работ по гидроизоляции;
• кровельные материалы. Они обеспечивают высокую устойчивость к повреждениям механического характера за счет верхнего слоя из каменной крошки, и отличную гидроизоляцию благодаря возможности сформировать монолитную водонепроницаемую мембрану при нагревании битумной основы.

Природный битум

К этой группе битумов, доля которых в общем объеме потребления достигает 90%,  принадлежат:

• чистый, содержащий не более 10% минеральных примесей;
• асфальтовые породы – известняки и доломиты;
• асфальтиты – высокоплавкие;
• асфальты – смесь из минералов и асфальтного материала.

Состав

Элементарно состав битума включает: углеводород, водород и серу, но потребителю более интересен его состав. В него входят:

• нефтяные масла, придающие пластичность (до 60%);
• смолы, повышающие адгезию (до 40%);
• асфальт-тены, карбены и карбиды обеспечивающие тугоплавкость и твердость (40%);
• кислота асфальтеновая (3%), играющая роль ПВА.

Могут в смеси входить в небольшом количестве и другие компоненты. Чаще ими выступают минеральные добавки.

Как добывают

Добыча битумных пород может быть описана такой общей схемой:

• извлечение породы;
• выделение минеральной и органической составляющей;
• транспортировка и переработка.

Отличие в добыче могут быть связаны с залеганием породы:

• извлекши породу из шахты или карьера наверх, смесь экстрагируют путем варки или применением растворителя, получая эмульсию (шахтный или карьерный способ);
• рудничным методом породу добывают на глубине залегания до 90 м. В ней содержится всего до 10% битума;
• при шахтном дренаже битум выходит наверх самотеком по системе дренажных каналов. Метод хорош для добычи жидкой смеси, глубина залегания которой больше 100 метров;
• скважный внутрипластовый способ добычи заключается в термическом воздействии на породу через пробуренную скважину При этом коэффициент извлечения не превышает 30%, поэтому им пользуются редко. Тем более, что товарным продуктом природный битум не является, поскольку требует дополнительной обработки.

Где применяют

Битум делят по применению следующим образом:

• строительный – применяется для выпуска других материалов, для гидроизоляции, изготовления мастик (маркируется БН);
• кровельный – идет на изготовления мягкой кровли (ондулин и подобная), мягкой черепицы (БНК);
• дорожный – используется для производства асфальтобетона (БНД);
• изоляционный – применяемый для получения гидроизоляционных материалов типа стеклоизол, гидроизол, битумная мастика;
• специального назначения – для электротехнической продукции и лакокрасочного производства.

Химический битум

Этот материал производят из остатков, получаемых в процессе нефтеперегонки, а не добывают. Метод получения снижает стоимость итогового продукта. При этом имеется возможность модификации.

Технология производства

Технологий добычи битума 4:

• Остаточная. Для ее реализации нужны специальные аппараты. Способ получения предусматривает глубоководную отгонку. В результате получают слабовязкий твержый продукт.
• Окисление. Смесь получают повышенной вязкости. Модификация получается устойчивой к нагреву и эластичной в сравнении с природным вариантом.
• Кренинг. Конечный продукт отличается высокой хрупкостью, из-за чего не используется широко.
• Компаундирование – универсальный метод, использующий смешивание остатков, образующихся в результате перегонки нефти. Для получения битума с оговоренными свойствами в качестве добавок используют масла, деготь, легкую нефть.

Элементарный и компонентный состав

Элементарный и компонентный состав искусственного битума не отличается (или имеет минимальные различия) от состава битума природного, несмотря на то, что получают нефтепродукты по разным схемам. В составе битумов есть водород и углерод. В определенном количестве в них присутствуют соединения, содержащие серу, кислород, никель, азот и металлы: железо, никель и другие.

Технические свойства, предопределяющие качество битума, определяются компонентным составом. Входящие в его состав соединения в своей основной массе являются гибридными веществами, что затрудняет проведение анализа. Единственным классом, который выделить возможно в чистом виде, являются парафины. Вещества, входящие в состав, отличаются по растворимости:

• асфалтены растворимы в  ацетоне, спирте, эфире и практически не растворяются в бензине;
• кислоты асфальтеновые хорошо растворяются в хлороформе и спирте и плохо в бензине;
• смолы нейтральные легко растворяются в бензоле, нефтяных маслах, хлороформе;
• карбены, являющиеся высокомолекулярными веществами в присутствие серы образуют уплотнительные асфальтены, хорошо растворимые в сероводороде и пиридине
• карбоиды растворяются в органических растворителях.

Способы получения битума

Используя вакуумную технологию переработки нефти, получают битум повышенной твердости с низким показателем вязкости. Крекинговый битум повышенной хрупкости получают, используя метод разложения нефти при высокой температуре.

Для искусственного получения необходимо специальное оборудование, которое позволяет из нефти выделить битум. Имеют в результате переработки торфа, каменного угля или нефти.

Торфяные, добываемые (как понятно из названия) из торфа при помощи органических растворителей, используют в производстве пластмасс, в медицине, в литейной промышленности. Угольные получают из отдельных видов угля, также пользуясь органическими растворителями. Ценностью этого вида является выделение в дальнейшем смол – необходимой составляющей в производстве клеев и лаков, и воска. Обладая повышенной канцерогенностью, этот вид битума  применяется в дорожно-строительном деле только после дополнительной обработки. Нефтяные битумы – продукт, являющийся производной переработки нефти.

Природные битумы различают по методу  получения:

• пластовые, разрабатываемые карьерным или шахтным способом (входят в состав горных пород);
• поверхностные – не отличающиеся чистой смеси, но не требующие дополнительных затрат на добычу, поскольку находятся на поверхности;
• жильные – особо чистые, содержащие небольшой процент примесей.

Нефтяные дорожные битумы (БНД)

Дорожные нефтяные битумы стали незаменимым материалом для асфальтобетонных горячих смесей, предназначенных для строительства и ремонта автомагистралей, для обработки дорожных щебеночных оснований. В их маркировке присутствует аббревиатура БН, СГ или БНД и цифры, обозначающие  температуру размягчения материала и застывания (пениграцию): СГ 40/70 (дорожный жидкий битум), БНД 200/300 (вязкий), БНД-У 100/130 (вязкий улучшенный).

Полимер-битумные композиты (ПБК)

Увеличившейся рост автоперевозок, включая большегрузые, на покрытие дорог оказывает дополнительную нагрузку, из-за чего они быстро приходят в негодность.

Для улучшения их качества применяют асфальтобетонную смесь, достоинством которой является отличное сцепление минеральных материалов с битумом. Чтобы еще улучшить качество битума, в последние годы применяют модифицирующие добавки и полимерно-битумные композиты (ПБК). Последние положительно влияют на физико-механические свойства покрытия. Относятся к ним:

• термопласты (смолы эпоксидные, полиэтилен, этиленвинилацетат, полистирол);
• блоксополимеры стирола и дивинила (ДСТ и СБС);
• эластомеры (каучуки синтетические);
• реактопласты (полиэфирные, карбомидные, синтетические).

Использование полимер-битумных композитных материалов, характеризующихся большой разницей между размягчением и хрупкостью,  позволяет работы не прекращать даже при минусовых температурах (до минус 10 градусов)

Битумные эмульсии

Они служат связующим при ведении дорожных работ (ЭБПК-1 и 2, ЭБК – 1), которым обрабатывают поверхность дорог. С не меньшим успехом применяют материал, проводя их холодную регенерацию.

Способы (область) применения

Издавна (с эпохи неолита) битум использовался для изготовления посуды, крепления полудрагоценных камней при создании мозаики, в строительном деле – для изоляции редких пород дерева.

Природный битум сегодня не смог бы покрыть все запросы человечества, поэтому ему на помощь пришел искусственный материал. По-прежнему строительство без него представить невозможно. Из него сооружают фундаменты, трубопроводы, различные сооружения.

Без асфальтобетона, изготовленного на основе битума, мы не имели бы дорог. Сложными, дорогостоящими и с низким сроком службы оставались бы работы по ремонту и устройству кровель.

Электротехническая промышленность тоже не обходится без этого материала, применяемого для электроизоляции. Помимо этого, битум применяют в прецизионном литье, лакокрасочной промышленности, в отделочных работах.

Особенности транспортировки и хранения

Для транспортировки битума служат железно- и автодорожные цистерны, в которые горячий материал заливается способом герметичного налива. Это делается в целях профилактики возможного поражения обслуживающего персонала.

Материал огнеопасен, поэтому емкости проверяют на строгое соответствие ГОСТ.

Хранят битумную смесь в цилиндрических емкостях, которые располагать можно как горизонтально, так и вертикально. При длительном хранении емкости оборудуют подогревом. Качество смеси остается неизменным, если она хранится неподвижно. Если же есть циркуляция, то из-за окислительных процессов, качество может снижаться.

Использование битума в строительстве дорог

Асфальт от бетона отличается повышенной стойкостью, т.е. он менее подвержен деформации. И все потому, что в его основе лежит битум. Чем его больше в составе, тем продолжительнее срок службы покрытия. Так же выручит асфальтовая смесь в случае необходимости провести ямочный ремонт дорог: участок, подлежащий ремонту разогревают, а затем наносят смесь.

Еще одним плюсом дорожного битумного покрытия является возможность его использования практически сразу после укладки и остывания (в сравнении с битумным, требующим на это до 28 дней).

Недостатки битума

Обладая массой положительных свойств, обеспечивших битуму широчайшее использование, материал не лишен недостатков:

• пересыхание с течением времени;
• загрязнение рабочих емкостей и инструментов, которые восстановить невозможно;
• хрупкость при снижении температуры и плавление при ее повышении, что вызывает деформации;
• резкий запах, усиливающийся при нагреве.