ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
64
СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА БИТУМОВ
М.Дж.Махмудов
А.А.Салойдинов
Р.И.Комолов
Бухарский государственный технический университет
https://doi.org/10.5281/zenodo.14909607
В состав нефтяных остатков и битумов входят гетеропроизводные
соединения, содержащие кислород, серу, азот, металлы (ванадий, никель,
железо, натрий и др.) В зависимости от месторождения нефти, ее природы
и физико-химических свойств, а также от способа получения остатка
элементный и углеводородный состав его различен и меняется в
широком интервале. В силу сложного гибридного строения нефтяных
остатков
и
битумов
детальное
извлечение
индивидуальных
углеводородов в чистом виде затруднено, что накладывает отпечаток на
их изучение [1].
Уникальные свойства битума обусловлены высокой концентрацией в
них высокомолекулярных компонентов, склонных к межмолекулярным
взаимодействиям.
Нефтяные битумы – это дисперсные системы, в которой
дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой –
асфальтены. В зависимости от степени агрегирования и пептизации
нефтяные битумы образуют различные мицеллярные системы: золи; золи
– гели; гели.
Компонентный состав битума предопределяет его коллоидную
структуру и реологическое поведение и тем самым – технические
свойства.
Из-за большого многообразия соединений, входящих в состав битума,
не представляется возможным выделить какие либо индивидуальные
вещества из этой сложной смеси. Кроме того, основная масса соединений,
входящих в его состав, представляет собой вещества гибридного
характера. Единственный класс соединений, которые можно выделить из
битумов в более или менее чистом виде – это парафины [2].
Сложность состава битумов подтверждается и тем, что их
молекулярно-весовое распределение охватывает границы от 300 до 40000
и более. Все это является причиной того, что анализ битумов
затруднителен, неточен и преследует своей целью выделить лишь
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
65
характерные
группы,
отличающиеся
большим
или
меньшим
однообразием их состава.
Для оценки состава битума и его влияния на его эксплутационные
свойства,
битум
разделяют
на
следующие
группы
веществ,
различающихся по растворимости: масла, смолы, асфальтены,
асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, карбены и карбоиды [3].
Масла являются наиболее легкой частью битумов. Именно состав
масляного компонента гудрона меняется наиболее значительно при
изменении глубины отбора дистиллятных фракций в процессе перегонки
нефти.
Элементный состав масел: углерода – 85 ÷ 88 %, водорода –10 ÷ 14 %,
серы – до 4,5 %, незначительные количества кислорода и азота.
Молекулярная масса масел 240 ÷ 800, отношение С: Н (атомное),
характеризующее степень ароматичности, – 0,55 ÷ 0,66. Плотность масел <
1 г/см
3
(< 1000 кг/м
3
).
Характеристика масляных соединений, входящих в состав битумов:
парафиновые соединения нормального и изостроения с числом
углеродных атомов 26 имеют плотность 0,79 ÷ 0,82 г/см
3
, молекулярную
массу 240 ÷ 600, температуру кипения 350 ÷ 520 °С, температуру
плавления 50 ÷ 90 °С. Нафтеновые структуры содержат от 20 до 35
углеродных атомов; их плотность 0,82 ÷ 0,87 г/см
3
, молекулярная масса
моноциклических 450 ÷ 620, бициклических – 430 ÷ 600, полициклических
– 420 ÷ 670. Алифатические цепи укорачиваются при переходе от моно-к
бициклическим [4].
С повышением содержания масел в битумах, а точнее соотношения
«масла: асфальтены», повышаются значения пенетрации, текучести,
испаряемости и понижаются значения температур размягчения,
хрупкости и вязкости битумов.
Смолы
являются
носителями
твердости,
пластичности
и
растяжимости битумов. Углеродный скелет молекул смол
–
полициклическая
система,
состоящая
преимущественно
из
конденсированных ароматических колец с алифатическими боковыми
цепями. Элементный состав смол: углерода – 79 ÷ 87 %; водорода – 8,5 ÷ 9,5
%; кислорода – 1 ÷ 10 %; серы – 1 ÷ 10 %; азота – до 2 %, а также другие
элементы, включая металлы. Молекулярная масса смол – 300 ÷ 2500.
Переход от смол к асфальтенам сопровождается повышением доли атомов
углерода в ароматических структурах с увеличением степени их
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
66
конденсированности. Число углеродных атомов в соединениях,
составляющих смолы, 80 ÷ 100. По сравнению с асфальтенами смолы
имеют большее число и длину боковых алифатических цепей. Отношение
С: Н = 0,6 ÷ 0,8. Температура размягчения составляет 35 ÷ 80 °С.
Большое влияние на структуру и свойства битумов оказывают
асфальтены – твердые аморфные вещества от темно-бурого до черного
цвета [5].
Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. По
сравнению с другими компонентами битумов они нерастворимы в
насыщенных углеводородах нормального строения, смешанных полярных
растворителях, растворимы в бензоле, его гомологах, сероуглероде и
четыреххлористом углероде. Плотность асфальтенов > 1г/см
3
.
Элементный состав, % мас.: углерода – 80 ÷ 84, водорода – 7,5 ÷ 8,5, серы –
4,6 ÷ 8,3, кислорода – до 6, азота – 0,1. Определение молекулярной массы
асфальтенов сталкивается со значительными трудностями, поскольку
молекулы их склонны к ассоциации. Поэтому в зависимости от
применяемого метода получаемые значения молекулярной массы сильно
отличаются (от 900 до 140000). Степень цикличности асфальтенов и
соотношение в них ароматических, нафтеновых и гетероциклических
колец, степень конденсированности колец колеблются в широких
пределах, химический состав асфальтенов вследствие их сложности
изучен недостаточно. Отношение С
:
Н для асфальтенов 0,94 ÷ 1,3.
Асфальтены
выделяются
из
битумов
на
основании
их
нерастворимости в низкомолекулярных парафиновых углеводородах (С
5
÷ С
7
). И причиной их нерастворимости может быть не только наличие
конденсированных ароматических структур, но и наличие полярных
групп.
Асфальтены обуславливают твердость и высокую температуру
размягчения битума.
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды стабилизируют
коллоидную структуру битума и растворяются в хлороформе. Плотность
асфальтогеновых кислот > 1 г/см
3
.
Карбены и карбоиды являются высокоуглеродистыми продуктами
высокотемпературной переработки нефти и ее остатков. Карбены не
растворяются в четыреххлористом углероде, карбоиды – в сероуглероде.
Содержание и химический состав каждого компонента битума влияет на
его физико-химические свойства.
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
67
Результаты исследований показывают, что при понижении
отношения масел к асфальтенам увеличивается вязкость. Ароматические
соединения и смолы практически одинаково влияют на свойства битумов.
Пенетрация почти не зависит от суммы ароматических соединений и
смол, а определяется соотношением насыщенных соединений и
асфальтенов; с возрастанием этого соотношения температура
размягчения повышается. При содержании в битуме менее 20 %
асфальтенов температура размягчения изменяется в обратной
зависимости от пенетрации; при повышении отношения насыщенных
соединений к асфальтенам температура размягчения понижается.
Температура хрупкости, подобно пенетрации, не зависит от суммы
ароматических соединений и смол, а определяется в основном
отношением насыщенных соединений к асфальтенам. В области низких
значений (–18 °С) температура хрупкости практически зависит от
содержания насыщенных соединений. Интервал пластичности
определяется в основном отношением «(ароматические соединения +
смолы)
:
асфальтены». С увеличением величины этого отношения, а также
содержания
насыщенных
соединений
интервал
пластичности
уменьшается. Растяжимость битумов при 25 °С обычно выше 100 см при
отношении насыщенных соединений к асфальтенам, равном 2,3.
Понижение этого отношения вызывает резкое уменьшение растяжимости
до нуля, а повышение – постепенное уменьшение, особенно при 15 °С.
На свойства битумов влияют характеристики их компонентов.
Строение и структура асфальтенов играют решающую роль и зависят
главным образом от технологии получения битумов, а незначительно – от
природы сырья. Степень конденсации ароматических соединений и смол
влияет на свойства битумов. Так как в битуме содержится до 40 % смол,
их свойства оказывают решающее влияние на его растяжимость, адгезию
и когезию.
На качество битума существенно влияет характеристика масляного
компонента. С возрастанием вязкости масел повы-шаются значения
температур размягчения и хрупкости битума, уменьшается пенетрация,
проходит через максимум растяжимость. Большую роль играет
ароматичность масел, то есть отношение числа атомов углерода,
находящихся в ароматических кольцах, к общему числу углеродных
атомов а молекуле. За меру ароматичности принимают коэффициент
растворяющей способности. Парафиновые соединения, содержащиеся в
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
68
мальтеновой фракции, не обладают растворяющей способностью по
отношению к асфальтенам; растворяющая способность нафтеновых
соединений в три
раза меньше, чем ароматических. Увеличение
ароматичности масляного компонента битума, уменьшение отношения
асфальтенов к смолам ослабляют прочность структуры битумной
системы. Это происходит в результате большего диспергирования
асфальтеновых мицелл в масляных фракциях, обладающих большей
растворяющей способностью. В результате битум переходит в состояние
золя и теряет вязкостно-эластичные свойства, что приводит к понижению
температуры размягчения и пенетрации при 0 °С, повышению
температуры хрупкости и увеличению индекса пенетрации, то есть к
увеличению крутизны вязкостно-температурной кривой.
Парафиновые соединения, содержащиеся в битумах, отличаются от
парафиновых углеводородов, вводимых в битум извне, чем и вызвано их
иное влияние на свойства битумов. Твердые парафины как
кристаллические вещества не обладают пластическими и клеящими
свойствами; покрывая тонкой пленкой битум, они ухудшают его
способность к растяжимости и снижают температурный интервал
пластичности, прочность и адгезию к поверхности минеральных
материалов. Последние исследования влияния твердых парафинов на
свойства окисленных дорожных битумов показали, что свойства битумов
зависят не только от содержания этих компонентов, но и от структуры их
молекул.
При исследованиях под микроскопом в маслах и смолах не
обнаруживаются кристаллы парафина, что объясняется их хорошей
растворимостью в этих компонентах. Это ставит под сомнение устаревшие
взгляды на отрицательные свойства парафиновых битумов. В результате
охлаждения битума парафины в течение длительного времени остаются в
растворенном виде.
К основным эксплуатационным свойствам битумов относятся:
–
пенетрация
– этот показатель характеризует глубину проникания
в битумы стандартной иглы при определенном режиме,
обусловливающем способность этого тела проникать в продукт, а
продукта – оказывать сопротивление этому проникновению (при 25
о
С,
нагрузке 1000 Н, прилагаемой в течение 5 с.). Пенетрация косвенно
характеризует твердость битума и измеряется в десятых долях
миллиметра (ГОСТ 11501-78);
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
69
–
температура размягчения
– это температура, при которой
битумы из относительно твердого состояния переходят в жидкое.
Испытание проводят по ГОСТ 11506-73 методом «Кольцо и Шар» (КиШ);
–
температура хрупкости
– это температура, при которой
материал разрушается под действием кратковременно приложенной
нагрузки. Температура хрупкости характеризует поведение битума при
низких температурах (чем она ниже, тем выше качество битума);
определяется по ГОСТ 11507-78. Сущность метода заключается в
охлаждении и периодическом изгибе образца битума и определении
температуры, при которой появляются трещины или образец битума
ломается;
–
растяжимость (дуктильность
)
битума характеризуется
расстоянием, на которое его можно вытянуть при определенных условиях
в нить до разрыва. Этот показатель косвенно характеризует силы
межмолекулярного взаимодействия компонентов битума и его
прилипаемость к различным материалам. Растяжимость битумов
определяется по ГОСТ 11505 – 75. Дорожные нефтяные битумы имеют
высокую растяжимость – более 40 см;
–
индекс пенетрации
–
характеризует степень коллоидности
битума или отклонение его состояния от вязкостного и определяется по
эмпирической формуле, на основе которой составлена номограмма;
–
адгезия (прилипание
)
объясняется образованием двойного
электрического поля на поверхности раздела пленки битума и
минерального материала. Адгезию оценивают по степени покрытия
битумом поверхности частиц щебня или гравия после обработки образца
в кипящей воде. Адгезионная способность битума зависит от его
химического состава: в присутствии парафина она снижается, поэтому его
содержание ограничивается (не более 5 %); с повышением молекулярной
массы асфальтенов, входящих в состав битума, его адгезионные свойства
улучшаются. Адгезия битумов зависит также от полярности
компонентов битума (асфальтенов и мальтенов) и характеризуется
электропроводностью
растворов
этих
веществ
в
неполярных
растворителях.
Адгезия
битума
к
минеральному
материалу
характеризуется также поверхностным натяжением на границе их
раздела.
Качество битума оценивается также такими показателями, как
вязкость,
когезия,
плотность;
тепловыми,
оптическими,
ACADEMIC RESEARCH IN MODERN SCIENCE
International scientific-online conference
70
диэлектрическими свойствами, а такие показатели качества, как потеря
массы битума и изменение пенетрации после прогрева, характеризуют
поведение
битумов
в
процессе
эксплуатации,
срок
службы
асфальтобетонного покрытия.
–
вязкость
битумов наиболее полно характеризует их консистенцию
при
различных температурах
применения. При
максимальной
температуре применения вязкость должна быть как можно выше.
Условная вязкость
определяется по ГОСТ 11503-74;
– температуру вспышки и воспламенения
определяют по ГОСТ
4333-48;
–
измерение массы после прогрева
определяют по ГОСТ 18180-72.
Данный
показатель
характеризует
стабильность
битума
при
продолжительном хранении при повышенных температурах.
Литература:
1.
Махмудов, М. Ж., Салойдинов, А. А., & Хасанов, С. К. СВОЙСТВА
БИТУМОВ, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ.
2.
Махмудов, М. Ж., Салойдинов, А. А., & Хасанов, С. К. (2024). СВОЙСТВА
БИТУМОВ, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ. Академические
исследования в современной науке, 3(31), 112-115.
3.
Махмудов , М., Салойдинов , А., & Абдуллаева, Ш. (2024). ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИТУМОВ. Академические исследования в
современной
науке,
3(31),
108–111.
извлечено
от
https://inlibrary.uz/index.php/arims/article/view/50213
4.
Юлдашев, Н. Х., Адизов, Б. З., & Салойдинов, А. А. (2024).
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕШЛАМА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ
ПРИМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ. Universum: технические науки, 4(8
(125)), 4-8.
5.
Юлдашев, Н. Х., Адизов, Б. З., & Салойдинов, А. А. (2024). ВЛИЯНИЯ
РАЗЛИЧНЫХ
ФАКТОРОВ
ПОДГОТОВКИ
НЕФТЯНОГО
ШЛАМА К
ПЕРЕРАБОТКЕ. Universum: технические науки, 4(8 (125)), 9-13.
