Исследование особенностей и физико-химических свойств немодифицированных нефтяных битумных материалов

АННОТАЦИЯ

В данной статье приводятся результаты работ по исследованию особенностей и физико-химических свойств немодифицированных  нефтяных битумных материалов.

ABSTRACT

In the article evaluation operation results of peculiarities and physicochemical properties of unmodified oil bituminous materials are presented.

Ключевые слова: битум, технологическое оборудование, температура размягчения, температура хрупкости, эластичность.

Keywords: bitumen; technological equipment; softening temperature; brittle temperature; elasticity.

Как известно битум в основном, производится в нефтеперерабатывающих заводах. В республике Узбекистан битум выпускается Ферганским, Бухарским, Чиназским и другими нефтеперерабатывающими заводами.

Необходимо отметить, что свойства битума существенно зависит от способа их получения в нефтеперерабатывающем заводе, поэтому нами в первую очередь были проведены контрольные исследования свойств битумов, полученных различными способами и установками.

В таблице 1.1 приведены характеристики битумов, полученных в различных реакторах.

Таблица 1.

Характеристика битумов, полученных в различных реакторах

Далее нами были исследованы изменения температуры и глубина проникновения иглы битума в процессе окисления. На рис. 1. приведены зависимости изменения этих характеристик от времени проведения процесса.

Рисунок 1. Изменение температуры размягчения по кольцу и шару (1) и глубина проникания иглы 0,1 мм, при 25⁰С (2) в процессе окисления битума

Результаты исследования (рис 1.) показывают, что в начальный период окисления (первые 2 ч) температура размягчения битума изменяется мало, что обусловлено значительным отгоном легких фракций, снижающих концентрацию кислорода и тем самым замедляющих процесс окисления.

В дальнейшем скорость повышения температуры размягчения увеличивается. Глубина проникания иглы, соответственно, в начале резко уменьшается интенсивно, а затем изменяется незначительно.

Полученный битум намного превышает требование ГОСТа на кровельные битумы по глубине проникания иглы при 25 °C (30-31х0,1 мм при 90°С по КиШ, по ГОСТ - не менее 20х0,1 мм) (рисунок 1).

Битум с температурой размягчения 104°С по КиШ имеет температуру хрупкости - 11,5°С (по Фраасу), температуру вспышки 305-310^сС. Эти данные показывают, что масла в битуме предельно окисленные, не полимеризуются и трудно окисляются, что является признаком лучшего качества битума и его долговечности (рис. 2).

1 - масса; 2 - бензольные смолы;3 - спиртобензольные смолы; 4 - асфальтены

Рисунок 2. Изменение группового состава битума в зависимости от его температуры размягчения

Высокая эластичность полученного битума объясняется, возможно, тем, что окисление в эмульсионном состоянии происходит при высоких скоростях смеси (30-40 м/с), при этом создается большая поверхность контакта газа с жидкостью, хорошая интенсивность ее обновления, и тем самым исключается возможность образования крупных (агрегированных) асфальтенов.

Структуру полученных битумов исследовали методом ИК-спектроскопии для выявления зависимости их химического состава от глубины окисления. ИК-спектры регистрировали на автоматическом спектрофотометре UR-10фирмы Карл-Цейс в области частот 400-4000см^-1 с призмами KBr, NaClи LiF.

Образцы готовили в виде пленок, получаемых из разбавленных растворов битума в хлороформе после испарения растворителя.

ИК-спектры четырех образцов-битумов (исходного гудрона, после окисления в течение 1, 3 и 4 ч) имеют одинаковые полосы поглощения, характеризующие общий состав веществ, взятых на анализ, и отличаются друг от друга интенсивностью полосы поглощения с частотой 1700 см^-4. Интенсивность полосы возрастает с увеличением глубины окисления (повышением температуры размягчения по КиШ). Такая частота характерна для валентных колебаний карбонильной группы С=0.

Таким образом, с повышением температуры размягчения увеличивается содержание кислородосодержащих структур в битуме. Остальные полосы поглощения (ПП) практически одинаковы для всех образцов. ПП свидетельствуют о сложности состава битума, куда входят метанонафтеновые структуры, ароматические и гетеросоединения.

Контрольными исследованиями установлено, что битумы, в основном, состоят из химических элементов, мас.%: углерод -80-87, водород – 10-12, кислород- 5-10, сера -2-5, азот – 2-3. Кроме этого, молекулы веществ, входящих в состав битумов, содержат также активные функциональные группы как ОН^-, СООН^-, СН-СН^-, NН₂^- и другие.

Результаты комплексных исследований битума, полученного из гудрона ферганской нефти на окислительной установке имеет аналогичные свойства битумом марки БНД-60/90, БНД-40-60, БН-70/30, БН-90/10, что, дает основание рекомендовать их к применению в данной работе для дальнейших исследований с целью разработки модифицированных битумных композиций.

В мировой практике с целью улучшения свойств битумов для их модификации применяется различные полимеры и поверхностно активные вещества – ПАВ [62,63,65]. Применение полимерных материалов для получения модифицированных битумных композиций в отечественной кровельной промышленности крайне ограничено, что обусловлено дефицитом, высокой стоимостью полимеров и их плохой совместимостью с битумами.

Тенденция развития производства полимерных модификаторов существующих ПАВ в странах СНГ из-за высокой стоимости не позволяет надеяться на полное удовлетворение потребностей кровельной промышленности в указанном сырье в ближайшее время. В этой связи предлагается сосредоточить внимание на использовании вторичных полимерных ресурсов и отходов  производства и ПАВ на основе вторичных сырьевых ресурсов и отходов производств.

Как указывалось выше, из вторичных полимерных модификаторов наиболее перспективным, доступным и дешевым сырьем является отходы различных органических производств, в том числе, резиновая крошка резинотехнических производств и  амортизированных автопокрышек. Благодаря содержанию в ней 50-60% каучука резиновая крошка, а также  поверхностно активное вещество ПАВ композит на основе госсиполовой смолы, являющийся отходом масложирового производства при соответствующей термомеханической обработке битумно-­полимерной смесью может служить хорошим модификатором для получения эффективных кровельных и гидроизоляционных композиционных материалов.

Список литературы:
1. Гранев В.В. и др. Определение потенциального срока службы кровельных би¬тумно-полимерных наплавляемых рулонных материалов //Ж. «Промышленное и гражданское строительство.»- № 1. М.2001, -С.39-41.
2. Билетов К.Б. и др. Основные причины разрушения кровельного рулонного материала покрытий в условиях сухого жаркого климата // В кн.: Расчет ес¬тественного освещения в светоклиматических условиях Узбекистана. - Ташкент, Т. 2008. с.28-31
3. Жаббаров У.Р. Долговечность гидроизоляционных материалов плоских крыш в условиях жаркого климата, - Ташкент: ФАН, 1992. - 134 с.
4. Жаббаров У.Р. Исследования физико-химических, эксплуатационных свойств полимербетумных композиций и перспективность их применения в кровельных покрытиях //Ж. «Вестник ТашГТУ» Ташкент, 2002, № 1,-С.77-78.