Строение битумов

Состав битумов

Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерода 70-80 %, водорода 10-15 %, серы 2-9 %, кислорода 1-5 %, азота 0-2 %. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, азотом и кислородом.

Химический состав битумов представлен смесью углеводородов метанового, нафтенового и ароматического рядов и их кислородных, сернистых и азотистых производных. Химический состав весьма сложен, состав углеводородов от С₉Н₂₀ до С₃₀Н₆₂ Поэтому все многообразные соединения сводят в три основные группы: твердая часть, смолы и масла.

Твердая часть битума – высокомолекулярные углеводороды и их производные с молекулярной массой свыше 1000, плотностью более 1, объединенные общим названием «асфальтены». В асфальтенах и их производных могут содержаться карбены и карбоиды до 2 %, прежде всего в крекинговых битумах. Карбены и карбоиды твердые углеродистые вещества. Карбены более плотные, чем асфальтены и менее растворимы. Карбоиды вещества типа сажи, нерастворимы в органических растворителях, отрицательно сказываются на свойствах битума. В асфальтенах извлеченных из природных битумов наблюдается повышенное содержание серы в соединениях (до 10 %), тогда как в нефтяных битумах их в несколько раз меньше.

Смолы – аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500-1000, плотностью около 1. Смолы содержат кислородные гетероциклические соединения нейтрального характера, но могут присутствовать в очень малых количествах катионактивные основания. Содержание смол в битумах достигает 30 % они обеспечивают ему эластичность.

Кислые смолы или асфальтогеновые кислоты, относятся к группе полинафтеновых кислот содержащие группы СООН с повышенным молекулярным весом и более высокой поверхностной активностью, чем у обычных нафтеновых кислот. Они выполнят функции анионактивных веществ в битуме, обеспечивая процессы прилипания.

Масляные фракции битумов состоят из различных углеводородов, главным образом нафтенов и полинафтенов. Их молекулярная масса 100-500, а плотность менее 1. Содержание масел в битумах достигает 60 %.

Парафины – твердые вещества метановой группы. Парафины повышают хрупкость битума при пониженных температурах, поэтому их содержание в составе битума ограничивают 5 %.

Битум это коллоидная система, в которой дисперсной средой являются смолы и масла, а асфальтены диспергированы. Асфальтены битума диспергированы в виде частиц размером 18-20 мкм и покрыты оболочкой убывающей плотности от смол к маслам. Группы углеводородов, входя в состав битумов в различных соотношениях и образуя сложную дисперсную систему, предопределяет их структуру и свойства. Если в системе избыток дисперсной среды, то мицеллы не контактируют между собой, свободно перемещаясь (битум золь). Эта структура характерна для жидких битумов при нормальной температуре и вязких битумов при повышенных температурах. При охлаждении битума в нем происходят изменения, связанные с постепенным выделением из переохлажденных частей среды твердых частиц с наибольшим молекулярным весом и, следовательно, с наименьшей растворимостью в среде (битум золь-гель). Являясь по существу новыми молекулами асфальтенов, они становятся центрами образования новых мицелл, формируемых путем адсорбции асфальтеновых кислот и их ангидридов, сольватации смол и масел. По мере увеличения количества мицелл они начинают контактировать между собой, образуя контактную мицеллярную сетку. Такая структура характеризуется высокой вязкостью и твердостью и характерна для вязких битумов при нормальной и пониженной температурах (битум гель).

Состав определяет практические способы перевода твердых битумов в рабочее состояние: нагревание до 140-170°С, введение размягчающих смол, эмульгирование и др.