Что такое битум и для чего он используется

Битум – многофункциональный материал, используемый в самых разных работах. Пропитанные этим веществом материалы абсолютно нечувствительны к действию воды, пара и сырости. Это свойство – самое востребованное среди характеристики битума.

История происхождения битума

Природный битум известен человечеству еще со времен неолита. В раскопках не раз находили копья, в которых наконечники крепились к основанию с помощью этого материала. Чуть позднее так скреплялись и другие инструменты. Битумная посуда предшествовала глиняной.

В более цивилизованную эпоху в Месопотамии битум использовался как клей при создании мозаики. Ареологии считают, что тогда же материал стали использовать для гидроизоляции. Месопотамия экспортировала его в другие страны.

Сегодня природный и искусственный битум используется очень широко. Он входит в состав асфальта и использовался в строительстве всех существующих дорог. Составы разного типа применяют для любых гидроизоляционных работ: при строительстве фундамента, возведении стен, настиле крыши. Твердые модификации материала используются в электротехнической и литейной промышленности.

Битум добывают из горных битумных пород. Его добыча составляет до 115 млн. тонн в год. Не меньший объем создает искусственный вариант, получаемый путем переработки нефти, сланцев, каменного угля.

Основные свойства и характеристики

Битум или горная смола – смесь углеводородов и их производных – азотистых, сернистых, металлосодержащих. Это твердая или очень вязкая смолоподобная субстанция. Совершенно нерастворимая в воде, но частично растворимая в бензоле, хлороформе и некоторых других растворителях.

Столь разнообразная смесь углеводов обеспечивает самые разные физические и химические свойства смеси. К наиболее интересным с точки зрения пользователя относят следующее.

• Плотность битума – колеблется от 0,95 до 1,50 г/см³ в зависимости от происхождения и вида.
• Теплопроводность характерна для аморфных веществ – 0,5–0,6 Вт/м*К. Теплоемкость составляет 1,8–1,97 кДж/кг•°С. Как теплоизоляционный материал он использоваться не может, однако в составе строительной конструкции способствует сохранению тепла.
• Одно из главных свойств состава – аморфность. Будучи твердым, он проявляет свойства жидкости. При нагревании он становится жидким, им можно смачивать и пропитывать твердые поверхности. При охлаждении отвердевает. Процесс сопровождается полимеризацией, поэтому смоченные им объекты склеиваются очень прочно.
• Температура плавления битума зависит от состава, колеблется от +160 до +200°С. Процесс происходит постепенно.
• Материал является диэлектриком и может применяться при обустройстве изоляции.
• Битум не взаимодействует с водой и не растворяется в ней. При застывании образует непроницаемый беспористый слой.
• Устойчив к большинству кислот, щелочей и солевых растворов, но не стоек к органическому растворителю, наподобие бензина, ацетона, бензола. Пропитка битумом придает бетонам, стальным трубам, железобетонным конструкциям устойчивость к химически агрессивной среде.
• Битуму свойственно такое явление, как старение. Под действием солнечного света и кислорода из воздуха материал постепенно изменяет состав. Содержание смол и масел уменьшается, падает гидрофобность и упругость.

Физические и химические свойства битума во многом зависят от его состава. Важно обращать внимание на марку вещества и учитывать его характеристики при выборе.

Классификация

Классификация битумов весьма разнообразна и в первую очередь связана с назначением. По этому признаку различают:

• строительный – БН, используется для гидроизоляции, мастики, как сырье для изготовления других материалов;
• кровельный – БНК, применяется для производства мягких кровельных материалов, наподобие ондулина, гибкой черепицы;
• дорожный – БНД, используется при укладке и изготовлении асфальтобетонов.

Основная классификация связана с происхождением материала. Различают 2 большие группы.

Природный – извлекается из битумных горных пород водной вываркой или растворением в растворителях. К таковым относят:

• чистые битумы – с долей минеральных примесей не более 10%;
• асфальтовые породы – доломиты, известняки, содержащие вещество;
• асфальтиты – высокоплавкие битумы;
• асфальты – смесь асфальтного материала и минеральных веществ.

Поскольку на стоимость и на некоторые характеристики влияет метод получения, разделяют природные битумы таким образом:

• пластовые – входящие в состав горной породы и разрабатываемые шахтным или карьерным методом;
• поверхностные – выход битума на поверхность, чаще всего это не очень чистые смеси;
• жильные – чистые смеси с небольшим количеством примесей.

Последние материалы практически не нуждаются в очистке и переработке, другие – асфальтиты, асфальтные породы – требуют переработки.

Искусственный битум – продукт, получаемый путем возгонки нефти и ее составляющих. Чаще всего сырьем для них выступает гудрон – смолистый остаток с твердыми частицами. Из него и получают твердый или полутвердый вариант. К искусственным модификациям относят:

• нефтяные мазуты – жидкие остатки возгонки нефти;
• нефтяные гудроны – результат отгонки мазута от масляных составных частей;
• кислотные масляные гудроны – их получают, очищая серной кислотой смазочные масла;
• нефтяные битумы – образуются как фракция при перегонке нефтепродуктов.

В отличие от природного, свойства искусственного битума варьируются более широко. В зависимости от технологии производства можно получить состав со строго заданными свойствами.

Природный битум

Природный материал входит в состав горючих ископаемых. Чаще всего его приходится очищать и перерабатывать. По сравнению с искусственными он не обладает какими-либо более ценными качествами. Однако модифицировать природный материал путем добавления некоторых веществ сложнее.

Состав

Состав битума в долях элементов выглядит так: 70–87% углерода, 8–12% водорода, 0,5–7% серы. Однако это мало что говорит потребителю. Более информативный характер носит перечисление составляющих смеси:

• нефтяные масла – от 30 до 60%, они придают составу вязкость и пластичность под действием температуры;
• смолы – от 20 до 40%, обуславливают адгезионные свойства;
• карбиды, карбены, асфальт-тены – содержание их доходит до 40%, обеспечивают твердость и тугоплавкость;
• асфальтеновые кислоты – 3%, выполняют роль ПАВ.

Смеси могут включать другие вещества, чаше всего минеральные добавки.

Как добывают

Общая схема добычи и переработки битумных пород выглядит так:

• извлечение породы;
• разделение сырья на органическую и минеральную части;
• транспортировка продукта;
• переработка битума.

Последние 3 этапа практически одинаковы. Добыча отличается при разных условияя залегания породы. Различают 3 метода.

• Карьерный или шахтный очистной – породу извлекают наверх, экстрагируют битумную смесь растворителем или путем выварки с получением эмульсии. Рудничным методом добывают породу, содержащую не менее 10% материала и залегающую не глубже 90 м.
• Шахтный дренажный – битум самотеком через систему восходящих дренажных каналов выходит наверх. Такой вариант используется при добыче жидких смесей с глубиной залегания более 100 м.
• Скважинный внутрипластовой – на породы воздействует термически или иным способом через пробуренные сверху скважины. Коэффициент извлечения при этом составляет не более 30%, так что к такому методу прибегают редко.

Природный битум не является товарным продуктом, как газ или нефть. Он нуждается в обработке.

Где применяют

Сферы использования природного битума обусловлены его свойствами. Его применяют:

• для изоляции при строительстве зданий, дорог, других сооружений, а также прокладке трубопроводов разного типа;
• в производстве асфальтобетонов;
• при изготовлении аккумуляторных мастик;
• в кабельной и лакокрасочной промышленности;
• при получении кровельных материалов.

Битум используется в других областях, например, в садоводстве.

Химический битум

Такой материал не добывают, а производят. Сырьем для него служат остатки, получаемые после перегонки нефти, что заметно снижает стоимость продукта. При этом появляется возможность модифицировать смесь, так как ее свойства зависят от состава и метода получения.

Технология производства

Искусственный вариант получают несколькими методами. По технологии различают и типы искусственного битума.

• Остаточный – производится путем глубоковакуумной отгонки на специальных аппаратах. Сырьем служат топливные и смазочные фракции из нефти с высоким содержанием смолы. Продукт получают твердый, слабовязкий.
• Окисленный – получают продувкой кислородом гудроновых нефтяных остатков. При этом в смеси увеличивается вязкость, она окисляется и уплотнятся. Такая модификация более эластична и устойчива к нагреву по сравнению с природной.
• Крекинговый – производится разложением сырой нефти масла при получении бензина. Остатки окисляют. Продукт отличается высокой хрупкостью и не популярен.
• Компаундированный – его получают смешиванием остатков перегонки нефти. Технология предполагает добавку дегтя, легкой нефти, масел, других фракций, чтобы получить битумы с оговоренными свойствами. Такой метод универсален.

Выделяют также жидкие битумы, получаемые разжижением твердых. В смеси добавляют мазут, высокосмолистую нефть. Жидкие субстанции чаще применяют для пропитки.

Элементарный и компонентный состав

Элементарная формула искусственного битума ничем не отличается от природного – они являются нефтяными продуктами, хотя и производится по разным схемам.

Компонентный состав тоже близок. Однако возможность варьировать содержание разных составляющих в искусственном битуме делает некоторые составляющие более значимыми.

• Масла – самая легкая фракция. Чем больше доля масла, тем более эластичным и вязким получается битум и тем более низкая у него температура размягчения. При этом масло – моно-, би-, полициклическое – по-разному влияет на качество смеси.
• Парафинонафтеновые углеводороды – основной пластификатор. Больше всего на свойства влияют твердые парафины, их в смеси должно быть не более 3–6%. При повышении доли снижаются структурно-механические характеристики.
• Ароматические углеводороды – обычно их немного, так что на свойства они не влияют.
• Смолы – главный структурный элемент. Нередко содержат до 10% серы и до 25% азота.
• Асфальтные кислоты – при плавлении материала они разлагаются, но не переходят в жидкое состояние. Под действием солнечных лучей становятся нерастворимыми. Это и обеспечивает старение битумных покрытий.

Наиболее интересен с точки зрения состава компаундный битум, так как при его получении есть возможность добавлять модификатор, изменяя его характеристики.

Искусственный битум применяют в тех же работах, что и природный.

Маркировка и расшифровка материала

При маркировке продукта указывают следующее.

• 2 или 3 литеры в начале обозначают применение материала. БН – битум нефтяной, указывает на строительную модификацию. БНК – кровельную, БНД – дорожную.
• Цифры, следующие за аббревиатурой и написанные через косую черту, указывают на пенетрацию. Это глубина проникновения иглы материала на 0,1 мм при +25°С и при 0°С. Показатель демонстрирует, насколько изменяется твердость и упругость материала под действием температуры.

Иногда в маркировке появляются дополнительные литеры. Они обозначают добавки, которые влияют на свойства битума.

Технология нанесения

Жидкий битум часто выступает обмазочной гидроизоляцией. Технология включает некоторые особенности.

1. Бетонную поверхность перед обмазкой нужно очистить, освободить от раковин с пузырьками, удалить острые выступы и вмятины в местах стыков опалубки. Используют для этого мелкозернистые цементные составы или сухие строительные смеси.
2. Высушивают поверхность. Допускается влажность не более 4%.
3. Рекомендуется обработать поверхность битумным праймером (марки БН70/30, БН 90/10). Наносят грунтовку в 1 слой. На участках, где примыкает цементно-песчаный раствор, в 2 слоя.
4. Битумную мастику укладывают с увлажняющей стороны. Наносят ее полосами – шпателем, валиком, наливом. Слой должен быть одинаковым по толщине и сплошным.
5. Накладывают мастику снизу вверх. Это важно.
6. Следующий слой битума наносят после полного отвердения и высыхания предыдущего.

Слой считается высохшим, если при прикладывании ватного тампона на нем не остается следов.

Транспортировка и хранение

Хранят битумные смеси в цилиндрических сосудах. Последние могут располагаться вертикально и горизонтально. Если продукт хранится долго, емкости оснащаются системами подогрева. Предпочтение отдается горизонтальным вариантам, так как здесь испарение влаги приводит к появлению на поверхности массы корки, препятствующей дальнейшему испарению.

Если битумная смесь хранится неподвижно, ее свойства не изменяются. При циркуляции при подаче к трубопроводу из-за окисления качества изменяются.

Перевозят битум в специальных автомобильных и железнодорожных резервуарах. Материал огнеопасен, так что емкости должны точно соответствовать требованиям ГОСТ.