Производство дорожных битумов: состав вяжущих, технологии, проблемы

Битум — компонент наиважнейших для дорожно-строительной отрасли материалов, главным из которых, конечно же, является асфальт. Показатели свойств вяжущего — теплостойкости, пластичности, адгезии и других — во многом определяют прочность покрытия, стойкость к появлению дефектов, а значит напрямую влияют на срок службы дорог. При этом, чтобы получить качественный продукт, разумеется соответствующий требованиям применяемого в отрасли стандарта, важно обратить внимание не только на ту или иную технологию производства вяжущего, но и на состав исходного сырья — нефти, который во многом отражается в составе битума.

Групповой состав битума

Состав битума определяет его свойства и, соответственно, области применения. К примеру, менее вязкий материал, более пластичный, лучше подойдет для производства асфальта под укладку покрытия дороги в северном регионе, где среднемесячная температура воздуха в зимнее время составляет ниже минус 20 °C. В этом случае относительно малая вязкость битума позволит ему перейти в хрупкое состояние, подверженное появлению трещин, позже, чем это произошло бы с более вязким материалом. А вот для южных регионов такое вяжущее, наоборот, не подойдет: и без того пластичный битум будет «плавится» под воздействием высоких температур, способствуя появлению колеи.   

Битум, как впрочем и нефть, представляет собой дисперсную систему, состоящую из трех основных групп: масел, смол и асфальтенов. Первые — наиболее легкая часть вяжущего — парафино-нафтеновые и ароматические углеводороды. Их повышенное количество в битуме, как в примере выше, снижает твердость материала, увеличивает текучесть.

Одним из представителей группы масел выступают твердые парафины, — они негативно сказываются на качестве вяжущего, создают в его структуре неоднородные области, уменьшают растяжимость, морозостойкость, ухудшают прочность асфальтобетона. Так, стандарт ГОСТ 33133-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования» ограничивает содержание твердых парафинов — не более 3%.     

В отличие от масел, смолы — высокомолекулярные соединения. Их элементарный состав также представлен преимущественно углеродом и водородом, в меньшей степени — кислородом, серой, азотом и другими, включая металлы. Смолы влияют на растяжимость, твердость и пластичность битума, его когезию и вязкоупругие свойства.

Асфальтены, по сути, — уплотненные смолы. Это наиболее высокомолекулярные соединения, формирующие дисперсную фазу в дисперсной среде, состоящей из масел и смол. Асфальтены — твердые, но в то же время хрупкие, да еще и частично растворимые в ароматических углеводородах вещества, способные образовывать в битуме пространственную решетку. Соответственно, содержание асфальтенов в нефтепродукте напрямую связано с его вязкостью.

Химический состав битума, конечно усредненный, выглядит следующим образом:

• C — 80‒87%

• H2 — 10‒12%

• O2 — 5‒10%

• S — 1‒5%

• N2 — до 1%

При этом, процентное содержание того или иного элемента в вяжущем по большей части ничего не говорит о его свойствах, — важен групповой состав.  А он, в свою очередь, во многом зависит от природы исходной нефти, способа производства битума. То есть, процентное содержание масел, смол и асфальтенов в вяжущих даже одной марки, но при этом созданных на разных нефтеперерабатывающих заводах, может быть абсолютно разным.

Для того, чтобы можно было условно прогнозировать «поведение» битума в материалах, специалисты дорожной отрасли, к слову, еще советские, разделили вяжущее на три типа.

Каждый тип битума обладает своими преимуществами и недостатками. К примеру, повышенное содержание асфальтенов в I типе говорит как о высоком уровне теплостойкости вяжущего, так и о его малой деформационной устойчивости, которая из-за большого количества смол выше у битума II типа. При этом, такое вяжущее имеет свои недостатки, например слабую адгезию.

Тип битума, а значит и соотношение компонентов в нем, определяют структуру вяжущего, которая характеризует его свойства — прочность, упругость, пластичность и другие.

Структура битума

По структуре битумы разделяют на три типа: гель, золь и золь-гель. Первый тип представлен пространственной решеткой из асфальтенов, расположенных в слабо структурированной смолами среде. Во втором случае — типе «золь» — асфальтены, наоборот, «разбавлены» в среде смол и масел.

«Золь-гель» — промежуточный вариант между первым и вторым типами. Асфальтенов — меньше, чем в «геле», соответственно, в этом типе сплошной каркас не формируется. При этом, количества асфальтенов достаточно, чтобы они взаимодействовали между собой участками поверхности. Более того, значительное содержание смол в «золь-геле» сказывается на общей структуре вяжущего: пленки смол пронизывают всю систему и определяют ее прочность.

Третий структурный тип битума, — как золотая середина, — считается наилучшим для обеспечения долговечности асфальтобетона. Вяжущее этого типа в широком температурном диапазоне поддерживает упруго-пластичное состояние, демонстрирует высокую прочность и деформационную устойчивость, характеризуется удовлетворительной теплоустойчивостью, хорошей адгезией с карбонатными и основными породами.   

Технологии производства битума

Технологии производства битума перечислены в главном стандарте на вяжущее, применяемое в дорожно-строительной отрасли, — ГОСТ 33133-2014. Так, битум получают тремя основными способами:

• Перегонкой

• Окислением

• Компаундированием

Битум, созданный по технологии перегонки нефти, называется остаточным. В этом случае вяжущее является остатком при разделении горячей нефти на фракции в ректификационной колонне: легкие низкокипящие компоненты — бензиновые, керосиновые и другие — поднимаются наверх, а тяжелые высококипящие остаются внизу установки, после чего сливаются. Обычно при переработке нефти в качестве остатка выступает мазут, но при использовании тяжелой нефти на его месте вполне может быть вяжущее, отвечающее всем требованиям стандарта на битум. К слову, такой продукт особо ценится среди специалистов дорожно-строительной отрасли за стабильность показателей физико-механических и реологических свойств.

Другой способ производства остаточного битума — в вакуумной установке — из мазута, полученного в процессе первичной переработки нефти. Главная задача установки — такая же, как и у ректификационной колонны — разделение нефтепродукта на фракции, но с одним значительным отличием — пониженным давлением. Обычно в качестве тяжелого остатка после переработки мазута в вакуумной установке выступает гудрон, но при определенных условиях, в зависимости от природы исходной нефти, на его месте может быть битум.

Еще одна технология производства дорожного вяжущего — окисление. Такой подход — самый популярный в России. Он позволяет получить окисленные битумы, отвечающие требованиям стандарта, из легких и средних малосмолистых нефтей, в большей степени добываемых в нашей стране.

Процесс окисления вяжущего длится от 3 до 7 часов при температуре от 150 до 300 °C. В установку для приготовления битума поступает нагретый гудрон, на дне колонны смонтирован так называемый маточник, через который в нефтепродукт под давлением подается воздух. При окислении гудрона происходит реакция образования высокомолекулярных соединений, то есть масла переходят в смолы, а смолы — в асфальтены. Регулируя параметры технологии производства — температуру, расход воздуха, давление и время окисления — получают битумы с различным групповым составом.

Конечно, вяжущее, созданное по технологии окисления, характеризуется рядом минусов: пусть и небольшим, но содержанием коксовых частиц — карбенов и карбойдов, негативно влияющих на однородность продукта; малым содержанием смол; наличием асфальтенов, которые по сути являются результатом искусственного старения битума.  

Компаундированное вяжущее получают путем механического смешивания разных нефтепродуктов, к примеру окисленного и неокисленного гудрона; гудрона, некондиционной нефти и асфальтита процесса деасфальтизации гудрона; и других. Более того, компаундирование может быть интегрировано в технологию производства окисленных битумов. В этом случае процесс создания вяжущего будет выглядеть так: сначала смешивание, к примеру, 95% гудрона и 5% тяжелого газойля каталитического крекинга, после чего — окисление смеси. И даже так: сначала смешивание, к примеру, 85% остаточного битума и 15% тяжелого вакуумного газойля, далее — окисление смеси.

Проблемы производства дорожных битумов

Важно понимать, что для нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) наиболее прибыльным направлением работы является производство светлых продуктов — бензинов, керосинов и других. При выпуске таких продуктов все самые ценные компоненты, необходимые будущему вяжущему для увеличения сроков службы дорожных одежд, еще на первом этапе перегонки нефти — ректификации, а позже — и в вакуумной колонне, переходят в состав более легких продуктов. В итоге — в качестве сырья для битума на окисление поступают «сухие» гудроны. Возможные пути решения проблемы — развитие переработки тяжелых нефтей с выпуском остаточных битумов; компаундирование окисленных вяжущих и неокисленных вакуумных остатков, полученных из тяжелых нефтей.

Второй проблемой производства дорожных битумов можно считать, пока условно, постепенную модернизацию НПЗ современным оборудованием для углубленной переработки нефти, позволяющим предприятиям расширить портфель реализуемой продукции. Так, сырьем для обработки в установке замедленного коксования служит в том числе гудрон, а значит объемы выпуска дорожного битума на горизонте 5‒10 лет могут быть снижены. Решение проблемы — тесная коммуникация участников нефтяной и дорожной отраслей, в том числе в целях тактического и стратегического планирования выполнения крупных проектов.

Если ваше предприятие работает в дорожно-строительной сфере и планирует приобретение современного оборудования или хранилища для битума, обратите внимание на продукцию компании SOLOMATIC.

Мы поставляем:

— Битумные резервуары объемом от 30 до 60 м³

— Установки для выпуска битумной эмульсии — производительностью до 3, 6, 10 и 15 т/ч

— Оборудование для создания полимерно-битумных вяжущих — производительностью до 5, 10 и 20 т/ч

— Установки для вспенивания битума, необходимые для выпуска теплого асфальта

Для начала совместной работы и уточнения деталей позвоните по телефону 8 (800) 555-73-40, отправьте запрос на почту sale@solomatic.ru или свяжитесь с нами любым другим удобным способом, указанном в разделе с контактами.

Компания SOLOMATIC — ваш помощник в построении надежных технологических процессов.