Влияние компаундирования на свойства нефтяных дорожных битумов

Нефтяные битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов нефтяного происхождения и их производных, содержащих кислород, серу, азот и металлы [1]. Высокое качество дорожных битумов определяется их оптимальным групповым химическим составом [2].

Увеличение глубины переработки нефти приводит к утяжелению гудрона – основного сырья для производства битумов. Утяжелённый гудрон имеет повышенную вязкость и коксуемость, сниженное содержание масляных компонентов и повышенное содержание смол и асфальтенов [3]. Традиционно получаемые окислением битумы часто не удовлетворяют нормам по долговечности, эластичности и низкотемпературным свойствам. В связи с этим производимые битумы не всегда соответствуют требованиям ГОСТ 33133-2014 [4]. Одним из эффективных способов решения этой проблемы является компаундирование.

• 1    Групповой химический состав битумов

Битумы состоят из трёх основных групп компонентов: масел, смол и асфальтенов [1].

Масла снижают твёрдость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть. С увеличением содержания масел возрастает пенетрация, причём наиболее сильное влияние на этот показатель оказывают низкомолекулярные ароматические масла. Смолы являются носителями пластичности и растяжимости [1]. Асфальтены придают битуму твёрдость и теплостойкость. Чем выше их содержание, тем выше температура размягчения. Содержание асфальтенов в битумах обычно находится в пределах 15–30 % масс. [1, 2].

Растяжимость зависит от отношения между насыщенными соединениями и асфальтенами: при его значении около 2,3 растяжимость достигает 100 см и более, понижение этого отношения приводит к резкому уменьшению растяжимости до нуля, а его повышение – к постепенному уменьшению [1].

При подборе компонентов для компаундирования необходимо учитывать групповой химический состав каждого из них. Введение мазута, тяжёлой смолы пиролиза или вакуумного газойля приводит к увеличению пластичных свойств, однако высокое содержание масел, увеличивая пенетрацию, может снижать растяжимость. Подбором соотношения асфальтены : смолы можно достичь требуемых значений дуктильности в соответствии с требованиями стандарта [3].

• 2    Компаундирование как метод регулирования свойств битумов

Компаундирование – это смешение окисленного битума с неокисленными нефтепродуктами для улучшения его свойств: снижения температуры хрупкости и повышения пластичности [2]. В качестве неокисленных компонентов используются различные остаточные нефтепродукты: гудрон, мазут, тяжёлая смола пиролиза, вакуумный газойль, слоп (дистиллятная фракция 480–610 °С) и экстракты селективной очистки масел [3-6]. Выбор конкретного компонента зависит от требуемых свойств конечного продукта и состава исходного сырья.

Эффективность компаундирования подтверждается конкретными результатами. Смешение окисленного битума с неокисленными компонентами – гудроном и слопом (дистиллятной фракцией 480–610°С) – позволяет снизить температуру хрупкости по Фраасу с минус 17°С до минус 34–35°С за счёт введения в состав битума пластифицирующих масляных фракций, повышающих эластичность при низких температурах [5]. Компаундирование с добавлением экстракта селективной очистки масел повышает индекс пенетрации до +0,8 и улучшает адгезию к каменным материалам (косинус краевого угла смачивания возрастает с 0,89 до 0,94) [6]. Это объясняется увеличением содержания ароматических соединений, способствующих лучшему смачиванию минеральной поверхности.

При использовании асфальтита – побочного продукта пропановой деасфальтизации гудрона в смеси с добавками (тяжёлый газойль каталитического крекинга, слоп, экстракт селективной очистки) в количестве 1–10 % масс. с последующим окислением до температуры размягчения 70–80 °С и компаундированием с гудроном в соотношении 30–35 : 65–70 достигается температура хрупкости от минус 19 до минус 21°С и дуктильность при 25 °С более 150 см, что значительно превышает требования ГОСТ 33133-2014 [7]. Улучшение свойств связано с тем, что асфальтит и добавки обогащают сырьё смолами и ароматическими соединениями, которые при окислении формируют эластичную структуру битума.

Другой подход заключается в нагреве неокисленного компонента до температуры, превышающей температуру окисления (до 350–390 °С), с последующим смешением. Это позволяет получить битумы с дуктильностью при 25 °С 70–80 см (для битумов марок БНД 60/90 и БНД 130/200) и более 100 см (для БНД 40/60), тогда как при традиционном окислении без компаундирования дуктильность не превышает 10–15 см. Повышение растяжимости достигается за счёт испарения легких фракций сырья, которые отрицательно влияют на пластичность, а их удаление улучшает эластичные свойства конечного битума [8].

Использование смесевого сырья на основе утяжелённого гудрона, гудрона установки замедленного коксования (содержащего не менее 5 % асфальтенов и не менее 20 % смол) и масляной фракции 420–500 °С с последующим окислением до температуры размягчения 60–70 °С и компаундированием с неокисленной частью того же сырья позволяет получать всю линейку дорожных битумов марок БНД 20/35, БНД 35/50, БНД 50/70, БНД 70/100, БНД 100/130, БНД 130/200 с высокими показателями пластичности, сдвиговой устойчивости и морозостойкости. Возможность получения всех марок из единой сырьевой основы достигается за счёт варьирования массового соотношения между окисленным и неокисленным потоками – от 90:10 для наиболее твёрдых марок до 70:30 для наиболее мягких [9].

При компаундировании глубокоокисленного битума с вакуумным газойлем в качестве пластифицирующего компонента для получения битума марки БНД 100/130 рекомендуется вводить 5 % масс. вакуумного газойля, а для марки БНД 70/100 – 15 % масс. от общей массы компаунда. Увеличение доли вакуумного газойля позволяет повысить пенетрацию и пластичность за счёт введения дополнительного количества масляных компонентов, однако избыточное содержание газойля приводит к снижению дуктильности [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Качество дорожных битумов определяется соотношением масел, смол и асфальтенов. Изменение глубины переработки нефти приводит к утяжелению гудрона, что затрудняет получение битумов, соответствующих современным стандартам. Компаундирование – смешение окисленного битума с неокисленными компонентами – позволяет целенаправленно регулировать групповой состав и, следовательно, эксплуатационные свойства конечного продукта. Подбором компонентов и их соотношений можно добиться улучшения низкотемпературных свойств, пластичности, адгезии к каменным материалам, а также расширить ассортимент выпускаемых битумов. Таким образом, компаундирование является эффективным и гибким методом регулирования свойств дорожных битумов, обеспечивающим их соответствие современным требованиям ГОСТ 33133-2014.