ГлавнаяНа Сахалине, в Оренбургской, Куйбышевской и некоторых других областях имеются месторождения природных битумов твердой, полутвердой и жидкой консистенций.
Структура природных битумов, их физико-химические и физико-механические свойства близки к структуре и свойствам нефтяных битумов. Однако в природных битумах твердой и полутвердой консистенции обычно содержатся минеральные примеси, поэтому зольность их выше, а растворимость в бензоле, хлороформе и других растворителях ниже. Наличие минеральных примесей увеличивает плотность, и повышает теплоустойчивость природных битумов. Повышенное содержание кислородсодержащих соединений — асфальтогеновых кислот и ангидридов — обусловливает их высокую поверхностную активность и хорошее прилипание к поверхности минеральных материалов. Применение твердых и полутвердых природных битумов весьма ограничено ввиду их более высокой стоимости и малого объема производства по сравнению с нефтяными битумами.
Значительная часть природных битумов содержит определенное количество воды (в свободном состоянии и в виде эмульсии), а также некоторое количество минеральных примесей и растительных остатков. Для использования таких битумов следует производить их обезвоживание двумя способами. Первый— посредством медленного нагревания до температуры 120—180°C (в зависимости от консистенции битума) в котлах, оборудованных специальным теплообменником для конденсации в ней паров воды и летучих компонентов. При нагревании сырого битума минеральные смеси оседают на дно котла, откуда их периодически удаляют. Примеси растительного происхождения обычно всплывают на поверхность битума и также удаляются.
Если же вода в сыром битуме имеется в большом количестве, а минеральные примеси — в виде крупных кусков, используют способ «осаждения», при котором сырой битум нагревают до температуры выше температуры размягчения на 5—10 °С. Минеральные примеси оседают на дне котла, а битум всплывает на поверхность воды и может быть отделен для последующего удаления оставшейся в нем воды первым способом.
Более широкое использование находят природные жидкие битумы в виде тяжелых нефтей (учкизылская, джаркурганская и др.), почти не содержащих фракций бензина и керосина, которые пригодны для обработки минеральных материалов способом смешения на дороге. Тяжелую нефть используют в качестве вяжущего материала в Узбекистане и Таджикистане.
Джаркурганская нефть представляет собой смесь нефтей, добываемых на юге Узбекистана, отличается высокой смолистостью, большим содержанием серы, парафина и малым количеством легких фракций.
Состав и свойства нефти непостоянны. По данным А. В. Полетаева и Е. Г Абруцкой, пробы джаркурганской нефти характеризуются следующими показателями:
По своим свойствам джаркурганская нефть отвечает требованиям, предъявляемым к жидкому, медленногустеющему дорожному битуму. Поэтому она применяется в качестве вяжущего для устройства покрытий способом смешения на дороге. Вязкость нефти в покрытиях с течением времени возрастает, однако этот процесс идет довольно медленно, и требуется 4—5 лет, пока джаркурганская нефть приобретет свойства жидкого битума, обычно применяемого для устройства облегченных покрытий способом смешения на дороге в районах с жарким климатом.
По этой причине при обработке окатанного гравия джаркурганская нефть часто не дает положительных результатов и для повышения устойчивости гравийных покрытий приходится вводить до 30—50% щебня.
Чтобы повысить прилипание тяжелых нефтей к поверхности минерального материала, в них добавляют известь (1,5—2% от массы минерального материала). В сухой гравийный материал добавляют известковый раствор или известь и предварительно поливают водой.
Дорожно-строительные свойства джаркурганской нефти улучшают путем повышения ее вязкости, для чего осуществляется неглубокая перегонка нефти с перегретым водяным паром или окисление исходной нефти кислородом воздуха при повышенной температуре.
Выход битума при окислении нефти выше, чем при перегонке, и составляет от 88 до 92% от массы исходной обезвоженной нефти. Расход воздуха составляет до 1,6—1,8 л/мин на 1 кг нефти.
Если процесс окисления производится при температуре ниже 100° С, то полученные продукты по своей вязкости незначительно отличаются от исходной нефти.
С увеличением температуры от 150 до 250° С окисление происходит интенсивнее. Аналогичное влияние оказывает и увеличение расхода воздуха.
В Эмбенском и Мангышлакском нефтеносных районах Казахстана известны месторождения тяжелых нефтей (Кара-Арна, Тюбеджик, Карсак, Байгунас и др.), которые из-за незначительного содержания светлых фракций не имеют промышленного значения и не эксплуатируются. Тяжелые высокосмолистые нефти отличаются значительным содержанием смолисто-асфальтеновых веществ и могут использоваться в качестве вяжущего при устройстве облегченных дорожных покрытий.
Опыт производственного использования тяжелых нефтей показывает, что их можно применять: для обеспыливания грунтовых, грунтогравийных и грунтощебеночных профилированных дорог; для укрепления грунтов, грунтогравийных и грунтощебеночных материалов с целью использования их в качестве дорожных оснований и низших типов покрытий; в качестве улучшающей добавки к промышленным нефтяным битумам; как разжижитель при производстве составленных битумов; в качестве сырья при производстве высококачественных битумов путем окисления; при производстве ремонтных работ.
Нефти можно применять как самостоятельное вяжущее и в комплексе с другими вяжущими и улучшающими добавками.
Тяжелые Эмбенские нефти в сыром виде не могут использоваться для устройства усовершенствованных и переходных типов покрытий, так как не обладают достаточными вяжущими свойствами. В связи с этим возникает необходимость в улучшении свойств природных нефтей путем повышения их вязкости. Наиболее доступны для производственных целей следующие способы повышения вязкости нефтей: отгон легких фракций; окисление кислородом: воздуха; смешение с вязкими битумами.
Опыт приготовления битумов в специальной установке при совмещении первых двух способов дал положительные результаты, хотя не исключена возможность приготовления битумов самостоятельно отгоном легких фракций или окислением.
Тяжелые Эмбенские нефти в естественном виде могут использоваться в качестве разжижителя и улучшающей добавки. Высокий процент смол в нефтях делает их ценным сырьем для обогащения вязких и жидких битумов смолистыми веществами, повышающими вяжущие свойства и физико-химическую активность. В связи с этим рекомендуется использовать тяжелые нефти в качестве улучшающих добавок к промышленным нефтяным битумам.
Для приготовления битумов из нефти и улучшения свойств вязких промышленных нефтяных битумов практически могут использоваться все разновидности природных тяжелых смолистых и высокосмолистых нефтей Эмбенского и Мангышлакского нефтеносных районов. Для производства целесообразно использовать нефти с вязкостью по стандартному вискозиметру С60в5 не ниже 7 с.
Получение высококачественных битумов из тяжелых кара-арнинских нефтей на опытной нефтеочистительной установке треста «Запказдорстрой» было начато в 1963 г. В 1966 г. на Алма-Атинском заводе дорожной техники изготовлена специальная опытнопроизводственная установка ПНУ-5 полустационарного типа производительностью 5 тыс. т в год.
Производство битумов в установке заключается в периодическом наполнении кубов-окислителей тяжелой нефтью, извлечении фракций, выкипающих при температуре до 300° С, и окислении тяжелого остатка кислородом воздуха, который подается в кубы-окислители через вмонтированные в них маточники. Газы окисления и остатки непрореагировавшего воздуха удаляются вместе с парами легких фракций, которые затем в холодильнике отделяются от газов и используются в качестве топлива. После 10—12-часовой работы установки нефть приобретает вязкость, соответствующую среднегустеющим жидким битумам.
Достижение заданной вязкости регулируется временем окисления (при постоянной подаче воздуха). В зависимости от продолжительности окисления из тяжелых нефтей можно получить любую марку жидких и вязких дорожных битумов. Битумы, полученные путем отгона легких фракций с последующим окислением нефтяного остатка, характеризуются достаточно высокими качествами, в связи с чем находят все большее распространение в дорожном строительстве, особенно в районах распространения тяжелых нефтей, не используемых нефтеперерабатывающими заводами.