Методическое указание к лабораторному практикуму 'Определение свойств битума'

Цель лабораторного практикума -закрепление теоретических знаний о свойствах битумов и приобретения навыков исследования данного нефтепродукта.

ИСПЫТАНИЯ БИТУМОВ

Нефтяные битумы представляют собой темные высокосмолистые жидкие, полутвердые или твердые нефтепродукты, получаемые из тяжелых остатков нефтяного происхождения- гудронов, полугудронов, крекинг-остатков, асфальтов и т.д.

Битумы из всех продуктов переработки нефти характеризуются максимальной вязкостью и представляют собой сложную коллоидную систему асфальтенов и высокомолекулярных смол. При этом асфальтены образуют жесткий каркас или отдельные мицеллы, адсорбирующие и удерживающие смолы. Масла являются средой, в которой смолы растворяются, а асфальтены набухают.

Качество нефтяного битума зависит от его состава .Твердые парафины уменьшают адгезионную способность ( приливаемость ) битума. Смолы придают битуму эластичность и цементирующую способность. Масла улучшают растворимость и снижают способность битума к высыханию. Асфальтены сообщают битуму твердость и высокоплавкость и сообщают битумам морозостойкость. Повышенное содержание карбенов приводит к уменьшению растворимости, ухудшению эластичности, пластичности, прилипаемости и тягучести.

В нефтепереработке применяют три следующих основных способа производства битумов:

-концентрирование нефтяных остатков перегонкой их в вакууме- глубокая вакуумная перегонка мазута. Таким образом, получают остаточные битумы. Обычно остаточные битумы получают из мазутов с высокой концентрацией асфальтосмолистых веществ;

-окисление гудронов, полугудронов, экстрактов и крекинг- остатков- получают окисленные битумы. При окислении остатков высокосмолистых малопарафинистых нефтей получают лучшие сорта битумов. Основное влияние на процесс окисления оказывают температура, расход воздуха и давления;

-компаундирование различных нефтяных остатков с высококипящими нефтяными фракциями и остаточными или окисленными битумами- получают компаундированные битумы.

Для улучшения определенных свойств битумов применяют присадки, представляющие собой поверхностно-активные вещества и наполнители.

Широкое применение нашли дорожные и строительные битумы. Кроме того, нефтяные битумы применяют в электротехнической промышленности, производстве лаков и т.д.

Требования, предъявляемые к битумам, зависят от их назначения (марки). Основными показателями качества битумов являются глубина проникания иглы (пенетрация), растяжимость(дуктильность), температура размягчения, температура хрупкости, адгезия.

Температура хрупкости ( от -10 до -20 ᵒС) свидетельствует о морозостойкости битумов.

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕНЕТРАЦИИ

Пенетрация нефтяных битумов характеризует их свойство оказывать сопротивление проникновению стандартной иглы при стандартной нагрузке в течении 5с при температуре 0 или 25 ᵒС. Этот условный показатель характеризует консистенцию и твердость битума. С увеличением содержания масел в битуме пенетрация растет, продукт становится мягким. Напротив, при удалении из битума летучих веществ, а также с увеличением содержания в нем асфальтенов пенетрация уменьшается и битум становится более твердым и хрупким. Пенетрация измеряется в условных единицах градусах . Один градус соответствует перемещению иглы на 0,1 мм. Пенетрация как показатель качества определяется для всех типов битумов.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

На штативе (рис1) с помощью плеча-держателя закрепляется стрежень с иглой. Кнопка ограничивает движение иглы вниз. С помощью второго плеча-держателя в верхней части штатива закреплен циферблат со стрелкой. Стрелка связана с кремальерой, под перемещением которой она может передвигаться по циферблату

Рисунок 1 «Прибор (пенетрометр) для определения глубины проникания иглы в битум»

1-2-3-кремальера,4-,5- пусковая кнопка,6- груз,7-игла, 8-чашка с битумом,9- диск-столик, 1-основание,11-винты.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Порядок проведения работы следующий

1. Налейте испытуемый битум в металлическую стандартную чашку так, чтобы поверхность его была не более чем на 5мм ниже верхнего края чашки, и быстрым движением горящей спички удалите с поверхности битума пузырьки воздуха;

2. Охладите чашку с битумом на воздухе до температуры 20+-0, 5 ᵒС в течении 1 часа, а затем поместите в водяную ванну при температуре 25 +-0,5 ᵒС на 1 час;

3. Установите водяную ванну на столик прибора и подведите острие иглы к поверхности битума так, чтобы игла слегка касалась её;

4. Доведите кремальеру до верхней площадки стержня, несущего иглу, и установите стрелку на ноль;

5. Одновременно включите секундомер и нажмите кнопку прибора, давая игле свободно входить в испытуемый образец в течении 5сек, затем опустите кнопку

6. Отметьте показания прибора

7. Повторите определение не менее трех раз в различных точках на поверхности образца битума, отстающих от краев чашки и друг от друга не менее чем на 10 мм. После каждого погружения отмойте кончик иглы от приставшего битума бензином или другим растворителем и вытрите насухо по направлению острия;

8. Примите среднее арифметическое полученных результатов;

Расхождение между результатами параллельных погружений не должны превышать от величины 5% от величины меньшего результата. Глубину проникания иглы при 0ᵒС определите так же, как и при 25ᵒС, но со следующими изменениями: увеличьте время погружения иглы с 5 до 60 секунд.

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДУКТИЛЬНОСТИ

Под дуктильностью ( растяжимостью) понимают способность битума вытягиваться в тонкие нити под влиянием приложенной к нему силы в стандартных условиях.

Дуктильность является условной технической величиной и вместе с температурой размягчения и пенетрацией характеризует мягкость битума. Дуктильность характеризуется максимальной длинной нити битума при растяжении его в стандартных условиях в дуктилометре. Чем нить длиннее и тоньше, тем битум будет лучше противостоять механическим воздействиям, т.е. обладать лучшей эластичностью, прилипаемость и способностью работать на изгиб.

Дуктильность зависит от состава битума. С увеличением содержания смол увеличивается дуктильность, битум становится эластичным, что имеет большое значение при использовании его для дорожного строительства и при получении лакокрасочных покрытий. Напротив,

присутствие в битуме твердых парафинов и взвешенных частиц снижает дуктильность. Асфальтены также снижают дуктильность, причем битум становится хрупким.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Дуктлометор (рис.2) представляет собой ящик, внутри которого поступательно движутся салазки, приводимые в движение от электродвигателя.

На одной из сторон ящики помещена линейка для измерения длины нити. Для отливки образца битума, предназанченного к испытанию, служит специальная латунная форма (восьмерка) (рис.3)

Рисунок 2 «Устройство дуктилометра»

1-линейка,2,3-каретка,4-восьмерка

Рисунок 3 «Латунная форма (восьмерка)»

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Последовательность выполнения работы следующая:

1. Смажьте металлическую форму и внутреннею поверхность металлической формы смесью талька с глицерином, чтобы избежать прилипания к ним битума;

2. Соберите форму и уложите её на металлическую пластинку;

3. Налейте подготовленный битум в форму тонкой струей от одного конца формы к другой, пока она не заполнится несколько выше краёв;

4. Охладите формы с битумом при комнатной температуре в течении 40 минут

5. Срежьте горячим ножом избыток битума над формой, выравнивая его поверхность;

6. Погрузите форму с битумом в водяную баню с температурой 25ᵒС на 1 час

7. Включите электродвигатель и следите за растяжением битума

8. Зафиксируйте расстояние в см, пройдённое салазками до момента разрыва нити

9. Повторите испытание при 0ᵒС

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗМЯГЧЕНИЯ

За температуру размягчения битума принимают условно минимальную температуру, при которой битум переходит в текучее состояние в стандартных условиях.

Определение температуры размягчения битума проводится по методу «кольцо и шар». Метод заключается в определении температуры, при которой битум, залитый в кольцо стандартных размеров, размягчается под действием массы металлического шарика выдавливается на определенную глубину- до нижней площадки прибора.

Температура размягчения битума с увеличением содержания смол и асфальтенов повышается. Для все типов битумов определяют температуру размягчения: для дорожных от 33 до 51 ᵒС, для кровельных от 37 до 95 ᵒС.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Прибор (рис.4) состоит из двух площадок -верхней и нижней, а также крышки, скрепленных между собой стержнем. На верхней площадке имеются четыре отверстия, в которое вставляют латунные кольца с испытуемым битумом. Сверху на кольце с битумом устанавливают стальной шарик. Термометр закреплен таким образом, чтобы его ртутный шарик находился в гнезде, расположенном в середине верхней площадке. В собранном виде прибор установлен в стеклянном стакане.

Рисунок 4 «Прибор для определения температуры размягчения битума по способу кольца и шара( КиШ)

1-термометр,2-крышка ,3-стакан с водой или глицерином, 5,6-кольцо латунное (заполненное битумом)7-шарик стальной, 8нижняяплощадка

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Порядок выполнения работы следующий:

1. Налейте испытуемый битум с некоторым избытком в латунные кольца, помещенные на специальную пластинку. При испытании битумов, температура размягчения которых выше 120ᵒС, предварительно слегка подогрейте кольца

2. Выдержите кольца при температуре 20+-2ᵒС в течении 30 минут. Срежьте избыток битума нагретым ножом вровень с краями колец.

3. Поместите кольца с битумом в отверстия верхней площадки подвески

4. Вставьте термометр в гнездо так, чтобы нижняя точка ртутного резервуара была на одном уровне с нижней поверхностью битума в кольцах

5. Поставьте подвеску с кольцами на 15 минут в стакан, наполненной водой, имеющий температуру 5+-0,5ᵒС

6. По истечению времени включите нагрев, предварительно положив по стальному шарику на каждое кольцо в центре поверхности битума

7. Зафиксируйте минимальные температуры, при которых выдавливаемый шариками битум касается нижней площадки прибора

Примите среднее арифметическое результатов за температуру размягчения битума.

Расхождение между параллельными испытаниями не должно превышать 0,5ᵒС

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы основные показатели качества твердых битумов?

2. Каков ассортимент битумов, выпускаемых нефтеперерабатывающей промышленностью?

3. Области применения различных марок битумов?

4. Что принимают за температуру размягчения битума? Как она зависит от состава битума?

5. Что называют пенетрацией битума и какое свойство характеризует этот показатель?

6. Что такое дуктильность битума? Какое свойство битума характеризует этот показатель?

7. Как зависит дуктильность от состава битума?