Углеводороды как минеральные ресурсы

     Нефтяные (искусственные) битумы (рис.11), получаемые переработкой нефтяного сырья, в зависимости от технологии производства могут быть: остаточные, получаемые из гудрона путем дальнейшего глубокого отбора из него масел; окисленные, получаемые окислением гудрона в специальных аппаратах (продувка воздухом); крекинговые, получаемые переработкой остатков, образующихся при крекинге нефти.

     Гудрон  — остаток после отгонки из мазута масляных фракций; он является основным сырьем для получения нефтяных битумов, используется в виде связующего вещества в дорожном строительстве. 

Рис.11. Битум нефтяной [5, с.116]

      

     К дегтевым материалам относят различные  виды дегтя и пеки. Наиболее широкое применение органические вяжущие вещества получили в гидротехническом, дорожном, промышленно-гражданском строительстве в виде кровельных, гидроизоляционных материалов, асфальтобетона, асфальтораствора, уплотняющих материалов. Органические вяжущие хорошо совмещаются с резиной и полимерами, что позволяет значительно улучшить качество битумных материалов в соответствии с требованиями современного строительства.

     Возникла  новая отрасль, производящая гидроизоляционные  материалы (изол, бризол и др.) из вторичного резинового сырья. Изготовление рулонных кровельных и гидроизоляционных  материалов осуществляется на полностью  механизированных поточных линиях непрерывного действия.

     Эти элементы находятся в битуме в  виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Химический состав битумов весьма сложен. Так, в них могут находиться предельные углеводороды от С₉Н₂₀ до С₃₀Н₆₂. Все многообразные соединения, образующие битум, можно свести в три группы: твердая часть, смолы и масла.

     Твердая часть битума — это высокомолекулярные углеводороды и их производные с  молекулярной массой 1000—5000, плотностью более 1, объединенные общим названием асфальтены. В асфальтенах содержатся карбены, растворимые только в СCl₄, и карбоиды, не растворимые в маслах и летучих растворителях. В состав битумов могут входить также твердые углеводороды — парафины.

     Смолы представляют собой аморфные вещества темно-коричневого цвета с молекулярной массой 500—1000, плотностью около 1.

       Свойства битума, как дисперсной системы, определяются соотношением входящих в него составных частей: масел, смол и асфальтенов. Повышение содержания асфальтенов и смол влечет за собой возрастание твердости, температуры размягчения и хрупкости битума. Наоборот, масла, частично растворяющие смолы, делают битум мягким и легкоплавким. Снижение молекулярной массы масел и смол также повышает пластичность битума.

     Парафин, содержащийся в нефтяных битумах, ухудшает их свойства, повышает хрупкость при  пониженных температурах. Поэтому стремятся  к тому, чтобы содержание парафина в битуме не превышало 5%.

     Состав  определил практические способы  перевода твердых битумов в рабочее  состояние:

      1) нагревание до 140—170° С, размягчающее смолы и увеличивающее их растворимость в маслах;

      2) растворение битума в органическом  растворителе (зеленое нефтяное  масло, лакойль и др.) для придания  рабочей консистенции без нагрева  (холодные мастики и т. п.);

     3) эмульгирование и получение битумных  эмульсий и паст.

     Физические  свойства органических и неорганических вяжущих веществ и материалов, изготовляемых на их основе, различны. Для органических веществ в отличие от минеральных характерны гидрофобность, атмосферостойкость, растворимость в органических растворителях, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании вплоть до полного расплавления. Эти свойства обусловили применение органических вяжущих для производства кровельных, гидроизоляционных и антикоррозионных материалов, а также их широкое распространение в гидротехническом и дорожном строительстве.

       Водостойкость характеризуется содержанием водорастворимых соединений (в битуме не более 0,2—0,3% по массе). Электроизоляционные свойства используют при устройстве изоляции электрокабелей.

     Старение  — процесс медленного изменения  состава и свойств битума, сопровождающийся повышением хрупкости и снижением  гидрофобности. Ускоряется под действием  солнечного света и кислорода  воздуха вследствие возрастания  количества твердых хрупких составляющих за счет уменьшения содержания смолистых  веществ и масел.

       Растяжимость характеризуется абсолютным удлинением (см) образца битума (“восьмерки”) при температуре 25° С, определяемым на приборе — дуктилометре. [5, с.123]

     Марку битума выбирают в зависимости от назначения. По назначению различают  битумы строительные (рис. 12), кровельные и дорожные.

     Строительные  битумы применяют для изготовления асфальтовых бетонов и растворов, приклеивающих и изоляционных мастик, покрытия и восстановления рулонных кровель. 

     

Рис.12. Битум строительный [5, с.135] 

       Кровельные битумы используют для изготовления кровельных рулонных и гидроизоляционных материалов.  

4. Асфальт

 

       Асфальт — смесь битумов (60-75 % в природном с минеральными материалами: гравием и песком; 13-60 % в искусственном со щебнем или гравием, песком и минеральным порошком.

   Асфальт может быть природного и искусственного происхождения.

        Образуется природный асфальт из тяжёлых фракций нефти, а также из их остатков после испарения её лёгких составляющих и окисления под влиянием гипергенеза. В природе его можно встретить в виде пластовых жильных залежей, а также пропитанных проницаемых пластов и озёр в зонах естественного выходов нефти на земную поверхность. Выглядит он как черная твёрдая легкоплавкая масса с блестящим или тусклым раковистым изломом. В природном асфальте содержится около 70% смолисто-асфальтеновых веществ и 25-40% масел. Плотность такого асфальта - 1,1 г/см3, температура его плавления составляет 20–100°C. После смешивания асфальта с минеральными составляющими происходит его превращение в довольно-таки мощную кору на поверхности больших «нефтяных озер». В Республике Тринидад и Тобаго широко известным источником природного асфальта является битумное озеро Пич-Лейк на юго-западе острова Тринидад. Как и на востоке соседней Венесуэлы, местные индейцы пользовались этим асфальтом для пропитки своих каноэ. Свидетельства о давнем использовании асфальта («пич» на языке индейцев кумана) сохранились в легендах.

   Поскольку запасы асфальтов в Пич-Лейк оцениваются в 6-10 млн. т, при современном уровне добычи их хватит не меньше, чем на 400 лет.

   Кроме Пич-Лейк, на о-ве Тринидад выявлено ещё 15 месторождений природных асфальтов. Их суммарные геологические запасы составляют 180 млн. т, прогнозные ресурсы — 10,5 млн. т.

Асфальт часто встречается в районах  неглубокого залегания или выхода на поверхность земли нефтеносных  пород и, как правило, заполняет  трещины в известняках, доломитах  и других породах. Месторождения  асфальта имеются на территории бывшего  СССР, в Канаде, Венесуэле, Франции  и др. Наши предки находили природному асфальту широкое применение – его  использовали вместо извести, вместо цемента  во время строительства. А смолу  – для осмоления судов. Есть поверье, что корзинка, в которой лежал  Моисей, также была осмолена природным  асфальтом на берегу Нила.

        Искусственный асфальт или асфальтобетон — это строительный материал в виде уплотнённой смеси щебня, минерального порошка, песка, и битума. Он бывает горячим, теплым и холодным. Горячий асфальт содержит вязкий битум, укладывают и уплотняют такой асфальт при температуре не ниже 120°C. В теплом асфальте – маловязкий битум, а температура уплотнения - 40–80°C. Холодный асфальт, содержащий жидкий битум, уплотняют при температуре окружающего воздуха, но в то же время не ниже 10°C. Асфальтобетон применяют для покрытий дорог, аэродромов, площадок и пр. В XIX веке улицы в городах представляли с собой булыжные мостовые. Но к концу XIX века в ряде стран начали практиковать битумно-минеральные смеси для покрытия дорог. В США в 1876 году впервые применили литой асфальт, в составе которого были нефтяные битумы. А в 30-х годах XX столетия первые асфальтобетонные покрытия были использованы для покрытия тротуаров Королевского моста в Париже, а также в департаменте Эн на мосту через реку Рону в Лионе. В 1892г. в США была построена первая дорожная конструкция из бетона. Асфальт оказался наиболее подходящим материалом для дорожного покрытия, так как оно становится более ровным, а значит, менее шумным и обладает необходимой шероховатостью. Также, асфальт удобен тем, что по нему можно сразу начинать движение, в отличие от цементобетона, который набирает необходимую прочность только на 28-й день. Асфальт легко ремонтировать, мыть, убирать, на нем хорошо и долго держится дорожная разметка.

     Часто словом асфальт называют асфальтобетон  — искусственный каменный материал, который получается в результате уплотнения асфальтобетонных смесей. Классический асфальтобетон состоит  из щебня, песка, минерального порошка (филера) и битумного вяжущего (битум, полимерно-битумное вяжущее; ранее  использовался дёготь, однако, являясь  крайне неэкологичным, он в настоящее  время не применяется).

  Применяют для устройства покрытий на автомобильных дорогах, как кровельный, гидро- и электроизоляционный материал, для приготовления замазок, клеев, лаков и др.

     Холодный  асфальт - это асфальтобетонная смесь, которая отличается от традиционной тем, что изготовлено с применением добавок в битум и использование специального температурного режима каждого компонента при производстве асфальта. [5, с.142]

     Применяют холодный асфальтобетон преимущественно  при укладке малых площадей и  при проведении текущего ремонта  асфальтобетонного полотна, а именно: ямочный ремонт асфальтобетонного  покрытия; отмостка зданий;  асфальт, примыкающий к трамвайной рельсе; крыши гаражей; виадуки; перрон вокзала; дорожки в коттеджах; заездные участки  гаражей; укладка малых площадей, таких как автостоянки и т.д. (рис.13). 

 

     Рис.13. Асфальт [5, с.151]

      
  Когда изготавливается холодный асфальт, то применяются специфические добавки обеспечивающие образование на поверхности битума, наносимого на каменные строительные материалы своеобразной пленки обладающей защитными свойствами. Образование пленки способствует предотвращению затвердевания битума при сохранении готовой смеси. При проведении работ, в требуемом объеме, образовавшаяся пленка разрушается при контакте с воздушной средой, чем обеспечивается необходимая пластичность материала.

     Холодный  асфальт производят, используя как инертный материал высокопрочный дробленый камень, чистый без каких либо примесей и хорошо высушенный.

     Холодный  асфальтобетон производится на асфальтобетонном заводе путем перемешивания, в смесителе загружаемой туда щебенки и последующего ввода битума. Перемешивание этих компонентов, из которых и состоит холодный асфальтобетон, продолжается в течение 20...25 сек. Перед засыпкой в смеситель щебень нагревается, но его температура должна быть не более 100 ⁰С. Период времени перемешивания после внесения добавки составляет 20...25 сек. После того как перемешивание будет завершено, холодный асфальтобетон готов к применению.

     Холодный  асфальт широко распространен в  США, Корее, Норвегии, Великобритании, Израиле, ЮАР. Наибольшее распространение  в США под маркой EZ STREET. [5,с .162]

     Среди разнообразных применений асфальта мы видим мощение улиц, прокладку  автомагистралей и взлетно-посадочных полос аэропортов; создание кровельных, гидроизолирующих и изоляционных материалов; грунтовку оросительных каналов  и водных резервуаров; облицовку  тела плотин и дамб. Асфальт является также важной составной частью некоторых  красок и лаков. В настоящее время  мировое производство асфальта оценивается  свыше 60 миллионов тонн в год, причем более 80% этого объема идет на нужды  строительства и технического обслуживания зданий и сооружений и свыше 15% используется для производства кровельных материалов. 

Заключение  

       Среди известного комплекса естественных полезных ископаемых, относящихся к топливно-энергетичесской группе, одно из основных по использованию в народном хозяйстве страны занимают природные горючие газы.

       Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Также природный газ лучший вид топлива. Его отличают полноте сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения. Запасы природного газа на нашей планете очень велик. Он является источником сырья для химической промышленности. Помимо природного газа существует искусственный газ. Впервые он был получен в лабораторных условиях в конце XVIII века. Искусственным газом сначала освещались улицы и помещения, поэтому его и назвали “светильным газом”. Помимо названных газов существуют также попутные нефтяные газы. По своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью – он растворен в ней и находится над нефтью, образовывая газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого давления отделяется от нее.

     Нефть сейчас играет важную роль в структуре  экономики многих стран. Она чрезвычайно  выгодна не только как топливо, но и как химическое сырьё. Нефть  – одно из достояний Земли, но до сих пор так и нет одной  правильной версии о её происхождении. Таким образом, нефть остаётся загадкой до сих пор.

     Борьба  с потерями нефти, нефтепродуктов и  природных газов является важнейшим  мероприятием по оздоровлению природы. Очистка отходов производства с утилизацией управляемых веществ – наиболее перспективный путь охраны окружающей среды.