Нефтяные битумы: методы анализа

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НЕФТЯНЫЕ БИТУМЫ:  
МЕТОДЫ АНАЛИЗА 
 
Методические указания  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

УДК 66.084.11
ББК 35.514 

Н58

 
Печатаются по решению методической комиссии  
института нефти, химии и нанотехнологий 
 
Рецензенты: 
канд. хим. наук, доц. М. Н. Сайфутдинова 
канд. техн. наук, доц. Р. Р. Заббаров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Составители: 
доц. А. И. Абдуллин 
доц. Е. А. Емельянычева 
 
 

Н58 

Нефтяные битумы: методы анализа : методические указания / 
сост.: А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева; Минобрнауки России, 
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 100 с.

 
Представлены способ получения окисленных нефтяных битумов в 
лабораторных условиях, методы анализа основных показателей качества 
нефтяных битумов и битумных вяжущих. 
Предназначены для бакалавров, обучающихся по направлениям 
18.03.01 «Химическая технология» (профиль «Химическая технология 
природных энергоносителей и углеродных материалов») и 21.03.01 
«Нефтегазовое дело», а также для магистрантов, обучающихся по 
направлению «Химическая технология». 
Подготовлены на кафедре химической технологии переработки нефти и 
газа. 
 
 
 

 

УДК 66.084.11
ББК 35.514

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
Введение ................................................................................................... 4 

Требования безопасности и охраны окружающей среды  

при работе с битумом .............................................................................. 5 

1. Получение окисленных битумов в лабораторных условиях ........... 6 

2. Определение температуры размягчения битумов .......................... 12 

3. Определение показателя пенетрации нефтяных битумов  

(глубины проникания стандартной иглы ............................................ 18  

4. Определение температуры хрупкости битумов .............................. 24 

5. Определение дуктильности (растяжимости) битума ..................... 32 

6. Определение плотности битума ....................................................... 37 

7. Определение температуры вспышки битума .................................. 42 

8. Определение прочночти сцепления битума с минеральным  

материалом ............................................................................................. 47 

9. Определение изменения массы образца битума  

и температуры размягчения после старения ....................................... 53 

10. Определение динамической вязкости битума .............................. 60 

11. Определение условной вязкости битума ....................................... 66 

12. Определение кинематической вязкости битума ........................... 70 

13. Определение структурно-группового состава нефятных  

битумов ................................................................................................... 80 

14. Получение и испытание водобитумных эмульсий ....................... 84 

Список литературы ................................................................................ 98 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Битумы благодаря ряду ценных свойств нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства в качестве связующего, водонепроницаемого, тепло- и звукоизолирующего материала в 
различных битумных композиционных материалах [1, 2].  
Битумы (от лат. bitumen – горная смола) – твердые или смолообразные, водонерастворимые (преимущественно черного цвета) вещества, состоящие из смеси высокомолекулярных углеводородов  метанового СnH2n+2, нафтенового CnH2n и ароматического рядов и их кислородных, сернистых и азотных производных. 
Различают природные и искусственные нефтяные битумы. Применение находят как одни, так и другие [3,4], однако наибольшее распространение приобрели нефтяные окисленные битумы [5]. 
Нефтяные (искусственные) битумы получают путем переработки нефти. По консистенции битумы могут быть: твердыми – обладают упругими, а иногда хрупкими свойствами; вязкими – обладают 
вязкопластичными свойствами; жидкими – обладают легкотекучими 
свойствами [6].  
Для современного производства нефтяных битумов наиболее 
характерными являются следующие способы получения битумов: 
1) концентрирование нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме 
в присутствии водяного пара или инертного газа; 2) окисление кислородом воздуха различных нефтяных остатков (мазутов, гудронов, полугудронов, асфальтов деасфальтизации гудрона, экстрактов селективной 
очистки масел, крекинг остатков или их смесей); 3) компаундирование 
различных нефтяных остатков с дистиллятами, с окисленными или 
остаточными битумами [7,8].  
В зависимости от способа производства получаемые битумы подразделяются на три основные группы: 1) остаточные битумы; 2) окисленные битумы; 3) компаундированные битумы [8]. 
  

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ 
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАБОТЕ С БИТУМОМ 
 
При работе с битумом необходимо соблюдать требования техники безопасности, указанные в ГОСТ 12.1.007, и требования противопожарной безопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.004. 
Битумы согласно ГОСТ 12.1.044 относятся к трудногорючим 
жидкостям. 
Битумы относятся к 4-му классу опасности и являются малоопасными веществами по степени воздействия на организм человека.  
Предельно допустимая концентрация паров углеводородов битумов в воздухе рабочей зоны производственных помещений — 
300 мг/м3 в соответствии с ГОСТ 12.1.005. 
При работе с битумом используют специальную защитную 
одежду по ГОСТ 12.4.131 или ГОСТ 12.4.132. Для защиты рук используют перчатки по ГОСТ 28846. 
Испытанный битум утилизируют в соответствии с рекомендациями предприятия-изготовителя, указанными в технической документации на материал. 
 
 

1. ПОЛУЧЕНИЕ ОКИСЛЕННЫХ БИТУМОВ 
В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ 
 

1.1. Теоретические основы получения окисленных битумов 

 

1.1.1. Сырье для получения окисленных битумов 

 
Окисление остатков нефтепереработки (гудронов, полугудронов, 

асфальтов деасфальтизации, экстрактов селективной очистки масел) 
воздухом является основным процессом производства битумов. 

Наиболее пригодны для производства окисленных битумов высо
космолистые малопарафинистые нефти, содержащие многокольчатые 
нафтено-ароматические структуры. Составы нефтей этой группы удовлетворяют условию (БашНИИНП): 

 

А + С – 2,5∙ П ≥ 8,                                      (1.1) 

 
где А, С, П – соответственно содержание асфальтенов, смол и парафинов, % мас. 
 Высокопарафинистые смолистые и парафинистые малосмолистые нефти признаны непригодными для производства дорожных битумов улучшенных марок по существующим технологическим схемам.   
В зарубежной практике широко распростанено использование 
для оценки пригодности нефтей для получения битумов хорошего качества характеризующего фактора К, определяемого по формуле: 
 
К = ТВ / ρ,                                           (1.2) 
 
где ТВ – температура выкипания 50 % в °Ренкина (1 °Р = 5/9 °К);  
ρ – плотность при 15,6 °С [9]. 
 

1.1.2. Температура получения окисленных битумов 
 
Чем выше температура окисления, тем быстрее протекает процесс. Но при слишком высокой температуре ускоряются реакции образования карбенов и карбоидов. Повышенное количество последних 
приводит к росту хрупкости и малоэластичности битумов. 
Остатки высокосмолистых нефтей окисляют при 250 ÷ 280 °С, 
парафинистых – при 270 ÷ 290 °С. Повышение температуры процесса 
приводит к увеличению роли реакций дегидрирования молекул сырья, 

увеличению содержания СО2 в отходящих газах окисления и уменьшению количества карбоксильных групп вследствие их разложения, увеличению доли кислорода, расходуемого на образование воды.  
С повышением температуры выше 250 °С увеличиваются значения температур размягчения и хрупкости битума, а значения пенетрации, растяжимости, теплостойкости и интервала пластичности понижаются. 
Повышение температуры снижает продолжительность окисления и суммарный расход воздуха. При температуре выше 270 °С степень использования кислорода воздуха понижается.  
Температура процесса подбирается в зависимости от природы 
сырья и требуемых свойств битума. 
 

1.1.3. Расход воздуха 

 
Воздух вводится в колонну окисления с помощью специальных 
распределительных устройств (маточников) с целью его диспергирования. С увеличением расхода воздуха происходит снижение требуемого 
времени окисления вследствии интенсификации процесса. При слишком большой подаче воздуха теапература в реакционном пространстве 
может подняться выше допустимой, так как реакция окисления протекает с выделением тепла. Изменением расхода воздуха можно регулировать температуру процесса. Для процесса окисления характерны реакции дегидрирования, приводящие к образованию водяных паров, на 
это расходуется значительная часть кислорода, вводимого с воздухом. 
Общий расход воздуха зависит от химического состава сырья, а также 
от качества получаемого битума и колеблется в пределах 50–400 м3/т 
битума. 
 
1.1.4. Давление  
 
Обычно давление колеблется от 0,3 до 0,8 МПа. 
С повышением давления в зоне реакции процесс окисления интенсифицируется, улучшается качество окисленных битумов благодаря 
конденсации части масляных паров. Данное влияние объясняется уменьшением потерь дистиллята c отгоном и окислением дистиллята в промежуточные смолы и далее в асфальтены. С повышением давления в зоне 
реакции улучшается диффузия кислорода воздуха, в результате чего повышается интенсивность протекания процесса, уменьшается время окисления. Однако применение более высокого давления ведет к 

усложнению обрудования, поэтому окисление под давлением не нашло 
широкого применения и обычно давление процесса не превышает 0,25–
0,30 МПа.  
 Интенсивность процесса окисления на установке с окислительными колоннами непрерывного действия повышается с увеличением 
температуры, расхода воздуха и давления в реакторе. Наилучшей теплостойкостью обладают битумы, полученные непрерывным окислением сырья при низкой температуре, умеренном расходе воздуха и повышенном давлении [9]. 
 
1.1.5. Химизм процесса получения оксиленных битумов 
 
Процесс окисления протекает по радикально-цепному механизму, сопровождается образованием свободных радикалов, склонных 
к перераспределению и рекомбинации.  
Благодаря использованию в процессе кислорода воздуха, идет 
процесс генерации радикалов при относительно невысоких температурах по следующим реакциям: 
 

                                    (1.2) 

,                                  (1.3) 

,     (1.4) 
 

       (1.5) 
 
Основными направлениями превращения нефтяных остатков в 
процессе окисления являются: окислительный крекинг, сопровождающийся отщеплением и окислением парафино-нафтеновых фрагментов 
в ароматических структурах, дегидрогенизация нафтенов до ароматических углеводородов, конденсация бензольных колец. Поликонденсированные системы в свою очередь являются источником образования смол 
и асфальтенов. При этом, содержание смол при окислении практически 
не изменяется, содержание масел уменьшается, содержание асфальтенов 
увеличивается. Таким образом, смолы являются промежуточным 

продуктом превращения углеводородов в асфальтены. В результате 
окисления идет образование трехмерных конденсированных полициклических ароматических структур за счет возникновения новых углеродуглеродных связей при дегидрогенизации молекул смол, а также за счет 
соединения отдельных молекул кислородными мостиками.  
С увеличением продолжительности окисления количество полярных функциональных групп в битуме сокращается. Баланс распределения химически связанного кислорода находится в зависимости от 
температуры окисления и вида сырья. Основное количество кислорода 
порядка 60 % в окисленном битуме находится в виде сложно-эфирных 
групп, остальные 40 % распределяются примерно поровну между гидроксильными, карбоксильными и карбонильными группами.  
Механизм окисления также зависит от состояния сырья – раствор или дисперсная система. Если сырье находится в виде раствора, то 
его превращение начинается с образования кислородсодржащих соединений, в которых кислород входит в состав карбонильных, сложноэфирных и карбоксильных групп. Затем протекает превращение кислородсодржащих соединений в смолы. Когда концентрация смол достигает некоторого значения, раствор переходит в дисперсную систему. 
Далее смолы преращаются в асфальтены по механизму реакций конденсации с выделением воды.  
 
1.2. Описание лабораторной установки  
получения окисленных битумов и принципа ее работы 
 
В лабораторных условиях битумы можно получать на установках периодического и непрерывного действия. На рис. 1.1 приведена 
схема лабораторной установки периодического действия.  
Окисление нефтяного остатка проводится в кубе 4 с электрообогревом. Куб снабжен маточником для диспергирования воздуха 5, контактным термометром 7, который соединен с термоконтактным регулятором температуры 8. Куб также имеет кран пробоотборник 6. Воздух 
для окисления подается компрессором 1 через ресивер 2 (сосуд для 
накопления газа). Объемный расход воздуха в единицу времени замеряется ротаметром 4. Газообразные и парообразные продукты окисления охлаждаются и конденсируются в холодильнике 10 и направляются 
в сборник жидкого отгона («черного соляра») 11. Несконденсировавшаяся часть поступает в склянки Дрекселя 12, которые заполняются 
10–15 % раствором щелочи и 5 % раствором перманганата калия. Очищенный газ выводится в вытяжную систему [9]. 

Рис. 1.1.  Схема лабораторной установки получения окисленных битумов: 1 – компрессор;  
2 – ресивер; 3 – ротаметр; 4 – окислительный куб; 5 – маточник; 6 – пробоотбонник;  
7 – контактный термометр; 8 – термоконтактный регулятор; 9 – ЛАТР;  
10 – холодильник; 11 – сборник черного соляра; 12 – склянки Дрекселя