Битум ( Великобритания : / ˈbɪtʃʊmɪn / BIH - chuum -in , США : / bɪˈtjuːmɪn , baɪ- / bih - TEW - min, by- ) [1] — чрезвычайно вязкая составляющая нефти . В зависимости от точного состава она может быть липкой , черной жидкостью или , по - видимому, твердой массой , которая ведет себя как жидкость в течение очень больших временных масштабов. В американском английском этот материал обычно называют асфальтом . Независимо от того, находится ли он в природных отложениях или переработан из нефти, это вещество классифицируется как смола . [ 2] До 20-го века термин асфальт был общеупотребительным. [3] Слово происходит от древнегреческого слова ἄσφαλτος ( ásphaltos ), которое относилось к природному битуму или смоле. Крупнейшим природным месторождением битума в мире является озеро Пич-Лейк на юго-западе Тринидада , запасы которого оцениваются в 10 миллионов тонн. [4]
Около 70% годового производства битума предназначено для строительства дорог , его основного применения. [5] В этом применении битум используется для связывания частиц заполнителя, таких как гравий, и образует вещество, называемое асфальтобетоном , которое в разговорной речи называют асфальтом . Его другие основные применения заключаются в битумных гидроизоляционных продуктах, таких как рубероид и герметик для крыш. [6]
В материаловедении и инженерии термины асфальт и битум часто используются взаимозаменяемо и относятся как к природным, так и к искусственным формам вещества, хотя существуют региональные различия относительно того, какой термин является наиболее распространенным. Во всем мире геологи склонны отдавать предпочтение термину битум для природного материала. Для искусственного материала, который является очищенным остатком от процесса перегонки выбранных сырых нефтей, битум является распространенным термином во многих странах мира; однако в американском английском чаще используется асфальт . Чтобы избежать путаницы, в США используются термины «жидкий асфальт», «асфальтовое связующее» или «асфальтовый цемент», чтобы отличить его от асфальтобетона. В разговорной речи различные формы битума иногда называют « смолой », как в названии смоляных карьеров Ла-Бреа . [7]
Природный битум иногда обозначается термином « сырой битум» . Его вязкость близка к вязкости холодной патоки [8] [9], в то время как материал, полученный путем фракционной перегонки сырой нефти , кипящей при 525 °C (977 °F), иногда называют «очищенным битумом». Канадская провинция Альберта имеет большую часть мировых запасов природного битума в нефтяных песках Атабаски , которые покрывают 142 000 квадратных километров (55 000 квадратных миль), площадь больше, чем у Англии . [10]
Латинское слово восходит к протоиндоевропейскому корню *gʷet- «смола».
Выражение «битум» произошло из санскрита , где мы находим слова «jatu», что означает «смола», и «jatu-krit», что означает «создание смолы», «производство смолы» (относится к хвойным или смолистым деревьям). Некоторые утверждают, что латинский эквивалент изначально был «gwitu-men» (относящийся к смоле), а другие — «pixtumens» (выделяющая или пузырящаяся смола), которая впоследствии была сокращена до «битума», а оттуда через французский язык перешла в английский. От того же корня произошло англосаксонское слово «cwidu» (Mastix), немецкое слово «Kitt» (цемент или мастика) и древнескандинавское слово «kvada». [11]
Слово «ašphalt» предположительно произошло от аккадского термина «asphaltu» или «sphallo», что означает «раскалывать». Позднее оно было принято гомеровскими греками в форме прилагательного ἄσφαλἤς, ἐς, означающего «твердый», «устойчивый», «надежный», и соответствующего глагола ἄσφαλίξω, ίσω, означающего «делать твердым или устойчивым», «надежно защищать». [11]
Слово «асфальт» происходит от позднего среднеанглийского , в свою очередь от французского assete, основанного на позднелатинском associated asphalton, assetum, которое является латинизацией греческого ἄσφαλτος ( ásphaltos , ásphalton ) , слова , означающего « асфальт / битум / смола », [12] которое, возможно, происходит от ἀ- , «не, без», т. е. альфа-отрицательного падежа , и σφάλλειν ( sphallein ), «заставлять падать, сбивать с толку, (в пассивном залоге) ошибаться, (в пассивном залоге) быть остановленным». [13]
Первое использование асфальта древними было в качестве цемента для закрепления или соединения различных объектов, и поэтому кажется вероятным, что само название было выражением этого применения. В частности, Геродот упоминал, что битум был привезен в Вавилон для строительства его гигантской крепостной стены. [14]
Из греческого языка слово перешло в позднюю латынь, а оттуда во французский ( assphalté ) и английский (asphaltum и «асфальт»). Во французском языке термин « асфальт » используется для обозначения природных залежей известняка, пропитанного асфальтом, а также для специализированных промышленных продуктов с меньшим количеством пустот или большим содержанием битума, чем «асфальтобетон», используемый для мощения дорог.
Битум, смешанный с глиной, обычно назывался «асфальтом», но сегодня этот термин используется реже. [15]
В американском английском "asphalt" эквивалентен британскому "bitumen". Однако "asphalt" также часто используется как сокращенная форма " assulfate concrete " (следовательно, эквивалентно британским "asphalt" или "tarmac").
В канадском английском слово «bitumen» используется для обозначения огромных канадских месторождений чрезвычайно тяжелой сырой нефти , [16] в то время как «asphalt» используется для продукта нефтепереработки. Разбавленный битум (разбавленный нафтой , чтобы заставить его течь по трубопроводам) известен как « dilbit » в канадской нефтяной промышленности, в то время как битум, « обновленный » до синтетической сырой нефти, известен как «syncrude», а syncrude, смешанный с битумом, называется «synbit». [17]
«Битум» по-прежнему является предпочтительным геологическим термином для природных залежей твердой или полутвердой формы нефти. «Битуминозная порода» — это форма песчаника, пропитанная битумом. Нефтяные пески Альберты , Канада, представляют собой похожий материал.
Ни один из терминов «асфальт» или «битум» не следует путать с дегтем или каменноугольными смолами . Деготь — это густой жидкий продукт сухой перегонки и пиролиза органических углеводородов, в основном получаемых из растительных масс, будь то окаменевшие, как уголь, или свежесобранные. Большая часть битума, с другой стороны, образовалась естественным путем, когда огромные количества органических животных материалов были отложены водой и захоронены на глубине сотен метров в диагенетической точке, где неорганизованные жирные молекулы углеводородов соединялись в длинные цепи в отсутствие кислорода. Битум встречается в виде твердого вещества или высоковязкой жидкости. Его даже можно смешивать с угольными отложениями. Битум и уголь, использующие процесс Бергиуса , можно перерабатывать в бензины, такие как бензин, а битум можно перегонять в деготь, но не наоборот.
В состав битума входят четыре основных класса соединений:
Битум обычно содержит, элементарно 80% по весу углерода; 10% водорода; до 6% серы; и молекулярно, от 5 до 25% по весу асфальтенов, диспергированных в 90% - 65% мальтенов. [18] Большинство природных битумов также содержат сероорганические соединения , никель и ванадий встречаются в концентрации <10 частей на миллион, что типично для некоторых видов нефти. [6] Вещество растворимо в сероуглероде . Его обычно моделируют как коллоид , с асфальтенами в качестве дисперсной фазы и мальтенами в качестве непрерывной фазы. [19] «Почти невозможно разделить и идентифицировать все различные молекулы битума, потому что число молекул с различной химической структурой чрезвычайно велико». [20]
Асфальт можно спутать с каменноугольной смолой , которая представляет собой визуально похожий черный термопластичный материал, получаемый путем деструктивной перегонки угля . В начале и середине 20-го века, когда производился городской газ , каменноугольная смола была легкодоступным побочным продуктом и широко использовалась в качестве связующего для дорожных заполнителей. Добавление каменноугольной смолы в щебёночные дороги привело к появлению слова « tarmac », которое теперь используется в обиходе для обозначения дорожных материалов. Однако с 1970-х годов, когда природный газ сменил городской газ, битум полностью вытеснил использование каменноугольной смолы в этих целях. Другими примерами этой путаницы являются La Brea Tar Pits и канадские битуминозные пески , оба из которых на самом деле содержат природный битум, а не смолу. «Pitch» — это еще один термин, который иногда неформально используется для обозначения асфальта, как в Pitch Lake .
По экономическим и другим причинам битум иногда продается в сочетании с другими материалами, часто без какой-либо маркировки, кроме как просто «битум». [21]
Особого внимания заслуживает использование остатков переработанного моторного масла – «REOB» или «REOBs» – остатков переработанного автомобильного моторного масла, собранных со дна перерабатывающих вакуумных дистилляционных башен, при производстве асфальта. REOB содержит различные элементы и соединения, обнаруженные в переработанном моторном масле: добавки к исходному маслу и материалы, накапливающиеся в результате его циркуляции в двигателе (обычно железо и медь). Некоторые исследования показали связь между этой фальсификацией битума и ухудшением эксплуатационных характеристик дорожного покрытия. [21]
Большая часть битума, используемого в коммерческих целях, добывается из нефти. [22] Тем не менее, большие количества битума встречаются в концентрированной форме в природе. Естественные отложения битума образуются из остатков древних микроскопических водорослей ( диатомовых ) и других некогда живых существ. Эти естественные отложения битума образовались в каменноугольный период, когда гигантские болотные леса доминировали во многих частях Земли. [23] Они отложились в иле на дне океана или озера, где жили организмы. Под воздействием тепла (выше 50 °C) и давления захоронения глубоко в земле останки были преобразованы в такие материалы, как битум, кероген или нефть.
Природные месторождения битума включают такие озера, как озеро Пич в Тринидаде и Тобаго и озеро Бермудес в Венесуэле . Естественные выходы встречаются в битумных карьерах Ла-Бреа и Мак-Киттрик в Калифорнии , а также в Мертвом море .
Битум также встречается в неконсолидированных песчаниках, известных как «нефтяные пески» в Альберте , Канада, и похожих «битуминозных песках» в Юте , США. Канадская провинция Альберта имеет большую часть мировых запасов, в трех огромных месторождениях, охватывающих 142 000 квадратных километров (55 000 квадратных миль), площадь больше, чем Англия или штат Нью-Йорк . Эти битуминозные пески содержат 166 миллиардов баррелей (26,4 × 10 9 м 3 ) коммерчески установленных запасов нефти, что дает Канаде третьи по величине запасы нефти в мире. Хотя исторически она использовалась без очистки для мощения дорог, почти вся добыча теперь используется в качестве сырья для нефтеперерабатывающих заводов в Канаде и Соединенных Штатах. [10]
Крупнейшее в мире месторождение природного битума, известное как нефтяные пески Атабаски , расположено в формации Мак-Мюррей в Северной Альберте. Эта формация относится к раннему меловому периоду и состоит из многочисленных линз нефтеносного песка с содержанием нефти до 20%. [24] Изотопные исследования показывают, что возраст нефтяных залежей составляет около 110 миллионов лет. [25] Два меньших, но все же очень крупных образования встречаются в нефтяных песках Пис-Ривер и нефтяных песках Колд-Лейк , к западу и юго-востоку от нефтяных песков Атабаски соответственно. Из месторождений Альберты только части нефтяных песков Атабаски достаточно мелкие, чтобы подходить для поверхностной добычи. Остальные 80% приходится добывать с помощью нефтяных скважин с использованием методов повышения нефтеотдачи, таких как гравитационное дренирование с использованием пара . [26]
Гораздо меньшие залежи тяжелой нефти или битума встречаются также в бассейне Юинта в штате Юта, США. Например, месторождение Tar Sand Triangle содержит примерно 6% битума. [24]
Битум может встречаться в гидротермальных жилах . Примером этого является бассейн Юинта в штате Юта , США, где есть рой латерально и вертикально протяженных жил, состоящих из твердого углеводорода, называемого гильсонитом . Эти жилы образовались в результате полимеризации и затвердевания углеводородов, которые были мобилизованы из более глубоких нефтяных сланцев формации Грин-Ривер во время захоронения и диагенеза . [27]
Битум похож на органическое вещество в углеродистых метеоритах . [28] Однако подробные исследования показали, что эти материалы отличаются. [29] Считается, что огромные ресурсы битума Альберты начинались как живой материал из морских растений и животных, в основном водорослей , которые умерли миллионы лет назад, когда древний океан покрывал Альберту. Они были покрыты грязью, глубоко захоронены с течением времени и медленно превращены в нефть геотермальным теплом при температуре от 50 до 150 °C (от 120 до 300 °F). Из-за давления, вызванного подъемом Скалистых гор на юго-западе Альберты, 80–55 миллионов лет назад, нефть была вытеснена на северо-восток на сотни километров и застряла в подземных песчаных отложениях, оставленных древними речными руслами и океанскими пляжами, таким образом образуя нефтяные пески. [26]
Использование битума восходит к среднему палеолиту , где из него делали рукоятки инструментов или использовали в качестве клея для крепления каменных орудий к рукояткам .
Самые ранние свидетельства использования битума были обнаружены, когда археологи идентифицировали битумный материал на леваллуазских кремневых артефактах, которые датируются примерно 71 000 лет до н. э. на открытом воздухе в Умм-эль-Тлеле, расположенном на северном склоне плато Кдейр в бассейне Эль-Ковм в Центральной Сирии. [30] Микроскопический анализ обнаружил битумный остаток на двух третях каменных артефактов, что позволяет предположить, что битум был важным и часто используемым компонентом изготовления инструментов для людей в этом регионе в то время. Геохимический анализ асфальтовых остатков указывает на его источник в локальных природных выходах битума в массиве Бичри, примерно в 40 км к северо-востоку от археологического памятника Умм-эль-Тлель.
Повторное исследование артефактов, обнаруженных в 1908 году в скальных убежищах Ле-Мустье во Франции, выявило мустьерские каменные орудия, которые были прикреплены к рукояткам из охры и битума. [31] Рукоятки были изготовлены из 55% молотой гетитовой охры и 45% приготовленного жидкого битума для создания формуемой замазки, которая затвердевала в ручки. Более ранние менее тщательные раскопки в Ле-Мустье не позволяют окончательно идентифицировать археологическую культуру и возраст, но европейский мустьерский стиль этих инструментов предполагает, что они связаны с неандертальцами в период с позднего среднего палеолита до раннего верхнего палеолита между 60 000 и 35 000 лет до настоящего времени. Это самое раннее свидетельство многокомпонентного клея в Европе.
Использование природного битума для гидроизоляции и в качестве клея датируется по крайней мере пятым тысячелетием до н. э., когда в Мехргархе , цивилизации долины Инда , была обнаружена корзина для хранения урожая , выложенная им. [32] К третьему тысячелетию до н. э. в регионе использовался очищенный каменный асфальт, который использовался для гидроизоляции Большой бани в Мохенджо-Даро. [33]
На древнем Ближнем Востоке шумеры использовали природные залежи битума для раствора между кирпичами и камнями, для цементирования частей резьбы, таких как глаза, для герметизации кораблей и для гидроизоляции. [3] Греческий историк Геродот говорил, что горячий битум использовался в качестве раствора в стенах Вавилона . [34]
Сообщается, что туннель Евфрат длиной 1 км (0,62 мили) под рекой Евфрат в Вавилоне во времена царицы Семирамиды ( ок. 800 г. до н. э. ) был построен из обожженного кирпича, покрытого битумом в качестве гидроизоляционного материала. [3]
Битум использовался древними египтянами для бальзамирования мумий. [3] [35] Персидское слово для обозначения асфальта — moom , которое связано с английским словом mummy . Основным источником битума для египтян было Мертвое море , которое римляне знали как Palus Asphaltites ( Асфальтовое озеро).
Примерно в 40 г. н. э. Диоскорид описал материал Мертвого моря как битум Judaicum и отметил другие места в регионе, где его можно было найти. [36] Считается, что битум Сидона относится к материалу, найденному в Хасбее в Ливане. [37] Плиний также упоминает битум, найденный в Эпире . Битум был ценным стратегическим ресурсом. Он был объектом первой известной битвы за месторождение углеводородов — между Селевкидами и набатеями в 312 г. до н. э. [38]
На древнем Дальнем Востоке природный битум медленно кипятили, чтобы избавиться от более высоких фракций , оставляя термопластичный материал с более высокой молекулярной массой, который при нанесении на предметы становился твердым при охлаждении. Это использовалось для покрытия объектов, которым требовалась водонепроницаемость, [3] таких как ножны и другие предметы. Статуэтки домашних божеств также отливались из этого типа материала в Японии и, вероятно, также в Китае. [ необходима цитата ]
В Северной Америке археологические раскопки показали, что битум иногда использовался для приклеивания каменных наконечников снарядов к деревянным древкам. [39] [40] В Канаде аборигены использовали битум, просачивающийся из берегов Атабаски и других рек, для водонепроницаемости берестяных каноэ , а также нагревали его в горшках для копчения, чтобы отпугивать комаров летом. [26] Битум также использовался для водонепроницаемости дощатых каноэ, используемых коренными народами в доколониальной южной Калифорнии. [41]
В 1553 году Пьер Белон в своей работе «Наблюдения» описал , что писсафальто , смесь смолы и битума, использовалась в Республике Рагуза (ныне Дубровник , Хорватия ) для смоления кораблей. [42]
В издании Mechanics Magazine за 1838 год упоминается раннее использование асфальта во Франции. В брошюре, датированной 1621 годом, «некоего господина д'Эйриниса» говорится, что он обнаружил существование (асфальта) в больших количествах в окрестностях Нефшателя», и что он предложил использовать его различными способами – «главным образом, для строительства воздухонепроницаемых зернохранилищ и для защиты с помощью арок водотоков в городе Париже от проникновения грязи и нечистот», которые в то время делали воду непригодной для использования. «Он также рассуждает о превосходстве этого материала для формирования ровных и прочных террас» во дворцах, «идея формирования таких террас на улицах вряд ли могла прийти в голову парижанину того поколения». [43]
Но это вещество в целом игнорировалось во Франции до революции 1830 года . В 1830-х годах произошел всплеск интереса, и асфальт стал широко использоваться «для тротуаров, плоских крыш и облицовки цистерн, а в Англии его некоторое использование было сделано для аналогичных целей». Его рост в Европе был «внезапным явлением», после того как были обнаружены природные месторождения «во Франции в Осбанне ( Нижний Рейн ), Парке ( Эн ) и Пюи-де-ла-Пуа ( Пюи-де-Дом )», хотя его также можно было производить искусственно. [44] Одним из самых ранних применений во Франции была укладка около 24 000 квадратных ярдов асфальта Seyssel на площади Согласия в 1835 году. [45]
Среди ранних применений битума в Соединенном Королевстве было травление. В своей работе Polygraphice (1673) Уильям Салмон приводит рецепт лака, используемого в травлении, состоящего из трех унций чистого воска, двух унций мастики и одной унции асфальта. [46] К пятому изданию в 1685 году он включил больше рецептов асфальта из других источников. [47]
Первым британским патентом на использование асфальта был «Патент Касселла на асфальт или битум» в 1834 году. [44] Затем, 25 ноября 1837 года, Ричард Таппин Кларидж запатентовал использование асфальта Сейссела (патент № 7849) для использования в асфальтовом покрытии, [48] [49] увидев, как он применяется во Франции и Бельгии, когда он посетил Фредерика Уолтера Симмса , который работал с ним над внедрением асфальта в Британии. [50] [51] Доктор Т. Лэмб Фипсон пишет, что его отец, Сэмюэл Райланд Фипсон, друг Клариджа, также «сыграл важную роль во внедрении асфальтового покрытия (в 1836 году)». [52]
Claridge получил патент в Шотландии 27 марта 1838 года и получил патент в Ирландии 23 апреля 1838 года. В 1851 году попечители компании, ранее созданной Claridge, запросили продление срока действия патента 1837 года и обоих патентов 1838 года. [44] [53] [54] [55] Claridge's Patent Asphalte Company — созданная в 1838 году с целью поставки в Великобританию «асфальта в его естественном состоянии из шахты Пиримонт-Сейселл во Франции» [56] — «уложила одно из первых асфальтовых покрытий в Уайтхолле». [57] Испытания покрытия проводились в 1838 году на пешеходной дорожке в Уайтхолле, в конюшне в казармах Найтсбридж [56] [58] «и впоследствии на пространстве у подножия ступеней, ведущих от Ватерлоо-Плейс к Сент-Джеймс-парку». [58] «Создание в 1838 году Claridge's Patent Asphalte Company (с выдающимся списком аристократических покровителей, а также Марком и Изамбардом Брюнелями в качестве, соответственно, попечителя и инженера-консультанта) дало огромный толчок развитию британской асфальтовой промышленности». [54] «К концу 1838 года, по крайней мере, две другие компании, Robinson's и Bastenne, работали в производстве», [59] причем асфальт укладывался в качестве дорожного покрытия в Брайтоне, Херн-Бей, Кентербери, Кенсингтоне, Стрэнде и на большой площади в Банхилл-роу, в то время как укладка дорожного покрытия в Уайтхолле компанией Claridge «продолжалась в хорошем состоянии». [60] Bonnington Chemical Works производила асфальт с использованием каменноугольной смолы и к 1839 году установила его в Боннингтоне . [61]
В 1838 году произошел всплеск предпринимательской деятельности, связанной с битумом, который имел применение не только в мощении. Например, битум также мог использоваться для напольных покрытий, гидроизоляции зданий и для гидроизоляции различных типов бассейнов и ванн, которые также получили распространение в 19 веке. [3] [44] [62] Один из самых ранних сохранившихся примеров его использования можно увидеть на кладбище Хайгейт , где он использовался в 1839 году для герметизации крыши террасных катакомб. На лондонской фондовой бирже были различные заявления об исключительности качества битума из Франции, Германии и Англии. И во Франции было выдано множество патентов, при этом в Англии было отклонено примерно такое же количество патентных заявок из-за их схожести друг с другом. В Англии «Claridge's был типом, наиболее используемым в 1840-х и 50-х годах». [59]
В 1914 году компания Claridge's Company создала совместное предприятие по производству щебня на основе смолы [63] , материалы для которого производила дочерняя компания Clarmac Roads Ltd. [64] В результате появилось два продукта: Clarmac и Clarphalte , первый из которых производила компания Clarmac Roads, а второй — Claridge's Patent Asphalte Co., хотя Clarmac использовался более широко. [65] [примечание 1] Однако Первая мировая война разрушила компанию Clarmac, которая в 1915 году обанкротилась. [67] [68] Крах Clarmac Roads Ltd оказал влияние на компанию Claridge's Company, которая сама была принудительно ликвидирована [69] , прекратив свою деятельность в 1917 году [70] [71], вложив в новое предприятие значительные средства как в самом начале [69] , так и при последующей попытке спасти компанию Clarmac. [67]
В Британии 19 века считалось, что битум содержит химические вещества с лечебными свойствами. Экстракты битума использовались для лечения катара и некоторых форм астмы , а также как средство против глистов, особенно ленточного червя . [72]
Первыми битум в Новом Свете использовали аборигены. На западном побережье еще в XIII веке народы тонгва , луисеньо и чумаш собирали природный битум, который просачивался на поверхность над лежащими под ним нефтяными отложениями. Все три группы использовали это вещество в качестве клея. Его можно найти на многих различных артефактах инструментов и церемониальных предметах. Например, его использовали на погремушках , чтобы прикрепить тыквы или панцири черепах к ручкам погремушек. Его также использовали в украшениях. Маленькие круглые бусины из ракушек часто помещали в асфальт для украшения. Его использовали в качестве герметика на корзинах, чтобы сделать их водонепроницаемыми для переноски воды, возможно, отравляя тех, кто пил воду. [73] Асфальт также использовался для герметизации досок на океанских каноэ.
Асфальт впервые был использован для мощения улиц в 1870-х годах. Сначала использовалась естественная «битумная порода», например, на рудниках Ричи в Макфарлане в округе Ричи, Западная Вирджиния с 1852 по 1873 год. В 1876 году асфальтовое покрытие было использовано для мощения Пенсильванской авеню в Вашингтоне, округ Колумбия, как раз к празднованию национального столетия. [74]
В эпоху конного транспорта улицы США в основном были немощеными и покрытыми землей или гравием. Особенно там, где грязь или траншеи часто делали улицы труднопроходимыми, тротуары иногда делали из различных материалов, включая деревянные доски, булыжники или другие каменные блоки, или кирпичи. Немощеные дороги вызывали неравномерный износ и опасность для пешеходов. В конце 19-го века с ростом популярности велосипеда велосипедные клубы сыграли важную роль в продвижении более общего мощения улиц. [75] Пропаганда мощения усилилась в начале 20-го века с ростом популярности автомобилей . Асфальт постепенно становился все более распространенным методом мощения. Авеню Сент-Чарльз в Новом Орлеане была вымощена асфальтом по всей длине к 1889 году. [76]
В 1900 году только в Манхэттене было 130 000 лошадей, тянущих трамваи, фургоны и экипажи, и оставляющих свои отходы позади. Они были небыстрыми, и пешеходы могли уворачиваться и пробираться через переполненные улицы. Маленькие города продолжали полагаться на грязь и гравий, но более крупные города хотели гораздо лучших улиц. Они обратили внимание на деревянные или гранитные блоки к 1850-м годам. [77] В 1890 году треть из 2000 миль улиц Чикаго были вымощены, в основном деревянными блоками, которые обеспечивали лучшее сцепление, чем грязь. Кирпичное покрытие было хорошим компромиссом, но еще лучше было асфальтовое покрытие, которое было легко устанавливать и прорезать, чтобы добраться до канализации. Используя Лондон и Париж в качестве образцов, Вашингтон уложил 400 000 квадратных ярдов асфальтового покрытия к 1882 году; оно стало образцом для Буффало, Филадельфии и других мест. К концу века американские города могли похвастаться 30 миллионами квадратных ярдов асфальтового покрытия, намного превосходящего кирпичное. [78] Улицы стали быстрее и опаснее, поэтому были установлены электрические светофоры. Электрические трамваи (со скоростью 12 миль в час) стали основным видом транспорта для покупателей и офисных работников среднего класса, пока они не купили автомобили после 1945 года и не стали ездить из более отдаленных пригородов в уединении и комфорте по асфальтовым шоссе. [79]
Канада имеет крупнейшее в мире месторождение природного битума в нефтяных песках Атабаски , и канадские первые нации вдоль реки Атабаска долгое время использовали его для водонепроницаемости своих каноэ. В 1719 году кри по имени Ва-Па-Су привез образец для торговли Генри Келси из Компании Гудзонова залива , который был первым зарегистрированным европейцем, увидевшим его. Однако только в 1787 году торговец пушниной и исследователь Александр Маккензи увидел нефтяные пески Атабаски и сказал: «Примерно в 24 милях от развилки (рек Атабаска и Клируотер) находятся несколько битумных фонтанов, в которые можно вставить шест длиной 20 футов без малейшего сопротивления». [26]
Ценность месторождения была очевидна с самого начала, но способы извлечения битума — нет. Ближайший город, Форт Мак-Мюррей, Альберта , был небольшим пушным торговым пунктом, другие рынки были далеко, а транспортные расходы были слишком высоки, чтобы перевозить сырой битумный песок для мощения. В 1915 году Сидни Эллс из Федерального горнодобывающего отделения экспериментировал с методами разделения и использовал продукт для мощения 600 футов дороги в Эдмонтоне , Альберта. Другие дороги в Альберте были вымощены материалом, извлеченным из нефтеносных песков, но в целом это было неэкономично. В 1920-х годах доктор Карл А. Кларк из Исследовательского совета Альберты запатентовал процесс разделения нефти горячей водой, а предприниматель Роберт К. Фицсиммонс [80] построил установку по разделению нефти Bitumount , которая в период с 1925 по 1958 год производила до 300 баррелей (50 м 3 ) битума в день с использованием метода доктора Кларка. Большая часть битума использовалась для гидроизоляции крыш, но другие области применения включали топливо, смазочные масла, чернила для принтеров, лекарства, краски, устойчивые к ржавчине и кислоте, огнестойкую кровлю, уличное покрытие, лакированную кожу и консерванты для столбов забора. [26] В конце концов у Фицсиммонса закончились деньги, и завод перешел во владение правительства Альберты. Сегодня завод Битумаунт является провинциальным историческим памятником . [81]
Битум использовался в ранней фотографической технологии. В 1826 или 1827 году французский ученый Жозеф Нисефор Ньепс использовал его для создания старейшей сохранившейся фотографии с натуры . Битум был тонким слоем нанесен на оловянную пластину, которую затем экспонировали в камере. Воздействие света затвердевало и делало его нерастворимым, так что при последующем промывании растворителем оставались только достаточно освещенные области. Требовалось многочасовое экспонирование в камере, что делало битум непрактичным для обычной фотографии, но с 1850-х по 1920-е годы он широко использовался в качестве фоторезиста при производстве печатных форм для различных фотомеханических процессов печати. [82] [83]
Битум был заклятым врагом многих художников в 19 веке. Хотя он широко использовался в течение некоторого времени, в конечном итоге он оказался нестабильным для использования в масляной живописи, особенно при смешивании с наиболее распространенными разбавителями, такими как льняное масло , лак и скипидар . Если битум не разбавлен тщательно, он никогда полностью не затвердевает и со временем портит другие пигменты, с которыми он вступает в контакт. Использование битума в качестве глазури для закрепления тени или смешивания с другими цветами для придания более темного тона привело к окончательному ухудшению качества многих картин, например, картин Делакруа . Возможно, самым известным примером разрушительного действия битума является «Плот Медузы » Теодора Жерико (1818–1819), где его использование битума привело к тому, что яркие цвета выродились в темно-зеленые и черные, а краска и холст покоробились. [84]
Подавляющее большинство очищенного битума используется в строительстве: в первую очередь как компонент продуктов, используемых в дорожных покрытиях и кровельных работах. В соответствии с требованиями конечного использования битум производится по спецификации. Это достигается либо путем очистки, либо смешивания. По оценкам, в настоящее время мировое потребление битума составляет приблизительно 102 миллиона тонн в год. Примерно 85% всего произведенного битума используется в качестве связующего в асфальтобетоне для дорог. Он также используется в других мощеных областях, таких как взлетно-посадочные полосы аэропортов, автостоянки и пешеходные дорожки. Обычно производство асфальтобетона включает смешивание мелких и крупных заполнителей, таких как песок , гравий и щебень, с асфальтом, который действует как связующее вещество. Другие материалы, такие как переработанные полимеры (например, резиновые покрышки ), могут быть добавлены в битум для изменения его свойств в соответствии с применением, для которого битум в конечном итоге предназначен.
Еще 10% мирового производства битума используется в кровельных работах, где его гидроизоляционные качества неоценимы. Оставшиеся 5% битума используются в основном для герметизации и изоляции в различных строительных материалах, таких как покрытия труб, подложка ковровой плитки и краска. Битум применяется при строительстве и обслуживании многих конструкций, систем и компонентов, таких как:
Наибольшее применение битум находит в производстве асфальтобетона для дорожных покрытий; это составляет примерно 85% битума, потребляемого в Соединенных Штатах. В США насчитывается около 4000 заводов по производству асфальтобетона, и столько же в Европе. [85]
Асфальтобетонные смеси для дорожного покрытия обычно состоят из 5% битума (известного как асфальтовый цемент в США) и 95% заполнителей (камень, песок и гравий). Из-за своей высоковязкой природы битум необходимо нагревать, чтобы его можно было смешать с заполнителями на асфальтосмесительной установке. Требуемая температура варьируется в зависимости от характеристик битума и заполнителей, но технологии теплого асфальтобетона позволяют производителям снизить требуемую температуру. [85] [21]
Вес асфальтового покрытия зависит от типа заполнителя , битума и содержания воздушных пустот. Средний показатель в Соединенных Штатах составляет около 112 фунтов на квадратный ярд, на дюйм толщины покрытия. [21]
Когда на асфальтовых покрытиях выполняется техническое обслуживание, например, фрезерование для удаления изношенной или поврежденной поверхности, удаленный материал может быть возвращен на предприятие для переработки в новые смеси для дорожного покрытия. Битум в удаленном материале может быть реактивирован и возвращен для использования в новых смесях для дорожного покрытия. [86] Поскольку около 95% асфальтированных дорог построены или покрыты асфальтом, [87] значительное количество материала асфальтового покрытия ежегодно восстанавливается. Согласно отраслевым исследованиям, ежегодно проводимым Федеральным управлением автомобильных дорог и Национальной ассоциацией асфальтового покрытия, более 99% битума, удаляемого каждый год с дорожных покрытий во время проектов по расширению и восстановлению покрытия, повторно используется как часть новых покрытий, дорожного полотна, обочин и насыпей или складируется для будущего использования. [88]
Асфальтобетонное покрытие широко используется в аэропортах по всему миру. Благодаря прочности и возможности быстрого ремонта, его широко используют для взлетно-посадочных полос .
Мастичный асфальт — это тип асфальта, который отличается от асфальтобетона плотного фракционирования тем, что в нем содержится больше битума ( связующего ) , обычно около 7–10 % от всей смеси заполнителей, в отличие от рулонного асфальтобетона, в котором содержится всего около 5 % асфальта. Это термопластичное вещество широко используется в строительной отрасли для гидроизоляции плоских крыш и подземных резервуаров. Мастичный асфальт нагревается до температуры 210 °C (410 °F) и распределяется слоями, образуя непроницаемый барьер толщиной около 20 миллиметров (0,8 дюйма).
Битумные эмульсии представляют собой коллоидные смеси битума и воды. Из-за разного поверхностного натяжения двух жидкостей стабильные эмульсии не могут быть созданы простым смешиванием. Поэтому добавляются различные эмульгаторы и стабилизаторы. Эмульгаторы представляют собой амфифильные молекулы, которые различаются зарядом своей полярной головной группы. Они снижают поверхностное натяжение эмульсии и, таким образом, предотвращают слияние частиц битума. Заряд эмульгатора определяет тип эмульсии: анионная (отрицательно заряженная) и катионная (положительно заряженная). [89] Концентрация эмульгатора является критическим параметром, влияющим на размер частиц битума — более высокие концентрации приводят к более мелким частицам битума. [89] Таким образом, эмульгаторы оказывают большое влияние на стабильность, вязкость, прочность на разрыв и адгезию битумной эмульсии. [89] Размер частиц битума обычно составляет от 0,1 до 50 мкм с основной фракцией от 1 мкм до 10 мкм. Методы лазерной дифракции могут быть использованы для быстрого и легкого определения распределения размеров частиц. [89] [90] Катионные эмульгаторы в основном включают длинноцепочечные амины, такие как имидазолины, амидоамины и диамины, которые приобретают положительный заряд при добавлении кислоты. [89] Анионные эмульгаторы часто представляют собой жирные кислоты, извлеченные из лигнина, таллового масла или древесной смолы, омыленные основаниями, такими как NaOH, что создает отрицательный заряд. [89]
Во время хранения битумных эмульсий частицы битума оседают, агломерируются (флокуляция) или сплавляются (коагуляция), что приводит к определенной нестабильности битумной эмульсии. То, насколько быстро происходит этот процесс, зависит от рецептуры битумной эмульсии, а также от условий хранения, таких как температура и влажность. Когда эмульгированный битум контактирует с заполнителями, эмульгаторы теряют свою эффективность, эмульсия распадается, и образуется прилипшая битумная пленка, называемая «разрушением». Частицы битума почти мгновенно создают непрерывную битумную пленку, коагулируя и отделяясь от воды, которая испаряется. Не каждая асфальтовая эмульсия реагирует так же быстро, как другая, при контакте с заполнителями. Это позволяет классифицировать ее на эмульсии быстрого схватывания (R), медленного схватывания (SS) и среднего схватывания (MS), а также проводить индивидуальную оптимизацию рецептуры для конкретного применения и широкую область применения [89] (1). Например, медленно распадающиеся эмульсии обеспечивают более длительное время обработки, что особенно выгодно для мелких заполнителей [89] (1).
Сообщается о проблемах с адгезией для анионных эмульсий при контакте с богатыми кварцем заполнителями. Их заменяют катионными эмульсиями, достигающими лучшей адгезии. Широкий спектр битумных эмульсий недостаточно охвачен стандартизацией. DIN EN 13808 для катионных асфальтовых эмульсий существует с июля 2005 года. Здесь описывается классификация битумных эмульсий на основе букв и цифр с учетом зарядов, вязкостей и типа битума. [89] Процесс производства битумных эмульсий очень сложен. Обычно используются два метода: метод «коллоидной мельницы» и метод «высокого внутреннего фазового соотношения (HIPR)». [89] В методе «коллоидной мельницы» ротор движется с высокой скоростью внутри статора, добавляя битум и смесь воды и эмульгатора. Результирующие сдвигающие силы генерируют частицы битума размером от 5 мкм до 10 мкм, покрытые эмульгаторами. [89] Метод «Высокого внутреннего фазового соотношения (HIPR)» используется для создания более мелких частиц битума, мономодальных, узких распределений размеров частиц и очень высоких концентраций битума. Здесь сначала производится высококонцентрированная битумная эмульсия путем умеренного перемешивания, а затем разбавляется. В отличие от метода «Коллоидной мельницы», водная фаза вводится в горячий битум, что позволяет получить очень высокие концентрации битума. [89]
T Метод «Высокое внутреннее фазовое соотношение (HIPR)» используется для создания более мелких частиц битума, мономодальных, узких распределений размеров частиц и очень высоких концентраций битума. Здесь сначала производится высококонцентрированная битумная эмульсия путем умеренного перемешивания, а затем разбавляется. В отличие от метода «Коллоидная мельница», водная фаза вводится в горячий битум, что позволяет получить очень высокие концентрации битума (1). Метод «Высокое внутреннее фазовое соотношение (HIPR)» используется для создания более мелких частиц битума, мономодальных, узких распределений размеров частиц и очень высоких концентраций битума. Здесь сначала производится высококонцентрированная битумная эмульсия путем умеренного перемешивания, а затем разбавляется. В отличие от метода «Коллоидная мельница», водная фаза вводится в горячий битум, что позволяет получить очень высокие концентрации битума (1).
Битумные эмульсии используются в самых разных областях. Они используются в дорожном строительстве и защите зданий и в первую очередь включают применение в смесях для холодной переработки, адгезионном покрытии и обработке поверхности (1). Из-за более низкой вязкости по сравнению с горячим битумом, обработка требует меньше энергии и связана со значительно меньшим риском возгорания и ожогов. [89] Chipseal включает распыление на поверхность дороги битумной эмульсии с последующим нанесением слоя щебня, гравия или щебня из шлака. Slurry seal представляет собой смесь битумной эмульсии и мелкого дробленого заполнителя, которая распределяется по поверхности дороги. Холодный асфальт также может быть изготовлен из битумной эмульсии для создания покрытий, похожих на горячесмешанный асфальт, глубиной в несколько дюймов, а битумные эмульсии также смешиваются с переработанным горячим асфальтом для создания недорогих покрытий. Известно, что технологии на основе битумной эмульсии полезны для всех классов дорог, их использование также возможно в следующих областях: 1. Асфальты для дорог с интенсивным движением (на основе использования модифицированных полимерами эмульсий) 2. Смеси на основе теплой эмульсии для улучшения как времени созревания, так и механических свойств 3. Полутеплая технология, при которой заполнители нагреваются до 100 градусов, что позволяет получать смеси со свойствами, аналогичными свойствам горячего асфальта 4. Высококачественная поверхностная обработка. [91]
Синтетическая сырая нефть, также известная как синкруд, является продуктом завода по переработке битума, используемого в связи с добычей нефтяного песка в Канаде. Битуминозные пески добываются с помощью огромных (грузоподъемностью 100 тонн) экскаваторов и загружаются в еще более крупные (грузоподъемностью 400 тонн) самосвалы для перевозки на завод по переработке. Процесс, используемый для извлечения битума из песка, представляет собой процесс с использованием горячей воды, первоначально разработанный доктором Карлом Кларком из Университета Альберты в 1920-х годах. После извлечения из песка битум подается в установку по переработке битума, которая преобразует его в эквивалент легкой сырой нефти . Это синтетическое вещество достаточно жидкое, чтобы транспортироваться по обычным нефтепроводам , и может подаваться на обычные нефтеперерабатывающие заводы без какой-либо дополнительной обработки. К 2015 году канадские заводы по переработке битума производили более 1 миллиона баррелей (160 × 10 3 м 3 ) в день синтетической сырой нефти, из которой 75% экспортировалось на нефтеперерабатывающие заводы в Соединенных Штатах. [92]
В Альберте пять заводов по переработке битума производят синтетическую сырую нефть и ряд других продуктов: завод по переработке Suncor Energy около Форт-Мак-Мюррея, Альберта, производит синтетическую сырую нефть плюс дизельное топливо; заводы по переработке Syncrude Canada , Canadian Natural Resources и Nexen около Форт-Мак-Мюррея производят синтетическую сырую нефть; а завод по переработке Shell Scotford около Эдмонтона производит синтетическую сырую нефть плюс промежуточное сырье для близлежащего нефтеперерабатывающего завода Shell. [93] Шестой завод по переработке, строящийся в 2015 году около Редуотера, Альберта , будет перерабатывать половину своего сырого битума непосредственно в дизельное топливо, а остальная часть продукции будет продаваться в качестве сырья на близлежащие нефтеперерабатывающие заводы и нефтехимические заводы. [94]
Канадский битум по химическому составу не отличается существенно от таких нефтей, как венесуэльская сверхтяжелая и мексиканская тяжелая нефть , и настоящая трудность заключается в перемещении чрезвычайно вязкого битума по нефтепроводам на нефтеперерабатывающий завод. Многие современные нефтеперерабатывающие заводы чрезвычайно сложны и могут перерабатывать необработанный битум напрямую в такие продукты, как бензин, дизельное топливо и очищенный асфальт без какой-либо предварительной обработки. Это особенно распространено в таких регионах, как побережье Мексиканского залива США , где нефтеперерабатывающие заводы были спроектированы для переработки венесуэльской и мексиканской нефти, и в таких регионах, как Средний Запад США , где нефтеперерабатывающие заводы были перестроены для переработки тяжелой нефти, поскольку внутренняя добыча легкой нефти снизилась. При наличии выбора такие нефтеперерабатывающие заводы тяжелой нефти обычно предпочитают покупать битум, а не синтетическую нефть, потому что ее стоимость ниже, а в некоторых случаях потому, что они предпочитают производить больше дизельного топлива и меньше бензина. [93] К 2015 году канадское производство и экспорт необработанного битума превысили производство и экспорт синтетической сырой нефти и составили более 1,3 млн баррелей (210 × 10 3 м 3 ) в день, из которых около 65 % было экспортировано в Соединенные Штаты. [92]
Из-за сложности перемещения сырого битума по трубопроводам, необработанный битум обычно разбавляют конденсатом природного газа в форме, называемой дилбит , или синтетической сырой нефтью, называемой синбит . Однако, чтобы соответствовать международной конкуренции, большая часть необработанного битума теперь продается как смесь нескольких сортов битума, обычной сырой нефти, синтетической сырой нефти и конденсата в стандартизированном эталонном продукте, таком как Western Canadian Select . Эта кислая, тяжелая сырая нефть разработана так, чтобы иметь однородные характеристики очистки, чтобы конкурировать с продаваемыми на международном рынке тяжелыми нефтью, такими как мексиканская майя или аравийская дубайская нефть . [93]
Битум использовался с 1960-х годов в качестве гидрофобной матрицы с целью инкапсуляции радиоактивных отходов, таких как соли средней активности (в основном растворимый нитрат натрия и сульфат натрия ), получаемые при переработке отработанного ядерного топлива или радиоактивных шламов из отстойников. [95] [96] Битумированные радиоактивные отходы, содержащие высокорадиотоксичные альфа -излучающие трансурановые элементы с заводов по переработке ядерного топлива, производились в промышленных масштабах во Франции, Бельгии и Японии, но от этого типа кондиционирования отходов отказались из-за проблем с эксплуатационной безопасностью (риски возгорания, как это произошло на заводе по битумированию на заводе Tokai Works в Японии) [97] [98] и проблем с долгосрочной стабильностью, связанных с их геологическим захоронением в глубоких скальных образованиях. Одной из основных проблем является набухание битума, подвергающегося воздействию радиации и воды. Набухание битума сначала вызывается радиацией из-за присутствия пузырьков газообразного водорода, образующихся при альфа- и гамма -радиолизе . [99] [100] Вторым механизмом является набухание матрицы, когда инкапсулированные гигроскопичные соли, подвергшиеся воздействию воды или влаги, начинают регидратироваться и растворяться. Высокая концентрация соли в поровом растворе внутри битумированной матрицы затем отвечает за осмотические эффекты внутри битумированной матрицы. Вода движется в направлении концентрированных солей, битум действует как полупроницаемая мембрана . Это также заставляет матрицу набухать. Давление набухания из-за осмотического эффекта при постоянном объеме может достигать 200 бар. Если не управлять им должным образом, это высокое давление может вызвать трещины в ближнем поле галереи захоронения битумированных отходов средней активности. Когда битумированная матрица изменяется из-за набухания, инкапсулированные радионуклиды легко выщелачиваются при контакте с грунтовыми водами и высвобождаются в геосфере. Высокая ионная сила концентрированного солевого раствора также способствует миграции радионуклидов в глинистых вмещающих породах. Присутствие химически реактивного нитрата также может влиять на окислительно-восстановительные условия, преобладающие во вмещающей породе, создавая окислительные условия, предотвращая восстановление радионуклидов, чувствительных к окислительно-восстановительным процессам. При более высоких валентностях радионуклиды таких элементов, как селен , технеций , уран , нептуний и плутонийимеют более высокую растворимость и также часто присутствуют в воде в виде не замедленных анионов . Это делает утилизацию среднеуровневых битумированных отходов весьма сложной.
Использовались различные типы битума: продутый битум (частично окисленный кислородом воздуха при высокой температуре после перегонки, и более твердый) и битум прямой перегонки (более мягкий). Продутые битумы, такие как Mexphalte, с высоким содержанием насыщенных углеводородов, легче биоразлагаются микроорганизмами, чем битум прямой перегонки с низким содержанием насыщенных углеводородов и высоким содержанием ароматических углеводородов. [101]
В настоящее время ядерная промышленность и организации по управлению отходами считают бетонную капсуляцию радиоактивных отходов более безопасной альтернативой .
Кровельная черепица и рулонная кровля составляют большую часть оставшегося потребления битума. Другие области применения включают опрыскивание крупного рогатого скота, обработку столбов ограждений и гидроизоляцию тканей. Битум используется для придания Japan black , лака, известного особенно для его использования на железе и стали, а также используется в красках и маркерных чернилах некоторыми компаниями-поставщиками наружных красок для повышения устойчивости к атмосферным воздействиям и стойкости краски или чернил, а также для придания более темного цвета. [102] Битум также используется для герметизации некоторых щелочных батарей в процессе производства. Битум также обычно используется в качестве грунта в процессе травления при глубокой печати .
Около 164 000 000 тонн было произведено в 2019 году. Он получен как «тяжелая» (т. е. трудноперегоняемая) фракция. Материал с температурой кипения выше примерно 500 °C считается асфальтом. Вакуумная перегонка отделяет его от других компонентов сырой нефти (таких как нафта , бензин и дизельное топливо ). Полученный материал обычно дополнительно обрабатывается для извлечения небольших, но ценных количеств смазочных веществ и для корректировки свойств материала в соответствии с применением. В установке деасфальтизации сырой битум обрабатывается либо пропаном , либо бутаном в сверхкритической фазе для извлечения более легких молекул, которые затем разделяются. Дальнейшая обработка возможна путем «выдувания» продукта: а именно его реакции с кислородом . Этот шаг делает продукт более твердым и вязким. [6]
Битум обычно хранится и транспортируется при температуре около 150 °C (302 °F). Иногда перед отправкой в него добавляют дизельное масло или керосин для сохранения текучести; при доставке эти более легкие материалы отделяются от смеси. Эту смесь часто называют «битумным сырьем» или BFS. Некоторые самосвалы направляют горячие выхлопные газы двигателя по трубам в кузове самосвала, чтобы поддерживать материал в тепле. Задние части самосвалов, перевозящих асфальт, а также некоторое погрузочно-разгрузочное оборудование также обычно опрыскивают разделительным средством перед заполнением для облегчения высвобождения. Дизельное масло больше не используется в качестве разделительного средства из-за экологических проблем.
Природный сырой битум, пропитанный осадочной породой, является основным сырьем для добычи нефти из « нефтяных песков », которые в настоящее время разрабатываются в Альберте, Канада. Канада располагает большей частью мировых запасов природного битума, охватывая 140 000 квадратных километров [16] (площадь больше, чем в Англии), что дает ей вторые по величине доказанные запасы нефти в мире. Нефтяные пески Атабаски являются крупнейшим месторождением битума в Канаде и единственным доступным для открытой добычи , хотя недавние технологические прорывы привели к тому, что более глубокие месторождения стали пригодны для добычи методами in situ . Из-за роста цен на нефть после 2003 года производство битума стало высокорентабельным, но в результате спада после 2014 года строительство новых заводов снова стало нерентабельным. К 2014 году добыча сырого битума в Канаде в среднем составляла около 2,3 млн баррелей (370 000 м 3 ) в день и, по прогнозам, к 2020 году вырастет до 4,4 млн баррелей (700 000 м 3 ) в день. [17] Общее количество сырого битума в Альберте, которое может быть извлечено, оценивается примерно в 310 млрд баррелей (50 × 10 9 м 3 ), [10] чего при скорости добычи 4 400 000 баррелей в день (700 000 м 3 /д) хватит примерно на 200 лет.
Хотя экономически неконкурентоспособный, битум может быть изготовлен из возобновляемых ресурсов, не основанных на нефти, таких как сахар, патока и рисовый, кукурузный и картофельный крахмалы . Битум также может быть изготовлен из отходов путем фракционной перегонки отработанного моторного масла , которое иногда утилизируется путем сжигания или сброса на свалки. Использование моторного масла может вызвать преждевременное растрескивание в холодном климате, в результате чего дороги придется чаще ремонтировать. [103]
Ненефтяные асфальтовые связующие можно сделать светлыми. Более светлые дороги поглощают меньше тепла от солнечного излучения, что снижает их вклад в эффект городского острова тепла . [104] Парковки, на которых используются альтернативы битуму, называются зелеными парковками .
Selenizza — это природный твердый углеводородный битум, обнаруженный в местных месторождениях в Selenice , в Албании , единственной европейской асфальтовой шахте, которая все еще используется. Битум находится в форме жил, заполняющих трещины в более или менее горизонтальном направлении. Содержание битума варьируется от 83% до 92% (растворим в сероуглероде), с показателем пенетрации, близким к нулю, и температурой размягчения (кольцо и шар) около 120 °C. Нерастворимое вещество, состоящее в основном из кремниевой руды, варьируется от 8% до 17%.
Добыча албанского битума имеет долгую историю и практиковалась организованно римлянами. После столетий молчания первые упоминания об албанском битуме появились только в 1868 году, когда француз Коканд опубликовал первое геологическое описание месторождений албанского битума. В 1875 году права на разработку были предоставлены османскому правительству, а в 1912 году они были переданы итальянской компании Simsa. С 1945 года рудник эксплуатировался албанским правительством, а с 2001 года по настоящее время управление перешло к французской компании, которая организовала процесс добычи для производства природного битума в промышленных масштабах. [105]
Сегодня рудник в основном разрабатывается открытым способом, но несколько из многочисленных подземных шахт (глубоких и протяженностью в несколько километров) все еще остаются жизнеспособными. Selenizza добывается в основном в гранулированной форме, после расплавления кусков битума, отобранных в руднике.
Selenizza [106] в основном используется в качестве добавки в дорожном строительстве. Его смешивают с традиционным битумом для улучшения как вязкоупругих свойств, так и устойчивости к старению. Его можно смешивать с горячим битумом в резервуарах, но его гранулированная форма позволяет подавать его в смеситель или в кольцо рециркуляции обычных асфальтовых заводов. Другие типичные применения включают производство литого асфальта для тротуаров, мостов, автостоянок и городских дорог, а также в качестве добавок к буровым растворам для нефтегазовой промышленности. Selenizza выпускается в виде порошка или гранулированного материала с различными размерами частиц и упаковывается в мешки или в термоплавкие полиэтиленовые пакеты.
Исследование жизненного цикла природной селениццы по сравнению с нефтяным битумом показало, что воздействие селениццы на окружающую среду составляет примерно половину воздействия дорожного асфальта, производимого на нефтеперерабатывающих заводах, с точки зрения выбросов углекислого газа . [107]
Битум является широко используемым перерабатываемым материалом в строительной отрасли. Два наиболее распространенных перерабатываемых материала, содержащих битум, — это регенерированное асфальтовое покрытие (RAP) и регенерированная асфальтовая черепица (RAS). RAP перерабатывается быстрее, чем любой другой материал в Соединенных Штатах, [108] и обычно содержит приблизительно 5–6% битумного связующего. Битумная черепица обычно содержит 20–40% битумного связующего. [109]
Битум естественным образом становится жестче с течением времени из-за окисления, испарения, экссудации и физического затвердевания. [110] По этой причине переработанный асфальт обычно смешивают с первичным асфальтом, смягчающими агентами и/или восстанавливающими добавками для восстановления его физических и химических свойств. [111]
Хотя битум обычно составляет всего 4–5 процентов (по весу) дорожной смеси, как связующее вещество дорожного покрытия, он также является самой дорогой частью стоимости дорожного покрытия. [21]
На раннем этапе использования битума в современных дорожных покрытиях нефтеперерабатывающие заводы отдавали его. Однако сегодня битум является высокопродаваемым товаром. Его цены существенно выросли в начале 21-го века. В отчете правительства США говорится:
В отчете указывается, что «средняя» четырехполосная автомагистраль длиной в 1 милю (1,6 км) будет включать «300 тонн асфальта», что «в 2002 году стоило бы около 48 000 долларов. К 2006 году эта сумма увеличится до 96 000 долларов, а к 2012 году — до 183 000 долларов... увеличение составит около 135 000 долларов за каждую милю автомагистрали всего за 10 лет». [21]
Ближний Восток является значительным экспортером битума, особенно в Индию и Китай. Согласно отчету Argus Bitumen Report (2024/07/12), Индия является крупнейшим импортером, что обусловлено масштабными инфраструктурными проектами. Отчет прогнозирует среднегодовой темп роста (CAGR) 4,5% для импорта битума в Индию в течение следующих пяти лет, в то время как импорт Китая, как ожидается, будет расти с среднегодовым темпом роста 3,8%. Текущая экспортная цена в Индию составляет приблизительно 350 долларов за метрическую тонну, а для Китая — около 360 долларов за метрическую тонну. Стратегическое преимущество Ближнего Востока в добыче сырой нефти подкрепляет его способность удовлетворять эти потребности. [112]
Люди могут подвергаться воздействию битума на рабочем месте, вдыхая пары или впитывая их через кожу. Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия 5 мг/м 3 в течение 15-минутного периода. [113]
Битум является в значительной степени инертным материалом, который необходимо нагревать или разбавлять до точки, когда он становится пригодным для производства материалов для мощения, кровли и других применений. При изучении потенциальных опасностей для здоровья, связанных с битумом, Международное агентство по изучению рака (МАИР) определило, что именно параметры применения, в основном температура, влияют на профессиональное воздействие и потенциальную биодоступную канцерогенную опасность/риск выбросов битума. [114] В частности, было показано, что температуры выше 199 °C (390 °F) создают больший риск воздействия, чем при нагревании битума до более низких температур, таких как те, которые обычно используются при производстве и укладке асфальтобетонной смеси. [115] МАИР классифицировало пары асфальта для мощения как возможный канцероген класса 2B , что указывает на недостаточные доказательства канцерогенности для людей. [114]
В 2020 году ученые сообщили, что битум в настоящее время является существенным и в значительной степени игнорируемым источником загрязнения воздуха в городских районах, особенно в жаркие и солнечные периоды. [116] [117]
Битумоподобное вещество, найденное в Гималаях и известное как мумие, иногда используется в качестве аюрведического лекарства, но на самом деле оно не является дегтем, смолой или битумом. [118]
Битум определяется различными источниками как сырая нефть с динамической вязкостью в пластовых условиях более 10 000 сантипуаз. Канадские поставки «битума» более свободно принимаются как добыча из месторождений нефтеносных песков Атабаска, Вабаска, Пис-Ривер и Колд-Лейк. Большая часть нефти, добываемой из этих месторождений, имеет плотность API от 8° до 12° и вязкость пласта более 10 000 сантипуаз, хотя небольшие объемы имеют более высокую плотность API и более низкую вязкость.
{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )Битум, смешанный с глиной, обычно назывался асфальтумом.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
