A bitumen

A bitumenek különböz kémiai tulajdonságú és molekulatömeg szénhidrogénekb l, valamint egyéb szénhidrogén-jelleg vegyületekb l állnak [Zakar 1961]. Elemi összetételüket tekintve 80-85 % karbóniumot, 9-10 % hidrogént, ezen kívül különböz mennyiség oxigént, ként, nitrogént, fémeket tartalmaznak.

Nagymolekulájú, paraffinos, nafténes és aromás jelleg csoportok kombinációjából álló, bonyolult vegyületekb l épülnek fel, amelyeknek kémiai jellege és molekulanagysága között folyamatos átmenet van. Bár a bitumen tömegének nagyobb részét szénhidrogének alkotják, sok molekula tartalmaz heteroatomokat is: nitrogént, kenet, oxigént és fémeket. Mind a kén-, mind a nitrogéntartalmú csoportok megjelenhetnek a molekulák számos helyén [Deák 1994]. Így könnyen belátható, hogy különböz molekulák tízezrei lehetnek egy adott bitumenben. Az egyedi vegyületek elkülönítése és megkülönböztetése szinte lehetetlen, így bizonyos mértékig meghatározott kémiai és fizikai tulajdonságú anyagcsoportjaik szerint szokás jellemezni a bitumeneket.

A régi, de jelenleg is inkább elfogadott megközelítés szerint a bitumen kolloid diszperz rendszer, melyben az aszfaltén részecskék a diszpergált fázist, az olaj a folytonos fázist képezi. A gyantás részeknek véd kolloid vagy peptizáló közeg szerepük van, és poláris jellegük miatt az aszfalténeken adszorbeálódnak. Az adszorbeált gyanták és az aszfaltének micellákat alkotnak. A gyanta- és aszfaltén-tartalom arányban két bitumen típus különböztethet meg; nagy gyantaaszfaltén-tartalom, és kis tartalom szol típusú bitumeneket eredményez (1.1.a ábra), nagy

aszfaltén-tartalom, kis gyantatartalom esetén viszont paraffinos jelleg az olajos rész, és a bitumen gél típusú (1.1.b ábra) [Girdler 1964, Singleton 2000].

1.1. a-b ábra Szol (a) és gél (b) típusú bitumen.

A bitumen nagyobb h mérsékleten reakcióképesebb, ekkor dehidrogénez dés és aszfalténképz dés is lejátszódhat. A h mérséklet növelésével (kb. 200 C) már tömény savakkal is reagál, híg lúgokkal pedig a savas alkotórészei lépnek reakcióba [Kovács 1984, Nagy 1979, Schuchmann 2003]. A bitumenek tulajdonságait befolyásoló fontosabb tényez k a következ k:

A folyási tulajdonságok a h mérséklet függvényében úgy változnak, hogy a penetráció h mérsékletfüggése a szol típusú bitumeneknél nagyobb, mint az elasztikus-gél jelleg eknél. Ezek a különbségek a h mérséklet emelésével csökkennek. A mérséklet növekedésével további folyamatok játszódnak le; így például az intermicelláris folyadék viszkozitása és egyúttal a micellák térfogata csökken, miközben az intermicelláris folyadék összetétele változik (bizonyos részek oldott állapotba mennek át), aminek következtében az egész rendszer viszkozitása, valamint a micellák rugalmassága csökken. Bitumenek esetében feltételezhet , hogy a micellák mérete hatástalan a bitumenek viszkozitására. Tárolás közben a bitumenek kolloid szerkezete lassan stabilizálódik, ennek következtében a deformációval szemben tanúsított ellenállásuk növekedik. A sztérikus keményedési jelenség megsz ntethet a bitumen lágyuláspontjánál magasabb h mérsékletre melegítésével.

Az Amerikai Egyesült Államokban 1988-1993 között, egy igen széleskör bitumen-kutatási kísérletsorozat alkalmával (SHRP), már modernebb módszerek, készülékek álltak rendelkezésre, így ott újfajta megközelítést alkalmaztak [SHRP 2005], mely er teljesen vizsgálta a bitumen öregedését, így a bitumenben lév molekulák

oxidációját, sztérikus elrendez dését. A kiindulás alapja az volt, hogy a bitumenben lév molekulák benzil helyzetben lév szénatomjai a legérzékenyebbek az oxidációra, mely során ketonok keletkeznek; er teljesebb oxidáció pedig karbonsavakhoz vezethet, ami egyúttal a molekula feldarabolódását is jelenti. A karbonsavak, akár már az eredeti bitumenben is jelen voltak, akár oxidáció révén kés bb keletkeztek, megfelel szervetlen vegyületek segítségével nátrium, vagy kalcium sókká alakíthatók.

Karbonsavanhidridek úgy keletkezhetnek, ha két szomszédos aromás gy n is van benzil csoport. A bitumenben lév oxigéntartalmú vegyületek egy másik csoportját képezik a fenolok. Ezeknek is számos izomerje képzelhet el, de az izomereken kívül minden esetben megtalálhatjuk a homológokat is. Az egyes homológok csak az alifás lánc hosszában térnek el egymástól. Mindegyik új molekulát jelent, bár hasonló tulajdonságokkal. A bitumenekben fémek is találhatók, különböz mennyiségben és eloszlásban. A legelterjedtebb a vanádium, nikkel és vas, bár más fémek is jelen vannak. A fémek jellemz en fémorganikus vegyületek formájában fordulnak el , különösen porfirinekben. Fentiek alapján nyilvánvaló, hogy a bitumenekben egyedi molekulák százezrei találhatók.

A heteroatomok (nitrogén, kén, oxigén és fémek) polaritást visznek a molekulákba. Az öregedés során végbemen oxidáció is poláris termékeket eredményez, az egész rendszer polárisságát tovább növelve. A polárisság fontos a bitumenben, mivel ennek következtében a molekulák elrendez dnek. Korábban ezt a folyamatot micella, kolloid stb. képz désnek nevezték, bár ezeket a fogalmakat tévesen használták.

Az intermolekuláris szinten a poláris molekuláknak egy másik jellemz je is van, mégpedig az, hogy dipólusosságuk miatt az egyik poláris molekulát vonzza a másik poláris molekula. Ezt mutatja be sematikusan az1.2 ábra. Az1.2.a ábrán a molekulák véletlenszer en helyezkednek el, míg a1.2.b ábrán helyesen orientálódnak egymáshoz képest és ez az állapot termodinamikailag stabilabb.

1.2. a-b ábra Poláris molekulák elhelyezkedése.

a

b

Lényeges megjegyezni, hogy nincs sok jelent sége annak, hogy a korábban bemutatott sokféle poláris molekula közül melyik is van jelen. Az ábrán jelzett dipólusos egységek szerepét bármelyik poláris molekula betöltheti. Nyilvánvaló, hogy az1.3. ábrán látható sok molekulából álló szerkezet alakulhat ki, bár az azt alkotó egyes molekulák mások lesznek minden egyes szerkezetben és különösebb rendezettség nem alakul ki az irányított zónában.

1.3. ábraKülönböz poláris molekulák elrendez dése.

Az egyszer ség kedvéért az ábrán a pozitív és negatív töltéseket a molekulák végén ábrázoltuk. A molekulák közötti kapcsolatokat elektrosztatikus és más rövid hatósugarú er k hozták létre. A tényleges töltéseket legjobban aszimmetrikus elektrons séggel definiálhatjuk és nem tiszta pozitív és negatív töltésekkel, mint ahogy az ionok esetében. A töltések eloszlása nem szükségszer en egyik végt l a másik végig terjed. Az1.2. ábra mindössze illusztrációként értelmezhet .

A molekulák elrendez dése során háromdimenziós intermolekuláris rendszerek alakulnak ki. Ezeket nevezték korábban micelláknak vagy kolloidoknak, amelyek azonban nem valódi micellák, hanem molekulák irányított csoportjai. A csoportnak van egy el nyös preferált irányított szerkezete, szemben a1.2.a ábrán látható véletlenszer elrendezéssel. Ezt a szerkezetet elektrosztatikus és más rövid hatósugarú er k tartják össze (12,6-42 kJ/mol), amelyek gyengék a kovalens kémiai kötésekhez képest. Ebb l következik, hogy az irányított, intermolekuláris szerkezetek könnyen átrendez dhetnek vagy szét is eshetnek akár fizikai hatásra is, pl. a h mérséklet növelésére. Mindezzel azonban nem jár együtt a molekuláris összetétel megváltozása, minden molekula változatlan marad, de a fizikai tulajdonságok megváltoznak. Amikor a molekulák véletlenszer en helyezkednek el, könnyebben mozoghatnak egymáshoz képest, mint amikor a molekulák irányítottabbak. Az irányított szerkezet bitumen elasztikus jelleg anyag, ugyanakkor viszkózusabb, merevebb is. Az a képessége, hogy irányított,

önszervez szerkezeteket tud képezni, függ a vonzóer k nagyságától és azon helyek számától, ahol az intermolekuláris vonzások létrejöhetnek.

Az asszociáció mértéke változik bitumenenként. Többféle módszert is kidolgoztak az asszociáció típusának és mértékének meghatározására. Az egyik ilyen módszer a méret kizárásos kromatográfia (SEC). Az 1.4. ábrán bemutatjuk a SHRP kísérletsorozatban alapbitumenként vizsgált 3 bitumen SEC adatait.

1.4. ábra Bitumenek SEC kromatogramjai.

A vizsgált G, K és M bitumenek azonos min sítés bitumenek voltak és mindegyiküket azonos módon választották szét SEC módszerrel. Olyan rendszert választottak a kísérletekhez, amely a legkevésbé zavarja meg az asszociációt, mivel a SEC látszólagos molekulanagyság szerint választ szét, vagyis ha vannak asszociált molekulacsoportok a bitumenben, azokat asszociált csoportoknak fogja észlelni. Az ordinátán a teljes bitumenre vonatkoztatott százalékok, míg az abszcisszán a molekulák vagy molekulacsoportok nagysága van feltüntetve. Mindhárom bemutatott köt anyag lepárlási bitumen volt. Az M, K és G jel bitumenek g zfázisú ozmometriás móltömeg mérésével megállapították, hogy a G és K bitumenben a nagy molekulatömeg részek sok kisebb molekulákból álltak, míg az M jel bitumenben a legnagyobb frakció (a görbe baloldalán) valódi nagy molekulákból állt. Az M bitumen nagy molekulái nem disszociálnak pl. h mérséklet-emelkedés hatására, ezzel szemben a K bitumen nagy móltömeg részei disszociálni fognak hasonló helyzetben. Az eredmények alapján egyértelm en állítható, hogy a vizsgált három bitumen nagyon eltér nek bizonyult SEC vizsgálat során. A kísérletben az volt a meglep , hogy a szokásos bitumenvizsgálati módszerekkel min sítve a három minta teljesen hasonló volt.

A bitumenekben egy másik jelenség is megfigyelhet a nagyon kis asszociációt mutató molekulák esetében. Ezek nem szükségszer en kis molekulák, inkább kevésbé poláris és ezért kevésbé asszociált részei a bitumennek (a SEC görbe jobb oldali része).

Ioncserél kromatográfiával (IEC) és szuperkritikus kromatográfiával (SFC) ki lehetett mutatni, hogy ezek a molekulák ugyancsak nagyon eltérnek a különböz bitumenekben.

Ez a gyakran malténeknek nevezett kevéssé asszociált anyag poláris komponensek oldószereként és egyúttal diszpergálószerként is viselkedik, miközben csökkenti a poláris komponensek asszociációját [Robertson 1991].

Mindezek ismeretében a bitumenek tehát olyan anyagok, amelyekben poláris molekulák er sen asszociált rendezett egységei vannak diszpergálva egy kevésbé poláris folytonos fázisban. A poláris komponensek asszociációja függ az összetételük és a bitumen h mérsékleti el életét l.

Ezek alapján egyszer en belátható, hogy a bitumenek felhasználhatóságát sokféle összetétellel kapcsolatos tényez befolyásolja. Az alkalmazási területt l függ en pl. nagyobb öregedésállósággal rendelkez vagy adott esetben jobb hidegt rés bitumenes köt -, tömít -, vagy akár ragasztóanyagokra van szükség. Ugyanakkor a vizsgált tulajdonságokból csak közvetve lehet információt nyerni a szerkezetre vonatkozóan, és az is érvényes, hogy a napjainkban leggyakrabban alkalmazott méréstechnikák is inkább empírikus, mint tudományos alapokon nyugszanak.