Битумные эмульсии

4.2.1. Общие представления. Эмульсия – дисперсная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидкостей. Одна из них (дисперсная фаза) тонко измельчена (диспергирована) и находится в другой (дисперсионной среде). Как правило, одна жидкость представлена гидрофобным маслоподобным веществом (условное обозначение М), другая – водой (условное обозначение В), точнее водным раствором или суспензией эмульгатора. Широко известны пищевые (молоко, сливки, сметана, сливочное масло, масляные кондитерские кремы и др.), косметические и гигиенические (многие косметические кремы, одеколоны, духи, лосьоны, зубные пасты и др.) а также многочисленные технические эмульсии (латекс – эмульсия синтетического каучука, эмульсии ПВА – на основе поливинилацетата, краски водоэмульсионные, клей «Бустилат» и др.). Применение битумных эмульсий в дорожном строительстве имеет ряд преимуществ перед неэмульгированным битумом:

1) использование эмульсий в холодном состоянии, благодаря чему:

- замедляется процесс старения битума в технологическом цикле приготовления эмульсионно-минеральных материалов по сравнению с «горячими» технологиями в 2-3- раза;

- можно обеспечить качество эмульсионно-минеральных смесей и материалов, полученных методом смешения на дороге. Обычно в такой технологии применяют жидкие нефтяные битумы, в то время как эмульгированию чаще подвергаются вязкие битумы, придающие материалам более высокие прочность и стойкость к внешним воздействиям;

- отпадает необходимость сушить и нагревать каменные материалы. Поскольку растекание эмульсии улучшается при влажной поверхности их зерен, следовательно, становится ненужными громоздкие и энергоемкие сушильные барабаны, являющиеся источником загрязнения окружающей среды, снижается расход топлива и электроэнергии, т.е. технология приготовления становится энерго- и ресурсосберегающей, более экологически чистой;

2) возможность обработки эмульсиями влажного каменного материала и производства работ в сырую и холодную погоду при температуре воздуха до 5 ⁰С, что способствует продлению дорожно-строительного сезона, повышению степени использования дорожных машин и снижает себестоимость работ;

3) сравнительно низкая вязкость прямых битумных эмульсий, вследствие чего:

- на поверхности минеральных зерен образуется более тонкая пленка вяжущего, что способствует повышению прочности получаемого материала с снижению расхода вяжущего на 25-30 % без ущерба для его прочности;

- повышается производительность асфальтосмесительных установок на 15-20 % за счет ускорения процесса перемешивания эмульсии с минеральными материалами;

- повышается однородность смесей и материалов за счет улучшения смачивания зерен эмульсией, ее растекания по поверхности зерен, равномерного распределения эмульсии в перемешиваемом объеме смеси.

В результате этих преимуществ битумные эмульсии широко применяются в зарубежной практике дорожного строительства, особенно в Германии, Франции, США, Польше, Чехии и Словакии. В этих странах до 30 % нефтяных битумов, производимых для дорожного строительства, перерабатывается на эмульсии. Для этого организовано производство различных видов, преимущественно катионактивных, эмульсионных машин и другого технологического оборудования.

Производство дорожных эмульсий в нашей стране приостановилось в конце 60-х годов в связи отсутствием серийно выпускаемых эмульсионных машин и эффективных ПАВ и эмульгаторов. Кроме того, производство эмульсий требует значительных единовременных вложений и по уровню технологической дисциплины соответствует химической технологии, что требует от работников профессиональных знаний и учета особенностей производства и применения эмульсии.

В настоящее время освоено производство отечественных катионактивных эмульгаторов (например Дорос - ЭМ, Амдор - ЭМ, БП-ЭМ), а также диспергаторов и комплектующего оборудования. Появились более широкие возможности приобретения эмульсионного оборудования за рубежом, например во Франции, Финляндии, Швеции, Дании. Имеется положительный опыт приготовления и применения битумных эмульсий в дорожном строительстве различных регионов России (Ленинградская, Московская, Саратовская, Свердловская, Воронежская, Ярославская, Ростовская, Тюменская области, г. Сургут).

4.2.2. Классификация эмульсий и эмульгаторов. По области применения в строительстве эмульсии подразделяют на:

- дорожные, обычно содержащие эмульгированные дорожные вязкие нефтяные и сланцевые битумы, каменноугольные или другие дегти. Предназначенны для дорожных работ;

- гидроизоляционные, обычно содержащие эмульгированные высоковязкие строительные и кровельные нефтяные битумы. Предназначенны для гидроизоляционных работ, в том числе гидротехнических и кровельных;

- отделочные, содержащие чаще всего эмульгированные природные и синтетические каучуки (латексы) или ПВА. Используются вместе с наполнителями, стабилизаторами и пигментами как компоненты водоэмульсионных красок;

- специального назначения, например, для смазки форм при изготовлении сборных бетонных и железобетонных изделий или для охлаждения резца при механической обработке и изготовлении металлоизделий.

Поскольку настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 270205, нас будут интересовать дорожные эмульсии.

По виду дисперсной фазы дорожные эмульсии подразделяют на два типа:

- эмульсии прямого типа («масло в воде» – М/В);

- эмульсии ульсии может бытьобратного типа («вода в масле» – В/М).

Рис.4.7. Схема структуры битумных дорожных эмульсий:

а – прямая на водорастворимых эмульгаторах; б – то же, на твердых эмульгаторах; в – обратная на водорастворимых эмульгаторах; г – то же, на твердых эмульгаторах; 1 – водный раствор эмульгатора (дисперсионная среда); 2 – ионы эмульгатора; 3 – глобула битума (дисперсная фаза; 4 – водная суспензия твердого эмульгатора (дисперсионная среда); 5 –частицы твердого эмульгатора;

6 – глобула водного раствора эмульгатора (дисперсная фаза); 7 – битум (дисперсионная среда); 8 – глобула водной суспензии твердого эмульгатора

(дисперсная фаза)

Водорастворимые эмульгаторы смогут проявлять свои эмульгирующие свойства в водном растворе с диссоциацией на ионы (ионогенные) или без диссоциации (неионогенные).

а		Дорожные эмульсии
Прямые		Обратные
на водорастворимых эмульгаторах		на твердых эмульгаторах		на твердых эмульгаторах		на водорастворимых эмульгаторах
ионогенного типа		неионогенного типа		неионогенного типа		ионогенного типа
анионные щелочные эмульсии		катионные кислые эмульсии		анионные щелочные эмульсии		катионные кислые эмульсии

	б		Дорожные эмульсии
Битумные		Дегтевые
Высококонцентрированные		Концентрированные		Низкоконцентрированные		Высококонцентрированные		Концентрированные		Низкоконцентрированные
60-90 % битума		40-60 % битума		Менее 40 % битума		60-90 % дегтя		40-60 % дегтя		Менее 40 % дегтя

Рис. 4.8. Классификация дорожных эмульсий:

а – по фазовому состоянию органического вяжущего и виду эмульгатора;

б – по виду и концентрации органического вяжущего

В зависимости от вида иона (анион или катион), образуемого активной гидрофильной группой молекулы, ионогенные эмульгаторы подразделяют на анион- или катионактивные, а соответствующие эмульсии – на анионные со щелочной средой или катионные с кислой средой.

Твердые эмульгаторы (тонкодисперсные порошки) по виду минерального сырья подразделяют на глинистые, основные, карбонатные, кремнеземистые, а эмульсии на их основе (пасты) выделяют в особую разновидность (рис.4.9).

			Эмульгаторы
Водорастворимые		Твердые
анион-активные		катион-активные		неионогенные		глинистые		основные и карбонатные		кремнеземистые
Щелочные мыла жирных кис-лот, ССБ, СДБ и др.		Катионовые мыла аминосодержащие		Смачиватели ОП-7, ОП-10 и др.		Глины пластичные, суглинки		Известь, цемент, известняк и др.		Трепел, диатомит, алеврит и др.

Рис.4.9. Классификация эмульгаторов

По виду эмульгированного органического вяжущего дорожные эмульсии подразделяют на битумные и дегтевые, а по содержанию вяжущего в них – на высококонцентрированные – свыше 75 %, концентрированные – от 75 до 50 %, и низкоконцентрированные – менее 50 % по массе.

Чаще всего производят и применяют в дорожном строительстве концентрированные эмульсии, для некоторых видов дорожных работ – низкоконцентрированные (уход за твердеющим бетоном и цементогрунтом, подгрунтовка, укрепление откосов насыпей и выемок, обеспыливание и др.), получаемые путем разбавления концентрированных эмульсий водным раствором эмульгатора или водой. Для транспортирования на большие расстояния экономически выгодно перевозить высококонцентрированные эмульсии (больше битума и меньше воды). После доставки на место работ такую эмульсию перед применением разбавляют водным раствором эмульгатора или водой до нужной концентрации органического вещества.

Для приготовления катионных эмульсий используют битумы по ГОСТ 22245 марок БНД 90/130, БНД 130/200, БН 90/130, и БН 130/200. Могут быть использованы полимерно-битумные вяжущие.

В качестве эмульгаторов используют ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов, амидоаминов, четвертичных аммониевых солей.

В настоящее время известен широкий ассортимент ПАВ целевого назначения для приготовления битумных эмульсий, предназначенных для определенных видов работ (табл. 4.9).

Таблица 4.9

В России выпускаются катионактивные ПАВ, используемые в основном для флотации руд, в лакокрасочной, текстильной, резиновой, полиграфической и других отраслях промышленности. Некоторые из них пригодны для приготовления дорожных битумных эмульсий, например «Катапин», «Катамин», «Карбоксиламин» и соли четвертичных аммонийных оснований АТМ-хлориды.

Разработаны, опробованы в опытно-промышленных установках и производятся отечественные катионные ПАВ для дорожного строительства – Амдор-ЭМ, Дорос-ЭМ, БП-3 ЭМи ПАБ-1, используемые в качестве адгезионных присадок к битуму. Они могут использоваться также и для получения битумных эмульсий.

Помимо эмульгаторов для получения катионных эмульсий применяют соляную кислоту, хлористый кальций и воду с жесткостью не выше 6 мг-экв/л.

4.2.3. Технические требования к дорожным битумным эмульсиям прямого типа. Технические требования к дорожным битумным эмульсиям прямого типа М/В изложены в ГОСТ 18659. В соответствии с этим стандартом битумные эмульсии в зависимости от вида эмульгатора подразделяют на анионные (ЭБА) и катионные (ЭБК).

По смешиваемости с минеральными материалами каждый вид эмульсии подразделяют на три класса (табл.4.10):

· анионные: ЭБА-1, ЭБА-2, ЭБА-3;

· катионные: ЭБК-1, ЭБК-2, ЭБК-3.

Таблица 4.10

Остальные технические требования к дорожным концентрированным эмульсиям прямого типа приведены в табл.4.11.

Таблица 4.11

Окончание табл. 4.11

Контрольные вопросы

1. Классификация органических вяжущих.

2. Каков химический и групповой состав битумов?

3. Какова структура битума? Какова классификация структурных типов битумов?

4. Основные свойства вязких битумов.

5. Как получают вязкие и жидкие битумы?

6. Что является маркой вязкого битума?

7. Что является маркой жидкого битума?

8. Что является маркой строительного битума?

9. Каков состав битумной эмульсии?

10. Каковы преимущества эмульсии перед битумом?

11. Классификация битумных эмульсий и эмульгаторов.

12. Каковы основные свойства битумных эмульсий?