Битумные эмульсии в дорожном строительстве (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА

МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР

ПО АВТОМОБИЛЬНЫМ ДОРОГАМ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ И МОСТЫ

БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Обзорная информация

Выпуск 7

Москва 2003

Выходит с 1971 г. 7 выпусков в год

_______________________________________________________

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время трудно назвать область науки и техники, где бы не применялись эмульсии. Используются они и в дорожном хозяйстве.

При этом во всех отраслях сталкиваются с одними и теми же проблемами, касающимися подбора состава, приготовления, определения характеристик их свойств, стабильности, контроля распада эмульсий и получения с их помощью необходимых свойств продукции.

Эмульсии – сложный материал, он еще недостаточно оценен дорожниками из-за того, что «мягок, четко не определён, неустойчив и труден для идентификации, испытаний и изучения». Так сформулировал причину недостаточного внимания к эмульсиям со стороны дорожников на 3-м Международном конгрессе по эмульсиям (г. Лион, 2002 г.) Жан Бертье – почетный председатель Конгресса, директор одной из дорожных организаций Франции [1].

Но промышленность нуждается в современных материалах, методах получения и контроля их свойств. Такие материалы, с одной стороны, необходимо производить при меньших затратах, а с другой – они должны обеспечивать необходимые свойства готового продукта.

Дорожные материалы на битумных эмульсиях обладают хорошей удобоукладываемостью, более стойкие к погодным условиям. Другие области науки и техники (косметическая, пищевая, производство лаков, красок и др.) продвинулись в исследованиях основных закономерностей образования и свойств эмульсий намного дальше дорожной [2]. Поэтому во Франции все чаще для получения качественных дорожных материалов используют достижения физико-химии, биологии и т. д. Особенно ярко это прозвучало на 3-м Международном конгрессе по эмульсиям, где специалисты-дорожники обменялись опытом со специалистами других областей.


Во Франции в 2002 г. была опубликована книга, в которой дан краткий обзор последних достижений в науке об эмульсиях [2]. В этой работе подробно описаны современные представления об основных принципах получения эмульсий, возможности регулирования их свойств и режимы получения этих сложных материалов.

Тем не менее, теория дорожных эмульсий до сих пор значительно отстает от практики. Приготовление эмульсий и материалов на их основе в дорожном хозяйстве пока еще остается эмпирической областью. С 1964 г. в России на эту тему ни одной значительной работы не было опубликовано, несмотря на большую практическую важность этих материалов. Многие публикации и выступления на различных конференциях посвящены в основном практике применения битумных дорожных эмульсий. Теоретические исследования и работы типа «от теории к практике» в России очень немногочисленны, опубликованы в различных источниках, часто неизвестных производственникам и пользователям. Поэтому чаще всего российские предприниматели берут разрекламированные зарубежные материалы, технологии и машины и без должного анализа «пересаживают их на российскую почву», что не всегда дает ожидаемый результат.

Кроме того, используемая в дорожном хозяйстве официальная терминология, относящаяся к битумным эмульсиям, не всегда точно определена, в том числе и в нормативной литературе. Фирма Colas (Франция) издала словарь по эмульсиям на двух языках – французском и английском [3]. Вероятно, было бы весьма полезно добавить к этому словарю и русский вариант.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Битумные эмульсии начали применять в дорожном строительстве в начале XX в. Использование их ограничивалось отсутствием знаний о механизме образования эмульсий, их формировании в смесях и технологическими возможностями приготовления и применения. Тем не менее, с 20-х до середины 50-х годов ХХ века объем их использования медленно, но неуклонно нарастал. С середины 50-х годов значительно стали возрастать транспортные нагрузки и скорости движения на дорогах. Смеси с применением эмульсий уже не могли обеспечивать необходимые характеристики дорожных покрытий, поэтому интерес к ним резко упал, хотя полностью не исчез. В этот период увеличился объем применяемых битумных вяжущих для производства горячих асфальтобетонных смесей. Битумные эмульсии в дорожном строительстве отошли на второй план и использовались в основном для укрепления грунтов или на второстепенных дорогах. Такая же картина была характерна для стран Западной Европы и США. В России производство битумных эмульсий для нужд дорожного строительства практически прекратилось.

Однако в начале 70-х годов ХХ века в странах Западной Европы и США начинается энергетический кризис, возникают трудности с ввозом и переработкой нефти, особенно в США. И здесь производители дорожных материалов вспоминают о битумных эмульсиях, не требующих применения нефтяных растворителей и дополнительного нагрева материалов, способствующих уменьшению расхода топлива для высушивания минерального материала. Кроме того, возросшие требования к экологическому аспекту применения дорожных материалов выявили преимущества битумных эмульсий перед разжиженными битумами.


Эти два главных фактора – энергетический и экологический – дали сильный толчок для развития битумных эмульсий в дорожном хозяйстве. В это время быстро развиваются и улучшаются технологии приготовления и применения эмульсий, разрабатываются новые их составы и требования к качеству эмульсий и смесей на их основе, совершенствуются методы испытаний, изучаются механизмы получения, формирования и возможности использования битумных эмульсий. Однако такой повышенный интерес к ним не затронул Россию, где по-прежнему применяли горячую или теплую асфальтобетонную смесь. Внимание к этому материалу начинает возрастать лишь с конца 90-х годов ХХ века. Закупаются зарубежное оборудование, материалы и технологии. Дорожные хозяйства пытаются перенести опыт на российскую почву. Часто это делается механически, без достаточного изучения особенностей применяемых в России минеральных материалов, привычного для российского дорожника подхода к технологическим вопросам и проблемам и, самое главное, без учета научных достижений в области изучения битумных эмульсий. Но без учета многообразия применяемых минеральных и органических материалов, климатических и эксплуатационных условий, в которых работают дорожные покрытия, состояния дорожного хозяйства в стране, такой подход не может принести ни экономических, ни энергетических выгод. Поэтому для эффективного использования битумных эмульсий в России важно научиться понимать некоторые закономерности взаимодействий минеральных материалов и битумных эмульсий, их формирования при различных условиях, научиться правильно проектировать состав эмульсии с учетом этих закономерностей и предъявлять требования к их качеству в зависимости от целей и области их применения.

Правильное использование битумных эмульсий позволит получить высокие показатели свойств дорожного покрытия, повысить их долговечность и создать гибкую, экономически выгодную систему содержания и ремонта автомобильных дорог.

2.1. Современное представление об эмульсиях

2.1.1. Общие положения

Если одно вещество, находящееся в диспергированном (раздробленном) состоянии, равномерно распределено в массе другого вещества, то такую систему в коллоидной химии называют дисперсной. При этом диспергированное вещество принято называть дисперсной или прерывной фазой, а среду, в которой распределена эта фаза, – дисперсионной или непрерывной средой или фазой [4].

Классификацию всех дисперсных систем обычно проводят по степени дисперсности (размера) частиц дисперсной фазы или в зависимости от агрегатного состояния составляющих дисперсной системы (фазы и среды) [5].

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы системы подразделяются на:

- грубодисперсные (эмульсии, суспензии) – частицы размером больше10-4см (1 мкм);

- тонкодисперсные (коллоиды) – частицы размером в пределах см (1-0,1 мкм);

- высокодисперсные (истинные растворы) – частицы размером в пределах см (0,1-0,001 мкм).

Четкую границу между системами провести нельзя, так как имеются области с более или менее размытыми границами, положение которых зависит от свойств веществ как дисперсионной фазы (ДФ), так и дисперсионной среды (ДС), т. е. от их химической природы.

Мерой раздробленности всякой дисперсной системы обычно считают поперечный размер дисперсной фазы (для сферических систем он равен диаметру частицы d) или обратную ему величину D=1/d, которую обычно называют дисперсностью. Некоторые авторы считают мерой дисперсности удельную поверхность Sуд., т. е. межфазную поверхность, приходящуюся на единицу объема дисперсной фазы [6]. Эти величины взаимосвязаны – чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность или удельная поверхность.

Молекулярные системы (высокодисперсные или истинные растворы), не имеющие удельной поверхности, т. е. практически однофазные, в работе не рассматриваются.

Грубо - и тонкодисперсные системы обычно классифицируют по агрегатным состояниям фаз, имеющим поверхности (границу) раздела фаз. Одну из таких классификаций приводит [5]. Прежде всего все дисперсные системы делятся им на три группы по агрегатному состоянию: жидкие (Ж), твердые (Т) и газообразные (Г). Затем дисперсной фазе (прерывной фазе) присваивается индекс 1, а дисперсионной среде (непрерывной фазе) – индекс 2.

Тогда можно записать любую комбинацию дисперсных систем как отношение фаз. Например, Т1/Ж2 – твердая дисперс -
ная фаза в жидкой дисперсионной среде, т. е. это суспензия.

Приведем наиболее интересные для дорожников дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой.

I. Грубодисперсные системы:

1. Свободнодисперсные:

· Т1/Ж2 – суспензии (например, глина в воде);

· Ж1/Ж2 – эмульсия (например, масло в воде);

2. Связнодисперсные:

· Г1/Ж2 – пены (например, вспененный битум).

При этом следует заметить, что в концентрированных дисперсных системах (пенах), таких как вспененный битум, велика дисперсность не только дисперсной фазы, но и дисперсионной среды. Таким образом, в этом случае дисперсионная среда становится второй дисперсной фазой [5].

II. Тонкодисперсные (коллоидные) системы:

· Т1/Ж2 – золь (например, асфальтены в масле).

Общей характеристикой дисперсных систем можно считать свойство их дисперсной фазы взаимодействовать с дисперсионной средой. С этой точки зрения системы делят на свободно - и связнодисперсные. К первым относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и способны перемещаться в дисперсионной среде под действием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы обычно называются золями.

В связных же системах частицы связаны между собой за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде структуры, не способные к взаимному перемещению, и могут совершать лишь колебательные движения. Такие системы называют гелями. Примерами таких систем могут служить пены, концентрированные эмульсии и пасты. При этом гели могут образовываться двумя способами – при коагуляции системы или при молекулярном сцеплении частиц между собой. В случае коагуляции системы нарушается ее внешняя неоднородность, а в случае молекулярного сцепления внешняя однородность системы сохраняется [4, 5, 6, 7].

В системах с жидкой дисперсионной средой взаимодействие между веществами дисперсной фазы и среды происходит всегда на границе раздела фаз за счет межмолекулярных сил. Однако степень проявления этого взаимодействия может быть различной. В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными, для которых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие, и лиофобные со слабым взаимодействием.

Истинно лиофильные («лиос» – среда, «филео» – люблю) системы представляют собой дисперсную фазу, целиком пронизанную дисперсионной средой, т. е. система является как бы однофазной (например, раствор каучука в бензоле или желатина в воде). Пример лиофобной («фобос» – ненавижу) системы – эмульсия масла в воде.

Лиофильные системы устойчивы, т. е. стабильны во времени, а лиофобные – неустойчивы и постепенно разрушаются, выделяя дисперсную фазу в результате укрупнения ее частиц под действием молекулярных сил сцепления. Это явление называется коагуляцией.

Процесс коагуляции золя приводит к образованию геля. Обратный процесс образования из геля золя называется пептизацией.

2.1.2. Битумные вяжущие

Нефтяной дорожный битум широко применяется при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог в качестве вяжущего материала.

Основное его назначение – связывание минерального остова смеси в единое целое, чтобы обеспечить технологические и эксплуатационные характеристики дорожной одежды при воздействии на нее движения и климатических факторов. Поэтому можно сформулировать основные требования, которым битумные вяжущие должны удовлетворять:

- иметь вязкость, которая, с одной стороны, позволит равномерно распределить битум по обрабатываемой поверхности, а с другой – связывать (склеивать) обработанные им материалы в единое целое;

- хорошо смачивать минеральные частицы и прочно удерживаться на их сухой или увлажненной поверхности, т. е. хорошо прилипать к ней;

- обладать достаточной стабильностью свойств при воздействии различных климатических, технологических и эксплуатационных факторов.

Весь технологический процесс приготовления смесей на основе битумов и устройства (укладки, уплотнения) слоев дорожной одежды из них определяется вязкостью битума. В этом случае, чем менее вязким будет вяжущее, тем равномернее оно будет распределено по обрабатываемой поверхности, тем легче будет проникать в поры и мелкие трещины.

В то же время долговечность, прочность и водостойкость покрытия, которые обеспечиваются адгезионно-когезионными свойствами вяжущего, увеличиваются с повышением вязкости битумного вяжущего.

Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, обычно выбирают битумное вяжущее, исходя из условий эксплуатации покрытия (нагрузки, атмосферных воздействий и т. п.), т. е. с высокими вязко-упругими свойствами, а для обеспечения технологических свойств его переводят в жидкое состояние одним из трех основных способов:

· нагреванием до высоких температур (применяется для получения горячей асфальтобетонной смеси);

· разжижением органическими разжижителями (используется для получения некоторых типов холодных и теплых органоминеральных смесей);

· превращением битума в одну из дисперсных систем – эмульсию, пасту или пену.

Все эти способы направлены на достижение удобной для обработки поверхности консистенции битума. Однако после выполнения этой задачи битум должен вновь обрести свои первоначальные вязко-упругопластические характеристики.

Подпись:Битум по физико-химическим характеристикам принято относить к дисперсным коллоидным системам, в которых дисперсной фазой являются асфальтены, а дисперсионной средой – масла и смолы. Соотношение между этими группами, входящими в состав битума, определяет его основные свойства – вязкость, эластичность, термочувствительность и др. На основании исследования процессов структурообразования в битумах, в зависимости от их группового состава и свойств этих групп, можно условно выделить три различные дисперсные структуры: золь, гель и золь-гель с определенными физико-механическими свойствами [8, 9]. Битумы с одинаковой пенетрацией (вязкостью) при t = 25°С могут иметь различные составы и относиться к разным дисперсным структурам (рис. 1). Состав 1 соответствует структуре «гель» (битум типа 1) [8] и содержит максимальное количество асфальтенов и минимальное количество смол. Вязкость этих битумов в области ньютоновского течения в 10-100 раз выше, чем у структуры «золь». Состав 2 соответствует структуре «золь» (тип 2) и подобен растворам, он характеризуется минимальным содержанием асфальтенов и максимальным количеством смол, их вязкость почти не зависит от скорости сдвига. Состав 3 соответствует структуре «золь-гель» (тип 3) и является промежуточным от золя (состав 2) к гелю (состав 1) [9].

В битуме, кроме рассмотренных выше групп углеводородов (асфальтенов, масел, смол), содержится также некоторое количество активных функциональных групп. От их содержания и распределения между компонентами битума зависит ряд важных свойств битума: адгезия к поверхности каменных материалов, склонность к окислению, полимеризации, поверхностное натяжение.

Так как определить поверхностное натяжение битумов сложно, то предложил в этом случае находить поверхностную активность, т. е. способность битума снижать поверхностное натяжение на границе с водой [5].

Поверхностная активность битума зависит от содержания в нем активных полярных (функциональных) групп типа - СООН, - ОН, NH2, SH и др., которые располагаются на границе раздела фаз и ориентируются в сторону полярной жидкости. От содержания этих полярных групп зависят не только адгезия и способность к смачиванию по отношению к минеральным материалам, но и процесс эмульгирования битума.

2.1.3. Битумные эмульсии

Определение

Определение эмульсии может быть более распространенным и обобщающим [5, 10, 11, 12] или коротким и лаконичным [13], но оно должно включать две одинаковые позиции:

- эмульсии – это дисперсные системы;

- обязательным условием существования таких систем является взаимная нерастворимость веществ.

В данной работе не рассматриваются такие связнодисперсные системы, как вспененный битум (дисперсная система Г1/Ж2 – пена, см. п. 2.1.1). Битумные эмульсии, применяемые в дорожном строительстве, являются дисперсными системами типа Ж1/Ж2 (см. п.2.1.1).

Эмульсия – это грубодисперсная неоднородная система, состоящая из двух взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых (ДФ) в виде мелких капель диспергирована (распределена) в другой (ДС).

Для дорожных работ применяется, в основном, битумная эмульсия, когда битумное вяжущее диспергировано в водной среде.

Эмульсии, как и всякая грубодисперсная неоднородная система, обладают невысокой стабильностью, повысить которую можно добавлением специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ), называемых эмульгаторами или стабилизаторами, или тщательно измельченных твердых порошкообразных продуктов. В последнем случае битумную эмульсию на твердых эмульгаторах называют битумной пастой, независимо от количества порошкообразного эмульгатора в ней.*

Выбор ПАВ, выполняющего роль эмульгатора, и режимов получения битумной эмульсии будет зависеть также и от структуры битума. Следует учитывать ее и при выборе типа модифицирующей добавки для получения битумных эмульсий на модифицированных битумах.

Условие образования эмульсий

Само понятие о дисперсных системах предполагает два метода их получения: путем диспергирования (дробления) и путем процессов агрегирования, когда молекулы под действием сил сцепления объединяются и дают «зародыш» новой фазы, который, укрупняясь, достигает необходимой для образования ДФ величины. Этот принцип дисперсной системы может применяться для получения вспененных битумов.

Основной метод получения битумных эмульсий – это диспергирование (дробление) битума в водной фазе с помощью
_______________

* С точки зрения физико-химии определение «паста» относится к дисперсной системе типа Т1/Ж2, занимающей промежуточное положение между твердыми и жидкими телами, которая приближается к тем или другим в зависимости от степени развития и прочности структурной сетки [5]. Однако некоторые авторы [11] называют пастой также высококонцентрированные эмульсии и эмульсии на твердых эмульгаторах, чтобы подчеркнуть наличие у таких систем некоторых свойств, аналогичных тем, которыми обладают классические пасты (Примеч. автора).

механической энергии в присутствии специальных ПАВ – эмульгаторов.

Роль эмульгатора при получении эмульсии заключается в следующем:

- в снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз и облегчении тем самым процесса эмульгирования;

- в формировании защитной пленки вокруг частиц битума, чтобы обеспечить стабильность эмульсии.

Многие исследования посвящены процессу эмульгирования. Это ключ к получению материалов с требуемыми свойствами.

Битумная эмульсия должна быть получена наиболее простым путем, быть удобной в применении и разрушаться (распадаться) при контакте с минеральным материалом смеси или поверхностью покрытия только в определенное, требуемое для получения необходимого качества продукта время. При этом битумное вяжущее должно максимально сохранять или даже улучшать свои первоначальные свойства после распада эмульсии.

Недостаточный учет особенностей принятого принципа эмульгирования и неправильный выбор эмульгатора могут привести в конечном итоге к получению некачественного продукта (смеси или слоев покрытия).

Поэтому рассмотрим подробнее условия образования битумных эмульсий путем диспергирования.

Первое условие образования эмульсии – нерастворимость ДФ в ДС. Отсюда следует, что вещества, образующие эти две фазы, должны различаться по полярности. В данном случае одна из фаз – это вода – сильно полярная жидкость, другая – битум – представляет собой неполярную жидкость, которая обычно называется «маслом». В соответствии с этим существуют два основных типа эмульсий – дисперсия воды в масле (принятое обозначение – В/М) и дисперсия масла в воде (М/В). Эмульсии второго типа называют прямыми, а первого – обратными.

Второе условие получения стабильных эмульсий вытекает из первого: необходимо уравнять полярности обеих жидкостей. Это можно сделать введением еще одного компонента, называемого эмульгатором. Эмульгатор понижает поверхностное натяжение на границе раздела фаз, адсорбируясь в граничном слое.

Адсорбцией называется явление накопления одного вещества на поверхности другого. Она зависит от химической и физической природы адсорбента (вещества, на поверхности которого накапливается другое вещество) и адсорбтива (вещества, которое накапливается).

Накопление же одного вещества внутри объема другого называется абсорбцией.

Известно, что, чем сильнее вещество понижает поверхностное натяжение, тем больше его будет накапливаться в поверхностном слое.

Адсорбцию, сопровождающуюся накоплением вещества в поверхностном слое, называют положительной, а положительно адсорбирующиеся вещества (накапливающиеся в слое) называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Если же растворенное вещество повышает поверхностное натяжение, то оно будет выталкиваться внутрь объема адсорбента вплоть до почти полного вытеснения его из поверхностного слоя. Такую адгезию называют отрицательной, а вещества – поверхностно-инактивными (неактивными). Чаще всего такими веществами являются неорганические соли.

ПАВ, молекулы которых состоят из полярной («головки») и неполярной («хвост») частей, ориентируются на границе раздела битум – вода таким образом, что «хвост» их обращен к битуму, а «головка» – в воду. В результате такой ориентации ПАВ создается слой, который уравнивает разность полярностей фаз и снижает поверхностное натяжение на границе их раздела.

Иногда такие дифильные молекулы (имеющие гидрофильную-полярную и гидрофобную-неполярную части) могут иметь слишком короткую гидрофобную часть и тогда у них в целом будут преобладать гидрофильные свойства. В этом случае вещество будет хорошо растворяться в воде и иметь отрицательную адсорбцию, т. е. оно уже не будет ПАВ и не сможет служить эмульгатором.

С удлинением же углеводородной цепи («хвоста») молекулы гидрофобные свойства ее будут увеличиваться, растворимость в воде уменьшаться, а эмульгирующая и стабилизирующая способность увеличиваться.

Таким образом, к ПАВ принадлежат вещества дифильной структуры, имеющие меньшее, чем их растворитель, поверхностное натяжение и положительную адсорбцию, что вызовет снижение поверхностного натяжения.

Вследствие диссоциации полярной группы ПАВ частица фазы эмульсии приобретает электрический заряд – положительный или отрицательный. Одноименно заряженные частицы фазы отталкиваются, что препятствует их слипанию и увеличивает стабильность эмульсии.

По современной классификации принято делить ПАВ на четыре класса [10]:

- анионные ПАВ с положительно заряженной «головкой»;

- катионные ПАВ с отрицательно заряженной «головкой»;

- ПАВ двойного действия (амфолиты или амфотеры), имеющие «головку», содержащую две или несколько функциональных групп, которые могут в зависимости от рН среды изменять знак заряда «головки»;

- неионогенные ПАВ, не диспергирующие на ионы в водном растворе. Растворимость в воде таких ПАВ происходит благодаря наличию в молекулах функциональных групп, имеющих сродство с водой. Стабилизация эмульсий таким эмульгатором основана, в основном, на образовании гидратного слоя.

Кроме ПАВ в качестве эмульгатора могут применяться тонкомолотые минеральные порошки.

Твердые порошкообразные эмульгаторы выполняют ту же роль, что и ПАВ, т. е. они адсорбируются на поверхности битума, образуют защитные пленки и таким образом препятствуют слипанию частиц. В этом случае порошкообразный эмульгатор перед введением битума необходимо смешивать в строго определенном соотношении с водой и интенсивным механическим перемешиванием, разбивая битум на капли, способствовать сближению его с эмульгатором. Путем введения добавки электролитов или ПАВ можно регулировать свойства таких эмульсий.

Механизм действия твердых эмульгаторов недостаточно исследован. Одни авторы полагают, что при взаимодействии с водой на поверхности твердых частиц образуются гидроокиси минералов, способные к частичной диссоциации, в результате чего возникает двойной электрический слой у поверхности твердой частицы [7]. Другие считают основным адсорбционный эффект понижения прочности твердой частицы, когда в местах поверхностных дефектов структуры твердого тела образуются новые поверхности под влиянием среды. Эти поверхности в момент их образования покрываются адсорбционными слоями из ПАВ, имеющихся в водной среде [5, 11].

Однако и в том и в другом случае к твердому эмульгатору предъявляются одинаковые требования – тонкость помола и обязательное добавление воды к порошку в количестве, близком к верхнему пределу его текучести.

Из изложенного следует, что применение эмульгаторов различной природы приведет к получению битумных эмульсий с различными характеристиками.

2.2. Факторы, влияющие на характеристики битумных эмульсий

Получение эмульсионного вяжущего с желаемыми характеристиками предполагает учет основных закономерностей образования и формирования битумных эмульсий.

Сначала сформулируем основные качества битумной эмульсии, которыми она должна обладать.

Прежде всего, как уже было указано в п. 2.1.2, эмульгирование – это технологический прием для обеспечения равномерного распределения битума по обрабатываемой поверхности. Отсюда следует, что битумная эмульсия должна, будучи жидкой для возможности доставки вязкого битума в поры и мелкие трещины, обеспечивать создание пленки вяжущего заданной толщины.

Заметим, что свойства самой битумной пленки, т. е. адгезия к каменным материалам или обрабатываемому слою дорожной одежды, когезионные свойства вяжущего и устойчивость к различным воздействиям, обеспечиваются свойствами применяемого битума. В случае же использования эмульсии задача заключается в том, чтобы битум как можно скорее и в полном объеме восстановил свои свойства после применения технологического приема, именуемого эмульгированием, который реализуется в три этапа, включая способность:

- достаточно легко приводить битум в эмульгированное состояние;

- легко создавать равномерную битумную пленку необходимой толщины на обрабатываемой поверхности;

- быстро и в полной мере возвращать битумному вяжущему первоначальные свойства или, даже улучшая его. Этот процесс обычно называется формированием. Следует заметить, что в характеристику эмульсии, называемую временем формирования, часто включают время формирования и самого битума, выделившегося из эмульсии.

Эмульсия, как материал, работает в полной мере только на втором этапе. В этом случае она должна обладать следующими основными качествами:

- быть устойчивой и не распадаться (не расслаиваться на битум и воду) в течение времени, необходимого для принятой технологии работ;

- иметь заданную вязкость и дисперсность;

- обеспечивать возможность осаждения на обрабатываемую поверхность и сцепления с ней пленки битумного вяжущего;

- как можно быстрее прекратить свое существование по окончании заданного технологического цикла, т. е. распадаться с выделением воды, оставляя битум на предназначенном ему месте в виде равномерной пленки. Этот процесс характеризуется обычно скоростью распада.

На третьем этапе, кроме скорости распада эмульсии, который частично начинается уже на втором этапе, происходит удаление воды с обработанной поверхности и затем формирование битумной пленки, т. е. удаление пластификаторов или разжижителей и «затвердевание» битума. Процессы, происходящие на этом этапе, за исключением удаления воды, зависят только от свойств битума и возможности и скорости удаления из него технологических добавок (пластификаторов или разжижителей).

В настоящем обзоре формирование вяжущего и процесс удаления из эмульсионно-минеральных смесей воды не рассматриваются.

Чтобы перевести битум в эмульгированое (жидкое) состояние и обеспечить снижение поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз битум – вода, необходимо введение эмульгаторов и стабилизаторов.

Для получения стабильной эмульсии из взаимно нерастворимых ДФ и ДС необходимо сблизить полярности обеих жидкостей, для чего вводится эмульгатор, который, адсорбируясь на границе раздела фаз, понижает поверхностное натяжение воды и уравнивает полярности двух фаз.

На этот процесс влияет ряд факторов.

1. Силы поверхностного натяжения на границе раздела битум – вода. Чем ниже величина межфазного поверхностного натяжения, тем легче диспергируется ДФ, тем выше качество получаемой эмульсии и достигаемая степень ее дисперсности.

2. Вид и характер эмульгатора. Как уже было сказано, при образовании эмульсии эмульгатор адсорбируется на поверхности глобул ДФ за счет их поверхностной энергии, тем самым снижая межфазное поверхностное натяжение и образуя адсорбционный слой, который препятствует слиянию глобул, обеспечивая устойчивость эмульсии, стабилизируя ее.

Процессы, происходящие при адсорбировании эмульгатора, достаточно сложны и различны для жидких (растворимых в ДС) и твердых эмульгаторов. Механизм действия эмульгаторов описан в п. 2.1.3 (рис. 2) [14].

3. Концентрация эмульгатора. Эмульгатор существенно уменьшает межфазное натяжение s даже при небольших концентрациях, но его количества при этом может быть недостаточно для образования сплошного адсорбционного слоя на капельках ДФ. Значит, при невысоких концентрациях эмульгатор, способствуя диспергированию, не обеспечивает стабильность эмульсии во времени. Для каждого эмульгатора существует определенная концентрация, при которой он образует адсорбционный слой, стабилизируя эмульсию.

Рис. 2. Схема структуры битумных дорожных эмульсий:

а – прямых на водорастворимых эмульгаторах; б – то же, на твердых эмульгаторах; в – обратных 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)

При этом с повышением содержания эмульгатора s падает до минимального значения, соответствующего применяемому эмульгатору и типам ДФ и ДС. Именно это значение можно считать необходимым для образования эмульсии и достаточным для поддержания ее стабильности, т. е. оптимальным. Дальнейший рост концентрации эмульгатора почти не влияет на s и стабильность эмульсии. Дисперсность эмульсии при этом также больше не увеличивается.

4. Способ введения эмульгатора в эмульсию. Существует несколько способов введения эмульгатора в систему для получения эмульсий.

- Растворение в воде (для водорастворимых соединений) или в битуме (для маслорастворимых соединений). По этому способу эмульгатор растворяют в воде или в битуме и затем вводят ДФ.

- Для анионных эмульсий часто применяют эмульгаторы, содержащие жирные кислоты, которые не растворяются в воде. В этом случае производят их омыление щелочным раствором, чтобы перевести в водорастворимое состояние. В зависимости от природы получаемых соединений и порядка подачи растворов в установку получают эмульсии прямого или обратного типа. Можно провести этот процесс как отдельную операцию, обрабатывая щелочами эмульгаторы, содержащие жирные кислоты, затем растворить полученное мыло в воде и далее применять, как водный раствор эмульгатора. Однако предпочтительнее проводить омыление жирных кислот в процессе получения эмульсии, т. е. в водную фазу вводят в необходимом количестве щелочь и эмульгатор и затем подают в установку. Этот способ не только проще, но и позволяет быстрее создать защитный слой эмульгатора на поверхности капелек ДФ по мере их диспергирования, т. е. быстрее получить устойчивую эмульсию.

- Твердый эмульгатор вводят в установку для приготовления эмульсий в виде водной суспензии минерального порошка необходимой концентрации.

5. Время и интенсивность диспергирования. Эффективность процесса механического диспергирования ДФ в ДС зависит от связанных между собой факторов:

- вязкости жидкостей и самой эмульсии;

- концентрации ДФ в эмульсии;

- концентрации эмульгатора;

- способа диспергирования;

- интенсивности диспергирования;

- продолжительности диспергирования.

Опыт показал, что наиболее интенсивно диспергирование происходит в начальный период, при этом увеличение продолжительности диспергирования сверх оптимального не ведет к уменьшению размера капелек ДФ, т. е. к повышению дисперсности эмульсии. Увеличение объемной концентрации ДФ также требует оптимальной продолжительности диспергирования.

Процесс образования капель ДФ в эмульсии зависит от скорости движения жидкостей в коллоидной мельнице. При этом образуется полидисперсная эмульсия, причем содержание капель преобладающего размера (как правило – 2-4 мкм) зависит от зазора между ротором и статором: с уменьшением зазора количество таких капель растет, т. е. эмульсия становится более высокодисперсной и однородной. Правда, следует учитывать, что со снижением зазора падает, а с увеличением скорости вращения ротора повышается производительность диспергатора.

6. Температура. При повышении температуры обычно происходит:

- снижение вязкости ДФ, ДС и самой эмульсии;

- уменьшение межфазного поверхностного натяжения;

- улучшение растворимости эмульгаторов в ДС;

- ускорение диссоциации молекул ионогенных эмульгаторов;

- интенсификация процесса адсорбции эмульгатора на поверхности раздела фаз.

Таким образом, оптимальное повышение температуры компонентов и самой эмульсии способствует улучшению эмульгирования и снижению энергозатрат на диспергирование. Чрезмерное повышение или понижение температуры может привести к флокуляции и коалесценции капель ДФ и ухудшению качества эмульсии. К тому же следует учитывать, что процесс механического диспергирования идет с выделением тепла, поэтому иногда используют охлаждающие устройства.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Подпишитесь на рассылку:

Битум

Проекты по теме:

Строительство
Архивы:
А АкведукиАрхитекторАрхитектураАрхитектура МосквыАрхитектурно-строительный факультетАрхитектурное проектированиеАсфальтирование ББассейныБетономешалкаБуровзрывные работы ВВодопроводВодоснабжение и водоотводВодостокВыдача планов на земельные участки ГГазопроводГенеральные планыГеоинформационные системы и технологииГидроизоляцияГородское строительство и хозяйство ДДачи и коттеджиДачные домаДвериДеревоДеревообработкаДеревянные домаДизайн интерьераДолевое строительствоДома из клееного брусаДома из оцилиндрованного бревнаДымоход ЖЖилплощадь ЗЗастройкаЗащита прав потребителейЗемлепользованиеЗемлеустройствоЗемляные работыЗвукоизоляция ИИмущественное правоИнвентаризация объектовИнвестиции в строительствеИнженерно-геологические изысканияИнженерные системыИнтерьер ККаминыКвадратный метрКирпичная кладкаКондиционирование и вентиляцияКоттеджные поселкиКровля ЛЛандшафтный дизайнЛенточный фундаментЛесопилка ММалоэтажное строительствоМногоквартирные домаМонтажМонтажникМусоропровод ННормативные материалы ООбследование зданийОбщая площадьОбъекты для ввода в эксплуатациюОкнаОтделочные материалы и работыОтоплениеОхрана труда в строительствеОцилиндрованное бревноОчистка естественных и стоковых вод ППервоочередные объектыПечьПодрядное строительствоПолимербетонПолы и покрытияПотолкиПроектная документацияПроектные декларацииПроектные работыПроизводственная недвижимостьПромышленное и гражданское строительство РРемонтРемонт дорогРемонт жильяРемонт лифтовРемонт помещенийРемонтные работыРемонт жильяРеконструкцииРешения на строительство ССанитарные нормыСантехникаСметные нормативыСметыСоюзы строителейСтеныСтройматериалыСтроитель Строительнная: ТехникаБюджетыРаботыВыставкиКолледжиОрганизацииСтроительство жильяКвартир ТТеплоизоляцияТерриториальное планированиеТехническое обслуживание, ремонт и реконструкция зданийТраншеяТрубопровод УУправления капитального строительства ФФасадные работыФундамент ЧЧастный сектор ШШпатлевкаШпонШумоизоляция ЭЭкономика предприятий строительстваЭлектроинструментЭлектропроводкаЭлектротехнические работы
Основные порталы (построено редакторами)

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства