Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водобитумные эмульсии. Учебное пособие
.pdf
в первую очередь, с недостатком недорогих отечественных эмульгаторов.
Наибольший опыт в теоретических разработках и в практическом использовании битумных эмульсий накоплен во Франции, которая считается мировым лидером в этих вопросах и где более 30 % от
общего объема органических вяжущих для дорожных целей применяются в эмульгируемом виде [8].
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, способа приготовления, методов определения 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 [9].
Однако 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 [10]. 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 [10]. В
этой работе подробно описаны современные представления об основ-
31
ных 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 не было опубликовано ни одной значительной работы, 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.
2.3. Область применения битумных эмульсий
В дорожном строительстве битумные эмульсии применяют для
устройства щебеночных покрытий и постройки гравийных дорог по
способу пропитки, по способу предварительного смешения и смешения на дороге; для устройства асфальтобетонных покрытий и обработки грунтовых дорог.
Также битумные эмульсии могут быть использованы для широкого спектра дорожно-строительных работ:
– поверхностные обработки;
– «холодные» эмульсионно-минеральные смеси, изготовляе-
мые как в смесителе на заводе, так и по методу смешивания на дороге;
– холодно складируемые смеси;
– слои сцепления;
– для ямочного ремонта дорог и т.д.;
– для устройства тонких защитных слоев покрытия.
Помимо дорожного строительства, битумные эмульсии находят применение в ряде других областей народного хозяйства. В строительной технике битумные эмульсии применяют для защиты бетон-
32
ных сооружений, для пропитки грунта, что делает его водонепроницаемым, и для окраски металлических частей.
В промышленной технике битумные эмульсии применяют
также для изготовления электро- и теплоизоляционных материалов.
В бумажной промышленности битумные эмульсии применяются для получения водоизоляционных картонов. В сельском хозяйстве – для температурного и водного режима почвы, для укрепления
сыпучих песков.
Такое широкое распространение битумные эмульсии получили
вследствие наличия в них битума в таком виде, который позволяет
использовать его в холодном состоянии, чем достигается ряд преимуществ по сравнению с применением битума в горячем виде [11].
Как показывает обширный зарубежный опыт, наиболее эффективным является применение битумных эмульсий в так называемых
«холодных» технологиях строительства и ремонта автомобильных
дорог:
1. Подгрунтовка.
Одним из наиболее распространенных видов работ с использованием битумных эмульсий является подгрунтовка – нанесение
эмульсии путем распыления в виде тонкого слоя, обеспечивающего
надежное сцепление укладываемой асфальтобетонной смеси с нижележащим слоем. Для большинства типов дорожных покрытий (цементобетонное основание, нижние слои дорожной одежды) создание связующего слоя не только желательно, но и необходимо. Одним из видов подгрунтовки является нанесение так называемого первоначального покрытия, когда на гранулированное основание для его подготовки к нанесению асфальтобетонной смеси распыляют эмульсию
медленного структурирования с содержанием битума 55÷60 % масс. В
зависимости от свойств основания удельное количество наносимой
эмульсии составляет 0,4÷1,4 л / м2;
2. Поверхностная обработка.
Поверхностную обработку покрытий устраивают на новых асфальтобетонных, различных видах черных и цементобетонных покрытиях, а также на покрытиях, бывших в эксплуатации, для обеспечения
необходимого сцепления колес автомобиля с поверхностью покрытия
и для увеличения срока службы покрытия. Слой, создаваемый при поверхностной обработке, служит для придания покрытию шероховатости, водонепроницаемости, износостойкости и плотности. Речь здесь
33
идет как о недорогостоящей одиночной обработке покрытий второстепенных дорог, так и о создании износостойкого покрытия на дорогах со сравнительно высокой интенсивностью движения. Следует отметить важность прочности полотна (основы), на котором устраивается поверхностная обработка
3. Обработка щебня способом пропитки.
Устройство конструктивных слоев (оснований и покрытий)
путем многократной россыпи щебня различных фракций, его уплотнения и пропитки (обычно – двухкратной) эмульсией с использованием медленнораспадающейся эмульсии, содержащей 50÷65 % масс.
битума.
4. Ямочный ремонт.
Применение битумных эмульсий значительно упрощает технологию ремонта и позволяет проводить работы как ранней весной,
так и поздней осенью при температуре воздуха не ниже 5°С. При использовании эмульсий появляется возможность использования влажных материалов, т.к. и в этом случае катионные битумные эмульсии
обеспечивают быстрое формирование пленки вяжущего, высокую адгезию пленки к поверхности большинства заполнителей и, в целом,
хорошее качество ремонтных работ.
При ремонте покрытий описанным методом расход эмульсии
составляет 1,3÷1,6 л / м2 на каждый сантиметр глубины выемки.
Заделка трещин в покрытии также может выполняться с использованием битумных эмульсий. Трещины заполняют эмульсией,
смешанной с мелкозернистым песком, оставляя несколько миллиметров до поверхности. После затвердевания оставшийся объем заполняют чистой эмульсией. На поверхность наносится песок, предотвращающий унос материала заплаты.
Битумные эмульсии также могут быть использованы для укрепления откосов, закрепления песков, обеспыливания покрытий из неукрепленных материалов. В некоторых случаях эмульсии могут быть
использованы как гидроизоляционный материал [5, 12, 13].
34
2.4. Классификация битумных эмульсий
Дорожные эмульсии классифицируются по нескольким признакам.
1. В зависимости от природы жидкости в составе фаз эмуль-
сий:
– прямого типа – эмульсии «масло в воде» , когда капли битума (дисперсная фаза) диспергированы в воде (дисперсионной среде);
– обратного типа – эмульсии «вода в масле», когда вода (дисперсная фаза) диспергирована в битуме (дисперсионной среде); в иностранной литературе такие эмульсии часто называют «инвертными».
Следует отметить, что в процессе приготовления могут образоваться оба типа эмульсий одновременно, особенно в случае применения эмульгаторов двойного действия. Какого типа получится
эмульсия в итоге, будет зависеть от природы битума, рН водной среды
и соотношения объема фаз [14, 15].
Если эмульгатор резко гидрофилен или очень олеофилен, т.е.
практически растворим только в одной из фаз, образующих эмульсию,
то при любых соотношениях объема фаз эмульсия получится только
одного типа.
Для некоторых эмульгаторов возможно получение как прямых,
так и обратных эмульсий при одинаковом соотношении фаз и без перемены рН среды. Необходимо лишь изменить объем эмульгатора в
системе. Так, при небольших количествах эмульгатора образуется обратная эмульсия типа «вода в масле», с его увеличением достигается
предельное состояние, которое нарушается при дальнейшем повышении количества эмульгатора и возникает грубая прямая эмульсия типа
«масло в воде». При дальнейшем увеличении доли эмульгатора дисперсность эмульсии растет, достигая своего предела при определенном соотношении, после чего вновь может образоваться обратная
эмульсия [14, 15].
2. В зависимости от концентрации дисперсной фазы битумные
эмульсии могут подразделяться на низкоконцентрированные (с концентрацией до 40 %), концентрированные (до 74 %) и высококонцентрированные (более 74 % битума).
В настоящее время в дорожном строительстве используют
только первые два типа. Высококонцентрированные эмульсии, применявшиеся короткое время в 60-х годах прошлого века в России, в
настоящее время не производят. Однако они достаточно перспектив-
35
ны для производства, прежде всего там, где необходимо транспортирование эмульсий на дальние расстояния.
3. В зависимости от природы эмульгатора эмульсии прямого
типа обычно подразделяются в на классы:
– анионные;
– катионные;
– амфотерные – с эмульгаторами двойного действия;
– неионогенные;
– эмульсии на твердых эмульгаторах.
В российских стандартах [16, 17] эмульсии подразделяют только на анионные и катионные (обозначены, соответственно, А и К), а в
новом ГОСТ Р 52128-2003 [16] введено также деление эмульсий в зависимости от применения полимерных материалов, причем независимо от способа введения полимера в битум – непосредственное эмульгирование такого полимербитума или введение его в уже приготовленную эмульсию (обозначено П).
Эмульсии обратного типа в зависимости от природы эмульгатора обычно не подразделялись, но в настоящее время, когда появилась возможность его выбора, целесообразным является деление их на
следующие категории:
– эмульсии на основе поверхностно–активных веществ;
– эмульсии на твердых эмульгаторах;
– эмульсии на эмульгаторах неионогенного типа; этот вид об-
ратных эмульсий находится еще в стадии разработки, но имеет перспективы, особенно в случае применения эмульгатора, чувствительного к изменению температуры в процессе приготовления или применения эмульсии.
4. В дорожной практике наиболее распространены эмульсии
прямого типа, прежде всего анионного и катионного класса. Поэтому
в основу классификации этих эмульсий в США положена такая важная характеристика их свойств, как скорость формирования смеси на
основе этих эмульсий, т.е. как скоро битум, выделившийся из эмульсии, достигнет своих первоначальных свойств:
– быстрораспадающиеся (RS);
– среднераспадающиеся (МS);
–
медленнораспадающиеся (SS);
– сверхстабильные (QS).
Для удобства пользования классификацией была разработана
специальная система символов для обозначения эмульсии, что облег-
36
чает задачу пользователям при выборе необходимого типа и марки
битумной эмульсии (ASTM Д977; ASTM Д2397; AASHTO М140;
AASHTO М208) [18].
Прежде всего тип эмульсии обозначают по скорости распада,
например быстрораспадающаяся эмульсия – RS, далее перед типом
эмульсии либо ставится буква С, что обозначает катионную эмульсию, либо не ставится ничего, что означает анионную эмульсию:
RS – эмульсия быстрораспадающаяся анионная;
CRS – эмульсия быстрораспадающаяся катионная.
Затем обозначается вязкость получаемой эмульсии в относительной шкале: 1 или 2. Цифра 1 указывает, что эмульсия более вязкая, чем с индексом 2. Для некоторых марок эмульсий в обозначении
появляются буквы h или s, показывающие, что для приготовления
эмульсии использованы «твердый» (h) или «мягкий» (s) битумы.
Для некоторых марок анионных эмульсий впереди может стоять HF, что обозначает добавление в эмульсию специальных реагентов, придающих ей свойство высокой флотации, т.е. эмульсия создает
толстую битумную пленку на минеральном материале.
Так, например, эмульсия, обозначенная как HFMS–2h, будет
расшифровываться как анионная среднераспадающаяся эмульсия на
основе «твердого» битума с невысокой вязкостью и добавкой специальных флотационных реагентов; а эмульсия CSS–1s – как катионная
медленнораспадающаяся эмульсия с высокой вязкостью, приготовленная на основе «мягкого» битума, т.е. битума с разжижителем.
Следует отметить, что эмульсии, классифицируемые как
сверхстабильные (QS), в России не используются, хотя смеси типа
«Сларри Сил», для которых они были специально разработаны, находят применение на территории нашей страны.
К сверхстабильным эмульсиям можно отнести эмульсии на
твердых эмульгаторах – пасты.
Расширение области использования модифицированных полимером битумов нашло отражение и в обозначении эмульсий, полученных на основе таких битумов, путем добавления в конце обозначения
марки эмульсии буквы Р; например HFRS–2sP расшифровывается как
анионная быстрораспадающаяся с высокой флотацией эмульсия невысокой вязкости, приготовленная на основе разжиженного полимербитума.
37
В России [16, 17] эмульсии классифицируются не по скорости
распада, а по устойчивости при перемешивании с минеральными материалами, но увязывается это со скоростью распада:
– ЭБА(К)–1 и ЭБПА(К)–1 (быстрораспадающиеся);
– ЭБА(К)–2 и ЭБПА(К)–2 (среднераспадающиеся);
– ЭБА(К)–3 и ЭБПА(К)–3 (медленнораспадающиеся).
Обозначение марки эмульсии, например ЭБПК–1, расшифровывается как катионная, распадающаяся при смешении со смесями
минеральных материалов как плотного, так и пористого состава (быстрораспадающаяся), приготовленная с добавками полимера (битумно-полимерная). В этом случае остается сомнение, использовано ли
битумно-полимерное вяжущее для эмульгирования или полимер добавлен в готовую эмульсию [16].
Финский стандарт вообще не предполагает классификацию
эмульсий, а предъявляет требования к эмульсии, предназначенной для
конкретных дорожных работ, например BE-SIP – это эмульсия для
поверхностных обработок [19].
2.5. Преимущества битумных эмульсий
для дорожного строительства
Нефтяной битум является общепринятым вяжущим для строительства и ремонта автомобильных дорог. Однако‚ с технологической
точки зрения‚ его следует применять при минимально возможной вязкости, что может быть достигнуто тремя принципиальными способами [6,20]:
– нагрев;
– смешивание с нефтяными растворителями;
– эмульгирование с образованием эмульсий.
Первый способ используется обычно для производства горячих смесей с предварительным нагревом исходных минеральных материалов или разливом горячего битума на холодную поверхность при
производстве подгрунтовки или устройстве поверхностной обработки.
Этот способ имеет как достоинства, так и недостатки.
К достоинствам следует отнести возможность получения асфальтобетона с высокой прочностью при использовании высоковязких битумов для дорог с тяжелым и интенсивным движением.
38
К недостаткам относятся затраты энергии на нагрев минеральных материалов при производстве горячих смесей‚ ограниченный период времени на устройство конструктивных слоев дорожной одежды
и отрицательное воздействие на окружающую среду в процессе всего
цикла производства работ.
Второй способ, как правило, дороже из-за весьма дорогостоящих растворителей, которые за относительно короткий период
времени должны испариться‚ что приводит к загрязнению окружающей среды и к повышенной пожароопасности при производстве работ.
Третий способ‚ с использованием битумных эмульсий‚ не требует нагрева и может использоваться с холодными и даже влажными
минеральными материалами, что позволяет снизить расход энергоносителей до 40 % по сравнению с традиционными «горячими» технологиями [2].
Альтернативным и наиболее приемлемым методом совмещения битумов с неорганической фазой является использование битумных эмульсий. Преимущества таких систем очевидны [6]:
1. Вязкость битумных эмульсий при комнатной температуре на
несколько порядков ниже собственно битумов. Низкая вязкость обеспечивает легкость проникновения битумного материала в даже мелкие
поры и обеспечивает совмещение его в достаточно толстом слое неорганического материала.
2. Более высокая адгезионная способность к поверхностям
различной структуры и природы (кислые и щелочные минералы, а
также металл). Повышенная адгезия способствует созданию высокопрочных и долговечных дорожных конструкций.
3. Возможность производить работу в условиях низких температур и высокой влажности за счет улучшения сил сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов. Влажность неорганического
материала в этом случае играет даже положительную роль при совмещении с битумной эмульсией.
4. Снижение вязкости позволяет повысить точность дозирования вяжущего и распределить его более тонкими слоями, что, в свою
очередь, приводит к сокращению расходов вяжущего.
5. Экономия топлива при производстве «холодных» эмульсионно-минеральных смесей вследствие отказа от нагрева каменных материалов. Процесс совмещения протекает при нормальных условиях,
таким образом, не требуется использования энергоемкого оборудования.
39
6. Сокращение вредных выбросов в атмосферу.
В настоящее время в мировой практике строительства дорог и
в промышленном строительстве горячие битумы все более вытесняются битумными эмульсиями [21].
Применение эмульсий позволяет повысить производительность труда, качество покрытий, кроме того, появляется возможность
использовать их в случае невозможности или нецелесообразности
применения горячего битума [11].
2. 6. Роль битумных эмульсий в структуре потребления
органических вяжущих материалов в ведущих странах
Наглядной иллюстрацией роли битумных эмульсий в структуре потребления органических вяжущих материалов в ведущих странах может послужить табл. 2.1, составленная по данным Ассоциации производителей битумных эмульсий (Asphalt Emulsions Manufacturers Association, A.E.M.A.) Международной Федерации по битумным эмульсиям (Internetional Bitumen Emulsion Federation, I.B.E.F.)
и Международной дорожной федерации (International Road Federа-
tion, I.R.F.) [22].
Лидером по валовому выпуску эмульсий является США, а по
относительной доле битумных эмульсий первое место принадлежит
Франции.
В России битумные эмульсии являются относительно новым
видом вяжущего, и вплоть до середины 1990–х годов вязкие дорожные битумы были и преимущественно остаются чуть ли не единственным видом органического вяжущего, используемого в дорожном
строительстве. В связи с этим, в настоящее время в России доля битумных эмульсий в общей структуре органических вяжущих материалов не превышает 1,5÷2 % , в то время как в развитых странах этот
показатель достигает 35 %.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]