Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водобитумные эмульсии. Учебное пособие
.pdf
σ
= 0,01÷0,1 эрг/см2. Если же
m
дит так называемое самопроизвольное (спонтанное), эмульгирование.
В этом случае эмульсия образуется под влиянием таких незначительных воздействий, как например, конвекционные потоки в жидкой
дисперсной среде, вызванные местными изменениями температуры.
Процессу спонтанного эмульгирования в значительной мере способствует солюбилизация − коллоидное растворение практически нерастворимых в воде (лиофобных) веществ. На значительную роль солюбилизации в процессах образования лиофильных систем и самопроизвольного эмульгирования указывает П.А. Ребиндер [21].
Принцип физико–химического (спонтанного) эмульгирования
основан на использовании повышенного количества активного эмульгатора [38].
Битумные эмульсии, получаемые способом механического
эмульгирования с использованием в качестве эмульгаторов готовых
мыл, относятся к лиофобным дисперсным системам. Устойчивость
эмульсий является кинетическим понятием, так как в термодинамическом смысле дисперсные системы, имеющие значительное сгущение
свободной энергии в поверхностных межфазных слоях, неустойчивы.
Все самопроизвольные процессы в этих системах односторонние и ведут к уменьшению межфазной поверхности раздела, т. е. к
уменьшению дисперсности системы, что и выражается в коалесценции и коагуляции капель.
При достаточной адсорбционной защите лиофобные эмульсии
на протяжении значительного промежутка времени сохраняют определенную степень дисперсности, однородность и в связи с этим с успехом используются в дорожном строительстве и других областях
техники.
Механические диспергаторы реализуются в двух вариантах:
– продавливание жидкости, составляющей эмульсию, через узкий зазор между неподвижным статором и вращающимся с большой
скоростью ротором (гомогенизатор или коллоидная мельница, диспергатор);
– при перемешивании одной жидкости в другой скорость вращения лопастей обычно значительно ниже, чем скорость вращения
ротора и поэтому для эмульгирования требуется повышенное количество эмульгатора.
σ
понижается до нуля, то происхо-
1,2
61
Последний способ эмульгирования чаще всего применяют для
получения высококонцентрированных обратных эмульсий.
Для получения обычных концентрированных дорожных
эмульсий используют гомогенизаторы (коллоидные мельницы)
[35,39].
В роторных диспергаторах дисперсность зависит от скорости
вращения ротора и величины зазора [40]. С уменьшением величины
зазора уменьшаются размеры капелек эмульсии. При работе на больших скоростях ротора и с малыми зазорами получаются высокодисперсные эмульсии.
Кроме того, такие величины, как температура эмульгированного битума, т.е. его вязкость, и производительность диспергатора,
также оказывают значительное влияние на дисперсность и гранулометрию эмульсии.
Необходимо учитывать, что температура эмульгированного
битума снижается (вязкость повышается) при введении водной фазы,
которая всегда имеет более низкую рабочую температуру. Это особенно важно, когда применяется модифицированный битум. В работе [40] с применением математического планирования эксперимента
было исследовано влияние таких параметров, как скорость вращения
ротора и температура эмульгируемого битума на получаемую дисперсность и скорость распада эмульсии. По этим данным видно, что
диаметр капелек увеличивается с уменьшением скорости вращения и
повышением температуры битума, в то же время показатель распада
эмульсии снижается при увеличении количества крупных капель.
Кроме того, колебания при дозировании составляющих также
влияют на дисперсность получаемой эмульсии. Это особенно сказывается при применении диспергаторов с высокой производительностью.
В этом случае приходится считаться с определенными изменениями в
производственном процессе. Это температуры битумной и водной
фаз, производительность установки, колебания рН водной фазы и дозирования битума и водной фазы. Любой из этих параметров может
вызвать ухудшение качества эмульсии. Особенно чувствительны к
этим изменениям быстрораспадающиеся эмульсии. В работе [33] показано, что гранулометрический состав и дисперсность эмульсий изменяются даже в течение одного рабочего дня, причем для быстрораспадающейся эмульсии эти изменения носят систематический характер, а для медленнораспадающейся – случайный.
62
Список литературы
1. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фрид-
рихсберг. – Л.: Химия, 1984. – 368 с.
2. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико – хими-
ческой технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А.
Гуреев. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. – 192 с.
3. Аветикян, С.М. Влияние природы и концентрации эмульгатора на стабильность водо-битумных эмульсий / С.М. Аветикян, Д.О.
Гольдберг // Коллоидный журнал. – 1950. – №6 – С. 401-407
4. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. –
М.: Химия, 1975. – 512 с.
5. Коновалов, М.Г. Дорожные эмульсии их приготовление и
применение / М.Г. Коновалов, Г.М. Ильяшев. – М.: Изд. Гушосдора,
1938. – 278 с.
6. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин. – М.: Издательство Московского Университета, 1982. – 348 с.
7. Бернштейн, А.В. О химическом эмульгировании битумов /
А.В. Бернштейн, М.И. Кучма // Укр. хим. журнал. – 1965. – № 9. – с.
986 – 992.
8. Бернштейн, А.В. О химическом эмульгировании битумов /
А.В. Бернштейн, М.И. Кучма, И.М. Зельдич // Укр. хим. журнал. –
1969. – № 10. – с. 1083 – 1086.
9. Бернштейн, А.В. Самопроизвольное эмульгирование биту-
мов / А.В. Бернштейн, Е.М. Нашиванко, М.И. Кучма // Физикохимическая механика дисперсных структур. – М.: Наука, 1966. – с. 120
– 125.
10. Бернштейн, А.В. Самопроизвольное эмульгирование битумов / А.В. Бернштейн. – Киев: Наукова думка, 1969. – 69с.
11. Жуков, И.И. Коллоидная химия. Суспензоид / И.И. Жуков.
– Л.: Лениздат, 1949. – 324с.
12. Волков, М.И. Исследования влияния поверхностно-
активных добавок на свойства эмульгированного битума / М.И. Волков, Л.А. Кириллова // Улучшение битумов добавками высокополимеров, взаимодействие битумов с минеральными материалами, битумные эмульсии. – М., 1971. – Вып. 50. – с. 126 – 130. – (Труды Союздорнии)
13. Абрамзон, А.А. Поверхностно-активные вещества / А.А.
Абрамзон. – М.: Химия, 1975. – 248 с.
63
14. Кучма, М.И. ПАВ в дорожном строительстве / М.И. Кучма.
– М.: Транспорт, 1980. – 192 с.
15. Шелудко, А. Коллоидная химия / А. Шелудко. – М.: Мир,
1984 – 320с.
16. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. – Л.: Химия, 1984. – 368 с.
17. Технические поверхностно-активные вещества из вторич-
ных ресурсов в дорожном строительстве / И. В. Королев [и др.]. – М.:
Транспорт, 1991. – 125 с.
18. Миттел, К. Мицелообразование, солюбилизация и микроэмульсии: Пер. с англ. / К. Миттел. – М.: Мир, 1980. – 597 с.
19. Петухов, И.Н. Дорожные эмульсии. Т.1 / И.Н. Петухов. –
Минск.: ЕАДЭ, 1997. – 230 с.
20. Костина, З.К. Поверхностно-активные вещества и сырье
для них / З.К. Костина // Нефтепереработка и нефтехимия. – 1980. –
№3. – С. 15-17.
21. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. / П.А. Ребиндер. – М.:
Наука, 1978. – 368 с.
22. Ребиндер, П.А. Поверхностно-активные вещества. / П.А.
Ребиндер. – М.: Знание, 1961. – 46с.
23. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико–
химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко,
А.А. Гуреев. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. – 192 с.
24. Ковалев, В.М. Технология производства синтетических
моющих средств / В.М. Ковалев, Д.С. Петренко. – М.: Химия, 1992. –
272 с.
25. Руане, Ж. Жирные амины, катионные поверхностно-
активные вещества // Дорожные эмульсии. Энциклопедия в III томах /
Ж. Руане, К. Бле. – Минск.: Евразийская ассоциация дорожных эмульсий. – Т. 3. – с. 38-47.
26. Шенефельд, Н. Неионогенные моющие средства – продукты присоединения окиси этилена. – М.: Химия, 1965. – 488 с.
27. Никишина, М.Ф. Выбор нефтяных битумов для производства дорожных эмульсий // Пути улучшения свойств асфальтобетонных и других битумоминеральных смесей. / М.Ф. Никишина. – М.,
1971. – Вып. 44. – с. 160 – 180. – (Тр. Союздорнии)
64
28. Аветикян, С.М. Влияние природы и концентрации эмуль-
гатора на стабильность водо-битумных эмульсий / С.М. Аветикян,
Д.О. Гольдберг // Коллоидный журнал. – 1950. – №6 – С. 401-407
29. Руденская, И.М. Нефтяные битумы / И.М. Руденская. – М.:
Росвузиздат, 1963. – 42 с.
30. Кучма, М.И. Исследование процессов эмульгирования битумов для дорожного строительства: автореф. дис. канд. техн. наук /
М.И. Кучма. – Харьков, 1967. – 28 с.
31. Бернштейн, А.В. Физико-химическая механика дисперсных
структур / А.В. Бернштейн, Е.М. Нашиванко, М.И. Кучма. – М.: Наука, 1966. – 150 с.
32. Капустин, В.М. Нефтеперерабатывающая промышленность
США и бывшего СССР. / В.М. Капустин, С.Г. Кукес, Р.Г. Бертолусини. – М.: Химия, 1995. – c. 98, 125.
33. Bleier J., Lenhard S., Von Statt J. Bitumenemulsionen und ihre
Teilchengrossenverteilung // Bitumen. – 1990. – № 1. – S. 9-18
34. Кремнев, Л.Я. О некоторых особенностях эмульгирования
структурированных жидкостей / Л.Я. Кремнев, Л.А. Бородина // ДАН
СССР. – 1960. – № 2. – с. 131 – 136.
35. Никишина, М.Ф. Дорожные эмульсии / М.Ф. Никишина, [и
др.]. – М.: Транспорт, 1964. – 172 с.
36. Эвентов, И.М. Способы эмульгирования битумов // Исследование битумных эмульсий для строительства автомобильных дорог
/ И.М. Эвентов. – Балашиха., 1970. – Вып. 40. – с. 117 – 128. – (Тр.
Союздорнии).
37. Бутт, Ю.М. Вяжущие вещества с поверхностно-активными
добавками / Ю.М. Бутт, Т.М. Беркович. – М.: Промстройиздат, 1953. –
247 с.
38. Маркова, Т.А. Применение эмульсий в дорожном деле /
Т.А. Маркова. – М. – Л.: Гострансиздат, 1936. – 110 с.
39. Соколов, Ю.В. Дорожные эмульсии: Учеб. пособие. –
Омск: СибАДИ, 1998. – 83с.
40. Eckmann B., Le Bec S., Verlhac P., Calderon F.L., Dicharry C.
Mesure et prediction de la distribution granulometrique des emulsions de
bitume // RGRA. – 2001. – № 794. – Р. 57-65.
65
ГЛАВА 4
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Одним из факторов стабилизации эмульсии является образование двойного электрического слоя вокруг каждой битумной частицы. Знак заряда поверхности эмульсионных капель определяется знаком заряда адсорбционного слоя. В растворе водной фазы молекулы
мыла (анионный эмульгатор) ионизируют: ионы Na+ (или К+), представляют катионы, адсорбируемые водой, а остальные молекулы –
ионы R – COO- - представляют анионы, адсорбируемые на капельках
битума. Анионактивные эмульгаторы заряжают битумные частицы
отрицательным зарядом.
При использовании катионных эмульгаторов липофильная
часть эмульгатора R поворачивается внутрь, группа NH
+
размещается
3
на границе битум / вода. Анионы Cl- остаются в воде. Исходя из слоя
+
NH
групп, которые сформировались по периферии, гранулы битума
3
заряжаются положительно. Это обеспечивает, с одной стороны, стабильность эмульсии посредством электростатического отталкивания
и, с другой стороны, хорошее сродство битумных капель по отношению к минеральным поверхностям, заряженным отрицательно (рис.
4.1). Эмульсионные частицы, стабилизированные неионогенными
эмульгаторами, в водной среде также заряжены отрицательно [1].
а
б
Рис. 4.1 – Эмульсионная капля: а) стабилизированная анионактивным
эмульгатором, имеет отрицательный заряд; б) стабилизированная ка-
тионактивным эмульгатором— положительный.
66
От стабилизирующих свойств эмульгаторов зависят важные
технологические свойства битумных эмульсий, такие, как дисперсность и однородность, устойчивость при хранении, устойчивость к
механическим воздействиям и, наконец, скорость выделения битума
на поверхности минеральных материалов – скорость распада. Важное
значение имеет также влияние эмульгатора на свойства битума, выделяющегося из эмульсии. Для битумных эмульсий на анионактивных
эмульгаторах типа мыл высших карбоновых кислот и на некоторых
неионогенных эмульгаторах характерно преобладание одномикронных капель.
Катионные эмульсии на жирных аминах и четвертичных аммониевых основаниях, как правило, полидисперсны. При оптимальном количестве эмульгатора максимум дисперсности обычно соответствует 3 − 6-микронным каплям [2].
Такие свойства, как стабильность при хранении, хорошее обволакивание каменного материала при перемешивании, обеспечение
адгезии, скорость застывания смеси являются функциями размера
частиц и их распределения в эмульсии по размеру. А это, в свою очередь, зависит от типа и качества битума, оборудования, используемого
для производства эмульсии, и химических веществ, используемых для
ее стабилизации. Более мелкие и монодисперсные частицы позволяют
оптимизировать вязкость, скорость распада и адгезию. Однако при
этом имеют место ограничение по содержанию битума в эмульсии и
влияние на скорость распада. Наилучшие результаты дает узкий диапазон распределения мелких частиц 1–5 микрон [3].
4.1. Влияние поверхностно–активных веществ – эмульгаторов на скорость распада битумных эмульсий
Применение эмульсий для дорожных работ основано на том,
что при разливе или при смешении с каменным материалом, происходит распад их, т. е. отделение эмульгированного битума от воды. При
этом вода частично испаряется, частично стекает на обочину или проникает в нижние слои дорожной одежды, а битум в виде тонкой пленки осаждается на каменном материале и прилипает к нему. Распад
эмульсии на минеральном материале вызывается комплексом причин:
67
адсорбцией поверхностно-активного вещества и электролитов, испарением воды, химическими реакциями, коагуляцией, капиллярностью
и прочее. Он наступает у различных эмульсий при прочих равных условиях через различные промежутки времени после обработки минерального материала. В зависимости от последнего обстоятельства их
разделяют на:
- быстрораспадающиеся;
- среднераспадающиеся;
- медленнораспадающиеся.
Первые применяются при поверхностной обработки и пропитки, а также для подгрунтовки; вторые − при смешении; третьи – и там,
где первые, и там, где вторые, в зависимости от потребности.
Битумные эмульсии, в которых эмульгаторами служат мыла
высших жирных кислот, относятся к категории быстро– и среднераспадающихся.
Омыленные синтетические жирные кислоты и их кубовые остатки: жировой гудрон, талловое масло, окисленный петролатум, α-
кислоты и другие продукты, содержащие высшие жирные кислоты,
используются для приготовления быстрораспадающихся битумных
эмульсий. Увеличивая концентрацию этих поверхностно–активных
веществ и щелочи в эмульсии, повышая вязкость битума, а также понижая температуру окружающей среды, скорость распада можно замедлить до средней и даже до медленной [4].
Однако эти способы не получили широкого распространения в
строительстве. Избыточное содержание эмульгатора и электролита
повышает гидрофильность битума и склонность его к набуханию.
Пленка вяжущего, выделившегося из такой эмульсии, долгое время
остается рыхлой и водопроницаемой. Аналогичное поведение характерно для эмульсий вязких дорожных битумов, если распад их происходит при пониженной температуре (обычно меньше +10°С). Применение анионных эмульсий в области дорожных работ практически не
существует в настоящее время.
Использование катионных эмульсий разнообразно, они применяются в самых разных технологиях. Из этого следует большое разнообразие формул. Попытаемся привести несколько типичных примеров, отвечающих требованиям наиболее представительных классов. В
наиболее распространенных областях применяются эмульсии с быстрым распадом. Здесь применяются битумные эмульсии и модифици-
68
рованные битумные эмульсии с полимерами, все варианты которых
используются в поверхностных слоях. Поверхностно–активные вещества, которые здесь применяются – это алкиламины, алкиламидоамины, азотосодержащие гетероциклы амидазолинового типа, одни или в
соединении. Эти молекулы должны быть в форме соли. Для этого используют органические кислоты разных типов – уксусную, муравьиную, молочную – но практически применяют соляную кислоту [5].
Битумные эмульсии, используемые при пропитке или для приготовления холодных асфальтобетонных смесей – без тонких гранулированных элементов, имеют средний распад [6].
4.2. Устойчивость эмульсии
Способность эмульсии, как определенной системы, сохранять
в течение более или менее продолжительного времени, под воздействием на нее разных факторов, свое неизменное состояние (равновесие)
без разделения на составные элементы, т.е. ее устойчивость, является
одним из важнейших свойств эмульсии.
Степень устойчивости эмульсии определяет не только возможность применения ее для дорожных работ вообще, но и для того
или иного вида или способа производства работ в частности.
В отношении дорожных эмульсий следует различать четыре
основных вида устойчивости. Первый – это устойчивость эмульсии
при длительном хранении [7]. Устойчивость характеризует способность эмульсии сохранять первоначальную однородность с отклонением в пределах установленных норм. Устойчивость к механическим
воздействиям свидетельствует о способности эмульсии сохранять однородность при перевозках, перекачивании насосами и разливе [8].
Второй вид устойчивости – это устойчивость при разного рода
механических воздействиях, как например толчки, встряхивание при
перевозке, при розливе гудронатором, при перемешивании с каменным материалом в специальных машинах.
Третий вид устойчивости – это устойчивость в мороз.
Четвертый вид устойчивости – это устойчивость при соприкосновении с каменным материалом.
69
Требования, предъявляемые к дорожным эмульсиям в отношении того или иного из перечисленных видов устойчивости, весьма
различны. Если в отношении первых трех видов устойчивости предъявляются максимальные требования, т.е. это максимальная устойчивость, то в отношении четвертого эти требования совершенно иного
порядка и правильнее было бы их сформулировать, как требования
определенной неустойчивости. Распад эмульсии может произойти не
только при применении ее, т.е. при соприкосновении с каменным материалом, но также в процессе хранения и транспортирования [7].
Свойства эмульсий в значительной степени зависят от эмулъгирующих и стабилизирующих свойств эмульгатора. Катионы типа
RМН+3 и анионы типа RСОО- тем лучше стабилизируют эмульсии,
чем длинней углеводородный радикал R. При увеличении длины углеводородного радикала эти ионы глубже погружаются в диспергированные частицы битума, что приводит к более прочному закреплению
их на поверхности и, как следствие этого, к большей стабильности
эмульсий [9].
При малых содержаниях эмульгатора эмульсии могут вовсе не
получаться или же получаются полидисперсные и неустойчивые. При
избытке нередко наблюдается желатинирование эмульсий и разрушение их при размешивании [8].
4.3. Типы эмульсий и общие требования к битумным
эмульсиям
В зависимости от характера поверхностно–активных веществ и
свойств эмульсий последние можно разделить на несколько типов:
– к первому типу относятся эмульсии, полученные с помощью
растворимых в воде эмульгаторов, они подразделяются на быстро и
медленно распадающиеся;
– ко второму типу относятся эмульсии, характеризующиеся
наличием в их составе твердого неорганического или органического эмульгатора, не растворимого в воде, и являются более стабильными [10].
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]