Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водобитумные эмульсии. Учебное пособие
.pdf
Как следует из табл. 4.5, ВСН 27–76 не рассматривают битумную пасту как самостоятельный дорожный материал класса битумных
эмульсий. В них не нормируется содержание битума в пасте, оно увязывается с составом смеси, куда паста входит как ее компонент.
Более ранний документ ВСН 25–63 составлен в форме требований к битумной эмульсии, но его требования менее конкретны и
более описательны.
Поскольку эмульсии на твердых эмульгаторах относятся к
медленнораспадающимся, то требования по скорости распада предъявлять к ним нецелесообразно, тем более, что механизм формирования паст отличается от механизма формирования других эмульсий.
4.4. Основы распада эмульсии
4.4.1 Взаимодействие эмульсий с каменным материалом
Сущность явлений, происходящих с момента введения эмульсии в дорожное покрытие, т.е. при соприкосновении ее с каменным
материалом и под влиянием взаимодействия с ним заключается в тех
изменениях, которые претерпевает как сама эмульсия, так и битум,
содержащийся в ней.
При соприкосновении с каменным материалом равновесие
системы «битум в воде» нарушается, что происходит через тот или
иной промежуток времени в зависимости от устойчивости системы, а
также различных внешних факторов и сопровождается освобождением от взаимной связи составляющих эмульсию элементов. Битум, заключенный в системе в виде мельчайших частиц, при распадении ее
осаждается на каменном материале, причем отдельные частицы битума, сливаясь друг с другом, образуют на поверхности каменного материала тонкую битумную пленку. В первый момент после образования
битумная пленка представляет собой губчатую массу, содержащую в
значительном количестве воду; сам битум не обладает почти никакой
связующей способностью, вследствие чего сцепление пленки с каменным материалом отсутствует.
С течением времени, по мере удаления содержащейся в пленке
воды, связующая способность битума восстанавливается, пленка ста-
81
новится плотной и прочно сцепляется с поверхностью каменного материала [17]. Когда пленка высыхает, первоначальный коричневый
цвет ее становится черным и она плотна пристает к поверхности. При
плохом качестве эмульсий окрашивание пленки в черный цвет после
распада эмульсии происходит медленно [11].
Что касается воды, то в большей своей части она удаляется из
покрытия путем испарения. Испарение, являющееся в частности одной из причин распада эмульсии, происходит как в течение процесса
распада, так и в дальнейшем по мере того, как освобождающаяся из
эмульсии вода выжимается на поверхность покрытия при уплотнении
его укаткой, а затем движением. В остальной своей части вода остается в покрытии, проникая в поры каменного материала, а также, стекая
вниз, просачивается в основание.
Явления, происходящие в дорожном покрытии с момента введения эмульсии или при соприкосновении ее с каменным материалом,
могут быть охарактеризованы следующим образом [17]:
1. Распад эмульсии и осаждение выделяющегося битума на по-
верхности частиц каменного материала.
2. Удаление выделяющейся из эмульсии воды.
3. Восстановление связующей способности битума и оконча-
тельное формирование пленки из связующего вещества на поверхности каменного материала по мере освобождения его от содержащейся
в нем воды.
При нанесении эмульсии на поверхность помимо пленкообразования весьма важное значение имеет процесс реэмульгирования.
Реэмульгирование вызывается эмульгатором, частично удаляющимся
вместе с водой, а в большей части остающимся в битумной пленке.
Для того чтобы оставшийся в пленке эмульгатор не проявлял своего
эмульгирующего действия под влиянием воды и других элементов,
содержащихся на покрываемой поверхности или в атмосфере, пленку
обрабатывают растворами солей, кислот и пр. В результате химических реакций эмульгатор теряет свою эмульгирующую способность и
действует как предохранительный коллоид, обеспечивающий устойчивость пленки [17].
Продолжительность всего процесса в целом, начиная с момента соприкосновения эмульсии с каменным материалом и до момента
образования на поверхности его плотной пленки битума, находится в
зависимости от многих факторов, главнейшими из которых являются
следующие:
82
– тип самой эмульсии, т.е. большая или меньшая способность
ее, как системы, сохранять свою устойчивость;
– порода каменного материала;
– внешние условия [18].
4.4.2. Причины вызывающие, распад эмульсии
Распад эмульсии может произойти не только при соприкосновении ее с каменным материалом, но также в процессе хранения и
транспортирования.
Причинами распада эмульсии в этих случаях могут явиться:
при хранении – атмосферное воздействие, внутренние реакции, возникающие в самой эмульсии, случайное попадание в эмульсию веществ,
вызывающих нарушение равновесия системы, качество эмульсии, ее
неспособность к продолжительному хранению и т.д.; при транспортировании – толчки, встряхивание и т.д.
Факторами, которые могут вызвать распад эмульсии при применении, являются [17]:
1. Испарение воды, содержащейся в эмульсии. Возможность
испарения воды, а также ее интенсивность находится в зависимости от
метеорологических условий, существующих при производстве работ.
В теплую, солнечную погоду, при достаточно высокой температуре и
небольшой влажности возможность и интенсивность испарения воды
значительно выше, чем при низкой температуре.
2. Поглощение воды из эмульсии порами каменного материала. Этот фактор может иметь место лишь при сухом каменном материале. Роль его в процессе распада незначительна при увлажненном
каменном материале.
3. Механическое воздействие. Это трение каменного материала, покрытого эмульсией, при укатке покрытия, при предварительном
смешении каменного материала с эмульсией. При разливе эмульсии
гудронатором под давлением, удар, получающийся в момент соприкосновении эмульсии с каменным материалом, может явиться причиной распада.
4. Воздействие каменного материала является одним из основных факторов распада эмульсии.
83
4.4.3 Распад битумных эмульсий на минеральных
материалах
Как было уже указано, в настоящее время наибольшее практическое применение находят битумные эмульсии, приготовленные с
использованием катионактивных эмульгаторов [3].
В дорожном строительстве заполнители классифицируют как
щелочные (имеют положительный заряд поверхности) или кислотные
(имеют отрицательный заряд поверхности) [19].
Предложена схема (4.1) и (4.2) разрушения катионной эмульсии на отрицательно заряженном минеральном материале [20]:
– Si – O – H → – Si – O¯ + H
+
(4.1)
– Si – O¯ + H+ + N+H3 – R + Cl¯ → – Si – O¯(NH3 – R)+ + Cl¯ + H¯ (4.2)
На поверхности отрицательно заряженного заполнителя образуются новые нерастворимые в воде комплексные соединения.
При рассмотрении разрушения катионной эмульсии на положительно заряженном заполнителе учитывается взаимодействие с водой, т.е. к свободным положительным валентностям Ca2+ присоеди-
няются ионы OH¯. Тогда состояние поверхности заполнителя в водной
фазе можно изобразить формулой (4.3) [21]:
[x CaCO
; y Ca (OH)2; z Ca2+]
3
2z+
(4.3)
Не все свободные положительные валентности Ca
2+
связаны с
гидроксильными группами, что обуславливает положительный заряд
частиц водной дисперсии заполнителя. На поверхности заполнителя адсорбируются катионы поверхностно–активного вещества –
эмульгатора, вытесняя при этом ионы Ca2+ в растворе, т.е. идет реакция по типу обменной адсорбции ионов (4.4):
[x CaCO3; y Ca (OH)
2
; z Ca
2+]2z+
→ [x CaCO3; y Ca (OH)2; (z–1) Ca2+]
+ 2RNH
2 (z-1)
+
3
, (RNH3)
→
2+
+ Ca2+ (4.4)
2
Образуется двойная соль, значительно менее прочная, чем
комплексное соединение на поверхности отрицательно заряженном
заполнителе.
84
Разрушение анионной эмульсии на отрицательно заряженном
заполнителе тоже имеет место, но этот процесс происходит по причине испарения водной фазы или вследствие поглощения водной фазы
пористыми заполнителями. При удалении воды из дисперсионной
среды происходит уменьшение объема системы для битумных капель,
что вызывает увеличение давления на капли. По достижении определенного уровня испарившейся воды отталкивающие силы между каплями уже не в состоянии их разделить и начинается коалесценция. В
ходе этого процесса некоторая часть водной фазы окажется внутри
битума и может образовывать капли воды, при этом возникшая обратная эмульсия по внешнему виду будет напоминать битум. “Уловленная” вода медленно испаряется и после того как она окончательно испарится, битум вновь приобретает первоначальные свойства. Этот
процесс занимает от двух часов при высокой температуре до нескольких дней при низкой температуре. Кроме того, при контакте с кислотным заполнителем на поверхности имеет место поглощение неорганических катионов эмульгатора (K+ или Na+). Эти катионы не придают
олефильных свойств поверхности, которой они поглощаются, и более
того не активизируют поверхность, поэтому результирующая адгезия
является слабой [22].
Таким образом, распад анионной эмульсии определяется набором физических взаимодействий, в то время как катионные эмульсии
претерпевают физико-химические преобразования и одновременно
модифицируют обрабатываемую поверхность.
В России битумные эмульсии являются относительно новым
видом вяжущего, и до середины 1990–х годов вязкие нефтяные дорожные битумы были чуть ли не единственным видом органического
вяжущего, используемого в дорожном строительстве.
В силу ряда причин битумные эмульсии не применялись в
должном объеме. Возрастающий в России интерес к эмульсиям несомненно приведет к воплощению наиболее перспективных исследований и становлению промышленности по производству и применению
битумных эмульсий.
85
Список литературы
1. Горнаев, А.А. Строительство и архитектура / А.А. Горнаев.
– Новосибирск: Наука, 1972. – 190 с.
2. Плотникова, И.А. Исследование отечественных катионных
ПАВ как эмульгаторов // Исследование и применение дорожных
эмульсий. / И.А. Плотникова. – М.: 1972. – Вып. 57. – с. 5 – 24. –
(Тр. Союздорнии).
3. Петухов, И.Н. Дорожные эмульсии. Т.1 / И.Н. Петухов. –
Минск.: ЕАДЭ, 1997. – 230 с.
4. Кучма, М.И. Оценка устойчивости дорожных битумных
эмульсий методом механической коагуляции / М.И. Кучма // Автодорожник Украины. – 1968. – № 1. – С. 29-32
5. Рвачев, Э.М. Применение катионных битумных эмульсий
для дорожного строительства слоев износа с шероховатой поверхностью: дис. … канд. техн. наук / Э. М. Рвачев. – М., 1981. – 270 с.
6. Кемалов, А.Ф. Влияние активирующих добавок на получение окисленных битумов / А. Ф. Кемалов // Химия и технология топлив и масел. – 2003. – №1-2. – С. 64-67
7. Коновалов, М.Г. Дорожные эмульсии их приготовление и
применение / М.Г. Коновалов, Г.М. Ильяшев. – М.: Изд. Гушосдора,
1938. – 278 с.
8. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико–
химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко,
А.А. Гуреев. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. – 192 с
9. Фролов, Ю.М. Зависимость дисперсности битумных эмульсий от добавок поверхностно-активных веществ // Автомобильные
дороги. / Ю.М. Фролов. – 1967. – № 2. – С. 14 – 15
10, Романов, С. И. Вопросы теории эмульгирования битумов
на твердых эмульгаторах и преимущества активированных битумных
паст // Вопросы строительства автомобильных дорог. / С. И. Романов.
– Алма-Ата, 1967. – С. 49 – 55. – (Казфилиал Союздорнии)
11, Коржуев, А.С. Дисперсные битумы. Их применение для
гидроизоляции и антикоррозионных покрытий / А.С. Коржуев. – М.:
Госгеолиздат, 1951. – 212с.
12.
ГОСТ Р 52128-2003. Эмульсии битумные дорожные пря-
мые. Технические условия / Союздорнии, Росдорнии: Введ.
01.10.2003: Взамен ГОСТ 18659-81. – М.: ИПК Изд-во стандартов,
2003. – 18 с.
86
13. Технические указания по приготовлению эмульсий и уст-
ройству черных гравийных и щебеночных покрытий с их применением: ВСН 25–63 / Минавтошосдор РСФСР. – М.: Транспорт, 1964. –
157 с.
14. Лысихина, А.И. Дорожные покрытия и основания с приме-
нением битумов и дегтей. – М.: Науч.-техн. изд-во Минавтошосдора
РСФСР, 1962. – 360 с.
15. ТУ 218-3443222-01-89. Эмульсия обратная битумосланцевая вязкая для приготовления черного щебня. Технические условия /
Минавтодор РСФСР, Мурманский ЦСМ. – 1989. – 5 с.
16. Технические указания по применению битумных шламов для устройства защитных слоев на автомобильных дорогах: ВСН
27–76 / Минавтодор РСФСР. – М.: Транспорт, 1977. – 80 с.
17. Коновалов, М.Г. Дорожные эмульсии, их приготовление и
применение / М.Г. Коновалов, Г.М. Ильяшев. – М.: Изд. Гушосдора,
1938. – 278 с.
18. Кучма, М.И. О распаде катионных битумных эмульсий на
минеральных материалах различной природы // Строительство и эксплуатация дорог и мостов. / М.И. Кучма. – Киев: Будивельник, 1975. –
С. 50 – 57.
19. Печеный, Б.Г. Долговечность битумов и битумно–минеральных покрытий / Б.Г. Печеный. – М.: Стройиздат, 1981. – 123 с.
20. Технические поверхностно–активные вещества из вторичных ресурсов в дорожном строительстве / И. В. Королев [и др.]. – М.:
Транспорт, 1991. – 125 с.
21. Плотников, И.А. Улучшение качества и совершенствование
технологии применения битумных эмульсий. Сборник статей / И.А.
Плотников – М.: Союздорнии, 1974. – 96 с.
22. Плотников, И.А. Исследование и применение дорожных
эмульсий. Сборник статей / И.А. Плотников. – М.: Союздорнии, 1972.
– 162 с.
87
ГЛАВА 5
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
5.1. Множественные эмульсии
Более 15 лет в фармацевтической, пищевой и косметологической промышленности используются так называемые множественные
эмульсии, близкие по структуре к обратным эмульсиям.
Такие эмульсии могут получать дорожники в процессе приготовления обратной или высококонцентрированной битумной эмульсии при нарушениях технологических режимов или дозировок, а также в случае использования для приготовления эмульсий «соленого»
битума, т.е. битума, который был получен из нефти с применением
процесса высаливания, с нарушением технологических режимов. Возможно попадание в битумное хранилище солей в результате неправильного хранения реагентов для зимнего содержания дорог вблизи
хранилищ. Образование таких эмульсий особенно характерно для вязких битумов.
В общем, дорожники России знакомы с множественной эмульсией, но только как с «браком» производства, причем они даже не подозревают, что эта эмульсия могла бы решить многие их проблемы.
Множественная эмульсия – это эмульсия, где дисперсная фаза сама является эмульсией, содержащей капельки другой фазы.
Множественная эмульсия более вязкая и подвижная, чем
обычная, но при нанесении не стекает. Такие эмульсии очень экономичны, даже если не увеличивать содержание дисперсной фазы.
Множественные эмульсии широко применяются в косметической и фармацевтической областях промышленности. Но и дорожники
уже обратили внимание на этот материал. На 3–м Международном
конгрессе по эмульсиям в 2002 г. в г. Лионе представители фирм
C. Dior и Colas обменялись опытом и договорились о взаимном сотрудничестве [1].
Рассмотрим, что же привлекло внимание технологов в этом
материале.
Множественные эмульсии, прежде всего, «одновременно материал и средство его доставки в нужное и труднодоступное место».
88
При этом сама эмульсия может быть одного типа, например,
прямая, а следует обработать какой-то небольшой участок поверхности эмульсией другого типа, например, обратной. При наличии соответствующим образом подобранной множественной эмульсии можно
совместить обработку участка двумя эмульсиями – прямой и обратной. Приготовленная эмульсия уже будет содержать в себе все необходимые активные компоненты, системы типа мембран и системы
доставки их в нужное место. Искусством проектирования состава
множественных эмульсий, технологии их приготовления и применения готовы поделиться фармацевтические и косметологические фирмы.
Новое в производстве этой эмульсии связано, главным образом
с выбором компонентов – полимерных поверхностно–активных веществ, которые способствуют большей ее устойчивости, лучшему
взаимодействию с поверхностью контакта, возможности выбора таких
комбинаций состава, которые будут иметь невысокие значения сдвигающих напряжений в зоне контакта с поверхностью [2].
Кроме того, разработана методика проектирования состава
множественных эмульсий и учета влияния характеристик материала,
на который будет наноситься эмульсия, а также ее устойчивости к
экстремальным воздействиям.
В итоге получается материал, «приспосабливающийся» к фактуре и текстуре нижележащего слоя, что очень интересует дорожников.
По мнению специалистов фирмы C.Dior, существуют, по
меньшей мере, две причины для того, чтобы взяться за разработку таких эмульсий. Это, во-первых, возможность не вводить в состав
эмульсии лишнюю воду, чтобы затем ее удалять. При добавлении
только необходимого количества воды концентрацию битума можно
увеличить, что приведет к повышению вязкости эмульсии. Во-вторых,
для достижения такого результата достаточно всего лишь поменять
тип эмульсии, высвободив его из уже приготовленной эмульсии с помощью соответствующих технологических приемов. Это позволит
гибко приспосабливаться к меняющемуся качеству сырья разного
происхождения, получая в итоге конечный продукт со стабильными
характеристиками [3].
Еще одно преимущество множественных эмульсий, особенно с
точки зрения дорожников, – это то, что, являясь легкоподвижными,
они, тем не менее, не будут стекать при укладке с поверхностей,
89
имеющих значительный уклон. К тому же эти эмульсии обладают и
увлажняющим эффектом.
На рис. 5.1 показана множественная катионная эмульсия на
вязком битуме под электронным микроскопом [1]. Эта эмульсия была
приготовлена фирмой С. Dior для дорожной фирмы Colas.
Рис. 5.1. Множественная битумная эмульсия под электронным
микроскопом (увеличение в 15 тыс. раз)
а – прямая эмульсия в обратной; б – обратная эмульсия в прямой
Косметологи комбинируют в своей продукции более 15 компонентов, а дорожники – обычно не более 5–6. Однако в обоих случаях требования к получению высоких характеристик конечного продукта и последовательность операций по их получению идентична:
– проектирование состава эмульсии;
– разработка и исследование распределения эмульсии по по-
верхности;
– исследование формирования эмульсии;
–
изучение совместной работы слоев эмульсии и основания, на
которое она наносится.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]