Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические и технологические основы производства и применения дорожно-строительных материалов.pdf
51
активные компоненты представлены высшими кислотами поэтому несут отрицательный заряд. В результате этого они хорошо
прилипают к осадочным породам и плохо – к кислым.
В зависимости от компонентного состава и свойств В. С.
Колбановская выделила три характерных типа структур битумов:
1 группа: количество асфальтенов А > 25 %, смол С < 24 %,
углеводородов У > 50 % при этом А/ (У+С) > 0,35;
2 группа: А < 18 %; С > 36 %; У < 48 %; А/(У+С) < 0,27;
3 группа: А= 21…23 %; С = 30…34 %; У = 45…49 %;
А/(У+С) = 0,25… 0,30.
В физико-химическом отношении битумы могут быть отнесены к дисперсным системам, состоящим из смеси различных индивидуальных соединений – асфальтенов и мальтеновой
части.
Асфальтены – при обычных температурах твердые тела, одна
часть которых аморфна, а другая имеет несовершенную кристаллическую структуру.
В асфальтеновой части сосредоточены свободные радикалы,
и она определяет физико-химическую активность битума.
Мальтеновая часть состоит из смол и масел. Смолы растворимы в маслах и сами являются растворителями асфальтенов.
Под влиянием окислителей и адсорбентов смолы переходят в асфальтены. Смолы – это конденсированные циклические системы,
состоящие из ароматических, циклопарафиновых и гетероциклических соединений.
К физико-химическим свойствам битумов относятся:
1) адгезия (активность или прочность сцепления с поверхно-
стью подкладки, в том числе каменных материалов). Она обеспечивается за счет наличия в составе битума свободных радикалов
52
и поверхностно-активных составляющих и снижения поверхностного натяжения на разделах фаз;
2) когезия, характеризующая силу внутреннего сцепления
между молекулами вяжущего и его клеящую способность. При
+20 0С у вязких битумов когезия равна 0,15…0,40 МПа;
3) поверхностное натяжение, представляющее собой количе-
ство свободной поверхностной энергии битума. Его значение для
различных битумов при +25 0С составляет 28,0…35,0 МДж/м2;
4) старение – изменение физических и других свойств битума под действием внешних воздействий – температуры, расслоения в результате избирательной абсорбции подкладки, окисления,
радиации и т.д.
Длительный нагрев и нагрев при высоких температурах вызывают ускорение старения битума. Причем битумы, окисленные при более высоких температурах, менее устойчивы к процессам старения. Битумы на поверхности пористых каменных
материалов стареют быстрее, чем на поверхности плотных материалов.
Пути улучшения свойств битумов: добавление поверхностно-активных, пластифицирующих и модифицирующих и компо-
зиционных добавок, обработка ультразвуком и т.д.
В частности, добавка в битумы полимеров поливинилхлорида, полистирола, каучуков и резиновой крошки улучшает их эластичность, растяжимость при низких температурах, сопротивляемость к динамическим нагрузкам [20].
Перспективным направлением является метод введения в битумы добавок ПАВ, олигомеров, серы, компаундирования с другими органическими компонентами и т.д. Ассортимент добавок
очень широк, они могут вводиться в различных сочетаниях в за-
53
висимости от необходимых требований, предъявляемых к вяжущему.
5.1.2. Каменноугольные дегти и комплексные вяжущие
В них содержатся аналогичные группы углеводородов, но в
несколько иных соотношениях, чем в битумах. Смол и асфальтенов у них меньше. Свободного углерода содержится в количестве
2,0…25 %, нафталина – до 7 % и фенолов – до 5 %.
Дегти имеют меньший интервал пластичности, меньшую теплоемкость и большую склонность к старению. Однако они лучше
прилипают к поверхности каменных материалов. Учитывая это и
относительно большое содержание фенолов, их используют
только в загородных дорогах.
Для верхних слоев покрытий рекомендуется использовать
окисленные дегти. Материалы на основе дегтя устойчивы к воздействию нефтяных горючих и масел. Вследствие этого они могут использоваться на автостоянках, автозаправочных станциях и
т.д. Основные направления улучшения свойств дегтей:
1) Повышение вязкости путем окисления дегтей и введением
пека.
2) Эффективны способы повышения вязкости и теплоустойчивости – реакции с серой при температуре 180…200 0С, введение серного шлама и т.д.
3) Использование дегтей в составе дегтебитумных вяжущих,
структурирование каменноугольных вяжущих лиофильными или
активными дисперсными наполнителями, модификация дегтей
также способствует повышению их эксплуатационных качеств.
Комплексными органическими вяжущими являются состав-
ленные из не менее чем двух составляющих. К ним относят битумы дегтевые, дегтебитумные, сернобитумные, пекобитумные,
54
резинобитумные и т.д. вяжущие. Часто они изготавливаются с
использованием вторичного сырья или побочных продуктов и
отходов промышленности.
5.1.3. Дорожные эмульсии
Дорожной эмульсией называется дисперсная система, состо-
ящая из дисперсионной среды (воды) и тонко измельченной дисперсной фазы (битума) в присутствии эмульгатора [14].
По виду дисперсной фазы дорожные эмульсии бывают пря-
мыми («масло в воде» – М/В) и обратными («вода в масле» –
В/М). По виду эмульгированного вяжущего вещества различают
битумные и дегтевые эмульсии. По содержанию вяжущего в них
делятся на высококонцентрированные (свыше 60 %), концентри-
рованные (40…60 %) и низкоконцентрированные (менее 40 %).
В зависимости от характера иона, образуемого активной гидрофильной группой молекулы, бывают ионогенными и неионоген-
ными, а ионогенные – катионоактивными (с кислой средой:
ЭБК – 1, ЭБК – 2, ЭБК – 3) и аноноактивными (с щелочной средой: ЭБА – 1, ЭБА – 2, ЭБА – 3).
По скорости распада после обработки поверхности каменного
материала эмульсии бывают быстрораспадающиеся (время распада 10…30 мин.), среднераспадающиеся (скорость распада
30…60 мин.), медленнораспадающиеся (время распада более 1 ч).
Основными свойствами эмульсии являются: тип эмульсии;
концентрация вяжущего; скорость распада; вязкость; однородность; устойчивость при хранении.
На дорожных работах эмульсии применяются, как и другие
органические вещества. При соприкосновении с поверхностью
каменных материалов эмульсия распадается, образует тонкую
пленку вяжущего вещества. Скорость распада на различных поверхностях разная. Лучшая адгезия наблюдается при обработке
55
каменных материалов из основных и карбонатных пород. Приготовленные эмульсии можно хранить несколько месяцев.
Использование эмульсии вместо битумов позволяет:
1) произвести работы в сырую погоду при температурах воз-
духа до +10 0С, что удлиняет строительный сезон;
2) снизить расход вяжущего на 25…30 %;
3) повысить скорость перемешивания эмульсии с минераль-
ными материалами;
4) обрабатывать сырые поверхности без ухудшения качества
сцепления;
5) использовать эмульсии в холодном состоянии и приготов-
лять при меньших температурах, что позволяет говорить о меньшей энергоемкости использования эмульсии, по сравнению с вязкими битумами.
К недостаткам дорожных эмульсий можно отнести следу-
ющие:
1) обработанные эмульсией поверхности нельзя заморажи-
вать и увлажнять до окончания их распада;
2) процессы их производства, хранения, транспортировки и
применения требуют высокой культуры производства.
5.1.4. Неорганические (минеральные) вяжущие вещества
Минеральными вяжущими называют порошкообразные вещества, которые после смешивания водой образуют способный
постепенно затвердевать тестообразный материал [2]. Они, в зависимости от условий твердения, бывают воздушными и гидравлическими.
Воздушные после затворения водой способны твердеть только
на воздухе (к ним относятся: известь воздушно-гидравлическая,
гипс, магнезиальные вяжущие вещества, растворимое стекло).
56
Гидравлические вяжущие вещества после затворения водой
способны твердеть как на воздухе, так и во влажных условиях
(это портландцементы, шлаковые, пуццоллановые и глиноземистые цементы). Каждый из этих цементов имеет свои классификации, особенности и области применения.
В качестве примера рассмотрим портландцементы. Они состоят из следующих минералов:
- алита (3CaO.SiO2) или С3S – 45…60 % с примесями MgO и
соединений железа;
- белита, содержащего β форму 2CaO.SiO2 c примесью
3CaO.Al2O3 или C2S – 20…30 %;
- алюмоферрита четырехкальцевого цемента 4CaO. Al2O3.
Fe2O3 или C4AF – 10…20 %;
- алюмината (3CaO.Al2O3) или C3A < 5 % (5…15 %).
Присутствуют в небольших количествах и другие компоненты. От их соотношения и дисперсности порошка зависят важнейшие эксплуатационные свойства вяжущих.
5.2. Физико-химические и технологические аспекты
производства и применения вяжущих веществ
в дорожном строительстве
Нефтяные битумы можно получить следующими методами
[2, 13, 17, 20, 50]:
1) концентрированием нефтяных остатков путем атмосферно-
вакуумной перегонки сырой нефти с получением остатка (гудрона);
2) методом окисления гудрона;
3) методом смешения (компаундирования).
В настоящее время в нашей стране наиболее распространенным методом является производство битума окислением нефтя-
ных гудронов, когда происходит качественное и количественное
57
изменение их составов. При этом кислород воздуха реагирует с
водородом сырья, образуя воду.
Битум производят в нефтеперерабатывающих заводах и локальных установках (например в Т-306, СИ-204) дорожных организаций. Последнее не гарантирует получения качественного битума в соответствии с ГОСТ 22245-90. Технологически это осуществляется в трубчатых змеевиках колонного типа компрессорным или бескомпрессорным способами при температурах
200…240 0С в течение 4…60 часов. Установки могут работать в
циклическом и непрерывном режимах.
Для ускорения процесса окисления часто используются катализаторы: хлорид цинка, меди, железа, серная кислота и ряд
других.
На установках колонного типа лучшей теплоустойчивость
обладают битумы, полученные окислением при температуре
230…240 0С. При больших температурах у битумов получается
меньший интервал пластичности (теплоустойчивости). Добавление к сырью 20 % окисленного битума ускоряет процесс окисления на 30…40 % и улучшает интервал пластичности.
Скорость окисления сырья сказывается на качестве битума:
чем она больше, тем выше качество битума. Для ускорения процесса окисления необходимо увеличить скорость вращения вала
диспергатора (до 1500 об/мин). Следует обеспечить распыление
воздуха в сырье и провести активацию сырья акустическим и
ультразвуковым воздействием. С этой же целью вводят и катализаторы окисления.
Эффективным технологическим приемом является компаун-
дирование вязкого битума менее вязкими осадочными продукта-
ми, а также использование вспененных битумов. В последнем
случае количество воды для вспенивания должно составлять не
более 1,5…2,5 % от массы вяжущего.
58
Улучшение свойств дегтей, как было сказано выше, может быть
осуществлено различными способами. Для примера рассмотрим
трехстадийную паровоздушную технологию окисления дегтей, разработанную в 1982 г. в Белгородском технологическом институте.
Технологический процесс приготовления дорожных битумных эмульсий с переработкой жирового сырья на эмульгатор механическим эмульгированием состоит из следующих операций:
1) хранение компонентов – битума, щелочи и кислоты, жиро-
вого сырья на складах (емкостях)
2) подготовка компонентов с доведением до рабочего состоя-
ния и их подача в дозаторы;
3) дозирование и подача компонентов в диспергаторы (эмуль-
гаторы);
4) приготовление битумной эмульсии;
5) слив и подача готовой эмульсии в склад или в транспорт
потребителя.
Схема приготовления катионных битумных эмульсий представлена на рис. 5.1.
59
Временное
хранение
эмульгатора
Временное
воды
Временное
кислоты
Временное
битума
Водоумягчительная уста-
новка
Обезвожи-
нагрев би-
Приготовление водной
смеси и эмульгатора
Подогрев раствора
эмульгатора
Приготовление эмульсии
Временное хранение эмульсии или ее отпуск
потребителю
хранение
хранение
хранение
вание и
Рис. 5.1. Схема технологии производства битумных катионных эмульсий
Качество эмульсии во многом зависит от точности выдерживания параметров, температурного режима, дозирования компонентов, а также обеспечения нормальных условий (без расслоения) хранения, транспортирования и распада на поверхностях
каменных материалов. Лучшие результаты получаются при выдерживании верхних границ (допустимых пределов) температур
вяжущего.
В целом (в физико-химическом аспекте) технологические
приемы улучшения производства и применения органических
вяжущих веществ сводятся к улучшению условий смачиваемости
ими поверхности каменных материалов, повышению площади их
контакта, долговечности и устойчивости образующихся пленок
вяжущего в эксплуатационных условиях.
Химическое эмульгирование происходит самопроизвольно в
газожидкостном режиме [20, 29, 34, 35]. Оно предусматривает
60
выполнение трех технологических приемов: приготовление водного раствора электролита (кислот или щелочей); введение в битум высокомолекулярного компонента эмульгатора (жирного
амина или жирной кислоты); эмульгирование. Эмульгирование
осуществляется барботажным способом. При этом затраты механической энергии уменьшаются в 10 раз, тепловой энергии – в
1,5…2 раза. Данным методом с использованием высших жирных
кислот и жирных аминов приготавливают быстрораспадающиеся
эмульсии или, применяя в качестве эмульгатора неионогенные
ПАВ, медленнораспадающиеся битумные эмульсии.
Амиды жирных кислот, представляющие собой соединения
RCOONH2, при химическом эмульгировании реагируют со щелочью по следующей схеме:
CnH
*CONH2 + NaOH = CnH
2n+1
CONHNa + H2O.
2n+1
Эмульсии на амидах получаются с повышенной адгезионной
способностью поверхности минеральных материалов. В то же
время химическое эмульгирование не должно вытеснять механи-
ческие способы. Например, при использовании в качестве эмульгатора ПАВ в солевой форме (например, сульфитно-спиртовая
барда и т.д.) механическое эмульгирование является единственно
возможным способом. Гидравлическое вяжущее, в частности
портландцемент, как известно, получается тонким помолом цементного клинкера (до 1500…3000 см2/г), минеральных добавок
и природного гипса в количестве 1,5…3,5 % в пересчете SO3 [1, 2,
10, 23].
В процессе измельчения материала, по результатам исследо-
ваниий Н. Б. Урьева и др., накапливается значительное количество свободной поверхностной энергии, которая после затворения водой затрачивается в процессе гидратации на формирование цементного камня.