Битумные и дегтевые эмульсии

Снижение стоимости строительства дорог и экономия органических вяжущих материалов возможны при применении битумных и дегтевых эмульсий. Эмульсия представляет собой дисперсную систему, состоящую из дата практически нерастворимых друг в др}тс жидких фаз (рис. 8.19). Эмульсии можно получать двумл_сп особа ми — диспергированием и конденсацией. Диспергированием называют процесс механического дробления одной жидкости в другой. Для этих целей могут быть использованы различного типа установки: коллоидные мельницы, диспергаторы, ультразвуковые приборы и др. При кон­денсационном методе эмульсию получают путем перенасыщения гомогенного раствора двух жидкостей вследствие снижения их взаимной растворимости при добавлении к раствор} третьей жидкости или при переходе его в двухфазную температурную область при охлаждении до температуры ниже критической. Для придания эмульсиям агрегатной устойчивости при обычных и особенно высоких концентрациях дисперсной фазы используют специальные вещества, называемые эмульгаторами. Эмульгаторы -вещества, обладающие способностью придавать устойчивость эмульсиям, т. е. являющиеся их стабилизаторами. Действие эмульгаторов объясняется тем. что, сосредотачиваясь на поверхности раздела двух жидких фаз. образующих энгульсию, они препятствуют обратном}

слиянию (коалесценции) частиц, получающихся при диспергировании одной жидкости в другой. Происходит это потому, что молекулы эмульгаторов, состоящие из полярной и нсполярной частей, адсорбируясь на поверхности частиц вяжущего.

нсполярной частью обращены к битум}-, а полярной — к воде. Такая ориентация молекул уравнивает полярности вяжушето и воды и снижает поверхностное натяжение на границе их раздела. В этом случае частицы фазы приобретают положительные или отрицательные электрические заряды: при использовании анионо-активных эмульгаторов — отрицательный, а при катионоактнвных — положительный. Одноименно заряженные мельчайшие частицы вяжущего отталкиваются друг от друга и вследствие этого не слипаются между собой, что придаст эмульсиям устойчивость.

Имеются две группы эмульгаторов, используемых для приготовления эмульсий: 1) поверхностно-активные вещества Л2ДВ). растворимые в обеих фазах эмульсий (или в одной из них), сильно адсорбирующиеся на границе раздела и вследствие этого понижающие межфазнос поверхностное натяжение. Примером таких ПАВ могут служить соли одновалентных металлов высших карбоновых кислот, алкилсулъфонаты, алкиларилсудьфонаты, сульфитно-спиртовая барда, казеин, желатин, катиокные мыла, щелочные соли нафтеновых, сульфонафтеновых. смоляных органических кислот и др.: 2) твердые вые о коли спер сные минеральные порошки, частицы которых, избирательно смачиваемые по разным участкам своей поверхности обеими фазами эмульсии, прилипают к межфазной поверхности раздела и бронируют капли дисперсной фазы. В качестве твердых эм}^тльгаторов могут использоваться глины, окислы, карбонаты и сульфаты (СаСО;. АЬО₃. 5Ю_г. Ва$О.| и др.). цемент, сажа, сульфиды тяжелых металлов и др. Твердые эмульгаторы применяют в основном при изготовлении битумных паст и реже — дорожных эмульсий. Эмульсии на твердых эмульгаторах в своем составе содержат 50...60% битума или дегтя. ЗО...45% воды и 6... 12% твердого эмульгатора. Пасты перед употреблением по мере необходимости разбавляют водой до требуемой вязкости. Для повышения устойчивости эмульсий на твердых эмульгаторах к ним часто добавляют органические эмульгаторы, к которым относятся сульфитно-спиртовая барда, казеин, желатин, мыла и др. Для изготовления дорожных эм}-льсий чаше всего применяют водорастворимые эмульгаторы, к которым относятся анионные и катконные поверхностно-активные вещества. При использовании анионоактивкых" веществ получают щелочные (анионные) эмульсии, катионоактивкых — кислые (катионные). Анионные ЭМу-ЛЬШИ приготавливают с использованием в качестве эмульгаторов анионных ПАВ типа высших органических кислот и их солей. Для стабилизации дорожных эмульсий используют асидол, синтетические жирные кислоты, нефтяные сульфокислоты (контакт Петрова), окисленный пстролатум и др. Опти­мальное значение рН анионных эмульсий колеблется в пределах 9...12. Анионные дорожные эмульсии активно взаимодействуют с основными минеральными материалами, образуя на их поверхности водоустойчивую пленку. Кислые минеральные материалы проходят предварительную обработку активаторами с целью улучшения сцепления или же в битум перед эмульгированием вводят катионо-активные вещества.

По скорости распада эиудьевв подразделяются на три класса: БА — быстрораспадающиеся анионные: СА — срсднсраспадающие-ся анионные; МА ■ — мсдлсннораспадающисся анионные. По вязкости и содержанию в них битума эмульсии классов БА и МА в свою очередь подразделяются на марки: БА-1 и БА-2. МА-1 и МА-2.

Для пьиготовления эмульсий используют битумы нефтяные вязкие улучшенные (ГОСТ 22245—76) марок БНД 200/300.' БНД 130/200. БНД 90/130. БНД 60/90. БНД 40/60 или дегти марок Д-3 Д-4. Марку битума или дегтя назначают с учетом климатических условий района строительства и конструкций дорожной одежды. Могут также применяться жидкие битумы и дегти в случае использования Эмульсий для гидропоссва трав, укрепления барханных песков и т. д. В качестве эмульгаторов ГОСТ 18659—73 рекомендует продукты, содержащие анионные ПАВ — высшие органические кислоты (жирные, смоляные, нафтеновые, сульфонафтсновыс) или их щелочные соли (мыла): асидол марки А-2. асидол мылонафт и мылонафт 1-го и 2-го сортов, нефтяные сульфокислоты марки КПг. синтетические жирные кислоты С₂о, сосновую смол}- марки В (сухопе-регонную) и ЛР

Сульфатное мыло, талловое масло сырое марок А и Б. газогенераторная и топочная смола-мягчитсль древеснопирогенный марок А и Б. второй жировой гудрон, хлопковый гудрон (госсиполо-вая смола) должны соответствовать техническим условиям.

В качестве щелочных веществ применяют едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия. Эмульгатор и щелочное вещество выбирают в зависимости от требуемого класса эмульсии. Эмульгатор вводят в воду или битум, а щелочное вещество — в воду.

Анионные эмульсии, используемые в дорожном строительстве, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 18659—73 {табл. 8.10).

Катионные эмульсии получают с использованием в качестве эмульгаторов катионных ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов и их солей, а также четвертичных аммониевых солей.

Для стабилизации дорожных эмульсий наиболее часто применяют такие вещества, как битумная присадка БП-3. амины С17...С20. амилтримстиламмонийхлорид в др. У катионных эмульсий рН колеблется в пределах 2...6. Для приготовления дорожных эмульсий используются также талловое масло, жировой гудрон, стеарин, кар-боксиламин, катионоактивные препараты ХД-180. ХД-34 и др. По скорости распада при обработке минеральных материалов катионные эмульсии подразделяются на: быстрораспадаюшисся (БК) —до 5 мин. срсднераспадающисся (СК) —5... 10 мин и мед-леннораспадающисся (МК) —более 10 мин. Согласно ВСН 115—-75, катионные эмульсии должны удовлетворять следующим требованиям (табл. 8.11).

Для определения скорости распада этих эмульсий рекомендуется применять кварцевый порошок, массовая доля которого составляет: для БК менее 50%. для СК — 50...100 и МК более 100%. Устойчивость эмульсии при транспортировании должна быть не менее 2-ч.

Катионные эмульсии, используемые для обработки кислых и щебеночных материалов, подразделяются на два товарных типа: К-1 и К-2. Эмульсия К-1 содержит в своем составе 55...60% (по массе) битума БНД 130/200 или БНД 200/300. технической смеси алифатических аминов 1.6... 1,8%, соляной кислоты (концентрированной 36%-ной) —0.6...0,7 и воды до 100%, в эмульсии К-2 тех­нической смеси алифатических аминов содержится 0,8...0,9%.

♦Достоинство битумных эмульсин катионного типа как вяжущего материала в том. что они характеризуются прочным прилипанием к каменным материалам кислых пород: гранитов, кварца и др. Это обусловлено природой поверхностно-активных веществ и химико-минералогическим составом каменных материалов. Формирование связей между эмульгированным битумом катионных эмульсий и поверхностью частиц кислых минеральных материалов за счет химического взаимодействия происходит значительно интенсивнее, чем при использовании анионных. При этом связи намного прочнее. Минеральные материалы не нуждаются в дополнительной добавке к ним активаторов с целью улучшения сцепления вяж}тцего. Это значительно упрощает технологию пол}-чения битумоминеральных смесей и снижает их стоимость.

Несмотря на преимущества, катионные эмульсии используют реже, чем анионные. Это вызвано тем. что пока еще недостаточно выпускается качественных катионоактивных эмульгаторов.

В зависимости от содержания вяжущего, эмульгатора и требуемых свойств можно получить две разновидности дорожных эмульсий — обратного и прямого типа. Эмульсия обратного _тлга—дисперсная система, в которой дисперсно!! фазой являются мельчайшие капельки воды, а дисперсной средой — битум или деготь. Содержание битума или дегтя колеблется в пределах 70...80%. В качестве эмульгаторов обычно применяют каменноугольные технические фенолы или жидкие продукты каменноугольных смол, а также контакт Петрова керосиновый и твердые эмульгаторы. Эмульсии обратного типа используют для получения черного щебня и пористых щебеночных смесей.

Э.\гульсии прямого типа представляют дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является битум или деготь, а дисперсной средой — вода. Как правило, содержание битума или дегтя колеблется в пределах 40...60%. Эмульсии. содержащие более 60...70% битума или дегтя, называются высококонцентрированными. Эмульсии прямого типа в основном используются в дорожном строительстве.

Дорожные битумные и дегтевые эмульсии всех разновидностей готовят на специальных или битумных базах, а также на асфальтобетонных заводах, где они могут быть использованы для обработки каменных материалов. Технология приготовления эмульсия включает: 1) подготовку вяжущего материала: 2) подготовку водных растворов эмульгаторов: 3) диспергирование (измельчение) вяжущего и смешивание его с водными растворами эмульгаторов. Подготовка вяжущего заключается в разогреве его до рабочих температур, в результате чего битум или деготь обезвоживаются. Для очистки от механических примесей горячее вяж\щсе пропускают через металлические сита с отверстиями 2...3 мм. Температура нагрева битума зависит от его марки и может быть принята для БНД 130/200 1ОО...11О°С. БНД 200/300 — 9О...ЮО°С. Сланцевые битумы марок С-4 и С-5. а также дегти нагревают до 4О...Ю°С. При приготовлении высокококцентрированных эмульсий температура нагрев;! битума ниже примерно

на 30 °С. Некоторые разновидности эш'льгаторов вводят в битум, а не в воду. К таким эмульгаторам относятся госсиполовая смола, второй жировой гудрон, син-

Для приготовления водных растворов применяют питьевую воду, подогретую до

70...90 °С. Катионные эмульгаторы растворяют непосредственно в воде, а анионные — в водном растворе щелочи или концентрированном водном растворе, состоящем из эмульгатора, щелочи и мыла.

Качество эмульсии зависит не только от полноты физико-химического взаимодействия составляющих, но и от крупности частиц диспергированного битума или дегтя. Степень измельчения вяжущего должна быть такова, чтобы размеры частиц составил™ 0.001...0.003 мм.

Для приготовления дорожных эмульсий используют механический, гидродинамический и химический способы диспергирования.

Выбор технологии приготовления определяется видом энгульгатора и типом

Наиболее широко применяются механические способы приготовления эмульсий. Для этого используются различного типа дис-пергаторы: однороторный. трехступенчатый и многоцелевой (рис. 8.21). Эти установки применяют при полпенни прямых, обычи кон центр ированных эмульсий. Для изготовления обратных эмульсий и высококонцентрированных используют лопастные мешалки. Однороторные и трехступенчатые диспергаторы имеют диски, частота вращения которых составляет 3000 об/мин. Между дисками и корпусом предусмотрен регулируемый зазор (от 0.1 до 2 мм в однороторных и от 0,5 до 4 мм в трехступенчатых диспергато-рах). При вращении дисков поданные в зазор вяжущие материалы в смеси с водой и эмульгатором диспергируются и перемешиваются с ней. образуя эмульсии. Производительность трехступенчатого диспергатора выше, чем однороторного, И достигает 4,5 т/ч. В многощелевых диспергаторах конструкции В. В. Назарова измельчение сжатым воздухом, который под давлением подастся в трубы с отверстиями, на выходе из которых происходит смешивание составляющих. Производительность таких установок на 30...40 т в смену выше, чем у других видов диспергаторов. Высококонцентрированные эмульсии и эмульсии обратного типа с водорастворимыми эмульгаторами и пасты с твердыми эмульгаторами приготовляют в лопастных смесителях вместимостью 0,8...2 м³. Частота вращения вала с лопастями при перемешивании 60...80 об/мин.

Гидродинамический способ используется реже. В этом случае смесь воды, эмульгатора и битума пропускают с большой скоростью через сопло, перед которым установлен нож-вибратор. Под действием струи смеси возникают высокочастотные колебания ножа, которые способствуют измельчению вяжущего и смешиванию его с водой и эмульгаторам. Диспергирование битума происходит и при воздействии на смесь ультразвуковых колебаний. Метод прост по технологии и оборудованию, качество эмульсий достаточно высокое, но широкого применения пока не нашел из-за низкой производительности диспергаторов. Химический способ эмульгирования находит все большее применение. Диспергирование битума в этом случае осуществляется за счет химических реакций. В битумы вводят высокомолекулярные кислоты, которые при реакции с водными растворами щелочей образуют мыла. Для химического эмульгирования используют кубовые остатки жирных кислот, получаемые при окислении пара­фина, а для приготовления водных растворов—едкий натр. Состав эмульсий, получаемых химическим способом: битума 50...55%, СЖК — 2.5. едкого натра в воде 0.3. нежесткой воды 42...48% (по массе).

Устойчивость полученной дисперсной системы —эмульсии зависит от степени измельчения вяжущего, вида эмульгатора, температуры окружающего воздуха, а также от химических и физико-механических свойств обрабатываемых каменных материалов. При перемешивании эмульсии с каменными материалами за счет испарения воды и поглощения части ее материалом, а также адсорбции эмульгатора происходит распад эмульсии и объединение частиц битума с каменным материалом. Распад эмульсии наблюдается также и при ее хранении. Скорость распада эмульсий можно регулировать введением соотвстств}юших добавок: солей кальция, магния, сернокислого и хлорного железа, сульфатного щелока и др.

Основные свойства дорожных битумных и дегтевых эмульсий: вязкость, которая назначается в зависимости от способа обработки каменного материала и вида подучаемой продукции сЛ> = 5...20 с; стойкость к распаду при хранении и транспортировании, определяемая составом и однородностью структуры; скорость распада (в минутах) не должна превышать значения, указанные в ГОСТах и ТУ: склонность к реэмульгированию. т. е. повторному образованию эмульсии из выделившегося битума в присутствия эмульгатора и воды под действием колес проходящего транспорта, должна быть минимальной (она характерна для тех эмульсий, в которых имеется избыток эмульгатора).

По показателям перечисленных свойств судят о качестве битумных и дегтевых эмульсий. Дорожные эмульсии применяют для получения черного щебня, пористых, плотных щебеночных и гра-вийно-пссчаных материалов, используемых при устройстве конструктивных слоев дорожных одежд; устройства защитных слоев с шероховатой поверхностью; ухода за свежеуложенным цементобетоном и цементогрунтом; закрепления откосов земляного полотна и подвижных песков; подгрунтовки под асфальтобетонные слои: при ремонтных работах и как добавку при комплексном укреплении грунтов (например, цементом, известью и др.).