Битумная эмульсия

Битумная
эмульсия
Технический бюллетень
Введение
Битум применяется в качестве вяжущего в дорожном
строительстве и в защитных покрытиях и клеящих
веществах в строительной индустрии. В наиболее
распространенных технологиях битум нагревается
до 100-200°С, пока он не станет достаточно жидким
для перемешивания с каменным материалом.
Перемешанные в горячем виде материалы должны
сохраняться, транспортироваться и применяться
в горячем состоянии для поддержания их
удобоукладываемости.
Дорожное покрытие набирает окончательную прочность по мере охлаждения
смеси. В качестве альтернативы, битум
разбавляется нефтяными растворителями,
например, керосином, пока он не станет
жидким, и окончательная прочность материала достигается только, когда испарится
растворитель.
Битумные эмульсии обеспечивают альтернативный подход, при котором битум разжижается путем диспергирования в воде.
Эмульсии могут использоваться с холодными и мокрыми каменными материалами;
набор окончательной прочности дорожного
материала происходит, когда эмульсии распадаются – возвращаются в непрерывную
битумную фазу - и вода исчезает.
Во многих случаях применения в дорожном
строительстве эмульсии обеспечивают
более безопасную и более экологичную
систему, чем горячий битум, поскольку
устраняется вероятность пожара, ожогов
и вредных выбросов, и снижается расход
энергии. В данном буклете описывается
как теория, так и практические аспекты
битумных эмульсий.
3
Что такое эмульсия?
Эмульсия – это дисперсия мелких капель одной жидкости в другой.
Типичное распределение капель
битумной эмульсии по размеру.
мкм
0
0,1
0,2
0,4
1
2
Эмульсии типа «масло в воде» (М/В)
– это те, в которых непрерывной
фазой является вода, а дисперсной
(капельной) фазой – нерастворимая
в воде «маслянистая» жидкость.
Эмульсии типа «вода в масле» (В/М) –
это те, в которых непрерывной фазой
является масло, а дисперсной фазой
– вода. Эмульсии В/М иногда называют
«обращенными эмульсиями». Могут
образовываться многофазные
эмульсии, в которых сами
диспергированные капли содержат
более мелкие капли третьей фазы,
обычно той же самой жидкости, что и
непрерывная фаза.
4
6
10
20
40
100
200
Масло и вода при перемешивании могут
образовать эмульсию, но она быстро разделится, когда перемешивание прекратится.
Устойчивые эмульсии содержат третий компонент, эмульгатор, который предотвращает
или замедляет расслоение фаз.
Обычно применяются битумные эмульсии
масло в воде, хотя обращенные эмульсии на
основе разжиженных битумов также находят специальные применения. Имеются данные о том, что битум может образовывать
многофазные эмульсии В/М/В. Эмульсии,
содержащие 40-80% битума, представляют
собой коричневые жидкости с консистенцией в диапазоне от консистенции молока до
консистенции густых сливок. Капли обычно
имеют диаметр 1-20мкм.
Эмульсия типа «масло в воде»
Эмульсия типа «вода в масле»
Многофазная эмульсия
В установке периодического действия
непосредственно производство эмульсии включает только несколько потоков
материалов, что позволяет осуществлять
управление процессом вручную. Однако
надлежащее дозирование различных компонентов является решающим для обеспечения качества эмульсии, и автоматическое
или полуавтоматическое управление сделает производство более эффективным и
позволит уменьшить ошибку оператора.
Кроме того, используемые химикаты могут
быть опасными и коррозионными; это означает, что закрытые дозирующие системы, а
не открытые емкости и переносные насосы,
являются предпочтительными для обеспечения безопасности работы и экологических требований.
В непрерывном процессе нагревание воды
и дозировка всех материалов выполняется
непрерывно с помощью отдельных дозирующих насосов для каждого материала.
га
то
р
за
Э
му
сл
Ки
ль
от
а
ли
би
та
С
Битум
Эмульсия
Вода
Коллоидная мельница
га
а
ль
от
му
Эмульсия
Э
Растворитель
сл
Битум
Ки
би
ли
за
то
р
то
р
Эмульсионная установка
непрерывного действия
та
Битумная эмульсия может производиться
в установке периодического или непрерывного действия. Периодический процесс
включает не менее двух этапов – приготовление водной фазы (мыльного раствора)
и фактическое производство эмульсии.
Водная фаза приготавливается в расходом
баке, в который дозируется нагретая вода,
эмульгатор и другие химикаты для эмульсии, и этот раствор тщательно перемешивается. В процессе производства эмульсии
битум и подготовленная водная фаза дозируются в коллоидную мельницу. Если в
битум необходимо добавить растворитель,
то для битума также требуется дозаторная
емкость, или растворитель может быть
дозирован поточным способом.
Эмульсионная установка периодического
действия
С
Битумные эмульсии обычно приготавливаются с использованием коллоидной мельницы, хотя возможно
применение и других диспергирующих
устройств. В коллоидной мельнице
энергия прилагается к системе путем
пропускания смеси из горячего битума
и водной фазы между вращающимся
диском, конусом или маховиком и
статором. Ротор, также как и статор,
может иметь пазы или зубья для
создания турбулентного потока.
то
р
Приготовление
битумных эмульсий
Вода
Коллоидная
мельница
Дозировочные емкости не используются.
Вместо этого, система водной фазы должна
быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить достаточное время реакции
для химикатов с тем, чтобы надлежащая
нейтрализация и растворение произошли
до того, как водная фаза соединится с битумом. Этот процесс должен управляться
автоматически с использованием расходомеров для дозирования всех материалов,
за исключением кислоты, контроль которой должен осуществляться на основе pH
в водной фазе.
Контактная
емкость
Нагреватель
Возможно применение различных специальных добавок, таких как латекс, блоксополимер стирола и бутадиена (СБС) или
добавка к битуму, и тогда потребуются
специальные компоненты и технические
решения. Например, латекс является чувс-
твительным к сдвигу и может коагулировать в насосах и трубопроводах. При
использовании битума, модифицированного СБС, обычно необходимо приготавливать эмульсию при температуре выше
температуры кипения воды, для чего
требуется производство под давлением
и охлаждение прежде, чем отправить
материал в емкость для хранения при
атмосферном давлении.
5
Процесс эмульгирования
Эмульгирование означает распад
битума на капли. Этому процессу
препятствует внутренняя когезия и
вязкость битума, а также поверхностное натяжение, которое оказывает
сопротивление созданию новой
поверхности раздела.
Капли также имеют тенденцию к коалесценции (повторному объединению).
Для достижения малого размера частиц
в эмульсии необходимо не только надлежащим образом приложить механическую
энергию для создания мелких капель, но
также предотвратить их коалесценцию
после образования.
Размер частиц получаемой эмульсии может
зависеть от конструкции головки мельницы,
скорости ротора мельницы, зазора между
ротором и статором, времени выдержки в
мельнице, концентрации и типа эмульгатора
и температуры эмульгирования.
Обычно для приготовления эмульсии используется наиболее высокая практически
возможная температура для того, чтобы
понизить вязкость битума. Битум нагре-
вается до 110-160°С до тех пор, пока не
будет достигнута вязкость 500 сантистокс
или ниже для подачи насосом в мельницу.
Водная фаза также нагревается до 3070°С для растворения эмульгаторов и
для достижения требуемой температуры
эмульгирования после перемешивания с
битумом в коллоидных мельницах, в которых не имеется повышенного давления;
эта температура ограничена 100°С, но в
современном оборудовании, давление в
котором превышает атмосферное, она
может достигать 120°С или выше. Для
обеспечения хорошего качества эмульсии
битумная фаза должна иметь вязкость
ниже 10000стс при температуре эмульгирования, что означает, что системы, в которых давление превышает атмосферное,
являются предпочтительными для твердых
битумов или битумов, значительно модифицированных полимером.
Функция эмульгатора
В эмульсии площадь поверхности
раздела между жидкими фазами
значительно увеличивается. Один
литр битумной эмульсии может иметь
площадь поверхности раздела 5000м 2 .
Для создания такой поверхности раздела требуется энергия, но эта энергия может быть уменьшена посредством адсорбции эмульгаторов. Выбор
эмульгатора и концентрация эмульгатора влияют на размер частиц.
Когда капли образовались, они должны
быть стабилизированы во избежание
коалесценции, которая может произойти
только, когда капли находятся очень
близко друг от друга и деформируются.
Эмульгатор, адсорбированный на поверхности капель, обеспечивает барьер
электрического и пространственного
отталкивания, что способствует предотвращению тесного сближения. Даже если
этот энергетический барьер преодолен и
капли выпадают хлопьями (флоккулируют), пленка эмульгатора на поверхности
все еще предотвращает коалесценцию.
Эффекты поверхностного натяжения,
возникающие вследствие присутствия
эмульгатора, означают, что должен быть
преодолен энергетический барьер для
того, чтобы сферические капли деформировались и объединились.
Устойчивая эмульсия
Заряд на каплях предотвращает тесное
сближение.
Флоккуляция
Тесное сближение капель приводит к
адгезии между ними.
Коалесценция
Флоккуляция и коалесценция могут быть
результатом оседания, сдвига и кипения
или замерзания эмульсии. Это может
быть также инициировано контактом с
минералами и является важной стадией
в окончательном распаде и отверждении
эмульсий.
Обычно для обеспечения хорошей
устойчивости и надлежащих эксплуатационных показателей требуется большее
количество эмульгатора, чем то, которое
необходимо для заполнения поверхности раздела. Битумные эмульсии будут
содержать некоторое количество «свободного» эмульгатора, который будет
способствовать предотвращению коалесценции в процессе эмульгирования,
хранения и транспортировки.
Вода дренирует между каплями и пленка
поверхностно-активных веществ разрушается,
Капли плавятся.
7
Химическая природа
эмульгаторов
Олеофильная хвостовая часть
Концентрация на поверхности раздела
(поверхностная активность) зависит
от молекулы эмульгатора, имеющей
как липофильную (олеофильную), так и
гидрофильную составляющую. Типичный эмульгатор имеет гидрофильную
«головную» группу и гидрофобный
(олеофильный) «хвост», формируемый
из возобновляемых материалов, таких
как жиры, растительные масла и древесина. Эмульгаторы, такие как протеины, лигнины, полимеры и минералы,
могут иметь одну или несколько гидрофобных и гидрофильных «секций».
На поверхности раздела эмульгатор
ориентируется с гидрофобной секцией
(секциями) в маслянистой битумной
фазе, а головная группа и противоионы – в водной фазе.
Для предотвращения коалесценции
битумные капли должны держаться отдельно друг от друга. Существует два различных способа для того, чтобы достичь
этого. Ионные эмульгаторы передают
заряд битумным каплям, когда капли
приближаются друг к другу; эти заряды
создают силу отталкивания. Поскольку
заряд в ряде анионных и катионных эмульгаторов зависит от pH, эта стабилизация
Типичные молекулы эмульгатора
Олеофильная
xвостовая часть
Гидрофильная
головная часть
R (животного жира)
N (CH3 ) 3
R (животного жира)
NH2 CH2CH2CH2NH3
R (талловое масло)
COO
R (лигнин)
SO3 +
–
–
Cl
+
–
2Cl
–
Na
+
Na
+
Если бы капля битума была такой же
большой, как Земля, то головная группа каждого эмульгатора занимала бы
площадь 10 квадратных километров, а
хвостовая часть проникала бы на 8км в
поверхность Земли.
Молекула эмульгатора намного меньше,
чем капля битума, и каждая капля стабилизируется тысячами молекул эмульгатора.
Многие катионные эмульгаторы поставляются в водонерастворимой нейтральной
форме, и их необходимо нейтрализовать
кислотой, например соляной, фосфорной,
уксусной или серной, прежде, чем сформируется катионная форма. Аналогичным
образом некоторые анионные эмульгаторы
необходимо нейтрализовать гидроокисью
аммония, едким натрием или едким
калием. Даже в случае водорастворимых
эмульгаторов заряд на каплях эмульсии
зависит от pH, причем при кислотном pH
эмульсии обычно являются катионными, а
при щелочном pH – анионными.
+
-
RNH2
+
HCl
Нейтральная форма
+
кислота
водорастворимое катионное «мыло»
RCOOH
+
NaOH
RCOO-
Нейтральная форма
+
щелочь
=
+
может быть утрачена, если изменяется
pH. Вторым механизмом стабилизации
является чисто физическое препятствие
тесному сближению капель. Это важно в
случае очень крупных молекул, таких как
полимеры, протеины и т. д.
Образование солей
=
Противоион
RNH3 +
+
Cl
Na
+
водорастворимое анионное «мыло»
Стабилизация эмульсии
Природа гидрофильной группы определяет механизм стабилизации. Эмульгаторы с крупными гидрофильными
группами могут предотвратить тесное
сближение капель просто посредством
своего физического размера (пространственное отталкивание).
Гидрофильные группы также могут
принимать заряд в воде, что приводит к
электролитическому отталкиванию между
каплями. Эмульгаторы могут быть классифицированы на анионные, катионные,
амфотерные и неионные типы в зависимости от того, какой заряд стремятся
принять их головные группы. Знак этого
заряда зависит от pH эмульсии и, главным образом, определяет заряд битумных капель, хотя сам битум содержит
ионизируемые химические группы, которые вносят свой вклад в заряд капель.
Размер и знак заряда на каплях может
быть измерен и выражается как дзетапотенциал капли. Дзета-потенциалы зависят от pH, и отмечается тенденция, что
эмульсии, содержащие капли с низкими
дзета-потенциалами (положительными
или отрицательными), являются менее
реакционноспособными.
Молекулы эмульгатора концентрируются
на поверхности раздела.
9
Прочие компоненты
эмульсии и их свойства
Вода втягивается
в каплю битума,
что приводит к
повышению вязкости
эмульсии.
Хлорид кальция
Хлорид кальция или другие растворимые соли часто включаются в водную
фазу катионных эмульсий в количестве
0,05-0,1%. Битум может содержать соль,
оставшуюся в результате неудовлетворительного обессоливания сырой нефти,
и эта соль может привести к набуханию
капель в эмульсии вследствие осмоса.
В результате происходит повышение
вязкости эмульсии, за которым часто
следует понижение по мере того, как
соль медленно выходит из битума.
Хлорид кальция способствует уменьшению осмоса воды в битуме и повышению
вязкости при хранении. Хлорид кальция
может также уменьшать оседание эмульсий, повышая плотность водной фазы, и
в ряде случаев улучшает эксплуатационные показатели эмульгаторов.
иногда может быть улучшено путем обработки битума битумным пептизатором.
Улучшение включает повышение адгезии
и уменьшение размера частиц, в результате чего уменьшается оседание и повышается вязкость.
Триполифосфат натрия
Анионные эмульсии могут быть чувствительными к жесткой воде. Добавление
0,1% триполифосфата натрия в состав
действует как умягчитель воды и улучшает качество эмульсий.
Латекс
12
A
B
C
вязкость по Энглеру
осаждение %
средний размер частиц, мкм
10
8
6
Водостойкость
является
важным
свойством смесей и герметизирующих
составов. Часто анионные эмульсии и в
ряде случаев также катионные эмульсии
могут не иметь достаточной адгезии с
каменными материалами; в таких случаях в битум перед эмульгированием или в
готовую эмульсию могут быть добавлены
адгезионные добавки.
Модификация
полимерами
может
улучшить такие свойства битума, как
когезию, трещиностойкость при низких
температурах и сопротивление текучести
при высоких температурах. Вместе с тем,
что модифицированные полимерами битумы могут быть эмульгированы, латекс
представляет собой водную дисперсию
полимера, специально подобранную для
модификации эмульсий. Он может быть
включен либо в водную, либо битумную
фазу или даже добавлен позже в эмульсию. Латекс поставляется в катионной, неионной и анионной форме, и важно, чтобы
тип латекса был совместим с эмульсией.
Пептизатор битума
Загустители
Эмульгируемость различных типов
битумов различна. Качество эмульсии
Водорастворимые загустители могут повысить вязкость эмульсии, что помогает
Адгезионные добавки
14
4
2
A
B
C
Т ип эмульсии К оличество эмульгатора , % p H эмульсии Катионная быстрораспадающаяся
Катионная среднераспадающаяся
Катионная медленнораспадающаяся
Анионная быстрораспадающаяся
Анионная среднераспадающаяся
Анионная медленнораспадающаяся
0.15–0.25
0.3–0.6
0.8–2.0
0.2–0.4
0.4–0.8
1.2–2.5
2–3
2–3
2–5
10.5–12
10.5–12
7.5–12
B
C
A
B
C
Пептизатор битума улучшает
свойства эмульсии.
удовлетворить требования национальных стандартов, или уменьшить стекание
эмульсии в смесях открытого типа. Они
могут быть добавлены в водную фазу или
в готовую эмульсию обычно в количестве
0,02-0,20%. Загустители могут влиять на
распад и адгезию эмульсий и их необходимо тщательно подбирать.
П Р И М Е Н Я Е М Ы Е КО Л И Ч Е С Т В А Т И П И Ч Н Ы Х Э М УЛ Ь ГАТ О Р О В
A
Т ипичны й эмульгатор
диамин животного жира
диамин животного жира
четвертичный амин
кислота таллового масла
кислота таллового масла
неионный + лигносульфонат
Процесс распада
(или «разрушения»)
Битумные эмульсии должны превратиться
в непрерывную битумную пленку для того,
чтобы выполнять свою роль в качестве
вяжущего в дорожных материалах или в
качестве защитных покрытий. Скорость
этого процесса распада и отверждения
зависит от реакционной способности
эмульсии, реакционной способности
каменного материала и условий окружающей среды, таких как температура и влажность. Битумные эмульсии для дорожного
применения классифицируются в зависимости от их реакционной способности.
Быстрораспадающиеся эмульсии распадаются быстро при контакте с чистым
каменным материалом с низкой площадью поверхности, таким как каменная
мелочь, применяемая при устройстве замыкающих слоев с россыпью каменной
мелочи (поверхностной обработке).
Среднераспадающиеся эмульсии распадаются значительно медленнее, так
что они могут быть перемешаны с каменными материалами с низкой площадью
поверхности, такими как применяемые в
смесях «открытого типа».
Возможные стадии
распада катионной
битумной эмульсии.
Контакт эмульсии с каменным материалом.
Медленнораспадающиеся эмульсии будут перемешиваться с каменными материалами, имеющими высокую площадь
поверхности. В некоторых национальных
стандартах определены дополнительные
марки сверхустойчивых эмульсий, характеризующиеся чрезвычайно медленным
распадом. Все аспекты состава эмульсии
могут влиять на ее классификацию, в том
числе тип и концентрация эмульгатора,
выбор и концентрация кислот или оснований, применяемых для регулирования
pH, а также марка и источник применяемого битума.
Каменные материалы принимают характерный поверхностный заряд в воде,
который зависит от pH и природы минералов. Так называемые «кислые» каменные материалы с высоким содержанием
двуокиси кремния стремятся принять
отрицательный заряд, тогда как щелочные (основные) каменные материалы,
такие как известняки, могут принять
положительный заряд. Когда возрастает
pH, все каменные материалы стремятся
стать заряженными более отрицательно,
тогда как в присутствии солей кальция
или других катионов в воде поверхности
стремятся стать менее отрицательными.
Адсорбция «свободного» эмульгатора.
Электрофорез капель с поверхностью.
Вообще говоря, катионные эмульсии
реагируют быстрее с каменным материалом с отрицательным поверхностным
зарядом, хотя другие факторы могут
быть более важными (см. ниже).
Распад эмульсии – это сложный процесс,
который еще до конца не понят и на него
влияет много факторов.
Коагуляция / распределение по поверхности.
11
Сильное сцепление
между битумом и
каменным материалом
по окончании
процесса распада и
испарения воды.
Некоторые из стадий процесса «распада» могут
включать следующее:
1) Адсорбция эмульгатора на поверхности каменного материала.
Свободный эмульгатор быстро адсорбируется. Эмульгатор с поверхности
раздела вода/битум удаляется значительно более медленно. но этот эффект
также состоит в уменьшении или даже изменении на противоположный поверхностного заряда на каменном материале, что может замедлить распад.
Катионные эмульгаторы адсорбируются значительно сильнее на кремнистых материалах, чем анионные или неионые эмульгаторы, что объясняет
целесообразность применения катионных эмульсий с кислыми каменными
материалами.
2) Движение капель эмульсии к поверхности каменного материала.
Капли битума в эмульсии имеют небольшой заряд и движутся в направлении
к поверхности каменного материала с противоположным зарядом (электрофорез). Концентрация на поверхности сближает частицы, что приводит к
флоккуляции, коалесценции и распределению по поверхности.
3) Изменение pH.
Некоторые каменные материалы, например, известняки, или минеральные
порошки, например, известь или цемент, могут фактически нейтрализовать
кислоту в катионной эмульсии, вызвав повышение pH, и эмульсия будет
дестабилизирована. В других случаях каменный материал может адсорбировать ионы водорода, вызвав менее значительное повышение pH, но достаточное для дестабилизации. Некоторые растворимые каменные материалы,
например известняки, могут стать причиной появления ионов кальция или
магния в растворе, которые стремятся нейтрализовать заряд на анионных
эмульсиях.
4) Испарение воды.
По мере того, как вода исчезает из системы путем испарения, капли концентрируются, что приводит к коалесценции. Испарение может быть главным
механизмом распада медленнораспадающихся эмульсий.
Испытания
битумных эмульсий
Национальные и местные стандарты включают испытания важных свойств битумных
эмульсий, и эти испытания подразделяются на следующие три группы:
Испытания для определения заряда частиц и
реакционной способности эмульсий
Испытание для определения заряда частиц.
испытании показателя минерального
порошка или смешение с цементом.
Эмульсии должны классифицироваться
на марки: катионные или анионные быстрого, среднего или медленного распада.
Испытание заряда частиц представляет
собой простое испытание электрофореза, в котором электроды помещаются в
эмульсию и либо отрицательный, либо
положительный электрод покрывается
битумом в зависимости от того, является
ли эмульсия катионной или анионной,
соответственно.
Реакционная способность эмульсии может
быть измерена в испытаниях, в которых
стандартные каменные материалы перемешиваются или погружаются в эмульсию
и определяется количество битума, отложившегося на поверхности. В качестве
альтернативы, минеральные порошки,
например, мелкий кварцевый песок или
цемент, добавляются в эмульсию в так
называемом испытании показателя минерального порошка или цементной смеси.
Степень коалесценции или количество
минерального порошка, необходимое для
полной коалесценции, является критерием
реакционной способности.
В других испытаниях эмульсия титруется
с помощью раствора с противоположно
заряженными ионами, который стремится вызвать распад эмульсии. Катионные
эмульсии титруются анионными поверхностно-активными веществами, а анионные эмульсии – хлоридом кальция. Титр
дает критерий реакционной способности
эмульсии, который называется «деэмульгируемость».
Реакционная способность эмульсий,
главным образом, определяется выбором и концентрацией эмульгатора и pH
эмульсии, хотя могут оказывать влияние
параметры приготовления.
13
Испытания битумных эмульсий
(продолжение)
Физические свойства,
связанные с хранением эмульсий
и обращением с ними
Присутствие крупных капель в эмульсии,
которые могут блокировать насосы и
распылительные сопла, проверяется
путем простого просеивания через сита
150, 630 или 800мкм. Максимальный
остаток на сите нормируется (обычно
0,1-0,2%). Ситовой анализ может быть
проведен повторно после хранения или
замораживания-оттаивания для проверки устойчивости при хранении.
Вязкость эмульсий обычно определяется
как время вытекания из чашки для испытания текучести со стандартным отверстием при температуре в соответствии
с применением. В Северной и Южной
Америке используются, в основном, чашки Сейболта Фурола, а в Европе – стандартный вискозиметр для дегтя.
Главное влияние на вязкость эмульсий
оказывает содержание битума: вязкость
значительно возрастает с увеличением
содержания битума выше 65 %. Эмульсия
с малым размером капель и узким диапазоном распределения частиц по размеру имеет более высокую вязкость, по
сравнению с эмульсией с широким или
двухтипным распределением. На размер
частиц и распределение по размерам
в некоторой степени может повлиять
выбор и концентрация эмульгатора и
условия приготовления.
Битумы с высоким содержанием солей
имеют тенденцию обеспечить высокую
вязкость эмульсий, так как они образуют
многофазные эмульсии, в которых некоторое количество воды улавливается
внутри битумных капель. Это может произойти после производства, что приводит к изменению (повышению) вязкости в
процессе хранения.
Если плотность капель отличается от
водной фазы, то они будут иметь тенденцию всплывать или опускаться, что
Определение вязкости с помощью
чашки для испытания текучести.
приводит к образованию «сливок» или
осаждению после продолжительного
хранения. Испытания осаждения (устойчивости при хранении) обычно включают
хранение эмульсии в цилиндре, затем по
истечении 1-5 дней сравнение содержания твердых веществ в верхних и нижних
слоях. Осаждение во многих случаях
может быть обратимо путем перемешивания, но плотная упаковка осевших
капель может привести к коалесценции
или необратимой флоккуляции.
Битумные эмульсии обычно оседают,
хотя в тех, у которых содержание растворителя высокое, может иметь место
сливкоотделение. Скорость осаждения
зависит от разности плотностей, размера частиц, содержания вяжущего и вязкости водной фазы. Меры, направленные
на выравнивание плотностей двух фаз,
такие как добавление растворителя,
добавление солей или повышение температуры хранения, могут уменьшить
оседание так же, как и меры повышения
вязкости, такие как добавление загустителей. Изменения состава эмульсии или
ее приготовления, которые уменьшают
средний размер частиц, также будут
уменьшать осаждение.
Сливкообразование
Осаждение
Свойства отвержденной
битумной пленки
Содержание вяжущего в эмульсии
может быть определено путем простого
испарения, дистилляции или косвенно по
содержанию воды. С помощью дистилляции можно также определить содержание масляного дистиллята в эмульсии, а
также восстановить остаточный битум
для дальнейших испытаний. В некоторых
национальных стандартных испытаниях
используются растворители, такие как
спирт или ацетон, для осаждения битума
из эмульсии без необходимости нагревания при высокой температуре, которое
может изменить свойства вяжущего.
Вакуумная дистилляция также позволяет избежать перегревания.
15
Вязкость остаточного битума может быть
определена с помощью стандартных
испытаний, применяемых для самого битума, таких как определение температуры
размягчения по кольцу и шару, пенетрации
и кинематической вязкости. Аналогичным
образом могут быть определены низкотемпературные свойства, такие как
температура хрупкости по Фраасу,
упругое восстановление и растяжимость.
Определение вязкости поплавковым
вискозиметром является специфическим
для анионных эмульсий из вяжущих,
которые показывают пониженную температурную чувствительность. Эмульгаторы
из таллового масла, применяемые для
так называемых «high float» эмульсий,
вызывают гелеобразование восстановленного битума, и этот эффект может увеличиваться при добавлении полимеров.
Могут быть также нормированы плотность, зольность или растворимость
остаточного битума в толуоле, ксилоле
или трихлорэтилене.
Водостойкость или стойкость к реэмульгированию отвержденной битумной пленки является важным аспектом
эмульсий и может определяться с помощью простых испытаний погружения
щебня с использованием стандартных
каменных материалов. Обычно катионные
эмульсии показывают более высокую адгезию, чем анионные эмульсии, но адгезия
анионных эмульсий может быть улучшена
путем добавления катионных адгезионных
добавок. При определенных применениях,
таких как покрытия типа сларри, смеси
открытого типа, соединительные слои и
подгрунтовки, могут потребоваться специальные испытания эмульсии.
Устойчивость при транспортировке
и сдвиге
Эмульсии могут быть устойчивыми при
обычных испытаниях устойчивости при
хранении, но подвергнуться коалесценции в процессе транспортировки или
подачи насосом. В более практичных
испытаниях устойчивости при хранении
эмульсию взбалтывают или повторно перекачивают насосом и снова определяют
остаток на сите.
Испытание
реакционной способности
Реакционная способность быстрораспадающихся эмульсий может быть определена посредством использования
стандартных стеклянных шариков или
стандартной чистой каменной мелочи.
Шарики покрываются избыточным количеством эмульсии и определяется вес отложения на их поверхности. По сравнению
со стандартными испытаниями, этот метод
позволяет лучше выделить процессы, происходящие на минеральной поверхности, и
отличить действительно «реакционноспособную» эмульсию от «неустойчивой».
Испытание выпариванием
и фильтрацией
Это испытание позволяет измерить тенденцию капель эмульсии к коалесценции
по мере удаления воды. Эмульсиям
позволяют испариться, и строится график зависимости между количеством
остатка на сите и потерей воды. Была
установлена связь между этими результатами и скоростью отверждения в
полевых условиях.
Нестандартные испытания
Размер частиц и распределение частиц
по размерам
В испытании остатка на сите измеряются
частицы избыточного размера, которые
составляют лишь небольшую часть
эмульсии. Полное распределение частиц
по размерам может быть измерено с
помощью таких методов как рассеяние
света, микроскопия с анализом изображений или метод электрозон (Coulter).
Измерения размеров и распределения по
размерам помогают устранить проблемы
с вязкостью эмульсий, устойчивости при
хранении и эксплуатационных показателей, а также осуществлять контроль
качества при приготовлении эмульсий.
Применение эмульсий
Для каждого применения к эмульсии предъявляются конкретные требования.
Существуют значительные различия при выборе эмульсий для каждого
применения в различных странах, но в нижеприведенной таблице приведена
сводка наиболее распространенной практики. Анионные эмульсии почти не
применяются для дорожного строительства за пределами Северной Америки,
но они могут использоваться для ряда промышленных покрытий.
А нионные К атионные
Б ыстрого С реднего М едленного Б ыстрого С реднего М едленного С верх
распада Р аспада усто й чивые
Применение распылением
Поверхностная обработка (замыкающий
слой с россыпью щебня)
•
•
Герметизирующий состав
тонкого распыления
•
•
•
•
•
Соединительный (связующий) слой
•a
•
•
•a
•
Подгрунтовка •
•
•
•
Щебеночное покрытие с пропиткой
•
Покрытие типа сларри
Сларри сил •
•b
•
Cape Seal •
• b
•
Микропокрытие
•b
Смеси, приготавливаемые в установке
Смесь открытого типа /Полуплотная
•a
•
Плотно подобранная смесь
•
•
•
Переработанное асфальтобетонное покрытие
•
•
•
Складируемая смесь
•a
•a
•
Черный щебень
•
•
Укладка смеси Смесь открытого типа
•a
Смеси, ПРИГОТАВЛИВАЕМЫЕ на месте
Переработанное асфальтобетонное покрытие
•a
•a
•
•
Укрепление грунта
•
•
Плотно подобранная смесь
•
•
•
а) Может содержать растворитель. b) Должны пройти испытание смешением с цементом
17
Поверхностная обработка
(замыкающий слой с россыпью щебня)
В технологии устройства замыкающего
слоя с россыпью щебня вяжущее распределяется по дороге и поверх него
распределяется и укатывается щебень
до того, как произойдет отверждение
вяжущего.. Этот процесс может выполняться повторно для устройства более
толстых слоев. Эта технология применяется на дорогах различных классов как
гравийных, так и снабженных покрытием.
Применение полимербитума позволяет
применять поверхностную обработку
даже на дорогах с интенсивным движением транспорта благодаря повышенной
долговечности и предотвращению потери каменного материала. Замыкающие
слои с россыпью щебня обеспечивают
исключительную текстуру поверхности и
водонепроницаемость, а также несколько повышают трещиностойкость.
Эмульсии являются особенно подходя-щими для устройства замыкающих
слоев с россыпью щебня, так как они
обеспечивают хорошие результаты, даже
если щебень влажный; они быстрее набирают окончательную прочность, чем
разжиженные битумы, и их применение
позволяет избежать вредных испарений
и пожароопасности.
Наилучшие результаты достигаются при
применении распыляемых в горячем
состоянии быстрораспадающихся катионных эмульсий с высоким содержанием
вяжущего в диапазоне 65-72%, которые
могут быть также модифицированы полимерами. В некоторых районах Северной
Америки применяются быстрораспадающиеся анионные эмульсии, но в этом
случае необходимо также использовать
адгезионную добавку во избежание потери частиц щебня.
Покрытия типа сларри
Мелко дробленый плотно подобранный
каменный материал перемешивается
с эмульсией и водой, образуя смесь
сларри, которая распределяется по
поверхности дороги толщиной 3-30см в
зависимости от максимального размера
щебня. Этот процесс обычно осуществляется с помощью специально изготовленного смесителя-укладчика, хотя смеси
сларри могут распределяться вручную;
обычно
применяемыми
эмульсиями
являются катионные средне- и медленнораспадающиеся. Международная ассоциация покрытий сларри (www.slurry.
org) предоставляет методы испытания
для проектирования покрытий сларри.
В зависимости от выбора эмульгатора
эта система может обеспечить получение смеси сларри быстрого распада, при
применении которой движение транс-
Применение эмульсий
(продолжение)
порта может быть открыто в пределах
60 минут, или более медленнораспадающихся материалов, пригодных для
выполнения работы вручную. Покрытие
типа сларри в виде толстых слоев из быстрораспадающихся, модифицированных
полимерами смесей сларри называется
микропокрытием. Для обеспечения
наилучших результатов реакционная
способность эмульсии должна соответствовать реакционной способности каменного материала, но дополнительные
химикаты могут добавляться в укладчик
для регулирования времени распада.
уже очень прочные и их просто следует
загерметизировать от проникания воды.
Таким образом, достаточно распределения очень тонкого слоя подгрунтовки.
При этом, также важно, чтобы вяжущее
не захватывалось шинами строительного
оборудования, что может быть достигнуто
путем применения битума очень твердой
марки в составе быстрораспадающейся
эмульсии.
Соединительные слои
Смеси, приготавливаемые
в установках
Строительные материалы могут быть
получены из эмульсии и щебня или
перерабатываемого асфальтобетонного
покрытия, которые удовлетворяют тем
же самым требованиям, что и асфальтобетонная смесь. В зависимости от
зернового состава каменного материала могут быть использованы средне- и
медленнораспадающиеся
эмульсии.
Холодные смеси, в которых битум комбинируется с цементом, могут обеспечить
значительно улучшенную несущую способность.
Холодный ресайклинг
дорожного покрытия на месте
Верхние слои или даже дорожное
покрытие на всю толщину могут быть
переработаны на месте с использованием либо специально изготовленной
мобильной установки, либо простого
оборудования. При проведении холодного ресайклинга применяются битумные
эмульсии либо отдельно, либо в сочетании с цементом или известью. Обычно
используются катионные эмульсии медленного распада.
Укрепление грунта
Катионные медленнораспадающиеся
эмульсии могут применяться для укрепления недробленого гравия природного
залегания и песчаных грунтов. Обычно
достаточно успешно могут обрабатываться грунты со значением песчаного эквивалента выше 25 (критерий содержания
глины), которые используются в качестве
материала основания для слоя усиления
из горячей смеси или для второстепенных
дорог, где может быть достаточно устройства замыкающего слоя. В ряде случаев
могут быть обработаны материалы даже
с более низким значением песчаного эквивалента с использованием комбинации
эмульсии и гидравлического вяжущего,
например, известь или цемент.
Подрунтовка
Эмульсионная подрунтовка применяется
на несвязных нижних слоях основания
для герметизации поверхности перед
укладкой асфальтобетонных слоев.
Подгрунтовка предотвращает попадание воды в слой, потерю мелких частиц
вследствие ветровой и водной эрозии, а
также идеально подходит для того, чтобы
обеспечить возможность передвижения
для строительных машин по поверхности без захвата материала шинами.
Проникание на глубину несколько сантиметров достигается легко, если уплотненный материал не слишком плотный, но
может быть затруднительным на практике
в случае мелкозернистых и сильно уплотненных слоев оснований. Пенетрация
может быть достигнута при использовании катионных или анионных эмульсий
очень медленного распада, содержащих
растворитель, но в ряде случаев глубокая
пенетрация может быть весьма затруднительной. Однако в настоящее время полагают, что глубокая пенетрация возможно
не является необходимой, так как плотные
и сильно уплотненные слои оснований
Соединительные слои устраиваются
путем применения небольшого количества битума между слоями горячей
смеси для предотвращения скольжения.
Существуют большие различия в типах
эмульсий, применяемых для соединительных слоев по всему миру. Во
многих странах применяются медленнораспадающиеся анионные или катионные
эмульсии, которые могут разбавляться
водой, но в Европе применяются быстрораспадающиеся катионные эмульсии.
Для устройства соединительного слоя
необходимо увлажнить любую пыль на
поверхности нижележащего слоя, и благоприятным будет применение эмульсий с
мелким размером частиц и эмульсий, содержащих растворитель. Новыми разработками являются соединительные слои
на основе очень твердых битумов, которые быстро отверждаются и позволяют
избежать налипание к шинам автомобилей или строительного оборудования.
Герметизирующий состав
тонкого распыления
Легкое распределение разбавленной
эмульсии восстанавливает битум состарившихся поверхностей и продлевает
срок службы проезжей части при низких
расходах.
Щебеночное покрытие
с последующей пропиткой
Катионная эмульсия быстрого или среднего
распада распределяется по уплотненному
слою из смеси открытого типа. Эмульсия
впитывается, связывая покрытие.
19
Словарь терминов
Плотно подобранная смесь
каменного материала
Натяжение на границе
раздела фаз
Смесь, содержащая каменный материал, которая подобрана от максимального размера до минерального порошка
для введения битума при относительно
низком содержании пустот.
Сила, действующая под углом 90° к
линии на поверхности раздела, испытываемая молекулами на поверхности
раздела, которая возникает вследствие
дисбаланса сил притяжения от обеих
фаз. Межфазное поверхностное натяжение и межфазная свободная энергия
– это критерии работы, необходимой
для увеличения площади межфазной
поверхности.
Смесь каменного материала
с незаполненными пустотами
(открытого типа)
Смесь, содержащая небольшое
количество или не содержащая минеральный порошок, обеспечивающая
относительно большие пустоты в
уплотненной смеси.
Вяжущее
Общий термин для битумного вяжущего,
который включает битум, угольный
деготь или модифицированные полимерами битумы.
Битум
Остаток от сырой нефти. Главным
образом, алифатические или циклоалифатические. В США применяется
термин asphalt.
Обращенная эмульсия
Эмульсия типа «вода в масле», приготовленная из разжиженного битума и
обычно применяемая для подгрунтовки
или соединительного слоя.
Латекс
Природная или синтетическая
дисперсия частиц каучука в воде.
Обычно на основе природного каучука,
бутадиенстирольного каучука (СБС),
полихлоропрена или акрилатов.
Мицелла
Анионная битумная эмульсия
Совокупность поверхностно-активных
молекул, спонтанно образовавшихся в
воде.
Битумная эмульсия, в которой капли
битума несут отрицательный заряд.
Подгрунтовка
Катионная битумная эмульсия
Битумная эмульсия, в которой капли
битума несут положительный заряд.
Замыкающий слой с россыпью щебня
Терминология США для поверхностной
обработки.
Жидкое вяжущее, распределяемое
по несвязному слою для обеспечения
хорошего сцепления для горячей смеси.
Переработанное асфальтобетонное
покрытие
Старое покрытие, удаленное с поверхности дороги для повторной переработки (ресайклинга).
Электрофорез
Движение под влияние градиента
электрического потенциала
Мыльный раствор
Общее название для поверхностноактивного вещества или эмульгатора.
Соединительный слой
Применяется также название «связующий слой» (bond coat). Распределение
жидкого битума низкой вязкости или
эмульсии между слоями асфальтобетонных материалов для предотвращения
скольжения.
Дзета-потенциал
Измерение плотности заряда на
поверхности.
21
Библиография
1. Битумные эмульсии. Bitumen
8. Вода, содержащаяся внутри
капель битумной эмульсии и ее
влияние на изменение вязкости
при хранении. Water enclosed within
the droplets of bitumen emulsions
and its relation to viscosity change
during storage, Susan Furlong, Alan
James, Edward Kalinowski and Martin
Thompson, 2nd World Congress on
Emulsion. 23–26 September 1997,
Bordeaux France, paper 2-4-009
emulsions, SFERB, Paris 1991. [English
Version Published by Colas France]
2. Руководство по битумным эмуль-
сиям. A basic asphalt emulsion manual,
Manual series No. 19 3rd edition, AEMA,
USA
3. Битумные эмульсии (Химия и
концепции). Asphalt emulsions
(Chemistry and concepts), Alan James,
2nd Asphalt Technology Conference of
the Americas, Austin, Texas, October
12–16th 1998
эмульсий, определяемая посредством анализа изображений.
Granulometry of bitumen emulsions
by image analysis, Alain Sainton, 2nd
World Congress on Emulsion, 23–26th
September 1997, Bordeaux, France,
paper 2-1-248
тва эмульсии. Manufacturing process
and emulsion properties, G. Durand and
J. E. Poirer, AEMA 21st Annual meeting,
Florida 1994
10. Нормирование качества
5. Формирование эмульсий.
эмульсий для покрытий сларри:
Распределение частиц по размеру.
Specifying slurry surfacing emulsion
quality: Particle size distribution, Mikael
Engman, Alan James, David Needham
and Tony Ng, ISSA 36th Annual meeting
1998, San Diego, USA
Formation of emulsions, Pieter Walstra,
2nd World Congress on Emulsion,
23–26th September 1997, Bordeaux,
France, Volume 4, p 67–74
6. Влияние вязкости непрерывной
быстрораспадающихся битумных
эмульсиях: Исследование распределения между двумя фазами
эмульсии. Role of cationic emulsifiers
in rapid-setting bitumen emulsions:
Study of the distribution between
the two emulsion phases, Graziella
Durand an Jean-Eric Poirier, 2nd
World Congress on Emulsion, 23–26th
September 1997, Bordeaux, France,
paper 4-1B-295
15. Механизм распада дорожных
битумных эмульсий. Mechanismes
de rupture des emulsions de bitume
routier, Maurice Bourrel and Francis
Verzaro, L’Act Chim. (AS-R), 1996, 2.3,
42-48
11. Решение проблем вязкости путем
выбора эмульгатора. Solving
viscosity problems by the choice of
emulsifier, Alan James, 24th AEMA
Annual Meeting, 14–16th March 1997,
Cancun, Mexico
12. Рецептура битумных эмульсий:
7. Процесс Esso SMEP. The Esso
SMEP process, Jean-Luc Marchal, 1st
World Congress on Emulsion, 19–22nd
October 1993, Paris, France, paper
1-12-208
битумной эмульсии и ее значение
для подбора рецептуры и применение таких эмульсий. A 5-stage
model for the bitumen emulsion setting
and its importance for the formulation
and application of such emulsion,
Walther Glet, 2nd World Congress on
Emulsion, 23–26th September 1997,
Bordeaux France, paper 4-1C-070
14. Роль катионных эмульгаторов в
9. Гранулометрия битумных
4. Процесс приготовления и свойс-
фазы на размер капель при
непрерывном эмульгировании.
Influence of continuous phase
viscosity on droplet size in continuous
emulsification, Michael Stang,
Herve Maze, Helmar Schubert, 2nd
World Emulsion Congress, 23–26th
September 1997, Bordeaux, France,
paper 1-2-289
13. 5-ступенчатая модель распада
Применение химикатов с учетом
распределения частиц по размеру
для контроля вязкости и кинетики
когезии. Bitumen emulsion formulation:
Use of chemicals versus droplet
size distribution to control viscosity
and cohesion kinetics, Michel Ballie,
Emmanuel Arrachard and Jean-Eric
Poirier, 2nd World Congress on
Emulsion, 23–16th September 1997,
Bordeaux, France, paper 2-1-367
16. Измерения дзета-потенциала на
битумных эмульсиях и дорожных
каменных материалах. Zeta
potential measurements on bitumen
emulsions and road aggregates, Julia
Wates and Alan James, 1st World
Congress on Emulsion, 19–22nd
October 1993, Paris, France, paper 1-40 089
17. Непосредственное измерение
адсорбции катионных поверхностно-активных веществ на поверхности каменных материалов в
сларри сил. The direct measurement
of the adsorption of cationic surfactants
onto the surface of slurry seal
aggregates, Alan James, David Stewart
and Julia Wates, ISSA 28th Convention,
1990, Tampa, Florida
27
23
18. Исследование распада битумных
эмульсий методом электрофореза. Electrophoretische untersuchung
des brechverhalten von bitumen
emulsionen, Amir Sama-dijavan,
Bitumen 4/94, 151-156
19. Фазовое поведение и устойчи-
вость битумных эмульсий.
Phase behaviour and stability of asphalt
emulsions, Fernando Leal Calderon,
Jaques Biais an Maurice Bourrel, 1st
World Congress on Emulsion, 19–22nd
October 1993, Paris, France, paper
1-22-029
25.Эмульгирование материалов
с высокой температурой размягчения. Emulsification of high softening
point materials, Alan James and
Sundaram Logaraj, World Congress on
Emulsion, Lyon France 2002
26.Исследование битумных смесей,
модифицированных цементом.
A study of cement modified bitumen
emulsion mixtures, S.F. Brown and
David Needham, Proceedings of the
technical session of AAPT, Reno,
Nevada, 2000
20.Испытание реакционной спо-
собности. The reactivity test, Nadjib
Boussad, 1st World Congress on
Emulsion, 19–22nd October 1993,
Paris, France, paper 2-20-209
21. Испытание испарением и
фильтрацией для обращения
эмульсий. The evaporation filtration
test for emulsion inversion, Jean-Luc
Marchal, ASTM Symposium on Asphalt
Emulsions 1988, Phoenix, Arizona USA
22.Поверхностная обработка би-
тумных эмульсий: Практичный и
экономичный метод содержания
для увеличения срока службы
дорог. Surface dressing with bitumen
emulsions: A practical and cost effective
maintenance technique to increase
the lifetime of roads, David Stewart,
Bitumen Asia 95, 20–21st November
1995, Singapore
23.Что необходимо знать о сларри
сил. What you need to know about
slurry seal, Barry Dunn, Better Roads,
March 1996, 21–25
24. Аспекты экологии и техники
безопасности катионных
битумных эмульсий. Environmental
and safety aspects of cationic bitumen
emulsions, Alan James and BengtArne Thorstensson, 5th ISSA World
Congress, Berlin 2002.
Представительство в странах Европы:
Akzo Nobel Surface Chemistry
SE–444 85 Stenungsund,
Sweden
T: +46 303 850 00
F: +46 303 889 10
E: chemicals.asphalt@akzonobel.com
Представительство “Акзо Нобель”
в России и СНГ
125445, Россия, Москва,
ул. Смольная, 24Д,
Коммерческая башня Меридиан
T +7 495 960 2890
F +7 495 960 2884
E andrey.danilov@akzonobel.com
www.akzonobel.com/ru/asphalt
Компания АкзоНобель - крупнейший
мировой производитель красок и покрытий,
занимающий лидирующие позиции
также в области химикатов специального
назначения. Мы снабжаем различные
отрасли промышленности и потребителей
во всем мире инновационными продуктами,
стремясь постоянно предлагать решения
для устойчивого развития. В спектр нашей
продукции входят такие широко известные
марки, как Dulux, Sikkens, International и
Eka. Со штаб-квартирой в Амстердаме
(Нидерланды), компания АкзоНобель входит
в список крупнейших в мире компаний
"Global Fortune 500" и неизменно занимает
лидирующие позиции в области устойчивого
развития. 55 000 наших сотрудников в
более чем 80 странах мира стремятся к
совершенству, отвечая на завтрашние
вопросы сегодня.
05840 _ 210512
www.surfactants.akzonobel.com