Катионные дорожные эмульсии

Введение

Дорожные эмульсии изготавливают путем измельчения битума в микроскопические частицы и диспергирования их в воде с использованием химического эмульгатора. Химия дорожной эмульсии определяет устойчивость системы.
Актуальность темы работы обуславливается необходимостью применения катионных дорожных эмульсий в современных дорожно-транспортных условиях ‒ наличием дорог, нуждающихся в восстановлении и ремонте. Следовательно, существует необходимость применения катионных дорожных эмульсий для нанесения покрытий.
В дорожной практике наибольшее применение находят прямые битумные эмульсии. Их относительно низкая вязкость, обусловленная наличием водной среды (от 31 до 50%)‚ обеспечивает хорошую способность обработки каменных материалов без их сушки и нагрева. Такие технологические свойства обусловливают благоприятное их применение в дорожном строительстве с позиций охраны труда дорожных рабочих и обеспечении охраны окружающей среды.
В зависимости от применяемых эмульгаторов эмульсии делятся на анионный и катионный виды. При этом, за последние годы в мировой практике дорожного строительства производятся и используются главным образом эмульсии катионного вида‚ как наиболее универсальные и обеспечивающие достаточную адгезию вяжущего к поверхности минеральных материалов кислой и основной природы.
За более чем 60-летний период производства битумных эмульсий катионного вида за рубежом в совершенстве отработаны различные составы и технологии их применения в дорожном строительстве и налажен промышленный выпуск большого ассортимента эмульгаторов для различных составов эмульсий применительно к их назначению [1].
Химические поверхностно-активные вещества, которые служат эмульгаторами для катионных дорожных эмульсий, классифицируются по электрохимическому заряду, который достигается, когда они диссоциируют в водном растворе. В случае катионных эмульсий химический заряд является положительным.
Химический тип и количество поверхностно-активного вещества, используемого в производственном процессе, определяет процесс, в котором можно использовать полученную дорожную эмульсию.
Существуют три основных классификации марок эмульсий: быстрая, средняя и медленная. Термины «быстрый», «средний» и «медленный» относятся к количеству времени, которое требуется для отверждения эмульсии, и количеству смешивания, которое может быть выполнено до разрушения эмульсии.
Катионная битумная эмульсия активно взаимодействует с основными и особенно ‒ с кислыми минеральными материалами, образуя на поверхности зерен любых горных пород прочную и водостойкую пленку.
Цель работы ‒ анализ катионных дорожных эмульсий.
Достижение цели предполагает выполнение следующих задач:
‒ определить состав и свойства катионных дорожных эмульсий;
‒ проанализировать влияние химического состава компонентов на свойства эмульсий
‒ провести анализ физико-химических основ эмульгирования;
‒ обозначить роль эмульгатора при производстве, хранении и использовании катионных дорожных эмульсий с каменными материалами;
‒ выявить разновидности катионных дорожных эмульсий и их использование в дорожном строительстве.
Объект ‒ катионные дорожные эмульсии.
Предмет ‒ специфика, особенности катионных дорожных эмульсий, их разновидность и применение в дорожном строительстве.

РАЗДЕЛ 1
ОСОБЕННОСТИ КАТИОННЫХ ДОРОЖНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
1.1. Состав и свойства катионных дорожных эмульсий

В катионных эмульсиях эмульгаторами являются катионные поверхностно-активные вещества (ПАВ), что способствует диспергированию битуму в воде и обеспечивает стабильность эмульсии при ее хранении и транспортировании, а также улучшает сцепление остаточного связывающего (полученный после распада эмульсии битум или модифицированный битум, что вмещает эмульгатор) с минеральным материалом.
В качестве эмульгаторов для катионных эмульсий используют ПАВ типа аминов, диаминов, амидоаминов, четвертичных аммониевых соединений и другие, соответствующие техническим условиям предприятия-изготовителя.
Катионные битумные эмульсии представляют собой сложные коллоидные системы, свойства которых существенно зависят от различных факторов (состав и свойства исходных компонентов, технологические особенности процесса эмульгирования и др.).
В состав битумной катионной эмульсии входят: битум, соляная или уксусная кислота, аминный эмульгатор и вода.
Катионная битумная (прямая) эмульсия активно взаимодействует с основными и особенно ‒ с кислыми минеральными материалами, образуя на поверхности зерен любых горных пород прочную и водостойкую пленку [8].
Основными свойствами катионных эмульсий, в соответствии с ГОСТ 18659 "Эмульсии битумные дорожные. Технические условия», можно назвать следующие:
‒ массовая доля остаточного вяжущего (битума с эмульгатором и полимером) в пределах 45-69%;
‒ глубина проникания иглы при 25 °С остаточного вяжущего в соответсвии с маркой вязкого битума, рекомендуемым приложением А ГОСТ 9128-97;
‒ водородный показатель (рН) приготовленной битумной эмульсии находиться в пределах 2,0-4,0;
‒ показатели температуры размягчения и растяжимости остаточного вяжущего, выделенного из эмульсии, не уменьшаются более, чем на 15% относительно свойств исходного битума;
‒ условная вязкость битумной эмульсии при 20 °С находиться в пределах 10-180 с;
‒ в процессе хранения битумной эмульсии не должно происходить изменения показателя рН более чем на 0,3. Определение значения рН производится через 1, 3 и 7 сутки после приготовления [5].
К свойствам катионных эмульсий также можно отнести следующие:
‒ Распад. Эмульсия должна быть устойчива во время хранения и при транспортировке, но должна быстро распадаться при применении. Это качество наиболее легко достижимо в случае катионных эмульсий, поскольку такие эмульсии реагируют и распадаются химически при контакте с большинством каменных материалов. В большинстве случаев каменные материалы отрицательно заряжены и, следовательно, положительно заряженный эмульгатор притягивается электростатически к каменному материалу, вызывая распад эмульсии. Кроме того, в этот момент эмульгатор действует как вяжущее вещество. Распад можно контролировать путем выбора эмульгатора и содержания эмульгатора. Другими факторами, влияющими на распад, являются температура, влажность и тип битума.
‒ Вязкость. Свойство есть важным для катионных эмульсий ЭБК-1 и ЭБК-2. При применении эмульсии ЭБК-1 для поверхностной обработки она должна иметь определенную вязкость [2]. При наличии слишком низкой вязкости, эмульсия не будет оставаться густой. При слишком высокой вязкости ‒ эмульсия будет оставаться на поверхности в виде линий. Данное свойство зависит от содержания битума, температуры и типа эмульгатора.
‒ Флоккуляция. Свойство флоккуляции ‒ это процесс, при котором капли начинают прилипать друг к другу. Очень часто имеется крупная центральная капля с окружающими ее более мелкими каплями. Коагулированные капли часто могут быть снова разделены путем перемешивания.
‒ Осаждение. Вследствие силы тяжести, капли стремятся ориентироваться ко дну контейнера. При добавлении в битум растворителя, битум может приобрести более низкую вязкость, чем вода, и вследствие этого ориентироваться к поверхности.
‒ Коалесценция. Свойство, при котором капли сливаются и образуют более крупные частицы, в следствии чего эмульсия, в конечном счете, разрушается.
Катионные эмульгаторы являются ингибиторами коррозии, поэтому их водные растворы, даже если в их состав входит соляная кислота, существенной коррозии металла не вызывают. Готова катионное эмульсия не разрушает металл [6].
Для повышения качества выполняемых работ при приготовлении эмульсий могут быть использованы битумы, модифицированные термоэластопластами ДСТ-30-01 1 группы по ТУ 38 103267-80, ДСТ-30Р-01 1 группы по ТУ 38 40327-90, каучуком СКС - 30АРКМ-15 по ТУ 30-103320-76 или другими добавками, использование которых разрешено Росдорконтролем.

1.2. Влияние химического состава компонентов на свойства эмульсий

В зависимости от содержания компонентов ‒ битум, растворитель, эмульгаторы, добавки в битум, катионные эмульгаторы, кислота, стабилизатор, каменный материал, прослеживаются такие их влияния на свойства эмульсий [5]:
1) Влияние битума на эмульсии. В зависимости от климата применяется битум с пенетрацией от 50 до 200. Его качество весьма значительно влияет на свойства эмульсии. Некоторые битумы способствуют созданию крупных частиц в эмульсии. В ряде случаев данная проблема может быть решена путем добавления поверхностно-активных веществ в битум.
2) Растворитель. Может использоваться для придания временного размягчения вяжущему, что улучшит способность обволакивания битумом каменного материала

. Растворитель способствует прониканию подгрунтовочной эмульсии в плотный слой основания.
3) Добавка в битум. Эмульсия, производимая из труднообрабатываемого битума, в ряде случаев может быть улучшена путем добавления поверхностно-активного вещества в битум. Это называется «введение присадки в битум». Это придает эмульсии большую устойчивость, но не влияет на распад.
4) Эмульгатор. Тщательный выбор эмульгатора необходим для того, чтобы, в конечном итоге, получить эмульсии с требуемыми свойствами. Имеется множество химических составов, которые могут быть использованы для эмульгирования битума, однако по техническим и экономическим причинам лишь несколько из них нашли широкое применение.
Данные составы могут использоваться по отдельности либо в комбинации с другими составами. Также, они могут быть модифицированы различными способами для получения данных свойств.
Хороший эмульгатор, помимо придания эмульсии необходимых свойств, должен иметь хорошее соотношение стоимость ‒ эксплуатационные показатели, а также, предпочтительно, должен быть безопасным и удобным в применении [1]. В катионной эмульсии положительно заряженные ионы ориентируются на поверхности битумных капель.
5) Катионные эмульгаторы. В их основе обычно лежат азотные соединения с длинными углеводородными цепями, такие как алкил амины. Алкил амины представляют собой сильнодействующие поверхностно-активные соединения и оказывают большое влияние на поверхностное натяжение эмульсий.
6) Кислота. Применяется для образования соли из эмульгатора и для снижения pH эмульсий до заранее определенного уровня. При применении катионной системы используется хлористоводородная (соляная) кислота.
7) Стабилизатор. В катионной системе в эмульсию может добавляться хлорид кальция для повышения устойчивости и предотвращения набухания капель битума, вызываемого осмосом (при высоком содержании соли в битуме и когда вода втягивается в капли битума).
8) Каменный материал. Классифицируются каменные материалы как кислые и щелочные. Более кислые каменные материалы развивают отрицательно заряженные поверхности в воде в более широком диапазоне значений pH, чем щелочные каменные материалы, хотя при высоком значении pH все каменные материалы стремятся стать отрицательно заряженными.
Каменные материалы редко состоят из одного чистого минерала, и даже чистый минерал может иметь как щелочной, так и кислый компонент. Если каменные материалы классифицируются в соответствии с содержанием в них двуокиси кремния, то материалы с более высоким содержанием двуокиси кремния являются наиболее кислыми с сильной тенденцией принять отрицательно заряженную поверхность в воде. При содействии с эмульсиями, могут в незначительной мере меняться показатели вторых. Многие каменные материалы могут быть также загрязнены частицами глины, присутствие которой даже в небольших количествах будет увеличивать скорость распада.
Необходимо отметить, что на устойчивость эмульсий большое влияние оказывают дисперсность системы, физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела фаз адсорбционные защитные оболочки температура смешивающихся жидкостей [1].
Свойства эмульсий на основе деминерализованной воды в основном зависят от содержания и состава смолистых компонентов, что обусловлено концентрированием в них полярных кислород- и азотсодержащих соединений.
На устойчивость эмульсий большое влияние оказывает степень раздробленности капель водной фазы. Увеличение содержания воды в эмульсиях влияет не только на размеры капель, но и на реологические их свойства. Наблюдается изменения вязкости в области отрицательных температур. Увеличение содержания воды в эмульсиях приводит к изменению не только состава, но и дисперсности структуры асфальтенов.
В зависимости от химического состава компонентов могут изменятся следующие свойства катионных эмульсий: глубина проницаемости иглы (пенетрация), растяжимость (дуктильность), температура хрупкости, интервал пластичности, индекс пенетрации, сцепление с поверхностью и другие.
Выбирая же поверхностно-активные вещества для катионной дорожной эмульсии, необходимо знать, обеспечит ли она необходимую устойчивость и стабильность дисперсной фазы, и учитывать способ эмульгирования, а также физико-химические свойства эмульсии, область ее применения [9]. Катионные эмульсии имеют самую высокую стабильность при рН = 2-4.

1.3. Физико-химические основы эмульгирования

Важным компонентом эмульсионно-минеральных смесей является так называемая вода предварительного смачивания минеральных материалов, которая представляет собой раствор поверхностно-активных веществ и предназначается для регулирования времени распада эмульсии.
Для катионных эмульсий в качестве эмульгаторов используются поверхностно-активные вещества типа аминов, диаминов, полиаминов и четвертичных аммониевых солей, соответствующие техническим условиям предприятий-изготовителей [4].
В качестве ПАВ рекомендуется использовать четвертичные соли аммония (например, алкилтриметиламмоний хлорид ‒ АТМ) в количестве
0,1-0,6 % или адгезионную битумную присадку БП-3 в количестве 0,5-1,0 % к массе воды.
Возможно использование и других ПАВ катионного типа. При использовании четвертичной соли аммония ее растворяют в горячей воде (60-70 °С) при перемешивании [4].
Для приготовления раствора катионного эмульгатора необходимо использовать соляную кислоту. Катионные эмульгаторы вводят в воду или в битум, соляную кислоту вводят только в воду.
Основной особенностью технологии устройства поверхностных обработок с использованием таких смесей является необходимость обеспечения заданного времени распада эмульсии в смеси, тоесть времени от момента приготовления смеси до потери его подвижности.
Время распада эмульсии в смеси имеет зависимость от целого ряда факторов: состава эмульсии, природы эмульгатора, минералогического и зернового составов минеральной части, соотношения компонентов в смеси, температуры и влажности.
Вид и количество эмульгатора для катионных эмульсий назначается в зависимости от класса эмульсии. Количество эмульгатора не зависит от концентрации битума в эмульсии.
В состав эмульгатора для эмульсии класса ЭБК-1 входят [2]: алкилтриметиламмоний хлорид, соляная кислота, амины С17-С20. В эмульсии класса ЭКБ-2, помимо алкилтриметиламмонного хлорида и соляной кислоты, эмульгатором выступают БП-3. Эмульсии класса ЭБК-3 в сотсаве эмульгатора имеют соляную кислоту и БП-3.
Присадка адгезионная БП-3 ТУ 38 УССР 201170-78 представляет собой воскообразный продукт от светло-желтого до светло-коричневого цвета. Температура каплепадения не выше 75 °С, хорошо растворима в битуме.
Амины алифатические С17-С20 технические ТУ 6-02-795-78 представлены в виде белого с желтым оттенком воскообразного продукта. Температура плавления 33-38 °С, хорошо растворим в воде [6].
Четвертичные соли аммония (алкилметиламмоний хлорид) ТУ 3840798-78 выпускается в виде 50-60 % раствора в изопропиловом спирте, хорошо растворим в воде [4].
Используемая для производства катионных битумных эмульсий вода должна соответствовать ГОСТ 4151-72, иметь жесткость не выше 6 мг-экв/л и не должна содержать взвешенные частицы. Для повышения стабильности битумных эмульсий при хранении и транспортировании в битумные эмульсии в процессе приготовления может быть введен 49 %-й водный раствор хлорида кальция по ГОСТ 450-77 в количестве до 0,2 % от массы битумной эмульсии.
Битумная эмульсия соответствующего качества может быть получена при оптимальном содержании составляющих компонентов и оптимальном технологическом режиме. Влияние физико-химических параметров на свойства битумной эмульсии приведено на рис. 1.1.


Рисунок 1.1. ‒ Влияние параметров эмульсии на её свойства [5]

Основные физико-химические свойства ПАВ зависят от химического строения молекул и определяются так называемым гидрофильно-липофильным балансам (ГЛБ) их молекул [9]. ГЛБ отражает соотношение молекулярных масс гидрофильных и липофильных групп. Величина ГЛБ может иметь значение от 1 до 20 (эмпирическая шкала Грифита).
Физическое эмульгирования (перемешивания) может быть механическим с помощью коллоидных мельниц и с помощью сжатого воздуха (Барботаж) в диспергаторе. При механическом смешивании дисперсность эмульсии обуславливают размер рабочих элементов смесителя и емкости, в которой готовят эмульсию, скорость вращающихся частей, количество ультразвуковых или электрогидравлических импульсов. Эмульсии, полученные с помощью механических смесителей, не является однородными. Средний диаметр капель дисперсной фазы по продолжительности смешивания 10-40 мин и скорости 1500 об / мин., находится в пределах 12-18 мкм