Битумные эмульсии. (Тема 5)

В то же время долговечность, прочность и водостойкость покрытия, которые обеспечиваются адгезионно-когезионными свойствами вяжущего, увеличиваются с повышением вязкости битумного вяжущего.
Вид эмульсии при большом увеличении
Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, обычно выбирают битумное вяжущее, исходя из условий эксплуатации покрытия (нагрузки, атмосферных воздействий и т.п.), т.е. с высокими вязкоупругими свойствами, а для обеспечения технологических свойств его переводят в жидкое состояние одним из трех основных способов :
нагреванием до высоких температур (применяется для получения горячей асфальтобетонной смеси);
разжижением органическими разжижителями (используется для получения некоторых типов холодных и теплых органоминеральных смесей);
превращением битума в одну из дисперсных систем – эмульсию, пасту или пену.

Классификация эмульсий
По характеру взаимодействия с минеральными материалами битумные дорожные эмульсии делятся на быстро-, средне- и медленнораспадающиеся.
Согласно ГОСТ 18659–81 скорость распада битумных эмульсий характеризуется возможностью смешивания их с минеральными материалами различного гранулометрического состава.
В России эмульсии классифицируются не по скорости распада, а по устойчивости при перемешивании с минеральными материалами, но увязывается это со скоростью распада:

Классификация битумных эмуль­сий в зависимости от области их применения в строительстве автодорог:
дорожные, обычно содержащие эмульгированные дорожные вязкие нефтяные и сланцевые битумы, каменноугольные или другие дегти, предназначенные для дорожных работ;
гидроизоляционные, обычно содержащие эмульгированные высоковязкие строительные и кровельные нефтяные битумы и предназначенные для гидроизоляционных работ, в том числе гидротехнических и кровельных;
отделочные, чаще всего содержащие эмульгированные при­родные и синтетические каучуки (латексы) или поливинилацетат (ПВА) и используемые вместе с наполнителями, стабилизатора­ми и пигментами как компоненты водно-эмульсионных красок;
специального назначения, например, для смазки форм при изготовлении сборных бетонных и железобетонных изделий или для охлаждения резца при механической обработке и изготовле­нии металлоизделий.
В зависимости от природы жидкости в составе фаз эмульсии различаются на:
прямого типа – эмульсии масла в воде (М/В), когда капли битума (ДФ) диспергированы в воде (ДС);
обратного типа – эмульсии воды в масле (В/М), когда вода (ДФ) диспергирована в битуме (ДС).
Битумные эмульсии могут подразделяться на
низкоконцентрированные (с концентрацией ДФ до 40%);
концентрированные (до 74%);
высококонцентрированные (более 74% битума).

Эмульсии прямого типа обычно подразделяются в зависимости от природы эмульгатора на классы:
анионные;
катионные;
с эмульгаторами двойного действия (амфотерные);
неионогенные;
эмульсии на твердых эмульгаторах.
В российских стандартах эмульсии подразделяют только на анионные и катионные (обозначены соответственно А и К), а в новом ГОСТ Р 52128–2003 введено также деление эмульсий в зависимости от применения полимерных материалов, причем независимо от способа введения полимера в битум – непосредственное эмульгирование такого полимербитума или введение его в уже приготовленную эмульсию (обозначено П).
Эмульсии обратного типа в зависимости от природы эмульгатора делятся на следующие:
эмульсии на основе ПАВ;
эмульсии на твердых эмульгаторах;
эмульсии на эмульгаторах неионогенного типа.
Полимермодифицированная (битумно-полимерная) дорожная битумная эмульсия – битумная эмульсия, имеющая в своем составе полимер в виде латекса или модифицирующей добавки к битуму в количестве, необходимом для улучшения свойств остаточного вяжущего.

Структурный состав битумных эмульсий
Битумы, являющиеся неполярными веществами, не раст­воряются в полярной жидкости (воде), поэтому они могут смешиваться с водой только с образованием коллоидной дисперсной систе­мы – эмульсии. Образование и устойчивость эмульсии достигается путем введения в нее специальных эмульгаторов – поверхностно-активных веществ и тонкодисперсных твердых порошков.
Поверхностно-активные вещества, молекулы которых состоят из полярной и неполярной частей, ориентируются на границе раздела «битум–вода» таким образом, что неполярной частью они обращены к битуму, а полярной – к воде. Вследствие такой ориентации поверхностно-активных веществ создается слой, кото­рый уравнивает разность полярностей битума (фазы) и воды (сре­ды), снижает поверхностное натяжение на границе их раздела.
Структура битумной эмуль­сии:
а – на органическом эмульгаторе;
б – на порошкообразном твердом
эмульгаторе; 1 – битумная частица
(фаза); 2 – вода (среда);
3 – органический эмульгатор;
4 – порошкообразный эмульгатор

Эмульгаторы для приготовления битумных эмульсий
Эмульгаторы для битумных эмульсий как для прямых, так и для обратных можно разделить по типу применяемого ПАВ на водо- и маслорастворимые. Третий, особый тип эмульгатора, не применяемый в зарубежной дорожной практике, – это твердые эмульгаторы.
Классификация эмульгаторов для битумных эмульсий

Приготовление дорожных эмульсий
Производство дорожных эмульсий состоит в измельчении (диспергировании) битума или дегтя в воде с эмульгатором.
Технологический процесс изготовления эмульсий состоит из сле­дующих операций:
1) разогрева вяжущего материала;
2) приготов­ления эмульгаторов;
3) диспергирования вяжущего и смешения его с водным раствором эмульгатора.
Битум или деготь в зависимости от вязкости подогревают до температуры 50–120 °С. Производство битумных эмульсий может осуществляться на установках непрерывного или периодического действия.
Органические водорастворимые эмульгаторы приготавливаются следующими способами :
Эмульгатор предварительно смешивается с нагретым битумом или дегтем и отдельно готовится водный раствор щелочи.
Эмульгатор (кислоты или продукты, их содержащие) омыляется в водной среде щелочью.
Приготовленные компоненты эмульсии (эмульгатор или водный раствор щелочи, вяжущий материал) содержатся в специальных резервуарах, из которых и подаются в эмульсионную установку. В установке при помощи вращающихся дисков (лопастей) происходит диспергирование (раздробление) битума или дегтя в водной среде. Эмульгатор адсорбируется на поверхности частиц вяжущего ма­териала и придает устойчивость получаемой эмульсии.

Принципиальная схема установки периодического действия:
1– битумонагреватель; 2 – дозатор битума; 3 – насосы; 4 – дозатор эмульгатора; 5 – диспергатор;
6 – хранилище эмульсии

Оборудование для приготовления эмульсий
Для приготовления дорожных эмульсий используют разнообразные машины и установки.
Классификация эмульсионных машин

Диспергаторы относятся к оборудованию непрерывного действия. В них происходит измельчение одной жидкости в другой за счет приложения большой удельной механической энергии к жидкостям, находящимся в узком зазоре (0,2­ – 0,4 мм) между ротором и статором.
Диспергаторы подразделяют на два типа: роторные и плунжерные. Диспергаторы первого типа имеют значительно меньшее количество трущихся деталей, чем плунжерные, и более просты конструктивно.
По количеству вращающихся дисков (роторов) диспергаторы подразделяют на одно-, двух- и трёхдисковые. Они также различаются по количеству щелей между ротором и статором и между роторами, например однодисковый трехщелевой.
Для создания лучших условий эмульгирования рабочим поверхностям статора и ротора может придаваться различная форма: коническая, цилиндрическая, параболическая, извилистая и др. Использование роторов с извилистой, волнистой или зубчатой поверхностью удлиняет путь движения жидкостей в зазоре между ротором и статором, что облегчает диспергирование и повышает дисперсность эмульсий.
Оборудование, реализующее принцип механического эмульгирования с помощью диспергаторов роторного типа (коллоидной мельницы), можно разбить на три группы в зависимости от получаемого размера частиц битума в эмульсии :
- мельницы первой группы: пик от 1 до 2 мкм и более 90% частиц менее 5 мкм;
- мельницы второй группы: пик 4–5 мкм и более 90% частиц менее 10 мкм;
- мельницы третьей группы: пик выше 5 мкм и более 10% частиц крупнее 10 мкм.

Виды рабочих поверхностей диспергаторов роторного типа
а – конические; б – цилиндрические; в – параболические; г – зубчатые;
д – извилистые; е – кулачковые; ж – турбинные; 1 – статор; 2 – ротор; 3 – загрузочные или разгрузочные отверстия; 4 – вал; 5 – кулачковые била; 6 – турбинные лопатки

Типы перемешивающих органов в мешалках для приготовления эмульсий: а – лопастные; б – винтовые (пропеллерные);
в – турбинные закрытого типа; г – турбинные открытого типа;
д – шнековые
Мешалки являются оборудованием порционного действия. Известны три основных типа перемешивающих устройств :
лопастные (частота вращения лопастей от 20-30 об/мин до 800-1000 об/мин),
винтовые (частота вращения винта 300-1000 об/мин)
турбинные (частота вращения турбин 100-320 об/мин).
Лопастные мешалки по конструкции значительно проще диспергаторов. Их широко используют для приготовления обратных эмульсий с применением жидких вяжущих материалов – каменноугольного дегтя или сланцевого битума, с нефтяным вязким битумом.

Состав установки по производству битумной эмульсии
1 – моторный блок; 2 – блок приготовления водного раствора; 3 – блок охлаждения эмульсии;
4 – блок нагрева воды; 5 – линия ввода разжижителя и эмульгатора добавок; 6 – линия ввода латекса;
7 – дозаторы; 8 – диспергатор

Оборудование

Оборудование