CC BY
31
УДК 665.775.5
М.А. Нуриев - аспирант
A.В. Мурафа - кандидат технических наук, доцент
Д.Б. Макаров - кандидат технических наук, старший преподаватель
B.Г. Хозин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Кафедра технологии строительных материалов, изделий и конструкций
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
АННОТАЦИЯ
Разработаны битумные эмульсии на новых анионактивных эмульгаторах, являющихся отходами химической промышленности. Установлены оптимальные концентрации эмульгаторов в битумных эмульсиях. По технологическим и эксплуатационным показателям разработанные битумные эмульсии не уступают известным отечественным и зарубежным аналогам. Полученные битумные эмульсии могут быть рекомендованы к использованию в качестве гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий.
M.A. Nuriev - post-graduate studeny
A.V. Murafa - candidate of technical sciences, associate professor D.B. Makarov -candidate of technical sciences, senior lecturer V.G. Khozin - doctor of technical sciences, professor, head of the department Department of the Technologies of the Building Materials, Product and Designs Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
THE ВITUMEN EMULSIONS FOR DEFENSE COVERING OF BUILDING DESIGNS
ABSTRACT
This article describes the development of bitumen emulsions based on the new anionic emulsifiers from the waste of chemical industry. The optimal emulsifier’s concentration in bitumen emulsions is defined. According to technological and operational parameters the developed bitumen emulsions do not concede to the known Russian and foreign analogues. The derived bitumen emulsions can be recommended to use as waterproofing and anticorrosive coatings.
Битум давно известен как гидроизоляционный и антикоррозионный материал, однако технология нанесения его существенно упрощается при создании на его основе покрытий из битумных эмульсий (БЭ), так как покрытие формируется при комнатной температуре, а сама эмульсия и поверхность покрытия не требуют разогрева (т.е. применяется «холодная» технология).
Однако, применение БЭ в строительстве пока ограничено, что объясняется дефицитом и дороговизной эмульгаторов (главным образом, катионактивных импортных). Кроме того, существующие БЭ не всегда отвечают технологическим и эксплуатационным требованиям.
Исходя из экологических и экономических соображений, для получения БЭ эффективнее использовать анионактивные эмульгаторы. Для этой цели мы использовали побочные продукты и отходы местной химической промышленности, в частности, отход переработки хлопкового масла (ОПХМ) и отход
переработки сельскохозяйственных продуктов (ОПС).
Методом ИК-спектроскопии определен химический состав, а по энергии поверхностного натяжения оценены эмульгирующие свойства выбранных отходов. Установлено, что основой данных продуктов являются высшие жирные кислоты, способные снижать поверхностное натяжение на границе «вода-битум». Так, например, значения величины поверхностного натяжения для ОПХМ и ОПС составляют 0,034 Н/м -
0,045 Н/м соответственно, которые по абсолютной величине сопоставимы с величиной поверхностного натяжения у известных эмульгаторов на основе олеиновой кислоты.
В данной работе для получения БЭ используется комбинированный метод. Комбинированная технология получения битумных эмульсий заключается в следующем:
готовится водный раствор эмульгатора, т.е в воду, нагретую до 800С, при перемешивании со скоростью 150 об/мин. вводится щелочь (№ОН или КОН) в
количестве, необходимом для прохождения реакции омыления и создания рН среды не менее 9. В полученный щелочной раствор добавляется половина от всего количества ПАВ (1; 1,5; 2; 2,5 % от массы эмульсии).
Определяем оптимальный режим приготовления водного раствора ОПС - в течение 1, 2, 3 часов перемешивания раствора при 800С. Установлено, что в отличие от анионактивного эмульгатора ОПХМ, реакция омыления которого проходит в течение трех часов, для ОПС достаточно одного часа. Последнее свидетельствует о значительном сокращении времени получения битумной эмульсии в целом.
Для определения оптимального содержания ПАВ в битумной эмульсии изучались ее основные технологические и эксплуатационно-технические характеристики в сравнении с эмульсиями на индивидуальном ОПХМ в зависимости от концентрации эмульгатора от 1% до 5%. Однако, попытка получить битумные эмульсии на ОПС показала, что устойчивость этих эмульсий невелика. Это связано, вероятно, с тем, что, как было установлено, ОПС обладает меньшими эмульгирующими свойствами. Поэтому в дальнейшем при изучении технологических и эксплуатационнотехнических свойств битумных эмульсий использовался смесевой эмульгатор. Определялось оптимальное соотношение ОПС и ОПХМ в смесевом эмульгаторе. При этом в процессе приготовления БЭ по комбинированной технологии в битум вводилось 2% ОПХМ, а концентрация ОПС в водном растворе №ОН варьировалась от 1% до 5%.
На рис. 1 представлена зависимость условной вязкости битумных эмульсий от концентрации ОПС. Как видно, условная вязкость БЭ на индивидуальном ОПХМ (кривая 2) выше, чем на смесевом эмульгаторе с небольшим повышением вязкости при 2%. Условная вязкость эмульсий на смесевом эмульгаторе с ростом
содержания ОПС (кривая 1) изменяется с максимумом при соотношении ОПС:ОПХМ (3:2).
Кривые изменения однородности БЭ на рис. 2 носят экстремальный характер в обоих случаях: с минимумами при соотношении ОПС: ОПХМ (3:2) (кривая 1) и при 2% с ОПХМ (кривая 2). При этом абсолютная величина однородности БЭ на смесевом эмульгаторе в 2 раза меньше, чем на индивидуальном ОПХМ, что свидетельствует о большей дисперсности эмульсии на смесевом эмульгаторе.
Зависимость однородности битумных эмульсий через 1 сутки от концентрации и типа эмульгатора
Однородность, %
эмульгатор, %
Кривая 1 - БЭ на ОПС: ОПХМ;
Кривая 2 - БЭ на ОПХМ
Рис. 2
На рисунках 3 и 4 представлено изменение устойчивости эмульсий от концентрации ПАВ по истечении 7 и 30 суток. Кривые имеют также экстремальный характер с минимумами при тех же концентрациях эмульгаторов, что и в случае изучения однородности (рис. 2). Необходимо отметить, что битумная эмульсия на смесевом эмульгаторе в соотношении ОПС: ОПХМ 1:2 оказалась неустойчивой уже после 7 суток.
Зависимость условной вязкости битумных эмульсий от концентрации и типа эмульгатора
Зависимость устойчивости при хранении битумных эмульсий через 7 суток от концентрации и типа эмульгатора
Условная вязкость, с 25 -|
20 15 10 5 •
Устойчивость, %
4 5
эмульгатор, %
Кривая 1 - БЭ на ОПС: ОПХМ; Кривая 2 - БЭ на ОПХМ
эмульгатор,%
Кривая 1 - БЭ на ОПС:ОПХМ; Кривая 2 - БЭ на ОПХМ
Рис. 3
2
1
0
0
2
3
Зависимость устойчивости при хранении битумных эмульсий
Устойчивость, %
эмульгатор, %
Кривая 1 - БЭ на ОПС: ОПХМ; Кривая 2 - БЭ на ОПХМ
Рис. 4
Таким образом, выявлено оптимальное соотношение ОПС и ОПХМ в смесевом эмульгаторе, равное 3:2 соответственно, при котором появляется эффект синергизма и наблюдается более высокая однородность и устойчивость эмульсии, чем на индивидуальном ОПХМ.
Одним из основных методов изучения структуры и свойств БЭ является оптическая микроскопия. Для более полной и точной обработки результатов была использована программа автоматического анализа структуры материалов «Система компьютерной обработки изображений (КОИ)», разработанная в Томском политехническом университете. Программа позволяет максимально быстро и точно произвести расчет плоскостных и пространственных характеристик структуры для темной или светлой фаз материала по следующим параметрам:
- средний размер частиц;
- коэффициент вариации;
- дисперсия;
- количество частиц на 10 равных интервалах с определением их размеров.
Для изучения названных параметров нами предлагается использовать разбавленную битумную эмульсию пятикратным водным раствором эмульгатора, поскольку он не оказывает существенного влияния на размеры частиц битумной эмульсии. В заранее приготовленную битумную эмульсию вводится водный раствор эмульгатора, после чего дисперсная фаза эмульсии составила 10%. Это позволяет получить четкое изображение битумных частиц без наложения их друг на друга и произвести их анализ.
Для исследования выбрана эмульсия с 2%-ным содержанием ОПХМ в битуме и концентрацией ОПС в водном растворе №ОН 3% (рис. 5).
Как видно, исследуемая эмульсия является монодисперсной системой, то есть состоит из
капелек практически одинакового размера. Установлено, что при найденной нами оптимальной концентрации эмульгатора (ОПС 3%), наблюдается более высокая степень структурированности изучаемой эмульсии, выраженная в равномерном распределении частиц по всему объему, в меньшем размере частиц от 0,1 до 1,7 мкм, что свидетельствует о седиментационной и агрегативной устойчивости эмульсии.
Поскольку разрабатываемые эмульсии будут использоваться в качестве защитных противокоррозионных и гидроизоляционных покрытий строительных конструкций и изделий, то были проведены исследования по изучению процесса формирования покрытий из эмульсий на металлических и бетонных поверхностях.
Существуют различные теории о механизме и движущих силах процессов при пленкообразовании из водных дисперсий [1-3], в которых особое внимание уделяется выявлению природы сил на
Битумная эмульсия с 3% ОПС
Характеристики структуры для темной фазы
Плоскостные характеристики
Средний размер частиц: 1,817287475
Коэффициент вариации: 0,452728948
Дисперсия: 0,676898882
Коэффициент увеличения: 0,018691588
Количество Процентное
Интервал (мкм) частиц содержание
в интервале частиц
0 - 0,872 (1) 9666 79
0,872 - 1,745 (2) 1555 12,7
1,745 - 2,618 (3) 723 5,9
2,618 - 3,491 (4) 179 1,5
3,491 - 4,364 (5) 58 0,47
4,364 - 5,237 (6) 17 0,14
5,237 - 6,11 (7) 28 0,23
6,11 - 6,983 (8) 1 0,008
6,983 - 7,856 (9) 1 0,008
7,856 - 8,728 (10) 2 0,016
2
границе раздела фаз, ответственных за слияние частиц дисперсий с образованием однофазной непрерывной пленки. В общем виде процесс пленкообразования трактуется как скоростью удаления воды из эмульсии, так и флокуляцией и коалесценцией частиц дисперсий под действием сил различной природы.
Итак, пленкообразование из битумных эмульсий -процесс сложный, зависящий от многих факторов: дисперсной структуры исходной эмульсии, кинетики удаления воды, природы ПАВ и температуры окружающей среды.
Наиболее важной технологической характеристикой, определяющей возможность использования разработанных битумных эмульсий для антикоррозионных покрытий, является кинетика удаления из них воды. С этой целью использовалась битумная эмульсия (3% ОПС), которая наносилась кистью на предварительно очищенные и обезжиренные поверхности бетона и металла. Скорость удаления воды определялась путем взвешивания образцов до постоянного веса при температурах 22 0С и 50 0С.
Необходимо отметить, что одного слоя битумной эмульсии, нанесенной на бетонную поверхность, недостаточно, поскольку примерно через один час формирования покрытия наблюдаются оголенные места поверхности по причине проникновения эмульсии в поры бетона. Поэтому нами был нанесен второй слой БЭ, после чего образовалось ровное сплошное покрытие.
Как видно из рис. 6, после 5 часов формирования покрытия при 22 0С из БЭ на металлической поверхности (кривая 1) масса образца не изменяется и количество удаленной из него воды при этом практически равно первоначальному содержанию воды в БЭ (45%).
Кинетика удаления воды из покрытий на металле и бетоне (22 0С)
Вода, %
Время, час
Кривая 1 - БЭ на металле;
Кривая 2 - БЭ на бетоне
Несколько иная картина наблюдается при формировании покрытия на бетонной поверхности (кривая 2), когда образец достигает своего постоянного веса через 4 часа, т.е. время удаления воды в этом случае на один час меньше, чем из покрытия на металлической поверхности. Вероятно, это можно объяснить частичным проникновением эмульсии в открытые поры бетона.
Поскольку в летнее время года черное покрытие из БЭ может нагреваться до 50 0С и выше, что непременно должно сказаться на скорости удаления воды из эмульсии, то нами проведены исследования по определению этого показателя, т.е. кинетики удаления воды, при 50 0С. Из рис. 7 видно, что скорость удаления воды из покрытий как на металле, так и на бетоне значительно, почти в два раза, увеличивается и составляет 3 часа и 2,5 часа соответственно. Судя по характеру кривых, наибольшее количество удаленной воды из покрытий (до 35%) наблюдается в начальный период времени, т.е. через один час, когда наблюдается степень высыхания покрытия до отлипа.
Таким образом, показано, что кинетика удаления воды из битумной эмульсии и скорость процесса формирования покрытия из нее в большой степени зависят как от природы подложки, так и температуры окружающей среды.
Покрытия из разработанных битумных эмульсий были испытаны на водо- и химстойкость в различных агрессивных средах: 10%-ные водные растворы Н2 804, НС1, №ОН, №С1. Химстойкость оценивалась по изменению массы образцов, внешнего вида (отслоение, растрескивание, вздутие, потеря блеска покрытия), наличие подпленочной коррозии.
Было установлено, что после выдержки образцов в этих средах в течение 30 суток покрытия испытания выдержали, за исключением потери блеска. Подпленочная коррозия на металлической
Кинетика удаления воды из покрытий на металле и бетоне (50 0С)
Вода , %
Время, час
Кривая 1 - БЭ на металле;
Кривая 2 - БЭ на бетоне
Рис. 7
поверхности отсутствовала.
Таким образом, разработанная эмульсия наиболее тонкодисперсная, т.е. обладает наименьшим средним размером частиц, вследствие чего значительно превышает гостированные требования к однородности и устойчивости при хранении и транспортировке. Результаты исследований битумных эмульсий в покрытиях на металлических и бетонных подложках в различных агрессивных средах на водо- и химстойкость показали их высокую надежность как защитных покрытий для строительных конструкций.
Литература
1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1976. - 512 с.
2. Верхоланцев В.В. Физико-химия пленкообразующих систем. - Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1973. - 127 с.
3. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости. - Л.: Наука, 1975. - 592 с.
