Битумные эмульсии в дорожном строительстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

УДК 665.455:006.354

А. И. Абдуллин, М. Р. Идрисов

БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Ключевые слова: водо-битумная эмульсия, эмульсия с контролируемым распадом, множественные эмульсии.

Приведены преимущества водо-битумных эмульсий по сравнению с традиционными способами уменьшения вязкости битума без существенных потерь качества дорожного вяжущего. Также авторами проанализированы новые способы использования битумных эмульсий, которые в сочетании с современными технологическими приемами позволяют обеспечить получение широкого спектра вяжущих материалов для дорожного строительства.

Keywords: water-bitumen emulsion, emulsion with a controlled collapse, multiple emulsions.

The article presents the advantages of water-bitumen emulsion in comparison with traditional methods aimed at reducing of the viscosity of bitumen without significant loss of quality of road binder. Also, the authors examined new ways of using of bitumen emulsion, which combined with modern technological methods allow for obtaining a wide range of binders for road construction.

Нефтяной битум является общепринятым вяжущим для строительства и ремонта, автомобильных дорог. Однако, с технологической точки зрения, его следует применять при минимально возможной вязкости, что может быть достигнуто тремя принципиальными способами [1,2]:

- нагрев;

- смешивание с нефтяными растворителями;

- эмульгирование с образованием эмульсий.

Способ с использованием битумных эмульсий, не требует нагрева и может использоваться с холодными и даже влажными минеральными материалами, что позволяет снизить расход энергоносителей до 40% по сравнению с традиционными «горячими» технологиями [3].

Альтернативным и наиболее приемлемым методом совмещения битумов с неорганической фазой является использование битумных эмульсий. Преимущества таких систем очевидны [1]:

1) вязкость битумных эмульсий при комнатной температуре на несколько порядков ниже собственно битумов. Низкая вязкость обеспечивает легкость проникновения битумного материала в даже мелкие поры и обеспечивает совмещение его в достаточно толстом слое неорганического материала;

2) более высокая адгезионная способность к поверхностям различной структуры и природы (кислые и щелочные минералы, а также металл). Повышенная адгезия способствует созданию высокопрочных и долговечных дорожных конструкций;

3) возможность производить работу в условиях низких температур и высокой влажности за счет улучшения сил сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов. Влажность неорганического материала в этом случае играет даже положительную роль при совмещении с битумной эмульсией;

4) снижение вязкости позволяет повысить точность дозирования вяжущего и распределить его более тонкими слоями, что, в свою очередь, приводит к сокращению расходов вяжущего;

5) экономия топлива при производстве «холодных» эмульсионно-минеральных смесей вследствие отказа от нагрева каменных материалов. Процесс совмещения протекает при нормальных условиях, таким образом, не требуется использования энергоемкого оборудования;

6) сокращение вредных выбросов в атмосферу.

В настоящее время в мировой практике строительства дорог и в промышленном строительстве горячие битумы все более вытесняются битумными эмульсиями [4]. Применение эмульсий позволяет повысить производительность труда, качество покрытий, кроме того, появляется возможность использовать их в случае невозможности или нецелесообразности применения горячего битума [5].

Однако одним из недостатков битумных эмульсий является то, что на начальном периоде распада они не могут обеспечить устойчивость против внешних факторов (климатических и эксплуатационных), должно пройти определенное время, чтобы такая устойчивость появилась. С конца 70-х годов прошлого века ведется поиск возможности получения эмульсий с ускоренным формированием. В результате появились эмульсии с контролируемым распадом.

Принцип получения таких эмульсий заключается в инициировании распада эмульсии внутри нее самой, а не в момент контакта с минеральным материалом. Методы, позволяющие вызвать контролируемый распад эмульсии, как правило, запатентованы.

Для получения самораспадающейся эмульсии состав ее и химическая природа добавки, вызывающей распад, должны быть подобраны так, чтобы этот процесс происходил постепенно, иначе эмульсия распадется раньше, чем требуется по технологическому циклу работ. Кроме того, что особенно важно для модифицированных эмульсий, постепенный распад с определенной скоростью позволяет полностью удалить воду из эмульсии без ее защемления в вяжущем или образования корки. А это обеспечивает получение лучшей когезии, чем при обычном распаде катионной эмульсии.

Для подбора такой эмульсии эмульгаторы выбирают исходя из принципа их совместимости со всеми ее компонентами, чаще всего используют комбинации соединений полиамина и четвертичных солей аммония.

В настоящее время разработаны модифицированные эмульсии с контролируемым распадом, которые эффективно сочетают преимущества эмульсий и полимерно-битумных вяжущих. Однако применение пластификаторов и разжижителей в таких эмульсиях рекомендуется избегать.

Для самораспадающихся эмульсий состав должен быть подобран так, чтобы эмульсионно-минеральная смесь оставалась удобоукладываемой в течение заданного технологией работ времени.

Влияние количества добавки, вызывающей распад, на время, в течение которого смесь остается удобоукладываемой, с увеличением количества добавки растет, а показатель распада имеет оптимальное значение. Количество добавки, соответствующее этой точке, и можно считать оптимальным, если не предъявляются какие-либо специальные требования.

Следующим перспективным вариантом использования битумных эмульсий являются так называемые множественные эмульсии, близкие по структуре к обратным эмульсиям.

Такие эмульсии могут получить дорожники в процессе приготовления обратной или высококонцентрированной битумной эмульсии при нарушениях технологических режимов или дозировок, а также в случае использования для приготовления эмульсий «соленого» битума, т.е. битума, который был получен из нефти с применением процесса высаливания, с нарушением технологических режимов. Возможно попадание в битумное хранилище солей в результате неправильного хранения реагентов для зимнего содержания дорог вблизи хранилищ. Образование таких эмульсий особенно характерно для вязких битумов.

В общем, дорожники России знакомы с множественной эмульсией, но только как с браком производства, причем они даже не подозревают, что эта эмульсия могла бы решить многие их проблемы.

Множественная эмульсия - это эмульсия, где дисперсная фаза сама является эмульсией, содержащей капельки другой фазы. Является более вязкой и подвижной, чем обычная, но при нанесении не стекает. Такие эмульсии очень экономичны, даже если не увеличивать содержание дисперсной фазы.

Новое в производстве этой эмульсии связано, главным образом с выбором компонентов - полимерных ПАВ, которые способствуют большей ее устойчивости, лучшему взаимодействию с поверхностью контакта, возможности выбора таких комбинаций состава, которые будут иметь невысокие значения сдвигающих напряжений в зоне контакта с поверхностью [6]. Кроме того, разработана методика проектирования состава множественных эмульсий и учета влияния характеристик материала, на который будет наноситься эмульсия, и ее устойчивости к экстремальным воздействиям. В итоге получается материал, «приспосабливающийся» к фактуре и текстуре нижележащего слоя, что очень интересует дорожников.

По мнению специалистов фирмы С.Бюг, существуют, по меньшей мере, две причины для того, чтобы взяться за разработку таких эмульсий. Это, во-первых, возможность не вводить в состав эмульсии лишнюю воду, чтобы затем ее удалять. При добавлении только необходимого количества воды концентрацию битума можно увеличить, что приведет к повышению вязкости эмульсии. Во-вторых, для достижения такого результата достаточно всего лишь поменять тип эмульсии, высвободив его из уже приготовленной эмульсии с помощью соответствующих технологических приемов. Это позволит гибко приспосабливаться к меняющемуся качеству сырья разного происхождения, получая в итоге конечный продукт со стабильными характеристиками [7].

Еще одно преимущество множественных эмульсий, особенно с точки зрения дорожников, - это то, что, являясь легко подвижными, они, тем не менее, не будут стекать при укладке с поверхностей, имеющих значительный уклон. К тому же эти эмульсии обладают и увлажняющим эффектом.

Рациональность и целесообразность строения множественных эмульсий основаны на их ячеистой структуре, которая позволяет заключать в оболочку (капсулу) активную субстанцию во внутренней водной среде, защищая ее таким образом от воздействия внешней среды. Это называется «эффектом резервуара для активных веществ», которые освобождаются из своего «заточения» в необходимый момент их применения путем разрушения масляных глобул-резервуаров под действием сдвигающего напряжения, в результате чего их содержимое попадает и распределяется во внешней водной фазе. Благодаря таким эмульсиям обрабатываемый материал ведет себя по-разному при контакте с поверхностью различного минерального материала или слоя покрытия. Таким путем можно использовать различные воздействия, например тепла, если ввести в капсулу частицы цеолита или цемента или высвободить в определенный момент под действием света введенный в состав эмульсии пигмент, окрашивающий определенный участок. Применение таких эмульсий может дать возможность исключить операцию увлажнения поверхности, так как им свойственен увлажняющий эффект [8].

В зависимости от дисперсности эмульсии могут быть поли- или монодисперсными.

Обычные дорожные эмульсии полидисперсны, но монодисперсные эмульсии представляют особый интерес. Эти эмульсии позволяют получить материал с повышенными оптическими свойствами и цветной материал с минимальным количеством пигмента [9, 10].

Для получения монодисперсной эмульсии требуется омагниченная вода, которая позволяет управлять размером ее капель. Такая эмульсия имеет интересные оптические свойства: взаимодействуя с пучком света, она способствует получению пучка света определенного цвета в зависимости от размера капель. Этот эффект можно усилить с

помощью электромагнитного поля, т.е. придать материалу нужный цвет, посылая на эмульсию разные пучки света или изменяя размер ее капель [10].

Если монодисперсная эмульсия нужна не сама по себе, а в качестве вяжущего, например как материал промежуточный, то вводится добавка, регулирующая время и скорость ее распада. При этом необходимо строго контролировать стабильность эмульсии при хранении. В этом случае масло переводят в эмульгированное состояние, содержащее такую добавку в растворе на стадии хранения. Тогда химический потенциал этого ПАВ, как и «масла», будет зависеть от размера капли - чем выше этот потенциал, тем меньше размер капли. Из-за такого дисбаланса мелкие капли будут разрушаться в пользу самых крупных (формирование по Освальду). А поскольку, чем меньше капли, тем стабильнее эмульсия, то постепенно эмульсия подойдет к своему заданному сроку разрушения.

Полидисперсные эмульсии при хранении обычно подвержены расслоению (перераспределению капель по объему, особенно при нагревании), т.е. при хранении эмульсия изменяется, что может привести к потере потребительских качеств и даже к ее разрушению. Монодисперсные эмульсии не подвержены такому расслоению. После того как агрегаты в результате притяжения частиц эмульсии без разрушения пленки ПАВ, которая их стабилизирует, в процессе ее хранения и расслоения сформируются, они (агрегаты) будут подвержены действию силы тяжести. Тогда развивается явление разделения фаз (расслоение), т.е. образования геля (крема), или седиментация, в зависимости от относительной плотности обеих жидкостей. Данная фаза аналогична разделению по фракциям сыпучего материала. Это явление можно использовать для получения монодисперсных эмульсий. Но такой метод трудоемок и пригоден только для лабораторных работ, а не для промышленности.

Получить монодисперсные эмульсии можно тремя путями.

1. Путем контроля степени (уровня) сдвига, задавая сдвигающую нагрузку (напряжение при сдвиге) и создавая ламинарное течение. В этом случае капли образуются особо однородные. Эмульсии получают путем сдвига обеих фаз в специальном вискозиметре. При этом желательно сблизить вязкости обеих фаз, чтобы сделать эффективной передачу энергии сдвига от одной фазы к другой. Скорость вращения необходимо контролировать для поддержания ламинарности течения.

2. Путем продавливания вещества, которое диспергируют (ДФ) через пористую мембрану с точно откалиброванными отверстиями, а в нижней ее части, где создаются завихрения жидкости, их сдвигают потоком диспергирующей жидкости (ДС) по касательной под некоторым углом. В этом случае ДФ не должна смачивать материал мембраны.

3. Путем помещения капилляра в трубку большего размера, в которой движется водная фаза с эмульгатором. Через капилляр инжектируют (впрыскивают) ДФ (фазу, которую надо диспергировать) в поток водной фазы с эмульгатором по ее течению. Поток растягивает каплю ДФ, которая образуется на конце капилляра. Когда усилие, тянущее каплю, превысит величину поверхностного натяжения, капля отделяется (этот метод еще не доведен до промышленного использования).

Таким образом, монодисперсные эмульсии открывают пути для производства материалов с новыми заданными механическими и оптическими свойствами. Задавая и контролируя размер капель, используя законы физики, можно существенно улучшить потребительские качества эмульсии и получить совершенно новые свойства эмульсии, которые иногда могут расцениваться на современном уровне производства и как вызов обществу, и как прекрасный продукт [10].

Очень перспективным направлением использования битумных эмульсий является применение «сухой» эмульсии для нужд дорожного строительства в труднодоступных районах или для ремонтных работ, когда этот материал достаточно только развести водой в необходимой концентрации. Получить «сухую» эмульсию можно на основе эмульсии, приготовленной обычным способом, но в водную фазу которой введен специальный полимер, похожий на применяемое ПАВ и совместимый с ним, путем высушивания до получения

твердых частиц-капсул. Внутри такой капсулы находятся капли жидкости, ранее растворенные в воде, - и эмульсия готова к употреблению

В работе [11] наибольшую трудность вызвал поиск способа предотвращения распада эмульсии, который происходил при высушивании из-за несовместимости полимера, позволяющего высушивать и затем вновь растворять эмульсию, с ПАВ, применявшимся для приготовления самой эмульсии и находящимся вокруг капель ДФ, подлежащих капсулированию. В результате кропотливой работы специалистов по изучению физико-химических свойств эмульсий был синтезирован гидрофильный полимер типа полиакрилата с невысокой вязкостью, состоящий из коротких гидрофобных звеньев, не препятствующих его растворимости в воде, относящийся к ПАВ двойного действия. Этот полимер позволил получить «сухую» эмульсию путем высушивания. В этом режиме необходимо соблюдать только одно правило корректировки параметров сушки - минимальное соотношение между размером гранулы и первоначальным размером капель должно быть близким к 10.

Создание новых перспективных материалов на основе эмульсий и разработка оптимальных решений в сочетании с новыми технологическими приемами позволяет обеспечить получение широкого спектра эмульсионных материалов для дорожного строительства, не уступающих, а в чем-то даже превосходящих, традиционные асфальтобетонные смеси [12].

Литература

1. Петухов, И.Н. Дорожные эмульсии. В 3 т. Т.1 / И.Н. Петухов. - Минск.: ЕАДЭ, 1997. - 230 с.

2. Абрамзон, А. А. Эмульсии / Абрамзон А.А. - Л.: Химия, 1972. - 124 с.

3. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико-химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. - 192 с.

4. Гельфанд, С.И. Изготовление дорожных битумных эмульсий / С.И. Гельфанд, Н.А. Евдокимов. -М.: Дориздат, 1943. - 96 с.

5. Розенталь, Д.А. Битумы. Получение и способы модификации / Д.А. Розенталь, А.В. Березников. -Л.:ЛТИ, 1979. - 80с.

6. Lauby A. Emulsions: les evolutions en marche // RGRA. - 2002. - № 809. - Р. 24-25.

7. Caracterisation de la stabilite des emulsions opaques et concentrees dans l'industrie petroliere / Ch. Dalmazzone // RGRA. - 2002. - № 809. - Р. 44-49.

8. La texture en cosmetologie. De la formulation au procede d'application / A. Lauby // RGRA. - 2002. - № 809. - Р. 37-42, 54.

9. 3-й Международный конгресс по эмульсиям. - Лион, 2002. - Сентябрь.

10. Des gouttes sur mesure: la haute countwe de l'emulsion / J.-E. Poirier // RGRA. - 2002. - № 809. -Р. 34-36.

11. L'emulsion seche: l'exemple type dune combinaison formulation et procede / A. Lauby // RGRA. - 2002. - № 809. - Р. 30-32.

12. Идрисов, М.Р. Создание адгезионной добавки к щебеночно-мастичному асфальтобетону / М.Р. Идрисов, Р.А. Кемалов, А.Ф. Кемалов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №9. -С. 226-229

© А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected] М. Р. Идрисов - асп. той же кафедры, [email protected].