Битумные эмульсии – дисперсные системы, которые состоят из битума, воды и эмульгатора, придающего системе устойчивость. Битум в такой системе может выступать как в виде дисперсной фазы, так и дисперсионной среды. В первом случае он образует прямую эмульсию, во втором – обратную эмульсию.

    К одним из существенных недостатков битума как вяжущего материала, которые значительно усложняют проведение дорожных работ, можно отнести следующие:

- высокая вязкость, вследствие которой возникает необходимость поддержания высокой температуры битума во время проведения работ;

- невозможность равномерного распределения битума тонким слоем на полотно дорог и на поверхность каменных материалов;

- необходимость применения сухого минерального материала.

Принципиально существует три способа перевода битума в жидкое состояние:

- нагрев битума;

- разжижение растворителями;

- эмульгирование битума в воде.

    Промежуточное положение между разогретыми битумами и эмульсиями занимают разжиженные битумы, которые хотя и снимают большинство проблем, связанных с использованием нагретых до рабочих температур дорожных битумов, сами имеют ряд существенных недостатков:

- замедленное формирование пленки вяжущего на поверхности каменного материала;

- необходимость использования дорогостоящих растворителей, которые не несут никакой функциональной нагрузки в связующем материале и в основном испаряются в атмосферу, оказывая вредное влияние на экологическую обстановку;

- высокая пожароопасность растворителей;

- необходимость хранения разжиженного битума в герметично закрытых емкостях во избежание испарения растворителя.

    Третий способ перевода битума в рабочее состояние – эмульгирование – не требует нагрева вяжущего до высоких температур на различных стадиях производства и применения эмульсий.

Дорожные битумные эмульсии появились в 20-х годах прошлого столетия во Франции. С появлением такого вяжущего были сняты основные проблемы, возникающие при использовании традиционных органических вяжущих на различных стадиях ремонта и строительства дорожных покрытий.

Битумные эмульсии имеют ряд преимуществ по сравнению с горячими асфальтобетонами:

- сокращение расхода битума на 20-40% за счет его более равномерного распределения по поверхности заполнителя тонким слоем;

- возможность производить работы в сырую прохладную погоду за счет улучшения сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов, т.к. эмульсия содержит воду;

- экономия более 40% энергии при производстве «холодных» эмульсионно-минеральных смесей, т.к. нет нагрева каменных материалов;

- устранение необходимости в нагреве вяжущего до высокой температуры, т.к. эмульсии имеют вязкость значительно меньше битума, сопоставимую с вязкостью дисперсионной среды (т.е. воды);

- сокращение вредных выбросов в атмосферу при дорожных работах и улучшение техники безопасности.

Особо следует подчеркнуть, что к наиболее важным преимуществам эмульсий относятся их заметно меньшая по сравнению с битумами вязкость и более высокая адгезионная способность к поверхностям различной структуры и химического состава за счет действия сил электрического взаимодействия между эмульгатором и поверхностью минерального материала, например, катионных эмульсий к кварцевому песку. Снижение вязкости позволяет повысить точность дозировки вяжущего, что уменьшает вероятность «потения» слоев (выступления битума на поверхность из объема слоя) и приводит к сокращению расхода вяжущего. Улучшенная адгезия способствует созданию высокопрочных и долговечных дорожных конструкций. Наиболее эффективны битумные эмульсии при ремонте автомобильных дорог.

К недостаткам битумных эмульсий можно отнести их относительно низкую устойчивость к распаду, на которую влияет целый ряд факторов.

    Эмульсия, стабильная при хранении и транспортировке, при нанесении на минеральный заполнитель или на поверхность дорожного покрытия, должна необратимо разрушаться с требуемой скоростью. Скорость разрушения эмульсий регулируется типом и количеством эмульгатора. Однако на скорость разрушения влияют и другие факторы, такие как природа минерального заполнителя, температура и другие климатические условия. Когда эмульсия наносится на поверхность минерального заполнителя, электрические заряды поверхности минерала быстро поглощают определенное число ионов эмульгатора до уровня, при котором начинается разрушение эмульсии. Битум, высвобождаемый в процессе разрушения катионной эмульсии и имеющий на своей поверхности положительные заряды, хорошо прилипает к поверхности минерала с отрицательными зарядами.

    На скорость разрушения и адгезию битумных эмульсий оказывает большое влияние минеральный состав заполнителя. Заполнители можно характеризовать как имеющие щелочной и кислотный характер поверхности. Примером заполнителя со щелочным характером поверхности может служить известняк, примером заполнителей с кислым характером поверхности – гранит и кварцит. Эмульсии по-разному ведут себя на заполнителях различной природы (табл. 1)

Таблица 1 - Поведение битумных эмульсий на заполнителях различной природы

На стабильность эмульсий оказывает влияние температура. При повышении температуры ускоряется испарение воды из эмульсии, что приводит к уменьшению объема дисперсионной среды (воды), повышается концентрация битума и битумные капли начинают соединяться друг с другом. В ходе этого процесса некоторая часть водной фазы может оказаться внутри битума, в результате чего образуется обратная эмульсия. Помимо температуры, на скорость распада эмульсий влияют такие погодные факторы, как относительная влажность и скорость ветра. При понижении влажности воздуха будет также происходить ускоренное испарение воды из эмульсии, что может привести к превращению ее в обратную. Разрушение эмульсий может быть ускорено воздействием механических сил, например, вибрацией катков или сильными порывами ветра.

Виды битумных эмульсий

Битумные дорожные эмульсии

Битумные дорожные эмульсии (ГОСТ 18659) относятся к эмульсиям прямого типа, в которых битум распределен в виде капель. Содержание битума определяется целевым назначением эмульсии и обычно составляет 30…70% по массе. Цвет битумных эмульсий – коричневый, от светлого (при невысоком содержании битума) до темного в зависимости от степени дисперсности входящего в них битума. Важным показателем является устойчивость эмульсий при хранении. Катионные эмульсии необходимо хранить и применять при температуре не ниже 5^оС. Замораживание эмульсии недопустимо, поскольку при последующем оттаивании она разрушается необратимо. Максимальная температура, при которой можно хранить и применять битумную эмульсию, не должна превышать 85^оС.

Эмульсии достаточно устойчивы в объеме, но обладают высокой чувствительностью при соприкосновении с поверхностью различных материалов. При нанесении на поверхность или при смешении с каменными материалами эмульсия распадается на составные части – битум и воду. Битумные эмульсии по скорости распада подразделяются на:

- быстрораспадающиеся (в течение нескольких минут);

- среднераспадающиеся (в течение нескольких часов);

- медленнораспадающиеся (в течение нескольких суток).

    Необходимая скорость распада эмульсий определяется технологией применения. Быстрораспадающиеся эмульсии используют для поверхностной обработки, грунтовки и устройства щебеночного покрытия методом пропитки. Среднераспадающиеся эмульсии применяют для приготовления черного щебня, устройства поверхностной обработки, проведения ямочного ремонта и укладки слоев дорожной одежды по методу пропитки. Медленнораспадающиеся эмульсии используются для устройства слоев дорожной одежды из минеральных наполнителей (щебня, гравия, песка), обработанных способом смешения на дороге, а также для плотных щебеночных, гравийных и песчано-гравийных смесей, приготовленных в установке, и для укрепления грунтов.

    Прямые битумные эмульсии в зависимости от типа эмульгатора делятся на 4 вида:

- анионные (ЭБА 1,2,3);

- катионные (ЭБК 1,2,3).

Катионоактивные битумные эмульсии. Наиболее применяемыми в последнее время стали эмульсии катионного типа, с электроположительным зарядом капель битума (рис. 2).

В качестве катионных эмульгаторов используются аминные соединения типа моноамина RNH₂ или диамина R-NH-R₁-NH₂. Аминные соединения нерастворимы в воде, и в растворимую форму их переводят взаимодействием с соляной кислотой, в результате чего образуются водорастворимые хлористые соединения типа хлорамина R-NH₃Cl. Показатель рН катионных эмульсий составляет от 1 до 6 за счет избытка соляной кислоты.

Катионоактивные битумные эмульсии (ЭБК) подразделяются на три класса: быстрораспадающаяся эмульсия ЭБК-1, среднераспадающаяся эмульсия ЭБК-2 и медленнораспадающася эмульсия ЭБК-3. Эмульсии ЭБК представляют собой суспензии, состоящие из битума, воды, эмульгаторов, соляной кислоты и хлористого кальция, применяемого в качестве стабилизатора – вещества, влияющего на стабильность эмульгатора.

Рисунок 2 - Катионоактивная битумная эмульсия

Анионоактивные битумные эмульсии. Анионоактивные битумные эмульсии (ЭБА) с электроотрицательным зарядом капель битума (рис.3.) используются реже, так как они менее стабильны и хуже осаждаются на поверхности каменного материала, особенно с кислотным характером.

В качестве анионных эмульгаторов используются: асидол-мылонафт, кубовые остатки нефтепереработки, контакт Петрова, госсиполовая смола (хлопковый гудрон), жировой гудрон, таловое масло и др. В состав анионных эмульгаторов входят жирные кислоты общей формулой RCOOH. Эмульгаторы являются нерастворимыми веществами, и в раствор их переводят при химическом взаимодействии с гидроксидом натрия, в результате чего образуются водорастворимые натриевые соли данных кислот. Показатель рН таких эмульсий составляет от 9 до 13, и, как правило, они содержат избыточное количество гидроксида натрия.

Рисунок 4 - Анионоактивная битумная эмульсия