Битумные эмульсии обеспечивают альтернативный подход, при котором битум приобретает жидкую форму за счет дисперсии в воде. Низкая вязкость битумных эмульсий обеспечивает хорошую способность обработки каменных материалов без их сушки и нагрева. Окончательная прочность дорожного покрытия устанавливается после распада эмульсии, удаления воды путем впитывания в дорожное основание и испарения. Твердая битумная фаза образуется в виде непрерывной тонкой пленки. Такие технологические свойства битумных эмульсий наряду с экономичностью и высокой безопасностью проведения работ, способствуют все более широкому их использованию. Кроме того, значительно снижаются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В экономически развитых странах мира до 30% битума, применяемого в дорожном строительстве, используют в виде битумных эмульсий.
Битумные эмульсии применяют в следующих дорожных технологиях:
- поверхностная обработка дорожных покрытий;
- подгрунтовка (устройство слоев сцепления);
- обработка грунта и гравия;
- пропитка щебня и смесей;
- устройство тонких защитных слоев покрытий из литого асфальтобетона;
- приготовление холодных асфальтобетонных смесей;
- ямочный ремонт струйно-энъекционным способом и способом пропитки;
- приготовление холодных складируемых эмульсионно-минеральных смесей для ямочного ремонта;
- приготовление холодных смесей с использованием старого асфальтобетона (холодный рисайклинг).
Кроме того, битумные эмульсии применяют для гидроизоляции зданий и сооружений, а также для устройства и ремонта мягких кровель.
Битумные эмульсии обладают следующими преимуществами по сравнению с горячим битумом при использовании в дорожном строительстве:
- не требуют подогрева перед применением, что существенно снижает энергетические (на 25-40%) и трудовые затраты на производство дорожных работ;
- обеспечивают экономию битума до 30% за счет малой вязкости, хорошей смачиваемости и обволакиваемости минерального материала;
- совмещаются с влажными твердыми материалами благодаря наличию в их составе воды, что позволяет работать на влажных дорожных покрытиях и минеральными материалами естественной влажности;
- позволяют вести дорожные работы с ранней весны до поздней осени при относительно низких температурах атмосферного воздуха (не ниже +5°С); за счет эмульгатора обеспечивают лучшее по сравнению с обычным битумом сцепление с минеральным материалом;
- обеспечивают большую гибкость в организации и проведении работ со складируемыми эмульсионно-минеральными смесями благодаря длительному (до 6 месяцев) времени их хранения без затвердевания;
- исключают возможность получения Ожегов дорожными рабочими, повышают безопасность труда;
- не пожароопасны, поскольку в состав эмульсии входит вода;
- выделяют в атмосферный воздух значительно меньше загрязняющих веществ по сравнению с горячим битумом.
Битумные эмульсии - это дисперсия битума в воде. Чтобы система из этих двух взаимно несмешивающихся жидкостей была устойчивой необходим третий компонент - эмульгатор. Эмульгатор - это поверхностно активное вещество (ПАВ), ионизированные молекулы которого состоят из гидрофильной «головной» катионной или анионной функциональной группы и гидрофобного липофильного «хвоста», представляющего собой длинную углеводородную цепочку. Ионы молекул эмульгатора адсорбируются на поверхности битумных капель углеводородными липофильными «хвостами» внутрь, а гидрофильными ионными группами наружу. Это создает электрический и пространственно отталкивающий энергетический барьер между каплями, препятствует их тесному сближению и слиянию. ПАВ снижают поверхностное натяжение и облегчают эмульгирование битума. Размер битумных капель, взвешенных в воде - от 1 до 6 мкм.
Схема периодического производства битумной эмульсии
Визуально битумные эмульсии представляют собой однородную темно-коричневую жидкость, изменяющую при распаде свой цвет на черный. В зависимости от типа эмульгатора битумные эмульсии разделяют на катионные и анионные. В катионных (кислых) эмульсиях капли битума приобретают положительный заряд, а в анионных (щелочных) - отрицательный.
Большинство минеральных материалов, используемых в дорожном строительстве, содержат диоксид кремния, который в присутствии воды ионизируется с образованием
анионов кремневых кислот, т.е. эти минералы имеют кислую природу. Поверхность таких материалов в воде приобретает незначительный отрицательный заряд. В то же время минеральные материалы щелочной природы, содержащие углекислый кальций, в воде приобретают незначительный положительный заряд.
Анионные битумные эмульсии смешиваются только с минеральными материалами щелочной природы. Взаимодействие происходит за счет электростатического притяжения отрицательно заряженных капель битума к положительно заряженной поверхности каменного материала, т.е. в результате физической адсорбции. Сцепление вяжущего, выделенного из эмульсии, с твердой поверхностью в этом случае получается не очень прочным.
Катионные битумные эмульсии универсальны и взаимодействуют с минеральными материалами как кислой, так и щелочной природы. Это взаимодействие обусловлено как физической адсорбцией за счет электростатического притяжения, так и протеканием химических реакций на границе раздела фаз с образованием нерастворимых в воде соединений. В результате сцепление битума, выделенного из катионных эмульсий, с каменным материалом получается достаточно прочным. С минералами кислой природы катионные битумные эмульсии реагируют быстрее, чем с каменными материалами щелочной природы. Благодаря своей универсальности и хорошей адгезии эмульгированного битума к поверхности минеральных материалов кислой и щелочной природы в мировой практике широкое распространение получили катионные битумные эмульсии.
По смешиваемости с минеральными материалами (скорости распада) эмульсии делятся на три класса: быстро-, средне- и медленнораспадающиеся. Скорость распада эмульсии зависит от вида и количества эмульгатора, величины показателя концентрации водородных ионов (pН), свойств битума и способа эмульгирования, свойств взаимодействующих с эмульсией минеральных материалов и погодных условий.
Быстрораспадающиеся эмульсии не смешиваются с минеральными смесями пористого и плотного зернового составов. Они активно взаимодействуют с минеральным материалом и их распад происходит ориентировочно через 10-30 минут после соприкосновения. Эти эмульсии применяют в технологиях, основывающихся на ее разливе: для устройства поверхностных обработок, подгрунтовки, ямочного ремонта способами пропитки и струйно-инъекционным, пропиток.
Среднераспадающиеся эмульсии смешиваются с минеральными смесями пористого состава и не смешиваются со смесями плотного зернового составов. Такие эмульсии взаимодействуют с минеральным материалом со средней активностью и распадаются через 30-60 минут после начала контакта. Эти эмульсии применяют для устройства тонкослойных покрытий из литого микроасфальта, приготовления черного щебня и пористых эмульсионно-минеральных смесей (в т.ч. складируемых для ямочного ремонта), пропитки, подгрунтовки, устройства оснований (покрытий) способом холодного рисайклинга, ямочного ремонта струйно-инъекционным способом.
Медленнораспадающиеся эмульсии смешиваются с минеральными смесями пористого и плотного зернового составов. Они взаимодействуют с минеральными материалами с малой активностью. Их распад основан, главным образом, на испарении содержащейся в эмульсиях воды. Эти эмульсии используют для приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей, холодного асфальтобетона, литых холодных асфальтобетонов, регенерированного асфальтобетона, укрепления грунтов.
Минеральный материал оказывает существенное влияние на распад эмульсии. Чем выше содержание в минеральной смеси пылеватых и глинистых фракций, наиболее интенсивно влияющих на коагуляцию битума, тем быстрее распад эмульсии.
Битумные эмульсии производят с помощью диспергирующих устройств. Чаще всего для этого применяют коллоидные мельницы.
Производство битумных эмульсий осуществляют отдельными партиями либо непрерывно.
Производство битумных эмульсий партиями включает в себя как минимум два этапа: подготовку водной фазы и собственно процесс эмульгирования. Водная фаза - это водный раствор эмульгатора, реагента для перевода эмульгатора в ионную форму (кислоты - для катионных эмульсий, щелочи - для анионных) и, при необходимости, других компонентов, улучшающих свойства эмульсий. Водную фазу готовят в емкостях с мешалками в соответствии с заданной рецептурой (объем, температура, РН, дозировка составляющих компонентов). Заранее приготовленная водная фаза и горячий битум дозируются в коллоидную мельницу для смешивания. При необходимости битум можно разжижать дозированным впрыскиванием разжижителя в битумный трубопровод.
При непрерывном производстве битумных эмульсий дозировка компонентов водной фазы и разжижителя осуществляется автоматически индивидуальными насосами в соответствующие трубопроводы.