Физические проявления взаимодействия между битумом и твердым материалом

Рис. 22. Коалесценция эмульсии:

а - сближение капелек; б - процесс образования сетки битума при наблюдении под микроскопом; 1 - пленка ПАВ на поверхности капель битума; 2 - образование «канальца» (доменообразование); 3 - слияние капель битума

Однако есть ряд общих для всех типов эмульсий факторов, влияющих на скорость и характер их распада.

1. О сближении глобул фазы до образования прямых межфазных контактов .

2. Адсорбция стабилизатора на межфазных поверхностях в значительной степени определяется температурой. Поэтому нагревание или охлаждение эмульсий может приводить к их разрушению. Как правило, при повышении температуры выше определенного уровня адсорбция ПАВ уменьшается, следовательно, возможность коагуляции возрастает. Однако для ряда ПАВ отмечается и обратная зависимость. Очевидно, в таких системах можно ожидать коагуляции при охлаждении системы. В этом случае выяснено, что зависимость поверхностного натяжения от температуры для различных концентраций имеет минимум. По мере увеличения концентрации ПАВ он сдвигается в сторону больших температур. Аналогично изменяется и устойчивость системы. При низких температурах, допускающих замораживание эмульсий, могут происходить следующие процессы.

В эмульсиях прямого типа М/В водная фаза замерзает и в результате расхода воды на образование кристаллов льда повышается концентрация эмульгатора в незамерзшей части водной фазы. По мере увеличения количества кристаллов льда глобулы фазы (битума) все больше сближаются друг с другом и со льдом. В результате создаются условия для включения механизма взаимодействия прямых межфазных контактов, при этом кристаллами льда может повреждаться целостность адсорбционного слоя эмульгатора на глобулах битума. После оттаивания эмульсии прямые межфазные контакты, возникшие в период замораживания, запускают механизм коагуляции.

В эмульсиях обратного типа механизм запуска коагуляции несколько иной, так как кристаллы льда образуются внутри битумной массы, являющейся средой, льдообразование идет от поверхности глобулы водной фазы к ее центру. А поскольку температура замерзания концентрированного водного раствора эмульгатора понижается, то происходит переохлаждение и в результате - разрыв адсорбционного слоя эмульгатора. Ситуация может усугубиться и невысокой температурой хрупкости битума. При оттаивании может происходить процесс коагуляции глобул фазы и разделение фаз. Обратные эмульсии наиболее устойчивы к понижению температуры.

В эмульсиях на твердых эмульгаторах их порошкообразные частицы выступают в роли центров образования льда, поэтому эти эмульсии наименее устойчивы в условиях переменного замораживания-оттаивания. Чем выше дисперсность фазы в эмульсиях, тем выше ее устойчивость в условиях переменных температур и, следовательно, устойчивость к распаду.

Устойчивость всех типов эмульсий в условиях замораживания-оттаивания зависит от скорости этого процесса, типа и концентрации эмульгатора, характеристики битумного вяжущего, прочности адсорбционного слоя эмульгатора и характера его взаимодействия с глобулами фазы.

3. Химическое разрушение адсорбционных слоев с помощью добавок деэмульгаторов. Для каждой эмульсии, в зависимости от ее типа и применяемого эмульгатора, существует свой вид деэмульгатора. Действие этих веществ может основываться на растворении пленки эмульгатора, нейтрализации действия адсорбционного слоя или изменении химического состава фазы.

4. Электрическое деэмульгирование происходит в результате явления электрофореза или образования диполя. В первом случае распад эмульсий происходит потому, что глобулы под действием постоянного электрического тока притягиваются в соответствии со своим зарядом к аноду или катоду, на котором образуется концентрированный их слой. Расстояния между глобулами уменьшаются до критического, и происходит коагуляция эмульсии на данном электроде. Причем на скорость электрофореза влияет вязкость среды. Видимо, для обратных эмульсий этот процесс будет происходить гораздо медленнее. Множественные эмульсии могут обладать электропроводимостью даже, если они диспергированы в масляной фазе. Если же глобулы битума нейтральны (неионогенный эмульгатор), то в электрическом слое они приобретают дипольный момент, т.е. каждая капля получает два разноименных заряда и становится диполем. Капли притягивают друг друга разноименно заряженными концами и коагулируют.

5. Влияние механических нагрузок выражается в механическом повреждении адсорбционного слоя эмульгаторов на глобулах ДФ. Они могут происходить под влиянием механических напряжений или соударений и трения в потоке эмульсии, например, при их перекачке. Такой же характер повреждений может быть и при приготовлении эмульсионно-минеральных смесей.

9. Адгезия

Распад эмульсии при взаимодействии с минеральным материалом происходит в результате нарушения равновесия коллоидной системы. При этом выделяется вода, а капельки битума сливаются, образуя на поверхности частиц сплошную пленку.

Скорость распада эмульсии обусловлена свойствами самой эмульсии и минерального материала.

Причины распада эмульсии при соприкосновении с каменным материалом - это, прежде всего, физико-химические процессы взаимодействия эмульсии с каменным материалом, поглощение воды минеральным материалом и, наконец, испарение воды в процессе перемешивания и формирования слоя.

При контакте эмульсии с минеральным материалом происходит адсорбция из нее прежде всего эмульгатора, затем битума. Таким образом, молекулы эмульгатора как бы связывают битум и минеральный материал. Вследствие адсорбции эмульгатора концентрация его внутри системы уменьшается, нарушается цельность защитных пленок из эмульгатора вокруг глобул битума и их слияние. Вода отделяется тем интенсивнее, чем энергичнее и в большем количестве эмульгатор адсорбируется на поверхности минерального материала, т.е. чем больше удельная поверхность и свободная энергия минерального материала. Влияние минерального материала не ограничивается его химической природой, физическая форма также имеет значение для оценки скорости распада - грубошероховатая или пористая поверхность, адсорбируя воду из эмульсии, ускоряет ее распад. Заполнитель с высоким содержанием мелких фракций способствует более быстрому распаду эмульсии из-за того, что большая поверхность этих фракций создает и большое число электрических зарядов.

При контакте эмульсии с минеральным материалом происходят химические реакции, которые меняют характеристики эмульсии. Наиболее заметны изменения при использовании основных материалов, когда происходит повышение рН эмульсии. Для кислых пород изменение кислотности эмульсии практически не отражается на характере взаимодействий.

Адзгезионно-когезионные свойства эмульсий, предназначенных для поверхностных обработок, требуют особого внимания.

Действительно щебень в поверхностных обработках подвержен большим сдвигающим усилиям, а также влиянию сил, способствующих его отрыву под действием движения транспортных средств и погодных факторов (воды). Вяжущее, обычно распределенное тонкой пленкой по поверхности дорожной одежды, должно сопротивляться, с одной стороны, отделению от поверхности щебня, а с другой стороны, оно должно прочно сцепляться с покрытием. Кроме того, необходимо, чтобы само вяжущее имело высокую когезию и не разрывалось бы под усилием, действующим на слой.

Первое условие удовлетворяется хорошей адгезией вяжущего к каменному материалу и материалу поверхности дорожной одежды. А для этого необходим хороший контакт с обрабатываемой поверхностью на возможно большей площади, что достигается хорошей смачиваемостью. Особенно важно соблюдать это условие для анионных эмульсий, эмульгаторы катионных эмульсий чаще всего его обеспечивают. После смачивания необходимо как можно скорее запустить процесс распада эмульсии и набор 75%-ной адгезионной и когезионной прочности сцепления с минеральным материалом в оптимальные сроки, которые ограничиваются, с одной стороны, скоростью и методами удаления воды из слоя, а с другой - необходимым временем открытия движения.

В случае неудовлетворительной адгезии вяжущего к каменному материалу при поверхностной обработке возможны два варианта дефектов. Первый обусловлен неудовлетворительной смачиваемостью каменного материала вяжущим, в итоге активная поверхность каменного материала (т.е. та, которая должна обеспечивать контакт вяжущего с минеральным материалом) будет покрыта вяжущим не полностью, останутся места, куда может проникнуть вода и отслоить каменный материал от вяжущего. Для выноса такой щебенки в результате движения транспортных средств достаточно небольшого сдвигающего усилия.

Ухудшает адгезию и наличие загрязнений (пыли и чрезмерного количества мелких песчаных фракций) в применяемом щебне. В этом случае поверхность минерального материала будет слишком велика для осуществления хорошего смачивания его при выбранной дозировке нанесения пленки. Второй вариант дефектов - характер самой адгезии: он должен обеспечиваться хемсорбционными связями. При физическом его характере адгезия слишком слаба, чтобы противостоять воздействующим факторам. Особенно важен характер адгезии для тонких и сверхтонких слоев износа, таких, как Сларри Сил, или, если обрабатываемый материал представляет собой гравий или речной песок.

Влияние когезии на устойчивость поверхностной обработки менее исследовано. В последнее время, когда западные стандарты применяются в России без должного анализа и обоснования, эта причина дефектов поверхностной обработки (недостаточная когезия) приобретает все большее распространение. Это касается применения с отечественными битумами мягчителей, пластификаторов или разжижителей, которые, улучшая смачиваемость, ослабляют когезионные свойства битумов и не всегда в оптимальные сроки удаляются из него. Причем следует заметить, что в западных стандартах для очень тонких слоев износа (например, типа Сларри Сил) эти вещества без должного строгого обоснования не применяются.

Таким образом, проектирование состава битумных эмульсий для поверхностных обработок достаточно сложный процесс, так как требует нахождения компромисса между противоречивыми требованиями к вяжущему и сложным характером взаимодействий многих компонентов эмульсии.

10. Перспективные направления развития битумных эмульсий

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.

Дисперсность эмульсии определяет многие ее свойства, и в первую очередь вязкость и скорость распада, которая зависит от распределения капель эмульсии по размерам. Поэтому, если удастся получить эмульсию с заданным размером капель, то это даст возможность задавать контролируемую скорость ее распада и вязкость. Это позволило бы для каждого конкретного случая проектировать эмульсию с каплями «по мерке». Причем получить капли нужного размера можно не только с помощью специальных добавок или подбора того или иного вида эмульгатора, но и путем выбора типа диспергатора и режима его работы в процессе приготовления эмульсии.

Известно, что скорость распада полидисперсной эмульсии зависит от величины среднего диаметра капель - чем больше этот диаметр, тем выше скорость распада. А вязкость эмульсии зависит, прежде всего, от величины отклонения фактических размеров капель эмульсии от среднего диаметра - чем меньше эта величина, тем выше вязкость. Отсюда следует, что если величина отклонения от среднего диаметра капли будет равна нулю, то вязкость эмульсии будет максимальной. Другими словами, чтобы повысить вязкость, нужно приготовить монодисперсную эмульсию, где все капли будут одного диаметра. А для того, чтобы получить требуемую скорость распада эмульсии, необходимо подобрать такой режим работы или тип диспергатора, который позволит получить размер капель определенного заданного параметра, не изменяя состав эмульсии. Таким образом, есть возможность контролировать вязкость эмульсии, изменяя лишь диаметр ее капель, т.е. изменяя только механические условия ее приготовления, например скорость вращения ротора коллоидной мельницы и (или) величину зазора, а не менять химический состав эмульсии или ее водную фазу. Это дает выигрыш во времени при приготовлении, а также в стоимости, так как нет необходимости вводить специальные добавки.

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.

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.

А 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.

Следует отметить, что этими методами можно исправить грубую крупнозернистую эмульсию, полученную обычным путем, пропустив ее через гомогенизатор с очень маленьким клапаном (несколько микрон) под давлением 200-2000 бар (1 бар = 0,1 МПа) (в зависимости от типа эмульсии). Причем это давление подается сверху клапана, а на выходе из него необходимо обеспечить давление в 1 бар. Из-за такого скачка давления возникает кавитация и турбулентность, которые уменьшают размер капель до 50 нм и полидисперсность эмульсии падает.

Рис. 26. Получение эмульсии:

а - полидисперсной (обычной) в коллоидной мельнице;

б - монодисперсной из полидисперсной эмульсии

Для дорожников было бы интересно в недалеком будущем подобрать такую эмульсию, которая при освещении ее фарами автомобиля ночью будет давать цветную полосу, например белого цвета - осевая или красного - обочина, да еще и увеличивать интенсивность окрашивания по мере приближения к опасному участку.

Эмульсии в виде порошка известны - например, это сухое молоко. Однако, чтобы получить вместо жидкой эмульсии «сухой», капсулированный продукт необходим полимер, позволяющий ее капсулировать и высушивать. Фирма Rhodia с 1995 г. работает над решением этой задачи для нужд агрохимии и фармакологии. Однако принцип, который применила эта фирма, вполне пригоден для использования в других областях промышленности.

Действительно, применение «сухой» эмульсии для нужд дорожного строительства в труднодоступных районах или для ремонтных работ, когда этот материал достаточно только развести водой в необходимой концентрации, перспективно. 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.

Рис. 27. Схема получения «сухой» эмульсии:

1 - ПАВ внутри капсул; 2 - полимер

Заключение

Битумные эмульсии получают все большее распространение в России как экономически и технологически выгодный строительный материал для дорожного строительства. Однако в настоящее время новые прогрессивные материалы на основе битумных эмульсий используются мало и часто на недостаточно высоком уровне. Качества этих материалов оставляют желать лучшего. Объясняется это не только низким качеством битумов, но и недостаточной изученностью таких сложных коллоидных систем, которые требуют серьезных знаний в области химии и физикой химии, наличия лабораторий, оборудованных на самом современном техническом уровне, и квалифицированных грамотных инженерно-технических работников.

Кроме того, процесс получения и применения битумных эмульсий и смесей на их основе предъявляет высокие требования к качеству исходных материалов, строгому выполнению технологических регламентов производства работ и квалификации обслуживающего персонала.

За рубежом прогресс в области проектирования и получения битумных эмульсий развивается по пути применения сложной измерительной и исследовательской аппаратуры (лазерные дифрактометры, микроскопы с компьютерными программами и т.п.). Но расходы на приобретение такой техники окупаются достаточно быстро, так как в этом случае удается решить многие сложные проблемы и быстро реагировать на изменение условий приготовления и применения эмульсий. С помощью этой техники возможен оперативный контроль в процессе приготовления эмульсии, своевременное вмешательство в процесс и получение материалов с заданными или желаемыми свойствами.

Большой интерес представляют также модифицированные эмульсии, разработки которых осуществляют ведущие зарубежные фирмы, а также в Беларуси. При выборе минерального сырья, особенно техногенного, и обосновании возможности использования того или иного отхода промышленности в качестве минерального компонента, необходимо учитывать не только соответствие его требованиям ГОСТ по гранулометрическому составу, пористости, набуханию, битумоемкости, или принадлежность его к материалам с кислотными или основными свойствами, исходя из химического состава, но и обязательно - состояние их поверхности, а именно, наличие на ней активных адсорбционных центров, которые могут адсорбировать практически все органические соединения, содержащиеся в битуме, и за счет этого обеспечивать прочные адгезионные контакты между вяжущим и поверхностью минеральных материалов.

Вышеизложенное опровергает устоявшиеся взгляды на неэффективность использования минеральных материалов из кислых пород в органоминеральных композитах, и позволяет предложить новый критерий оценки минерального сырья для производства асфальто-бетона по количеству активных адсорбционных центров на его поверхности.

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.

Список литературы

1. Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высш. шк., 1975. - 255 с.

2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Изд-во «Химия», 1975. - 512 с.

3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - Л.: Изд-во «Химия», 1974. - 351 с.

4. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы. - М.: Транспорт, 1973. - 262 с.

5. Грушко И.М., Королев И.В., Борщ И.М., Мищенко Г.М. Дорожно-строительные материалы. - М.: Транспорт, 1983. - 383 с.

6. Дорожные эмульсии: Энциклопедия. Т. 1 / Под ред. И.Н. Петухова. - EARE, 1988.

7. Соколов Ю.В. Дорожные эмульсии: Учеб. пособие. - Омск: СибАДИ, 1998. - 83с.

8. ГОСТ Р 52128-2003. Эмульсии битумные дорожные прямые. Технические условия / Союздорнии, Росдорнии: Введ. 01.10.2003: Взамен ГОСТ 18659-81. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 18 с.

9. Финские нормы на асфальт / Консультативный совет по покрытиям PANK. - Хельсинки, 2000. - 75 с.

10. Технические указания по приготовлению эмульсий и устройству черных гравийных и щебеночных покрытий с их применением: ВСН 25-63 / Минавтошосдор РСФСР. - М.: Транспорт, 1964. - 157 с.

11. ТУ 218-3443222-01-89. Эмульсия обратная битумосланцевая вязкая для приготовления черного щебня. Технические условия / Минавтодор РСФСР, Мурманский ЦСМ. - 1989. - 5 с.

12. Технические указания по применению битумных шламов для устройства защитных слоев на автомобильных дорогах: ВСН 27-76 / Минавтодор РСФСР. - М.: Транспорт, 1977. - 80 с.

13. Битумные эмульсии: Техн. бюллетень № 2. - ScanRoad USA, 1995.

14. Руководство по применению поверхностно-активных веществ при устройстве асфальтобетонных покрытий (взамен ВСН 59-68) / Росавтодор. - М., 2003. - 40 с.

Интернет-ресурсы

http://shikoshlir.com/asfaltovyj-beton/fiziko-himicheskie-processy-vzaimodejstvija.html

http://knowledge.allbest.ru/chemistry/2c0a65635b2bd78a5c43a88421316d27_0.html

http://helpexams.ucoz.ru/

http://helpexam.hop.ru/

http://www.betoncon.ru/zhbi/asfaltobetonnyie_smesi,_bitumnyie_emulsii_i_mazut/

Размещено на Allbest.ru