Битумные эмульсии

Общие сведения о битумной эмульсии

Битумная эмульсия (эмульгированный жидкий битум) — это современный строительный материал, получаемый путем эмульгирования нефтяного битума в водном растворе эмульгатора на специализированных установках. Внешне представляет собой однородную текучую жидкость (по консистенции схожую с молоком) коричневого или тёмно-коричневого цвета.

Для обеспечения стабильности битумной эмульсии и предотвращения разделения фаз применяются эмульгаторы — поверхностно-активные вещества, которые препятствуют слипанию частиц битума и поддерживают их равномерное распределение в водной среде.

Отличие битумной эмульсии от других видов битума

Различные виды битума широко применяются в дорожно-строительной отрасли в качестве вяжущего при производстве смесей для асфальтирования дорожных покрытий, ремонта дорог, подгрунтовки и поверхностной обработки. При обычной температуре (20–30 °C) битум представляет собой твёрдый или сильно вязкий материал, непригодный к применению без перевода в жидкое состояние.

Перевод битума в рабочую форму достигается тремя способами:

• Нагреванием до 100–200 °C — битум становится жидким и удобным для перемешивания с минеральными материалами (горячие асфальтобетонные смеси) или нанесения в чистом виде (подгрунтовка).
• Разжижением с помощью продуктов нефтепереработки (керосин, нафта, дизтопливо, лигроин, бензин и др.) — вязкий битум смешивается с растворителями и приобретает текучесть при нормальной температуре.
• Эмульгированием — битум диспергируется в водной фазе с эмульгатором; образуется битумная эмульсия, сохраняющая текучесть при 20–30 °C без подогрева.

Основные преимущества битумной эмульсии перед горячим и разжиженным битумом

• Экономичность. На 40–50 % ниже энергозатраты при производстве по сравнению с горячим битумом; длительное хранение в жидком виде без подогрева также экономит энергию.
• Технологичность. Эмульгированный битум совместим с холодными и влажными минеральными материалами — удобно для ремонта и профилактики.
• Экологичность и безопасность. Эмульсия не выделяет значимых объёмов вредных паров и является пожаро- и взрывобезопасной в сравнении с горячим и разжиженным битумом.

При устройстве покрытия на горячем битуме прочность набирается по мере остывания. Смеси на разжиженном битуме твердеют за счёт испарения лёгких фракций растворителя. Смеси на эмульгированном битуме (литые эмульсионно-минеральные, Сларри-Сил, Микросюрфейсинг, холодный асфальт, асфальтогранулобетон) набирают прочность при распаде эмульсии на битум и воду в результате химического взаимодействия эмульгатора с минеральным материалом.

Назначение и область применения битумной эмульсии

Назначение эмульсии определяется её свойствами: материал легко наносится (в т. ч. на вертикальные поверхности), проникает в поры благодаря низкой вязкости и хорошо смешивается с минеральными компонентами (щебень, гравий, песок, минеральный порошок), надёжно связывая их.

Таким образом, эмульгированный нефтяной битум выполняет две ключевые функции:

• Вяжущая функция — связывание минеральных материалов и их частиц (для эмульсионно-минеральных, чернощебёночных, холодных смесей и др.).
• Защитная функция — защита материалов и поверхностей от воды и водно-солевых растворов.

Битумная эмульсия применяется во многих отраслях: в гражданском строительстве (гидроизоляция фундаментов, стен, полов), гидротехнике (защита подземных и гидротехнических сооружений) и особенно широко — в дорожном строительстве.

Для дорожной отрасли использование эмульсий стало стандартом — они применяются для ямочного ремонта, поверхностной обработки и устройства слоёв износа, в мембранных технологиях, а также при приготовлении смесей. Основные направления:

• Приготовление дорожно-строительных смесей для асфальтирования, ремонта и восстановления:
  • Эмульсионно-минеральные смеси для поверхностной обработки и защитных слоёв износа;
  • Холодные складируемые органоминеральные смеси для ямочного ремонта дорог;
  • Холодные регенерированные асфальтобетонные смеси для холодного ресайклинга.
• Поверхностная обработка оснований и покрытий:
  • Подгрунтовка оснований и покрытий перед последующим асфальтированием;
  • Гидроизоляционная обработка пористых покрытий;
  • Обеспыливание дорог;
  • Закрепление подвижных песков;
  • Укрепление грунтов верхней части земляного полотна;
  • Устройство защитной мембраны.
• Ремонт и профилактика разрушений:
  • Проливка мелких трещин в асфальтобетонном покрытии;
  • Гидроизоляция пористых и устаревших покрытий;
  • Ямочный ремонт струйно-инъекционным методом (пневмонабрызг).

Эмульсия эффективна и при строительстве цементобетонных дорог: введение в цементобетонную смесь повышает водостойкость, морозо- и трещиностойкость материала.

Типовой состав битумной эмульсии и технология её производства

Битумные эмульсии, применяемые в дорожном строительстве, как правило, относятся к эмульсиям прямого типа «масло в воде» (М/В), где битум (30–70 %) диспергирован в воде. В эмульсиях обратного типа «вода в масле» (В/М) вода распределена в битуме (массовая доля битума 70–80 %).

Компонентный состав эмульгированного битума

Типовой состав битумной дорожной эмульсии включает 5 основных компонентов:

1. Битум (массовая доля 30–70 %). Применяют вязкий нефтяной дорожный битум различных марок (например, БНД 90/130, БНД 130/200). Для повышения свойств используют полимерно-битумное вяжущее (ПБВ).
2. Вода (15–70 %).
3. Эмульгатор (0,15–3 %). ПАВ, придающие стабильность эмульсии. Чаще применяют водорастворимые ПАВ: анионактивные и катионактивные. Соответственно эмульсия бывает анионной (ЭБА) или катионной (ЭБК). Реже используют твёрдые высокодисперсные минеральные порошки.
4. Стабилизатор (0,05–0,5 %). Например, водный раствор хлорида кальция (для катионных эмульсий).
5. Кислота (0,5–3 %). Как правило, соляная (реже уксусная или ортофосфорная) для повышения стабильности.

В качестве дополнительных компонентов в состав эмульсии могут входить растворители/разжижители, полимеры и модифицирующие добавки.

Технология производства эмульгированного битума

Производство битумной эмульсии, как правило, осуществляется на эмульсионной установке, хотя возможны и другие диспергирующие устройства. Установки бывают периодического (порционного) или непрерывного действия. В периодическом режиме оператор имеет больший контроль над параметрами, в непрерывном — дозирование и нагрев происходят в полуавтоматическом/автоматическом режиме.

Главный рабочий орган — коллоидная мельница. В ней происходит диспергирование битума в водную фазу и последующее смешение всех компонентов эмульсии. Перед диспергированием битум нагревают до 100–160 °C, а водную фазу — до 30–70 °C (для растворения эмульгатора и достижения требуемой температуры эмульгирования при смешении).

Срок хранения готовой эмульсии составляет от 1 до 2 месяцев (в зависимости от типа и марки). Хранение — в вертикальных цилиндрических ёмкостях при температуре воздуха не ниже +5 °C. Транспортировка осуществляется автогудронаторами, битумовозами, железнодорожными цистернами, автоцистернами, а также в металлических бочках.

Классификация битумных эмульсий

После смешивания с минеральным материалом или нанесения на поверхность эмульсия должна превратиться в сплошную битумную плёнку — чтобы выполнять функции вяжущего или защитного слоя. Этот процесс называется распадом.

Распад битумной эмульсии — отделение битума от воды с образованием непрерывной битумной плёнки. Может происходить при испарении воды (для анионных эмульсий) или за счёт химического взаимодействия с минеральным материалом (для катионных эмульсий).

Скорость распада битумной эмульсии — время, в течение которого битум отделяется от воды и образует сплошную плёнку. Зависит от компонентного состава эмульсии, размера частиц битума, её реакционной способности, температуры и влажности воздуха и др.

Классификация по скорости распада при смешивании с минеральными материалами

• Быстрораспадающиеся;
• Среднераспадающиеся;
• Медленнораспадающиеся.

Классификация по химической природе эмульгатора

• Анионные (ЭБА) — используют анионактивные ПАВ;
• Катионные (ЭБК) — используют катионактивные ПАВ.

Для повышения эксплуатационных свойств битумную эмульсию готовят на полимерно-битумном вяжущем (ПБВ).

Марки дорожных эмульсий (12 вариантов)

• ЭБДК Б — эмульсия битумная дорожная катионная быстрораспадающаяся;
• ЭБДА Б — эмульсия битумная дорожная анионная быстрораспадающаяся;
• ЭБПДК Б — эмульсия битумно-полимерная дорожная катионная быстрораспадающаяся;
• ЭБПДА Б — эмульсия битумно-полимерная дорожная анионная быстрораспадающаяся;
• ЭБДК С — эмульсия битумная дорожная катионная среднераспадающаяся;
• ЭБДА С — эмульсия битумная дорожная анионная среднераспадающаяся;
• ЭБПДК С — эмульсия битумно-полимерная дорожная катионная среднераспадающаяся;
• ЭБПДА С — эмульсия битумно-полимерная дорожная анионная среднераспадающаяся;
• ЭБДК М — эмульсия битумная дорожная катионная медленнораспадающаяся;
• ЭБДА М — эмульсия битумная дорожная анионная медленнораспадающаяся;
• ЭБПДК М — эмульсия битумно-полимерная дорожная катионная медленнораспадающаяся;
• ЭБПДА М — эмульсия битумно-полимерная дорожная анионная медленнораспадающаяся.