CC BY
137
М. Р. Идрисов, А. И. Абдуллин
ПРОКСАНОЛЫ В КАЧЕСТВЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ВОДО-БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Ключевые слова: водо-битумная эмульсия, проксанол, гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ), индекс распада.
Приведены результаты исследований стабилизирующего эффекта блок-сополимеров класса проксанолов водо-битумных эмульсий по изменению одного из важнейших эксплуатационных показателей битумных эмульсий - индекса распада (ИР). Разработаны составы водо-битумных эмульсий с высоким индексом распада для проектирования холодных литых асфальтобетонов. Также авторами проанализировано влияние небольших концентраций электролитов на устойчивость водо-битумных эмульсий, стабилизированных с помощью проксанолов.
Keywords: water-bitumen emulsion, proksanol, hydrophilic-lipophilic balance (HLB), index of decay.
It is shown the results of studies of the stabilizing effect of block copolymers (proksanol class) of water-bitumen emulsions by changing one of the most important operational parameters of bitumen emulsions -decay index. It was developed formulations of water-bitumen emulsions with a high index of decay for the design of cold-cast asphalt. Also, the authors analyzed the influence of small concentrations of electrolytes on the stability of water-bitumen emulsions stabilized by proksanols.
Создание долговечных, экономически
эффективных, экологически чистых и технологичных материалов для дорожных, кровельных и
гидроизоляционных покрытий является в настоящее время весьма важной задачей. Классическая «горячая» технология производства битумных покрытий сложна, энергоемка и экологически небезупречна. Поэтому для этих целей применение битумных эмульсий является более перспективным направлением, так как позволяет перейти к холодным технологиям [1].
К тому же рост требований к
характеристикам асфальтобетонных покрытий связан с ростом скоростей движения и увеличением количества тяжелых и сверхтяжелых грузовых автомобилей в составе движения на ряде магистральных дорог. Применение
высококачественных вяжущих материалов для асфальтобетонных покрытий будет способствовать сокращению затрат на их ремонт и содержание, и позволит решать достаточно актуальную проблему для нашей страны - строительство новых автомобильных дорог. Поэтому созданию и внедрению новых комплексных вяжущих для
дорожных асфальтобетонов, способных повысить срок службы дорог и их качество, придается большое значение. И такими вяжущими могут стать нефтяные битумные эмульсии, которые имеют ряд
преимуществ, как по свойствам, так и по технологии их применения.
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 [2,3]:
- нагрев;
- смешивание с нефтяными растворителями;
- эмульгирование с образованием эмульсий.
Альтернативным и наиболее приемлемым
методом совмещения битумов с неорганической
фазой является использование битумных эмульсий. Преимущества таких систем очевидны [3, 4]:
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.
Важным параметром, характеризующим пригодность ВБЭ для использования в тех или иных условиях, является индекс распада (ИР) и сцепляемость битума, выделенного из эмульсии, с поверхностью минерального наполнителя, другими словами показатель адгезии.
Холодный асфальт (смеси эмульсионноминеральные складируемые) - это
фракционированный щебень, обработанный вяжущим на основе битумной эмульсии с адгезионными и пластифицирующими добавками. Добавки
обеспечивают образование на поверхности битума, наносимого на инертные материалы, пленки, обладающей защитными свойствами. Образование пленки способствует предотвращению затвердевания битума при сохранении готовой смеси. При проведении работ по ремонту дорожного покрытия образовавшаяся пленка разрушается при контакте с воздушной средой, чем обеспечивается необходимая пластичность материала. Холодный асфальт используется для ремонта ям, трещин в дорожном покрытии, создании дорожек, площадок. После укладки он остается достаточно прочным летом, не выкрашивается зимой, выдерживает предельную усадку, расширение и нагрузку, вызванные жесткой эксплуатацией и изменением погодных условий. В качестве инертных материалов используют высокопрочный дробленый камень, чистый без каких-либо примесей и хорошо высушенный. Для ремонта дорог используют битум марки МГ 130/200, а для укладки дорожного полотна - битумную эмульсию, относящейся к классу медленнораспадающихся эмульсий.
Преимущества холодного асфальта перед горячим:
1. увеличивается срок строительного сезона, т. к. укладка может осуществляться при отрицательных температурах;
2. увеличивается расстояние транспортировки;
3. достигается срок хранения смеси от 10 до 12 месяцев;
4. не требуется специальных средств при транспортировке и укладке;
5. упрощается технология подготовки ремонтируемой поверхности дорожного полотна;
6. повышается коэффициент сцепления колеса автомобиля с поверхностью дороги;
7. уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу (температура приготовления смеси не более 100°С);
8. увеличивается срок службы дорожного полотна (от 3 до 5 лет).
Стоимость холодного асфальта выше стоимости обычного, т.к. используются
дорогостоящие адгезионные добавки (удельный вес затрат составляет 43,58%) и в рецептуре увеличен процент содержания битумной эмульсии (удельный вес затрат составляет 11,26%). Однако и качество его тоже выше, да и технология укладки проще.
В процессе применения водо-битумных эмульсий возникает острая проблема использования эмульсий с различными эксплуатационными свойствами. Это диктуется различными целями использования их в дорожном строительстве и приводит к тому, что для каждого конкретного случая приходится использовать различные по классу эмульсии (медленно-, средне- и
быстрораспадающиеся). Для решения данной задачи в процессе производства битумных эмульсий приходится использовать разные эмульгаторы или
использовать различные по природе битумы, что приводит к усложнению технологии производства эмульсий. Данная проблема частично решается с использованием модифицирующих добавок [5].
В связи с изложенным целью работы является подбор модифицирующей добавки, которая позволяла бы в первую очередь достичь высокого индекса распада при одной и той же природе, как битума, так и эмульгатора.
В настоящее время наибольшее практическое применение находят битумные эмульсии, приготовленные с использованием катионактивных эмульгаторов [2]. Поэтому поставленная задача, как правило, в промышленных условиях решается увеличением содержания эмульгатора в эмульсии либо путем введения специальной добавки-модификатора. Однако, содержание такой добавки может достигать нескольких процентов, что
естественно не выгодно с экономической точки зрения.
В качестве эмульгаторов нами были предложены блок-сополимеры класса проксанолов (плюроников) с различным содержанием
гидрофильных полиоксиэтиленовых блоков в молекуле ПАВ и, следовательно, с различными значениями показателя гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ): марка А со значением ГЛБ, близким к 10, и марка Б со значением ГЛБ, близким к 16.
Между числом ГЛБ полиоксиэтилированного неионогенного ПАВ и среднемассовым содержанием оксиэтиленовой части соблюдается примерная зависимость [6]:
ГЛБ^^, (1)
где %ОЭ -массовая доля окисиэтилена в молекуле ПАВ.
Неионогенные поверхностно-активные
вещества имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционно используемыми катионактивными ПАВ:
1. Они, как правило, совместимы с ПАВ других классов;
2. НПАВ нечувствительны к жесткой воде;
3. На физико-химические свойства НПАВ мало влияют электролиты;
4. Менее токсичны для водной среды по сравнению с ПАВ других классов.
Неионогенные поверхностно-активные
вещества являются великолепными стабилизаторами гидрофобных дисперсных систем и поэтому находят широкое применение в синтезе латексов и при стабилизации дисперсии пигментов в водной среде. После формирования на поверхности частиц лиофильного слоя стабилизатора такие дисперсии становятся лиофилизированными и устойчивыми в присутствии больших количеств электролитов, вплоть до их концентрации в несколько кмоль/м3.
ПАВ со значением ГЛБ 10, обладающие равными по величине весовыми фракциями ОЭ и гидрофобной части, рассматриваются как имеющие примерно одинаковое сродство к воде и маслу. Такие ПАВ образуют «сбалансированные» эмульсии с низкими или нулевыми значениями кривизны пленки;
фактически такие системы - это спонтанно-сформированные взаимнонепрерывные микро-
эмульсии [7]. ПАВ со значением ГЛБ от 12 до 16 стабилизируют прямые эмульсии типа М/В. Результаты испытаний водо-битумных эмульсий с использованием вышеуказанных блок-сополимеров, показаны на рисунке 1.
1000 800
о о
$ 600 о."
3 400 200
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Содержание НС1, % мае.
—♦—Эмульсия с 0,8 % мае. происанола марки Б
Эмульсия с 0,8 % мае. происанола марки А
Рис. 1 - Сравнение стабилизирующей способности проксанолов с различными ГЛБ
Как видно из графика, проксанол марки Б с большим значением ГЛБ формирует более стабильную эмульсию по сравнению с проксанолом марки А. Дальнейшие исследования базировались на проксаноле марки Б. Результаты исследований показаны на рисунке 2.
1000 800 о 600 оГ 400 200 О
О 0,5 1 1,5 2 2,5
Содержание проксанола марки Б, % мае.
♦ Эмульсия без кислоты А Эмульсия с ОД % мае. НС1
Рис. 2 - Изменение индекса распада в зависимости от содержания электролита
Как видно из анализа представленных данных, с введением соляной кислоты происходит уменьшение величины индекса распада. Это
возможно объяснить тем, что ведение электролитов в водные дисперсии, стабилизированные полимерными веществами, оказывает коагулирующее действие. Это связывают обычно с дегидратацией гидрофильных фрагментов макромолекул стабилизатора. Однако следует указать на тот факт, что последовательность в рядах коагулирующих ионов не соответствует их рядам гидратации, что указывает на более сложный механизм коагулирующего действия ионов на
стерически стабилизированные дисперсии, чем простая дегидратация гидрофильных групп полимерных стабилизаторов. Коагуляция под действием электролитов возможна не только в результате дегидратации, но и при изменении осмотического равновесия между дисперсионной средой и адсорбционно-сольватными оболочками частиц дисперсной фазы [5]. Также можно заметить, что эмульгирование битума в воде с помощью проксанолов не приводит к каким-либо изменениям в показателях адгезии. Дальнейшие испытания будут направлены на улучшение сцепления битумной пленки с каменным материалом с целью получения более долговечного дорожного полотна.
Введение дополнительных количеств ПАВ (сверх концентрации, соответствующей пределу адсорбции) или любого другого вещества в раствор также вызовет смещение осмотического равновесия, причем для его восстановления потребуется дегидратациия частиц, так как адсорбция сверх предельной величины Ош невозможна. Поэтому добавление стабилизатора в концентрациях, превышающих равновесную при пределе адсорбции, должно приводить к уменьшению количества связанной в сольватные оболочки воды и, следовательно, к снижению стабильности дисперсной системы. Экспериментальные данные [4] действительно указывают на такой эффект, когда добавление стабилизатора сверх предела насыщения поверхности частиц может приводить к снижению толщины гидратных оболочек. Аналогичный эффект должен наблюдаться при введении любого вещества, например, электролита или низкомолекулярного неэлектролита.
Литература
1. Мурафа, А.В. Новые анионактивные битумные эмульсии для дорожных кровельных и гидроизоляционных покрытий / А.В. Мурафа // Строительные материалы. -2005. - № 11- С.106
2.Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физикохимической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. -192 с.
3.Абрамзон, А. А. Эмульсии / А. А. Амбрамзон. - Л.: Химия, 1972. - 124 с.
4.Идрисов, М.Р. Битумные эмульсии в дорожном строительстве / А. И. Абдуллин, М.Р. Идрисов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №23. - С. 124-129
5.Абдуллин, А.И. Универсальные водо-битумные эмульсии: дисс. кан. тех. наук: 02.00.11: защищена 16.06.05 / Абдуллин Аяз Илнурович. - К., 2005. - 129 с.
6. Плетнев, М.Ю. Поверхностно-активные вещества и композициии / М.Ю. Плетнев, Е.Н. Колесникова, Н.А. Глухарева. - М.: ООО «Фирма Клавель», 2002.- 768 с.
1.Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / К. Р. Ланге. под науч. ред. Л. П. Зайченко - СПб: Профессия, 2004. - 249 с.
© М. Р. Идрисов - асп. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected]; А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
