Битумная эмульсия в дорожном строительстве

битумная эмульсия

В данный момент нефтяные битумы считаются основными вяжущими при строительстве и ремонте автомобильных дорог. Основные трудности, связанные с их практическим использованием, вызваны необходимостью нагрева, смешивания с нефтяными растворителями или эмульгированием с образованием эмульсий для обеспечения минимальной вязкости. Поэтому все чаще применяется битумная эмульсия.

Подход, предусматривающий применение битумных эмульсий лишен такого недостатка, как необходимость повышения температуры. Эмульсии могут использоваться с холодными и влажными материалами и, что очень важно, позволяют снизить расход энергии на 40% в сравнении с «горячими» технологиями.

Преимущества битумных эмульсий

Среди прочих преимуществ, которыми обладает битумная эмульсия, стоит отметить следующие:

  • при комнатной температуре вязкость битумных эмульсий на несколько порядков ниже, чем чистого битума. Низкая вязкость делает возможным проникновение материала даже в самые мелкие поры.
  • высокая адгезионная способность к поверхностям из материалов различной природы (металлы, кислые и щелочные минералы, и т.д.). Это свойство позволяет производить высокопрочные и долговечные дорожные конструкции.
  • дорожные работы можно проводить в условиях низких температур и высокой влажности.
  • сокращение расхода вяжущего за счет повышения точности дозировки и распределения более тонкими слоями.
  • экономия топлива после отказа от нагрева каменных материалов.
  • меньше вредных выбросов в атмосферу.

В данный момент в мировой практике сложилась ситуация, когда в дорожном и промышленном строительстве горячие битумы все чаще заменяются битумными эмульсиями. Их применение повышает производительность труда, качество дорожных одежд, также в большинстве случаев битумные эмульсии могут быть использованы там, где невозможно или нецелесообразно применять горячий битум.

Современные разработки в сфере битумных эмульсий

На сегодня разработаны эмульсии с контролируемым распадом, что позволяет обеспечить устойчивость против внешних факторов на начальном периоде. Такой материал получают с использованием принципа инициирования распада эмульсии внутри себя самой, а не при контакте с минеральными материалами.

Чтобы получить самораспадающуюся эмульсию, необходимо подбирать ее состав и химическую добавку таким образом, чтобы процесс протекал постепенно, и она не распалась раньше, чем это требуется по технологии проведения работ.

В наше время уже разработаны модифицированные эмульсии с контролируемым распадом, объединяющие в себе положительные свойства как эмульсий, так и полимерно-битумных вяжущих.

Множественная битумная эмульсия

Еще одним перспективным строительным материалом считаются множественная битумная эмульсия. Они могут быть получены путем нарушения технологических режимов или дозировки при приготовлении обратных или высококонцентрированных эмульсий.

Что интересно, работники дорожной отрасли уже знакомы с множественными эмульсиями, но только со стороны брака. Они не подозревают, что данный тип строительного материала может решить многие актуальные проблемы.

Множественная эмульсия более вязкая и подвижная, чем обычная. Однако, при нанесении она не стекает.

Основные инновации, связанные с производством множественных эмульсий, определяются в основном выбором полимерно-активных веществ, повышающих устойчивость и улучшающих взаимодействие с поверхностью контакта.

По мнению французских ученых, в данный момент существует как минимум две предпосылки для массового производства таких эмульсий. Первая – это возможность невведения в эмульсию лишней воды, которую потом нужно будет удалять. Вторая – необходимый результат достигается за счет изменения типа эмульсии путем высвобождения ее из уже приготовленного продукта.

С точки зрения дорожных работ множественные эмульсии имеют и другие преимущества: нестекание с поверхностей, имеющих значительный уклон при сохранении подвижности, и увлажняющий эффект.

Поли- и монодисперсная битумная эмульсия

В соответствии с дисперсностью выделяют поли- и монодисперсные эмульсии. Обычные битумные эмульсии для дороги полидисперсны, но монодисперсные также представляют огромный интерес. Они обладают хорошими оптическими свойствами и позволяют получать цветные материалы, в состав которых входит минимальное количество пигмента.

Также монодисперсные эмульсии в отличии от полидисперсных не подвержены расслоению при хранении.

“Сухие” эмульсии

Еще одним перспективным направлением считается применение так называемых «сухих» эмульсий. Их использование особенно оправдано в труднодоступных районах или же при проведении строительных и ремонтных работ, когда материал достаточно разбавить водой заданной концентрации.

Производство битумной эмульсии

Качество выходного продукта напрямую зависит от размера капель битума, их количества, вида и количества эмульгатора, а также кислоты или щелочи (в случае анионной эмульсии), которые необходимы для трансформации эмульгатора в соль. Перечисленные выше факторы и предопределяют физико-химические свойства битумных эмульсий, к которым, в первую очередь, относят кислотное число, проводимость, интенсивность электростатического отталкивания, знак заряда, скорость распада, вязкость, коалисценцию и пр.

Стоит отметить, что универсальных составов битумных эмульсий на сегодня не существует. Для каждого конкретного типа битума и условий применения разрабатывают свой состав. Однако, существуют общие правила, которых в обязательном порядке необходимо придерживаться. К ним относят:

  1. Количество кислоты или основы должно быть достаточным для того, чтобы при заданном количестве эмульгатора создавался защитный слой. Одновременно эмульгатора не должно быть на сколько много, чтобы этот слой был двойным.
  2. Концентрацию битума подбирают таким образом, чтобы она не превышала определенного порога, за которым наблюдается потеря технологических свойств эмульсии. На практике величина этого порога находится в пределах 56% для анионных эмульсий и 70% для катионных эмульсий.
  3. Для уменьшения образования пены необходимо расчет температуры водной фазы проводить таким образом, чтобы температура битумной эмульсии на выходе из коллоидной мельницы не превышала 95 ºС.

Влияние на свойства

Главным технологическим свойством битумной эмульсии считают ее устойчивость. Изначально это неустойчивая система. Принято считать, что абсолютно устойчивые битумные эмульсии по отношению к каменной поверхности не представляют практического интереса для дорожного строительства.
Выделяют устойчивость двух типов:

  • устойчивость при хранении;
  • устойчивость по отношению к минеральным материалам.

Можно искусственно замедлить распад битумной эмульсии, введя большее количество эмульгатора и добиться оптимального приближения к рН устойчивости, которая зависит от природы вяжущего и эмульгатора.

Если кислотность битума была изменена с помощью добавки сильных органических кислот, то он может образовывать неустойчивые эмульсии при обычных условиях изготовления катионного продукта. Это обусловлено миграцией значительной части введенных кислот в водную фазу.

Эксплуатационная надежность и качество битумной эмульсии во многом определяются типом применяемого эмульгатора.
Также важным свойством битумных эмульсий является скорость распада на поверхности минерального материала. Она определяет можно ли данную эмульсию применять в конкретной технологии.

Катионная эмульсия в случае контакта с заполнителем распадается практически сразу же, что является результатом реакции битума с поверхностью каменного материала. Вода же достаточно быстро вытесняется и удаляется.

Чтобы получить битумную эмульсию нужно подбирать исходный битум с определенными физико-химическими свойствами. Данное условие необходимо выполнять для максимальной адаптации эмульсии к требованиям применяемой технологии, а также к особенностям дорожного покрытия и климатическим условиям. Поэтому для приготовления может быть использован как чистый битум, так и разжиженный или модифицированный.

Если необходимо улучшить смачиваемость поверхности щебня битумом, то последний пластифицируют разжижителем. Но тут также нужно поддерживать баланс, ведь чрезмерное количество пластификатора может привести к потере когезионных свойств вяжущего, отрыву и выбросу щебня. Т.е., адгезионные и когезионные свойства битумного вяжущего должны подбираться путем компромисса. Он состоит в достаточной жидкости для покрытия битумной пленкой щебня и достаточной прочности для сопротивления динамическим нагрузкам, возникающим при движении автотранспорта.

Области применения в дорожном строительстве

Поверхностная обработка

Технология устройства поверхностной обработки предусматривает разлив вяжущего материала по обрабатываемой поверхности и последующее распределение поверху щебня. Укатку щебня нужно успеть провести до того момента, как произойдет распад эмульсии. Если нужно получить двойную поверхностную обработку, то процесс повторяют.

Такая операция может быть использована на автодорогах всех категорий. Применение битума, модифицированного полимерами, сделало возможным проведение поверхностной обработки дорог, подвергающихся в ходе эксплуатации существенным транспортным нагрузкам.

Такая обработка позволяет восстановить структуру поверхности, обеспечить ее водонепроницаемость и сопротивление появления «свежих» трещин.

Применение битумной эмульсии сделало возможным работу с влажным щебнем, что является несомненным преимуществом.
При поверхностной обработке рекомендуют использовать катионные быстрораспадающиеся битумные эмульсии типа ЭБК-1 с содержанием битума от 65 до 72%. Их предварительно нагревают до температуры 50-85°С. Допускается также модификация полимерами.

Устройство тонких защитных слоев износа

Для проведения данной технологической операции минеральный материал смешивают с битумной эмульсией и цементом, а уже потом распределяют по поверхности дороги (толщина слоя не больше 30 мм).

Для решения задачи устройства тонких защитных слоев износа можно использовать средне- и медленнораспадающиеся катионные битумные эмульсии типов ЭБК-2 и ЭБК-3.

Если правильно выбрать эмульгатор, то формирование покрытия произойдет достаточно быстро и уже через 2 часа можно возобновить движение автотранспорта.

Стабилизация грунтов

Грунт, состоящий из гравия и песка, может быть стабилизирован при помощи медленнораспадающейся катионной битумной эмульсии. Если показатель песчаного эквивалента для грунта превышает 25, то обработку можно выполнять с использованием  эмульсии в качестве основания. Далее его перекрывают горячим асфальтобетоном.

Грунты с более низким песчаным эквивалентом в некоторых случаях могут обрабатываться комбинацией битумной эмульсии и гидравлического вяжущего (известь или цемент).

Подгрунтовка

Подгрунтовку в виде пропитки применяют в основном на несвязных материалах основания с целью обеспечения хорошей адгезии с слоями горячих асфальтобетонов. Глубина проникновения пропитки внутрь основания должна составлять 1-4 см. Для выдерживания данных норм используюется медленнораспадающаяся битумная эмульсия, расход которой при этом составляет 1,5 кг/м2.

Поверхностная обработка дорожного покрытия

Для поверхностной обработки рекомендуется к эксплуатации битумная эмульсия типа ЭБК-1. Она дает эффект восстановления верхнего защитного слоя дороги, продляя срок ее службы даже под действием неблагоприятных погодных факторов при минимальных финансовых затратах.