Битумная эмульсия: состав, марки, свойства, применение

Состав

Виды

Марки

Производство

Хранение

Свойства

Применение

Современные битумно-эмульсионные установки
 

Битумная эмульсия — помощник для любой дорожно-строительной компании. Она используется в качестве подгрунтовки при укладке асфальта и ямочном ремонте, как компонент — при укреплении грунтов и производстве холодных смесей, и даже применяется в обеспыливании дорог. Другими словами, эмульсия «сопровождает» объект транспортной инфраструктуры на всех этапах его жизненного цикла — от строительства до обслуживания и ремонта.

Битумная эмульсия представляет собой смесь жидкой консистенции темно-коричневого или даже черного цвета, основой которой являются битум и вода. Для получения готовой эмульсии эти компоненты нагревают до технологических температур в разных емкостях, вводят специальные добавки, и одновременно прогоняют через коллоидную мельницу. Здесь происходит диспергирование — процесс, при котором крупные частицы битума механически разделяются на более мелкие, но при этом не растворяются в водной фазе. Во время проведения дорожно-строительных работ, например при розливе эмульсии перед устройством нового слоя асфальта, вода испаряется, а частицы битума, взаимодействуя друг с другом, образуют прочную пленку.

 

Состав битумной эмульсии

Предварительный состав битумной эмульсии подбирают на основании расчетов, при которых свойства полученной в лабораторной установке смеси, будут соответствовать требованиям стандартов, целям будущего применения, а также климатическим условиям эксплуатации дороги. Точный состав эмульсии определяют позже, после обработки результатов испытаний отобранных проб, полученных во время выпуска смеси в лаборатории. Только после этого состав утверждают и формируют рецепт, по которому производят продукцию на промышленной установке.

Компонентами «классической» битумной эмульсии являются:

• битумное или полимерно-битумное вяжущее
• вода
• катионный или анионный эмульгатор
• кислота или щелочь — в зависимости от химической природы эмульгатора

Для достижения необходимых свойств битумной эмульсии в битум или водный раствор эмульгатора (смесь воды и эмульгатора) вводят стабилизатор, латекс, адгезионные или другие добавки. К примеру, для изменения условной вязкости смеси в нее добавляют разжижитель (растворитель) — керосин, дизельное топливо, уайт-спирит или другие вещества.

В общем объеме битумной эмульсии в среднем может содержаться от 40 до 70% битума или полимерно-битумного вяжущего, от 15 до 70% воды, до 3% эмульгатора, до 1% — кислоты или щелочи, до 0,5% — стабилизатора, до 3% — растворителя, от 5 до 30% — разжижителя, до 10% — модификатора, до 0,5% — адгезионной присадки. В зависимости от используемого на предприятии оборудования, его комплектации, выпускаемой марки эмульсии, а также локального наличия тех или иных химических реагентов, состав эмульсии может отличаться. Главное, чтобы полученная продукция соответствовала требованиям основного стандарта на битумные эмульсии — ГОСТ Р 58952.1-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Эмульсии битумные дорожные. Технические требования».

Изображение: Flickr / crumplestiltskin
 

Виды битумной эмульсии

В зависимости от химической основы эмульгатора, который представляет собой поверхностно-активное вещество (ПАВ), битумные эмульсии разделяют на два вида:

• анионные
• катионные

Основу анионного эмульгатора составляют жирные кислоты. Перевод эмульгатора в ионную форму происходит в процессе взаимодействия анионного ПАВ с щелочью. Так на поверхности капель битума образуются отрицательно заряженные ионы.

Катионные эмульгаторы представляют собой различного рода аминопроизводные. Здесь перевод ПАВ в ионную форму осуществляется при взаимодействии с кислотой. В этом случае на поверхности капель битума образуются положительно заряженные ионы.

Анионные эмульсии активно взаимодействуют с основными (содержащими от 45 до 52% кремнезема SiO₂) горными породами, при этом образуя на их поверхности водостойкую пленку. С кислыми (содержащими свыше 63% кремнезема SiO₂) породами такие эмульсии взаимодействуют хуже.

Катионные же эмульсии активно взаимодействуют как с основными, так и с кислыми горными породами, поэтому дорожно-строительные компании отдают предпочтение именно им.

В зависимости от скорости распада, то есть выделения битума из смеси после нанесения на поверхность или соединения с минеральными материалами, эмульсии подразделяют на 3 класса:

• — быстрораспадающиеся
• — среднераспадающиеся
• — медленнораспадающиеся

Каждый класс обладает своим спектром применения. К примеру, быстрораспадающиеся эмульсии характеризуются малым периодом распада, а значит не подойдут там, где технология работ подразумевает определенные временные затраты, например при укреплении грунтов. В этом случае, уже в процессе перемешивания компонентов на дороге или в грунтосмесительной установке, битум может неравномерно распределиться по составу в виде крупных сгустков. Такой класс битумной эмульсии — быстрораспадающиеся — больше подходит для выполнения других работ, например поверхностной обработки.

Марки битумной эмульсии

Разные виды вяжущего, химические основы эмульгатора и скорости распада разделили дорожные эмульсии на 12 марок, выраженных аббревиатурами. В наименовании марки: первые буквы — «ЭБД» или «ЭБПД» — означают «эмульсия битумная дорожная» или «эмульсия битумно-полимерная дорожная»; следующая буква — «А» или «К» — анионная или катионная; последняя буква через пробел — «Б», «С» или «М» — говорит о скорости распада эмульсии: быстрораспадающаяся, среднераспадающаяся или медленнораспадающаяся.

• ЭБДК Б
• ЭБДА Б
• ЭБПДК Б
• ЭБПДА Б
• ЭБДК С
• ЭБДА С
• ЭБПДК С
• ЭБПДА С
• ЭБДК М
• ЭБДА М
• ЭБПДК М
• ЭБПДА М

Так, ЭБДК Б означает, что это эмульсия битумная дорожная катионная быстрораспадающаяся, ЭБДА С — эмульсия битумная дорожная анионная среднераспадающаяся, ЭБПДК М — эмульсия битумно-полимерная дорожная катионная медленнораспадающаяся, и так далее.

В зависимости от скорости распада, каждой марке присваивают гарантийный срок хранения: для быстрораспадающихся он составляет не более 7 дней, для среднераспадающихся — не более 14 дней, а для медленнораспадающихся — не более 30 дней. Конечно, для этого должны быть учтены условия хранения и транспортировки, регламентированные основным стандартом на битумные эмульсии для дорожной сферы — ГОСТ 58952.1-2020.

 

Производство битумных эмульсий

Производство битумных эмульсий под задачи дорожно-строительной сферы, вне зависимости от используемого для этого оборудования, состоит из четырех условных этапов: подбора состава, о котором говорилось выше; подготовки компонентов; диспергирования и хранения. Каждый из них, в той или иной степени, влияет на качество выпускаемой смеси, а значит — сказывается на сроках службы объекта транспортной инфраструктуры.

Установка для производства битумной эмульсии от компании SOLOMATIC
 

Битумные эмульсии выпускают на установках периодического и непрерывного действия. Разница между ними заключается не только в циклическом, но и технологическом характере производства. В первом случае основные составляющие битумной эмульсии — битум и воду — перемешивают с добавками в двух разных емкостях, после чего оба компонента подают на этап диспергирования, где непосредственно создается эмульсия. А во втором случае смешивание основных составляющих с добавками происходит по пути на этап диспергирования в трубопроводе — в специальных гидродинамических смесителях.

Установки периодического действия используют чаще, чем непрерывные, так как вторые имеют свои минусы, влияющие на качество готовой продукции. Так, химические реакции, протекающие во время смешивания нагретой воды с добавками, не всегда успевают полностью завершиться, что влияет на свойства водного раствора эмульгатора. При этом непрерывный процесс производства делает невозможным оперативное внесение корректировок в состав компонентов битумной эмульсии.

 

Подготовка компонентов битумной эмульсии

Подготовка компонентов битумной эмульсии характеризуется контролем за параметрами составляющих смеси перед этапом диспергирования. Оператор установки внимательно отслеживает температуру битумного вяжущего и воды, наличие необходимого количества добавок, объем водного раствора эмульгатора и его значение кислотности.

При технологии производства битумной эмульсии в установке периодического действия, водный раствор эмульгатора готовят в отдельной емкости. Сначала в нее подают воду, предварительно нагретую до температуры 35—45 °C, после чего, с помощью насосов-дозаторов в жидкость добавляют эмульгатор, а затем кислоту или щелочь, а при необходимости и другие добавки. Полученный таким образом состав перемешивают специальными автоматизированными лопатками, которые запускают с пульта управления. Во время работы оператор проверяет показания датчиков, в том числе уровень pH.

Две емкости для создания водного раствора эмульгатора
 

К примеру, для водной фазы под катионную эмульсию: значение pH меньше 1,8 ¬-свидетельствует об избытке кислоты, что отрицательно скажется на будущих адгезионных свойствах готовой продукции. Рекомендуемый рН водного раствора эмульгатора должен находиться в пределах 1,8—3,0. Операционный контроль за показателем уровня кислотности позволяет быстро реагировать на изменения и при необходимости вводить добавки, получая при этом требуемое значение pH. Температуру водного раствора эмульгатора, перед подачей на этап диспергирования, рекомендуют удерживать в пределах 35—60 °C.

В установках периодического действия битум с температурой от 90 до 140 °C — в зависимости от марки вяжущего — поступает в предварительную емкость, оснащенную подогревом и лопастями для перемешивания. При необходимости сюда подается растворитель, который в установках непрерывного действия вводится в битум с помощью дозировочного насоса через гидродинамический смеситель.

При технологии производства битумной эмульсии в установке непрерывного действия, воду и битум нагревают отдельно и с помощью насосов подают в разные гидродинамические смесители, где, через дозировочные насосы, к ним добавляются необходимые компоненты.

Предварительный нагрев битума и воды, подогрев битумопровода и емкостей осуществляется с помощью системы труб, по которым движется жидкий теплоноситель.

Результатом подготовки двух основных компонентов, вне зависимости от принципа действия установок, служит одновременная подача битума и водного раствора эмульгатора на следующий этап — диспергирование.

 

Диспергирование битумной эмульсии

Диспергирование — это ключевая стадия технологии производства битумной эмульсии. Во время этого процесса происходит смешивание нагретых нефтепродукта и водного раствора эмульгатора в коллоидной мельнице, где крупные частицы битума механически измельчаются на более мелкие. К примеру, на установках от компании SOLOMATIC зазор между ротором и статором мельницы регулируется, а размер частиц битума после диспергирования не превышает 5 мкм. Это максимальное значение позволяет выпускать смеси, подходящие для укрепления грунтов, устройства оснований и покрытий по способу пропитки, ямочного ремонта, создания шероховатой поверхностной обработки и слоев износа из литых эмульсионно-минеральных смесей типа «Сларри Сил» и «Микросюрфейсинг», а также других работ.

Оптимальная температура готовой смеси на выходе из эмульсионной установки, за исключением состава с применением модифицированного битума, — от 87 до 93°C. Для получения такого показателя температуру нефтепродукта и воды определяют еще до эмульгирования, предварительно выбрав необходимое вяжущее и построив кривую зависимости динамической вязкости битума и температуры.

Обычно температуры битума и водного раствора эмульгатора подбирают так, чтобы их суммарное значение не превышало 200 °C. При выходе за этот показатель может произойти вспенивание смеси. Для предотвращения закипания эмульсии при использовании полимерно-битумного вяжущего, температура которой, как правило, поднимается выше 100 °С, ее охлаждают под давлением в специальных баках или с помощью теплообменника.

Рекомендуемый стандартом ГОСТ 58952.1-2020 водородный показатель pH готовой продукции должен находиться в пределах: для катионных эмульсий — от 1,8 до 4,5; для анионных — от 9,5 до 12.

 

Хранение битумной эмульсии

Заключительный этап производства битумной эмульсии — хранение готовой продукции — должен обеспечивать сохранение свойств смеси, исключение преждевременного распада, предотвращение седиментации, то есть осаждения частиц под действием гравитационных сил, и коалесценции, то есть слияния частиц.

Битумные эмульсии предпочтительно хранить в вертикальных емкостях, изготовленных из углеродистой или нержавеющей стали или полимерных материалов. Если хранение подразумевает складирование битумной эмульсии в горячем состоянии, то емкости утепляют и оборудуют регистрами обогрева с температурой теплоносителя не более 95 °С. Емкости для хранения медленнораспадающихся эмульсий, используемых при температуре не выше 40 °С, могут быть без теплоизоляции.

Для предотвращения седиментации смеси емкости оснащают лопастными низкоскоростными мешалками, которые рекомендуют запускать не реже одного раза в неделю.

Для повышения стабильности эмульсии при длительном хранении на ее поверхности устраивают тонкий слой керосина толщиной 3‒5 мм. Такой подход препятствует контакту эмульсии с воздухом и образованию битумной корки на поверхности.

В зависимости от марки битумной эмульсии, рекомендуемые ГОСТом температуры для хранения смеси находятся в диапазоне от 10 до 80 °С. При условии соблюдения требований к транспортировке и хранению, гарантийный срок хранения битумных эмульсий достигает 30 суток. При невозможности созданий таких условий, смесь необходимо использовать в течение 1 суток после отгрузки.

 

Свойства битумной эмульсии

Для выполнения разных видов работ необходимы битумные эмульсии с разными свойствами. К примеру, в соответствии с требованиями ГОСТа, если эмульсия марки ЭБДК Б предназначена для подгрунтовки, то ее условная вязкость (время истечения определенного объема смеси через отверстие диаметром 4 мм) должна составлять не более 30 секунд. А для реализации технологии шероховатой поверхностной обработки уже значительно больше — не более 200 секунд. Необходимые показатели в этом случае достигают с помощью изменения процентного соотношения используемых в производстве компонентов, применения добавок и т. д.

Свойства битумной эмульсии определяют в лабораторных условиях при выполнении испытаний отобранных проб. Таким образом узнают:

• индекс распада
• содержание вяжущего с эмульгатором, %
• условную вязкость, с
• остаток на сите с диаметром ячейки 0,14 мм, %
• остаток на сите с диаметром ячейки 0,14 мм после хранения эмульсии в течение 7 суток, %
• устойчивость к расслоению, после хранения эмульсии в течении 7 суток, %
• устойчивость при транспортировании
• остаток на сите с диаметром ячейки 0,14 мм после проведения испытания на устойчивость при транспортировании, %
• адгезию к минеральному материалу, %

При проведении лабораторных испытаний отобранных проб проверяют не только соответствие эмульсии стандартам, но и остаточного битума — вяжущего, которое остается после выпаривания. К нему предъявляют требования и определяют его свойства по таким параметрам как:

• глубина проникновения иглы при температуре 25 °C, мм
• температура размягчения по методу "Кольцо и Шар", °С
• динамическая вязкость, при 60°С
• растяжимость при 0°С при скорости растяжения 1 см/мин

При этом свойства остаточного битума должны соответствовать свойствам исходного вяжущего, применяемого при производстве эмульсии. А при использовании полимерно-битумного вяжущего, битума марки PG, добавления в качестве компонента эмульсии латекса, проводят испытания по дополнительным параметрам. Например, по сдвиговой устойчивости, эластичности при 25 °C, однородности, динамической вязкости при 125 °C, температуре хрупкости и другим.

 

Применение битумной эмульсии

Битумная эмульсия широко применяется в дорожно-строительной сфере прежде всего за счет гибкого диапазона своих свойств и преимуществ перед нефтяными дорожными битумами.

• — Высокая текучесть обеспечивает эффективное заполнение мелких пор и трещин;
• — Химическая основа эмульгатора способствует повышенной адгезии с минеральными материалами;
• — Свойства битумных эмульсий позволяют применять смеси даже на увлажненных поверхностях;
• — Технология производства, а также возможность корректировки количества основных компонентов и химических добавок в разном соотношении, помогают выпускать эмульсию, подходящую для выполнения сложных индивидуальных задач;
• — Отсутствие необходимости поддерживать высокую температуру смеси при производстве работ — экономит материальные и трудовые ресурсы;
• — Невысокие температуры эмульсии, необходимые для выполнения работ, снижают вероятность получения производственных травм сотрудниками на объекте.

Изображение: Росавтодор / rosavtodor.gov.ru
 

Битумную эмульсию применяют для:

• укрепления грунтов, то есть в качестве органического вяжущего компонента;
• подгрунтовки, например перед устройством слоя асфальта;
• ямочного ремонта;
• приготовления холодных смесей;
• устройства слоев дорожной одежды методом пропитки;
• обработки щебня;
• добавления в смеси при холодном ресайклинге с помощью специальных машин;
• приготовления литых эмульсионно-минеральных смесей;
• создания защитного слоя с мембраной;
• ухода за свежеуложенным цементобетоном, цементогрунтом, щебеночно-песчаными смесями, укрепленными цементом;
• укрепления поверхности откосов земляного полотна;
• обеспыливания;
• закрепления подвижных песков.

Область применения анионных и катионных смесей способствует активному использованию эмульсий как крупными организациями, реализующими проекты федерального и регионального уровня, так и небольшими компаниями, осуществляющими, к примеру, строительство проезда к складу или дороги в коттеджном поселке.

 

Современные битумно-эмульсионные установки

Яркими представителями современных битумно-эмульсионных установок является оборудование серий EM и JK от компании SOLOMATIC. В чем особенность этих комплексов?

Во-первых, расширенный функционал продуктовой линейки: каждая модель представляет собой установку циклического действия производительностью до 3, 6, 10 или 15 т/ч. Во-вторых, автоматизация: надежные компоненты и заточенная под технологические процессы система управления позволяют выпускать продукцию практически непрерывно, цикл за цикл реализуя заданный план по выпуску эмульсии. В-третьих, это компактность и удобство транспортировки на другую площадку: все элементы оборудования — от шкафа управления до емкостей под водную фазу — размещены на единой раме, преимущественно в размерах 20- или 40-футового контейнера.

Для получения более подробной информации обо всех возможностях установок серий EM и JK, а также условиях поставки, позвоните по телефону 8 (800) 555-73-40, отправьте запрос на sale@solomatic.ru или свяжитесь любым другим удобным способом, указанном в разделе с контактами.

Компания SOLOMATIC — гарант поставки современного оборудования для бесперебойного производства необходимой марки битумной эмульсии высокого качества.