Битумные материалы в дорожном строительстве. Применение водо-битумных эмульсий

УДК. 655.455:006.354

Г. К. Бикмухаметова, Е. А. Емельянычева, А. И. Абдуллин, Р. И. Сибгатуллина

БИТУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДО-БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Ключевые слова: дорожные битумы, водо-битумная эмульсия, технология.

В статье дано представление о битумных вяжущих материалах, используемых в дорожном строительстве. Представлены преимущества водо-битумных эмульсий по сравнению с другими битумными вяжущими. Кратко рассмотрены перспективы использования водо-битумных эмульсий в качестве дорожного вяжущего материала.

Keywords: road bitumen, water-bitumen emulsion, technology.

The article presents the information about bitumen binding materials used in road construction nowadays. The advantages of water-bitumen emulsions compared to bituminous binders are presented. The prospects of the use of water-bitumen emulsions as road material are briefly reviewed.

Введение

Под термином «битум» понимают жидкие, полутвердые или твердые соединения углерода и водорода с небольшим количеством кислорода, серо-, азотосодержащих веществ и металлов и значительным содержанием асфальто-смолистых веществ, хорошо растворимых в сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях. Битумы могут быть природного происхождения или получены при переработке углеводородного сырья. Таким образом, битумы представляют собой сложную смесь высокомолекулярных

углеводородов нефти и их гетеропроизводных. Элементный состав битумов примерно следующий % масс.: углерода 80-85%, водорода 8,0-11,5, кислорода 0,2-4,0, серы 0,5-7,0, азота 0,2-0,5.

Битум с давних пор является одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации [1]. В настоящее время области использования битумов чрезвычайно широки. Достаточно назвать дорожное строительство, применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, строительстве зданий и др.

Потребление битумов во всех странах мира растет в связи с разветвленностью сети дорог и большой нагрузкой автотранспорта [2]. Битум в нашей стране используется более чем в 80% случаев при строительстве дорожных покрытий.

Битумные материалы в дорожном строительстве

В нашей стране нефтеперерабатывающая промышленность в основном заинтересована в углублении переработки и максимального отбора светлых фракций, при этом почти полностью отсутствует база нефтепереработки, которая целенаправленно занималась бы производством качественных дорожных битумов, что приводит к непостоянству свойств и характеристик получаемых битумов. В то время как в большинстве стран уделяется отдельное внимание вопросу пригодности

сырья для получения битумов с заданными характеристиками.

В то же время уменьшение природных запасов нефти, наряду со сложностью получения качественного битума из перерабатываемого сырья дает толчок к исследованию разных материалов для получения вяжущих заданного качества.

В этом плане внимание уделяют природным битумам. Республика Татарстан располагает крупнейшим в России ресурсным потенциалом природных битумов на 450 месторождениях, которые по групповому и химическому составу близки Венесуэльским нефтям.

Также все большее распространение получают полимер-битумные композиции и битумы, модифицированные добавками, позволяющие придать вяжущим нужные свойства [3, 4, 5].

За рубежом основное количество дорожных битумов получают компаундированием остатков глубоковакуумной перегонки и деасфальтизации с маловязкими остатками и газойлевыми фракциями на специальных установках периодического и непрерывного действия, оснащенных дозаторами для регулировки смешения и достижения однородности конечного продукта. Отечественные разработки в области получения

компаундированных битумов сдерживаются отсутствием необходимого промышленного оборудования. На долю окисленных битумов в некоторых странах приходится только 12-14 % всех производимых битумов, в России же их доля в общем производстве битумов велика.

Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие.

Вязкие битумы типа БНД в России вырабатываются в соответствии с ГОСТ 22245-90 [1]. Все дорожные битумы маркируются по значениям показателя пенетрации при 25°С и рекомендуются к применению в зависимости от дорожно-климатических зон.

Некоторое количество вязких битумов вырабатывается на отдельных заводах по техническим условиям.

Жидкие дорожные битумы представляют собой остаточные продукты полутвердой и жидкой консистенции, полученные при первичной переработке нефти и крекинге тяжелых нефтепродуктов. Высокосмолистые тяжелые нефти -это также естественные жидкие битумы. Использование таких битумов дает возможность исключить высокотемпературные процессы, использовать различные способы обработки минеральных материалов и продлить сезон строительных работ. Из дорожного покрытия, включающего жидкие битумы, с течением времени под действием кислорода воздуха, солнечных лучей, адсорбции каменным материалом или грунтом и других факторов испаряются низкокипящие фракции и уплотняются высокомолекулярные соединения.

Жидкие дорожные битумы могут быть получены из вязких путём их компаундирования с разжижающими нефтепродуктами и поверхностно-активными веществами. Жидкие битумы предназначены для продления сезона дорожного строительства. В соответствии с ГОСТ 11955-82 их получают смешением вязких битумов БНД с дистиллятными фракциями (керосиновые, дизельные). Применение жидких дорожных битумов не соответствует современным требованием к энергосбережению и защите окружающей среды. Кроме того, низкая температура вспышки изначально предопределяет их пожароопасность.

В зависимости от марки асфальтобетонной смеси содержание битума в ней составляет 5,5-8 % мас. Для большей части покрытий общим является сочетание в них минеральных наполнителей и битума, в которых последний используют в качестве прочной водонепроницаемой связующей среды.

В зависимости от температуры обрабатываемой и укладываемой смеси различают горячий и холодный способы строительства дорожных покрытий.

Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что эксплуатационная надёжность дорожных покрытий в значительной степени определяется свойствами битума. Долговечность работы битума в составе асфальтобетонного покрытия связана, прежде всего, с его высокими низкотемпературными, пластичными и

адгезионными свойствами. Это должно надёжно обеспечивать выполнение битумами трех основных задач их применения: склеивание между собой частиц минерального материала, релаксирование возникающих температурных и деформационных напряжений и понижение вязкости при температурах 130-160°С для равномерного смачивания и обволакивания частиц минерального материала. Достижение такого комплекса высоких показателей качества дорожных битумов возможно только за счет оптимизации их компонентного состава (минимизации содержания в составе сырья н-парафиновых углеводородов с одновременным ростом содержания изо-парафиновых, нафтеновых и полиароматических углеводородов) или введения специальных полимерных добавок [6, 7, 8].

К сожалению, выпускаемые сегодня дорожные битумы не полностью соответствуют высоким требованиям эксплуатации, в том числе и по устойчивости к термоокислительному старению.

Длительное время существующих материалов, используемых для нужд дорожного строительства, вполне хватало для получения дорожных одежд хорошего качества с продолжительным сроком службы. Но со временем интенсивность автомобильного движения существенно возросла, соответственно увеличились и нагрузки на дороги, возросли объемы ремонтных работ. А это дополнительные финансовые затраты, которые, если учитывать существующую протяженность автомобильных путей, начали достигать колоссальных размеров.

Традиционно в качестве вяжущего при строительстве дорожных покрытий использовался нефтяной битум. Существенная доля данного материала ежегодно идет именно на нужды дорожно-строительных и ремонтных организаций.

Как было отмечено выше, его изначальных свойств вполне хватало для обеспечения долговечности дорог при некритических нагрузках. Но сейчас расстановка сил в корне поменялась. Выходом из сложившейся ситуации является модификация дорожных битумов. В первую очередь, это целенаправленное добавление в битум специальных веществ с целью изменения его эксплуатационных свойств. В качестве добавок используются преимущество полимеры, поэтому полученный продукт называют полимерно-битумным вяжущим.

Модификация позволяет получить битумы, обладающие рядом новых и улучшенных свойств. Среди них стоит отметить: высокую пластичность; выдержку низких температур и перепадов температур без разрушения; сопротивление деформационным нагрузкам; тепло- и морозостойкость; долговечность и т.д.

Кроме полимеров как модификаторы могут использоваться каучуки (битумно-каучуковые вяжущие) и резиновая крошка (резинобитумные вяжущие). Каждая из добавок имеет свои преимущества и недостатки, поэтому целесообразность их использования определяется областью применения и условиями, в которых будет эксплуатироваться строительный материал.

Но правильного выбора модификатора для получения качественного вяжущего еще недостаточно. В большей мере результирующие свойства полученного материала зависят от состава компонентов и технологии их совмещения. В этом случае не обойтись без специального оборудования, которое и будет определять результат операции модификации битумов.

После выбора типа добавки нужно определиться с конкретным соотношением компонентов, ведь разное содержание как битума, так и модификатора в итоге дает отличающиеся свойства. Состав модифицированных битумов определяют опытным путем в специальный лабораториях. При этом полученный результат проверяется рядом

испытаний. Существенно упрощают задачу лабораторные версии установок типа УМБ-Л для работы с битумными вяжущими. Это, по сути, мини-копии реального оборудования, которые позволяют подбирать рецептуру материалов, работая с небольшими порциями компонентов и минимальными энергетическими затратами.

После определения состава модифицированного битума переходят к его изготовлению в промышленных объемах, необходимых для выполнения текущих задач. В этом случае на помощь приходят уже полноценные установки модификации битумов полимерами типаУВБ-2АМ.

Модификация битумов позволяет получить качественный материал для строительства и ремонта дорожных одежд в полной мере соответствующий вызовам современности. Вкладывая деньги в оборудование для производства модифицированного битума, дорожно-строительные организации в будущем могут рассчитывать на большую экономию. Долговечность новых покрытий сводит к минимуму затраты на расходные материалы и ремонтные работы [9].

Применение водо-битумных эмульсий

Дорожная отрасль является достаточно энергозатратной, поскольку ежегодно в мире ремонтируются и прокладываются тысячи автомобильных дорог. Но со старыми «горячими» технологиями существенное сокращение потребление энергетических ресурсов мало возможно, поэтому выходом является использование водобитумных эмульсий. Они не требуют подогрева, что позволяет говорить о позитивном вкладе как в решение всемирной энергетической проблемы, так и в экономию на уровне отдельно взятой дорожно-строительной или ремонтной организации.

Битумная эмульсия - это смесь битума с водой. Данные вещества при обычных условиях не смешиваются. Для совмещения компонентов в воду вводят специальные добавки - эмульгаторы, кислоты и щелочи [10, 11]. По сути, битумная эмульсия - этот тот же битум, который можно использовать в дорожном строительстве, но без предварительного нагрева, что приводит к экономии энергетических ресурсов.

Эмульсии делятся по типу используемого эмульгатора на катионные и анионные. В зависимости от его концентрации можно получить быстро-, средне- и медленнораспадающиеся эмульсии. Существуют также сверхстабильные эмульсии, но они требуют большего количества эмульгатора.

Ежегодно в мире производится около 8 млн. тонн битумных эмульсий. 20% от этого числа составляют анионные, а 80% - катионные эмульсии. Такая разница обусловлена особенностями взаимодействия вяжущих с минеральными материалами. В дорожном строительстве могут использоваться материалы кислого и основного характера. По своей физической природе катионные эмульсии намного лучше взаимодействуют с кислой

средой, а анионные - с основной. Поскольку большинство минеральных материалов,

использующихся при строительстве и ремонте автомобильных дорог, имеют кислую природу, то и катионные эмульсии применяются намного чаще [12-14].

Получают такой строительный материал в специальных установках типа УВБ-1. Установка УВБ-1 оснащена коллоидной мельницей, обеспечивающей разбивку битума на мелкие частички, с каждой из которых взаимодействует эмульгатор.

Последний выполняет сразу несколько важнейших функций. Во-первых, он принимает участие в образовании эмульсии. Во-вторых, обеспечивает ее стабильность при хранении. В-третьих, влияет на скорость распада. И, наконец, в-четвертых, улучшает адгезионные свойства (сцепляемость с минеральным материалом) битумной эмульсии [9].

Для получения материала с требуемыми свойствами можно использовать несколько подходов или их комбинацию: изменить марку битума; изменить концентрацию битума; изменить тип эмульгатора; изменить концентрацию эмульгатора; изменить соотношение компонентов.

Наиболее альтернативным методом смешения битумов с неорганической фазой является использование битумных эмульсий. Такие эмульсии имеют ряд преимуществ: -вязкость при комнатной температуре у них ниже, чем у битумов. Низкая вязкость способствует легкому проникновению битумного материала даже в мелкие поры; -высокая адгезионная способность к поверхностях различной структуры способствует созданию высокопрочных дорожных конструкций; возможность производить работу при низких температурах и высокой влажности за счет улучшения сил сцепления вяжущего с поверхностью каменных материалов; сокращение вредных выбросов в атмосферу.

В сфере дорожного строительства все чаще применяют битумную эмульсию, которая пришла на замену битума. При этом достаточно обширной является область различных перспективных решений в производстве водо-битумных эмульсий.

Во многих отраслях промышленности находят применение так называемые множественные эмульсии. Например, более 15 лет в косметологической промышленности используются множественные эмульсии, по структуре похожие к обратным эмульсиям. Множественная эмульсия -это эмульсия, в которой дисперсная фаза является эмульсией, содержащей капельки другой фазы. Такие эмульсии могут получить дорожники в процессе приготовления обратной эмульсии, но пока эта эмульсия не нашла широкого применения в качестве дорожного материала. Она более вязкая и подвижная, чем обычная, при нанесении не стекает. Такие эмульсии очень экономичны, даже не увеличивая содержание дисперсной фазы [15,16].

Интерес также представляют монодисперсные эмульсии [17], так как именно дисперсность определяет такие свойствам эмульсий, как вязкость и

скорость распада. Таким образом, получая эмульсии определенной дисперсности, можно регулировать её вязкостные свойства и время распада. Для создания монодисперсных эмульсий в настоящее время уже опробованы разные методы [18].

На слуху в настоящее время также термин «сухая эмульсия», представляющая собой порошок, полученный высушиванием классической прямой эмульсии, содержащей специальный полимер, ПАВ и все необходимые добавки. Этот способ отрывает перспективы успешного комбинирования разных компонентов в составе эмульсий [15,19].

За границей в качестве котельных топлив используют водные эмульсии на основе природных битумов и они имеют следующие достоинства: хорошая теплотворная способность; быстрое сгорание эмульсии и конверсия углерода; сжигание эмульсии при небольших концентрациях кислорода, также невысокая температура предварительного подогрева перед сжиганием. С экологической точки зрения, применение водо-битумных эмульсий оказывает положительное влияние. Это связано с тем, что данный приём защищает воздушные бассейны от загрязнений. Присутствие воды в топливе сокращает содержание вредных выбросов с продуктами сгорания в атмосферу. В этом направлении ведутся исследования водо-битумных эмульсий, которые приготовлены на основе ашальчинского и мордово-кармальского природных битумов [20].

Итак, главным преимуществом применения битумных эмульсий является экономия ресурсов и энергозатрат. Общая себестоимость работ снижается за счет увеличенного срока эксплуатации битумной эмульсии в погодных условиях от весны и до поздней осени. Кроме этого технология использования битумной эмульсии для создания дорожного покрытия является экологически чистой, выбросы в атмосферу от растворителей отсутствуют. Битумная эмульсия повышает эластичность, прочность, адгезивные

характеристики поверхностного слоя

автомобильных дорог, уменьшает чувствительность к колебаниям температуры и представляет собой перспективный продукт.

Литература

1. Грудников И.Б. Производство нефтяных битумов. - М.: Химия, 1983. - с. 6-7.

2. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. - М.: Химия, 1973. - С. 1012.

3. Кемалов А.Ф., Кемалов Р.А., Ганиева Т.Ф. Производство окисленных битумов. - Казань, 2009, С. 5-6, 9-10.

4. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А., Прокопий А.М. Улучшенное битумно-полимерно вяжущее / Вестник КНИТУ. - №12. - Казань: Издательство КНИТУ, 2012 -с. 182-185.

5. Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в дорожном строительствами / Пер. с франц. Под редакцией

B.А.Золоторева, В.И.Братчуна. - Харьков: изд-во ХНАДУ, 2003. - 229с.

6. [Электронный ресурс]: Режим доступа: - http://e-him.ru.

7. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А. Способы улучшения адгезионных свойств дорожных битумов к минеральным материалам / Вестник КНИТУ. - №3. -

2013. - С.198-204.

8. Абдуллин А.И., Емельянычева Е.А., Юсупов А.И. Дорожный битумный композиционный материал. Вестник технологического университета, 2012. - №12. -

C. 205-208.

9. [Электронный ресурс]: Режим доступа: -http://emulsion.globecore.ru.

10. Коновалов М.Г. Дорожные эмульсии, их приготовление и применение / М.Г. Коновалов, Г.М. Ильяшев. - М.: Гушосдора, 1938. - 278 с.

11. Карпеко Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико-химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦВИИТЭнефтехим, 1998. - 192 с.

12. Плотникова И.А. Исследование отечественных катионных ПАВ как эмульгаторов / И.А. Плотникова. -Тр. Союздорнии, 1972.

13. Петухов И.Н. Дорожные эмульсии. Т.1 / И.Н. Петухов.

- Минск: ЕАДЭ, 1997. - 230 с.

14. Рвачев Э.М. Применение катионных битумных эмульсий для дорожного строительства слоев износа с шероховатой поверхностью: дис. ... канд. техн. наук / Э.М. Рвачев. - М., 1981. - 270 с.

15. Абдуллин А.И., Ганиева Т.Ф., Идрисов М.Р., Емельянычева Е.А. Водобитумные эмульсии.: учебное пособие. - Казань: Издательство КНИТУ, 2012, с.38, с.88-90.

16. Lauby, A. Emulsions: les evolutions en marche // RGRA.

- 2002. - №809. - Р. 24-25.

17. Poirier, J.-E. Des gouttes sur mesure: la haute countwe de l'emulsion // RGRA. - 2002. - №809. - Р. 34-36.

18. Абдуллин А.И., Яушев Э.А., Емельянычева Е.А. Влияние ультразвука на дисперсность водо-битумных эмульсий, стабилизированных с помощью неионогенных ПАВ / Вестник КНИТУ. -т. 17, №24 -

2014. - С. 218-221.

19. Lauby, A. L'emulsions seche: l'exemple type dune combinaison formulation et procede // RGRA. - 2002. -№809. - Р. 30-32.

20.0хотникова Е.С., Танеева Ю.М., Юсупова Т.Н. Разработка составов устойчивых водо-топливных эмульсий на основе природных битумов // Технологии нефти и газа. - 2008 - №2. - с.22

© Г. К. Бикмухаметова - магистрант гр. 415-М41 каф. ХТПНГ КНИТУ; Е. А. Емельянычева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; А. И. Абдуллин - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, bashkircevan@mail.ru; Р. И. Сибгатуллина -магистрант гр. 415-М41 КНИТУ.

© G. K. Bikmuhametova - Undergraduate gr. 415-M41, Department HTPNG, KNRTU; E. A. Emelyanycheva - Ph.D., Associate Professor the same Department, bashkircevan@mail.ru; A. 1 Abdullin - Ph.D., Associate Professor the same Department; R. 1 Sibgatullina - Undergraduate gr. 415-M41 the same Department.