2.7. Роль пар у приготуванні бітумних емульсій.

Відомо, що бітуми без спеціальних добавок не змочують вологі кам'яні матеріали, не обволікають їх частинки і не прилипають до них. Цього недоліку позбавлені бітумні емульсії, які позитивно відрізняються від гарячих бітумів тим, що добре змочують кам'яні матеріали за наявності води. Приготування стійких дорожніх емульсій на основі бітуму або кам'яновугільного дьогтю неможливе без використання ПАР.

Емульсіями називаються дисперсні системи, в яких дисперсною фазою і дисперсним середовищем є дві рідини, що не змішуються між собою. Переважно, це системи із розміром крапель ДФ 1-6 мкм.

Звичайно одна з фаз емульсії - вода, друга - органічна рідина (бітум, дьоготь, бензол, гас). Цю другу рідину незалежно від її хімічної природи називають маслом. Крім води і масла, стійка емульсія обов'язково вміщує третій компонент - емульгатор для надання їй агрегативної стійкості. Як емульгатори використовуються ПАР.

Класифікація емульсій

I. За природою дисперсної фази

- прямі (ДФ - органічна рідина) - масло/ вода;

- зворотні (ДФ - вода) - вода/ масло.

II. За агрегативною стійкістю

- розведені (концентрація ДФ до 1%);

- концентровані (ДФ - 1...74%);

- висококонцентровані (ДФ > 74% за об'ємом).

III. За природою емульгатора

- катіонактивні (кислі – рН =2-6);

-аніонактивні (лужні –рН = 9-13);

- неіоногенні (рН = 7).

IV. За швидкістю розпаду при взаємодії з кам'яним матеріалом

- з швидким, середнім і повільним розпадом.

Фізико-хімічні процеси, на яких грунтується виробництво і застосування бітумних емульсій

Для отримання стійких бітумних і дьогтевих емульсій використовується певна кількість емульгатора – стабілізатора, який виготовляється на основі ПАР, що складаються з вуглеводневого радикалу (неполярна група) і полярної групи. Вони здатні адсорбуватися на поверхні бітуму або дьогтю і надавати стійкість утвореній емульсії.

Вуглеводневий радикал (неполярна група) є гідрофобним і завжди обернутим до менш полярної фази бітуму, водночас як полярна група є гідрофільною і обернутою до води. Внаслідок такої асиметричної будови молекули ПАР, знаходячись у поверхневому шарі, орієнтуються у відповідності до правила зрівноваження полярностей.

Емульгатори навколо крапель диспергованої рідини утворюють міцну плівку, яка не пошкоджується при зіткненні крапель. Концентрація ПАР в адсорбційному шарі достатньо висока, внаслідок чого, утворюється структурована оболонка з характерними в'язкістю, міцністю і пружністю. Вона не руйнується при ударах частинок – емульсія набуває високої стійкості. Проте, роль емульгатора полягає не тільки в утворенні навколо частинок ДФ захисних плівок. Адсорбуючись на поверхні поділу рідин, емульгатор зменшує поверхневий натяг і полегшує процес емульгування.

Бітумні прямі емульсії готують в середовищі водних розчинів ПАР аніонного, катіонного і нейоногенного типу. Для аніонних (лужних) Е застосовують ПАР у вигляді натрієвих мил високомолекулярних карбонових кислот. Катіонні (кислі) Е отримують, застосовуючи як емульгатори - четвертинні солі амонієвих сполук, а також солі жирних амінів. Неіоногенні емульсії готують на основі оксіетилірованих сполук, амідів жирних кислот, лігносульфонових солей та сульфокислот.

Сам процес емульгування однієї рідини в інший, яка з нею не змішується, відбувається шляхом перемішування в мішалках, або спеціальних приладах, що не тільки утворюють емульсії, але й надають їм однорідності (диспергатори, гомогенізатори, колоїдні млини).

Застосування емульсій для дорожніх робіт грунтується на тому, що при розливі або змішуванні з кам'яними матеріалами відбувається їх розпад, тобто відокремлення емульгованого бітуму від води. При цьому вода частково випаровується, частково стікає на узбіччя або просочується в нижні шари дорожнього одягу, а бітум у вигляді тонкої плівки осаджується на кам'яному матеріалі і прилипає до нього. Розпад емульсії на мінеральному матеріалі обумовлюється комплексом причин: адсорбцією ПАР і електролітів, випаровуванням води, хімічними реакціями, коагуляцією, капілярністю тощо.

Емульсії, що розпадаються швидко, застосовуються при поверхневій обробці і просоченні, для підгрунтовки; Е, що розпадаються повільно - при змішуванні матеріалів на дорозі.

Як свідчить закордонний досвід дорожнього будівництва, найбільш перспективними і універсальними є катіонні (кислі) емульсії.

В кислих емульсіях емульгатор заряджає крапельки бітуму позитивно, що призводить до хімічних реакцій на поверхні кислих матеріалів.

Утворювані сполуки дуже енергійно реагують з поверхнею кам'яних матеріалів, маючи велику спорідненість із нею, витісняються водні плівки з поверхні. Таким чином, емульгатори кислих емульсій є енергійними гідрофобізаторами, що дає змогу ефективно обробляти кислі вологі матеріали. Цікавою особливістю кислих Е є те, що їх емульгатори хімічно реагують також і з основними породами, сприяючи міцному прилипанню бітумних плівок. Отже, кислі емульсії мають універсальну дію.

Емульгаторами для кислих Е можуть бути сполуки з загальною формулою

R – NH₃⁺A^- = R – NH₃⁺ + A^- , де

R - органічний радикал з 14-20 атомами вуглецю;

R = NH₃⁺- поверхнево-активний катіон;

А - аніон.

Концентрація бітуму в кислих емульсіях може досягати 70 мас.%. Особливістю кислих емульсій є ще те, що вони мають низьку температуру змочування.