Пылеобразование на карьерных дорогах. Битумная эмульсия для карьерных автодорог

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский государственный горный университет

Пылеобразование на карьерных дорогах. Битумная эмульсия для карьерных автодорог

Кошкаров.В.Е., Фризен В.Г.,

Ракитин В.А., Кошкаров М.А.,

Сотников А.Г.

Особенности отработки карьеров оказывают существенное влияние на специфику строительства и эксплуатации технологических автодорог. Карьерные дороги в отличие от магистральных и автодорог других промпредприятий небольшим сроком службы и протяженностью, высокими удельными нагрузками и частым изменением трассы. И характеризуются переменным продольным профилем с уклонами при выезде из карьеров до 8-10° и при спусках до 15-20° и радиусами закругления до 20-25 м, а также большой грузонапряженностью и интенсивностью движения.

Пылеобразование на автодорогах происходит вследствие высыпания из кузова породы, угля или руды, внесения пыли колесами автомашин, заноса ветром с прилегающих территорий, износа покрытия и шин. На интенсивность пылевыделения на автодорогах влияют в основном физико-механические свойства материала покрытия, скорость движения, масса и тип автомобиля, размеры дороги и метеорологические условия.

Результаты исследований [1] показывают, что запыленность воздуха вблизи автодорог составляет 0,5-10³ кг/м³, интенсивность выделения пыли на дорогах - 0,014 кг/с. Дисперсность витающей пыли чрезвычайно высокая: 90-98% пылинок имеют размер менее 10 мкм. И являются потенциально пневмокониозоопасными из-за содержания свободного кремнезема в виде кварца, количество которого достигает до 40-42%.

Так, при среднегодовой скорости ветра 3,2 м/с средняя концентрация пыли всех фракции будет в 3,4 раза превышать ПДК и составит 5,68 мг/м³, а для фракций размером менее 10 мкм -- около 1,0 мг/м³. При отсутствии средств борьбы с пылью можно ожидать, что в течение 2/3 времени года уровень запыленности атмосферы карьера будет выше ПДК.

Замеры концентрации пылевого аэрозоля от автомобиля внутри шлейфа представлены на рис. 1. Видно, что уровень запыленности воздуха по длине шлейфа уменьшается от 1•10³ (на расстоянии в 1 м за движущимся автомобилем) до 2 10³ кг/м³ в конце шлейфа.

Рис. 1. Графики насыщения пылевого шлейфа по его длине, ширине и высоте: 1-5 соответственно высоте 0,5; 1; 1,5; 2; 3м.

Частицы пыли внутри шлейфа имеют размеры до 100 мкм, причем средний диаметр колеблется от 2 до 20 мкм. Скорость осаждения таких частиц находится в пределах от 5-10 ⁴ до 0,1 м/с, поэтому значительное время вся мелкодисперсная пыль находится во взвешенном состоянии, создавая пылевой шлейф. Часть пыли из шлейфа уносится с покрытия дороги воздушными потоками.

Так, при скорости бокового ветра от 3 до 5 м/с за пределы дорожной полосы уносится примерно от 1/3 до 1/2 объема пыли в шлейфе, что составляет при расчете 0,15-0,9 кг. Из-за высокой запыленности воздуха при движении автомобилей резко ухудшается видимость, что приводит к увеличению интервала между идущими машинами и уменьшению скорости их движения.

Санитарно-гигиеническая оценка атмосферы разрезов, применяющих автомобильный транспорт для вывозки горной массы, свидетельствует о необходимости разработки и применения обеспыливающих средств на покрытиях автодорог.



Анализ существующего опыта обеспыливания карьерных автодорог

Обеспыливание автомобильных дорог с грунтовыми покрытиями следует рассматривать как частный и временный случай их улучшения. Все способы обеспыливания, представленные на рис. 2, можно разделить на три типа:

Рис. 2. Классификация существующих способов обеспыливания карьерных автодорог.

механическое удаление пыли смыванием, сдуванием, засасыванием и вакуумные устройства; удаление слоя пыли и продуктов поверхностного износа грейдерами, механическими щетками и другими машинами и механизмами;

смешение материалов покрытия с вяжущими и клеящими добавками с целью образования верхних конструктивных слоев покрытия с новыми, более высокими эксплуатационными качествами;

поверхностная обработка или пропитка путем распределения по покрытию связывающих, клеящих материалов и химических реагентов.

Механическое удаление пыли не предотвращает интенсивный износ покрытия и, не устраняет основной источник пылеобразования.

При обработке грунтов смешением наибольшее распространение получило использование в качестве вяжущего материала битума. Смешение его с грунтом может производиться в зависимости от применяемых марок битума как на дорогах (холодные смеси), так и на установках смешения (горячие смеси). Недостатком данного способа является сложность технологической обработки.

Применяемая технология укрепления грунта цементом довольно сложная и предусматривает проведение ряда мероприятий [2]. К недостаткам цементогрунта относится значительный износ при движении автомобилей, и связывания пыли, поступающей от просыпей при транспортировке горной массы, не происходит.

Недостатком укрепления грунта известью является то, что известь при взаимодействии с глинистыми тонкодисперсными частицами приобретает свойства гидравлического вяжущего и твердеет наиболее интенсивно только во влажных условиях [3].

Помимо минеральных и органических вяжущих материалов успешно используют за рубежом и у нас для обеспыливания и укрепления грунтов различные соли и лигносульфонаты [4]. При этом дорожное полотно предварительно разрыхляется самоходным грейдером на глубину 10-15 см. Разрыхленная масса сгребается в две гряды, а затем размельчается специальным рыхлителем на куски размером до 5 см, после чего обрабатывается солью или лигносульфотами из расчета 1-1,5 кг/м³, грунт перемешивается смесителем и орошается водой. Укатка полотна дороги производится катками или движущимся автотранспортом. Срок действия колеблется от 5 до 12 суток.

Для поверхностной обработки покрытия автодорог в настоящее время на отечественных и зарубежных карьерах широко применяется поливка водой, значительно снижающая запыленность воздуха. Однако при температуре воздуха более 25°С и относительной влажности менее 50% через 20 минут после поливки влага испаряется и запылен-ность воздуха на дороге превышает предельно, допустимые концентрации.

Обеспыливающие средства по физико-химической характеристике зачастую не предназначены специально для борьбы с пылью на автодорогах. Из анализируемых пылесвязывающих веществ органические обладают наибольшими преимуществами: создают эластичный коврик из слоя износа покрытия, имеют достаточно высокую эффективность и технологичность, покрытия дорог при разрушении вновь укатываются движущимися автомобилями.

Эти положительные качества по связыванию пыли позволяют ориентироваться в научном поиске эффективных пылесвязывающих веществ, которые должны удовлетворять как технологическим, так и гигиеническим требованиям.

Разработанный пылесвязывающий Универсин в работе [1] на базе имеющихся ресурсов тяжелых нефтяных остатков уфимских НПЗ относится к классу растворителей поэтому применение его при строительстве карьерных дорог не получило промышленного внедрения.

Поэтому проблема улучшения санитарно-гигиенических условий труда и экологической безопасности окружающей среды путем предотвращения загрязнения атмосферы на открытых горных работах продолжает оставаться весьма актуальной.

Все эти обстоятельства выдвинули перед наукой выбор путей улучшения эксплуатационных характеристик нефтяных вяжущих с учетом обратимых и необратимых изменений их свойств, в процессе их эксплуатации, позволяющих увеличить сроки покрытия, повысить эффективность и эксплуатационную надежность карьерных автодорог. К числу наиболее перспективных работ в области освоении нефтяных вяжущих относятся; разработка технологии производства комплексных нефтяных вяжущих с заданными эксплуатационными характеристиками. Успешная реализация этих проблем возможна при объединении усилий автомобильно-дорожных, горнодобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий.

Применение битумных эмульсий при строительстве керьерных дорог

Обработка грунтовых дорог

Обработка на месте. Для получения однородного распределения вяжущего, важно, чтобы обрабатываемый материал был предварительно приведен к оптимальной влажности. В случае с клейкими мелкими грунтами необходимо, кроме того, максимально размельчить комья, которые могут иметься в наличии. Типы механического оборудования при проведении обработки см. ниже.

Группа, состоящая из не специализированных машин (рис. 3, вид 1-6). Сельскохозяйственная техника: дисковые плуги, бороны, ротационные машины и др., а также, автогрейдер.

Рис. 3



На правильно выровненный слой материалов сначала разбрызгивают вода с целью приве-дения в соответствие процентного содержания воды, как это описывается ниже для механизмов типа "распылитель-смеситель". После нового разравнивания с помощью автогрейдера вводится эмульгатор, и матери-ал перемешивается несколько раз. Если это необходимо, операция может повториться 1 или 2 раза, чтобы прийти к полному дозиро-ванию, после чего автогрейдер осуществляет окончательное разравнивание и плани-ровку поверхностей. Этот вид обработки считается сельским и подходит только для дорог с очень слабым движением транспорта.

Проведение обработки с помощью машин типа «распылитель-смеси-тель» (дорожная фреза). Если обрабатываемый материал состоит из комков, его предварительно пропускают через распылитель-смеситель дорожная фреза с целью размельчить последние. Процентное содержание воды доводится до оптимального значения. Если материал слишком влажен, ему наращивается объем и его, оставляют сохнуть на воздухе; если он слишком сухой, добавляется вода:

* путем орошения выровненного слоя и перемешивания дорожной фрезой;

* путем непосредственной загрузки в смесительную камеру (если используется специальное грунтосмесительное оборудование).

После планировки поверхности автогрейдером распределяется эмульсия:

* на обрабатываемую поверхность путем разлива, а затем перемешивания распылителем-смесителем; при необходимости, для получения желаемой дозировки, данная операция должна быть повторена;

* путем непосредственного ввода в мешалку распылителя-смесителя через регулируемый насос со следящей автоматической системой, расход которого зависит от скорости передвижения. В этом случае цистерна с эмульсией непосредственно связана с распылителем-смесителем и работает и перемещается с распылителем смесителем.

Для большинства распылителей-смесителей необходимо сделать несколько проходов (обычно 2 или 3), чтобы хорошо распределить эмульсию. Когда обработка проводится, только на верхней части уложенного слоя первое уплотнение проводится после приведения в соответствие процентного содержания воды. После этого приступает к работе распылитель-смеситель (дорожная фреза).

Проведение обработки с помощью самоходных смесителей. Эти самоходные смесители сами смешивают воду и эмульсию.

Некоторые модели работают на выровненном поверхностном слое грунта, другие - по натянутому шнуру Нивелир-автоматики. Эти механизмы располагают большой мощностью перемешивания и осуществляют работу за один проход.*

Примечание: Каким бы ни был вид проводимых работ, допускается размешать, по меньшей мере, небольшое количество воды для разжижения эмульсии, что позволит легче ее распределять. Тем не менее, ни в коем случае нельзя вводить эмульсию, даже разжиженную, в сухой материал.

Обработка на стационарных грунтосмесительных установках (заводах). Тип используемых для этих целей установок - тот же, что и для производства эмульсионных гравийно-песчаных смесей. Следует отметить, что клеящиеся грунты плохо подходят для обработки на заводе, так как они имеют тенденцию забивать бункера. Укладка обработанного материала осуществляется позднее автогрейдером или финишером - асфальтоукладчиком.

Уплотнение и уход. Работы по уплотнению проводятся одновременно пневмоколесными уплотнителями и катками с гладкими вальцами. Следует избегать использования вибрационных уплотнителей на склеенных грунтах, так как это может привести к тонкой слоистости. Напротив, они эффективны на гравийно-песчаных смесях или на крупнозернистых песках. Если движение должно возобновиться немедленно после работ, обработанный материал должен быть защищен от вырывания и абразивного износа посредством покрытия ухода (однослойная поверхностная обработка или «бутерброд»). Укладка верхнего слоя дорожного покрытия или окончательного верхнего слоя должна производиться через 1-2 недели, чтобы обеспечить испарение воды и «созревание» материала. К этому классу машин относятся и производимые Брянским заводом «Арсенал», грунтосмесительные машины типа «Д-391».

Преимущества:

* эмульсионная обработка экономична благодаря тому, что количество используемого вяжущего относительно невелико, особенно, учитывая, что для нее можно использовать местные материалы;

* обработанные эмульсией материалы технологичны и имеют хорошую несущую способность. Эта технология гибки, позволяет укладывать тонкие слои и не приводит к растрескиванию;

* возможно, и даже желательно - работать с влажными материалами.

Ограничения в применении:

* глинистые материалы не подходят для данного вида обработки;

* модуль упругости этих материалов является невысоким.

Область применения. В зависимости от опыта, приобретенного в различных странах, возможно, установить приблизительные границы области применения обработанных эмульсией материалов, введя их в шкалу французского транспортного движения.

Не следует забывать, что использование эмульсионной обработки возможно только после детального исследования, позволяющего выяснить, что обработанный материал достиг достаточных механических характеристик с точки зрения нагрузок, которым он будет подвержен.

Область применения может быть приблизительно определена, как следующая (см. табл. 1):



Таблица 1 - Область применения битумных эмульсий

	Устройство дорог обработанного слоя
Обработанные материалы	Несущий слой	Слой основания
Мелкие грунты, несортированный материал, наполовину раздробленные гравийно-песчаные смеси	До соответствия норме пропускной способности дорог Т2*	До соответствия норме пропускной способности дорог ТЗ*
Хорошо градуированные пески, хорошо градуированные дробленые гравийно-песчаные смеси	До движения Т1*	До движения Т2 *

*Интенсивность движения тяжелых, грузовых автомобилей в сутки: Т1 = 300-750; Т2 = 150-300; ТЗ = 50 -150.

Наконец, следует упомянуть о интересной возможности: обрабатывать только верхнюю часть (5-6см) основного слоя, которому придается сила сцепления и степень устойчивости к воде, и который облегчает связь с верхним слоем. Данный вид обработки осуществляется на месте.

Анализ развития производства битумных эмульсий

Английский химик Хью Алан Маккей регистрирует патент № 202.021 от 9 мая 1922 года на битумную эмульсию. Можно сказать, что это событие положило начало новому поколению дорожных покрытий, которые через несколько лет значительно изменят технику дорожных покрытий. Начиная с 1923 года во Франции, производится сотня тонн эмульсии. В следующем году получили 2500 тонн, затем 6000 тонн в 1925 году. Заграница не отстает: по оценкам, к концу 1926 года общая продукция заводов по производству эмульсии в 5 странах - Англии, Германии, Дании, Австралии, Индии - составила 150000 тонн.

Французское производство, в 1935 году достигло 200000 тонн, а накануне второй мировой войны - 300 тыс. тонн. И если производство сократилось во время разрухи, но затем подъем был очень показателен: 275 000 тонн в 1946 году далее производство анионных и катионных эмульсий приведено на рис. 4.

Рис. 4. Развитие производства эмульсий во Франции: 1-анионные эмульсии; 2-катионные эмульсии.

В 1951 году появляются катионные эмульсии. Учитывая их свойства, они быстро заменяют анионные эмульсии: в 1962 году - 50%, а 1971 они превышают 92%. Концентрация битума в эмульсии составляет 60-69%. В 1953 г. в США было израсходовано100 тыс. т., в ФРГ - 140 тыс. т. битумных эмульсий. В несколько меньшем количестве эмульсии применяются в Швеции, Индии, Китае, Болгарии, Украине и других странах.

Покрытие минеральных веществ заполнителей. Большинство минеральных заполнителей, используемых в дорожном строительстве, представляют собой либо целиком кремнистые материалы, или содержат кремнийсодержащие минералы в очень высокой пропорции. Такие материалы при увлажнении приобретают отрицательный заряд, и катионные битумные эмульсии в связи с этим характеризуются гораздо более высокой адгезией по отношению к строительным заполнителям, чем анионные эмульсии. Методы отбора проб и испытаний минеральных заполнителей, песков и наполнителей, применяемых в Великобритании, приведены в бри-танском стандарте ВS 812: 1960.

Можно заметить, что анионные битумные эмульсии, очевидно, лучше, чем катионные, реагировали бы с основными заполнителями, заряженными положительно. Однако такие материалы встречаются редко, если не считать известняка высокой чистоты. Опубликованы данные о том, что катионные эмульсии эффективно применяются как с доломитовыми карбонатами, так как и с другими материалами, во всяком случае, если рассматривать их приемлемость с практической точки зрения.

Одна из теорий, которая объясняет преимущества катионных эмульсий, сводится к тому, что в связи с высокой кинетической энергией вибрации катионных эмульгаторов они обладают склонностью к адгезии со всеми, твёрдыми веществами. Частицы битума проникают через водяной слой, окружающий частицы заполнителя и вступают в тесный контакт с поверхностью последних твердых материалов. Сильная адгезия между частицами битума и заполнителя имеет место даже в том случае, когда оба материала имеют положительные заряды, в связи с тем, что здесь действуют силы Ван-дер-Ваальса. При таких условиях и одинаковой электрической заряженности частиц битума и заполнителя, между ними будет действовать притяжение. Другая теория, с помощью которой пытаются объяснить механизм сцепления катионных, битумных эмульсий с щелочно-земельными заполнителями (например, с известняком) сводится к тому, что в катионных эмульсиях всегда содержится некоторое количество свободной кислоты. Обладая низким показателем рН, эта свободная кислота взаимодействует со щелочами на поверхности заполнителя. В результате этой реакции образуются карбонатные ионы. Они, обладая отрицательным электрическим зарядом, нейтрализуют ионы катионного эмульгатора, которые образуют плёнку на поверхности битумных частиц, расположенных поблизости. Нерастворимый продукт этой реакции образуется на поверхности раздела «битум-заполнитель» и обеспечивает достаточно сильную адгезию между компонентами дорожного покрытия.

В СССР еще до Великой Отечественной войны были получены битумные эмульсии прямого типа на различных эмульгаторах (контакт Петрова, асидол, соапсток, канифоль и др.): быстрораспадающиеся -- для поверхностной обработки и пропитки; среднераспадающиеся -- для смешения в установке и пропитки; медленнораспадающиеся -- для смешения на дороге и приготовления асфальтобетонной смеси. Были также разработаны рецепты битумных и дегтевых эмульсий на твердых, порошкообразных эмульгаторах (глина, суглинки, известь и др.) в простых лопастных мешалках.

Многокомпонентные эмульсии сложны по своему составу, поэтому требуют высокого профессионализма при их производстве и работе с ними. В то же время они позволяют выполнять дорожные работы, которые невозможны при использовании традиционных технологий с органическими вяжущими. Дальнейшее развитие технологии ремонта и содержания дорожных покрытий, а также дорожного строительства предусматривает возможность применения более дешевых и надежных процессов с использованием битумных эмульсий.

Разработка технологий, повышающих качество поверхностной обработки и ремонта покрытий, автомобильных дорог с использованием битумных эмульсий с контролируемым распадом, в настоящее время является актуальной проблемой. Современные зарубежные технологии содержания и ремонта дорог позволяют использовать катионоактивные битумные эмульсии с контролируемым периодом распада для формирования на поверхности покрытия слоя износа. Однако их нельзя применять в условиях содержания автомобильных дорог России без учета природно-климатических условий, отрицательно влияющих на качество и долговечность слоев износа. Кроме того, закупка зарубежных технологий связана с большими валютными затратами. Поэтому необходима разработка отечественных усовершенствованных технологий производства дорожных эмульсионных материалов и высококачественных эмульгаторов с относи-тельно низкой себестоимостью.

В отечественных и зарубежных публикациях данная проблема освещена недостаточно полно, в виде отдельных статей, которые нуждаются в систематизации. Только в учебно-справочном пособии Ю. В. Соколова, В. Н. Шестакова "Битумные эмульсии в дорожном строительстве", вышедшем в Омске в 2000 г.[1], описан опыт применения битумных эмульсий. А вопросы по изучению влияния группового углеводородного состава битума - компонента эмульсии практически не затронут.

В работе [2] предпринята попытка обобщения зарубежного и отечественного опыта производства дорожных эмульсионных материалов и с его учетом рассмотреть современные технологии устройства слоев износа, поверхностной обработки покрытий из катионных эмульсионно-минеральных литых смесей, а также производства ямочного ремонта дорожных одежд с использованием катионоактивных эмульсий. В монографии представлено также оборудование для производства эмульсий и микроповерхностной обработки асфальтобетонных покрытий.

Отраслевая дорожная методика (2001 г.), разработанная с участием автора, содержит рекомендации по применению катионоактивных эмульсий и материалов на их основе при содержании дорог с учетом специфичности природно-климатических условий России.

В Свердловской области разработаны территориальные дорожные нормы по получению и применению катионных битумных эмульсий серии «ЭМУЛЬДОР»® (далее - ТДН) с целью внедрения новых дорожных технологий по устройству слоев износа асфальтобетонных автодорог, ремонта (ямочного, фрезерования трещин и др.) и содержания. Основным достоинством применения катионных битумных эмульсий является возможность их использования в качестве вяжущего без предварительного подогрева (холодные технологии), при повышенной влажности, пониженной температуре окружающего воздуха.

Сравнительный анализ свойств анионоакгивных и катионоактивных битумных эмульсий

Для приготовления эмульсионно-минеральных смесей (ЭМС) используются анионные и в большинстве случаев катионные битумные эмульсии. Преимущество катионных эмульсий для получения ЭМС обеспечивается более быстрым протеканием процессов структурообразования и высокими физико-механическими характеристиками получаемого материала. Высокая активность катионного эмульгатора, создает условия битуму ускоренное быстрое взаимодействие с минеральным материалом в момент их соприкосновения. Эмульгатор, адсорбируясь на поверхности минеральных частиц, вытесняет воду, что способствует более высокой водоустойчивости пленки битума - вяжущего на поверхности зерен минерального материала.

Анионные эмульсии требуют значительного времени для испарения воды до момента распада и удаление воды из смеси[1]. Это в данном случае является определяющим фактором. Так как эмульгаторы этих эмульсий инертны по отношению к поверхности минеральных зерен кислых пород и не обеспечивают водоустойчивость пленки битума - вяжущего [1]. По мере испарения воды из ЭМС происходит постепенный распад эмульсии, увеличение концентрации битумных частиц и слияние их между собой в сплошную пленку за счет образования адгезионных и когезионных связей битума. Поскольку аутогезионные процессы (восстановление когезии) происходят медленно из-за наличия воды (после распада эмульсии) в межзерновом пространстве, период полного формирования ЭМС продолжителен и может составлять 120 суток.

В последнее время вместо анионоактивных эмульгаторов применяются катионоактивные эмульгаторы. Эмульсии на таких эмульгаторах обеспечивают прочное прилипание пленки вяжущего к любому влажному каменному материалу, причем влажность материала не только не препятствует взаимодействию, но даже создает для этого благоприятные условия в результате возникновения положительного или отрицательного заряда твердой поверхности.

Эмульсии из вязкого нефтяного битума готовят в диспергаторе при температуре вяжущего 90-150 ⁰С (в зависимости от обводнения битума и его марки) и раствора эмульгатора 70-80 ⁰С. При таких же температурных условиях в мешалках получают эмульсии с твердыми эмульгаторами.

Таким образом, эмульгаторы должны обладать, способностью понижать поверхностное натяжение на границе между битумом и водой и создавать механически прочную пленку вокруг битумных капель, при этом твердые вещества должны хорошо смачиваться водой, а катионные -- растворяться в воде.

Для анионных эмульгаторов необходимо определять число омыления и кислотное число. Поверхностная активность вещества определяется методом измерения максимального давления, необходимого для образования капли или пузырька, на приборе акад. П. А. Ребиндера [2].

Свойства эмульсий обуславливаются определенной температурой битума и эмульгатора, необходимой концентрацией эмульгатора, жесткостью воды, а также аппаратурой, применяемой для приготовления эмульсии.

Основным показателем качества битумных эмульсий является устойчивость при хранении, транспортировке и смещении с минеральным материалом. Устойчивость битумных эмульсий определяется типом и количеством вводимых ПАВ, технологическим регламентом приготовления, дисперсностью битумных частиц [3].

Недостаточно изучен механизм водонасыщения слоев износа, так как после испарения влаги катионоактивной битумной эмульсии пористость материала увеличивается, активизируется взаимодействие поверхности контакта слоя с водяными парами воздуха и дождевыми осадками. Нет достоверных данных по обратному процессу испарения влаги из пор материала от температурного градиента при эксплуатации покрытия. По некоторым данным, водонасыщение должно снижаться.

В этой связи авторами разработана программа исследований по методу количественной оценке поровой структуры минерального материала и определения коэффициента адгезии в адсорбционной системе битум (адгезив)-минеральный материал (субстрат).

Битумная эмульсия для карьерных автодорог

Эмульсия - рассеивание двух жидкостей, не поддающихся смешению, одна, в другой. Получение битумной эмульсии осуществляется методом механического дробления жидкого (разогретого до160⁰С) битума в смеси с водой (разбавителя). Такие битумные эмульсии обычно используются при дорожном строительстве в холодном состоянии для повышения качества асфальтобетонного полотна.

Битумные эмульсии представляют собой смеси типа «масла в воде», т.е. битум в них представляет собой дисперсную фазу в виде глобул, суспензированных в сплошной водной среде. Приготовление таких эмульсий сводится к подаче битумной фазы в водную среду, в которой предварительно растворен эмульгатор. Затем в приемное устройство высокоскоростной смешивающей установки заливают битум и воду с определённой скоростью. Где жидкий битум превращается в мелкие капли (шарики) диаметром 1-20 микронов (10-⁶м). Эмульгатор, содержащийся в смеси, удерживает эти шарики в стабильном (рис. 5) суспензированом состоянии, предотвращая расслоение эмульсии.

Рис. 5. Схемы глобул дисперсной фазы с оболочками из адсорбированных ионов водорастворимого эмульгатора: а) -- катионоактивный; 6) -- анионоактивный

Таким образом, эмульгирование битума состоит в дроблении его на электрически заряженные мельчайшие частицы (шарики), оснащенные отталкивающей силой одних по отношению к другим.

Главной целью эмульгирования битума является перевод его в жидкое состояние и обеспечение дальнейшего использования при температуре окружающей среды. Эмульсия должна быть стабильной при хранении и транспортировке, но при нанесении на минеральный заполнитель или поверхность дорожного покрытия она должна разрушаться с установленной скоростью. Скорость разрушения, в основном, регулируется типом и дозировкой эмульгатора. Кроме того, на скорость разрушения влияют тип заполнителя, температура и природно-климатические условия. Заполнители классифицируются как щелочные или кислотные.

Результаты лабораторных исследований свойств битумной эмульсии приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты лабораторного анализа битумных эмульсий, выпускаемых ОАО "Воронежавтодор

Наименование показателей	Значения показателей
катионоактивной битумной эмульсии	ЭБК-2	ЭВК-3
Содержание битума, %	60±1	62±1
рН эмульсии	2--3	2--2.4
Однородность (оседание на сите. 0,14 мм). %	0,1±0,4	0,2±0,5
Вязкость при 25 0С, с	15--18	17--19
Устойчивость при хранении, %	0.05--0,26	0.25--0,44
Остаток после дистилляции
Пенетрация при 25 0С	61--90	61--90
Точка размягчения, 0С по КиШ	47--49	47--49

Эмульсия содержит ионы эмульгатора в водной фазе и на поверхности капель. Если концентрация ионов эмульгатора высокая, ионы образуют мицеллы. В стабильной эмульсии между ионами существует равновесное состояние (рис. 2). Оно нарушается удалением ионов эмульгатора из раствора и восстанавливается высвобождением ионов из мицелл (при их наличии) или ионами, высвобождаемыми из поверхности капель. В последнем случае стабильность эмульсии снижается, что может оказаться достаточным для начала процесса расслоения.

Рис. 6. Ионы эмульгатора, образующие мицеллы

Рис. 7. Начало процесса разрушения

При нанесении эмульсии на поверхность минерального заполнителя электрические заряды быстро поглощают определенное число ионов эмульгатора из водной фазы эмульсии, уменьшая число ионов эмульгатора на каплях до уровня, когда начинается процесс коалесценции и далее -- ее разрушение (рис. 7).

На равновесное состояние оказывает влияние температура. Поглощение ионов эмульгатора на поверхности заполнителя изменяет природу его поверхности с переходом от гидрофильной к липофильной. В результате разрушения стабильной системы освобождается битум, который легко прилипает к поверхности заполнителя, поскольку у большинства заполнителей, используемых в дорожном строительстве, большая часть отрицательных зарядов находится на поверхности.

Положительные заряды на каплях катионной эмульсии притягиваются к отрицательным зарядам на заполнителе, и имеется только ограниченное число положительных зарядов, которые могут быть притянуты к отрицательным зарядам анионной эмульсии. Разрушение анионной эмульсии на отрицательно заряженном заполнителе тоже возможно, но это разрушение происходит по причине испарения водной фазы или вследствие поглощения водной фазы поровым пространством заполнителя. При удалении воды из эмульсии происходит уменьшение объема для капель битума, что вызывает увеличение давления на капли. По достижении определенной точки испарения отталкивающие силы между каплями уже не в состоянии разделять их, и начинается коалесценция. В процессе ее некоторая часть водной фазы оказывается внутри битумной фазы и образует капли воды. Эмульсия претерпевает инвертирование, и по внешнему виду напоминает битум. Уловленная вода медленно испаряется, и после того, как она окончательно испарится, битум вновь приобретает первоначальные свойства. Этот процесс может продолжаться от двух часов при высокой температуре до нескольких дней при низких температурах.

На разрушение эмульсии большое влияние оказывает адгезия. Для анионной эмульсии с кислотным заполнителем (гранит) на его поверхности происходит поглощение неорганических катионов (К⁺ или Nа⁺) в эмульгаторе. Эти катионы не придают олеофильпых свойств поверхности, которой они поглощаются, и не активируют поверхность, поэтому результирующая адгезия в данном случае является слабой.

С другой стороны, разрушение катионной эмульсии на кислотном или щелочном заполнителе приводит к усиленному поглощению органических катионов на поверхностях, обеспечивающих ей олеофильные свойства. Кро-ме того, они оказывают водовытесняющее воздействие и создают в результате прочную адгезию осажденной битумной пленки с поверхностью заполнителя.

Таким образом, применение битумной эмульсии при строительстве и эксплуатации карьерных дорог позволит обеспечить экологическую безопасность окружающей среды при перевозке руд автотранспортом.

Исследования физико-химических свойств и адгезионной активности нефтебитумов применяемых в производстве эмульсий

Вяжущим веществом в составе эмульсионно-минеральных смесей (ЭМС) является битум от его качества (физико-химические и адгезионные свойства), зависит протекание процессов структуро-образования и высокие физико-механическими характеристиками получаемого материала (дорожного изделия). Высокая активность катионного эмульгатора, создает условия битуму ускоренное быстрое взаимодействие с минеральным материалом в момент их соприкосновения. Эмульгатор, адсорбируясь на поверхности минеральных частиц, вытесняет воду, что способствует более высокой водоустойчивости пленки битума - вяжущего на поверхности зерен минерального материала.

Дисперсные железорудные материалы относятся к гидрофильным системам, для которых характерно интенсивное взаимодействие с водой. Система дисперсное железорудное сырье (субстрат) - вода (адгезив) стремится снизить свою энергию путем уменьшения поверхностного натяжения на границе раздела фаз или степени дисперсности. Иными словами, данная система отличается термодинамическим стремлением к окомкованию.

Комкуемость можно качественно определить с помощью прочности сцепления зерен увлажненного материала. По теории Румпфа [1] прочность сырого куска при растяжении обратно пропорционально зависит от размера зерна, т.е. уменьшение размера зерен комкуемого сырья ведет к повышению механической прочности. Прочность изделия тем выше, чем больше контактов между отдельными частицами минерального материала (субстрата) с битумом (адгезивом).

Битумные эмульсии с растворенным эмульгатором обеспечивают прочное прилипание пленки вяжущего к любому влажному каменному материалу, причем влажность материала не только не препятствует взаимодействию, но даже создает для этого благоприятные условия в результате возникновения положительного или отрицательного заряда твердой поверхности.

Поверхность частиц материалов необходимо оценивать с точки зрения их шероховатости и природы. Зерна с шероховатой и пористой поверхностью улучшают смачиваемость частицы битумным шариком с образованием пленки, а поровая структура заполняется битумом, т.е. проникает внутрь зерна (рис. 8) с последующим протеканием процесса «взаимозаклинивания». Таким образом, применение битумной эмульсии позволяет увеличить оптимальный расход битума и повысить его адгезионную способность. Слияние битумных пленок на поверхностях зерен образуют «цементирующую» структуру эмульсионно-минеральной смеси, т.е. прямое взаимодействие поверхностей частиц, заменяется взаимодействием адсорбированных тонких пленок битума. В результате последующей технологии уплотнения ЭМС дорожное покрытие. упрочняется.

Отличие между поверхностями различных материалов необходимо искать и в характере элементарных «строительных частиц». Полярная поверхность возбуждает вокруг себя электрическое поле и без внешнего вмешательства. Эту поверхность образуют ионы, полярные молекулы или группы, которые в основном обладают такими же свойствами, как ионы, молекулы или группы, попавшие в сферу их влияния, и могут адсорбироваться. Ионы полярной поверхности имеют значительную силу притяжения и на относительно больших (в 1,5-2 раза превышающих постоянную решетку) расстояниях [2]. Расположение положительных и отрицательных ионов на поверхности пор твердой фазы может быть гомогенным (рис. 9а) или гетерогенным (рис. 9б). «б). поверхностном слое оксидов железа преобладает положительный заряд, тогда как поверхности В

Рис. 8. Модель контакта в двух поверхностях пор: а - отсутствие пленки битума; б - присутствие пленки битума.

Рис. 9. Распределение ионов на поверхности твердой фазы

В поверхностном слое оксидов железа преобладает положительный заряд, тогда как поверхности глинистых составляющих концентрата (SiO₂, AI₂O₃) заряжены отрицательно. Распределение ионов на поверхности твердой фазы приведены на рис.2.

Ниже кратко приведены структуры следующих минералов.

Магнетит имеет сложное кристаллическое строение с решеткой типа шпинели. Поверхностный потенциал магнетита в дистиллированной воде достигает только 1 мВ. Поскольку электрический заряд поверхности магнетита является небольшим, вокруг его зерен образуется тонкая гидросфера. Плотность адсорбированной водной пленки почти вдвое больше плотности окружающей воды.

Структуру гематита составляют группы Fe₂O₃, расположенные в вершинах двух ромбоэдров, образующих общую элементарную решетку. Некомпенсированные ионы кислорода редко присутствуют на поверхностях зерен гематита, и возможность образования водородной связи с катионами жидкой фазы незначительна. Заряд поверхности гематита положителен.

Сидерит кристаллизуется в тригональной сингонии. Кислород в решетке сидерита находится в форме иона СО₃^2- некомпенсированные атомы кислорода на поверхности ромбоэдров встречаются редко. Для адсорбции анионных полиэлектролитов подходящими являются связывающие центры Fe²⁺. В дистиллированной воде сидерит имеет положительный потенциал 6,5 мВ.

Лимонит, являющийся коллоидным или криптокристаллическим, содержит на своей поверхности значительное количество некомпенсированных электроотрицательных атомов кислорода, которые участвуют в образовании водной связи. Важны коллоидная структура у лимонита и ее характеристика - величина удельной поверхности, которая велика.

Рудные минералы -- продукты, выветривания, содержат значительное количество коллоидных компонентов гидрооксидов железа. Количество адсорбированной ими воды со временем постепенно уменьшается, и после ее полного удаления образуются безводные ангидриты, потерявшие коллоидные свойства. В лимоните много адсорбированной воды и поэтому он содержит большое количество коллоидных гидрооксидных компонентов. Характерным свойством, минеральных коллоидов железа является их способность регидратировать, т. е. способность воспринимать удаленную воду. Мицеллы гидрата оксида железа имеют положительный заряд.

Поверхность кварца богата кислородными центрами. Ввиду его высокого полярного характера на поверхности возникает интенсивное поле резидуальних сил, которое в водной среде приводит к адсорбции молекул воды. Кварц в дистиллированной воде имеет отрицательный поверхностный потенциал 35 мВ.

Значение электрокинетического потенциала мицелл влияет на величину сил адгезии. Минимальному электрокинематическому потенциалу соответствуют максимальные силы адгезии.

Другим направлением применения битумной эмульсии может стать разработка технологии окускования железных руд методом грануляции на Кочканарском ГОКе для чего целесообразно выполнить:

1) исследования по оценки адгезии рудного сырья в системе субстрат (руда) - адгезив (битумная эмульсия);

2) опытно-промышленные испытания по грануляции железо-ванадьевых руд с использованием в качестве связующего битумо-водной эмульсии.

3) опытно-промышленные испытания на никелевых предприятиях Урала по брикетированию прокаленной железо-никелевой рудной пыли (колошниковая, скрубберная, циклонная) с применением как битума марки БН 70/30 с температурой размягчения 60-70⁰С [3, 4], так битумной эмульсии.

Оценка свойств нефтебитумов и каменноугольных смол и пеков с целью получения компаундных спецбитумов для дорожных эмульсий

Современная тенденция трактовки структурно-химической композиции нефтебитума, каменноугольного пека

Нефтебитумы. П.А. Рыбьев рассматривает мицеллу битума следующим образом: групповые углеводороды, образуя сложные химические соединения компонентов битумов, создают полидисперсную систему, средой в которой являются молекулярный раствор смол и масел, а дисперсной фазой -- асфальтены и карбены. При тщательном исследовании среды обнаружена ее микроскопическая неоднородность, что при охлаждении, проявляется, в частности, в постепенном и самопроизвольном выделении микродисперсных частиц, способствующих постепенному увеличению вязкости среды.

Асфальтены, коллоидно-пептизированные в среде мальтенов, становятся своеобразными центрами-ядрами, которые окружены оболочкой среды убывающей плотности, т. е. от тяжелых смол к сравнительно легким маслам без резко выраженной границы между фазой и средой. В пограничной зоне адсорбированы асфальтогеновые кислоты, наиболее прочно удерживаются на ядрах при разрушении части дисперсной системы под влиянием усиливающегося броуновского движения при нагревании битумов. Размер мицелл зависит от химического состава среды, активности асфальтенов и темпера-туры. Средний диаметр мицеллы 100--200 Е (10-20·10-⁶м или 10-20 микрон).

Развивая эту точку зрения, И. А. Рыбьев указывает, что мицеллярную структуру нефтесвязующих можно представить как структуру, состоящую из ультрамикроскопической пространственной сетки, размеры ячеек которой обусловлены величиной мицелл или молекул асфальтенов. Молекулярные поры заполнены средой, часть которой связана, а другая -- свободна. Однако среда может быть в таком избытке, что мицеллы с асфальтеновым ядром не контактируют между собой и свободно перемещаются под влиянием броуновского движения. Эта структура характерна для нефтесвязующих при высоких температурах.

При охлаждении битума происходят структурные изменения, связанные с постепенным выделением частиц с наибольшим молекулярным весом и с наименьшей растворимостью в среде. Асфальтены становятся центрами мицелл, которые формируются путем адсорбции асфальтогеновых кислот, их ангидридов и сольватации смол и масел. По мере снижения температуры выделяются новые «центры» сольватации из локальных пересыщений смол. При этом дисперсная система более или менее быстро структурируется и набирает вязкость. Особенно резко возрастает вязкость, после того как концентрация мицелл становится настолько большой, что образуется непосредственный контакт между мицеллами. Такая структура характерна для твердого состояния -- гель.

При значительном количестве слабо осмоленных асфальтенов структурная сетка представляет пространственно-коагуляционный каркас из асфальтенов, соединенных в местах их контакта через тонкие прослойки дисперсной среды. С увеличением содержания смол расстояние в местах контакта увеличивается и приобретается дополнительная пластичность. Это позволило разделить все битумы на три группы (структура нефтебитумов):

I. Структура негомогенная. Структурная сетка из асфальтенов (более 25%), не полностью пептизированных и набухших в масляно-смолистой среде (смол менее 20%).

II. Структура гомогенная. Это структурная сетка из асфальтенов (менее 17%), которая являются центрами мицелл с адсорбированным слоем смол (до 48%), диффузионно- переходящим в смолисто-масляную среду.

III. Структура гомогенная. Структурная сетка из большого количества асфальтеновых ядер-центров, достаточно набухших в смолах, содержание которых доходит до 35%.

Нефтебитумы -- это высокомолекулярные соединения, которые при низкой температуре находятся в аморфном состоянии, и характеризуется ближним порядком, т. е. расположением молекул в элементарной ячейке-мицелле, за пределами которой порядок нарушается. При определенном соотношении между энергией взаимодействия молекул и энергией теплового движения: вся дисперсионная система застывает в стеклообразную массу. С ростом температуры нарушается взаимодействие между дисперсионной средой и дисперсной фазой в мицелле, а при более высокой температуре -- и ближний порядок. Эти изменения приводят к перестройкам внутри мицеллы, степень их зависит от интенсивности энергетического воздействия. Дальнейший рост температуры обусловливает эндотермический эффект - переход битума в высокоэластичное состояние, связанное с десольватацией масел и смол, т. е. плавлением дисперсионной среды. В этот период битум представляет собой коллоидный раствор -- высоко-молекулярные асфальтены и часть смол находится в диспергировонном состоянии в маслах.

Стеклование	Высокоэластичное	Вязкотекучее
	вынужденно- эластичное		вынужденно- пластичное

Т₀ Т_хр Т_{с (р)} Т_п Т_т Т_хп

Рис. 10. Фазовые состояния нефтесвязующих при обратимом физическом стекловании. Температуры: Т_хр - хрупкости; Т_{с (р)} - стеклования (размягчения); Т_п-плавления; Т_т. - текучести; Т_хп - начала химических превращений.

Однако степень дисперсности еще незначительна. Повышение температуры приводит к полной пептизации дисперсионной среды. Сущность этого процесса состоит в том, что растворенные в маслах смолы, сольватируясь вокруг асфальтенов и проникая внутрь ядра, диспергируют последние. Таким образом, под действием свободных молекул смол происходит расщепление ядра мицеллы, так как положительный тепловой эффект обусловливается преобладанием теплоты сольватации над энергией связи между молекулами асфальтенов. Этот процесс уподобляют набуханию лиофильного коллоида (асфальтенов) в растворителе (маслах) при наличии активных полярных молекул (смолы), которые протекает с выделением тепла.

Набухание препятствует разрушению коллоидной структуры битума до определенной температуры, когда ограниченное набухание переходит в неограниченное. Возрастание температуры выше 180-160⁰С вызывает почти полное разрушение коллоидной системы.

Исследованиями, проведенные в СоюздорНИИ установлено, что при малых концентрациях асфальтенов нефтебитумы представляют собой ньютоновскую жидкость или разбавленную суспензию асфальтенов. Начиная с некоторой «критической» концентрации, в системе возникают агрегаты или другие структурные вторичные надмолекулярные образования асфальтенов, на поверхности которых адсорбируются тяжелые смолы. При дальнейшем повышении объемного заполнения среды частицами дисперсной фазы повышается число вторичных структур и агрегатов асфальтенов, пока (при второй критической концентрации) весь объем системы не окажется иммобилизованным структурной сеткой из асфальтенов. «Критическая» концентрация образования структуры определяется лиофильностью и средним молекулярным весом асфальтенов, резко возрастая для лиофобных асфальтенов в битумах из крекинг-остатков. В сильно структурированной дисперсионной среде вязкость системы нарастает при значительно меньших заполнениях объема дисперсной фазой, чем слабоструктурированной. Поэтому вся система представляет собой предельно стабилизированную разбавленную суспензию асфальтенов.

Свойства системы определяются структурой растворенных в углеводородах смол, состоящей из вторичных надмолекулярных образований. Введение асфальтенов в увеличивающейся концентрации способствует образованию в системе новых структурных узлов. На каждой частице асфальтенов адсорбируются тяжелые смолы, и даже целые структурные надмолекулярные образования смол. Процессы развития дисперсных структур нефтебитума во многом определяются углеводородным составом дисперсионной среды. Положительно на формирование структур влияют ароматические углеводороды, которые, заменяя парафинонафтеновые фракции, способствуют лучшему набуханию асфальтенов.

Электронномикроскопические исследования каменноугольного пека и битума проведенные Академиком В.А. Каргиным и его сотрудниками дали принципиально новое представление об их структуре. И позволили определить характерные основные формы надмолекулярных структур, установить принципиальные различия между вторичными образованиями этих битумов и предположить возможность рационального направленного регулирования структуры для получения битумов с заранее заданными технологическими свойствами.

Препарирование каменноугольного пека и битума осуществлялось по одной и той же методике, сущность которой заключается в следующем: испытуемые вещества растворяли в хлороформе, 2%-ный раствор которого наносился на поверхность стекла. После испарения растворителя пленку битума оттеняли платиной для повышения контрастности. Затем снималась одноступенчатая угольная реплика с образца желатиной. Полученная реплика тщательно и последовательно промывалась в хлороформе и дистиллированной воде. После высушивания производилась съемка образцов на электронном микроскопе «Теs1а» марки ВS-242е на пленку «Микрат-200». Увеличение 10 800^х.

Нефтебитум. Для битума коагуляционная система состоит из асфальтенов, пептизированных в высокомолекулярных смолах и диспергированных в мальтеновой среде, характерно наличие большого числа хаотично расположенных сферических частиц (глобул), обладающих различными размерами (рис. 11, а, б).

а) б)

Рис. 11. Структура нефтебитума

На размер глобулы влияет слабополярная дисперсионная среда, препятствующая срастанию макромолекул. Поэтому не случайно, что во всем объеме дисперсионной мальтеновой среды (низкомолекулярные смолы + масла) встречаются глобулы различных размеров -- от крохотных, почти сливающихся с дисперсионной средой, до довольно крупных.

Крупность глобулы зависит адсорбционной активности коагляционного комплекса макромолекул (асфальтенов, пептизированных в смолах) и поверхностной концентрации асфальтогеновых кислот и их ангидридов на асфальтенах, обусловливающих интенсивность взаимного притяжения (молекулярную подвижность) и сворачивания отдельных макромолекул в клубки-глобулы. Если макромолекулы сохраняют достаточную подвижность, размер глобул может увеличиваться в результате слияния. Если же молекулярная подвижность утрачивается, то фиксируются глобулы малых размеров. Большие глобулы, как правило, придают высокую эластичность.

Процессы развития дисперсных структур у битумов во многом определяются углеводородным составом дисперсионной среды (мальтенами). Положительно на формирование глобул и других вторичных образований влияют различные ароматические углеводороды, особенно когда они присутствуют вместо парафиновых или парафинонафтеновых фракций. Это способствует лучшему набуханию асфальтенов и возникновению глобул больших размеров. К тому же с ростом содержания тяжелой ароматики в дисперсионной среде несколько повышается полярность - полярные связи системы, что также благоприятно сказывается на совершенствовании надмолекулярных структур.