08. Сланцевые битумы

Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горючих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие. Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных газогенераторных или туннельных печах до температуры 550°С, при этом выделяются газ, низкотемпературная смола в количестве 15 - 20 % массы сланца и полукокс.

В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин - с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо - от 180 до 225°С, дизельное топливо - от 225 до 325° С, мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций — до 300 или 325 С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум. Сланцевые битумы делят на шесть марок: от С1 до С6. По составу и свойствам они несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах, как и в нефтяных, также определяют групповой состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше.

Наличие в сланцевых битумах большого количества кислородных и азотистых соединений, а также их способность растворяться в полярных растворителях (ацетоне и спирте) указывают на повышенное содержание в них полярных соединений.

Сланцевые битумы имеют высокую растяжимость при 25°С — более 100 см, поэтому она не нормируется. Сланцевые битумы в большей степени, чем нефтяные, изменяют свои свойства при нагревании. Погодоустойчивость их также меньше нефтяных.

Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов. Сланцевые битумы хорошо совмещаются с нефтяными, что позволяет получать смешанные (компаундированные) битумы с требуемыми свойствами.

09. Каменноугольные дегти

Каменноугольные дегти являются органическими вяжущими, по свойствам и способу получения они близки к сланцевым битумам. Их получают при деструктивной переработке каменных и бурых углей.

При производстве кокса для выплавки чугуна, а также при получении газа как топлива на коксохимических и коксогазовых заводах - каменный и бурый уголь нагревают (без или с ограниченным количеством воздуха). В результате такой переработки получают кокс или газ, а также продуктов для смолообразные вещества. В зависимости от перерабатываемого сырья получают каменноугольные торфяные и древесные дегти. В зависимости от вида сырья и технологии (коксования, газификации, полукоксования) угли нагревают до температур 600 - 1200° С без доступа воздуха. При этом протекает пирогенетическое деструктивное их разложение на газообразные жидкие и твердые вещества. Эти вещества улавливаются, конденсируются на специальных установках. В результате такой переработки получают ряд ценных продуктов: кокса 70 - 75 %, смол 5 - 10%, газа 15 - 25 %, бензола и аммиака до 2 % массы угля.

Для дорожного строительства применяют дегти: отогнанные, которые образуются при отборе из сырой смолы летучих веществ при ее фракционной перегонке до получения вязкости, соответствующей вязкости дорожного дегтя; составленные, изготовленные смешением горячего пека и антраценового масла или других жидких дегтевых материалов, в пропорции, которая обеспечивает необходимую вязкость дорожного дегтя.

В качестве жидкой составляющей (разжижителя) для пека используют антраценовое масло и пековый дистиллят, а в ряде случаев — каменноугольные смолы.

Вязкость каменноугольных дегтей зависит от структуры и количественного соотношения жидкой и твердой фаз. С повышением содержания свободного углерода и твердых смол при соответствующем уменьшении количества масел вязкость дегтей повышается. Вязкость каменноугольных дегтей определяется стандартным вискозиметром по времени истечения 50 мл дегтя через отверстия диаметром 5 или 10 мм при температурах 30 и 50°С. В зависимости от показателей свойств и состава каменноугольные дорожные дегти разделяют на шесть марок: Д1 – Д6.

Пластичность дегтей низкая и обусловливается небольшим количеством в них вязкопластичных компонентов и нали­чием свободного углерода.

Теплоустойчивость каменноугольных дегтей меньше, чем нефтяных битумов. Так, например, интервал пластичности (превращения) у дегтей составляет < 40°С, а у битумов > 50°С. Пониженная теплоустойчивость дегтей объясняется их более грубой дисперсностью и повышенной плавкостью смол. В отличие от нефтяных битумов с уменьшением вязкости дегтей коэффициент теплоустойчивости их повышается вследствие уменьшения содержания нетеплоустойчивых плавких смол и увеличения содержания более теплоустойчивых масел. Увеличение содержания грубодисперсного свободного углерода значительно повышает теплоустойчивость дегтей.

Прилипание каменноугольных дегтей к поверхности минеральных материалов несколько лучше, чем большинства разновидностей нефтяных битумов, вследствие того, что они содержат большое количество веществ с полярными группами.

Погодоустойчивость дорожных каменноугольных дегтей обусловлена характером содержащихся в них химических соединений. Склонность дегтя к старению устанавливают путем определения фракционного состава. С помощью специального прибора деготь перегоняют, отбирая фракции, выкипающие до 170, 270, 300°С.

Эти фракции относятся к летучим маслам. Они легко испаряются в период эксплуатации покрытия. Остаток дегтя после отбора указанных фракций должен обладать оптимальной вязкостью и теплоустойчивостью, характеризуемой температурой размягчения.

Некоторое повышение погодо- и теплоустойчивости дорожных дегтей достигается введением добавок дисперсных каменных материалов (молотых известняков, доломитов, шлаков), а также каменноугольной пыли. Дегти с такими добавками называются наполненными.

В зависимости от способа обработки дорожных покрытий применяют дегти следующих марок:

Д-1 - для обеспыливания дорог и поверхностной обработки дорожных покрытий и оснований;

Д-1 и Д-2 — для обработки грунтово-гравийных и щебеночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии;

Д-3 и Д-4 — для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии;

Д-5 и Д-6 — для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дегтебетона и щебеночных смесей в смесительных установках;

Д-6 — для глубокой пропитки щебеночных дорожных покрытий, изготовления горячего дегтебетона.

Применять дегти в городских условиях для устройства дорожных покрытий запрещено санитарными нормами.

10-11. Дорожные эмульсии

Битумные эмульсии применяют в качестве вяжущего или пленкообразующего материала при строительстве и ремонте автомобильных дорог.

Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость (фаза) в виде мельчайших капель размером 0,1 мкм диспергирована (раздроблена) в другой жидкости (среда), не смешивающейся с ней. Дорожные битумные эмульсии представляют собой жидкости темно-коричневого цвета, получаемые путем диспергирования битума в водном растворе эмульгатора или щелочного вещества.

Битумы и дегти, являющиеся неполярными веществами, не растворяются в полярной жидкости - воде. Поэтому они могут смешиваться с водой только с образованием коллоидной дисперсной системы - эмульсии. Образование и устойчивость эмульсии достигается путем введения в нее специальных эмульгаторов - поверхностно-активных веществ или тонкодисперсных твердых порошков. По виду ПАВ, используемых в качестве эмульгатора, битумные дорожные эмульсии подразделяют на анионные (ЭБА) я катионные (ЭБК).

По смешиваемости с минеральными материалами каждый вид эмульсии подразделяют на три класса: анионные -ЭБА-1, ЭБА-2, ЭБА-3; катионные -ЭБК-1, ЭБК-2, ЭБК-3. Смешиваемость косвенно характеризует склонность эмульсии к распаду.

Твердые минеральные эмульгаторы выполняют ту же роль, что и органические. Они прилипают к поверхности диспергированных частиц битума или дегтя и образуют на границе раздела их с водой защитные оболочки, препятствующие соединению (рис. 10.9). Эмульсии, содержащие битума или дегтя более 60 - 70 % называют высококонцентрированными.

Эмульсионными пастами называют вязкие высококонцентрированные эмульсии с применением твердых эмульгаторов. Эмульсионные пасты перед применением обычно разводят водой до получения требуемой вязкости.

Для изготовления дорожных эмульсий применяют главным образом водорастворимые органические эмульгаторы или твердые минеральные порошкообразные вещества. К числу водорастворимых эмульгаторов относятся поверхностно-активные анионактивные и катионактивные вещества. Эмульсии с анионактивными эмульгаторами называют щелочными, с катионактивными — кислыми. Содержание водорастворимых эмульгаторов в эмульсии обычно не превышает 3 %, твердых эмульгаторов - 5 - 15 % и зависит от дисперсности эмульсии.

В качестве анионактивных эмульгаторов применяются мыла: щелочные соли нафтеновых, сульфонафтеновых, смоляных органических кислот, литносульфонат технический (ЛСТ), хлопковый гудрон (госсиполовая смола), второй жировой гудрон и др.

К катионактивным эмульгаторам относятся катионовые мыла, являющиеся производными четвертично замещенного аммония с солями аминов. К твердым эмульгаторам относятся тонкоизмельченные порошки глин, извести, цемента, сажи, угля и т.д. Для повышения устойчивости к твердым эмульгаторам, как правило, добавляют органические эмульгаторы, мыла, ЛСТ и др. В последнее время находят применение новые экономичные эмульгаторы: талловое масло, жировой гудрон, полимеры канифольно-экстрационного производства, стеарин, катионактивные препараты ХД-180, ХД-34, а также карбоксиламин. При диссоциации этих веществ поверхностно-активным является катион, который понижает поверхностное натяжение воды, растекается по битуму и способствует его диспергированию при перемешивании.

В зависимости от свойств и содержания эмульгаторов, количества битума или дегтя можно получать эмульсин двух типов:

прямые, когда капли битума диспергированы в воде;

обратные, когда вода диспергирована в битуме.

В дорожном строительстве применяются главным образом прямые эмульсии. При взаимодействии эмульсий с каменными материалами за счет адсорбции эмульгатора, испарения и поглощения воды нарушается равновесие системы и происходит ее распад. Вследствие адсорбции эмульгатора поверхностью каменных материалов концентрация его на защищенных оболочках частиц битума уменьшается, при перемешивании они разрываются и происходит слияние и объединение битума с каменными материалами.

В зависимости от вида эмульгатора, свойств обрабатываемых материалов и температуры воздуха эмульсии распадаются с различной скоростью. Скорость распада эмульсии можно регулировать путем введения соответствующих добавок. Устойчивые эмульсии с анионактивными эмульгаторами имеют рН = 7-11, катионе активные 3 – 6.

С увеличением рН устойчивость анионактивных эмульсий уве­личивается, а катионактивных уменьшается. Изменение рН достигается путем введения в эмульсию продуктов, содержащих щелочи, соли или кислоты. В качестве добавок, ускоряющих распад эмульсии, применяют сульфатный щелок, соли кальция, магния, сернокислого и хлорного железа, калиево-алюминиевые квасцы. Количество добавки обычно не превышает 0,5 - 1%. Предварительная обработка минеральных материалов известью, цементом, а также солями двух-и трехвалентных металлов улучшает прилипание вяжущего каменным материалам.

Вязкость эмульсии выбирают в зависимости от условий и способа обработки минеральных материалов. Ее определяют на вискозиметре типа ВУ или на вискозиметре для нефтяных битумов со сточным отверстием 3 мм при температуре (20±2)^СС

Содержание битума с эмульгатором характеризует концентрацию эмульсии и определяется в процентах как отношение массы битума с эмульгатором к массе эмульсии. Содержание битума определяется как остаток при выпаривании воды из эмульсии и составляет 45 — 55 %.

Однородность эмульсии определяется процеживанием ее навески через сито № 0,14. Однородность устанавливают в процентах как отношение остатка на си­те к навеске эмульсии. Она должна быть не более 0,5 %.

Устойчивость эмульсии определяют по изменению ее однородности при хранении, при выдерживании проб эмульсии в течение недели и месяца.

Устойчивость при транспортировании определяют после 2 ч встряхивания навески эмульсии. Если эмульсия не распалась т. е. не произошло необратимого разделения ее на битум и воду, то она выдержала испытание.

Определение свойств битума, выделенного из эмульсии, производится после испарения воды. Глубина проникания и растяжимость не должны уменьшаться более чем на 15 % показателей исходного битума.

Приготовление эмульсий. Для приготовления эмульсий используют: нефтяные вязкие битумы марок от БНД 200/300 до БНД 40/60 в зависимости от климатических условий района строительства, конструкции дорожной одежды и способа производства работ. В качестве эмульгаторов используют продукты, содержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), в основном анионные: высшие органические кислоты (жирные, смоляные, нафтеновые, сульфонафтеновые) или их щелочные соли (мыла). В качестве щелочных веществ применяют едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия.

Эмульгатор и щелочное вещество определяют в зависимости от класса эмульсии. Эмульгатор вводят в воду или битум, а щелочное вещество — в воду.

Приготовленные компоненты эмульсии содержатся в специальных резервуарах, из которых и подаются в эмульсионную установку, где при помощи вращающихся дисков (лопастей) происходит диспергирование (раздробление) битума или дегтя в водной среде. Эмульгатор адсорбируется на поверхности частиц вяжущего материала и придает устойчивость получаемой эмульсии.

Качество эмульсии и механическая энергия, затрачиваемая на ее производство, зависят от того, насколько полно будет использована энергия химического и физико-механического взаимодействия компонентов эмульсии, эмульгатора, битума или дегтя и воды.

При приготовлении эмульсии водные растворы эмульгатора с щелочным веществом или водный раствор щелочного вещества (при введении эмульгатора в битум) нагревают до температуры 70 - 80 С. Затем битум и водный раствор эмульгатора или щелочного вещества подают в эмульсионную установку механического или акустического действия. При использовании в качестве эмульгаторов синтетических жирных кислот можно применять аппараты химического эмульгирования. При изготовлении суспензий на твердых эмульгаторах применяются лопастные мешалки. Сначала в мешалку вводят воду при температуре около 90° С, затем добавляют необходимое количество тонкоизмельченного эмульгатора. Эти материалы тщательно перемешивают до получения однородного сметанообразного раствора с температурой около 60 - 70° с, после чего в раствор постепенно вводят горячий вяжущий материал. Вся смесь хорошо перемешивается в мешалке до получения однородной массы, легко разбавляемой водой.

Битумные и дегтевые эмульсии применяются для обеспыливания дорог, обработки гудронов с целью укрепления обочин, откосов, устройства покрытий способом пропитки, приготовления черного щебня, ремонта покрытий, ухода за твердеющим бетоном.

При применении эмульсии для устройства дорожных покрытий необходимо учитывать длительность формирования покрытия, связанную с испарением воды. Она зависит от погодных условий и может исчисляться часами.

Для поверхностной обработки при ремонтных работах получили распространение холодные смеси, состоящие из мелкозернистых минеральных материалов и битумной эмульсии. Битумно-эмульсионные шламы готовят в большинстве случаев с применением катионактивных эмульгаторов и замедлителей распада эмульсии. Относительно короткий срок распада эмульсии требует применения специальных шламоукладчиков, обеспечивающих дозирование, приготовление и распределение шлама на покрытии.

Эмульсии катионные пропиточные приготавливаются путем диспергирования вяжущего (битум, гудрон, ароматические или нафтеновые масла) в водном растворе эмульгатора.

Эмульсии катионные пропиточные используются при технологии реабилитации асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог общего пользования.

Данная технология является профилактическим мероприятием и служит для восстановления свойств состарившегося в процессе эксплуатации битума в верхнем слое покрытия.

Обработка асфальтобетонных покрытий пропиточной эмульсией целесообразна, если средняя плотность асфальтобетона составляет не более 2,2 г/см³, а также при отсутствии разрушений на поверхности покрытия. При наличии на по­верхности покрытия автомобильной дороги поверхностной обработки проводить реабилитацию верхнего слоя асфальтобетонного покрытия с использованием эмульсий не рекомендуется.

Эмульсии в зависимости от вида основных исходных компонентов подразделяются на марки:

ЭКП-1 - эмульсии катионные пропиточные, получаемые с использованием в качестве вяжущего гудрона или битума;

ЭКП-2 - эмульсии катионные пропиточные, получаемые с использованием в качестве вяжущего нефтяных масел (ПН-6, ЭФОМ, индустриальное масло).

Использование эмульсий катионных пропиточных позволит:

- уменьшить водонасыщение асфальтобетона верхнего слоя покрытия автомобильных дорог;

- частично восстановить физико-химические свойства имеющегося в покрытии вяжущего.

Состав для обеспыливания гравийного покрытия автомобильных дорог представляет собой катионную медленнораспадающуюся эмульсию на основе отработанных масел.

Эмульсия предназначена для обеспыливания дорожных одежд с гравийным покрытием.

Норма расхода 30%-й эмульсии составляет 4-5 л/м при толщине обрабатываемого слоя 0,06 - 0,08 м.

Обеспыливание гравийных покрытий автомобильных дорог с дорожной одеждой переходного типа в летнее время продлевает срок их службы и значительно уменьшает запыленность воздуха, что позволяет увеличить скорость движения автомобилей и, следовательно, пропускную способность дорог, срок службы двигателей автомобилей, позволяет снизить количество дорожно-транспортных происшествий и улучшить экологическую обстановку в прилегающих районах.

Обеспыливающий эффект (уменьшение содержания пылевидных фракций) составляет 65-85%, в зависимости от расхода обеспыливающей эмульсии и содержания пылевидных частиц в материале покрытия. Продолжительность обеспыливающего эффекта составляет от 30 до 150 суток.