Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. влияние количества и качества эмульгаторов на физико-технические характеристики битумных эмульсий 10
1.1. Виды эмульсий, методы их проектирования и оценки 10
1.2. Факторы, влияющие на качество приготовленной эмульсии. Методы контроля качества 38
1.3. Цель и задачи исследования 66
2. Экспериментальные исследования факторов, влияющих на качество приготовляемой эмульсии 68
2.1. Законы распределения количества эмульгатора в битумной эмульсии 68
2.2. Законы распределения параметров времени распада (tcp ист,) битумной эмульсии на эмульгаторе «Динорам-СЛ» 89
2.3. Основные выводы по главе 97
3. Теоретические исследования в области теории риска для оценки качества приготовляемых дорожных катионных битумных эмульсий 98
3.1. Основные понятия и формулы теории риска для оценки качества битумных эмульсий 98
3.2. Определение критических параметров в формулах теории риска для оценки качества битумных эмульсий 108
3.3. Анализ полученных математических моделей теории риска 115
3.4. Основные выводы по главе 122
4. Рекомендации по применению результатов исследований в строительстве дорожных одежд нежёсткого типа 123
4.1. Влияние параметров битумной эмульсии на коэффициенты времени распада и качество эмульсии. 123
4.2. Требования технологии строительства к параметрам битумной эмульсии 128
4.3. Предложения в нормативно-техническую литературу, проектным и строительным организациям 136
4.4. Технико-экономическое обоснование результатов теоретических и экспериментальных исследований 145
Общие выводы 168
Список использованной литературы 169
Приложения 179
- Факторы, влияющие на качество приготовленной эмульсии. Методы контроля качества
- Законы распределения параметров времени распада (tcp ист,) битумной эмульсии на эмульгаторе «Динорам-СЛ»
- Определение критических параметров в формулах теории риска для оценки качества битумных эмульсий
- Предложения в нормативно-техническую литературу, проектным и строительным организациям
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее перспективных направлений повышения качества дорожных одежд является применение битумных эмульсий в дорожном строительстве. Благодаря большой дисперсности битумные эмульсии используются в основном без подогрева, чаще всего для таких видов работ как: устройство поверхностной обработки, ямочный ремонт, пропитка щебня и подгрунтовка конструктивных слоев дорожной одежды.
В настоящее время дорожно-строительные организации не имеют достаточно надежных методик по учету времени распада битумных эмульсий при составлении суточного графика производства работ. Это, в свою очередь, вызывает технологические перерывы, которые можно было бы избежать при определении соответствия времени распада битумной эмульсии времени технологического процесса. Кроме того, развитие отечественного дорожного строительства с использованием битумных эмульсий тесно связано с внедрением и корректировкой передовых зарубежных технологий устройства слоев, содержащих эмульсии, с учетом российских материалов, отличающихся от зарубежных по своим качественным и прочностным характеристикам, наличием соответствующей техники и механизмов с учетом особенностей отечественной практики эксплуатации автомобильных дорог.
При приготовлении битумной эмульсии изготовители определяют, сколько необходимо добавить эмульгатора, чтобы битумная эмульсия была требуемого класса (быстро-, средне- или медленнораспадающаяся). Но, к сожалению, это слабо связано с технологией производства работ, потому что в пределах одного и того же класса битумной эмульсии для одного технологического процесса понадобится одно время распада эмульсии, для другого процесса – другое. Это все может привести и приводит к тому, что битумная эмульсия с рекомендованным количеством эмульгатора оказывается не соответствующей тому или иному технологическому процессу.
Применение битумных эмульсий упрощает технологию производства работ в связи с возможностью использования вяжущего в холодном состоянии, позволяет сократить затраты энергетических ресурсов путем исключения процесса сушки и нагрева минеральных материалов, продлить строительный сезон, а также способствует уменьшению загрязнения окружающей среды.
Наиболее полную вероятностную сущность воздействия количества эмульгатора на свойства битумной эмульсии можно описать при помощи теории риска.
Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности темы исследования.
Цель исследования заключается в учете вероятностной сущности времени распада катионных битумных эмульсий, для соблюдения соответствия времени распада времени технологического процесса, по устройству слоев дорожной одежды, содержащих данный материал.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:
установить законы распределения количества эмульгатора в битумной эмульсии и параметры времени распада (tср и ) эмульсии (на основе эмульгаторов «Динорам-СЛ» и «Полирам-Л200»);
используя установленные законы распределения количества эмульгатора в битумной эмульсии и параметры времени распада эмульсии, разработать математическую модель, позволяющую определять и корректировать время распада битумной эмульсии по условию соответствия времени технологического процесса;
установить влияние статистических показателей эмульгатора (коэффициента вариации и среднего количества эмульгатора) на время распада битумной эмульсии для разработки и предъявления требований различных технологических процессов к составу битумной эмульсии;
разработать рекомендации в нормативно-методическую и техническую литературу по приготовлению битумных эмульсий с учетом требуемого технологией производства работ периода распада.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснован допустимый риск распада битумной эмульсии на основе требований надежности к слоям дорожных одежд нежесткого типа, содержащих данный материал;
впервые учитывается риск распада битумной эмульсии при составлении суточного графика производства работ;
разработан математический аппарат, позволяющий определять и корректировать время распада битумных эмульсий по условию соответствия времени технологического процесса.
Практическая ценность диссертационной работы состоит:
в рекомендациях в нормативно-техническую литературу допусти-мого риска распада битумной эмульсии;
в определении времени распада, соответствующего времени технологического процесса для различных видов строительных работ;
в разработке методик для проектных и эксплуатационных организаций по определению оптимальных показателей эмульгаторов (времени распада и количества эмульгатора) и методов их сохранения в процессе производства строительных работ;
в определении оптимальной длины захватки с учетом времени распада битумной эмульсии;
в рекомендациях изготовителям битумной эмульсии по соблюдению требуемых свойств эмульсии, основанных на технологии производства работ;
в следующих рекомендациях дорожно-строительным организа- циям:
а) по подбору состава битумной эмульсии для различных технологических процессов на основе требуемого времени распада эмульсии;
б) по оптимальному количеству наиболее востребованного эмульгатора «Динорам-СЛ», на основе которого выполнено апробирование работоспособности математической модели для среднераспадающейся битумной эмульсии. Апробация выполнялась как для слоев поверхностной обработки, так и при ямочном ремонте и подгрунтовке.
Объектом исследования является процесс устройства слоев дорожной одежды, содержащих битумную эмульсию с фиксированным периодом распада при устройстве слоев поверхностной обработки, ямочном ремонте и подгрунтовке.
Предметом исследования является изучение влияния количествен-ных параметров эмульгатора на период распада битумной эмульсии с разработкой теоретико-вероятностной модели времени распада в соответствии с требованиями технологического процесса производства работ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы по мере их разработки докладывались и обсуждались:
на семинаре «Повышение безопасности дорожного движения», проведённом Федеральным дорожным агентством Министерства транспорта РФ в СНПЦ «Росдортех» 9-10 ноября 2005 г.;
на ежегодных научно-исследовательских конференциях СГТУ «Декада науки» (2005-2009 г.г.);
на научно-методических семинарах кафедры «Строительство дорог и организация движения» СГТУ (2006-2009 г.г.);
на Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 16-18 апреля 2009 г.).
Положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований, выполненных с целью установления законов распределения исследуемых показателей и сравнения натурных данных с теоретическими;
разработанная математическая модель, позволяющая:
а) по заданному времени технологического процесса и допустимому риску несвоевременного распада битумной эмульсии устанавливать требуемое количество эмульгатора;
б) по требуемому количеству эмульгатора и допустимому риску несвоевременно распада эмульсии устанавливать время распада и, равное ему, время технологического процесса;
практические рекомендации дорожным организациям и изготовителям битумных эмульсий по соблюдению свойств, требуемых технологическим процессом производства строительных работ.
Публикации.
Факторы, влияющие на качество приготовленной эмульсии. Методы контроля качества
Эти эмульсии используют для приготовления плотных эмульсионно-минеральных смесей, холодного асфальтобетона, литых холодных асфальтобетонов, регенерированного асфальтобетона, укрепления грунтов, а так же для производства работ способом пропитки и поверхностной обработки в условиях сухой, теплой погоды, поскольку только в этом случае будет обеспечено формирование покрытия. Эти эмульсии обычно используются холодными.
Битумные эмульсии широко применяются в зарубежной практике дорожного строительства, особенно во Франции, Германии, США, Польше, Чехии, Словакии и многих других странах [63]. Например, в Канаде на северозападном краю котловины Садбери в Онтарио, имеются подземные шахты компании CVRD Inco, предназначенные для разработки никелевой руды [102]. В этих шахтах имеются дороги, представляющие собой наклонный подъездной путь для грузовиков, который тянется примерно на 6 км. Поднимающаяся от дорожного полотна пыль быстро превратилась в серьезную проблему для шахтеров. Начиная с 1997 года, шахтерские бригады стабилизировали поверхность наклонного подъездного пути при помощи битумной эмульсии, пытаясь создать ровную, твёрдую и беспыльную поверхность. Этот метод строительства позволил сделать качественную дорогу, но её ровность и прочность не оправдали ожиданий. В результате инженерный персонал провел тщательную ревизию проекта и методов сооружения существующего наклонного подъездного пути. Получение жидкого битума при приготовлении битумной эмульсии было единственным приемлемым вариантом для устройства дорожного покрытия под землей. Битумная эмульсия добавлялась в отношении 9 л. на кв . В случае нового строительства используется тот же самый процесс, но пропорция до-бавляемой битумной эмульсии составляла 14-15 л. на кв . В конечном итоге инженеры определили, что регенерация дорожного покрытия на полную глубину с применением битумной эмульсии является тем методом, который удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подземному шоссе [102]. Битумные эмульсии должны соответствовать требованиям стандарта ГОСТ Р 52128-2003 [34] и приготовляться по технологическому регламенту, утверждённому в установленном порядке предприятием-изготовителем.
Показатели свойств битумных эмульсий должны соответствовать требованиям, установленным в табл. 1.3 - для катионных и в табл. 1.4 - для анионных эмульсий.
В США при ремонте и реконструкции существующих дорог всё более широкое применение находит технология холодного ресаиклинга дорожных покрытий на месте. Холодный ресайклинг состоит из фрезерования старого дорожного покрытия, последующего смешения асфальтовой крошки или каменного материала с вяжущим (как правило, битумной эмульсией, реже вспененным битумом) и уплотнения смеси [2, 35]. Эмульсии делят на три категории: катионные (cationic), анионные (anionic) и нейтральные (non-ionic). В США в дорожном строительстве применяют эмульсии первых двух категорий, но обычно американские дорожники используют катионные битумные эмульсии (реже - анионные), распадающиеся со средней скоростью, или катионные, медленнораспадающиеся эмульсии на битуме или полимерно-битумном вяжущем с концентрацией битума порядка 60%.
В связи с существенным отличием российских и американских стандартов на битумные эмульсии и чрезвычайной важностью свойств эмульсии в технологии ресайклинга, рассмотрим детально требования американского стандарта к наиболее часто применяемым для холодного ресайклинга катион-ным эмульсиям.
Технические условия на катионные битумные эмульсии регламентированы стандартом D 2397-02 Американского общества испытаний и материалов (ASTM) [2]. Стандарт охватывает семь марок катионных битумных эмульсий для применения в дорожном строительстве. Битумную эмульсию следует испытывать в течение двух недель после доставки. Она должна быть однородной после перемешивания (если не произошло расслоения, вызванного замерзанием; эмульсию, которая расслоилась вследствие замерзания, испытывать не разрешается) и удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 1.5.
В технической литературе на английском языке применительно к битумным эмульсиям для характеристики процессов, происходящих во времени, используют два термина: «setting time» и «breaking time», а на русском - только один - «время распада», что может привести к недоразумениям и затруднениям в понимании маркировки эмульсий.
Термин «setting time» характеризует процесс, обратный эмульгированию (деэмульгирование), т. е. разрушение эмульсии. Капли дисперсной фазы укрупняются вследствие слияния при их столкновениях в процессе броуновского движения и оседания, что приводит к расслоению образующих эмульсию жидкостей. Деэмульгирование происходит, когда действие эмульгатора перестаёт быть эффективным, т. е. образуемые им на поверхности капель защитные оболочки разрушаются или теряют способность предотвращать слияние капель. Термин «breaking time» характеризует время распада битумной эмульсии при взаимодействии с поверхностью минеральных частиц. Именно этот термин — «время распада» - и используется в России. И нами в диссертационной работе используется этот термин. Как правило, чем больше «setting time», тем больше «breaking time», хотя характеризуемые ими процессы различны, так как время распада зависит не только от состава эмульсии, но и от минералогического и зернового состава твёрдых частиц, их влажности и т. д. С этой точки зрения, считают в США, удобнее классифицировать эмульсию по «setting time», поскольку для одной и той же эмульсии «breaking time» может быть различным.
Законы распределения параметров времени распада (tcp ист,) битумной эмульсии на эмульгаторе «Динорам-СЛ»
Проектирование состава битумной эмульсии зависит от большого количества факторов и требует определения оптимального соотношения всех её компонентов. Прежде всего, необходимо установить, для каких целей проектируется эмульсия. Для каждого вида работ или смесей следует проектировать битумную эмульсию с учётом характеристик минерального материала и оборудования, на котором она будет приготавливаться. Необходимо учитывать также и время, по истечении которого по уложенному слою должно быть открыто движение транспортных средств [18].
Получение устойчивых битумных эмульсий с желаемыми характеристиками и сохраняющими состояние равновесия в течение продолжительного периода времени предполагают учёт основных закономерностей образования и формирования битумных эмульсий, и это обеспечивается наличием определённого количества и качества эмульгатора в их составе [38]. Главной целью эмульгирования битума является перевод его в жидкое состояние при температуре окружающей среды. Тщательный подбор эмульгатора играет большую роль в получении эмульсии с требуемыми свойствами.
Эмульгаторами называются поверхностноактивные вещества, состоящие из углеводородного радикала и полярной группы, способные адсорбироваться на поверхности битумов и придавать устойчивость образовавшейся эмульсии [38]. Битумная 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 распада в основном регулируется типом и дозировкой эмульгатора. Однако на скорость распада влияют также и другие факторы, такие как тип заполнителя, минералогический и зерновой состав минеральной части, состав эмульсии, вид и природа эмульгатора, соотношения компонентов в смеси, скорость ветра, температура, влажность и другие климатические условия [63]. Окончательное решение по дозировке эмульгаторов принимается на основе результатов лабораторного подбора составов, оно обуславливается технологическими особенностями использования битумных эмульсий и свойствами использующихся в процессе производства исходных компонентов [76].
Поглощение ионов эмульгатора на поверхности заполнителя изменяет природу его поверхности с переходом от гидрофильной к липофильной. В результате высвобождаемый в процессе разрушения битум может легко прилипать к поверхности заполнителя.
Поскольку у большинства заполнителей, используемых в дорожном строительстве, большая часть отрицательных зарядов находится на поверхности, катионные эмульсии обычно являются более подходящими для применения, чем анионные. Положительные заряды на каплях катионной эмульсии притягиваются к отрицательным зарядам на заполнителе, в то время как имеется только ограниченное число положительных зарядов, которые могут быть притянуты к отрицательным зарядам анионной эмульсии.
Разрушение анионной эмульсии на отрицательно заряженном заполнителе тоже может иметь место, но это разрушение происходит по причине испарения водной фазы или вследствие поглощения водной фазы пористым заполнителем. При удалении воды из водной фазы эмульсии происходит уменьшение объёма для капель битума, что вызывает увеличение давления на капли. По достижении определённой точки испарения отталкивающие силы между каплями уже не в состоянии разделять их, и начинается коалесценция (процесс слияния глобул фазы с образованием более крупных глобул). В процессе коалесценция некоторая часть водной фазы окажется внутри битумной фазы и образует капли воды. Эмульсия претерпела инвертирование, и по внешнему виду она напоминает битум. Уловленная вода медленно испаряется, и после того как она окончательно испарится, битум вновь приобретёт первоначальные свойства. Этот процесс может занять от 30 минут при высокой температуре до нескольких дней при исключительно низких температурах. Помимо температуры окружающей среды, на испарение водной фазы оказывают влияние такие климатические факторы, как температура воздуха, скорость ветра, относительная влажность и другие. Разрушение может быть ускорено воздействием механических сил, например, вибрациями от катков или даже от движения автомобилей.
Заполнители часто классифицируются как щелочные или кислотные. Известняк является примером щелочного заполнителя, а из кислотных — гранит и кварцит. Однако на самом деле картина значительно сложнее. Заполнители редко состоят только из чистого минерала, и при этом даже чистый минерал может иметь как щелочные, так и кислотные компоненты. Влияние, оказываемое заполнителем, не ограничивается его химической природой. Гранулометрический состав заполнителя также оказывает существенное влияние на скорость разрушения. Заполнитель с высоким содержанием мелочи приведёт к значительно более быстрому разрушению, чем заполнитель с малым содержанием мелочи. Это объясняется тем, что большая поверхность мелочи создает большое число электрических зарядов.
В качестве эмульгаторов для анионных эмульсий применяют ПАВ типа высших органических кислот (жирные, смоляные, нафтеновые, сульфатонаф-теновые) или солей (мыл) (табл. 1.7). Продукты, содержащие высшие органические кислоты, должны иметь число омыления в пределах от 50 до 200 мг КОН на 1 г продукта. Эмульгирующая способность образца эмульгатора должна проверяться в лаборатории [34, 38, 54].
В качестве эмульгаторов для катионных эмульсий используют ПАВ типа аминов, диаминов, полиаминов и четвертичных аммониевых солей, они должны отвечать требованиям, установленным в нормативной документации [5, 34, 38, 54, 63].
Для приготовления эмульсий применяют битумы нефтяные дорожные вязкие по ГОСТ 22245-90 [31, 34]. Марку битума назначают с учётом климатических условий района строительства и конструктивного слоя дорожной одежды. Битумы могут использоваться с добавками полимеров [8, 37], напри 41 мер стирол-бутадиен-стирол (SBS) [32], повышающий физико-механические свойства битумных эмульсий. К ним относятся: устойчивость к колееобразо-ванию, выдерживание нагрузки от движения большегрузных транспортных средств в экстремальных условиях эксплуатации. [17]. Также в битум могут вводиться и катионно-адгезионные добавки «КАП», обеспечивающие термостабильность активированного битума при хранении [53]. Для приготовления водных растворов эмульгаторов для анионных эмульсий применяют едкий натр по ГОСТ 2263-79 [25], триполифосфат натрия по ГОСТ 13493-86 [30], для катионных эмульсий используют кислоты: соляную по ГОСТ 857-95 [24], уксусную по ГОСТ 6968-76 [26] или ортофосфорную по ГОСТ 10678-76 [29], хлористый кальций по ГОСТ 450-77 [23], [34]. Эмульсии должны быть однородными, т. е. остаток на сите с сеткой № 0.14 должен быть не более 0,5%. Эмульсии должны быть устойчивыми при транспортировании. При испытании встряхиванием эмульсии должны сохранять устойчивость не менее 2 часов.
Определение критических параметров в формулах теории риска для оценки качества битумных эмульсий
Сближение глобул фазы вплоть до образования прямых межфазных контактов происходит, во-первых, при получении эмульсий прямого или обратного типов с высокой концентрацией глобул фазы. Поэтому в таких эмульсиях содержание эмульгатора обычно повышено для создания упрочнённых адсорбционных слоев на поверхности глобул фазы. Во-вторых, повышение объёмной концентрации глобул фазы в эмульсиях прямого типа может происходить постепенно, по мере испарения и (или) впитывания водной дисперсионной среды в пористое тело, на поверхность которого нанесена эмульсия.
Повреждение адсорбционного слоя эмульгатора на глобулах дисперсной фазы может произойти при сильных соударениях глобул в потоке эмульсии, особенно при турбулентном режиме течения, а также при ударах и трении глобул о стенки трубопровода, рабочих органов и стенок насоса при перекачивании эмульсии. Значительное повреждение защитного слоя эмульгатора возникает при перемешивании минеральных зёрен с битумной или дегтевой эмульсией за счёт взаимного соударения и трения зёрен, покрытых плёнкой эмульсии. Такой случай характерен для приготовления эмульсионно-минеральных смесей.
Замораживание эмульсий прямого типа при отрицательной температуре приводит к замерзанию водной дисперсионной среды с растворённым в ней эмульгатором. При этом: - в замерзающей водной среде образуются кристаллы льда, которые выталкивают глобулы дисперсионной фазы в сужающиеся каналы незамёрзшей воды; - концентрация водорастворимого эмульгатора в ещё не замёрзшей воде повышается, снижается её температура замерзания, электрический заряд глобул уменьшается, а поэтому силы электростатического отталкивания становятся слабее; - при росте кристаллов льда глобулы фазы сжимаются ими, сплющиваясь или вытягиваясь в нити, разрушая адсорбционный слой эмульгатора; - после оттаивания начинается интенсивная коалесценция фазы с частичным или полным распадом эмульсии. На устойчивость битумных эмульсий прямого типа при замерзании-оттаивании влияют: скорость замораживания-оттаивания эмульсии; особенности строения молекулы эмульгатора; концентрация эмульгатора в водной среде, собственная прочность (когезия) адсорбционного слоя эмульгатора на глобулах фазы. При замерзании-оттаивании эмульсии обратного типа на водорастворимых эмульгаторах происходят аналогичные явления, но их механизм отличается: кристаллы льда образуются на внутренней поверхности глобулы фазы водного раствора эмульгатора; льдообразование идёт от поверхности к центру глобулы до её полного замерзания. При этом глобула увеличивается в объёме и разрывает защитную оболочку из адсорбционного эмульгатора; при оттаивании эмульсии происходит частичная или полная коалесценция глобул фазы в зависимости от степени повреждения защитной оболочки из адсорбционного эмульгатора. В замерзающих эмульсиях на твёрдых порошкообразных эмульгаторах их частицы выступают в роли катализаторов при образовании центров кристаллизации льда. Поэтому такие эмульсии обычно менее устойчивы к замерзанию и оттаиванию. Чем выше дисперсность фазы в эмульсии, тем выше её стойкость к замораживанию-оттаиванию и последующему распаду. Повышение концентрации фазы в эмульсиях прямого типа ведёт, с одной стороны, к сближению глобул вплоть до их соприкосновения, с другой — к уменьшению объёма водной дисперсионной среды в межфазном пространстве льда. Поэтому при достаточной механической прочности защитного слоя эмульгатора на глобулах фазы прямые эмульсии с повышенной концентрацией дисперсной фазы могут обладать достаточной стойкостью к замораживанию-оттаиванию. 4. Седиментация глобул фазы в эмульсии не является окончательным разрушением эмульсии (при перемешивании её однородность может восстановиться), но может стать фактором, способствующим распаду эмульсии. Это объясняется повышением концентрации глобул фазы в нижней части объёма эмульсии, если плотность глобул фазы больше плотности среды (опускание частиц фазы), или в верхней части при плотности среды больше плотности глобул (всплывание частиц фазы). 5. Действие деэмульгаторов. Иногда возникает необходимость искусственно вызвать ускоренный распад эмульсии в определённый момент. В таких случаях чаще всего прибегают к помощи деэмульгаторов - специальных имиических веществ (коагулянтов), устраняющих защиту против коалесцен-ции. Эти вещества нейтрализуют действие защитного слоя эмульгатора на пог верхности глобул фазы. Например, сероуглерод и четырёххлористый углерод, являясь сильными растворителями органических соединений, растворяют защитные плёнки эмульгатора, многовалентные кислоты и соли нейтрализуют действие электрических сил отталкивания глобул фазы. Для каждой эмульсии имеется специальный («свой») деэмульгатор, который оказывает наиболее эффективное действие. Поэтому его выбору должно предшествовать тщательное изучение свойств эмульсии и действие данного деэмульгатора. 6. Действие электрического тока. Распад битумных эмульсий может происходить под действием постоянного электрического поля, при этом воз можны два случая: глобулы фазы электрически заряжены адсорбированными ионами эмульгатора (использован водорастворимый ионогенный эмульгатор); глобулы фазы электрически нейтральны (использован неионогенный или твёрдый эмульгатор). В первом случае происходит явление электрофореза, когда глобула в соответствии с собственным зарядом притягивается к аноду или катоду, на этом электроде образуется высококонцентрированный слой глобул, прижатых друг к другу силой притяжения. Глобулы деформируются, защитный слой эмульгатора разрывается, и начинается коалесценция глобул с последующим полным распадом эмульсии на данном электроде.
Во втором случае электронейтральные глобулы в электрическом поле приобретают дипольный момент, т. е. каждая капля получает два разноимённых заряда и становится диполем. Капли притягивают друг друга разноимённо заряженными частицами и коалесцируют с последующим полным распадом эмульсии.
Действие повышенной температуры. Многие эмульсии можно разрушить и разделить на составляющие их компоненты нагреванием до высокой температуры с последующим отстаиванием. Строгого объяснения этому факту нет, но можно предположить, что нагревание изменяет природу защитного адсорбционного слоя на глобулах фазы, ускоряет химические реакции, которые могут протекать в эмульсиях, снижает вязкость жидкостей, составляющих эмульсию, и уменьшает межфазное поверхностное натяжение. Таким образом, при нагревании эмульсии возникают условия для её распада [63].
Предложения в нормативно-техническую литературу, проектным и строительным организациям
Решаемые в данной диссертации задачи, включая законы распределения количества эмульгатора в битумной эмульсии и законы распределения параметров времени распада битумной эмульсии на эмульгаторе «Динорам-СЛ», обоснованы ещё и тем, что данный материал получает всё большее распространение в России как экономически и технологически выгодный материал для дорожного строительства [16]. Битумные эмульсии технологически выгодны в применении, поэтому создание новых перспективных материалов на основе битумных эмульсий и разработка оптимальных решений в сочетании с новыми технологическими приёмами позволяют обеспечить получение широкого спектра эмульсионных материалов для дорожного строительства, не уступающих, а в чём-то даже превосходящих, традиционные асфальтобетонные смеси (см. параграф 1.1).
Одним из наиболее современных способов улучшения дорожного покрытия является использование битумных эмульсий при устройстве слоев поверхностной обработки, при ямочном ремонте дорожных покрытий, подгрун-товке и многих других видах работ. При этом следует учитывать, что при ямочном ремонте улучшаются только отдельные отремонтированные участки, а не вся конструкция в целом.
Преимущества использования битумных эмульсий можно обосновать тремя факторами: экономическим, экологическим и технологическим. Дорожные битумные эмульсии появились в 20-х годах прошлого столетия. Наибольший опыт в теоретических разработках и в практическом использовании битумных эмульсий накоплен во Франции, которая считается мировым лидером в применении этого материала [84-88, 91, 93-97, 100, 101]. Подтверждением этому является то, что более 30% от общего объёма органических вяжущих во
Франции применяются для дорожных целей в эмульгированном виде [16, 63]. Использование битумных эмульсий позволяет избежать некоторых сложностей, с которыми приходится сталкиваться при использовании разогретого битума (повышенная вязкость, и, следовательно, повышенный расход битума, загрязнение атмосферы и расход энергии на разогрев битума).
С точки зрения экономии при производстве битумных эмульсий требуется меньше капиталовложений, чем при производстве битума, так как, при применении битумных эмульсий сокращение расхода битума достигает 20-30% за счёт его более равномерного распределения по поверхности тонким слоем, а расход электроэнергии при приготовлении битумных эмульсий снижается в 1,5 раза. Что касается экологических показателей, то все знают, насколько вреден выброс канцерогенных веществ при разогреве битума. Поскольку проблемы сохранения окружающей среды уже являются или становятся ключевыми, то сегодня в центре внимания оказались технологии, позволяющие обрабатывать битумным вяжущим щебёночные и другие слои, и применять системы холодных защитных покрытий, основанных на использовании битумных эмульсий [42, 47, 48, 50-52].
На время распада битумных эмульсий влияют качественные показатели эмульгаторов: количество эмульгатора в смеси, коэффициент вариации содержания эмульгатора в приготовленной битумной эмульсии. Интегральным показателем качества, учитывающим эти параметры, является время распада битумной эмульсии.
Вероятностный подход к оценке качества битумных эмульсий и определению критического времени распада, основанный на теории риска, позволяет учитывать закон распределения времени распада битумных эмульсий. В нашем случае риском несвоевременного распада битумных эмульсий называется вероятность, представляющая собой отношение числа распавшихся (до заданного периода распада) эмульсий к общему количеству исследуемых эмульсий на момент времени t. Для установления законов распределения количества эмульгатора в эмульсии и времени распада с целью разработки математической модели по оценке риска несвоевременного распада среднераспадающихся эмульсий были проведены натурные испытания на базе Саратовского предприятия ООО «Са-рЭм». Все испытанные образцы приготовлялись по технологическому регламенту, который утверждён предприятием-изготовителем ООО «СарЭм». Во время эксперимента было проведено около 48 измерений. Некоторые измерения были выбракованы методами математической статистики. С помощью методов математической статистики были обработаны фактические значения времени распада битумных эмульсий. Проведённый эксперимент со среднераспадающейся битумной эмульсией на эмульгаторе «Динорам-СЛ» показал границы времени распада от 7 минут до 30 минут. Этим самым можно ограничить время распада быстрораспадающейся эмульсии временем от 1 минуты до 7 минут, а время распада медленнораспадающейся эмульсии от 30 минут до суток [38]. По виду концентрации вяжущего в соответствии с классификацией источника [63] исследуемая эмульсия относится к концентрированным битумным эмульсиям. Для экспериментальных исследований среднераспадающейся катионной битумной эмульсии класса ЭБК-2 были использованы следующие материалы: - битум нефтяной дорожный 60/90; - эмульгаторы «Динорам-СЛ» и «Полирам-Л200» (является универсальной добавкой [60]) (фирма «Сека», Франция) [прил. 1] [81]; - раствор соляной кислоты (32% - й).
