Битумная эмульсия (эмульгированный жидкий битум) — искусственный строительный материал получаемый путём смешения в специальных установках водного раствора эмульгатора и нефтяного битума. Представляет собой однородную текучую (с консистенцией молока) жидкость коричневого или тёмно-коричневого цвета.

Эмульсия — это дисперсия (т. е. равномерное распределение) мелких капель одной жидкости в другой. Капли рассеиваемой жидкости обычно имеют диаметр от 1 до 100 мкм (0,001–0,01 мм). Особенность заключается в том, что при обычных условиях такие жидкости друг с другом не смешиваются (например, масло и вода). Непосредственно в процессе перемешивания эти вещества могут образовывать эмульсию, однако после того, как перемешивание прекратится, эмульсия быстро потеряет стабильность и разделится (мелкие капли одной жидкости притянутся друг к другу и со временем образуют сплошную пленку).
Для того, чтобы воспрепятствовать процессу отделения одного вещества от другого (придать эмульсии стабильность), применяются эмульгаторы (вещества замедляющие разделение битума и воды).

Отличие битумной эмульсии от других видов битума

Различные виды битума широко применяются в дорожно-строительной отрасли в качестве вяжущего материала при производстве различных типов смесей используемых для асфальтирования дорожных покрытий, ремонта дорог, поверхностной обработки дорожных оснований и покрытий. В обычных условиях (при температуре воздуха от 20 до 30 °С) битум представляет собой твердый или сильно вязкий материал непригодный для какого-либо применения. Для того, чтобы его можно было использовать он должен быть переведен в жидкое состояние, что может быть достигнуто 3 способами:

• Нагреванием до 100–200 °С, пока битум не приобретет достаточно жидкую форму, удобную для перемешивания с минеральными материалами (при приготовлении асфальтобетонных смесей) или для нанесения в чистом виде на дорожную поверхность (при подгрунтовке оснований и асфальтируемых покрытий). Асфальтобетонные смеси приготовленные на горячем битуме, как правило, хранятся, транспортируются и применяются в горячем виде (исключением являются холодные складируемые битумоминеральные смеси, которые готовят с нагреванием, а хранят и укладывают в холодном виде).
• Разжижением с помощью продуктов нефтеперегонки. Вязкий битум смешивается с нефтяными растворителями (керосином, нафтой, дизтопливом, лигроином, бензином и др.) приобретая таким образом жидкую форму.
• Эмульгированием с помощью водного раствора эмульгатора. В результате эмульгирования битума получается битумная эмульсия, которая даже при обычной температуре (20–30 °С) сохраняет жидкую текучую форму.

Основными преимуществами битумной эмульсии перед горячим и разжиженным битумом являются:

• Экономичность. При производстве битумной эмульсии затрачивается на 40–50 % меньше электроэнергии, чем при приготовлении горячего битума требующего нагревания. Кроме того, битумная эмульсия может сохраняться в жидкой форме длительное время без подогревания, что также экономит электроэнергию.
• Технологичность. В отличие от горячего и разжиженного битума, эмульгированный битум может использоваться с холодными и влажными минеральными материалами.
• Экологичность. Битумная эмульсия ни при приготовлении, ни при использовании не выделяет в атмосферу такого объёма вредных веществ как горячий и разжиженный битум, являясь также пожаро- и взрывобезопасной.

При асфальтировании дорог с применением горячих и теплых асфальтобетонных смесей которые приготовлены на горячем битуме (щебеночно-мастичные смеси, горячие уплотняемые или литые смеси), дорожное покрытие затвердевает и набирает прочность по мере остывания уложенной смеси.

Асфальтированное покрытие устроенное с помощью асфальтобетонных смесей приготовленных на разжиженном битуме (холодные органоминеральные смеси), набирает прочность не в процессе остывания, а за счет испарения легких углеводородных фракций содержащихся в растворителе.

Асфальтобетонные и другие дорожно-строительные смеси приготовленные на эмульгированном битуме (литые эмульсионно-минеральные смеси, Сларри-Сил, Микросюрфейсинг, холодный асфальт и асфальтогранулобетон) набирают прочность в процессе распада эмульсии на битум и воду (реакция распада инициируется за счет химического взаимодействия эмульгатора с минеральным материалом).

Назначение и область применения битумной эмульсии

Назначение битумной эмульсии обусловлено ее свойствами. Она легко наносится на различные поверхности (в том числе и вертикальные) проникая благодаря невысокой вязкости в поры материалов, также она хорошо смешивается с минеральными материалами (щебень, гравий, песок, минеральный порошок) прочно связывая их между собой. Таким образом эмульгированный нефтяной битум выполняет 2 основные функции:

• Вяжущая функция — заключается в использовании эмульсии для связывания минеральных материалов (щебень, гравий, песок, минеральный порошок) и их частиц между собой, что является необходимым условием при производстве асфальтирующих смесей (эмульсионно-минеральных, чернощебеночных, холодных и др.).
• Защитная функция — заключается в защите материалов и поверхностей от воздействия агрессивных сред (воды и водно-солевых растворов).

Существует множество сфер промышленности в которых может применяться битумная эмульсия, однако основными ее потребителями являются гражданское строительство (гидроизоляции фундаментов, стен и полов), гидротехническая (гидроизоляция гидротехнических и подземных сооружений) и дорожно-строительная отрасль.

Для дорожно-строительной отрасли использование битумной эмульсии стало неотъемлемой частью, так как она применяется во множестве технологий ямочного ремонта дорог, поверхностной обработки асфальтированных покрытий и создания слоев износа, мембранных технологий, а также при приготовлении асфальтобетонных смесей.

Основные направления в которых применяется эмульгированный битум следующие:

• Приготовление дорожно-строительных смесей для асфальтирования, ремонта и восстановления дорог
• Эмульсионно-минеральные смеси для поверхностной обработки асфальтированных покрытий и создания защитных слоев износа
• Приготовления холодных мастик и герметиков для ямочного асфальтобетона
• Приготовления защитных покрытий и пропиток для асфальтобетона
• Холодные складируемые органоминеральные смеси для ямочного ремонта дорог
• Холодные регенерированные асфальтобетонные смеси для холодного ресайклинга
• Поверхностная обработка дорожных оснований и дорожных покрытий
• Подгрунтовка дорожных оснований и покрытий перед последующим асфальтированием
• Поверхностная гидроизолирующая обработка дорожных покрытий
• Обеспыливание дорог
• Закрепление подвижных песков
• Укрепление грунтов верхней части земляного полотна
• Устройство защитной мембраны
• Ремонт асфальта и профилактические работы препятствующие разрушению дороги
• Проливка мелких трещин в асфальтобетонном покрытии
• Гидроизоляция пористых и устаревших асфальтобетонных покрытий
• Ямочный ремонт асфальта струйно-инъекционным методом (пневмонабрызг)

Битумная эмульсия может использоваться не только при строительстве асфальтобетонных дорожных покрытий, но и при создании цементобетонных дорог. Введение в цементобетонную смесь битумной эмульсии является одним из способов повышения физико-механических свойств цементобетона (водостойкости, морозо- и трещиностойкости).

Типовой состав битумной эмульсии и технология ее производства

Битумные эмульсии применяемые в дорожно-строительной отрасли являются, как правило, эмульсиями прямого типа («масло в воде» — М/В), в которых битум (от 30 до 70 %) в виде мельчайших частиц равномерно распределен в воде. В эмульсиях обратного типа («вода в масле» — В/М), вода диспергирована в битуме (массовая доля которого составляет от 70 до 80 %).

Компонентный состав эмульгированного битума

Типовой состав битумной дорожной эмульсии включает 5 основных компонентов:

1. Битум
2. Вода
3. Эмульгатор
4. Стабилизатор
5. Кислота

1. Битум (массовая доля в эмульсии от 30 до 70 %). В большинстве случаев для приготовления эмульгированного битума применяется вязкий нефтяной дорожный битум различных марок (БНД 90/130, БНД 130/200 и др.). С целью повышения физико-механических свойств битумной эмульсии вместо обычного нефтяного битума может использоваться полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), которое имеет более высокие эксплуатационные и физико-механические показатели по сравнению с обычным битумом.

2. Вода (массовая доля в эмульсии от 15 до 70 %).

3. Эмульгатор (массовая доля в эмульсии от 0,15 до 3 %). Эмульгаторы — вещества, обладающие способностью придавать битумной эмульсии стабильность (препятствовать ее распаду). В качестве эмульгаторов используются поверхностно-активные вещества (ПАВ) растворимые в обеих фазах эмульсии (воде и битуме) или в одной из них (только в воде или только в битуме). Чаще всего при изготовлении эмульгированного битума применяются именно водорастворимые эмульгаторы, к которым относятся так называемые анионактивные и катионактивные ПАВ. В зависимости от того, какой из этих двух типов ПАВ применялся при приготовлении битумной эмульсии, она будет называться анионной (ЭБА — эмульсия битумная анионная) или катионной (ЭБК — эмульсия битумная катионная). В более редких случаях вместо поверхностно-активных веществ могут применяться твердые высокодисперсные минеральные порошки (глины, окислы, карбонаты, сульфаты, цемент, сажа и др.).

4. Стабилизатор (массовая доля в эмульсии от 0,05 до 0,5 %). В качестве стабилизатора используется водный раствор хлорида кальция или другие растворимые соли (применяется только в катионных эмульсиях).

5. Кислота (массовая доля в эмульсии от 0,5 до 3 %). Этот компонент необходим для повышения стабильности эмульсии. В большинстве случаев применяется соляная кислота (реже уксусная или ортофосфорная).

В качестве дополнительных компонентов в состав битумной эмульсии могут включаться различные растворители, разжижители, полимеры, а также модифицирующие добавки.

Модифицированная битумная эмульсия — битумная эмульсия приготовленная на модифицированном битуме или в состав которой входят модифицирующие добавки (латекс, полиэтилен, эпоксидная смола, синтетический каучук, синтетическая смола и др.).
Модификация битумной эмульсии может осуществляться двумя путями:
1. Путем введения модифицирующей добавки в водную фазу эмульсии или непосредственно в эмульсию в процессе ее приготовления.
2. Путем эмульгирования модифицированного битума.

Технология производства эмульгированного битума

Производство битумной эмульсии как правило, осуществляется на эмульсионной установке, хотя существуют и другие диспергирующие устройства. Эмульсионные установки могут быть периодического (порционного) или непрерывного действия. Установка периодического действия допускает определенный контроль и управление процессом производства эмульсии со стороны оператора. В установке непрерывного действия все процессы (нагревание воды, дозировка материалов…) осуществляется в полуавтоматическом или автоматическом режиме.

Главным рабочим органом эмульсионной установки является коллоидная мельница. Именно с ее помощью происходит диспергирование битума в воду и последующее смешивание всех компонентов эмульсии. Перед диспергированием битум нагревается до 100–160 °С, водная фаза нагревается до 30–70 °С (для растворения эмульгатора и для достижения нужной температуры эмульгирования после перемешивания с битумом).

Срок хранения готовой эмульсии от 1 до 2 месяцев (в зависимости от типа и марки битумной эмульсии). Хранится она в вертикальных цилиндрических емкостях при температуре воздуха не ниже 5 °С. Транспортировка готовых битумных эмульсий может осуществляться с помощью автогудронаторов, битумовозов, железнодорожных цистерн или автоцистерн, а также в металлических бочках.

Классификация битумных эмульсий

После смешивания с минеральным материалом (при приготовлении смесей для асфальтирования) или после нанесения битумной эмульсии на какую-либо поверхность (при подгрунтовке покрытия и поверхностной обработке), она должна превратиться в сплошную битумную пленку для того, чтобы выполнять свою функцию в качестве вяжущего или в качестве защитного покрытия. Такой процесс преобразования называется распадом.

Распад битумной эмульсии — отделение битума от воды с образованием непрерывной битумной пленки. Может происходит в результате испарения воды (в случае с анионной эмульсией) или за счет химического взаимодействия с минеральным материалом (в случае с катионной эмульсией).

Скорость распада битумной эмульсии — время в течении которого битум отделяется от воды и образует сплошную пленку. Скорость распада зависит от компонентного состава эмульсии, размера частиц битума, реакционной способности эмульсии, температуры воздуха и влажности, а также других параметров.

В зависимости от скорости распада эмульсии бывают:

• Быстрораспадающиеся
• Среднераспадающиеся
• Медленнораспадающиеся

В зависимости от применяемого эмульгатора

• Анионные (ЭБА — эмульсия битумная анионная). В качестве эмульгатора используется анионактивный ПАВ (поверхностно-активное вещество). В зависимости от скорости распада анионные эмульсии делятся на:
• ЭБА-1 — быстрораспадающаяся анионная битумная эмульсия.
• ЭБА-2 — среднераспадающаяся.
• ЭБА-3 — медленнораспадающаяся.
• Катионные (ЭБК — эмульсия битумная катионная). В качестве эмульгатора используется катионактивный ПАВ. В зависимости от скорости распада катионные битумные эмульсии делятся на:
• ЭБК-1 — быстрораспадающаяся катионная битумная эмульсия (применяется для поверхностной обработки и подгрунтовки поверхности путем розлива или набрызга).
• ЭБК-2 — среднераспадающаяся (применяется для герметизации дорожных покрытий и подгрунтовки перед асфальтированием, используется для приготовления холодных складируемых асфальтобетонных смесей и холодной регенерированной асфальтобетонной смеси).
• ЭБК-3 — медленнораспадающаяся (применяется для герметизации дорожных покрытий и подгрунтовки перед укладкой асфальта, а также для приготовления литых эмульсионно-минеральных смесей).

Для повышения эксплуатационных показателей битумной эмульсии ее приготовление может осуществляться не на обычных нефтяных битумах, а на полимерно-битумном вяжущем (ПБВ). В этом случае полученная эмульсия имеет следующую маркировку:

• ЭБПА — эмульсия битумная полимерная анионная. В зависимости от скорости распада:
• ЭБПА-1 — быстрораспадающаяся битумная полимерная анионная эмульсия.
• ЭБПА-2 — среднераспадающаяся.
• ЭБПА-3 — медленнораспадающаяся.
• ЭБПК — эмульсия битумная полимерная катионная. В зависимости от скорости распада:
• ЭБПК-1 — быстрораспадающаяся битумная полимерная катионная эмульсия.
• ЭБПК-2 — среднераспадающаяся.
• ЭБПК-3 — медленнораспадающаяся.

Анионные битумные эмульсии распадаются в процессе испарения воды и этот процесс в значительной мере зависит от погодных условий (температуры и влажности воздуха), что усложняет его применением в дорожном строительстве. В силу этих причин, в подавляющем большинстве случаев в дорожно-строительной отрасли предпочтение отдается именно катионным битумным эмульсиям (ЭБК) процесс распада которых определяется характеристиками минерального материала (щебня, гравия, песка, минерального порошка) с которыми данная эмульсия взаимодействует. Катионная эмульсия позволяет более точно прогнозировать скорость распада, что является важным фактором при производстве работ