Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

         Одним из компонентов способных качественно изменять структуру битума, увеличивая сцепление к минеральным материалам, являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ обладают смачивающими, эмульгирующими, адгезионными, гидрофобизирующими свойствами. В дорожном строительстве ПАВ применяют в целях увеличения адгезии, получения битумных эмульсий и для активации минеральных материалов.

         Различают четыре класса поверхностно-активных веществ: анионоактивные, катионоактивные, амфотерные и неионогенные. Все они отличаются не только химическим строением, но и коллоидно-химическими свойствами.

         По механизму действия ПАВ делят на 4 группы:

1) Поверхностно-активные вещества полностью растворимые в воде, на границе жидкость-газ, не образующие сетчатые и мицеллярные структуры. Они являются слабыми смачивателями.

2) ПАВ второй группы обладают высокой поверхностной активностью на границе двух фаз, но не образующие сложных структур. Адсорбируясь, эти ПАВ эффективно понижают свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела и тем самым облегчают процесс образования новых поверхностей. ПАВ-2 обладают и некоторым стабилизирующим действием. В результате ориентированной адсорбции ПАВ-2 гидрофобизируют гидрофильные твердые поверхности и, наоборот, гидрофилизируют гидрофобные поверхности.

3) Стабилизаторы. Поверхностная активность этих веществ сравнительно мала вследствие довольно симметричного распределения полярных и неполярных групп в молекулах. Такие ПАВ могут образовывать структурные оболочки с гидрофильной поверхностью. ПАВ-3 повышают прочность сцепления битума с поверхностью минеральных материалов для асфальтобетонов (щебнем, песком, минеральным порошком).

4) Моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофилизирующим действием. Они занимают первое место по объему практического использования. ПАВ-4 являются также эффективными эмульгаторами и стабилизаторами эмульсий. В эту группу входят мыла жирных кислот и аминов.

         Основной механизм работы адгезионных присадок:

         В соответствии с адсорбционно-молекулярной теорией начальной стадией формирования адгезионнного контакта является сближение молекул битума к поверхности минерального материала. Этот процесс ускоряется с повышением температуры и уменьшением вязкости битума. На последующей стадии между молекулами битума и минерального материала начинают действовать молекулярные силы. Прочное сцепление битумов с минеральными материалами достигается в случае, если между активными высокомолекулярными соединениями битума и минеральным материалом происходит химическое взаимодействие с образованием водонерастворимых соединений (хемосорбционных соединений). Если же при контакте битума с минеральным материалом отсутствует химическое взаимодействие и имеет место лишь физическая адсорбция, то битум легко вытесняется водой с поверхности щебня. 

         При использовании ПАВ улучшается смачиваемость битумом поверхности минерального материала. После смачивания происходит избирательная адсорбция и хемосорбция активных компонентов битума на минеральной поверхности. Если химического взаимодействия не наблюдается, адсорбция будет физической и является обратимой. Смачивание и адсорбция сопровождаются ориентацией молекул ПАВ: полярными группами к гидрофильной поверхности минерального материала, а гидрофобными радикалами – наружу.

          Прочность связи кислой или основной породы минеральной поверхности и битума через прослойку катион или анионктивного ПАВ объясняется тем, что молекулы ПАВ с положительным или отрицательным зарядом активно взаимодействуют с заряженной поверхностью минерального материала, а гидрофобный радикал имеет определенное химическое сродство с битумом.

         Анионактивные и катионактивные ПАВ широко используются в дорожной промышленности. Наиболее распространенные анионные ПАВ: соли жирных кислот (мыла), алкилсульфаты жирных спиртов, алкилсульфаты вторичных жирных кислот, соли сульфокислот. Среди катионных ПАВ наибольшее значение имеют четвертичные аммониевые соединения, имидазолины, жирные амины, азотсодержащие соединения. Данные ПАВ хорошо зарекомендовали себя при обработке каменных материалов различной природы, увеличивая силу сцепления пленки битума с поверхностью каменного материала. Для увеличения адгезии с минеральными материалами, полученными из основных и карбонатных пород, используются анионактивные ПАВ. При использовании в асфальтобетоне жидких дорожных битумов, как с основными, так и с кислыми минеральными материалами используют добавки типа железных солей (мыл) высших карбоновых кислот. Катионактивные добавки эффективно улучшают прилипание битума к щебню из кислых горных пород, образуя при этом хемосорбционные соединения типа силикатаминов и карбонатаминов (при использовании в качестве ПАВ жирных аминов).

          Большая часть зарубежных и российских компаний выпускают адгезионные добавки на основе аминосодержащих органических веществ с алифатическим углеводородным радикалом. Однако, специалисты дорожной отрасли, оценивая адгезионные и другие эксплуатационные характеристики таких присадок, часто высказывают нарекания в связи с их неприятным запахом, который зависит от применяемого сырья и низкой термической стойкостью.

          В основном для повышения сцепления битума с минеральными материалами используются следующие адгезионные добавки: имидазолины (амидо-, бис-, алкил-), полиамидное волокно, соединения, содержащие аминные группы (углеводородный триамин, гексаметилентетрамин, триэтаноламин, смола анилина). К одним из наиболее эффективных катионных поверхностно-активных веществ следует отнести имидазолины. Применение битумов с участием имидазолинов в составе асфальтобетонов позволяют повысить коэффициент водостойкости с 0,85 до 1,2, при этом улучшаются и другие физико-механические характеристики асфальтобетона. При применении присадок на основе имидазолинов возможно производство дорожных работ в самых неблагоприятных условиях, например, асфальтирование территорий химических предприятий, пропитанных органическими продуктами.

          Однако широкое внедрение катионоактивных адгезионных присадок в практику дорожного строительства сдерживается ограниченными возможностями по их производству и дефицитностью сырьевых ресурсов, соответственно их высокой ценой.

          Адгезионные присадки характеризуются чувствительностью при пребывании в горячем битуме, поэтому добавки лучше всего вводить на поздней стадии процесса, так как они со временем теряют свою активность в горячем битуме. Эта потеря активности обусловлена реакцией между щелочным амином и кислотными компонентами битума. Необходимо не допускать перегрева продуктов из-за того, что это может повлиять на их эффективность.