РАЗРАБОТКА МЕДЛЕННОРАСПАДАЮЩЕЙСЯ БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ХОЛОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Введение

Современное дорожное строительство характеризуется переходом к ресурсосберегающим и экологически ориентированным технологиям. Ключевым направлением является внедрение холодных и теплых методов, позволяющих снизить энергозатраты, вредные выбросы и расширить сезонность работ [1; 2]. В этом контексте битумные эмульсии, представляющие собой дисперсные системы «битум-вода», стабилизированные эмульгаторами, занимают важное место. Их применение обеспечивает возможность проведения работ при пониженных температурах, равномерное распределение вяжущего и хорошую адгезию к минеральным материалам [3].

Однако доминирующее положение в практике заняли катионные битумные эмульсии быстрого и среднего распада, ориентированные преимущественно на поверхностную обработку и устройство тонкослойных покрытий. Технологии, требующие увеличенного времени переработки смеси – холодный ресайклинг, укрепление оснований и грунтов, – предъявляют специфические требования к эмульсионным вяжущим [4; 5]. Медленнораспадающиеся эмульсии, способные сохранять стабильность в течение необходимого технологического цикла, изучены в недостаточной степени, а их свойства слабо отражены в нормативной документации.

Целью настоящего исследования является разработка и экспериментальное обоснование состава медленнораспадающейся битумной эмульсии с регулируемой скоростью распада для применения в холодных дорожно-строительных технологиях.

1. Классификация битумных эмульсий и обоснование выбора объекта

Битумные эмульсии классифицируются по нескольким ключевым признакам, определяющим их применение. По ионному характеру эмульгатора различают анионные, катионные и неионогенные эмульсии. В дорожном строительстве наибольшее распространение получили катионные эмульсии благодаря их высокой адгезии к большинству минеральных материалов, поверхность которых заряжена отрицательно [6].

По скорости распада выделяют быстро-, средне- и медленнораспадающиеся эмульсии (Таблица 1). Скорость распада является критическим параметром, определяющим технологическое «окно» для смешивания, транспортировки и укладки смеси.

Таблица 1.

Классификация эмульсий по скорости распада и области применения

Тип эмульсии по скорости распада	Основные области применения
Быстрораспадающаяся	Поверхностная обработка, устройство тонкослойных покрытий (чип-сил)
Среднераспадающаяся	Приготовление эмульсионно-минеральных смесей, ямочный ремонт
Медленнораспадающаяся	Холодный ресайклинг, укрепление оснований, стабилизация грунтов

 

Анализ научной литературы показал, что подавляющее большинство исследований посвящено катионным эмульсиям традиционного состава для поверхностной обработки [7; 8]. В то же время вопросы целенаправленного регулирования свойств, в частности скорости распада, для медленнораспадающихся систем, оптимальных для холодного ресайклинга, освещены фрагментарно. Это обусловило выбор медленнораспадающейся битумной эмульсии в качестве объекта настоящего исследования.

2. Состав и методы регулирования свойств эмульсии

Битумная эмульсия представляет собой управляемую дисперсную систему, состоящую из трех основных компонентов: битумной дисперсной фазы, водной дисперсионной среды и эмульгатора. Для медленнораспадающихся эмульсий ключевым является обеспечение высокой агрегативной устойчивости, которая предотвращает коалесценцию частиц битума в процессе хранения и переработки.

В качестве базового был принят состав (Таблица 2), обеспечивающий возможность последующей модификации.

Таблица 2.

Базовый состав исследуемой битумной эмульсии

Компонент	Содержание, % по массе	Назначение
Дорожный битум (БНД 60/90 или 90/130)	55-60	Формирование вяжущей фазы
Вода	38-44	Дисперсионная среда
Катионный эмульгатор	0,5-1,0	Стабилизация дисперсной системы
Добавки (при необходимости)	до 0,5	Регулирование свойств

 

Основным направлением модификации для достижения требуемой замедленной скорости распада было выбрано регулирование содержания эмульгатора. Эмульгатор формирует адсорбционный слой на поверхности битумных частиц, и его концентрация напрямую влияет на прочность этого слоя и, следовательно, на устойчивость системы к распаду [9].

3. Экспериментальные исследования и результаты

Эксперименты проводились в лабораторных условиях. Целью было изучение влияния содержания катионного эмульгатора на устойчивость и скорость распада эмульсии. При постоянном содержании битума (~58%) и воды варьировалось количество эмульгатора от 0,5% до 2,0%. Были приготовлены четыре состава: Э-1 (1,0%), Э-2 (0,5%), Э-3 (1,5%), Э-4 (2,0%).

Для оценки использовались следующие методы:

1. Оценка устойчивости: визуальный контроль однородности и отсутствия расслоения через 24 часа хранения.
2. Оценка скорости распада: определение времени от начала контакта с модельным минеральным материалом до начала коалесценции битумных частиц и потери дисперсности.

Результаты эксперимента представлены в Таблицах 3 и 4.

Таблица 3.

Влияние содержания эмульгатора на устойчивость эмульсии

Состав	Содержание эмульгатора, %	Визуальная однородность	Расслоение через 24 ч.	Оценка устойчивости
Э-1	1,0	Однородная	Отсутствует	Высокая
Э-2	0,5	Однородная	Незначительное	Средняя
Э-3	1,5	Однородная	Отсутствуют	Высокая
Э-4	2,0	Вязкая, однородная	Отсутствует	Удовлетворит.

 

Таблица 4.

Влияние содержания эмульгатора на скорость распада

Состав	Время до начала распада, мин	Характер распада	Оценка пригодности для холодных технологий
Э-1	15	Равномерный	Пригодна
Э-2	8	Ускоренный	Ограниченно
Э-3	25	Замедленный, управляемый	Наиболее пригодна
Э-4	35	Чрезмерно замедленный	Условно пригодна

 

Анализ данных позволяет сделать следующие выводы:

1. Недостаток эмульгатора (0,5%) приводит к снижению устойчивости и преждевременному распаду (8 мин), что делает эмульсию непригодной для технологий, требующих длительного времени переработки.
2. Оптимальное содержание (1,0–1,5%) обеспечивает высокую агрегативную устойчивость и управляемую, замедленную скорость распада. Состав Э-3 с содержанием эмульгатора 1,5% показал наилучший результат: время до начала распада составило 25 минут при сохранении высокой однородности.
3. Избыток эмульгатора (2,0%), хотя и повышает устойчивость, приводит к чрезмерному замедлению распада (35 мин) и повышению вязкости, что может осложнять процессы смешивания и укладки.

Полученные результаты наглядно демонстрируют возможность целенаправленного управления ключевым технологическим параметром – скоростью распада – за счет варьирования состава эмульсионной системы.

4. Перспективы применения и соответствие национальным проектам

Разработанная медленнораспадающаяся битумная эмульсия обладает значительным потенциалом для применения в современных дорожно-строительных технологиях, соответствующих задачам национального проекта «Безопасные качественные дороги». Ее использование способствует достижению следующих целей:

• Повышение долговечности: равномерное распределение вяжущего в объеме смеси при ресайклинге и укреплении оснований приводит к формированию более однородной и прочной структуры слоя.
• Снижение энергозатрат и экологическая эффективность: отказ от высокотемпературного нагрева битума позволяет сократить потребление энергоресурсов и выбросы парниковых газов.
• Расширение сезонности работ: возможность проведения работ при более низких положительных температурах и повышенной влажности.
• Экономическая эффективность: эффективное использование местных минеральных материалов и вторичного дорожного полотна (при ресайклинге) снижает затраты на транспортировку и приобретение сырья.

Основными условиями успешного внедрения являются учет климатических факторов, контроль качества минеральных материалов и влажности, а также разработка детальных технологических регламентов, адаптирующих существующую нормативную базу под специфику медленнораспадающихся систем.

Заключение

1. На основе анализа научно-технической литературы обоснована актуальность разработки медленнораспадающихся битумных эмульсий для холодных технологий дорожного строительства, в которых традиционные составы не обеспечивают необходимого технологического времени.
2. Экспериментальным путем установлено, что содержание катионного эмульгатора является решающим фактором, влияющим на агрегативную устойчивость и скорость распада битумной эмульсии.
3. Определен оптимальный диапазон содержания эмульгатора 1,0–1,5%, позволяющий получать медленнораспадающуюся эмульсию с увеличенным временем переработки (около 25 минут) и высокой стабильностью. Состав с содержанием эмульгатора 1,5% (Э-3) признан наиболее предпочтительным.
4. Показано, что применение разработанной эмульсии соответствует стратегическим целям развития дорожно-транспортного комплекса в рамках национальных проектов, обеспечивая технологическую, экономическую и экологическую эффективность.

Результаты работы имеют научную и практическую ценность и могут быть использованы для совершенствования нормативной базы, разработки новых технологических решений в дорожном строительстве, а также в учебном процессе при подготовке инженерных кадров.