Emulsiones viales: sistemas coloides dispersos

Las emulsiones viales son sistemas coloides dispersos en los que un líquido en forma de las gotas más pequeñas se dispersa (fragmenta) en otro líquido que es inmiscible con él. Tales líquidos inmiscibles pueden ser betún o alquitrán y agua. En emulsiones viales, el contenido de betún o alquitrán es del 50-65%. Las emulsiones en las que la cantidad de betún o alquitrán es superior al 70-75% se consideran altamente concentradas.

Las pastas son emulsiones viscosas, que incluyen emulsiones altamente concentradas y emulsiones utilizando emulsionantes en polvo sólido. Las emulsiones viales con emulsionantes sólidos son de dispersión gruesa. Una sustancia en un estado fragmentado se llama fase dispersa y el líquido en el que se suspenden las gotitas trituradas de la fase dispersa se llama medio dispersado.  

El grado de estabilidad del sistema disperso depende de la magnitud de la tensión superficial en el límite de la fase dispersa y el medio dispersado. Cuanto más diferentes son las sustancias mezclables entre sí en cuanto a propiedades físicas y mecánicas, mayor es la tensión superficial en la interfaz entre ellas y menos estable es el sistema.

El betún y el alquitrán son muy diferentes del agua en sus propiedades, por lo que en la mayoría de los casos, cuando se dispersa mecánicamente en agua pura, la formación de una emulsión no se produce. Para obtener emulsiones viales de betún y alquitrán viales suficientemente estables, es necesario reducir la tensión superficial en la interfaz entre el betún o el agua de alquitrán, es decir, reducir la diferencia en la tensión superficial del betún o el alquitrán y el agua, que se logra mediante la introducción de emulsionantes – sustancias tensioactivas o partículas sólidas finamente dispersadas en la composición de la emulsión.

El emulsionante se absorbe en la superficie de gotitas dispersas del betún o del alquitrán, como resultado de lo cual la tensión superficial disminuye en la interfaz entre el betún o el agua-alquitrán. Sin embargo, el papel del emulsionante no se limita a reducir la tensión superficial en la interfaz de los líquidos de contacto, sino que se refleja principalmente en la formación en la superficie de las gotas de la fase dispersa de capas mecánicamente fuertes que impiden su conexión. La formación de ciertos tipos de emulsiones está asociada con las propiedades físico-químicas del emulsionante, en particular con su capacidad para interactuar selectivamente con el medio. Convencionalmente, los emulsionantes se dividen en hidrofílico y oleofilicos, el primero interactua selectivamente con el agua, el segundo con el betún. Los emulsionantes hidrofílicos dan emulsiones directas, oleofílicos – inversas.

En la construcción de carreteras a menudo se utilizan emulsiones viales directas. Las emulsiones viales inversas en combinación con líneas rectas se usan solo para una mejor adhesión del material mineral que se une a la superficie.

Las propiedades físico-químicas de la emulsión dependen principalmente de la composición química del emulsionante y de su estructura molecular. Dado que el emulsionante interactúa selectivamente con las fases de betún y agua, su estructura molecular tiene una forma polar inactiva. El emulsionante se encuentra en el borde entre las fases en forma de una película. En emulsiones viales directas, la parte neutra de las moléculas emulsionantes se disuelve en la fase bituminosa y la parte polar en la fase acuosa con la que interactúa selectivamente.Las moléculas del emulsionante, necesarias para la formación de emulsiones, se denominan tensioactivos. Por lo tanto, las «cabezas» polares, que llevan cargas eléctricas, están orientadas en la fase acuosa, y las «colas» inactivas, en la fase de aceite. Esta separación se denomina película interfacial, cuyas propiedades están determinadas por el tipo químico y la estructura molecular del emulsionante. Cuando un emulsionante se disuelve en agua, sus moléculas pueden elevarse a la superficie, al límite del agua con el aire, o en una cierta concentración de grandes agregados llamados micelios, que pueden tener forma esférica de disco o forma de varilla. La superficie del micelio está formada por «cabezas» polares y el núcleo, por «colas» inactivas. Dicho micelio puede disolver una cantidad conocida de moléculas neutras de la fase oleosa, y tiene lugar el proceso de solubilización. El emulsionante forma una película protectora alrededor de las partículas de aceite.

La clasificación química del emulsionante se establece en base a su diferente ionización o disociación electrolítica. Muchos emulsionantes son electrolitos y se disocian en agua como aniones con cargas negativas y cationes con cargas positivas. La parte soluble en aceite de la molécula emulsionante puede estar en la zona aniónica, y dicho emulsionante se llama aniónico o alcalino para formar emulsiones viales aniónicas (alcalinas). En otro caso, con una carga positiva de la parte activa, la molécula emulsionante se llama catiónica y emulsiones – catiónicas o ácidas.

Un emulsionante típico para las emulsiones viales alcalinas más comunes son las sales de sodio de ácidos orgánicos de alto peso molecular. Muchos betunes contienen una proporción significativa de los componentes ácidos de alto peso molecular en forma de ácidos asfaltenicos. Para crear dispersiones delgadas de tales betunes, el betún líquido caliente se mezcla en agua con una solución alcalina de emulsionante calentada, que está en un estado de solubilización. Tales betunes, con emulsificación espontánea, se denominan emulsificantes. Para crear emulsiones viales, es decir, sistemas de dispersión fina, es necesario que la tensión superficial de la solución acuosa sea menor que la tensión del betún. Esto se logra introduciendo un emulsionante en el agua, lo que reduce este valor a cero.

Para la producción de emulsiones viales de ácido catiónico, todos los betunes pueden considerarse como no emulsionantes y para la emulsificación espontánea, deben agregarse emulsionantes catiónicos. En este caso, así como para las emulsiones viales alcalinas, es posible obtener emulsiones en las instalaciones más simples, como los mezcladores de paletas. Las aminas de alto peso molecular utilizadas como emulsionantes pueden introducirse en el betún calentado a 120 ° C solo si son lo suficientemente térmicamente estables. La mezcla de amino-betún caliente se mezcla luego con una solución acuosa ácida (pH 5-6) y se calienta a 90 ° C. Las cargas activas son positivas – cationes.

Para la fabricación de emulsiones viales a escala industrial, junto con mezcladores de paletas, se utilizan molinos coloidales, que consisten en un disco de rotor de rotación rápida en un estator fijo. La mezcla que consiste en betún calentado, emulsionante y agua se impulsa a través de un espacio estrecho (hasta 0.2-0.3 mm) entre el rotor y el estator. Un homogeneizador de este tipo, triturando el betún en las gotas más pequeñas, asegura la correcta orientación de las partículas de emulsionante en la interfaz entre el betún y las fases de agua. En este caso, el emulsionante se puede introducir en la fase acuosa y para emulsiones viales ácidas, que son de buena calidad.

La principal diferencia entre emulsiones viales alcalinas y ácidas es el signo de la carga de la gota emulsionante. Así, en la emulsión aniónica, la parte de superficie activa tiene una carga negativa, que está rodeada por cationes de sodio en una solución alcalina, y muchas capas de la película acuosa en forma de hidroxilos. Dado que el medio químico de la emulsión alcalina y ácida es diferente, no pueden mezclarse. Esta mezcla se desintegra rápidamente y las partículas de betún se liberan debido a la neutralización de las cargas eléctricas.

En emulsiones viales ácidas, debido a la ausencia de películas de agua alrededor de las partículas de betún, es posible obtener una concentración de betún de hasta 70% o más, mientras que las emulsiones viales alcalinas permanecen líquidas a 18-20 ° C solo a una concentración de betún de hasta 60%.

La emulsión ácida con evaporación de humedad proporciona una fijación confiable del betún sobre el material mineral, que se compara favorablemente con las emulsiones de betún aniónicas alcalinas.

Durante el tratamıento de material mineral con emulsiones viales bituminosas, se descomponen en agua y betún, que interactúa con la superficie del material mineral, como resultado de lo cual se forma una película continua. Así, los principales materiales de piedra tienen cargas positivas activas en la superficie. Cuando se procesan con emulsiones alcalinas, los aniones de las gotitas emulsionantes son atraídos hacia los cationes del material de piedra básico, lo que asegura la adhesión (adherencia) del betún a la superficie del material mineral. En el caso de que los materiales de piedra sean ácidos (con un contenido de sílice de más del 62%), que llevan aniones activos en la superficie, que son repelidos de los aniones activos de una emulsión alcalina, la adhesión falla. Para materiales de piedra intermedios (con un contenido de sílice del 50 al 62%), es característica la presencia de aniones y cationes en la superficie.

Cuando la piedra caliza, la dolomita y otros minerales se tratan con emulsiones viales ácidas, su superficie se disuelve parcialmente, y en la fase acuosa aparecen iones de calcio e iones carbonato. La acidez disminuye y se produce una reacción entre y con la formación de compuestos insolubles en agua. Por lo tanto, las emulsiones ácidas también se pueden usar para tratar piedra caliza (con un contenido de sílice superior al 15%). Las emulsiones alcalinas se utilizan para tratar materiales de piedra básicos e intermedios. Por lo tanto, el rango de materiales de piedra que contienen 15-100% de sílice procesada por emulsiones ácidas es más amplio que el rango de materiales (con sílice de 0 a 62%) procesados por emulsiones alcalinas.

La velocidad de descomposición de las emulsiones viales está determinada por las propiedades de la emulsión y el material mineral, así como por las condiciones climáticas. El grosor de la capa o base de recubrimiento tratada también es importante. Las principales causas de la descomposición de la emulsión cuando entra en contacto con el material mineral son principalmente los procesos físico-mecánicos de interacción entre la emulsión y el material mineral, la absorción de agua por el material mineral y, finalmente, la evaporación del agua durante la mezcla de la emulsión y el material mineral y durante la formación del recubrimiento o base.

La presencia en la emulsión de sustancias tensioactivas (emulsionante y agua) y la baja viscosidad de estas últimas proporcionan una buena humectación de la superficie de escombros, grava y suelo. Cuando la emulsión entra en contacto con ellos, la adsorción ocurre principalmente del emulsionante, y luego del betún o alquitrán. Por lo tanto, las moléculas emulsionantes se unen al betún o alquitrán a 10 materiales minerales. Debido a la adsorción del emulsionante, su concentración en la emulsión disminuye, la integridad de las películas protectoras del emulsionante alrededor del betún o gotitas de alquitrán se ve afectada y, como resultado, se fusionan. El agua se separa más intensivamente, cuanto más vigorosamente y en mayores cantidades se absorbe el emulsionante en la superficie del material mineral.