Aplicació de tensioactius en enginyeria de carreteres

Els tensioactius (també coneguts com a substàncies tensioactives) són auxiliars químics indispensables en el desenvolupament de la indústria i l'agricultura, amb l'avantatge d'aconseguir resultats significatius amb dosis petites. Especialment després de la Segona Guerra Mundial, amb el desenvolupament de la indústria petroquímica, la indústria dels tensioactius sintètics, que està emergint ràpidament, ha promogut encara més l'aplicació de tensioactius en diversos camps, com ara el petroli, els tèxtils, els pesticides, el tractament mèdic, la metal·lúrgia, la mineria, la maquinària, la construcció, les carreteres, l'aviació, l'alimentació, la protecció del medi ambient, el rentat i el tenyit, etc. Aquest article se centrarà en la introducció de l'aplicació de tensioactius com a emulsionants d'asfalt en l'enginyeria de carreteres.

1. Definició deTensioactius

En la pràctica de producció a llarg termini, s'ha descobert que les solucions d'algunes substàncies poden alterar significativament les propietats superficials dels dissolvents fins i tot a concentracions molt baixes, cosa que els fa adequats per a certs requisits de producció, com ara la reducció de la tensió superficial o la tensió interfacial del dissolvent, l'augment de la humectabilitat, la detergència, les propietats emulsionants i escumants, etc. El sabó, que s'utilitza sovint a la vida quotidiana, és una d'aquestes substàncies. Una característica notable de substàncies com el sabó és que afegir una petita quantitat a l'aigua pot reduir considerablement la tensió superficial de l'aigua.

Amb l'avanç de la ciència i la tecnologia i el desenvolupament de la producció, s'han dut a terme investigacions en profunditat sobre les propietats i funcions d'aquestes substàncies i s'ha donat una definició relativament precisa dels tensioactius. És a dir, un tensioactiu és una substància química que pot reduir significativament la tensió superficial (o tensió interfacial líquid-líquid) d'un dissolvent (generalment aigua) a concentracions molt baixes, canviant l'estat superficial del sistema, produint així una sèrie d'efectes com ara humectant i antihumectant, emulsificació i desemulsificació, dispersió i coagulació, escumació i antiespumació i solubilització.

2. Característiques estructurals dels tensioactius

Les molècules tensioactives consten de dues parts amb propietats completament diferents: una part és el grup lipofílic (també conegut com a grup hidròfob) que té afinitat per l'oli, i l'altra part és el grup hidròfil (també conegut com a grup oleofòb) que té afinitat per l'aigua. Aquesta característica estructural dels tensioactius fa que, quan es dissolen en aigua, els grups hidròfils siguin atrets per les molècules d'aigua, mentre que els grups lipofílics siguin repel·lits per les molècules d'aigua. Per superar aquest estat inestable, han d'ocupar la superfície del líquid, amb els grups lipofílics estenent-se a l'atmosfera i els grups hidròfils estenent-se a l'aigua.

Tot i que la característica estructural de les molècules tensioactives és que són molècules amfifíliques, no totes les molècules amfifíliques són tensioactius. Només les substàncies amfifíliques amb una part lipofílica prou llarga són tensioactius.

Per exemple, en la sèrie de sals de sodi d'àcids grassos, els compostos amb un petit nombre d'àtoms de carboni (com ara formiat de sodi, acetat de sodi, propionat de sodi, butirat de sodi, etc.) tenen tots grups lipofílics i hidròfils i posseeixen activitat superficial, però no funcionen com a sabó i, per tant, no es poden anomenar tensioactius. Només quan el nombre d'àtoms de carboni augmenta fins a cert punt, els àcids grassos de sodi presenten una activitat superficial òbvia i posseeixen les propietats generals del sabó. La majoria dels olis i greixos animals i vegetals naturals són èsters d'àcids grassos que contenen de 10 a 18 àtoms de carboni. Si aquests àcids es combinen amb un grup hidròfil, es convertiran en tensioactius amb un cert grau de lipofilicitat i hidrofilicitat, i tenen una bona solubilitat.

3. Aplicació de tensioactius enEnginyeria de carreteres

3.1.Tensioactius iemulsionants d'asfalt

L'emulsionant d'asfalt és un tipus de tensioactiu. Els emulsionants i els detergents comparteixen propietats com l'adsortivitat, l'orientació, la capacitat de formar ions col·loïdals i la capacitat de reduir la tensió interfacial. Tanmateix, com a emulsionant, també ha de tenir propietats formadores de pel·lícula. Especialment per als emulsionants d'asfalt, necessiten tenir alcans amb una cadena de carboni adequada per emulsionar millor amb l'asfalt.

3.2.Classificació dels emulsionants d'asfalt

Els emulsionants es classifiquen en tipus iònics i no iònics segons si els grups hidròfils de les molècules emulsionants porten càrregues quan els emulsionants es dissolen en aigua. Els emulsionants iònics es divideixen a més en tipus catiònics, aniònics i amfòters a causa de les diferències en les càrregues que porten els seus grups hidròfils després de la ionització en aigua.

Les matèries primeres per a emulsionants d'asfalt aniònic són barates i fàcilment disponibles, i el procés de producció és senzill. Per tant, el primer asfalt emulsionat produït va ser l'asfalt emulsionat aniònic, que generalment és del tipus de fraguat mitjà, i també hi ha alguns tipus de fraguat lent. Es pot utilitzar per al segellament de fangs, penetració, tractament de superfícies, etc. Tot i que els emulsionants aniònics tenen avantatges de preu, tenen un gran impacte en les propietats originals de l'asfalt i es produeixen molts problemes durant el procés de construcció. Per tant, a l'hora d'aplicar-los, cal tenir en compte els efectes integrals del cost, l'efecte de la construcció i la qualitat de la construcció.

Cemulsionant natiònicaTot i que es va desenvolupar relativament tard, la pràctica ha demostrat que té una millor adherència a diversos materials minerals, amb una velocitat de conformació ràpida, una alta resistència inicial i una baixa dosificació. No només dóna joc als avantatges dels emulsionants aniònics, sinó que també compensa les seves deficiències, atraient així molta atenció des del seu desenvolupament. Els emulsionants d'asfalt catiònic tenen una àmplia varietat de tipus i diferents mètodes de classificació. Normalment es classifiquen segons les seves estructures químiques, i les més comunes inclouen principalment alquilamines, sals de ferro quaternàries, ligninamines, imidazolines, etc.

Les molècules emulsionants zwitteriòniques contenen grups àcids i bàsics, i formen fàcilment "sals internes". Una característica de les solucions aquoses d'emulsionants zwitteriònics és que la seva càrrega elèctrica canvia amb les variacions del valor del pH. Tenen una forta capacitat de dispersió de calci en aigua dura i una bona compatibilitat amb altres tipus d'emulsionants, però el seu preu és relativament alt.

La majoria dels emulsionants no iònics s'obtenen per la reacció de l'òxid d'etilè amb compostos que contenen hidrogen actiu (com ara fenols, alcohols, àcids carboxílics, amines, etc.). La seva activitat està relacionada no només amb els grups alquil hidròfobs, sinó també amb la longitud de les cadenes de polioxietilè. Posseeixen una alta activitat superficial, estabilitat i bona capacitat emulsionant, presenten una bona compatibilitat amb altres emulsionants i els seus additius, i tenen un cert efecte quelant sobre els ions metàl·lics. La seva activitat és independent del valor del pH de la solució, i l'emulsió formada a la temperatura d'inversió de fase (PIT) és la més estable.

3.3.El principi de funcionament dels emulsionants d'asfalt

Quan la concentració de l'emulsionant és extremadament baixa, hi ha molt poques molècules emulsionants. A la interfície entre l'aire i l'aigua, és impossible que s'acumuli un gran nombre de molècules emulsionants. A la superfície, gairebé encara està en contacte directe amb l'aire i l'aigua, i la tensió superficial roman gairebé inalterada, encara propera a la tensió superficial de l'aigua pura.

Quan la concentració de l'emulsionant augmenta adequadament, les molècules d'emulsionant s'acumulen ràpidament a la superfície de l'aigua, reduint l'àrea de contacte entre l'aire i l'aigua, fent que la tensió superficial disminueixi ràpidament.

Quan la concentració de l'emulsionant augmenta encara més i arriba a un cert valor, un gran nombre de molècules emulsionants s'acumulen a la superfície de la solució aquosa, formant una pel·lícula monomolecular que cobreix la superfície de la solució, que aïlla completament la solució aquosa de l'aire i estabilitza la tensió superficial. Si la concentració de l'emulsionant augmenta lleugerament més, les molècules emulsionants ja no es poden acumular a la superfície de l'aigua, sinó que s'autoacoblen en micel·les o agregats micel·lars amb els grups lipòfils apuntant cap a dins i els grups hidròfils apuntant cap a fora. La concentració mínima a la qual les micel·les o els agregats micel·lars estan a punt de començar a formar-se s'anomena generalment Concentració Micel·lar Crítica (CMC).

Després d'assolir la concentració crítica de micel·les, si la concentració de l'emulsionant continua augmentant, la tensió superficial ja no disminuirà. Com que ja s'ha format una pel·lícula monomolecular a la superfície, les molècules emulsionants tendeixen a fusionar-se i apropar-se, continuant agregant-se en micel·les, fent que el nombre de micel·les a l'emulsió augmenti contínuament.

L'emulsificació de l'asfalt és un aspecte important de l'acció emulsionant. Després d'afegir un emulsionant a una solució d'oli i aigua, els dos grups de l'emulsionant s'ordenen de manera direccional, connectant les dues interfícies d'oli i aigua, evitant així que es repel·leixin mútuament. Després de remenar i dispersar, l'asfalt es pot dispersar establement en aigua en forma de partícules fines.

Conclusió

Prenent com a exemple els emulsionants d'asfalt, aquest article ofereix una introducció i anàlisi exhaustives de les característiques estructurals, els principis de funcionament i l'estat d'aplicació dels tensioactius. Els tensioactius poden reduir eficaçment la tensió superficial de l'aigua, adsorbir fortament molècules de tensioactiu en diverses altres interfícies i sovint tenen un cert grau d'adsorció direccional. És aquesta adsorció direccional la que permet que els tensioactius tinguin múltiples funcions com ara emulsificació, desemulsificació, escumació, dispersió, coagulació i humectació. Els emulsionants d'asfalt funcionen utilitzant l'efecte emulsionant dels tensioactius. Ja sigui des de la perspectiva del rendiment econòmic o de la protecció del medi ambient, la construcció en fred serà una tendència important en el desenvolupament de l'enginyeria de carreteres al segle XXI, i els emulsionants són el nucli d'aquesta tecnologia. La investigació i la millora del rendiment dels emulsionants segurament tindran un impacte profund en la construcció en fred.