Новий спосіб зістарювання бітуму в лабораторних умовах

Новий спосіб зістарювання бітуму в лабораторних умовах.

У статті описаний процес розробки процедури старіння для тонкої (300 mu-м) плівки протягом короткого і тривалого проміжків часу. Нова процедура розробляється як альтернатива використовуваним методикам випробування: розкочування тонкої плівки в печі (RTFO) і состаривание під тиском (PAV). Нова методика, названа простою процедурою зістарювання (simple aging test, SAT), може застосовуватися для чистих і модифікованих бітумів і емульсійного залишку. До початку реалізації стратегічної програми дорожніх досліджень спостерігався значний інтерес до Состаріваніє тонкої плівки в статичних умовах. Однак для короткострокового старіння була прийнята методика RTFO, оскільки для випробувань на реометре з изгибающейся балкою потрібна велика кількість зістареного асфальту. З моменту прийняття методики RTFO як стандартної були виявлені певні проблеми при спробі застосувати її для зістарювання високомодіфіцірованних в`яжучих. Стосовно до теплим сумішам методика RTFO при більш низьких температурах (моделювання низької температури виготовлення) може накладати певні обмеження на прокатку плівки для рівномірного зістарювання матеріалу. Розроблений недавно Пластометри, що працює за принципом динамічного зсуву (DSR) з 4-мм паралельними пластинами дозволяє проводити випробування при температурах до -40 ° C, вимагає всього 25 мг в`яжучого і дозволяє оцінити m-величину і жорсткість зміщення для реометра з изгибающейся балкою. Використання цієї методики спільно з SAT дозволяє визначити реологію бітумів, постарених короткостроково і довгостроково, при низькій і середній температурі. Крім того, є достатня кількість зістареного матеріалу для використання Пластометри типу DSR з 25-мм пластинами. Методика SAT усуває проблему «розкочування» зразків для полімер-модифікованих і теплих асфальтів. При випробуваннях декількох типів бітуму за методикою SAT були відзначені час і температура зістарювання, еквівалентні даними параметрами при використанні методик RTFO і PAV.

Введення

Затвердіння при состаривании під впливом окислення - процес, який відбувається при укладанні гарячої суміші, а також протягом життєвого циклу дорожнього покриття. Він значно впливає на такі експлуатаційні характеристики покриття, як утворення колії, розшарування і розтріскування і, в підсумку, довговічність. Моделювання затвердіння при старінні в лабораторних умовах надзвичайно важливо для розробки специфікацій, заснованих на експлуатаційних характеристиках. У цьому дослідженні описується нова методика випробування тонкоплівкових зразків окисленням, яка дає результати, еквівалентні стандартними методиками прокатки тонкої плівки в печі (RTFO, метод ASTM D2872) і зістарювання в камері під тиском (PAV, метод ASTM D6521) для чистих бітумів. Досягнення, що дозволило забезпечити ефективність випробування тонкої плівки (кілька сот нанометрів) - розроблена недавно методика Пластометри за принципом динамічного зсуву, яка дає можливість випробовувати зразки при температурах до -40 ° C, вимагає всього 25 мг зразка і включає коригування по деформації на приладі [1 ].

Методика випробувань тонкої бітумної плівки в печі була розроблена на початку 60-х років Hveem [2] і була прийнята ASTM в 1970 році. Під час реалізації Стратегічної програми дорожніх досліджень вона була обрана в якості стандарту для моделювання короткочасного затвердіння при старінні, яке має місце при укладанні покриття. В даний час методика використовується в специфікаціях бітуму Superpave.

Основна перевага методики випробувань тонкої бітумної плівки в печі при обертанні (RTFOT) перед випробуваннями тонкої плівки в печі в статиці (TFOT, метод ASTM D1754) полягає в тому, що при обертанні скляних посудин старінню піддається велика площа поверхні зразка. Однак кількість обертань і впливу на свіжі поверхні зразка варіюється залежно від в`язкості бітуму до початку випробувань і змін в`язкості в процесі випробувань. Процес руху та перемішування бітуму в колбах також ускладнюється полімер-модифікацією бітуму. Зниження температури випробувань RTFO для моделювання окислення, що відбувається при виробництві теплих сумішей, викликає аналогічні труднощі.

Зниження обсягів обертання або повне усунення обертання при проведенні випробувань за методом RTFO для високомодіфіцірованних бітумів - проблема, відома вже кілька років [3]. Bahia [3] пропонував вирішити її шляхом занурення сталевого стрижня в колбу і, таким чином, забезпечити поширення плівки. Досліди, проведені Федеральним управлінням автомобільних доріг і Південно-східної групою виробників асфальтів, показали, що сталеві стрижні знижують рівень старіння бітуму (як модифікованого, так і немодифицированного) і сприяють витіканню бітуму (обох типів) з колб [4]. Хоча сталевий стрижень дійсно сприяє витіканню бітуму з колби, полімер-модифіковані бітуми часто перетікають через край колби, навіть якщо стрижня немає. Причина тому - ефект Вайсенберга (підйом в`язко-еластичної рідини з обертовому стрижню) [5]. Передбачається, що сила пружності (розтягування полімерних ланцюжків), викликана обертанням скляних колб, призводить до виникнення позитивної вертикально спрямованої сили, яка і викликає підйом бітуму по внутрішніх стінках колби.

Рішення саме цих проблем лягло в основу роботи Західного дослідницького інституту (WRI) над новою методикою короткочасної та довгострокового старіння, яка була названа простою процедурою зістарювання (SAT). Їй і присвячена ця стаття.

До методики SAT, як альтернативі RTFO і стандарту RTFO / PAV, пред`явлені наступні вимоги:

1) Ступінь зістарювання повинна бути еквівалентна такої за методом RTFOT. До тих пір, поки специфікації Superpave засновані на результатах випробувань RTFOT, будь-яка нова методика повинна відповідати процесу зістарювання RTFOT для чистого бітуму.

2) Простота, відсутність необхідності в чищенні колб. Методика випробування повинна дозволити приміщення короткостроково зістареного зразка безпосередньо в піч для довгострокового зістарювання.

3) Кількість отриманого бітуму має бути достатнім для визначення сортності за індексом проникнення (SHRP PG) і опису хімічного складу.

4) При приміщенні або витяганні зразків не повинні використовуватися розчинники, що особливо важливо для полімер-модифікованих бітумів.

5) Товщина плівки повинна бути низькою, щоб усунути проблеми кисневої дифузії, яка присутня у випробуваннях зразків в нерухомому стані (TFOT).

6) Методика повинна дозволяти знизити температуру для моделювання умов виготовлення теплою суміші.

7) Час випробувань повинно бути меншим, ніж у випробувань RTFO або RTFO / PAV.

8) Вартість методики повинна бути низькою.

9) Методика повинна дозволяти состаривание плівок з емульсійного осаду.

Окислювальне старіння плівки (плівка товщиною кілька сотень мікрон) здатне виконати всі вищевказані вимоги, однак для наступних випробувань бітуму по SHRP буде потрібно дуже велика площа поверхні зразка. Зокрема, проблемою стають випробування на реометре з изгибающейся балкою, оскільки для кожного зразка-палички потрібно 15 г бітуму, і таких зразків потрібно декілька. Випробування SHRP на середніх і високих температурах проводяться на Пластометри з динамічним зрушенням (DSR), для чого потрібно всього кілька грам бітуму.

Вже говорилося, що винахід Пластометри з динамічним зрушенням (DSR) з 4-мм паралельними пластинами дозволяє проводити випробування при температурах до -40 ° C, вимагає всього 25 мг в`яжучого і дозволяє оцінити m-величину і жорсткість зміщення [6] для реометра з изгибающейся балкою. Далі буде дано більш докладний опис цієї технології. Її поєднання з методом зістарювання плівки - альтернатива методу RTFOF. Більше того, після випробування залишається досить бітуму для проведення випробування SHRP при низької, середньої і високої температурі.

Дослідження і розробки нових випробувань в останнє десятиліття, в основному, мали наступні цілі:

a) Приготувати після випробування кілька грам бітуму для подальшого випробування на реометре з изгибающейся балкою;

b) Дозволити проблему витікання бітуму з колби під час випробування RTFO;

с) Розв`язати проблему розкочування полімер-модифікованих бітумів для випробування RTFOT.

Прикладами можуть послужити наступні методи: випробування на состаривание в обертовому циліндрі (RCAT) [7], модифікована німецька обертається колба (MGRFT) [4], випробування з примусовою вентиляцією (SAFT) [8].

Експериментальна частина, матеріали

Пластометри за принципом динамічного зсуву на 4-мм паралельних пластинах

Розбіжності щодо модуля гліцерину в склоподібного стані (Gg) змусили Schroter [9] розробити метод коригування на похибка динамічного сдвигового реометра, його оснастку і пластини. Sui [1] застосував цю коригування до вимірювань динамічного зсуву бітуму при низьких температурах (~ 5 ° C ... -40 ° C) на 4-мм паралельних пластинах з зазором 1,7 мм (у статті цей метод називається 4-мм динамічна сдвіговая Пластометри ).

При низькій частоті (високій температурі) бітум податливий, і коректування похибки інструменту Пренебрежимо. При високій частоті (низької температурі) податливість змінюється, і для того, щоб отримати справжню величину модуля крихкого руйнування бітуму, до вимірювань сдвигового Пластометри застосовується коригування.

Для випробування необхідно всього 25 мг матеріалу (на практиці - близько 150 мг для виготовлення зразка за шаблоном), що на кілька порядків менше, ніж необхідно для виготовлення бруска для випробувань на реометре з изгибающейся балкою.

Попереднього кондиціонування зразків не потрібно. Закладка в реометр проводиться при відносно низькій температурі (60-70 ° C).

У цьому дослідженні вивчення реологічних властивостей проводиться за допомогою 4-мм динамічного сдвигового реометра. M-величина і сдвіговая жорсткість S (t) оцінюються через кореляцію з 4-мм динамічної сдвиговой Пластометри, розробленої Sui [6]. У методі Sui основна крива кута нахилу і величина модуля релаксації сдвигового напруги G (t) протягом 2:00 корелюються з відповідними величинами S (t) і m протягом 60 секунд при температурі на 10 ° C вище істинної низької температури для даної сортності, отриманої в результаті вимірювань на реометре зі згинається балкою. Метод Sui змінили шляхом вимірювання кута нахилу і величини G (t) протягом 60 секунд при температурі на 10 ° C вище температури сортності по ІП. Реологія при середніх і низьких температурах вимірювалася на пластинах діаметром 8 мм і 25 мм.

Взаємне перетворення динамічного модуля пружності G `(omega-) в модуль релаксації виконано по рівнянню апроксимації, виведеному Christensen [10]:

G (t) ~ G `(omega-) | omega- = 2 / pi-t

Вимірювання модулів динамічного зсуву були виконані на обертових динамічних зсувних реометри Malvern Kinexus і TA ARES. Зчитування свип-сигналів частоти проводилося в інтервалах по 15 ° C в діапазоні від -30 до + 45 ° C з кутовим частотним діапазоном від 0,1 до 100 рад / сек. При низьких температурах високочастотна межа Свіп знижувалася до 50 рад / сек.

Технологія застосування 4-мм динамічного сдвигового реометра може застосовуватися «в полі» для аналізу мікрообразцов при оцінці експлуатаційних властивостей покриття і аналізу матеріалів, для опису реологічних властивостей бітуму і регенерованого в`яжучого при середніх і низьких температурах, для опису реології емульсійного осаду і матеріалу для заповнення тріщин , а також для розробки методу випробування тонкої плівки - об`єкта даної статті.

Інфрачервона спектроскопія

ІЧ-аналіз був проведений в режимі «на просвіт» в камері 1,0 мм із зразком з 50 мг бітуму на 1 мл сірковуглецю. Було виконано 32 циклу сканування, обладнання: Perkin Elmer Spectrum 100, дозвіл 4 см-1.

Матеріали

У Таблиці 1 описані досліджені типи бітуму. Зразки бралися з резервуарів під час дорожньо-будівельних робіт. Три з чотирьох в`яжучих отримані з випробувального полігону в Рочестері, штат Міннесота, США (побудований в 2006 році). Бітум «МВ» (Манітоба) одержано із полігону для випробувань теплих сумішей в Манітобі, Канада, побудованого в 2010 році.

Результати та обговорення

Розробка методики SAT, її порівняння з RTFO і RTFO /PAV

Слід пам`ятати, що ідея SAT нова. Состаріваніє тонкої бітумної плівки для моделювання короткострокового і довгострокового окисного старіння, що відбувається в умовах реальної експлуатації, широко досліджувався за останні 70 років. Аналіз джерел провів Airey [11].

Розробка методу SAT полягає в адаптації та поглибленні існуючих досліджень по Состаріваніє тонкої плівки, зокрема, досліджень Glover [8, 12] і Petersen [13]. Доповненням є застосування 4-мм динамічного сдвигового реометра, що дозволяє розглядати дану методику в якості альтернативи RTFOT.

У процесі розробки SAT одним із завдань було забезпечити мінімальну товщину плівки і, таким чином, знизити ефект дифузії. Методом проб і помилок була підібрана товщина 300 нм, що дозволило забезпечити тонку плівку без застосування розчинника. Обсяг зразка для реологічних і хімічних досліджень став ще одним обмежуючим фактором.

Протоколи випробувань SAT наводяться в Таблиці 2: короткострокове випробування для теплої асфальтової суміші при 130 ° C протягом 50 хвилин в печі з примусовим обдувом. Протокол попередній, так як в даний час нами тільки розпочато роботу в порівнянні старіння, виконуваного по даному протоколу і старіння, яке фактично відбувається на дорозі, де покладена тепла суміш.

На Рис. 2 показано останнім розроблений пристрій для коротко- і довгострокового зістарювання тонкої плівки по методу SAT. У пластині є 3 слота для зістарювання 3 різних плівок, для кожної з них вимагається 1,00 г бітуму, що дає плівку завтовшки бл. 300 нм.

Підготовка тонкої бітумної плівки для випробування виконується наступним чином. У герметизований робочий бокс, наповнений азотом, поміщають нагріту (приблизно до 120 ° C) підставку, а на неї ставлять пластину для випробувань SAT (з бітумом). При нагріванні до 120 ° C бітум розтікається приблизно на 2/3 площі поверхні пластини. Шпателем бітум розрівнюють по решті поверхні пластини, після чого залишають його в боксі на кілька хвилин, щоб відбулося вирівнювання поверхні бітумної плівки. Потім пластину знімають з нагрівальної підставки і залишають в наповненій азотом камері для охолодження до кімнатної температури (23 ° C).

У торці пластини було висвердлите отвір для вставки термопари, за допомогою якої реєструвалася температура в печі з примусовим обдувом. Пластина поміщається на попередньо нагрітий алюмінієвий брусок, який забезпечує швидке нагрівання випробувальної пластини в печі. На Рис. 3А показані дані про температуру в печі (дані термопари в пластині). Реєстрація здійснювалася протягом 50 хвилин, температура в печі - 150 ° C. Температура пластини швидко зростає від кімнатної до ~ 140 ° C і досягає позначки 146 ° C через 50 хвилин.

Схема короткострокового і довготривалого зістарювання наведена на Рис. 3В. Габарити пластини підібрані так, щоб пластину можна було вставити в лоток стандартного посудини для старіння під тиском.

Встановлено, що випробування плівки товщиною 300 нм протягом приблизно 40 годин в печі з примусовим обдувом при температурі 100 ° C і тиску 0,74 атм дають результати, що відповідають стандарту PAV (ASTM D6521) для випробувань плівки товщиною 3,2 мм при 20 атм в стандартному лотку. Тривалість 40 годин є приблизною, оскільки присутній різниця в тиску при состаривании бітумів [14]. Состаріваніє плівки товщиною 300 нм в посудині під тиском 20 атм протягом всього 8:00 дає рівень зістарювання при стандартних випробуваннях з лотком і товщиною плівки по специфікаціям.

Для визначення приблизного часу і температури, при яких моделюється старіння, подібна з таким за стандартами RTFO і RTFO / PAV, застосовувалася ІК спектроскопія. Початкові прогнозні дані потім порівнювали з показаннями реологического аналізу. Так, на Рис. 4А показані в порівнянні ІК спектри (SAT, RTFO, RTFO / PAV) бітуму «МВ» за протоколами, які перелічені в Таблиці 2. На Рис. 4В показані відповідні дані реологического аналізу - комплексного модуля зсуву G * (omega-). Видно, що спектри дуже близькі.

Порівняння ІП і реології

У Таблиці 3 наведено порівняння ІП бітумів, постарених за технологіями RTFO, RTFO / PAV і SAT. Було виявлено, що і при короткочасному, і при довготривалому состаривании результати, отримані при використанні різних технологій, добре узгоджуються.

Метод SAT не чинить значного впливу на ІП бітуму (у тому числі при випробуваннях по протоколу ST SAT HMA LT FDO, які можуть відрізнятися від умови випробувань ST SAT LT PAV і RTFO / PAV через різницю впливу тисків. Результати дуже близькі.)

Порівняння ІП при низькою (m-величина), середньої (G * / sindelta-) і високої (G * / sindelta-) температурі для методів SAT, RTFO і RTFO / PAV показано відповідно на Рис. 5, 6 і 7. При аналізі ІП при низькій температурі показана тільки m-величина, оскільки досліджувані бітуми були m-контрольованими. Значення наведені з точністю для одного оператора по ASTM (d2s%). Так, наприклад, точність для одного оператора по m-величиною в ASTM D6648-08 дорівнює 4,0%.

Похибка для одного оператора являє собою значення для дослідів, виконаних одним оператором на одному реометре в одній лабораторії. Три з чотирьох типів бітуму відповідають заявленим рівням точності, що означає, що дані реології, отримані за методами SAT, RTFO і RTFO / PAV порівнянні.

Процентне зміна маси

Процентне зміна маси від зістарювання за методикою RTFO було виміряно відповідно до методу AASHTO T240. Зміна маси при короткочасному состаривании за методом SAT змиритися аналогічно, тобто зміна маси бітуму виражається у відсотках від початкової маси. Втрата маси виражається негативною величиною, збільшення - позитивною. Втрата маси часто спостерігається при випробуванні RTFOT, хоча збільшення також можливо [15]. Порівняння зміни мас при випробуваннях за методами SAT і RTFO наводяться в Таблиці 4.

Для двох асфальтів різниця в процентному зміні маси незначна. З інших випробувань видно, що метод SAT викликає велику втрату маси, ніж RTFO, хоча і незначно. Для того, щоб стверджувати, що SAT статистично відрізняється від RTFO з точки зору втрати маси, будуть потрібні додаткові досліди.

Висновок

При дослідженні чистого бітуму порівняння показали, що метод SAT дає результати, порівнянні з результатами випробувань за стандартами RTFO і RTFO / PAV з погляду реологічних характеристик, і в меншій мірою порівнянні при проведенні дослідів на розкладання карбонілами і сульфоксидом.

Поєднання методу SAT з випробуваннями на 4-мм динамічному сдвиговом реометре з паралельними пластинами дозволяє визначити реологічні властивості і специфікаційні параметри (m-величину і жорсткість зсуву) при низькій температурі. Для проведення короткочасного зістарювання за методом SAT потрібно всього 50 хвилин, що на 35 хвилин менше, ніж необхідно за стандартом RTFOT.

Ще важливіше те, що для проведення довготривалого зістарювання в посудині під тиск за методом SAT потрібно 8:00, що на 12:00 менше, ніж необхідно для стандартного випробування PAV. В даний час ведуться роботи по застосуванню методу SAT для полімер-модифікованих бітумів, емульсійного осаду, відновленого бітуму, а також для моделювання окисного старіння, що має місце на заводі з виготовлення теплих сумішей.

Кожна пластина для випробувань за методом SAT дозволяє отримати 3 г зістареного бітуму. Цього достатньо для опису реологічних і хімічних властивостей при низькій, середньої і високої температурі. Якщо необхідна додаткова кількість зістареного в`яжучого, можна приготувати і піддати старінню одночасно кілька пластин.

Стаття: Новий спосіб зістарювання бітуму в лабораторних умовах.

Апкалімов Денис, ТОВ "ІПК" Ротор "