Испытание физических свойств битумного вяжущего

1. Определение сдвигоустойчивость

2. Испытание на долговечность

3. Испытание на примеси

4. Испытание на безопасность

5. Другие испытания

Определение подвижности

Термин подвижность подразумевает степень текучести битумного вяжущего при определенной температуре. Поскольку битумное вяжущее является термопластичным материалом, то его подвижность изменяется в зависимости от температуры. Следовательно, необходимо измерять подвижность разных типов битумного  вяжущего при одной и той же температуре и сдвигать нагрузочную конструкцию, если требуется провести сравнение. Определение подвижности битумного вяжущего проводится следующим образом:

Абсолютная вязкость при температуре 140°F (60°С). Если говорить упрощенно, то вязкость – это сопротивление потоку жидкости. Градация по вязкости битумного  вяжущего основывается на измерениях вязкости при температуре 140°F (60°С). Этот температурный режим был выбран потому, что он приближается к максимальной поверхностной температуре дорожного покрытия из HMA в летнее время в США.

Для определения вязкости при температуре 140°F (60°С) используется капиллярный вискозиметр. Как правило, применяют два вискозиметра: вакуумный вискозиметр Cannon-Manning (рисунок 2-11) и вакуумный вискозиметр, разработанный Институтом асфальта (рисунок 2-12). Процедура описывается в методике испытаний ASTM D2171. Вискозиметр закрепляется в термостатируемой водяной или масляной ванне, в которой поддерживается постоянный температурный уровень 140°F (60°С). Трубка вискозиметра заполняется а битумным вяжущим через большее колено, до уровня линии наполнения.

После того, как вискозиметр погружается в ванну на определенный период времени для достижения равновесной температуры 140°F (60°С), в его узкое колено подается парциальный вакуум чтобы стимулировать перетекание битумного вяжущего. Применение парциального вакуума необходимо потому, что при данной температуре битумное вяжущее представляет собой слишком тягучее вещество, неспособное к перетеканию. Устройство для регулирования вакуума и вакуумный насос должны быть в наличии, как часть испытательного оборудования.

 

Рисунок 2-11. Вакуумный вискозиметр Cannon- Manning

 

Рисунок 2-12 Вакуумный вискозиметр, разработанный институтом асфальта

Время (в секундах), необходимое для перетекания вещества между двумя установочными метками замеряется, как только битумное вяжущее начнет перетекать. Чтобы получить значение вязкости в пуазах, которые являются стандартной единицей для измерения вязкости, замеренное время (в секундах) нужно умножить на калибровочный коэффициент вискозиметра. Производители калибруют свои вискозиметры при помощи набора стандартных масел, и указывают коэффициент калибровки на каждом приборе.

Если испытывается такой материал, как битумное вяжущее, вязкость которого неизвестна, то показатель напряжения при сдвиге будет таким же, как при калибровании вискозиметра. Единственным отличием будет измеренная скорость сдвига, которая обратно пропорциональна времени, требуемому для прохождения жидкости в колене. Следующее соотношение можно использовать для определения вязкость:

V₂/ T₂ = V₁/ T₁

или

V₂ = T₂ (V₁/ T₁)

где

V₁ – вязкость стандартного материала

T₁ – время прохождения стандартного материала в колене

V₂ – вязкость исследуемого материала

Т₂ – время прохождения исследуемого материала в том же колене

V₁/T₁ – коэффициент калибровки вискозиметра

Кинематическая вязкость при температуре 275°F (135°C). Для измерения кинематической вязкости вискозиметром Zeitfuchs с держателем при температуре 275°F (135°C) применяется методика ASTM D2170. При этой температуре битумное вяжущее становится достаточно текучим и способно перетекать через капиллярную трубку под действием лишь силы тяжести, следовательно, в этом случае нет необходимости применять парциальный вакуум. Данный температурный режим был выбран потому, что он приближается к температурам смешивания и укладки, используемым при создании дорожных покрытий из горячей асфальтовой смеси.

Битумное вяжущее вещество заливают через большое отверстие вискозиметра до линии заполнения. Затем вискозиметр помещают в чистую масляную ванну для достижения равновесной температуры. Низкий вакуум подается через маленькое отверстие или же небольшое давление через большое отверстие для стимуляции перетекания битума по сифонному сегменту, непосредственно над линией заполнения. Затем под действием силы тяжести битумное вяжущее опускается вниз в вертикальном сегменте капиллярной трубки. Для измерения времени (в секундах), необходимого для перетекания битума между двумя установочными метками, используется секундомер. Величину кинематической вязкости, выражаемую в сантистоксах, получают путем умножения показателя времени на коэффициент калибровки, указанный на трубке вискозиметра. Единица сантистокс, применяется для выражения кинематической вязкости при температуре 275°F (135°C) потому, что гравитационные силы стимулируют перетекание, а плотность материала влияет на скорость перетекания. Величину абсолютной вязкости (полученную при температуре 140°F (60°C)), можно вычислить, умножив кинематическую вязкость на плотность битума.

 

Рисунок 2-13 Вискозиметр Zeitfuchs с держателем

Пример 2-1: Кинематическая вязкость битумного вяжущего составляет 800 сантистоксов. Его удельная масса равна 1,03. Какое значение абсолютной вязкости в пуазах будет у битумного вяжущего?

1 стокс = 100 сантистоксам

абсолютная вязкость в пуазах = кинематическая вязкость в стоксах х удельная масса

                                                 = 8 х 1,03

                                                 = 24

Пенетрация. Испытание на пенетрацию представляет собой эмпирический способ, применяемый для измерения консистенции битумного вяжущего. Обычно пенетрация измеряется при температуре 77°F (25°C), которая приближается к средней рабочей температуре покрытий из HMA. В настоящее время ни один простой метод испытаний не позволяет, измерить консистенцию битумов при этой температуре на основании показателя вязкости, хотя вязкость – это самый предпочтительный показатель для измерений. Стандартный тест на пенетрацию показан на рисунке 2-14. Резервуар с битумом доводят до стандартной для испытаний температуры (обычно 77°F или 25°C) в термостатируемой водяной камере. Образец подводится под иглу определенных размеров. Иглу утяжеляют грузом весом 100 г и дают проникнуть в образец битума на 5 секунд. Глубина пенетрации измеряется в единицах 0,1 мм (dmm) и считаются единицей пенетрации. Например, если игла проникает на 8 мм, то это значит, что пенетрация будет составлять 80.

Рисунок 2-14. Испытание на пенетрацию

Испытание на пенетрацию проводится в соответствии с методикой ASTM D5. Испытание, также может проводиться и при других температурах: 32, 39,2 и 115°F (0, 4 и 46°C). В этом случае нагрузка на иглу или время пенетрации будут меняться. При низкой температуре, 39,2°F (4°C), битумное вяжущее становится очень твердым и, следовательно, глубина проникания иглы будет небольшой, если время пенетрации составит 5 секунд, а вес груза – 100г. При таких температурах для получения достоверных значений пенетрации, необходимо, чтобы вес груза составлял 200 г, а время пенетрации – 60 секунд.

Температура размягчения. Температура размягчения измеряется посредством метода кольца и шара, в соответствии с ASTM D36. Точка размягчения – это температура, при которой битумное  вяжущее перестает держать вес стального шара и начинает течь. Целью этого метода является определение температуры, при которой происходит изменение фазы битумного вяжущего. Несмотря на то, что он обычно применяется для специфицирования дорожного битума в Европе, в Соединенных Штатах его применяют, главным образом, для высоковязких кровельных битумов.

Как показано на рисунке 2-15, испытание заключается в том, что битумом заполняется латунное кольцо и подвешивается в химическом стакане, заполненном водой или этиленгликолем. Стальной шар установленного размера и массы помещают в середину образца. Кювета нагревается с регулируемой скоростью 5°C/мин. Когда битум размягчается, шар и битум опускаются на дно стакана. Показатель температуры регистрируется в тот момент, когда размягченный битум проходит заданное расстояние и касается поддона. Испытание проводится на спаренных образцах. Если разница между двумя температурными значениями превышает 2°F, то испытание следует повторить.

Рисунок 2-15. Определение температуры размягчения

Определение пластичности. Многие технологи асфальтобетонного дорожного покрытия считают пластичность важным свойством битумного вяжущего. Значимость этого показателя рассматривается далее в этой главе. Испытание на пластичность, проводимое в соответствии с методикой ASTM D113, определяет на какое расстояние в сантиметрах, растягивается стандартный битумный образец до разрыва (рисунок 2-16). Поперечное сечение образца наименьшего размера составляет один квадратный сантиметр. Испытательный образец приводят к стандартной температуре 77°F (25°C) в термостате. Оба конца образца вытягиваются со скорость 5 см/мин. до разрыва. Чтобы предупредить всплывание или наоборот погружение вытянутого образца вода должна иметь ту же удельную массу, что и битум. Для повышения удельной массы воды добавляется соль, а для понижения удельной массы добавляют спирт. Некоторые инженеры-технологи считают, что необходимо проводить испытание на пластичность при низких температурах – 60 и 39,2°F (16 и 4°C), а не при 77°F (25°C). Скорость вытягивания должна быть понижена до 1 см/мин, если испытание проводится при 39,2°F (4°C), чтобы обеспечить большее вытягивание до разрыва.

Испытания на долговечность

Битумы подвергаются определенному кратковременному старению (твердению) при смешивании с горячими минеральными наполнителями в смесительной установке для получения HMA. Долговременное старение происходит на протяжении срока службы дорожных покрытий из HMA, которые подвергаются воздействию климатических и других факторов, рассматриваемых далее в этой главе. Следующие два теста, обычно, применяются для того, чтобы приблизиться к условиям кратковременного твердения, которые возникают в обычных смесительных установках, при получении HMA:

Рисунок 2-16. Испытание на пластичность

Старение асфальтов в печи для тонких пленок. Старение битумов в печи для тонких пленок (TFO) осуществляется путем помещения 50 г образца асфальтового вяжущего в цилиндрическую плоскодонную чашку (5,5 дюйма или 140 мм по внутреннему диаметру и 3,8 дюйма или 9,5 мм глубиной). Слой битумного вяжущего в чашке составляет около 1/8 дюйма (3 мм) глубиной. Чашку с образцом битумного вяжущего устанавливают на подставку вентилируемой печи, в которой поддерживается температура 325°F или 163°C (рисунок 2-17). Подставка вращается со скоростью 5-6 в минуту. Образец остается в печи 5 часов, а затем его перемешают в подходящую емкость для измерения показателей пенетрации или вязкости состаренного битума. Методика испытания описывается в ASTM D1754. Состаренный асфальт, как правило, должен соответствовать определенным требованиям: иметь минимальный процент остаточной пенетрации или максимальный показатель вязкости. Потеря или прирост массы испытуемого образца тоже замеряется и регистрируется.

Рисунок 2-17 Испытание в печи прокатки тонких пленок

Испытание в печи прокатки тонких пленок (RTFO). Этот вариант теста используется дорожными агентствами на западе Соединенных Штатов и проводится с той же целью, что и предыдущий. На рисунке 2-18 изображена печь прокатки тонких пленок, применяемая согласно методике ASTM D2872. Определенное количество битумного вяжущего заливают в колбу, которую устанавливают на решетку печи, в которой поддерживается температура 325°F (163°C). Решетка вращается с определенной скоростью по горизонтальной оси. Вращающаяся колба постоянно выдает новую порцию битума. Устье колбы с образцом проходит перед воздушным эжектором при каждом обороте. Пары, накапливаемые в колбе с образцом, выдуваются нагретым воздухом, поступающим из эжектора.

Посредством методики RTFO достигается та же степень твердения (старения), что и при помощи TFO, но за меньшее время (всего лишь 75 минут). Кроме того, можно испытывать большее количество образцов, чем при TFO. В некоторых западных штатах используют показатель вязкости состаренного, в ходе испытания, остатка битумного вяжущего для градации дорожных битумов.

Рисунок 2-18. Испытание в печи для прокатки тонких пленок

Испытание на примеси

Очищенное битумное вяжущее состоит из практически чистого битума, который, по определению, является веществом, полностью растворимым в сероуглероде. Лишь очень небольшое количество примесей, обычно присутствует в битумном вяжущем. Для определения чистоты битумного  вяжущего проводится испытание на растворимость (ASTM D2042). Образец битумного вяжущего, масса которого известна, растворяют в трихлорэтилене (а не в сероуглероде, который является огнеопасным веществом и представляет угрозу безопасности), и затем фильтруют через подушку из стекловолокна. Не растворившееся вещество, осевшее на подушке, промывают, высушивают и взвешивают. Не растворившееся вещество и составляет примесь образца битумного вяжущего. Согласно спецификации, дорожные битумы должны растворяться в трихлорэтилене на 99,0%. Кроме того, битумное вяжущее не должно содержать влагу, поскольку из-за нее происходит вспенивание битума при нагревании до температуры выше 212°F (100°C).

Испытания на безопасность

Если битум нагреть до высокой температуры, то происходит выделение пара, достаточного для его воспламенения (возгорания) в присутствии источника искрения или открытого пламени. Температура вспышки - это температура, до которой битумное вяжущее можно нагревать без риска мгновенного возгорания в присутствии источника открытого пламени. Это температурное значение – меньше температуры воспламенения, при которой материал загорается. Несмотря на то, что температура вспышки дорожных битумов гораздо выше температур для получения HMA, ее необходимо измерять и контролировать из соображений безопасности.

Метод открытого тигля Cleveland (ASTM D92) обычно используется для определения температуры вспышки дорожных битумов (рисунок 2-19). Латунную чашку частично заполненную битумном вяжущим нагревают в определенном режиме. Над чашкой время от времени пропускают невысокое пламя. Температура, при которой высвобождается количество пара, достаточное для получения мгновенной вспышки, регистрируется как температура вспышки.

Рисунок 2-19. Определение температуры вспышки по методу открытого тигля Cleveland

Другие испытания

Определение удельной массы. Удельная масса рассматривается как соотношение массы вещества при заданной температуре к массе равной по объему воды при такой же температуре. Удельная масса битумного  вяжущего изменяется, когда материал расширяется при нагревании. Следовательно, вычисление удельной массы являются полезным при выполнении объемно-температурной коррекции или при определении массы на единицу объема битумного  вяжущего, нагреваемого до своей рабочей температуры.

Метод с пикнометром применяется для определения удельной массы битумного  вяжущего (ASTM D70). Поскольку удельная масса меняется с изменением температуры, то результаты испытаний выражаются в единицах удельной масса (у.м.) при заданной температуре как для битума, так и для воды, используемой в испытании. Например, выражение у.м. 1,02 при 60/60°F (15,6/15,6°C) означает, что удельная масса битумного  вяжущего равняется 1,02 при температуре битумного  вяжущего и воды равной 60°F (15°C). Удельная масса при 60/60°F (15,6/15,6°C) обычно учитывается при выплате денежных компенсаций и составлении соглашений относительно битумного  вяжущего.

Капельная проба. Целью капельной пробы является определение, насколько стойким будет битумное вяжущее, если при обработке происходит перегрев вещества, и это ведет к образованию трещин. Во время растрескивания молекулы под действием температуры разъединяются. По мнению некоторых инженеров полученный в ходе такого процесса битум будет невысокого качества и следовательно более восприимчивым к погодным изменениям или старению. Поскольку растрескивание встречается нечасто в современных технологиях очистки, то согласно спецификациям проведение капельной пробы не является обязательным. Кроме того, трещиноватое битумное вяжущее зачастую имеет невысокую пластичность и высокую скорость старения.

Эта проба, разработанная химиком Олиенсисом, является упрощенной формой бумажной хроматографии, которая включает визуальную оценку капли битумного  вяжущего, растворенную в стандартном растворителе (таком как лигроин нафта). Каплю смеси битум/растворитель помещают на специальную фильтровальную бумагу и результаты оцениваются визуально. Если образовавшаяся капля имеет вид равномерно окрашенного коричневого пятна, то проба признается отрицательной, а качество битумного  вяжущего – приемлемым. Однако, если внутри капли появляется участок потемнения в центре, то проба признается положительной, а качество битума – непригодным. Значимость капельной пробы до сих пор остается спорной. Капельную пробу нельзя применить к битумного  вяжущему, полученному методом экстракции (восстановления) из HMA.