Система классифицирования состаренного остатка по вязкости

Система, основанная на определении вязкости состаренного остатка, полученного после испытания в печи прокатки тонких пленок, применяется в некоторых штатах на западе США. В таблице 3 (нижняя), которая является частью таблицы 2-7, приводятся требования для следующих сортов: AR-1000, AR-2000, AR-4000, AR-8000 и AR-16000. Сорт AR-1000 представляет собой состаренный остаток, вязкость которого составляет 1000 пуаз при температуре 140°F (60°C). Согласно нормативно-технической документации для состаренного остатка, необходимо указывать минимальные показатели пенетрации при 77°F (25°C) и вязкости при 275°F (135°C). Пенетрация первичного битумного вяжущего (не установленная) определяется для того, чтобы обозначить номинальное минимальное требование для процентного соотношения по остаточной пенетрации после испытания в RFOT. Следует отметить, что ни одно из значений консистенции, ни при одном температурном режиме не устанавливается для первичных битумного вяжущих.

Система классифицирования состаренного остатка по вязкости имеет следующие преимущества, в дополнение к перечисленным выше:

1. Отображает характеристики битума после получения горячей асфальтовой смеси в стандартном смесителе циклического действия.

2. Предполагается, что характер изменения битумного вяжущего, полученного из разных источников, но в пределах одного AR сорта, будет равномерным и постоянным в период отложения и прессования.

Система классифицирования состаренного остатка по вязкости имеет следующие недостатки:

1. Не имеет повсеместного распространения.

2. Требует дополнительное испытательное оборудование (RTFO).

3. Большее время испытания, поскольку сначала нужно получить состаренный остаток при помощи RTFO.

4. Обнаружение примесей представляет проблему, потому что нет требований, предъявляемых к консистенции первичного асфальтового вяжущего.

5. Состаренный остаток может не иметь отношения к процессу твердения, который происходит в барабанном смесителе.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Реологические свойства

Было установлено, что реологические свойства битумного вяжущего влияют на эксплуатационные характеристики дорожного покрытия. Поскольку реологические свойства битумных вяжущих изменяются в процессе изготовления HMA и продолжают изменяться при последующей эксплуатации, то явление старение (или твердение при старении) рассматривается в первую очередь.

Твердение при старении. Выраженное начальное старение битумного вяжущего происходит в порционном или барабанном смесителе, где нагретый заполнитель смешивается с горячим битумным вяжущим. При непродолжительном времени смешивания битумное вяжущее, которое имеет вид тонких пленок, подвергается воздействию воздуха нагретого до температуры от 275 до 325°F (135 до 163°C). Существенные изменения реологических свойств, такие как: уменьшение пенетрации и увеличение вязкости битумного  вяжущего происходят в этот непродолжительный период смешивания за счет окисления кислородом воздуха и потери большей части летучих компонентов. Твердение битумного  вяжущего при старении продолжается, хотя и не так интенсивно, во время прохождения HMA через промежуточный бункер или бункер для хранения, транспортировки к месту мощения, укладки и уплотнения. После того, как покрытие из HMA выстывает и подвергается нагрузке, твердение при старении, первые 2-3 года, происходит со значительно меньшей скоростью и продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто предельное значение плотности дорожного покрытия под транспортной нагрузкой. После этого интенсивность твердения при старении уменьшается, и для того, чтобы различить изменения реологических свойств битумного вяжущего требуются большие промежутки времени. Твердение при старении во время эксплуатации происходит по ускоренному типу, если дорожное покрытие из HMA содержит большее количество пустот, чем первоначально планировалось. Они облегчают проникновение воздуха, воды и света. Более толстые пленки битумного вяжущего вокруг частиц заполнителя твердеют медленнее по сравнению тонкими пленками. На рисунке 2-24 показана типичная кривая зависимости показателя вязкости от времени при температуре 140°F для шести сортов битумного вяжущего, использованных в ходе исследования на долговечность (8).

Установлено, что следующие шесть факторов (не обязательно в порядке значимости) оказывают влияние на старение битумного  вяжущего на этапе смешивания и эксплуатации (9, 10):

1. Окисление

2. Улетучивание

3. Полимеризация

4. Тиксотропия

5. Синерезис

6. Расслоение

Определение факторов:

1. Окисление – это реакция кислорода с битумным вяжущим, скорость которой зависит от характера асфальтового вяжущего и температуры.

2. Улетучивание - это процесс испарения легких компонентов из битумного  вяжущего. Происходит преимущественно под действием температуры. Обычно этот фактор не играет большой роли при долговременном старении дорожного покрытия.

3. Полимеризация представляет собой процесс объединения одинаковых молекул для образования молекул большего размера, что приводит к постепенному отверждению материала. Кроме некоторых предположений, встречающихся в литературе, нет никаких научных доказательств того, что полимеризация является существенным фактором, влияющим на низкотемпературное старение битума в дорожном покрытии.

4. Тиксотропия – это прогрессирующее твердение, которое происходит благодаря восстановлению, с течением времени, структуры битумного, которую можно до некоторой степени разрушить при повторном нагревании и эксплуатации материала. Тиксотропное старение (также называемое стерическим твердением), как правило, имеет отношение к дорожным покрытиям, на которые приходится незначительная транспортная нагрузка или нагрузка,на которые отсутствует вовсе. Данная величина зависит от состава асфальтобетонной смеси.

5. Синерезис – это реакция эксудации, при которой маловязкие маслянистые жидкости просачиваются на поверхность пленки битумного вяжущего. По мере удаления таких маслянистых компонентов битумное вяжущее становится тверже.

6. Расслоение – это удаление маслянистых компонентов, смол или асфальтенов из битумного  вяжущего в результате избирательной абсорбции некоторых пористых заполнителей.

Рисунок 2-24. Зависимость вязкости от времени в месяцах при температуре 140°F (по Кэнделу и соавт., 8)

Тракслер (11) предложил к рассмотрению 9 факторов, включая влияние света, воды, химической реакции с заполнителем, микробиологического старения и адсорбции компонентов битума на поверхности заполнителей.

Процесс развития этих, или иных возможных, но точно не установленных, реакций представляется крайне сложным и подробно обсуждается в литературе. Для инженеров, эти предположения могут показаться излишними, поскольку каждая реакция приводит к какому-нибудь нежелательному изменению свойств или охрупчиванию, которое в свою очередь связано с плохой износостойкойстью HMA (10).

Многие исследования, посвященные долговременной эксплуатации дорожного покрытия, включают периодическое взятие образцов битума и проведение испытаний, которые выявляют изменение следующих параметров битумного вяжущего: пенетрация при 77°F (25°C) и вязкость при 140°F (60°C), а также такого свойства дорожного покрытия, как: процент пустот в покрытии. Известно, что изменение этих свойств неблагоприятно воздействует на эксплуатационные характеристики покрытия с течением времени. Установлено, что изменения подчиняются гиперболической модели (12, 13, 14). Согласно этой теории, изменения данных физических свойств подчиняются гиперболической функции во времени и достигают определенного предела по мере увеличения временного отрезка. Эксплуатационное старение битума выражается следующим уравнением:

                                                  Δ Y= T/(a+ bT)                                               (уравнение 1)

или

                                                 T/ Δ Y = a + bT                                           (уравнение 2)

где:

ΔY = изменение исследуемого свойства (пенетрация или вязкость) во времени Т или разница между значением нулевого срока службы и значением при любой значимой величине времени.

Т = время

а = постоянная величина, отрезок уравнения 2, отсекаемый на ординате прямой линией

b = угловой коэффициент линии уравнения 2

1/b – критическое изменение (предельное значение изменения) свойства в бесконечном времени

Количественное значение степени твердения при старении можно вычислить в единицах пенетрации (процент остаточной пенетрации) или вязкости (индекс старения) следующим образом:

% остаточной пенетрации = (пенетрация состаренного битума /