Классификация битумного вяжущего

Историческая справка

Холстед и Велборн дали очень правильную оценку истории создания и разработки эксплуатационных требований для битума, приводимых в ссылке под номером 6.

С 1878 по 1900 годы основная часть битумного вяжущего используемого для получения песчаного асфальта, щебеночного основания с пропиткой и щебеночного покрытия, обработанного по типу смешивания компонентов (называемого сегодня асфальтобетон), добывали на озере Тринидад. Дорожно-строительная компания Barber Asphalt (Barber Asphalt Paving Company) была основным поставщиком битума из озера Тринидад, а также строителем асфальтовых дорог с начала 1878 года. Битумное озеро Бермудес, обнаруженное в Венесуэле начали разрабатывать в 1890-х, а к 1901 оно стало важным источником битума. Также как и битум из озера Тринидад, Бермудский битум необходимо добывать, а воду и посторонние неорганические и органические вещества - удалять. Битумы обоих озер обладают редкой однородностью.

Первое описание характеристик битумного  вяжущего в Соединенных Штатах было сделано с учетом вешнего вида сырого битума Тринидад и аналитических проб для определения количества битума (растворимого в сероводороде) и нерастворимых органических и неорганических веществ. Эти технические характеристики были разработаны для того, чтобы идентифицировать источник битумного  вяжущего, и исключить другие вещества источника. Поскольку к 1900 году в Соединенных Штатах выросли объемы производства горячей асфальтовой смеси, и расширилась область применение нефтяных битумов, то стало очевидным, что необходимо устранить неточности в требованиях к материалу, особенно по отношению к консистенции. Природные битумы были твердыми или полутвердыми веществами и нужно было добавлять флюсующий материал, чтобы изменить их консистенцию и сделать пригодными для использования в качестве вяжущего вещества в горячих асфальтовых смесях. Стандартизированные методы требовались для определения консистенции дорожных битумов из разных источников.

В 1888 году Н.С. Боуэн изобрел прибор для определения пенетрации - предшественник пенетрометра, он использовался для нахождения плотности битумного вяжущего. Предыдущее изобретение Боуэна, которое использовалось в качестве методики для определения должной степени размягчения битумного вяжущего это проба «на зубок». Даже после изобретения прибора для определения пенетрации методика «жевания», хоть и кажется сегодня грубоватой, все же была достоверным методом проверки. Дорожные рабочие, обычно гордились тем, что жеванием они могли достичь почти такого же результата, как и при помощи прибора (6).

Пережив нескольких модификаций, пенетрометр, к 1910 году становится основным прибором для измерения и регулирования плотности полутвердых битумов при температуре 77°F (25°C). Бюро дорог общественного пользования (сегодня Федеральное управление автомобильных дорог(FHWA)) с 1901 года, и Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) с 1903 года способствовали утверждению теста на пенетрацию в качестве стандартного метода контроля консистенциии дорожных битумов.

В 1918 году Бюро дорог общественного пользования ввело систему классифицирования по показателю пенетрации, определив различные классы пенетрации, соответствующие разным климатическим условиям и способам применения. В 1931 году Американская ассоциация государственных служащих, отвечающих за автодорожные перевозки (AASHO) издала стандартные технические требования для битумных вяжущих, классифицированных по показателю пенетрации.

Следующим важным изменением для классификационных характеристик битумных вяжущих было предложение, внесенное в 1960-х годах организациями FHWA, ASTM, AASHTO, дорожно-строительной отраслью и управлениями автомобильных дорог некоторых штатов, за то, чтобы классифицировать битумное вяжущие по показателю вязкости при 140°F (60°C). Основные цели: а) использовать вместо эмпирического испытания на пенетрацию научно-обоснованную пробу на вязкость; b) измерять консистенцию при температуре 140°F (60°C) (а не при 77°F (25°C)), которая приближается к максимальной поверхностной температуре асфальтового дорожного покрытия в жаркую погоду, в большинстве штатов. Разные классы вязкости были разработаны с учетом разных климатических условий и методов применения.

В начале 1960-х, когда разрабатывалась система классифицирования по вязкости, Калифорнийский департамент автомобильных дорог в сотрудничестве с Ассоциацией пользователей и производителей тихоокеанского побережья создавал параллельную классификацию вязкости состаренного остатка. Классификация вязкости состаренного остатка основывается на показателях вязкости состаренного остатка, полученных при испытании вещества в печи прокатки тонких пленок (RFTO), а не на показателях вязкости первичного битумного вяжущего, как рекомендует Федеральное управление авто дорог. Калифорнийский департамент автомобильных дорог столкнулся с трудностями при определении характеристик схватывания смесей (хрупких смесей) некоторых битумов, первоначальная вязкость которых, по сравнению с другми битумными вяжущими, не повышалась на этапе приготовления товарной смеси. Поэтому они предложили классифицировать битум, состаренный методом RFTO, потому что все типы битумов после смешивания сохраняют эти же характеристики во время строительства.

На рисунке 2-20 приводится система классифицирования, принятая в США в 1985 году (7). В некоторых штатах применяются несколько классификационных систем. Далее в тексте подробно рассматриваются три классификационные системы. Классификационная система на основе эксплуатационных характеристик битумного, разработанная Программой исследований стратегических автомобильных дорог (SHRP) представлена далее.

В таблице 2-6 приводятся требования для битумных вяжущих, классифицированных по пенетрации, по ASTM D946. Определяются пять классов пенетрации: 40-50, 60-70, 85-100, 120-150 и 200-300. Как сообщалось ранее, одна единица пенетрации равняется одной десятой доле миллиметра (0,1 мм). Чем ниже показатель пенетрации, тем «жестче» битум. Самые «мягкий» сорт имеет показатель 200-300, такие сорта используются в регионах с холодным климатом, например в Канаде. Два сорта, с показателями 60-70 и 85-100, наиболее часто используются для дорожного строительства в США. Другие технические характеристики, такие как: пластичность при 77°F (25°C) и остаточная пенетрация после старения в печи для тонких пленок (TFO), также перечисляются в таблице 2-6.

Рисунок 2-20. Методы классифицирования битумного  вяжущего, примененные в 1985 году (по Террелу и соавт., 7)

Таблица 2-6. технические характеристики для битумных вяжущих, классифицированных по пенетрации по ASTM

Класс пентрации

40-50

60-70

85-100

120-150

200-300

Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Мин. Макс. Пенетрация при 77°F (25°C), 100г, 5 с 40 50 60 70 85 100 120 150 200 300 Температура вспышки, °F (открытый тигель Cleveland) 45- - 450 - 450 - 425 - 350 - Пластичность при 77°F (25°C), 5 см/мин, см 100 - 100 - 100 - 100 - 100 - Растворимость в трихлорэтилене, % 99,0 - 99,0 - 99,0 - 99,0 - 99,0 - Остаточная пенетрация после TFO, % 55+ - 52+ - 47+ - 42+ - 37+ - Пластичность при 77°F (25°C), 5 см/мин, после TFO, см - - 50 - 75 - 100 - 100 -

* Если показатель пластичности при температуре 77°F (25°C) - менее 100 см, то материал испытывают при 60°F (15,5°C) и принимают, если показатель составит 100 см минимум при скорости вытягивания 5 см/мин.

Система классифицирования по пенетрации имеет следующие преимущества:

1. Классифицирование проводится с учетом консистенции битумного вяжущего при температуре 77°F (25°C), близкой к температуре эксплуатации дорожной одежды. Испытания на пенетрацию при температуре 77°F (25°C) лучше коррелируют с низкотемпературными характеристиками, чем испытания на вязкость, проводимые при температуре 140°F (60°C).

2. Относительно непродолжительное время испытания.

3. Испытание на пенетрацию легко приспособить к реальным условиям эксплуатации. Испытание может провести подрядчик, специализирующийся на изготовлении HMA, для определения степени загрязненности битумного вяжущего (обычно из других нефтянных дистиллятов или битумных растворов в транспортных устройствах).

4. Сравнительно невысокая стоимость оборудования.

5. Пределы погрешности для проб на пенетрацию определены четко.

6. Чувствительность битумного вяжущего к изменениям температуры (изменение плотности битумного вяжущего при соответствующем изменении температуры) можно определить, измеряя пенетрации при температурах отличающихся от 77°F (25°C). Чувствительность к температурным изменениям подробно обсуждается далее в разделе.

Система классифицирования по пенетрации имеет следующие недостатки:

1. Определение показателя пенетрации - это эмпирический метод, при помощи которого невозможно установить консистенцию битумного  вяжущего в основных единицах вязкости.

2. Коэффициент сдвига остается высоким и в момент проведения испытания.

3. Меняется коэффициент сдвига, поскольку он его величина зависит от консистенции битумного  вяжущего.

4. Попытка провести аналогию с температурным режимом 77°F (25°C) при определении пенетрации при высоких и низких рабочих температурах может привести к неверным результатам.