Пенетрация первичного битума ) х 100

индекс старения = вязкость состаренного битума /

Вязкость первичного битума

Процент остаточной пенетрации и индекс старения использовались для оценки относительного старения битумных вяжущих разных сортов и/или из разных источников.

Испытания в печи для тонких пленок (TFO) и испытания в печи прокатки тонких пленок (RTFO), обычно имитируют старение битумного вяжущего, которое происходит в смесителе установки для получения HMA. Поскольку битумные вяжущие из разных источников по-разному изнашиваются в условиях эксплуатации, после смешивания в смесителе, то испытания на TFO и RTFO остатке являются не вполне достоверными для прогнозирования долгосрочного старения или стойкости. Назрела острая необходимость в разработке методики ускоренного старения в лабораторных условиях, которая могла бы полностью имитировать твердение, происходящее в дорожном покрытии при определенных климатических условиях (15). Натурные исследования показывают, что процесс старения битумного вяжущего в барабанном смесителе для получения HMA происходит медленнее, чем в установке циклического действия. Это объясняется наличием в барабане водяного пара, замедляющего окисление.

Пенетрация. При помощи испытания на пенетрацию измеряют консистенцию битумного вяжущего, выражаемую расстоянием (в десятых долях миллиметра), которое стандартная игла проходит в образце битума при вертикальном погружении и при известных значениях нагрузки, времени и температуры. Методика проведения испытания для измерения пенетрации при температуре 77°F (25°C) и более низких значениях (обычно 60°F или 16°C и 39,2°F или 4°C) приводится в ASTM D5. Это испытание является эмпирическим. В целом, испытание на пенетрацию, по сравнению с пробой на вязкость, характеризуется более интенсивной нагрузкой и укороченным рабочим временем. Следовательно, чтобы провести прямое сравнение значений пенетрации и вязкости, необходимо обращать внимание на уровень нагрузки или скорость сдвига, либо и на то и на другое. Значение пенетрации при температуре 77°F (25°C) широко используется в спецификациях на битумное вяжущее потому, что в настоящее время, нет ни одного простого метода для определения вязкости при 77°F (25°C) или более низких температурах. Даже в спецификациях битумных вяжущих, учитывающих вязкость, требуют указывать значения пенетрации при температуре 77°F (25°C). Как упоминалось ранее, показатель пенетрации используется также для определения температурной восприимчивости битумных вяжущих и выражается индексом пенетрации (PI) или коэффициентом пенетрация - вязкость (PNV).

Испытание на пенетрацию при температуре 77°F (25°C) обычно сообщает битумному вяжущему консистенцию характерную для среднегодовой рабочей температуры, таким образом, она имеет определенное влияние на общие рабочие характеристики дорожного покрытия из HMA. В литературе (16) можно встретить массу сведений, касающихся пенетрации состаренных битумов на дорожных покрытиях под нагрузкой. Отмечалось, что старение дорожных покрытий из HMA приводит со временем к постепенному уменьшению пенетрации, что показано на рисунке 2-25 (17). Хаббард и Колломн (18) на основании собственных исследований, свидетельствующих о том, что твердение битумного вяжущего влияет на образование трещин в дорожном покрытии из HMA, пришли к следующим выводам:

1. Если показатель пенетрации битумного вяжущего (77°F или 25°C) падает ниже 20, то возможно появление значительных трещин на дорожном покрытии.

2. Незначительное растрескивание может появиться, если показатель пенетрации колеблется между 20 и 30.

3. Высокая устойчивость к растрескиванию характерна для правильно подготовленных и хорошо уплотненных смесей, а также, для битумных вяжущих, показатель пенетрации которых - значительно выше 30.

4. Чтобы обеспечить продолжительность эксплуатации следует применять самое мягкое битумное вяжущее без понижения устойчивости ниже минимального уровня, требуемого для предупреждения смещений под транспортным потоком.

Большинство исследований (16, 17) в целом подтверждают приведенные выше выводы. Очевидно, что другие факторы, такие как: толщина пленки битумного вяжущего, температурная восприимчивость, пластичность, количество пустот, срок службы дорожного покрытия и климатические условия тоже оказывают влияние на общее соотношение между пенетрацией и образованием трещин.

Рисунок 2-25. Пенетрация в зависимости от времени (в месяцах) (по Кэнделу, 17)

Пластичность. Пластичность битумных вяжущих измеряется расстоянием, на которое материал способен растягиваться до образования дефекта, если оба конца брикетированного образца тянут в противоположные стороны с определенной скоростью в известном временном интервале. Методика испытания для измерения пластичности при 77°F, и более низких температурах, приводится в ASTM D113.

Значимость испытания на пластичность, как одного из способов контроля качества асфальтового вяжущего оспаривалось из-за эмпирического характера этого метода и неудовлетворительной воспроизводимости результатов. Велборн и соавт. (19) и Кэндел (17) сообщают об устойчивой корреляции между пластичностью и восприимчивостью к сдвигу при 45 и 60°F (7 и 16°C) для разных сортов битумных  вяжущих, независимо от источника. Барт (1) утверждает, что пластичность – это полноценный индикатор физико-химического состояния битумной коллоидной системы.

Некоторые исследования выявили взаимосвязь между пластичностью битумного вяжущего и эксплуатационными характеристиками дорожного покрытия. Дойл (20) измерял пластичность при температуре 55°F (13°C) и наблюдал обширное растрескивание дорожного покрытия, когда показатель пластичности опускался ниже 5см. Холстед (21) доказал, что дорожные покрытия, содержащие битумное вяжущее с показателем пенетрации в диапазоне, который считается удовлетворительным (от 30 до 50), но с низкими показателями пластичности будут, скорее всего, иметь низкие рабочие характеристики, по сравнению с дорожными покрытиями, содержащими битумные вяжущие с таким же показателем пенетрации, но высокими показателями пластичности. Работая над проектом Zaca-Wigmore, Гвин и соавт. (22) многократно убеждались в том, что испытания пластичности битумных  вяжущих, восстановленных из дорожного покрытия с невыработанным эксплуатационным ресурсом является важным методом для оценки рабочих характеристик дорожного покрытия. Согласно результатам, битумов с неудовлетворительными показателями пластичности в проекте Zaca-Wigmore было крайне мало. Серафин (23) провел анализ данных по образцам, вырезанным из толщи асфальтобетонного покрытия, взятым по прошествии 7 лет эксплуатации на экспериментальной асфальтобетонной дороге в Мичигане, и выявил, что участки наименьшей пластичности имеют больше всего раковин и трещин, при этом существенной разницы по пенетрации не было. Валлерга и Холстед (24) исследовали 53 дорожных покрытия автомобильных дорог по всей территории США и выявили, что интенсивное разрушение коры дорожной одежды появлялось в зонах с холодным климатом, когда показатель пластичности при температуре 60°F (16°C) опускался до 3 см и ниже. Кэндел (17) провел испытания образцов 10 дорожных покрытий в Пенсильвании и пришел к выводу, что старение дорожного покрытия приводит к прогрессирующему снижению показателя пенетрации и повышению показателя вязкости. Несмотря на это, сопутствующее понижение низкотемпературной пластичности считалось важным фактором. Когда показатель пенетрации битума, в процессе твердения, опускался ниже 30, то дорожные покрытия, содержащие битумное вяжущее с низкими показателями пластичности, показывали худшие рабочие характеристики, чем дорожные покрытия, содержащие асфальты с таким же показателем пенетрации, но высокой пластичностью.

Последующее исследование, проведенное Кэнделом и Кохлером (15) шести экспериментальных участков дороги в Пенсильвании, показало, что существует зависимость между низкой пластичностью и продольным растрескиванием, связанным с нагрузкой.

Упомянутые выше исследования указывают на то, что испытание на пластичность помогает более эффективно провести различие между битумными вяжущими, если оно проводится на высокотвердом битуме (либо при падении контрольной температуры ниже 77°F (25°C) и/или дальнейшее старения битума после испытаний TFO и RTFO). Согласно условиям действующих спецификаций ASTM или AASHTO данное испытание необходимо проводить на TFO остатке при температуре 77°F (25°C). Существует необходимость в разработке более надежного метода (такого как испытание на восприимчивость к сдвигу) для оценки качества битумного вяжущего.

Вязкость. Вязкость при любых заданных значениях температуры и скорости сдвига оказывает существенное влияние на соотношение между напряжением при сдвиге и скоростью деформации при сдвиге. При высоких температурах, 275°F (135°C) битумные вяжущие ведут себя как простые ньютоновские жидкости; поэтому отношение напряжения при сдвиге к скорости деформации остается постоянной величиной. При низких температурах отношение напряжения при сдвиге к скорости деформации является изменяемой величиной, и битумные вяжущие ведут себя как неньютоновские жидкости. В отличие от эмпирических испытаний на пенетрацию и пластичность, испытание на вязкость представляет собой первичное измерение консистенции в абсолютных единицах, на которые обычно не влияют изменения структуры испытания или геометрической формы образца (25). Стандартные ASTM методики испытаний, в которых используется капиллярный вискозиметр, позволяют определить вязкость битумного вяжущего при температуре 140°F или 60°C (ASTM D2172) и 275°F или 135°C (SATM D2170) по наработанной схеме. В ходе исследования вязкости битумного вяжущего при температуре 77°F (26) использовался вакуумный капиллярный вискозиметр. Однако, этот метод требует дальнейшего усовершенствования. Вискозиметр с конусом и пластинкой применяется по методике ASTM D3205 для измерения вязкости в диапазоне от 10³ до 10⁴ пуаз, и, следовательно подходит для использования при температурах, при которых показатель вязкость колеблется в указанных приделах. Скорость сдвига колеблется в пределах от 10³ до 10² секунд, следовательно, этот метод применим для исследования, как битумных вяжущих ньютоновеского, так и не ньютоновского типа. В настоящее время этот метод используется редко.

Вязкость битумного вяжущего при температуре 140°F (60°C) оказывает влияние на эксплуатационные характеристики дорожных покрытий из HMA при высоких летних температурах, когда поверхностная температура дорожного покрытия достигает 140°F (60°C). Низкая вязкость при 140°F (60°C) может вызвать размывание и/или колееобразование при прочих тождественных условиях. Это в особенности справедливо в отношении смесей, для которых характерно относительно высокое содержание битумного вяжущего. Следовательно, необходимо выбирать корректный коэффициент вязкости с учетом преобладающих климатических условий. Например, применение битума АС-10 в южных районах Соединенных Штатов, скорее всего, приведет к размыванию и/или колееобразованию на дорожных покрытиях из HMA, по сравнению с битумом АС-20. С другой стороны, необычно высокая вязкость (жесткость) при низких рабочих температурах (-20°F или 29°C) на севере США приведет к образованию не связанных с нагрузкой поперечных усадочных трещин.

Замечено, что старение дорожного покрытия из HMA приводит, с течением времени, к прогрессирующему повышению вязкости, как показано на рисунке 2-24. Однако, совсем не обязательно, что вязкость одного лишь состаренного битумного  вяжущего будет влиять на рабочие характеристики дорожного покрытия. Было выявлено, что коэффициенты старения при 77°F (25°C) являются более содержательными для обозначения сравнительного старения и рабочих характеристик дорожных покрытий, исследованных в Пенсильвании. Разрушение коры дорожной одежды наблюдалось на опытных дорожных покрытиях, когда коэффициент старения превышал 12 (8).

Температурная чувствительность. Битумное вяжущее является термопластичным материалом. Температурная чувствительность - это состояние, при котором консистенция битумного вяжущего начинает изменяться в зависимости от температуры. Такое свойство битумного вяжущего является очень важным. Использование битумных вяжущих, обладающих высокой температурной чувствительностью, является нежелательным, потому что: а) их вязкость при 275°F (135°C) имеет очень низкое значение, что создает трудности при уплотнение мягких смесей, и b) их вязкость (жесткость) обычно имеет очень высокое значение при самых низких рабочих температурах, что приводит к образованию низкотемпературных усадочных трещин. В настоящее время, для определения температурной чувствительности используются три метода.

Индекс пенетрации (PI)

Пфейфер и ван Доормаал (27) выразили температурную чувствительность в количественном отношении термином, обозначаемым, как «индекс пенетрации» (PI).

Индекс пенетрации определяется по температуре размягчения (метод кольца и шара) битумного  вяжущего, его пенетрации при 77°F (25°C), и на основании предположения о том, что пенетрация битумного вяжущего при температуре размягчения равняется 800. Это и называется индексом пенетрации PI (пенетрация/R&B). Некоторые исследователи сообщают о том, что пенетрация многих битумных вяжущих при температуре размягчения может сильно отклоняться от значения 800, особенно у полужидких битумов и битумных вяжущих с высокой температурой размягчения и высокими значениями PI. Следовательно, будет не лишним измерить пенетрацию не только при 77°F (25°C), но и при других температурах, не опираясь на это предположение. Чтобы вычислить индекс пенетрации необходимо измерить пенетрацию при двух температурных режимах. Логарифм пенетрации наносится на график в зависимости от температуры испытаний в градусах С, которая обычно представляет прямую линию. Угол наклона А этой линии рассчитывается следующим образом:

А = (логарифм пентр. при Т₁ – логарифм пенетр. при Т₂) / (Т₁ – Т₂)

Для того, чтобы рассчитать индекс пенетрации, обозначаемый PI (пен/пен) используется следующее выражение:

PI = (20 – 500 A) / (1 + 50 A)

Пример 2-2: Пенетрация асфальтового вяжущего при 77°F (25°C) составляет 120. Пенетрация битумного вяжущего при 40°F (4,4°C) составляет 10. Каким будет значение индекса пенетрации?

А = (логарифм пентр. при Т₁ – логарифм пенетр. при Т₂) / (Т₁ – Т₂) =

= (log 120 – log 10) / (25 – 4,4) = 0,052

PI = (20 – 500A) / (1 + 50A) = (20 – 500 (0,052)) / (1 + 50 (0,052)) = - 1,67

Заметьте, что температурное значение, использованное в уравнении, выражено в градусах по Цельсию.

Чем ниже значение PI битумного вяжущего, тем выше его температурная чувствительность. Индекс пенетрации большинства дорожных битумных вяжущих колеблется между значениями от +1 до –1. Битумные вяжущие с PI ниже 2, то есть наиболее чувствительные к изменениям температуры, обычно становятся ломкими при низких температурах, и подвержены поперечному растрескивванию в холодном климате.