CC BY
45
УДК 665.775:620.179.4
ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК ЗЧЕПЛЕННЯ ТА СТАНДАРТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БІТУМУ
В.О. Золотарьов, професор, д. т. н, О.М. Агеєва, ст. наук. співроб., Я.І. Пиріг, наук. співроб.,
С.В. Кудрявцева, аспірант, ХНАДУ С.В. Кіщинський, зав. від.,
Л.Ф. Кириченко, пров. наук. співроб., ДерждорНДІ
Анотація. Представлені дані випробування бітумів різних пенетраційних марок та виготовлених різними нафтопереробними заводами України, і зроблена спроба установити зв ’язок зчеплення зі стандартними характеристиками бітуму.
Ключові слова: бітуми, зчеплення, пенетрація, температура розм ’якшення, когезія.
Вступ
Характерною особливістю сучасного етапу дослідження дорожніх бітумів є вдосконалення системи оцінки їх якості. Це пов’язано з необхідністю підвищення об’єктивності такої оцінки в цілях прогнозування технічних і експлуатаційних властивостей не тільки бітумів, але і матеріалів на їх основі.
З 2001 року в Україні діє перший державний стандарт на бітуми - ДСТУ 4044-2001 “Бітуми нафтові дорожні в’язкі”, в якому наряду з колишніми показниками приведені вимоги до такого показника як зчеплення, який визначається по ДСТУБ В.2.7-81-98 “Бітуми нафтові дорожні в’язкі. Метод визначення показника зчеплення з поверхнею скла та кам’яних матеріалів”.
У стандарті України вперше передбачено використовування кількісного методу оцінки прилипання бітуму до поверхні мінерального матеріалу. Суть методу полягає у визначенні залишкової поверхні, покритої бітумом, після витримки пари бітум-пластина (скляна або інша) при температурі 85 °С протягом 25 мін. Цей кількісний метод розроблено кафедрою дорожньо-будівельних матеріалів ХНАДУ і затверджено Держстандартом України в якості державного стандарту. Подібні кількісні показники відсутні в стандартах Росії і країн ЄС. До 2005 року стандарт не передбачав нормування кількісних вимог до цього показника. Передбачалось виконання випробування по його визначенню з метою накопичення даних і освоєння методу.
Метою виконаної роботи було провести дослідження бітумів, що виробляються нафтопереробними заводами України, установити взаємозв’язок зчеплення зі стандартними показниками
бітуму та подати пропозиції щодо кількісних вимог зчеплення бітумів різних марок у вологому середовищу.
Аналіз публікацій
Показник зчеплення не є ведучим приймально-сдавальним показником бітуму. Він є похідною характеристикою, яка формується як наслідок зусиль нафтопереробників по забезпеченню інших ведучих показників якості бітумів. Бітуми, вироблювані українськими НПЗ є специфічними в цьому аспекті. Зовсім не враховується зчеплення бітуму з мінеральною поверхнею при аналізі якості бітумів, що випускаються у Франції, країнах ЄС та Росії [1, 2, 3, 4].
В цьому аспекті робота, що була виконана є однією з небагатьох в Європі [5]. Труднощі пов’язані з її виконанням та аналізом результатів випробувань, визначаються за повною відсутністю незалежних даних з цього напрямку. Однією з причин цього також може бути відсутність в інших країнах кількісного методу оцінки зчеплення бітумів з мінеральною поверхнею та відсутність вимог до зчеплення у європейському стандарті ЕМ 12591 “Bitumes et liants bitumineux. Specifications des bitumynes Routiers”.
Мета та постановка задачі
Метою роботи було дослідження зчеплення та стандартних показників бітумів різних НПЗ України, та встановлення між ними взаємозв’язку.
Постановка задачі: виконати дослідження стандартних показників бітумів (пенетрація, температура розм’якшення), виробляемих різним нафтопереробними заводами України і встановити їх зв’язок зі зчепленням.
№ НПЗ Бітум Експериментальні дані
П25, 0,1 мм Н ° О Когезія, МПа Зчеплення, % ИП
1 Кременчук БНД 60/90 74 47,3 0,098 21 -0,96
2 Кременчук БНД 60/90 62 50,3 0,115 40 -0,61
3 Кременчук БНД 40/60 53 49,8 0,119 40 -0,70
4 Кременчук БНД 60/90 87 47,3 0,106 44 -0,51
5 Кременчук БНД 60/90 71 51,5 0,168 24 0,05
6 Дрогобич БНД 60/90 68 49,3 0,089 23 -0,63
7 Дрогобич БНД 90/130 106 44,3 0,048 17 -0,84
8 Дрогобич БНД 130/200 142 44,1 0,065 18 0,12
9 Одеса БНД 90/130 117 45,9 0,083 14 0,01
10 Одеса БНД 60/90 96 48,7 0,097 30 0,19
11 Львів-випроб. БНД 90/130 104 53,5 0,144 100 1,69
12 Львів-випроб. БНД 130/200 128 44,2 0,158 88 -0,24
13 Мозир БНД 90/130 92 45,4 0,063 26 -0,92
14 Ninas 50 53,2 0,249 43 -0,43
15 БК*В БНД 90/130 112 41,3 0,069 20 -1,71
16 Лукойл-Нижнегороднефтеоргсінтез БНД 90/130 94 45,5 0,051 17 -0,82
17 Мозир БНД 90/130 96 45,6 0,056 14 -0,73
18 Кременчук БНД 60/90 59 50,7 0,117 25 -0,63
19 Кременчук БНД 60/90 57 50,6 0,121 20 -0,74
20 Дрогобич БНД 60/90 74 49,9 0,083 22 -0,25
21 Дрогобич БНД 90/130 88 45,8 0,060 13 -0,92
22 ОНО Херсоннафтопереработка БНД 90/130 132 44,8 0,041 17 0,08
23 ОНО Херсоннафтопереработка БНД 60/90 69 50,4 0,093 22 -0,31
24 Одеса БНД 60/90 62 50,4 0,096 21 -0,59
25 Дрогобич БНД 60/90 83 47,9 0,064 19 -0,47
26 Одеса БНД 60/90 66 49,9 0,081 22 -0,55
27 Одеса БНД 90/130 97 49,2 0,079 18 0,37
28 Кременчук БНД 60/90 62 51,9 0,16 39 -0,21
29 Кременчук БНД 90/130 111 46,0 0,056 26 -0,14
Результати досліджень
Для випробування у роботі використовувались бітуми всіх марок, що випускаються українськими НПЗ, та декілька імпортних бітумів (Росія, Білорусь). Характеристики бітумів представлені в табл. 1.
Головною особливістю виробництва бітумів на українських НПЗ є те, що виготовляються головним чином дві марки БНД 60/90 та БНД 90/130. Використання таких бітумів витікає з потреб дорожнього будівництва та співпадає з вимогами ДСТУ Б.В.2.7-119-2003 “Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній та аеродромний”. Бітуми цих марок рекомендовані майже для всіх доріг першої категорії всіх кліматичних зон України.
Визначення зчеплення отриманих проб бітумів виконувалось у зміненому температурному режимі: час витримування в воді - 25 хв., температура 75 °С. Температурний режим змінено в зв’язку з тим, що бітуми, які використовуються в Україні нанесені на стандартні стекла Костянсти-нівського склозаводу при температурі витримування у воді, рівній 85 °С, можуть мати зчеплення близько 10 %. При такому зчепленні зменшується точність визначень, бо відхилення показників
зчеплення на 2-3 % дають похибку до 30 % відсотків, що не може бути задовільним, бо не відповідає прийнятим похибкам при фіксованному значенню гарантованої імовірності.
Для встановлення взаємозв’ язку між показниками зчеплення та іншими показниками якості бітумів були побудовані відповідні залежності. Згідно рис. 1, між зчепленням та пенетрацією існує слабка кореляційна залежність. Коефіцієнт корреля-ції досягає рівня 0,29. В той же час за наведеною залежністю зчеплення бітумів марки 40/60 може знаходитись в межах 28-37 %; бітумів марки 60/90 - 22-28 %; бітумів марки 90/130-17-22 %, а мінімальне значення зчеплених бітумів БНД 130/200 може вважатися близьким до 15-17 %.
Корреляційний зв’язок між зчепленням та температурою розм’якшення наближується до 0,32 (рис. 2). Зчеплення підвищується зі зростанням температури розм’ якшення. При температурах розм’якшення 51-57 °С (40/60) зчеплення перевищує 30 %, при температурі розм’якшення 47-53°С (60/90) воно дорівнює 22-38 %, при температурі розм’якшення 43-49 °С (90/130) -18-24 %, а при температурі розм’якшення 39-45 °С (130/200) воно знижується від 20 до 17 %.
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Пенетрація, 0,1 мм
Рис. 1. Залежність між зчепленням різних бітумів та їх пенетрацією
Більше значення коефіцієнту кореляції між зчепленням та температурою розм’якшення порівняно з попереднім випадком пояснюється меншою чутливістю температури розм’ якшення до складу бітумів.
Приймаючи до уваги пріоритетність показника пенетрації при визначенні марок бітумів, доцільно нормувати значення зчеплення виходячи з тих даних що відповідають пенетраційним межам марок. При цьому має бути вирішеним питання про призначення показника зчеплення як меж що наведені у табл. 2, як середнього значення, або як мінімального значення наведених меж зчеплення.
Таблиця 2 Відповідність показників зчеплення бітумів різних марок по пенетрації та температурі розм’якшення
Межі марок по П25/ Тр Зчеплення, %, в межах марок
по пенетрації по температурі розм’ якшення
40-60 / 51-57 28-37 > 30
60-90 / 47-53 22-28 22-38
90-130 / 43-49 17-22 19-24
130-200 / 39-45 15-17 20-17
Відносна відповідність показників зчеплення, що визначені по даним, наведеним на рис. 1 та 2, підтверджується достатньо тісним зв’язком (К2=0,75) між температурою розм’якшення досліджених бітумів (рис. 4) та їх пенетрацією.
При наслідуванні принципу, що використовується для інших показників якості бітумів ДСТУ 4044-2001, має сенс призначення мінімально допустимого значення зчеплення для бітумів різних марок.
Наведені на рис. 3 залежності між зчепленням та індексом пенетрації свідчать про відсутність чітко вираженого зв’язку між цими показниками. Це може бути пов’ язано з тим, що індекс пенетрації являється характеристикою температурної залежності пенетрації та залежить від багатьох факторів, що пов’язані з хімічним складом та структу-
39 41 43 45 47 49 51 53 55
Температура розм'якшення, Тр, оС
Рис. 2. Залежність між зчепленням різних бітумів та їх температурою розм’якшення
рою бітумів. Переплетіння цих факторів не відзе-ркалюється на адгезійних властивостях бітумів. Це в свою чергу ставить під сумнів хімічний аспект індексу пенетрації.
Найбільший кількісний взаємозв’язок (Яху = 0,45) має місце при розгляді зчеплення з показником когезії, запропонованим ХАДІ (рис. 5). Але цей показник не дивлячись на простоту методу його визначення та прочностну властивість, не включено до ДСТУ 4044-2001. В той же час фізично меньш виправданий показник когезії (метод маятника) внесено до стандарту ЕС [6].
Розтяжність бітумів пов’язана з їх складом і визначається головним чином вмістом в них смол. Але її залежність від температури та вплив на неї інших структурних та фізико-хімічних факторів (недосканалість самого методу) не дозволяє використовувати залежність між розтяжністю та зчепленням, як базову для призначення нормативних значень зчеплення для бітумів різних марок в ДСТУ 4044-2001 (рис.6).
Виконані дослідження свідчать про низьке зчеплення у вологому середовищі бітумів, що використовуються в Україні, з мінеральною поверхнею. Це витікає не тільки з отриманих результатів, а головним чином із порівняння зчеплення чистих бітумів з бітумами, які містять поверхнево-активні речовини. Попередні експериментальні данні [5] показують, що ефективні ПАР підвищують зчеплення до 90-100 %, навіть при температурі випробування, що сягає 85 °С. Низьке зчеплення може бути головною причиною активного руйнування асфальтобетонних покриттів під дією зволоження.
Крім того, бітуми, що випускаються, навіть одним заводом, і мають близькі значення пенетрації можуть значно відрізнятись по зчепленню. Не виключаючи похибки самого методу випробування, все ж слід припустити, що це може бути пов’язано з нестабільністю первинної сировини, що використовується на НПЗ, та нестабільністю технологічних режимів виготовлення бітумів на українських НПЗ.
40
§ 30 н е
G 20 е
F
00
10
1 •
•
• ( •
■— ■—• w • • • Ф • >
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0
Індекс пенетрації, ІП
0,5
Рис. 3. Залежність між зчепленням бітумів та їх індексом пенетрації
°° 54 І 52
І 50 1 48
Я
^ 46
Я
а
^ 44
Я
g42 § 40
1,6
•
*
•
•# •
•
1,7
1,:
1,9
2
2,1
2,2
Пенетрація, Lg П, 0,1 мм
Рис. 4. Залежність температури розм’ якшення від пенетрації бітумів
о4
«
н
н
о
F
П
1 I 1
і 1 ГІ rp
I
Зчеплення, %
55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
Дуктильність,см
Рис. 5. Залежність між зчепленням та когезією різних бітумів
Рис. 6. Залежність між зчепленням та дуктильністю бітумів
Висновок
Аналізуючи виконану роботу можливо зробити наступні висновки:
- показник зчеплення бітуму з мінеральною поверхнею на всіх НПЗ України є нестабільною величиною;
- базовим критерієм якості бітумів, до якого має прив’язуватись показник зчеплення, є пенетра-ційні межі марок бітуму;
- нормативні вимоги до показників зчеплення повинні бути диференційовані відповідно тенденції: чим нижче значення пенетрації тим, більш жорсткою має бути норма зчеплення;
- значення зчеплення бітумів з мінеральною поверхнею є досить низькими, що викликає нагальну необхідність використання в першу чергу для відповідальних об’ єктів поверхнево-активних речовин (ПАР). При цьому ПАР, що мають використовуватись, повинні забезпечувати 90-100 % зчеплення.
Для уточнення значень показників зчеплення, що мають бути внесені до ДСТУ 4044-2001, потрібні додаткові данні, отримані на більшому масиві проб та їх більшої кількості з Лисичанського, Одеського та Херсонського НПЗ.
1. Chaillevk E., Such Ch., Jamoi D., Lombardi B.
Determination des characteristiques de reference des bitumes purs produits dans les raffineries francaises // RGRA. - 2004. - № 827. - P. 18-24.
2. Sauger E., Jamoi D., Lombardi B. Determination
des characteristiques de reference des bitumes purs produits dans les raffineries francaises. -Bitume 35/50 de l’annee 2002 // RGRA. -2002. - № 811. - P. 40-46.
3. Corte J-F., Sauger E., Lombardi B., Jamoi D.
Determination des characteristiques de reference de bitumes 50/70 produiti dans les raffinerie francaises en 1999 // RGRA. - 2001. - №800. -Р. 59.
4. Применение модифицированных битумов в
дорожном строительстве // Применение полимерно-битумных вяжущих на основе бло-кополимеров типа СБС. - М.: Центр метрологии, испытаний и сертификации МАДИ (ТУ), 2001 - 108 с.
5. Zolotarev V.A., Pissanko A.O. Adhesive activity
of bitumen with adhesion agent and its influence on asphalt concrete water resistance. Performance Testing and Evaluation of Proceeding of the 6th International RILEM Sympo-sium.Zurich. 2003. - Р. 184-190.
6. EN 12591 Bitumes et liant bitumineux
specification des bitumes routiers. - 1999. - 17 p.
0
Література
Рецензент: А.В. Ушеров-Маршак, профессор, д.т.н, ХГАСА.
Стаття надійшла до редакції 2 лютого 2005 р.
