CC BY
141
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 691.161: 625.061
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ НАЗНАЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРЕВА БИТУМОВ
Я.И. Пыриг, к. т.н., ст. науч. сотр., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены возможные пути назначения температур технологического нагрева битума при приготовлении асфальтобетонных смесей. Предложена зависимость, связывающая температуру технологического нагрева битумов, температуру размягчения и значение глубины проникания иглы, определяемой при температуре 25 °С.
Ключевые слова: битум, вязкость, температура технологического нагрева, температура размягчения, пенетрация.
ПРО ОСОБЛИВОСТІ ПРИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО
НАГРІВУ БІТУМІВ
Я.І. Пиріг, к.т.н., ст. наук. співр., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто можливі шляхи призначення температур технологічного нагріву бітуму при приготуванні асфальтобетонних сумішей. Запропоновано залежність, що зв ’язує температуру технологічного нагріву бітумів, температуру розм ’якшення і значення глибини проникнення голки, яка визначається за температури 25 °С.
Ключові слова: бітум, в’язкість, температура технологічного нагріву, температура розм’якшення, пенетрація.
ON PECULIARITIES OF THE PROCESS OF BITUMEN HEATING TEMPERATURE ASSIGING
Y. Pyrig, Candidate of Technical Science, senior scientific worker, KhNAHU
Abstract. Possible ways of the temperature assign of the process of heating at asphalt mixtures are examined. The dependence linking the process of heating temperature of bitumens as well as the softening point temperature and the value of needle penetration at 25 °С is proposed.
Key words: bitumen, viscosity, process heating temperature, softening point temperature, penetration.
Введение
Долговечность и качество асфальтобетонных покрытий формируется на стадиях приготовления и уплотнения асфальтобетонных смесей. Для обеспечения их качества необходимо создать оптимальные условия для растекания вяжущего и перемещения зерен минеральных составляющих друг относительно друга. И первое, и второе может быть достигнуто при обеспечении текучести би-
тума, которая определяется его вязкостью и температурой.
Анализ публикаций
В действующем ДСТУ Б В.2.7-119:2011 [1] температура нагрева вяжущих при приготовлении асфальтобетонных смесей устанавливается для каждой марки отдельно, в пределах которой пенетрация битумов (П25) изменяется в широком интервале. Рекомен-
дуемые нормативным документом температурные диапазоны являются достаточно широкими (20 °С для битумов марки БНД 40/60, 15 °С - для БНД 6090 и 10 °С - для БНД 90/130) и не учитывают особенности технологии, состава, структуры, реологического поведения битумов. В результате этого вероятен недогрев или перегрев вяжущих.
Неоднократно приводимые литературные данные свидетельствуют о существенном изменении реологических свойств [2] и стандартных показателей качества [3-5] вяжущих за счет их старения при приготовлении асфальтобетонных смесей. Одним из основных факторов старения битумных вяжущих является кислород воздуха, при отсутствии которого не наблюдается существенных изменения состава и свойств битума [2, 6].
Применяемая в настоящее время на АБЗ технология приготовления асфальтобетонных смесей способствует значительному старению вяжущих за счет длительного нахождения битумов при высоких температурах и интенсивной циркуляции их по битумопро-водам [7, 8].
В качестве одного из альтернативных путей, учитывающих ухудшение показателей качества вяжущих при производстве асфальтобетонных смесей, может быть применена разработанная в Российской Федерации методика назначения требуемой марки битума с учетом возможных изменений свойств вяжущего в результате процессов старения [9].
Более традиционным методом предотвращения негативных последствий процессов старения является назначение оптимальных температур нагрева вяжущих при смешении и уплотнении асфальтобетонных смесей.
В 1939 г. Брюс Маршалл разработал метод проектирования состава асфальтобетонной смеси. Одним из основных этапов в разработанном методе была оценка качества битума, предусматривающая установление температур смешения вяжущего с каменными материалами и уплотнения асфальтобетонной смеси. Эти температуры определялись по значению кинематической вязкости, определенной на капиллярном вискозиметре, и составляют 170±20 сСт (0,17±0,02 Пас) и 280±30 сСт (0,28±0,03 Па-с) [10]. Данные требования отражены в настоящее время в стандартах АА8НТО Т312-08 и
АА8НТО Т 245-97 [11], рекомендации кото-
рых используют при приготовлении асфальтобетонных смесей около 50 % дорожных агентств США, Канады, Японии и др. [12]. Для определения температур, соответствующих нормативным вязкостям, используется вискозиметр Брукфилда, а построение вязкостно-температурных зависимостей битумных вяжущих регламентируется стандартом А8ТМ Б2493/Б2493М [13].
В Европе при приготовлении асфальтобетонных смесей также ориентируются на значения вязкости битумных вяжущих: 0,2 Па-с -вязкость, соответствующая оптимальной температуре перемешивания асфальтобетонных смесей, и 30 Па-с - вязкость, соответствующая минимальной температуре уплотнения [14]. Аналогичные подходы к назначению оптимальных температур вяжущих предлагались и в СССР; при этом в качестве температуры нагрева битумов при смешении предлагалось ориентироваться на вязкость 0,5 Па-с (?о,5), а при уплотнении - на 10 Па-с [15, 16]. Такой подход способствовал недопущению перегрева вяжущих, что положительно сказывалось на качестве асфальтобетонных смесей.
Еще в 40-х годах прошлого века М.Ф. Никишиной [15] указывалось, что ввиду наблюдаемой тенденции, связанной с применением на производстве менее вязких битумов, необходимо уменьшать регламентируемые нормативными документами температуры нагрева битумов при производстве асфальтобетонных смесей. Обоснованность этих требований актуальна и в настоящее время, подтверждением чего является рис. 1, построенный на основе литературных температурно-вязкостных зависимостей [15, 17, 18].
, г 1 1 О Литературные данные 1 □ Пределы по ДСТУ Б В.2.7-119:2011
о о 1
□ а о ° □
о о О □ о° о
□ ]
о
во
100
Пенстрация при 25 °С, 0,1 мм
Рис. 1. Зависимость температуры технологического нагрева битума, соответствующей вязкости 0,5 Па-с от марки битума
Данные рис. 1 свидетельствуют о значительном перегреве битумов на стадии приготовления асфальтобетонных смесей. Среднее значение перегрева составляет 15 °С, при том, что в некоторых случаях, ориентируясь на максимальную температуру нагрева, согласно ДСТУ БВ.2.7-119:2011, перегрев битумов составляет 20 °С.
Цель и постановка задачи
В заводских условиях вязкость битума практически не измеряется из-за отсутствия соответствующих приборов и сложности испытания. Пенетрометры и вискозиметры истечения позволяют определять лишь условную вязкость, а температурный диапазон их работы составляет от 0 °С до + 80 °С. В связи с этим актуальной является цель работы - разработка расчетного метода определения температуры технологического нагрева битумов.
Разработка расчетного метода
определения температуры технологического нагрева битумов
В 1989 г. на 4-ом Европейском симпозиуме по битуму и асфальтобетону [17] были представлены сведения о разработанном в США и Англии двухстадийном методе проектирования состава асфальтобетона, при котором температуры приготовления (ГпрИГ) и уплотнения (ГУпл) смеси назначают по расчетным формулам (1), в зависимости от температуры размягчения (Гр) битума
тприг = Тр +110 ± 3 °С; ^пл = Тр + 92 ± 2 °С.
(1)
Представленные формулы были подобраны для дистилляционных битумов, изготавливаемых из нехарактерных для отечественной дорожной отрасли нефтей и технологий производства битумов. В отечественной литературе такой подход к назначению технологических температур до сих пор не использовался. Тем не менее, предложенный подход может быть применен и к отечественным окисленным битумам, поскольку температура размягчения является эквивязкой температурой, которая в первом приближении может рассматриваться как температура начала перехода битума в ньютоновскую жидкость, следовательно, обе температуры (температура размягчения и температура, соответст-
вующая вязкости 0,5 Пас - То,5) могут быть отнесены к области ньютоновского течения. Это позволяет предположить взаимосвязь между ними, поскольку линейное течение битумов обусловлено, главным образом, течением в дисперсной среде, представленной маслами.
Свойства масел различных битумов отличаются несущественно как по абсолютным значениям вязкости, так и по их температурной чувствительности. Существенное влияние на температурную чувствительность битумов может оказать в этом случае лишь степень наполнения среды из масел асфальтенами. Предположение о взаимосвязи вышеуказанных температур позволяет рассмотреть возможность производственной оценки температуры То>5, используя выражение -Го,5 = Гр + ДГ.
Для ряда экспериментально исследованных битумов, а также вяжущих, взятых из литературных источников (общей численностью 87 объектов), были построены температурные зависимости вязкости, по которым графически определены значения температур Го,5.
На основе полученных данных установлено существование положительной нелинейной корреляционной связи температуры, отвечающей вязкости 0,5 Па-с, с температурой размягчения (коэффициент корреляции 0,82) (рис. 2), а также наличие их связи с пенетра-цией (П), определенной при температуре 25 °С (рис. 3).
На основе полученных данных установлено, что зависимости Тр и Т0,5 от пенетрации имеют практически одинаковый характер (рис. 3), что подтверждает возможность установления температуры технологического нагрева битумных вяжущих по предложенному выше уравнению.
В результате выполненного регрессионного анализа экспериментальных и литературных данных установлена зависимость величины АТ от пенетрации битума, в результате чего получено выражение (2), позволяющее расчетным методом определить значение Т0,5
Т = Т-
0,5 Р
-86-
34-103 П3
(2)
200 180 160 ■4 140 120 100 80
20 30 40 50 60 70 80 90
Тр. °С
Рис. 2. Зависимость эквивязкой температуры от температуры размягчения
Пенетрация при 25 С, мм
Рис. 3. Зависимость температуры размягчения Тр (□) и Г0>5 (■) от пенетрации битумов
Выводы
Применение разработанного расчетного метода определения значения технологической температуры То,5 для битумов дает погрешность в среднем ~ 7 °С. Эта погрешность ниже температурного интервала, который допускается действующим нормативным документом ДСТУ Б В.2.7-119-2011.
Полученная расчетная формула легла в основу разработанных на кафедре ТДСМ ХНАДУ методических указаний М 218-02071168-
654:2008 «Методика определения температуры нагрева битумных вяжущих при перемешивании и уплотнении асфальтобетонных смесей».
Литература
1. Строительные материалы. Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон дорожный и аэродромный. Технические условия: ДСТУ Б В.2.7-119-2011. - Действующий с 2003-02-25. - К. : Министерство регионального развития, строительства и
жилищно-коммунального хозяйства Украины, 2012. - 40 с. - (Национальный стандарт Украины).
2. Колбановская A.C. Дорожные битумы /
A.C. Колбановская, В.В. Михайлов. -М.: Транспорт, 1973. - 264 с.
3. Петрова Л.М. Информативность парамет-
ров состава и строения битумов для оценки их сопротивления старению / Л.М. Петрова, И.М. Зайдуллин, H.A. Аббакумова и др. // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - №. 10. - С. 131-134.
4. Михайлов В.В. Нефтяные дорожные биту-
мы / В.В. Михайлов. - М.: Дориздат, 1949. - 184 с.
5. Волошин М. Д. Дослідження процесу
старіння бітуму за показником температури крихкості / М.Д. Волошин, Н.П. Політова // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»: зб.
наук. пр. Тематичний випуск «Хімія, хімічна технологія та екологія». - 2010.
- № 11. - С. 13-18.
6. Братчун В.И. Технологическое старение
дорожного нефтяного битума как двухфакторный процесс / В.И. Братчун, М.К. Пактер, A.A. Стукалов и др. // Ре-сурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. пр. - 2012.
- Вип. 23. - С. 31-41.
7. Саенко С.С. Методы минимизации старе-
ния битума в рабочем котле при приготовлении горячих асфальтобетонных смесей: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: спец. 05.23.05 «Строительные материалы и изделия» / С.С. Саенко. - Ростов-на-Дону, 2008. - 24 с.
8. Портнягин В.Д. Требования к установкам
для разогрева битума / В.Д. Портнягин // Автомобильные дороги. - 1988. - № 4. -С.12-13.
9. ОДМ 218.3.020-2012. Методические реко-
мендации по обеспечению устойчивости битумов против старения в технологи-
ческих процессах изготовления и применения асфальтобетонных смесей. -М.: РОСАВТОДОР, 2012. - 41 с.
10. Радовский Б.С. Методы проектирования
состава асфальтобетонных смесей в США / Б.С. Радовский // Дорожная техника, 2006 . - С.68-81.
11. Радовский Б.С. Прогресс технологий производства теплого асфальтобетона в США / Б.С. Радовский // Автомобильные дороги. - 2011. - С. 29-39
12. NCHRP Report 648. Mixing and
Compaction Temperature of Asphalt Binders in Hot-Mix Asphalt. TRB. Washington: D.C., 2010. - P. 1-157.
13. ASTM D2493 / D2493M-09 Standard Vis-cosity-Temperature. Chart for Asphalts.
14. Morgan P. The Shell Bitumen Industrial Handbook / P.Morgan, A.Mulder. - Surrey, U.K.: Shell Bitumen, 1995. - 338 p.
15. Никишина H.B. Исследование вязкости дорожных битумов / Н.В. Никишина // Исследование органических материалов и физико-механических свойств асфальтовых смесей: Труды ДорНИИ. - 1949. -Вып. VIII. - С. 38-58.
16. Рыбьев И.А. Дорожные битумы и дегти /
И.А. Рыбьев. - М.: Дориздат, 1952. -64 с.
17. Гун Р.Б. Нефтяные битумы / Р.Б. Гун. -
М.: Химия, 1973. - 432 с.
18. Руденская И.М. Органические вяжущие для дорожного строительства / И.М. Руденская, А.В. Руденский. - М.: Транспорт, 1984. - 228 с.
19. Радовский Б.С. 4-й Европейский симпо-
зиум по битуму и асфальтобетону / Б.С. Радовский // Автомобильные дороги. - 1990. - № 7. - С. 15-16.
Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 апреля 2013 г.
