CC BY
91
УДК 625.858
ОЦЕНКА КОГЕЗИИ БИТУМОВ ПРИ ЭКВИПЕНЕТРАЦИОН-
НОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Я.И. Пыриг, научн. сотр., ХНАДУ
Аннотация. Представлены результаты исследования по изучению зависимостей когезии и пенетрации битумов, а также механических свойств асфальтовых систем от эквипенетрационной температуры.
Ключевые слова: битум, пенетрация, когезия, асфальтовяжущее, асфальтобетон.
Введение
В настоящее время для оценки качества вязких битумов, применяемых в дорожной отрасли, используется ДСТУ 4044-2001 «Битумы нефтяные дорожные вязкие». Согласно этого нормативного документа, основные качества битума оцениваются по следующему ряду показателей: пенетрация при 25 °С, температура хрупкости и температура размягчения, дуктильность при 25 и 0 °С. Результаты определения этих показателей, выражающиеся в различных условных единицах и зависящие от конструкции прибора и условий испытания, некоторым образом связаны с соответствующими реологическими характеристиками битумов, но не позволяют в полной мере их оценить.
Традиционные показатели качества битумов подвергаются существенной критике, как у нас в стране, так и за рубежом [1].
Причиной такой критики является то, что стандартные показатели не отвечают условиям работы асфальтобетонов в дорожном покрытии и не отражают в полной мере реологические свойства битумов.
Стандартные показатели битумов
Температура хрупкости (Тр), определяемая по методу Фрааса, является температурой структурного перехода битума в область, где он имеет высокий модуль упругости при по-
ниженной прочности (110 МПа при длительности нагружения 11 с). Определенное значение Тхр существенно зависит от ряда факторов: толщины битумной пленки, скорости приложения нагрузки, величины деформации, возникающей в битуме при испытании, конструктивных особенностей прибора.
Температура размягчения (Тр), определяемая по методу КиШ, рассматривается как ориентировочная характеристика модуля деформации (1,5-102 Па) и вязкости (» 1000 Па с). Показатель Тр является очень условным, поскольку битумы, как и все аморфные тела, имеют определенный интервал размягчения, а конкретно полученное значение температуры размягчения зависит от принятой методики испытания и условий испытания.
Пенетрация битумов косвенно характеризует степень твердости битума, а также может рассматриваться как сопротивление сдвигу, отвечающее определенной скорости деформирования. Битумы с разной пенетрацией характеризуются показателем, который определен при разных скоростях, что не допустимо при оценке и сравнении их вязкости. Более того, битумы имеющие равное значение пенетрации могут отличаться по вязкости из-за различной величины аномалии вязкости, обусловленной особенностями их состава и структуры. Так при одной глубине проникания иглы, т.е. близкой скорости сдвига, разные битумы отвечают различным участкам полной реологической кривой.
Таким образом, по любому отдельно взятому показателю (Тхр, Тр и пенетрация) нельзя судить о комплексе реологических свойств битумов. Исследование взаимосвязи между показателями стандартных свойств битумов были начаты в Европе еще в середине 20 века [2]. Автором установлено, что температуры размягчения и хрупкости являются эк-випенетрационными. Температура размягчения отвечает пенетрации 800-0,1 мм, а температура хрупкости - 1,25-0,1 мм.
В 1989 г. на симпозиуме «Евробитум-4» были представлены данные французских исследователей [3], которые установили линейную связь между температурой размягчения (Тр по «КиШ») и логарифмом глубины проникания (коэффициент корреляции зависимости 0,93): Тр = 98 - 26 • ^П. Эта зависимость характерна для европейских битумов и дает очень большие погрешности для отечественных битумов.
В работе [4] показана взаимосвязь между пе-нетрацией, температурой хрупкости и температурой размягчения битумов в широком пе-нетрационном диапазоне и широком диапазоне индексов пенетрации. Установлено, что: Тхр=2-Тз1 - Тр, где Т31 - температура, отвечающая пенетрации 31-0,1 мм. Данная температура (Т31) соответствует середине интервала пластичности битумов и является точкой симметрии на оси логарифма пе-не-трации для всех битумов вне зависимости от их марки и структурного типа.
В [4] указывается, что данная температура не является эквивязкой, но с определенными погрешностями может рассматриваться как температура близких значений механических свойств битумов.
Экспериментальные исследования
С целью выяснения физического смысла температуры Т31 были выполнены исследования по изучению температурных зависимостей когезии и пенетрации битумов. В качестве объектов исследования были приняты битумы, полученные из одного сырья, но разной глубины окисления, относящиеся к разным маркам (табл. 1).
Для определения эквипенетрационной температуры Т31, пенетрацию всех битумов
определяли при температурах 5, 15 и 25 °С. Температурные зависимости логарифма пе-нетрации представляют собой прямые линии (рис. 1), точки пересечения которых с ординатой пенетрации, отвечающей 31-0,1 мм, являются эквипенетрационными температурами.
Таблица 1 Свойства битумов
Показатели свойств Индекс битумов
31 32 33 34 35
П25, 0,1 мм 54 63 103 155 207
Тр, °С 54,4 49,5 44,7 42,0 41,0
Тхр, °С -20,0 -23,0 -25,0 -27,0 -29,0
Т31, °С 19,0 15,0 11,5 8,5 5,5
Когезия при Т31 0,20 0,21 0,21 0,215 0,22
Инд. пенетрации +0,1 -0,7 -0,6 +0,4 +0,5
Рис. 1. Температурная зависимость пенетрации битумов: ■ - 31, ♦ - 32, <- 33, • -34, □ - 35
Для рассматриваемых битумов была определена когезия в температурном диапазоне 0 ■ 20 °С, заключающем в себе Т31. Когезию битумов определяли методом плоскопараллельного сдвига в слое толщиной 200 мкм при скорости сдвига 1 с -1.
Рис. 2. Температурная зависимость когезии битумов: ■ - 31, ♦ - 32, <- 33, • - 34, □ - 35
Таблица 2 Физико-механические свойства асфальтовяжущих веществ
Марка битума Т31, °С % битума Средняя плотность асфальтовяжущего, кг/м3 Средняя плотность минеральной части, кг/м3 Пористость минеральной части, % Остаточная пористость ас-фальтовяжуще-го, % Прочность, МПа
-^сж при Т31 -^раст при Т31 -^сж при 20 °С
40/60 19 13 2214 2226 19 4,8 9,69 2,45 9,72
60/90 15 12 2199 2211 19,6 5,0 9,2 2,05 8,83
90/130 11,5 11 2202 2213 19,5 6,0 9,1 2,1 7,35
130/200 8,5 11 2107 2118 23,0 10,1 6,3 1,64 4,39
200/300 5,5 11 2084 2095 23,8 11,1 5,3 1,47 3,3
По представленным на рис. 2 данным, для каждого битума при соответствующей Т31 определены значения когезии (табл. 1), которые оказались практически равными для всех рассматриваемых битумов. Среднее значение когезионной прочности при Т31 составило 0,21 МПа. Это свидетельствует о том, что эк-випенетрационная температура Т31 является и эквикогезионной температурой битумов.
Поскольку механические свойства битума и асфальтобетона взаимосвязаны, при Т31 была изучена прочность модельных асфальтовых систем, включающих рассмотренные битумы и минеральный порошок. Для каждого ас-фальтовяжущего вещества подбиралось оптимальное содержание битума. Изготовленные образцы испытывались на сжатие при 20 °С и растяжение по образующей при соответствующей каждому битуму температуре Т31. Полученные данные приведены в табл. 2.
Образцы асфальтовяжущего на битумах марок БНД 40/60...БНД 90/130 имеют достаточно близкие значения физико-механи-че-ских свойств. Образцы на битумах малой вязкости характеризуются существенно худшими значениями физико-механических показателей. Это можно объяснить особенностями структирования битума. В асфальтовя-жущем веществе битум находится в тонкой структурированной пленке, степень структурирования которой зависит от вязкости битума, а прочность пленки определяется физическими процессами происходящими на границе раздела фаз - битум - минеральный порошок. Особенности структурирования битумов существенно зависят от вязкости и происхождения битумов. Поскольку в асфальтобетоне степень структурирования битума меньше, чем в асфальтовяжущем веществе, то можно ожидать, что температура Т31
будет эквипрочностной температурой асфальтобетонов на битумах всех марок, предусмотренных ДСТУ 4044-2001.
Выводы
Эквипенетрационная температура Т31 является также и эквикогезионной температурой битумов, что свидетельствует о пенетрации как о прочностном показателе механических свойств битумов; в определенном диапазоне консистенции битумов, является температурой равной прочности асфальтовяжущего; может быть использована в качестве базовой температуры для сравнения прочностных, де-формативных и усталостных свойств различных асфальтобетонов.
Литература
1. Золотарев В.А. Об основах стандартиза-
ции вязких дорожных битумов // Вестник ХГАДТУ. - 1995. - № 1. - С. 48 -50.
2. Heukelom W. Une methode amelioree de
caracterisation des bitume par leurs proprietes mecanique. Bull. Tiaison labo. P et Ch. -76. 1975. - Р. 55 - 64.
3. Радовский Б.С. 4-й Европейский симпози-
ум по битуму и асфальтобетону // Автомобильные дороги. - 1990. - № 7. -С. 15 - 16.
4. Золотарев В.А. Обобщенные температур-
но-пенетрационные зависимости дорожных битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2000. - №1. - С. 24 -26.
Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.
