CC BY
51
УДК 665.855.3
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СМЕШЕНИЯ ВЯЖУЩИХ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРАМИ ТИПА СБС
А.В. Галкин, мл. научн. сотр., ХНАДУ
Аннотация. Для вяжущих, модифицированных 3 и 6% термоэластопласта СБС 1101, рассмотрена взаимосвязь температур вязкости, эквивалентной 0,5 Па с, эквипенетрационной температуры и температуры размягчения. Определены общие закономерности изменения вязкостных свойств битумов, модифицированных полимером (БМП), с увеличением содержания полимера и рассмотрена возможность прогнозирования температуры смешения вяжущего с каменным материалом.
Ключевые слова: модифицированное вяжущее, эквивязкость, эквипенетра-ционная температура, температура размягчения, корреляция.
Введение
При применении новых битумных технологий неизбежно возникают сложности, связанные с прогнозированием параметров технологических процессов. Складывается ситуация, когда установленные ранее эмпирические зависимости оказываются недостаточными и могут привести к неверному определению условий, необходимых для качественного выполнения работ на производстве. Вследствие этого может быть выпущена бракованная продукция или выведено из строя производственное оборудование.
Анализ публикаций
Температуру, при которой вязкость достигнет требуемого значения, можно определить экспериментально, с помощью вискозиметров различных типов, либо по эмпирическим формулам. Использование вискозиметра для получения температуры, эквивалентной вязкости 0,5 Пас (Тл=о,5пас), оправдывает себя в исследовательских лабораториях, однако является неприменимым в производственных условиях из-за трудоёмкости, сложности испытания и оборудования. Вполне естественно, что при определении необходимой температуры разогрева битума перед подачей в смесительную установку используются эмпирические формулы, основанные на таком
показателе как температура размягчения вяжущего (ТР) [1]. К значению температуры размягчения добавляется величина ДТ, рассчитанная с помощью эмпирической формулы, учитывающей пенетрацию битумов. Применение формул для определения Тл =о,5 пас по Тр подразумевает сохранение базового условия - все битумы при температуре размягчения обладают близкой вязкостью, (около 1450 Па-с) и пенетрацией, около 800x0,1 мм (Т8оо) [2]. В [3,4] показано, что условие эквивязкости при температуре размягчения нарушается для битумов, модифицированных полимерами. Малая корреляция (или её отсутствие) для значений ТР полученных с помощью испытания «кольцо и шар» со значениями пенетрации и когезии для БМП [4], вызывают сомнения в объективности ТР, определяемой подобным образом.
Экспериментальные результаты
Для того, чтобы выяснить насколько изменяется вязкость при температуре размягчения для БМП, и можно ли использовать этот параметр в качестве базового при определении Тл=0,5Пас, был проведен цикл экспериментальных исследований.
Работа выполнена под руководством проф. В.А. Золотарёва.
Таблица 1 Характеристика исходных битумов и БМП на их основе
Вяжущее Пенетрация при 25°С, П25, х0,1мм. Температура размягчения, ТР, °С Вязкость при ТР, Птр, Па-с Температура пенетрации, равной 800 х0,1мм, Т800,°С Тп=0,5Па-с, °С Расчётная Тп=0,5Па-с, °С
ГМ 435 34,7 790 29 127 129
БМК 174 41,3 1260 39 138 145
БМ 89 46,4 710 47 150 157
БМО 50 54,9 2510 56 162 171
ГМ + 3% СБС 252 47,4 560 34 146 137
БМК + 3% СБС 114 46,4 1590 45 159 154
БМ + 3% СБС 67 54,3 1590 55 178 170
БМО + 3% СБС 41 62,8 1780 65 185 185
ГМ + 6% СБС 164 89,4 40 48 164 159
БМК + 6% СБС 72 79,2 280 65 180 185
БМ + 6% СБС 48 76,6 1120 69 195 192
БМО + 6% СБС 34 84,6 1780 79 210 207
Четыре битума разной вязкости, полученные на основе одного сырья, были модифицированы 3 и 6 % полимера СБС 1101. Для этих вяжущих, кроме предусмотренных государственным стандартом показателей, были определены вязкость при температуре размягчения (определялась при установившемся режиме течения для скорости сдвига 1,6 с-1 на ротационном пластовискозиметре ПВР-2), температура пенетрации, равной 800 х0,1мм, температура, при которой вязкость достигала значения 0,5 Пас (табл. 1). В целом ряде случаев значения вязкости при ТР заметно отклоняются от 1450 Па-с (рис. 1). При этом наблюдается общая тенденция - отклонения возрастают со снижением вязкости исходного битума и увеличением содержания полимера.
3,6 3,4 3,2 2 3,0
С 2,8 £ 2,6
^ 2,4 ад ^ 2,2
2,0
1,8
1,6
1 1 1 П - 1450 Па-с
д. ч
\ — — —
\
\ 1 1
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7
Lg П25, х0,1мм
Рис. 1. Взаимосвязь вязкости с пенетрацией при температуре размягчения для исходных битумов (•) и битумов, модифицированных 3% СБС (■); битумов, модифицированных 6% СБС (▲)
При модификации битума 6% СБС отклонения вязкости достигают значений, не допускающих возможность прогнозирования Тл=0,5Пас по Тр. Ранее для битумов был предло-
жен расчёт (1), (2), позволявший получать Тл=0,5Пас с высокой точностью [1]
Тл=0,5Па-с = Тр + ДТ; (1)
ЛТ = 105,56 - 0,17-П25 + 0,00036-П252 . (2)
Проверка этой формулы в отношении нефтяных битумов, модифицированных полимерами, показала, что отклонения экспериментальных температур от расчетных достигают 20 и более градусов Цельсия (рис. 2), что можно объяснить потерей ТР своей физической сущности в отношении БМП.
и н
^ О
Ч о
N
^ я 2 й га ¥ Н
130 120 110 100 90 80 70 60
«
ч а
< —X, к*
а к а
*--
у - 0,00 а 036х 2 - 0 ,17х + 10 5,56 -
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 П25, х0,1мм
Рис. 2. Разница между Тл-0,5Па-с и Тр, полученная экспериментально (•) и определённая по зависимости (1, 2), предложенной в [1] для нефтяных битумов (х)
Основная причина потери прогностической способности показателя ТР при определении Тл=о,5Па-с для БМП кроется в принципиальных различиях двух схем - схемы определения ТР
и Т,
. При определении ТР с помощью
П=0,5Па-с
испытания «кольцо и шар» решающую роль играет максимальное напряжение сдвигового течения при этом существующая в вяжущем пространственная структура должна быть достаточно разрушена для того, чтобы шарик
со слоем вяжущего прошел сквозь кольцо. По существу эта схема отвечает определению максимального напряжения сдвигового течения, которое для БМП может в несколько раз превышать напряжение стационарного течения.
В случае определения Тл=о,5Пас устанавливают температуру, при которой каждая ньютоновская система (не аномальная) находится в стационарном ньютоновском течении с заданной вязкостью.
Вторая эквивязкая температура более объективна, поскольку она определяется по кинетической схеме напряжений и учитывает реологическое поведение БМП, тогда как ТР это температура, эмпирически подобранная для узкого круга дорожных битумов. Максимальное напряжение сдвигового течения мало связано с напряжением течения БМП с разрушенной структурой. Это означает, что определение температур для предложенных условий испытания изначально основано на двух различных процессах: разрушении структурной сетки и течении растворов подобных систем.
Для оценки перехода БМП в вязкотекучее состояние может быть использован еще один критерий - температура, эквивалентная пене-трации 800x0,1 мм (Т800). Равенство этой температуры и температуры размягчения -основное условие объективности последней. В данной работе эта температура определялась интерполяцией значений пенетрации, полученных при разных температурах. На рис. 3 представлен сравнительный анализ степени корреляции Тр с Тл=о,5Пас и Т8оо с
Тл=0,5Па-с.
квадрат коэффициента корреляции которого R2 =0,93.
20 30 40
50 60
Тр, Т800;
70 °С
80 90 100
Т А1
П=0,5Па-с
= 84,05 + Т800-1,56.
(3)
Рис. 3. Зависимость Тл=0 5ш-с от Тр (□) и от Т800
(А)
Максимальное расхождение значений, полученных согласно предложенной формуле (табл. 1) со значениями Тл=0,5Пас, полученными экспериментально, составляет 10 °С. Для значений ТР наблюдается существенно худшая корреляция, R2 = 0,79. Следствием этого становятся большие отклонения расчетных значений Тл=0,5Пас и меньшая прогностическая способность этого показателя.
Выводы
Согласно представленным результатам температура размягчения, определяемая по испытанию «кольцо и шар», не может являться базовым критерием, позволяющим прогнозировать температуру смешения БМП с каменным материалом. В то же время температура, при которой пенетрация равна 800 х 0,1 мм, обладая хорошей корреляцией с эквивязкой температурой Тл=0,5Пас и, обеспечивая заметно большую точность прогнозирования последней, может выступать в роли базового параметра при расчете Тл=0,5Пас.
Литература
1. Пыриг Я.И. Закономерности течения биту-
мов при технологических температурах // Вестник ХНАДУ / Сб. научн. тр. -Харьков: ХНАДУ. - 2000. - Вып. 12-13.
- С. 151 - 155.
2. Битумные материалы (асфальты, смолы,
пеки) / Под ред. А. Дж. Хойберга: Пер. с англ. - М.: Химия, 1974. - 248 с.
3. Золотарев В.А. Пыриг Я.И. Галкин А.В.
Эквипенетрационная температура как альтернатива температуре размягчения битума // Наука и техника. - 2007. - №2.
- С. 36 - 39.
4. Золотарев В.А., Чугуенко С.А., Гал-
кин А.В. О взаимосвязи свойств битумо-полимерных вяжущих и сдвигоустойчи-вости асфальтобетона // Автошляховик Украины. - 2004. - № 3. - С.25 - 30.
Рецензент: В.И. Братчун, профессор, д.т.н., Донбасская национальная академия строительства и архитектуры.
Связь значений Т800 и Тл=0,5ш-с может быть представлена линейным уравнением (3),
Статья поступила в редакцию 4 декабря 2007 г.
