CC BY
26УДК 691.263/.166 + 665.775
Valentin V. Vasil'ev1, Aleksey S. Ivkin2, Elena V. Salamatova3, Natal'ya V. Maidanova4
IMPROVEMENT OF METHODS FOR DETERMINING BITUMEN COHESION WITH MINERAL MATERIALS
Saint-Petersburg Mining University, 2, 21st Line, St. Peters-burg,199106, Russia
Scientific research center JSC «ABZ-1», 66, Arsenalnaya str., Saint-Petersburg, Russia e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Different methods for determining the adhesion of bitumen to mineral materials have been compared. An improved method for determining the adhesion is proposed, which excludes the influence of the human factor, minimizes the errors in photo-shooting and the contribution of cohesion. This method allows you to determine the influence of the quality of mineral material and bitumen on the adhesion more accurately than in accordance with GOST11508-74.
Key words: bitumen, mineral materials, adhesion.
В.В. Васильев1, А.С. Ивкин2, Е.В. Саламатова3, Н.В. Майданова4
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ БИТУМА С МИНЕРАЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Санкт-Петербургский горный университет, 21 линия, д. 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия
НИЦ ОАО «АБЗ-1», ул. Арсенальная, д. 66, Санкт-
Петербург, Россия
e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru
Проведено сравнение различных методов определения сцепления битума с минеральными материалами. Предложен усовершенствованный метод определения сцепления, который исключает влияние человеческого фактора, минимизирует погрешности фотосъемки и вклад когезии. Этот метод позволяет более точно, чем по ГОСТ 11508-74 устанавливать влияния качества минерального материала и битума на сцепление.
Ключевые слова: битум, минеральные материалы, сцепление.
Известно, что сцепление битума с минеральными материалами является важной характеристикой, которая определяет прочность асфальтобетона. Поэтому объективная оценка уровня сцепления нефтяного вяжущего является актуальной задачей.
Наиболее известная методика оценки сцепления битума с минеральными материалами изложена в ГОСТ 11508-74. По этому стандарту предусмотрено оценивать сцепление визуально по трем контрольным образцам. Условно принято, что соответствие контрольному образцу № 1 говорит о полном покрытии вяжущим поверхности каменного материала, соответствие образцу № 2 - покрытии не менее 75 %, а образцу № 3 - менее 75 %. Этот метод применим только к светлым минеральным материалам (мрамору, известняку и др). При этом визуальная оценка сцепления существенно зависит от субъективных факторов и не может претендовать даже на полуколичественный метод.
В работе [1] описан усовершенствованный метод определения сцепления битума с минеральным материалом. Масса минерального материала и битума в каждой смеси фиксируется до кипячения, а также определяется масса битумоминеральной смеси после кипячения и сушки. Коэффициент сцепления рассчитывают как отношение массы битума в битумоминеральной смеси после кипячения и сушки к массе битума в битумоминеральной смеси до кипячения, %.
Однако нами было экспериментально установлено, что битумоминеральные смеси после испытания с одинаковым значением сцепления могут визуально силь-
но отличаться друг от друга по степени покрытия минерального материала битумом. Это связано с тем, что лишь небольшая часть вяжущего в ходе испытания отслаивается от поверхности минерального материала. Основная же часть вяжущего может собираться в капли. В результате чего уменьшение площади покрытия минерального материала происходит значительнее (примерно в 2 раза), чем уменьшение массы вяжущего. Из-за чего, по нашему мнению, гравиметрический метод нельзя использовать для оценки сцепления.
Известен способ оценки сцепления битума с минеральными материалами, описанный в ДСТУ Б В.2.7-81-98. По данному стандарту битум наносят равномерным слоем на стеклянные или каменные пластины в количестве 0,02 г на 1 см2 поверхности пластины. Далее эти пластины с битумом погружают в горячую дистиллированную воду на 35±5 мин, затем накладывают на каждую пластину прозрачную измерительную сетку с нарисованными клетками размерами 2x2 мм и подсчитывают количество таких клеток, которые накладываются на вяжущее. Результат выражается в процентах площади поверхности пластины, оставшейся покрытой вяжущим после погружения в горячую дистиллированную воду. Оценка коэффициента сцепления в существенной степени зависит от индивидуальных особенностей наблюдателя. Значительная трудоемкость и погрешность не позволяют широко использовать этот метод на практике.
Опубликован усовершенствованный метод ДСТУ Б В.2.7-81-98 [2], который предназначен для проведения испытания только на стеклянных пластинах. Усовершен-
1 Васильев Валентин Всеволодович, д-р техн. наук, профессор, каф. химических технологий и переработки энергоносителей Горного университета, e-mail: vasvalvs@mail.ru
Valentin V. Vasil'ev, Dr Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing, Saint-Petersburg Mining University
2 Ивкин Алексей Сергеевич, аспирант, каф. химических технологий и переработки энергоносителей Горного университета, e-mail: ivkin.alexey@yandex.ru Aleksey S. Ivkin, Postgraduate Student, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing, Saint-Petersburg Mining University
3 Саламатова Елена Валентиновна, к-т техн. наук, доцент, каф. химических технологий и переработки энергоносителей Горного университета, e-mail: salelena@rambler.ru
Elena V. Salamatova, Dr Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemical Engineering and Energy Carriers Processing, Saint-Petersburg Mining University
4 Майданова Наталья Васильевна, канд. техн. наук, заместитель начальника лаборатории, НИЦ ОАО «АБЗ-1», e-mail: nmaydanova@abz-1.ru Natal'ya V. Maidanova, PhD., Deputy Head of Laboratory, Scientific Research Center JSC «ABZ-1»
Дата поступления - 13 декабря 2017 года
ствование заключается в способе определения площади поверхности стеклянных пластин, которая остаётся покрытой битумом после выдерживания в горячей дистиллированной воде. Для этого пластины после кипячения фотографируют и далее с помощью специальной компьютерной программы вычисляют площадь битумного пятна на фотографии пластины. Использование программного обеспечения позволяет снизить погрешность определения площади покрытия пластин битумом по сравнению с методом ДСТУ Б В.2.7-81-98. Недостатками этого метода является то, что испытание возможно проводить только на стеклянных пластинах, а также то, что при содержании битума 0,02 г на 1 см2 часть битума удерживается на поверхности в виде крупных капель (так же, как и в ДСТУ Б В.2.7-81-98), из-за чего существенно искажаются результаты испытания.
Ефремовым [3] предложен аппаратный метод оценки сцепления битума с минеральными материалами на основе ГОСТ 11508-74. Предложено использовать программные средства для определения доли поверхности каменного материала, покрытого вяжущим после кипячения. Для этого фотографируют крошку каменного материала до нанесения вяжущего, после нанесения вяжущего и после кипячения в дистиллированной воде.
При использовании этой методики, по нашим данным, в процессе фотографирования заметный вклад в погрешность вносит образование теней между зернами минерального материала.
Ранее было установлено [4], что распределение битума на поверхности минеральных материалов неравномерно. У гранита битум в основном собирается на зернах биотита, у габбро - на зернах пироксена. На мраморе битум в основном собирается на минеральных зёрнах, плоскости спайности которых расположены непараллельно поверхности пластины. Для получения более объективной оценки сцепления и картины распределения битума на поверхности минеральных материалов важно, чтобы капельки битума имели минимальную толщину. Т.е. для более точной оценки сцепления необходимо наносить минимальный слой битума на поверхность минерального материала.
Цель настоящей работы заключалась в разработке фотографического метода оценки сцепления вяжущего с минеральным материалом, в котором исключено влияние субъективных факторов, сведено к минимуму влияние когезии и аппаратных погрешностей.
Подготовка пластин из минеральных материалов
Предлагаемый метод определения сцепления вяжущего с минеральными материалами выполняли в три стадии.
Для проведения испытаний нарезали каменные пластины прямоугольной формы размером 70x25x10 мм (допустимое отклонение по длине, ширине и толщине -1 мм). Поверхность каменных пластин шлифовали абразивным порошком с размером частиц 14 мкм.
Стеклянные пластины нарезали из оконного стекла толщиной 3 мм (ГОСТ 111), размером 70x25 мм (допустимое отклонение по длине и ширине - 1 мм).
Поверхность каменных пластин промывали дистиллированной водой и кипятили в дистиллированной воде 30 мин, после чего их высушивали в вертикальном положении в сушильном шкафу при температуре 160±5 °С на протяжении 35±5 мин.
Поверхность стеклянных пластин протирали этиловым спиртом, промывали дистиллированной водой, а затем 30 мин кипятили в насыщенном водном растворе NaHCOa, после чего их вновь промывали дистиллированной водой и высушивали в вертикальном положении в сушильном шкафу при температуре 105±2 °С на протяжении 35±5 мин. Далее охлаждали пластины до комнатной температуры.
Проведение испытаний
Пластины после подготовки фотографировали. Далее покрывали каждую стеклянную (и каменную пластину) вяжущим на 20 % поверхности из расчёта 0,02 г на 1 см2 и вновь фотографировали. Затем повторяли эту операцию и покрывали пластину последовательно на 40, 60, 80, 100 % и каждый раз фотографировали. Распределяли вяжущее равномерным слоем по поверхности пластин при небольшом нагревании в течение не более 20 мин. Фотосъемку пластин на всех этапах испытания производили в одинаковых условиях. Использовали одно и то же освещение и настройки фотоаппарата.
Пластины с нанесенными на них пленками вяжущего (100 % покрытие) выдерживали на протяжении 15 мин в горизонтальном положении в термошкафу при температуре 150±3 °С, а затем ещё 25 мин в вертикальном положении при той же температуре. После термо-статирования стёкший битум удаляли с рёбер пластин фильтровальной бумагой. При этом за счет стекания содержание битума на поверхности минерального материала снижалось с 0,02 до 0,003-0,004 г/см2. После этого пластины охлаждали на воздухе до температуры 30±5°С.
На дно водяной бани перед испытанием устанавливали керамическую подставку высотой примерно 6 см. Затем заливали дистиллированную воду в баню и доводили ее до кипения. Подготовленные стеклянные и каменные пластины с битумом осторожно устанавливали горизонтально на подставку. Толщина слоя воды над поверхностью битума должна быть 45±5 мм. Расстояние между пластинами должно составлять 10 мм.
Каменные и стеклянные пластины с вяжущим выдерживали в кипящей воде на протяжении 30 мин. Отслоившиеся от поверхности стекла или каменных пластин и всплывшие на поверхность воды капли вяжущего удаляли фильтровальной бумагой.
После выдержки пластин с вяжущим (при кипении воды) в водяную баню плавно доливали холодную воду в таком количестве, чтобы температура воды в бане стала меньше температуры размягчения битума на 10 °С. Вынимали пластины из воды и переносили на лист картона, где оставляли для охлаждения на 15 мин. Воду с поверхности пластин удаляли бумажной салфеткой. После удаления воды пластины вновь фотографировали. Каждое новое испытание проводили на предварительно подготовленных новых пластинах в свежей дистиллированной воде.
Обработка результатов
Изображения пластин без покрытия вяжущим, затем с покрытием вяжущим на 20, 40, 60, 80 и 100 %, а также после испытания обрабатывали в компьютерной программе-фоторедакторе (Adobe Photoshop) с целью выделения необходимой области и удаления искажения в перспективе.
Важно отметить, что после испытания, по фотографии пластины невозможно численно оценить количество оставшегося вяжущего визуально или используя измерительную сетку (рисунок 1).
1 2 3 4 5 6 7
Рисунок 1. Изображения гранитной пластины №7 (таблица): до нанесения вяжущего - 1, покрытой вяжущим на 20 - 2, 40 - 3, 60 - 4, 80 - 5, 100 % - 6 и пластины после испытания с остатками БНД-50/70 - 7
С помощью компьютерной программы-видеоденситометра ЗоМ (6.1) определяли интегральную оптическую плотность всех фотографий в условных единицах.
По полученным значениям для каждой пластины строили калибровочный график (рисунок 2) зависимости интегральной оптической плотности от площади покрытия поверхности пластины вяжущим, которое численно равно коэффициенту сцепления.
Таблица 1. Коэффициенты сцепления вяжущих с минеральными материалами, %
гс о ф
го о
I I с; .оно
с; о ^
го £
о. 1=
. . _ (Г О.. , О сооо
У - К2 = 0,9997 ..4
.1 г"'
0 20 40 60 80 100
А (покрытие площади изображения пластины битумом), %
Рисунок 2. Калибровочный график, построенный на основе фотографий гранитной пластины №7 (таблица)
Рассчитывали показатель сцепления для каждой пластины, используя уравнение линии тренда, полученное при построении калибровочного графика:
D = кА+йо,
где й - интегральная оптическая плотность изображения пластины, покрытой битумом, усл. ед.; к - условный коэффициент экстинкции, 1/%; А - показатель сцепления, %; йо - интегральная оптическая плотность изображения пластины до нанесения вяжущего, усл. ед.
Например, для гранитной пластины № 7 из таблицы уравнение линии тренда В = кА+Б0= 5,2-^4 + 8,5333. Интегральная оптическая плотность (О) этой пластины после испытания составляет 11,7 усл. ед. Значит, сцепление (А) будет равно 61 %.
За результат испытания принимали среднее арифметическое коэффициентов сцепления из 3 параллельных измерений.
В таблице приведены определенные коэффициенты сцепления для дорожного битума (50/70), кровельного битума (БНК 130/150), гудрона (П23 320 х0,1мм) и кубового остатка висбрекинга (КО). Как следует из данных таблицы 1 коэффициент сцепления существенно снижается для всех вяжущих в следующем ряду: мрамор = известняк > диорит > гранит > стекло. Установленная последовательность в основном соответствует содержанию диоксида кремния в породах, т.е. их кислотности [5]. При переходе от битума БНД-50/70 к БНК и гудрону коэффициент сцепления также уменьшается.
-0 I ^ О СС ^ Материал пласти- Вяжущее Интегральная оптическая плотность, усл. ед. я, и н е ^ с е ^ с т н% е Среднее значение коэффициента сцепления, %
с 01 ны Покрытие площади поверхности пластины вяжущим, % Пластина после испытания и и о
0 20 40 60 80 100
1 7,1 8,4 9,7 11,1 12,4 13,7 13,7 100
2 Мрамор БНД-* 50/70* 7,2 8,5 9,8 11,1 12,4 13,7 13,7 100 100
3 7,5 8,7 10,0 11,2 12,5 13,7 13,7 100
4 9,6 10,4 11,2 12,1 12,9 13,7 13,7 100
5 Известняк БНД-50/70 9,7 10,5 11,3 12,1 12,9 13,7 13,7 100 100
6 9,8 10,6 11,4 12,1 12,9 13,7 13,7 100
7 8,5 9,6 10,6 11,7 12,7 13,7 11,7 61
8 Гранит БНД-50/70 8,4 9,7 10,5 11,6 12,7 13,7 11,4 57 57±4
9 8,6 9,6 10,5 11,8 12,8 13,7 11,3 53
10 11,9 12,3 12,6 13,0 13,3 13,7 13,2 72
11 Диорит БНД-50/70 11,9 12,3 12,6 13,0 13,3 13,7 13,0 61 67±6
12 11,9 12,3 12,6 13,0 13,3 13,7 13,1 67
13 7,0 8,3 9,7 11,0 12,4 13,7 7,2 3
14 Стекло БНД-50/70 7,0 8,3 9,7 11,0 12,4 13,7 7,2 3 3±1
15 7,0 8,3 9,7 11,0 12,4 13,7 7,3 4
16 10,0 10,7 11,5 12,2 13,0 13,7 10,7 19
17 Гранит Гудрон 11,2 11,7 12,2 12,7 13,2 13,7 11,6 16 19±3
18 11,3 11,8 12,3 12,7 13,2 13,7 11,8 21
19 6,9 8,3 9,6 11,0 12,3 13,7 13,7 100
20 Мрамор БНК** 7,4 8,7 9,9 11,2 12,4 13,7 13,7 100 100
21 7,4 8,7 9,9 11,2 12,4 13,7 13,7 100
22 9,2 10,1 11,0 11,9 12,8 13,7 13,7 100
23 Известняк БНК 10,3 11,0 11,7 12,3 13,0 13,7 13,7 100 100
24 10,1 10,8 11,5 12,3 13,0 13,7 13,7 100
25 6,9 8,3 9,6 11,0 12,3 13,7 7,8 17
26 Стекло КО*** 6,9 8,3 9,6 11,0 12,3 13,7 7,6 13 15±2
27 6,9 8,3 9,6 11,0 12,3 13,7 7,7 15
Примечание: * - битум нефтяной дорожный; ** - битум нефтяной кровельный; *** - крекинг остаток висбрекинга
При сравнении полученных данных с оценкой сцепления по ГОСТ 11508-74 установлено, что образцу № 1 соответствует коэффициент сцепления (в %) выше - 90, образцу № 2 - 89-75 и образцу № 3 - ниже 75.
Заключение
Таким образом, предложенный метод позволяет исключить влияние человеческого фактора, минимизировать погрешности фотосъемки (искажение в перспективе, формы краев пластин и др.) и вклад когезионной составляющей на коэффициент сцепления битума с минераль-
ным наполнителем. При этом чем больше величина коэффициента сцепления, тем меньше погрешность его определения. Предложенный метод позволяет более точно, чем по ГОСТ 11508-74 устанавливать влияния качества минерального материала и битума на сцепление.
Литература
1. Худякова Т.С., Розенталь Д.А., Машкова И.А., Березников А.В. Количественная оценка сцепления дорожных битумов с минеральным материалом // Химия и технология топлив и масел. 1987. № 6. С. 35-36.
2. Золотарев В.А. Технические, реологические и поверхностные свойства битумов. СПб: Славутич, 2012. 147 с.
3. Ефремов С.В. Определение сцепления битума с каменными материалами в асфальтобетоне фотометрическим методом // Вестник Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2005. № 30. С. 190-193.
4. Ивкин А.С., Васильев В.В., Кондрашева Н.К., Суханова К.Г. Закономерности распределения битума на поверхности минерального материала // Известия СПбГ-ТИ (ТУ). 2016. № 38(64). С.81-85.
5. Шарпенок Л.Н., Богатиков О.А., Петров О.В. Петрографический кодекс России. Магматические, метаморфические, метасоматические, импактные образования. СПб.: ВСЕГЕИ, 2008. 200 с.
References
1. Hudjakova T.S., Rozental' D.A., Mashkova I.A., Bereznikov A.V. Kolichestvennaja ocenka sceplenija dorozhnyh bitumov s mineral'nym materialom // Himija i teh-nologija topliv i masel. 1987. № 6. S. 35-36.
2. Zolotarev V.A. Tehnicheskie, reologicheskie i pov-erhnostnye svojstva bitumov. SPb: Slavutich, 2012. 147 s.
3. Efremov S.V. Opredelenie sceplenija bituma s kamennymi materialami v asfal'tobetone fotometricheskim metodom // Vestnik Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avto-mobil'no-dorozhnogo universiteta. 2005. № 30. S. 190-193.
4. Ivkin A.S., Vasil'ev V.V., Kondrasheva N.K., Suha-nova K.G. Zakonomernosti raspredelenija bituma na poverh-nosti mineral'nogo materiala // Izvestija SPbGTI (TU). 2016. № 38(64). S.81-85.
5. Sharpenok L.N., Bogatikov O.A., Petrov O.V. Petrograficheskij kodeks Rossii. Magmaticheskie, metamor-ficheskie, metasomaticheskie, impaktnye obrazovanija. SPb.: VSEGEI, 2008. 200 s.
