CC BY
69
УДКК 691.16: 539.611
СВЯЗЬ КОГЕЗИИ СО СТАНДАРТНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА
БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ
Я.И. Пыриг, с.н.с., к.т.н., А.В. Галкин, с.н.с., к.т.н., В.А. Золотарев, проф., д.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрена связь когезии как фундаментального показателя качества битумных вяжущих с показателями, нормируемыми техническими условиями на вязкие нефтяные дорожные битумы, - пенетрацией, температурой размягчения, остаточной пенетрацией. Установлены когезионно-пенетрационные зависимости битумных вяжущих, на основании которых предложено нормирование показателя когезии для битумов разных марок, в соответствии с номенклатурой ДСТУ 4044-2001.
Ключевые слова: битум, когезия, пенетрация, температура размягчения.
ЗВ'ЯЗОК КОГЕ311 31 СТАНДАРТНИМИ ПОКАЗНИКАМИ ЯКОСТ1
Б1ТУМНИХ В'ЯЖУЧИХ
ЯЛ. Иир1г, с.т.с., к.т.н., А.В. Галкш, с.н.с., к.т.н., В.О. Золотарьов, проф., д.т.н., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверснтет
Анотац1я. Розглянуто зв'язок когези як фундаментального показника якост1 бтумних в 'яжучих з показниками, нормованими техничными умовами на в'язю нафтов! дорожт бтуми, - пенетращею, температурою розм 'якшеност!, залишковою пенетращею. Встановлено коге-зтно-пенетрацтт залежност1 бтумних в'яжучих, на ocnoei яких запропоновано нормування показника когези для 6imyMie pi3HUX марок, 3zidno з номенклатурою ДСТУ 4044-2001.
Ключов1 слова: бтум, когез1я, пенетрация, температура розм 'якшеност!.
CONNECTION OF COHESION WITH STANDARD QUALITY CHARACTERISTICS OF BITUMEN BINDERS
Ya. Pyrih, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher, A. Calkin, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher,
V. Zolotariov, Prof., D. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The connection of cohesion as a fundamental characteristic of the bituminous binders quality with characteristics regulated by technical requirements for paving grade petroleum road bitumen -penetration, softening point, and residual penetration is considered. Cohesion-penetration dependencies of bituminous binders were established. On their basis it was proposed to normalize the cohesion index for different penetration grade bitumens in accordance with the DSTU 4044-2001 specification.
Key words: bitumen, cohesion, penetration, softening point temperature.
Введение
Когезия битумных вяжущих характеризует сопротивление сдвигу слоев вяжущего на молекулярном уровне. Эта характеристика, наравне с адгезией и вязкостью, является
фундаментальным показателем, дающим объективные представления о механическом поведении органических вяжущих при положительных температурах. Стандартные показатели качества битумных вяжущих должны прогнозировать деформационные и прочное-
тные показатели качества асфальтобетонов, изготовленных на этих вяжущих. Но, поскольку нормированные стандартами показатели качества вяжущих, такие как пенетра-ция, температура размягчения, температура хрупкости, дуктильность, являются условными показателями, зависящими от условий проведения испытания (температуры, скорости деформирования и т.п.), и не воссоздают реальное механическое поведение битумных вяжущих в составе асфальтобетонных слоев дорожной одежды, они не могут быть объективными показателями, которые позволяют прогнозировать свойства асфальтобетонов. Вместе с тем когезия является показателем, на основании которого можно прогнозировать сдвигоустойчивость и колееобразование асфальто- и асфальтополимербетонов.
Анализ публикаций
Исследованиями когезии битумов занимались отечественные ученые (А. С. Колба-новская, Р.Б. Гунн, В.В. Фрязинов, В.А. Золотарев, В.В. Маляр и другие), которыми была установлена физическая сущность показателя и изучены его зависимости от разнообразных факторов (структуры и вязкости битума, температуры, скорости деформирования и прочих) [1-4].
Актуальность применения показателя «когезия» для оценки свойств битумных вяжущих подтверждается работами американских, европейских и российских исследователей, направленными на создание приборов и методов определения когезии [5-8].
В Европейском Союзе в настоящее время действуют три нормативных метода определения когезии битумов и битумов, модифицированных полимерами: определение когезии методом маятника Vialit согласно EN 13588-2008 «Bitumen and bituminous binders. Determination of cohesion of bituminous binders with pendulum test»; косвенное установление когезии как энергии, затраченной на растяжение, при определении дуктильности согласно EN 13587-2010 «Bitumen and bituminous binders. Determination of the tensile properties of bituminous binders by the tensile test method» и EN 13589-2013 «Bitumen and bituminous binders. Determination of the tensile properties of modified bitumen by the force ductility meth-od». В то же время отсутствие показателя
когезии в общеевропейских технических условиях на дорожный битум (EN 125912009 «Bitumen and bituminous binders -Specifications for paving grade bitumens») указывает на несовершенство этих методов, что подтверждается данными европейских ученых [9], и обуславливает необходимость дальнейшего поиска более удачного метода определения когезии.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы было установление зависимостей между когезией и стандартными показателями качества битумов, нормируемыми действующими техническими условиями ДСТУ 4044-2001, и разработка нормативных требований к показателю когезии битумов.
Экспериментальные данные
На кафедре технологии дорожно-строительных материалов и химии (ТДСМиХ ХНАДУ) с 1985 г. ведутся работы по созданию объективного и простого производственного метода определения когезии битумов и битумов, модифицированных полимерами. В 2010 г. совместно с Государственным научно-техническим центром инспекции качества и сертификации дорожной продукции «Дорка-чество» сконструирован и изготовлен коге-зиометр модели КХД [10], который в настоящее время имеет уже 3 модификации.
Литературные [1, 2] и полученные на кафедре ТДСМиХ экспериментальные данные (рис. 1) показывают, что для объективного сопоставления экспериментальных значений когезии они должны быть получены при равной толщине битумного слоя и равной относительной скорости деформирования.
0,2
^ 0,2
0,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,1 Относительная скорость, с"1
Рис. 1. Сравнительные результаты определения когезии битумов, полученные на разных когезиометрах
Благодаря 30-летней плодотворной работе, проведенной на кафедре ТДСМиХ ХНАДУ, была сформирована база данных вяжущих, содержащая информацию о показателях ко-гезии битумов (разных марок, разных производителей - отечественных и импортных, полученных по разной технологии - окислением, дистилляцией, компаундированием, содержащих различные добавки) и ее связи с пенетрацией, температурой размягчения. Полученная база насчитывает данные о 130 битумах, значения пенетрации которых варьируются от 19x0,1 мм до 435x0,1 мм, и 85 битумах, модифицированных полимерами.
Согласно литературным [1-2, 11] и накопленным экспериментальным данным существует возможность сделать вывод о нормировании показателя когезии битумов и битумов, модифицированных полимерами, в зависимости от стандартных показателей качества, прежде всего пенетрации.
Зависимости когезии битумов от пенетрации и температуры размягчения имеют нелинейный характер (рис. 2). Выборочный коэффициент детерминации зависимости логарифма когезии от логарифма пенетрации составляет 99,1 %, а логарифма когезии от логарифма температуры размягчения - 99,3 %, что свидетельствует о сильной тесноте связи между приведенными характеристиками.
450 ¡400 5 350 сРЗОО
к250 &200
I150 &100 С 50
о
Рис
□ П25
■тР ■ ■
Г
\ и ■
V"
ЕЯР — и п
п
■ □
75 о 70 |
5
65 I
60 | л
55 а
50 £
«I
(О
40 н 35
3,1
0,4
0,2 0,3
Когезия при 25 °С, МПа
2. Зависимость пенетрации и температуры размягчения от когезии битумов
Для установления зависимости когезии битумов, определенной при 25 °С и скорости деформирования 1 с-1, от пенетрации и температуры размягчения был проведен регрессионный анализ путем последовательной аппроксимации связи между выбранными показателями следующими видами уравнений: гиперболой первого порядка, гиперболой второго порядка, степенного вида, показа-
тельного вида, экспоненциального вида. Для регрессионного анализа принимались битумы, показатели качества которых отвечали требованиям норм ДСТУ 4044-2001 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия».
На основе результатов проведенного регрессионного анализа установлено, что лучше всего зависимости когезии от пенетрации и когезии от температуры размягчения описываются уравнениями степенного типа. Это подтверждается наиболее высокими значениями индексов детерминации и корреляции и наименьшими погрешностями аппроксимации (индексы детерминации соответственно составляют 0,545 и 0,49, индексы корреляции - 0,738 и 0,7, погрешности аппроксимации - 21,57 % и 22,39 %).
Принимая во внимание высокую чувствительность показателя глубины проникания иглы при 25 °С к особенностям свойств битумов, а также учитывая, что пенетрация и когезия могут быть отнесены к прочностным характеристикам механических свойств битума [11], было принято нормирование когезии битумов по когезионно-пенетрационной зависимости.
Используя результаты статистической обработки зависимостей когезии от пенетрации битумов различных марок, согласно номенклатуре ДСТУ 4044-2001, были установлены следующие ее минимальные значения для марок:
- БНД 40/60 - не менее 0,12 МПа;
- БНД 60/90 - не менее 0,08 МП;
- БНД 90/130 - не менее 0,06 МПа;
- БНД 130/200 - не менее 0,04 МПа.
Полученные результаты были положены в основу разработки «Изменения № 4» к ДСТУ 4044-2001 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия», выполненной кафедрой ТДСМиХ по заказу Государственного агентства автомобильных дорог Украины.
Рациональность выбора нормирования по маркам показателя когезии, в соответствии с когезионно-пенетрационной зависимостью, подтверждается также зависимостью когезии от показателя пенетрации битума, подвергшегося старению как по применяемому в отечественной практике методу
(ГОСТ 18180-72 [12]), так и по распространенному в мире методу RTFOT [13]. Зависимости когезии от пенетрации битумов до старения и после старения, построенные по данным [14], подтверждают неизменность формы и вида аппроксимационных зависимостей когезии от показателя пенетрации битума (рис. 3).
Когезия коррелирует с показателем глубины проникания иглы битумов как до старения, так и подвергшихся старению. Данные, приведенные на рис. 3, подтверждают более жесткие условия старения по методике RTFOT, что подтверждается меньшими значениями остаточной пенетрации и, соответственно, большим увеличением значений показателей когезии.
0,2
0,15
0,1
□ до старения старение по ГОСТ
•К. N. □ а старен ие по RTFOT
А^—
40
60 80 ^ 100 Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм
120
Рис. 3. Когезионно-пенетрационная зависимость битумов производства Мозырьского НПЗ (Республика Беларусь) по [14]
Когезионно-пенетрационные зависимости битумов, при идентичных условиях определения когезии (толщине слоя и скорости деформирования), чувствительны к сырьевой основе и технологии получения битумов. Данные, приведенные на рисунке 4, свидетельствуют о более высоких значениях когезии, при равности значений пенетрации битумов, полученных путем дистилляции (битумы Nynas шведской фирмы «Akzo Nobel»). Улучшенные битумы ОАО «Мозырьский нефтеперерабатывающий завод» производят путем вакуумной перегонки мазута и последующего непрерывного окисления гудрона кислородом воздуха в аппаратах колонного типа, что близко по технологическим особенностям к производству дистилляционных битумов.
В соответствии с этим когезионно-пенетрационные зависиомсти битумов Nynas
и ОАО «Мозырьский НПЗ» близки, в то время как когезионно-пенетрационная зависимость битумов ПАО «Укртатнафта» располагается ниже.
Рис. 4. Когезионно-пенетрационные зависимости битумов разных производителей по [14]
Эти различия проявляются в большей мере для вязких битумов с пенетрацией до 70 -- 80 х 0,1 мм. При повышении пенетрации, т.е. при переходе битумов от реологического типа «золь-гель» к типу «золь», различия в технологии производства сказываются в меньшей степени, что согласуется с данными о существенном превышении значений когезии битумов типа «золь» по отношению к значениям когезии битумов типа «золь-гель» и тем более «гель», обоснованными в [1].
Учитывая, что до и после старения когезионно-пенетрационные зависимости битумов, описываемые степенным уравнением, совпадают, значение остаточной пенетрации может быть использовано для установления расчетным методом значений когезии битумов, подвергнутых технологическому старению. Это может способствовать прогнозированию сдвигоустойчивости асфальтобетонных покрытий.
Выводы
На основе экспериментальных значений когезии битумов, полученных разными производителями из различного сырья и по различной технологии изготовления, пенетрация которых изменялась в интервале от 19 х 0,1 мм до 435 х 0,1 мм, установлены зависимости когезии от глубины проникания иглы и температуры размягчения, отвечающие уравнениям степенного типа с высокими значениями индексов детерминации и корреляции.
Разработан проект Изменения № 4 к ДСТУ 4044-2001 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия», в который включены минимальные значения коге-зии битумов для всех марок, согласно номенклатуре ДСТУ 4044-2001.
Экспериментально установлена воспроизводимость когезионно-пенетрационной зависимости битумов до и после старения, как по методу тонкого слоя, так и по методике перетекающей пленки, обдуваемой воздухом (RTFOT).
Литература
1. Колбановская А.С. Дорожные битумы /
А.С. Колбановская, В.В. Михайлов. -М.: Транспорт, 1973. - 264 с.
2. Гун Р.Б. Нефтяные битумы / Р.Б. Гун. - М.:
Химия, 1973. - 432 с.
3. Маляр В. В. Cnoci6 оцшки когезшно1 мщ-
hoctî бпуму / В. В. Маляр // Автомобь льш дороги i дорожне бущвництво. -1988. - Вип. 43. - С. 49-52.
4. Золотарев В.А. Технологические, реологи-
ческие и поверхностные свойства битумов. Избранные труды. Т. 1 / В.А. Золотарев. - С.Пб: Славутич, 2012. - 148 с.
5. Babcock Gregg В. Study of Asphalt Binders
using Lap Shear Bonds / Gregg B. Babcock, Robert J. Statz, Diug S. Larson // Proceedings of the 43rd Annual Conference of Canadian Technical Asphalt Association / Canadian Technical Asphalt Association. - Vancouver, Canada. - 1998. - Vol. XLIII. - P. 1-15.
6. Васильев Ю.Э. Разработка системы и ме-
тодики для численной оценки когезион-ной и адгезионной прочностей битума / Ю.Э. Васильев, И.В. Субботин, С.М. Шелест, А.Д. Степанищев // Науковедение. - № 5 (24). - 2014. - C. 1-13.
7. Ahmad N. Asphalt mixture moisture sensi-
tivity evaluation using surface energy parameters / N. Ahmad. - Dissertation (PhD). -
University of Nottingham, Nottingham, 2011. - 286 p.
8. Canestrari F. Adhesive and Cohesive
Properties of Asphalt-Aggregate Systems Subjected to Moisture Damage / F. Canestrari, F. Cardone, A. Graziani, F.A. San-tagata, Hussain U. Bahia // Road Materials and Pavement Design. - 2010. - Vol. 11. -P.11-32.
9. Eurobitume TF Data Collection. Position
Paper on Test Methods used during the Data Collection. - Brussels, Belgium. European Bitumen Association, 2009. -37 p.
10. Пыриг Я.И. Определение когезии битум-
ных вяжущих на когезиометре КХД-1 / Я.И. Пыриг, А. В. Галкин, В. А. Золотарев // В1сник Донбасько! нацюнально! академй бущвництва i архнектури. -2013. - Вип. 1. - С. 71-77.
11. Золотарьов В.О. Глибина проникнення голки як характеристика опору бпуму зсуву / В. О. Золотарьов // Автошляховик Украши. - 2012. - № 1. - С. 25-29.
12. ГОСТ 18180-72 (CT СЭВ 4543-84). Биту-
мы нефтяные. Метод определения изменения массы после прогрева (с Изменениями № 1, 2, 3). - Введ. 1974-01-01. -М.: Стандартинформ. - 4 с.
13. EN 12607-1:2007 Bitumen and bituminous
binders. Determination of resistance to hardening under the influence of heat and air. - Part 1: RTFOT method. - Brussels: European committee for standardization, 2007. - 18 p.
14. Золотарев В.А. Сравнительное исследование окисленных и остаточных битумов в статическом и динамическом режимах старения / В.А. Золотарев, И.В. Копинец // Дороги и мосты. -Вып. 35. - 2016. - С. 215-232.
Рецензент: С.Н. Толмачёв, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
