CC BY
30
УДК 691.16:539.611
УСЛОВИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОГЕЗИОИИОЙ ПРОЧНОСТИ БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО
А.В. Галкин, к.т.н., с.н.с., Я.И. Пыриг, к.т.н., с.н.с., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрен вопрос влияния условий подготовки образцов и проведения испытания на результат определения когезионной прочности битумных вяжущих. В соответствии с полученными результатами установлены численные значения требуемых параметров и определены допустимые отклонения, нормированные в проекте ДСТУ «Метод определения показателя когезии».
Ключевые слова: битум, когезия, когезиометр, относительная скорость деформации, температура размягчения.
УМОВИ ВИЗНАЧЕННЯ К0ГЕ31ЙН01 М1ЦНОСТ1 Б1ТУМНОГО В'ЯЖУЧОГО
А.В. Галкш, к.т.н., с.н.с., Я.1. Пир1г, к.т.н., с.н.с., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Розглянуто питання впливу умов тдготовки зразюв i проведения випробування на результат визначення когезтног мщност! бтумних в'яжучих. Bidnoeidno до отриманих ре-зультат1в встановлено чисельт значения Heo6xidnux napaMempie i визначено donycmuMi eidxu-лення, нормоват у npoeKmi ДСТУ «Метод визначення показника когезп».
Ключов1 слова: бтум, когез1я, когез1ометр, eidnocna швидюстъ деформацИ, температура розм 'якшеност!.
CONDITIONS OF MEASUREMENT OF BITUMEN BINDERS COHESION
STRENGTH
A. Calkin, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher, Ya. Pyrih, Ph. D. (Eng.), Sr. Researcher, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The problem of influence of samples preparation conditions and conducting tests on the result of determining the cohesive strength of bitumen binders is considered in the given article. On the basis of experimental studies, the numerical values of required parameters are established and the permissible deviations normalized in the DSTUproject «Method for the Cohesion Value Definition» are determined.
Key words: bitumen, cohesion, cohesiomether, relative strain rate, softening point.
Введение
Когезия является одной из фундаментальных характеристик вещества, лежащих в основе прочностных свойств твёрдых и вязко-упругих тел. Когезионная прочность может предоставить более информативные сведения о свойствах органических вяжущих по сравнению с условными характеристиками, используемыми в отечественных стандартах,
что позволит с большей точностью прогнозировать поведение асфальтобетонов в покрытиях.
Анализ публикаций
К настоящему времени существующие методы определения когезионной прочности битумного вяжущего можно условно разделить на две основные группы. Первая из них оце-
нивает способность вяжущего удерживать зерна минерального материала на поверхности асфальтобетонного покрытия. В этой группе для битума, используемого для поверхностной обработки, методы определения когезии имитируют отрывающие усилия, возникающие под действием колеса автомобильного транспорта. Наиболее известными из этих методов являются: маятниковый метод определения когезии Vialit согласно EN 13588-2008 [1], метод определения клеящей способности битумной эмульсии -Frosted Marble Cohesion test [2]; метод определения силы адгезионного или когезионно-го отрыва слоя битума от поверхности каменного материала - Bitumen Bond Strength Test [3].
лучаемых данных. Также для численных значений требовалось определить допустимые отклонения, позволяющие получить результат с достаточной точностью.
Условия подготовки образцов
При определении когезионной прочности по максимальному сопротивлению сдвигу битумной плёнки необходимо обеспечить строго фиксированную толщину образца. Для толщины в 200 мкм (0,2 мм) это достигается деформированием 28,8 мг битума между рабочими плёнками до получения пятна диаметром 12 мм. Ограничителями служат мерные пластины такой же толщины, размещаемые между плёнками (рис. 1).
Другая группа методов связана с определением когезионных характеристик вяжущего как составляющей асфальтобетона. К этой группе можно отнести испытания, адаптированные для оценки когезии: по дуктильности (EN 13589, EN 13398), по прямому растяжению методом DTT. Также существуют разработки фирмы DuPont [4] и МАДИ [5], изначально направленные на определение когезии битумов.
Всем указанным методам присущи определённые недостатки. Так, условия оценки битума как составляющего поверхностной обработки не отвечают условиям их работы в, асфальтобетонном покрытии, испытания, адаптированные для оценки когезии, отличает высокая стоимость оборудования; в более простых методах оценки когезии зачастую не контролируются основные параметры - скорость деформации вяжущего и температура проведения испытания. В ХАДИ изучение когезии битумных вяжущих ведётся в развитие исследований A.C. Колбановской, выполненных в СоюзДорНИИ [6]. С 1985 г. разработаны несколько прототипов когезио-метра, установлены оптимальные схемы проведения испытания. Накопленные экспериментальные результаты имеют целью разработку проекта ДСТУ "Метод определения показателя когезии".
Цель и постановка задачи
Для обеспечения надёжности результатов необходимо было установить условия подготовки образцов и проведения испытания, обеспечивающие минимальный разброс по-
Рис. 1. Схема размещения навески битума при приготовлении образцов
Для ускорения приготовления образца на верхнюю стеклянную пластину устанавливается нагретый груз 0,5 кг. При превышении определенной температуры разогрева груза ограничители не останавливают уменьшение толщины битумного образца - диаметр пятна продолжает увеличиваться (рис. 2).
Рис. 2. Динамика изменения диаметра образца битума БНД 90/130 при разных температурах нагрева груза
Для всех исследованных битумов критической температурой, при которой проявляется указанный эффект, является температура, превышающая температуру размягчения на 30 °С. Эта температура, вероятно, является температурой, при которой битум приобретает подвижность, достаточную для проявления эффектов смачивания поверхности плёнок.
Для того чтобы избежать как получения толщины меньше требуемой, так и неоднородности толщины по площади пятна, максимальная температура разогрева была ограничена температурой, превышающей температуру размягчения вяжущего на 20 °С. Достаточность этого условия была проверена на битумах БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130 и битумополимере с концентрацией полимера типа СБС 3, 4 и 5 % (табл. 1).
Таблица 1 Динамика изменения диаметра пятна от времени и температуры для разных вяжущих
Битум П25, 0,1 мм Тр, °С Т А груза? °с Диаметр битумного образца, мм, при длительности нагружения, мин
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Мозырь БНД 40/60 58 52,0 60 4,62 10,69 11,22 11,38 11,42 11,47 11,50 11,58 11,71 11,74
70 4,68 12,13 12,31 12,46 12,55 12,63 12,70 12,72 12,79 12,81
80 4,67 12,78 13,05 13,53 13,59 13,62 13,75 13,97 14,05 14,08
Мозырь БНД 60/90 77 48,5 60 3,97 11,31 11,47 11,65 11,70 11,79 11,79 11,85 11,87 12,01
70 4,47 12,08 12,49 12,64 12,69 12,81 12,96 12,98 13,22 12,99
Мозырь БНД 90/130 106 46,0 60 3,96 12,54 12,78 12,99 13,02 13,10 13,26 13,47 13,55 13,60
70 4,40 13,04 13,48 13,82 14,02 14,35 14,53 14,83 14,98 -
40/60 + СБС, % 0 48 49,4 70 4,84 12,19 12,53 12,70 12,88 12,94 12,96 12,98 13,02 13,06
3 36 53,6 70 4,26 12,24 12,62 12,93 12,98 12,99 13,01 13,03 13,05 13,13
4 33 57,4 80 5,26 12,66 13,24 13,62 13,83 14,06 14,16 14,12 14,18 14,21
5 28 77,5 100 5,31 13,22 13,81 14,15 14,40 14,82 14,98 15,12 15,23 15,27
Согласно полученным данным при температуре, превышающей температуру размягчения на 20 °С, образцы всех вяжущих достигают требуемого диаметра в течение 30-60 с.
На стадии предварительных испытаний было изучено влияние времени, прошедшего после приготовления образца до начала испытания, на значение когезии. Более подробно этот эффект был исследован для двух битумов -БНД 40/60 и БНД 60/90 (рис. 3).
Наибольшее изменение значений когезии наблюдается в первые два часа после приготовления образца. После четырёх часов значения стабилизируются, что позволяет ограничить время выдерживания образцов после приготовления четырьмя часами.
Изменение массы груза в пределах от 0,3 до 1 кг не оказало существенного влияния на динамику растекания образцов при приготовлении.
0,18 0,16 0,14 0,12 0,1
0.04
-О
$ ОБН — ОБН Д 40/60 М Д 60/90 У озырьс К1 кртатнаф йНПЗ та
Е&-В- -S— -В-
10
15
Время выдерживания перед испытанием, часы
Рис. 3. Динамика изменения значений когезии битумов от времени, прошедшего после приготовления образцов
Предварительно было установлено, что изменение диаметра образца при равной толщине приводит к увеличению разброса данных. Более детально влияние площади образца на значения когезии при равной толщине проанализированы для двух битумов близкой пенетрации - Мозырьского НПЗ (П25 = 77 х 0,1 мм) и Лисичанского НПЗ (п25 = 77 х 0,1 мм) (рис. 4).
Полученные результаты указывают на существенное возрастание значений когезии при снижении площади менее 100 мм2, что может быть связано как с масштабным фактором, так и с изменением схемы напряжённого состояния. Диаметр образцов в 12 мм обеспечивает площадь в 113 мм2, которая отвечает
зоне стабилизации, что гарантирует минимальный разброс значений когезии при возможном отклонении диаметра в 0,5 мм (при одинаковой толщине образца в 200 мкм).
0,20
0,18
яО.16 с
20.14
йО.12 з>
|0,10
□ Бип ■ Бип ■ум IV ■ум Л ОЗЫ] исич эьскс анск гоН иго Н пз пз
□
О 20 40 60 80 100 120 140 160 Площадь образца битума, мм2
Рис. 4. Зависимость значений когезии битумов от площади образцов при равной толщине
Параметры проведения испытания
Прочностные характеристики асфальтобетонов зависят от скорости приложения нагрузки, что обусловлено природой органического вяжущего, являющегося неньютоновской жидкостью. Изменение скорости растяжения склейки когезиометра изменяет относительную скорость сдвига слоёв вяжущего при проведении испытания. Аналогичное изменение можно обеспечить за счёт разной толщины плёнки битума.
Зависимости когезии от скорости были изучены для всех исследованных вяжущих. На рис. 5 приведена характерная скоростная зависимость когезии для битума исходного и модифицированного разной концентрацией полимера СБС. Изменения когезии при модификации битума полимером происходят в соответствии с изменениями пенетрации, поскольку обе они обусловлены повышением консистентности битума при введении полимера. Для стандартизации метода была принята относительная скорость сдвига, равная одной обратной секунде. При этом высокая чувствительность когезии к скорости сдвига приводит к необходимости ограничения отклонения толщины битумной плёнки в 0,005 мм при общей толщине плёнки 0,2 мм. При принятой скорости движения захватов когезиометра в 0,2 мм/с отклонения скорости растяжения склейки при испытании должны поддерживаться в пределах 0,01 мм/с.
Рис. 5. Скоростные зависимости когезии для битумов и БМП
Наибольшее изменение значений когезии связано с влиянием температуры. Согласно полученным температурным зависимостям когезии для битумов трёх марок (рис. 6) отклонение температуры проведения испытания на 1 °С приводит к изменению когезии на 10 %, что выходит за пределы допустимых отклонений. Таким образом, при стандартной температуре испытания в 25 °С допустимое отклонение было принято в 0,5 °С, но и в этом случае температурный режим определения когезии является фактором, способным вызвать наибольшую ошибку испытания.
0.3? 0.3 •0,2?
я
ф
0.15
1 1 -СЬБНД 40/60 _ -Й-БНД 60/90 ■О—БНД 90/130
__L2_
10 15
:о
25 30 3?
40
Температура, С
Рис. 6. Температурные зависимости когезии для битумов разных марок
Установленные режимы были использованы для трёх марок битумов БНД 40/60, БНД 90/130 и БНД 130/200 и трёх битумополиме-ров, полученных на битуме БНД 90/130 с концентрациями полимера 3, 6 и 9 %. Статистическая обработка полученных результатов приведена в табл. 2.
Согласно полученным данным наибольший разброс значений когезии характерен для
наименее консистентного битума с пенетра-цией 193x0,1 мм, что можно объяснить наибольшей чувствительностью готового
Для битума модифицированного 9 % полимера также отмечено значительное отклонение значений когезии от среднего, что может быть связано как с особенностями подготовки образца к испытанию, связанными с высокоэластическими свойствами подобных БМП, так и с возможной неоднородностью распределения полимера в вяжущем при высоких концентрациях.
Выводы
На основе проведенных исследований в качестве оптимальных приняты следующие параметры подготовки и проведения испытаний: масса образца должна составлять 22,8 ± ± 0,5 мг; толщина образца (толщина мерных щупов) - 0,2 ± 0,005 мм; диаметр образца -12 ± 0,5 мм; температура разогрева груза при приготовлении образца - не выше 20 °С от температуры размягчения; выдерживание образца после приготовления при комнатной температуре - не менее 4 часов; скорость растяжения склейки - 0,2 ± 0,01 мм/с; температура термостатирования образцов и проведения испытания 25 ± 0,5 °С; погрешность измерения усилия при испытании - 0,05 Н.
Литература
1. Bitumen and bituminous binders. Determination of cohesion of bituminous binders with pendulum test: EN 13588-2008 - Brussels.
образца к малейшим деформациям при тер-мостатировании и размещении в зажимах когезиометра.
European committee for standardization. -2008. - 22 p.
2. Howard Isaac L. Performance Oriented Guid-
ance for Mississippi Chip Seals-Volume I / Isaac L. Howard, Walter S. Jordan, Jason M. Barham, Alejandro Alvarado, Ben C. Cox. - Mississippi State University. -2013. - 191 p.
3. Hagos E.T. The Effect of Aging on Binder
Properties of Porous Asphalt Concrete / E.T. Hagos. - Dissertation. - Wohrmann Print Service, Zutphen (The Netherlands). - 2008. -321 p.
4. Babcock, Gregg B. 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.
5. 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.
6. Колбановская A.C. Дорожные битумы /
A.C. Колбановская, В.В. Михайлов. -М.: Транспорт, 1973. - 264 с.
Рецензент: С. Н. Толмачёв, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Таблица 2 Статистическая оценка результатов определения когезии для разных вяжущих
Вяжущее
Значение Б6 Б3 Б0 Б3 Б3 Б3
+3 % СБС +6 % СБС +9 % СБС
Пенетрация при 25 °С, х 0,1 мм 40 120 193 60 47 33
Количество значений 10 10 10 10 10 10
Среднеарифметическое значение, МПа 0,21 0,038 0,016 0,081 0,121 0,209
Среднеквадратическое отклонение 0,011 0,002 0,001 0,004 0,005 0,016
Коэффициент вариации, % 5,23 5,3 8,6 4,53 3,74 7,59
Пределы действительного значения, 0,21 ± 0,038 ± 0,016± 0,081 ± 0,121 ± 0,209 ±
МПа 0,011 0,002 0,001 0,004 0,005 0,013
Относительная погрешность, % 5,17 5,21 6,62 4,82 4,37 6,23
Минимальное количество значений при 5 % относительной погрешности 5,60 5,75 15,14 4,20 2,86 11,79
Минимальное количество значений при 10 % относительной погрешности 1,40 1,44 3,78 1,05 0,72 2,95
