Нов метод за стари битуми в лабораторията

Нов метод за стари битуми в лабораторията.

Статията описва процеса на разработване на процедура за стареене на тънък (300 μm) филм за кратко и дълго време. Новата процедура се разработва като алтернатива на използваните методи за тестване: тънък слой в пещта (RTFO) и стареене под налягане (PAV). Нова техника, наречена прост метод за стареене (SAT), може да се използва за чисти и модифицирани битуми и емулсионни остатъци. Преди изпълнението на стратегическата програма за пътно изследване, имаше значителен интерес от стареене на тънкия филм при статични условия. RTFO обаче е приет за краткотрайно стареене, тъй като за тестове на реометър с извит лъч се изисква голямо количество стар асфалт. От приемането на RTFO техниката като стандарт, някои проблеми са идентифицирани, когато се опитват да я прилагат за стареене на силно модифицирани стипси. В случая на топли смеси, техниката RTFO при по-ниски температури (симулираща ниска производствена температура) може да наложи определени ограничения върху валцоването на фолиото за равномерно стареене на материала. Наскоро развит плазмометър с динамично срязване (DSR) с паралелни плочи от 4 мм позволява тестване при температури до -40 ° C, изисква само 25 мг свързващо вещество и позволява оценка на m-стойността и твърдостта на изместване за реометър с извит лъч. Използването на тази техника в комбинация със SAT ни позволява да определим реологията на битум, на краткосрочен и дългосрочен, при ниски и средни температури. Освен това има достатъчно количество стари материал, за да се използва плазметър тип DSR с 25 мм плочи. Техниката SAT премахва проблема с "изваждането" на проби за полимерно модифицирани и топла асфалти. При тестването на няколко типа битум, използвайки SAT техника, времето за стареене и температурата на стареене бяха намерени еквивалентни на тези параметри, използвайки техниките RTFO и PAV.

въведение

Втвърдяване по време на стареене под въздействието на окисляване е процес, който се получава при полагане на гореща смес, а също и по време на жизнения цикъл на пътната повърхност. Той оказва значително влияние върху характеристиките за ефективност на покритието, като изтъняване, разслояване и напукване и в резултат на това, трайност. Симулацията на стареене при лабораторни условия е изключително важна за разработването на спецификации, основаващи се на характеристиките на производителността. Това изследване описва нова техника за тестване на окислителни проби от тънък филм, които дават резултати, равностойни на стандартните техники за търкаляне на тънки слоеве в пещта (RTFO, метод ASTM D2872) и стареене в камера под налягане (метод PAV, ASTM D6521) за чист битум. Постигнатото, което направи възможно да се осигури ефективността на тестването на тънък филм (няколко стотин нанометра) - новоразработената техника на динамична пластична плазма, която позволява тестването на проби при температури до -40 ° C, изисква само 25 mg от пробата и включва корекция на деформацията на инструмента [ ].

Техниката за изпитване на фин битуминозен филм в пещ е разработена в началото на 60-те години от Hveem [2] и е приета от ASTM през 1970 г. По време на изпълнението на Стратегическата програма за пътни изследвания, тя е избрана като стандарт за моделиране на краткосрочното втвърдяване при стареене, което се случва при полагането на покритието. Понастоящем техниката се използва в спецификациите на Bitumen Superpave.

Основното предимство на процедурата за изпитване на фин битумен филм в ротационна пещ (RTFOT) преди тестването на тънък филм в статична пещ (TFOT, ASTM D1754 метод) е, че когато стъклените съдове се въртят, голяма повърхност на пробата се подлага на стареене. Въпреки това броят на въртенето и ефектът върху прясната повърхност на пробата варират в зависимост от вискозитета на битума преди началото на тестовете и промените в вискозитета по време на теста. Процесът на смесване и разбъркване на битум в колбите също е усложнен от полимерната модификация на битума. Намаляването на температурата на тестовете RTFO, за да се симулира окисляването, възникващо по време на производството на топли смеси, причинява подобни трудности.

Намаляването на обема на въртене или пълното премахване на въртенето по време на RTFO тестове за силно модифициран битум е проблем, който е известен от няколко години [3]. Бахия [3] предложи да го реши, като потопи стоманения прът в колба и по този начин осигури разпределението на филма. Експериментите, проведени от Федералната администрация по магистрали и Югоизточната група производители на асфалт, показват, че стоманените пръчки намаляват стареенето на битум (модифициран и немодифициран) и стимулират потока на битум (и двата вида) от колбите [4]. Въпреки че стоманената пръчка допринася за потока битум от колбата, полимерно модифицираният битум често тече над ръба на луковицата, дори ако пръчката не е. Причината за това е ефектът на Weissenberg (издигането на виско-еластичен флуид по въртящия се пръстен) [5]. Предполага се, че еластичната сила (опъване на полимерните вериги), причинена от въртенето на стъклените крушки, води до появата на положителна вертикално насочена сила, която кара битума да се издига по вътрешните стени на колбата.

Решаването на тези проблеми формира основата за работата на Западния изследователски институт (WRI) по нова техника за краткосрочно и дългосрочно остаряване, която се нарича проста процедура за стареене (SAT). Тази статия е посветена на нея.

Към методологията SAT, като алтернатива на RTFO и стандарта RTFO / PAV, са представени следните изисквания:

1) Степента на стареене трябва да бъде еквивалентна на тази на метода RTFOT. Докато спецификациите Superpave се основават на резултатите от теста RTFOT, всяка нова техника трябва да бъде в съответствие с процеса на стареене на RTFOT за чист битум.

2) Простота, няма нужда да почиствате колбите. Процедурата по теста трябва да позволи поставянето на проба с къса възраст директно в пещта за дългосрочно стареене.

3) Количеството получен битум трябва да бъде достатъчно, за да се определи степента на индекса на проникване (SHRP PG) и химическия състав.

4) Когато поставяте или изваждате проби, не трябва да се използват разтворители, което е особено важно за полимерно модифицирания битум.

5) Дебелината на фолиото трябва да е ниска, за да се отстранят проблемите с кислородната дифузия, които се съдържат в тестовете с фиксирана форма (TFOT).

6) Процедурата трябва да позволява понижаване на температурата, за да се симулират условията за производство на топлата смес.

7) Времето за тестване трябва да бъде по-кратко от това на теста RTFO или RTFO / PAV.

8) Цената на методологията трябва да бъде ниска.

9) Процедурата трябва да позволява стареене на филмите от емулсионната утайка.

Окислителното стареене на филма (дебелина на няколкостотин микрона) е в състояние да удовлетвори всички горепосочени изисквания, но за последващите изпитвания на битум от SHRP ще е необходима много голяма площ от пробата. По-специално, проблемът е тестването на реометър с извит лъч, тъй като за всяка проба от пръчици са необходими 15 g битум и са необходими няколко такива проби. Тестовете за SHRP при средни и високи температури се извършват на динамичен срязващ пластомер (DSR), който изисква само няколко грама битум.

Вече е казано, че изобретяването на динамичен срязващ платометър (DSR) с 4-милиметрови паралелни плочи позволява тестване при температури до -40 ° С, изисква само 25 mg свързващо вещество и позволява оценка на m-стойността и твърдостта на преместване [6] за реометър с извита лъч. Освен това ще бъде дадено по-подробно описание на тази технология. Нейната комбинация с метода на стареене на филма е алтернатива на метода RTFOF. Освен това, след теста, остава достатъчно битум за теста SHRP при ниски, средни и високи температури.

Изследването и разработването на нови тестове през последното десетилетие имаше следните цели:

А) След изпитването се приготвят няколко грама битум за последващо тестване на реометър с огъващ се лъч;

Б) Решаване на проблема с изтичането на битум от колбата по време на теста RTFO;

В) Разрешете проблема с валцувания с полимер модифициран битум за изпитването RTFOT.

Примери за това са следните методи: тест за стареене в ротационен цилиндър (RCAT) [7], модифицирана немска ротационна крушка (MGRFT) [4], тест за принудителна вентилация (SAFT) [8].

Експериментална част, материали

Пластометрия по принцип на динамично срязване върху 4-милиметрови успоредни пластини

Несъгласието относно глицериновия модул в стъкловидно състояние (Gg) накара Шрьотер [9] да разработи метод за коригиране на грешката на динамичния режещ реометър, такелажа и пластините му. Sui [1] приложи тази корекция върху измерванията на динамичното изместване на битум при ниски температури (~ 5 ° C ... -40 ° C) върху 4 mm паралелни плочи с междина от 1,7 mm (в тази статия този метод се нарича 4 mm динамична пластинка ).

При ниска честота (висока температура) битумът е подвижен и корекцията на грешката на инструмента е незначителна. При висока честота (ниска температура), съответствието се променя и за да се получи истинската величина на крехкия фрактурен модул на битум, се прилага регулиране на измерванията на срязващия пластомер.

За тестване е необходимо само 25 мг материал (на практика - около 150 мг за вземане на проба по шаблон), което е с няколко порядъка по-малки от необходимото, за да се направи лента за тестване на реометър с извит лъч.

Необходимо е предварителното кондициониране на пробите. Разделителят в реометъра се държи при относително ниска температура (60-70 ° C).

В това изследване, изследването на реологичните свойства се извършва с използване на 4-милиметров резонометър с режещ реометър. M-стойността и твърдостта на срязване S (t) се оценяват чрез корелация с 4-милиметровата динамична плазмерия, разработена от Sui [6]. При метода Sui основният наклон и величината на модула за отдръпване на срязващото напрежение G (t) корелират в продължение на 2 часа със съответните стойности на S (t) и m за 60 секунди при температура 10 ° C над истинската ниска температура за дадена степен, получена В резултат на измервания върху реометър с огъване на лъча. Методът Sui бе променен чрез измерване на ъгъла на наклона и на стойността G (t) за 60 секунди при температура с 10 ° C по-висока от степента за клас за PI. Реологията при средни и ниски температури се измерва на плочи с диаметър 8 mm и диаметър 25 mm.

Общата трансформация на динамичния модул на еластичността G '(ω) в модула на релаксация се извършва чрез уравнението за приближение, получено от Christensen [10]:

G (t) ~ G '(ω) Ω = 2 / πt

Измерванията на динамичен модул на срязване бяха извършени на ротационни динамични режещи репормери Malvern Kinexus и TA ARES. Промяната на честотата се отчита на интервали от 15 ° С в диапазона от -30 до + 45 ° С с ъглова честотна граница от 0,1 до 100 rad / s. При ниски температури високочестотната граница на почистването е намалена до 50 rad / s.

Технологията за прилагане на 4-милиметров динамичен режещ реометър може да се използва "на полето" за анализ на микропробите при оценяване на качествените свойства на покритието и анализа на материалите за описване на реологичните свойства на битум и регенерирано свързващо вещество при средни и ниски температури за описване на реологията на емулсионния слой и материала за пълнене на пукнатини , Както и да се разработи метод за тестване на тънък филм - обект на тази статия.

Инфрачервена спектроскопия

ИЧ анализът се провежда в режим "лумен" в камера с диаметър 1,0 мм с проба от 50 мг битум на 1 мл въглероден дисулфид. При 32 цикъла на сканиране, оборудването Perkin Elmer Spectrum 100, разделителна способност 4 см-1.

материали

Таблица 1 описва видовете проучвани битуми. Проби са взети от резервоари по време на строителството на пътища. Три от четирите свързващи вещества са получени от тестовия сайт в Рочестър, Минесота, САЩ (построен през 2006 г.). Битум "MB" (Manitoba) е получен от тестовата площадка за тестване на топли смеси в Манитоба, Канада, построена през 2010 г.

Резултати и обсъждане

Разработване на SAT методология, нейното сравнение с RTFO и RTFO / PAV

Трябва да се помни, че идеята за SAT не е нова. Застаряването на тънкослойно битумно фолио за симулиране на краткосрочно и дългосрочно окислително стареене, възникващо при действителни условия на експлоатация, е обстойно изследвано през последните 70 години. Анализът на източника е извършен от Airey [11].

Разработването на метода SAT се състои в адаптиране и задълбочаване на съществуващите проучвания за стареене на тънки слоеве, по-специално в Glover studies [8, 12] и Petersen [13]. Добавянето е използването на 4-милиметров реометър за динамична смяна, което позволява разглеждането на тази техника като алтернатива на RTFOT.

В разработването на SAT, една от задачите е да се осигури минимална дебелина на слоя и по този начин да се намали ефекта на дифузия. Дебелина от 300 nm беше избрана чрез метода на изпитание и грешка , което направи възможно да се осигури тънък филм без използване на разтворител. Обемът на пробата за реологични и химични изследвания се превърна в друг ограничаващ фактор.

Доклади от теста SAT са дадени в таблица 2: краткосрочен тест за топла асфалтова смес при температура 130 ° C в продължение на 50 минути в пещ с принудително въздух. Протоколът е предварителен, тъй като понастоящем току-що започнахме работа, сравнявайки стареенето, извършено по този протокол, и стареенето, което действително се случва на пътя, където се полага топлата смес.

На фиг. 2 показва последното разработено устройство за кратко- и дългосрочно стареене на тънък филм чрез SAT метод. Плочата има 3 слота за стареене на 3 различни фолиа, като всяка от тях изисква 1,00 грама битум, което дава дебелина на филма приблизително. 300 nm.

Приготвянето на тънкослойно битумно фолио за тестване се извършва по следния начин. Стойка под налягане (до 120 ° С) се поставя в запечатана работна кутия, напълнена с азот, и върху нея е поставена SAT тестова плоча (с битум). При нагряване до 120 ° С битумът се разпространява около 2/3 от площта на плочата. С шпатула битумът се разстила върху останалата част от повърхността на плочата, след което се оставя в кутията за няколко минути, така че повърхността на битуминозния филм да се изравнява. След това плочата се отстранява от нагревателната подложка и се оставя в азотна напълнена камера, за да се охлади до стайна температура (23 ° С).

В края на плочата се вмъква дупка за поставяне на термодвойка, с помощта на която се записва температурата в пещта с принудително въздух. Плочата се поставя върху предварително загрят алуминиев блок, който осигурява бързо нагряване на плочата за изпитване в пещта. На фиг. 3А показва данните за температурата в пещта (данни за термодвойките в плочата). Регистрацията е извършена за 50 минути, температурата в пещта е 150 ° С. Температурата на плочата се повишава бързо от стайна температура до ~ 140 ° С и достига 146 ° С след 50 минути.

Схема на краткосрочно и дългосрочно стареене е показана на фиг. 3B. Размерите на плочата са избрани така, че плочата да може да бъде поставена в таблата на стандартен съд под налягане.

Установено е, че дебелината на тест филм от 300 пМ в продължение на около 40 часа в сушилня с принудително удар при 100 ° С и налягане от 0,74 атм даде резултати, съответстващи PAV стандарт (ASTM D6521) за филм с дебелина тест 3.2 mm при 20 атм в стандартната тава. Продължителност на 40 часа е приблизителна, тъй като има разлика в налягането на битуми стареене [14]. Стареене на филма 300 пт дебел в контейнер под налягане 20 атм в продължение на 8 часа, произведени само ниво стареене при стандартен тест с тава и дебелина на филм съгласно спецификациите.

За да се определи приблизителното време и температурата, при която симулирана застаряването, сравнима с тази на стандартите и RTFO RTFO / Пав, е бил използван IR спектроскопия. Първоначална прогнозна данни след това се сравнява с показанията реологичните анализ. Например, на фиг. 4А показва сравнение на IR спектри (сб, RTFO, RTFO / ПАВ) битум "MV" на протоколите, изброени в Таблица 2. На фиг. 4В показва съответния данни реологичният анализ - комплекса срязване модул G * (ω). Тя може да се види, че спектрите са много сходни.

Сравнение на IP и реология

Таблица 3 показва сравнение на SP битум възраст за RTFO технологии, RTFO / ПАВ и сб Установено е, че в краткосрочен план и за дългосрочно стареене на резултатите, получени с помощта на различни технологии са в добро споразумение.

Метод сб няма значителен ефект върху SP битум (включително, когато се изпитва съгласно протокола ST сб HMA LT FDO, които могат да се различават от условията на изпитване ST сб LT ПАВ и RTFO / ПАВ поради излагане на разликата в налягането. Резултатите са много сходни.)

Сравнение на ниска SP (т-стойност), средно (G * / sinδ) и висока (G * / sinδ) температура до методи SAT, RTFO и RTFO / ПАВ показани съответно на фиг. 5, 6 и 7. При SP анализ при ниска температура показва само т-стойност като битуми са изследвани м контролирано. Стойностите са дадени с точност от един оператор от ASTM (D2S%). Например, точността на един оператор m големина в ASTM D6648-08 е 4.0%.

Грешката на един оператор е стойността за експериментите, извършвани на един-единствен оператор в една лаборатория реометърната. Три от четирите вида битум отговарят на посочените нива на точност, което означава, че данните на реологията, получени по методите на сб и RTFO RTFO / ПАВ сравними.

Процентното изменение в маса

Процентът на промяната в теглото от процедура RTFO застаряването на се измерва съгласно метода AASHTO T240. Промяната на тегло в кратък метод за стареене сб се измерва по същия начин, т.е. промяна битум маса се изразява като процент от първоначалната маса. Загубата на маса е отрицателен, увеличението - положителен. загуба на тегло често се наблюдава по време на изпитването RTFOT, въпреки че увеличението е възможно [15]. Сравняване на промени в теглото по време на изпитването на SAT и RTFO методи са дадени в Таблица 4.

Две асфалт в разликата в процентно изменение на теглото е незначителен. Други тестове могат да се видят, че методът на SAT е по-голяма загуба на тегло, отколкото RTFO, въпреки че само леко. Да се твърди, че SAT е статистически различна от RTFO точка на загуба на тегло оглед, да изискат допълнителни експерименти.

заключение

В изследването на чисти сравнения битум показа, че метод сб дава резултати, сравними с резултатите от тестове за стандарт и RTFO RTFO / ПАВ от гледна точка на реологията, и в по-малка степен, сравнима по време на изпитванията за разлагане на карбонила и сулфоксид.

Комбинацията на метода с наситен тестове на 4 mm реометър динамичен срязване с паралелни пластини за определяне на реологичните свойства и спецификация параметри (m стойност и срязване скованост) при ниска температура. За да изпълните кратък стареене на метод SAT изисква само на 50 минути, 35 минути, по-малко, отколкото е необходимо за RTFOT стандарт.

По-важното е, защото в дългосрочен план стареене под налягане в съда по метода на SAT изисква 8 часа, в продължение на 12 часа напред от стандарта, изискван за тест ПАВ. Понастоящем е в ход за САТ метода на приложение на полимер-модифицирани битумни емулсионни утайка възстановени битум, както и за моделиране на оксидативния стареене, което настъпва при производство растение топла смес работа.

Всяка плоча на метод за изпитване сб позволява да се получат 3 г на възраст битум. Това е достатъчно, за да се опише реологичните и химичните свойства при ниска, средна и висока температура. Ако имате нужда от допълнителна възраст свързващо вещество може да се приготви и се подлага на стареене в същото време няколко плочи.

Статия: Нов начин на стареене на битум в лабораторията.

Apkalimov Денис, LLC "EPC" Ротор "