Удосконалення методів визначення механічних характеристик нафтових дорожніх бітумів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАїНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

УДК 625.7.06:691.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАФТОВИХ ДОРОЖНІХ БІТУМІВ

Спеціальність 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

ДЕУДЖА ХАРІ ШАРАН

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківськіму державному автомобільно-дорожньому технічному університеті, м. Харків.

Науковий керівник- доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України, Золотарьов Віктор Олександрович

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Братчун Валерій Іванович, Донбаська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри «Будівельні матеріали та виробництво будівельних конструкцій»

- доктор хімічних наук, професор Плугін Аркадій Миколайович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри «Будівельних матеріалів, конструкції та споруд»

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, м. Харків

Захист відбудеться « 10 » червня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.059.01 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 310002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету.

Автореферат розіслано « 5 » травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О. В. Космін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Вдосконалення системи оцінки якості бітуму є запорукою заростання довговічності асфальтобетонних покриттів, що в свою чергу забезпечує підвищення спроможність дорожніх одягів в цілому протистояти руйнуючій дії значних транспортних навантажень як по величині осьових навантажень так і їх інтенсивності.

Актуальність теми. В усьому світі, в тому числі і в Україні, асфальтобетонні покриття є найбільш розповсюдженим типом дорожніх покриттів. У забезпеченні потрібних експлуатаційних властивостей асфальтобетону важливу роль відіграє бітум.

Механічні та реологічні властивості бітумів, що в основному визначають їх поведінку у дорожньому покритті, є критерієм їх якості. Методам та критеріям оцінки властивостей бітумів зараз приділяється велика увага.

Так, Американська стратегічна дорожньо-дослідницька програма (SHRP) дві третини коштів, що виділено, використала для дослідження бітумів та бітумомінеральних сумішей. Міжнародна дорожня конференція "Схід-Захід" (Варшава - 1993р.), четвертий, п'ятий, шостий симпозіуми "Євробітум" (Мадрід-1989рр., Стокгольм-1993р., Страсбург-1996р.), симпозіум RILEM (Ліон-1997р.), та, нарешті, ХХ Всесвітній дорожній конгрес (Монреаль - 1995р.) велику увагу приділили працям, пов'язаним з дослідженнями властивостей бітуму.

Стандартні методи визначення механічних властивостей бітуму не завжди відповідають його реальній поведінці у покритті та іноді є умовними (наприклад, глибина занурення голки, розтяжність). Для максимально повного розкриття властивостей та розуміння поведінки бітуму необхідно використовувати реологічні методи дослідження, котрі, у свою чергу, дуже складні, трудомісткі та тривалі у виконанні. Звідси виникає необхідність пошуку нових простих та оперативних методів визначення механічних характеристик бітуму.

З урахуванням цього, реологічні характеристики бітумів різних марок та типів досліджені з використанням комплекту приладів, що дозволяють перекрити широкий діапазон температур та швидкостей деформування. На підставі результатів досліджень розроблені розрахунковий та експериментальний методи визначення реологічних характеристик бітуму. Наведено номограми для визначення температури крихкості та пенетрації бітумів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Работа виконувалась в відповідності з науковою програмою Міністерства освіти України «06. Нові речовини і матеріали».

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є визначення закономірностей зміни та взаємозв'язку властивостей бітумів, котрі

визначаються різними методами, та розробка на підставі цього пропозицій з удосконалення методів оцінки якості дорожніх бітумів.

Згідно з метою цієї роботи, поставлено такі задачі:

- вибір об'єктів дослідження, котрі найбільш повно відбивають різновиди бітумів та поверхнево-активних речовин, що застосовуються у дорожньому будівництві;

- розробка методів досліджень реологічних властивостей бітумів, спрямованих на зменшення тривалість експерименту та ємкість проб;

- вивчення в'язких властивостей бітумів у широкій температурній області (від нормальних до технологічних температур) з використанням розроблених у процесі дослідження віскозиметрів; дослідження аномалії в'язкості бітумів та визначення температур виходу до ньютонівської течії;

- вивчення взаємозв'язку поверхневих властивостей з механічними властивостями бітумів; визначення впливу різних поверхнево-активних речовин на поверхневий натяг та в'язкість бітуму у широкому температурному інтервалі; - розробка експрес-методу визначення марки бітуму на невеликих пробах з урахуванням взаємозв'язку в'язкості та поверхневого натягу бітумів;

- розробка пропозицій по удосконаленню системи оцінки якості дорожніх бітумів;

Наукова новизна одержаних результатів

- Теоретично доказана та експериментально підтверджена можливість застосування удосконаленого віскозиметру "micro- RHEOTESTER", котрий працює за принципом нитки, що відновлюється, для визначення в'язкості бітумів, а також запропоновано модифікований прилад Волоровича М.П., у якому використано конструктивно більш досконалий вузол пластовіскозиметру ПВР-2.

- Розроблено розрахунково-графічний метод визначення температури крихкості, котрий ґрунтується на взаємозв'язку температури випробування, температури приведення, як половини інтервалу пластичності бітуму та логарифму глибини занурення голки, котрий забезпечує абсолютну похибку не більш 3,5°С.

- Експериментально доказана неспроможність використання, як еквівя'зкої температури, температури розм'якшення. Більш достовірною еквів'язкою температурою запропонована температура, котра дорівнює середині інтервалу пластичності та відповідає в'язкості близько 180 кПа.с.

- Визначено кореляційний зв'язок критичної температури зміни поверхневого натягу з температурою переходу бітуму від неньютонівської до ньютонівської течії (коефіцієнт кореляції 0,99).

- Визначено кількісний взаємозв'язок поміж пенетрацією та істинною в'язкістю на підставі урахування структурних та реологічних особливостей бітумів шляхом оцінки енергії активації їх в'язкої течії, що дозволяє при застосуванні "microRHEOTESTER" визначити істинну в'язкість за короткий проміжок часу (у границях 30 хвилин). Запропоновані рівняння та номограма для визначення з похибкою 6-15% розрахункового значення глибини проникнення голки.

Достовірність результатів роботи підтверджується: надійною кореляцію (rxy=0,90-0,95) даних, отриманих різними методами; співпаданням меж аномалії бітумів, визначених за критеріями в'язкості та поверхневого натягу, що свідчить про спільність фізичної суті цих критеріїв; досить доброю відповідністю (в межах 6%) між в'язкістю та глибиною проникання голки, що дозволяє використовувати запропоновані залежності для практичного використання.

Практичне значення роботи полягає у тому, що на підставі експериментальних досліджень в'язкостних характеристик бітумів різних марок, структури та походження методами, що охоплюють широкий діапазон температур та швидкостей зсуву, запропоновані експрес-методи визначення температури крихкості та пенетрації бітуму, котрі суттєво підвищують рівень контролю якості при його виробництві, прийманні та застосуванні.

Реалізація роботи. Результати досліджень було використано при будівництві асфальтобетонних дорожніх покриттів у м.Харкові (підприємства "Доррембуд", АТ "Будінвест"), м.Орлі (АТ "Орелдорбуд"), м.Кіровограді (Кіровоградський облавтодор).

Особистий внесок здобувача. Автору належать: ідея розробки оперативних та достовірних методів оцінки в'язкості бітумів у широкому діапазоні температур; розробка модіфікованого віскозіметра М.П. Волоровича; обґрунтування можливості використання для дослідження бітумів віскозіметра «microRHEOTESTER» та його удосконалення; результати вимірювань в'язкості, поверхневого натягу бітумів; метод та номограма експериментально-розрахункового визначення температури крихкості бітумів; прискорений метод визначення глибини проникання голки по значенням в'язкості бітуму.

Апробація роботи. Результати роботи відображені у звітах про науково-дослідну роботу кафедри ТДБМ з підприємствами "Доррембуд" (м.Харків), АТ "Орелдорбуд" (м.Орел), а також у тезісах Міжнародного Симпозиума з реології (м.Саратов, 1994р), Російської науково-технічної конференції (м.Суздаль, 1994р), Конференції, присвяченій 50-річчю Київського автодорожнього інституту (м.Київ, 1994р), у стендовій доповіді на ХХ Міжнародному Конгресі дорожників (м.Монреаль, Канада, 1995р), у тезісах Міжнародної Конференції "Ресурсозбереження та екологія регіону" (м.Донецьк, 1995р) та виступах на науково-технічних конференціях викладачів та співробітників дорожньо-будівельного факультету Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (з 1992р. по 1998рр.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 4 статті та 6 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку літератури з 121 найменувань. У роботи 200 сторінок друкарського тексту, в тому числі 130 сторінок основного тексту, 45 рисунків, 13 таблиць та 6 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраного напрямку досліджень, мета досліджень, наукова новизна, практичне значення.

У першому розділі розглядається стан наукової проблеми та дається аналіз літературних джерел по ній. Традиційна система оцінки, котра включає стандартні характеристики (глибина проникнення голки, температури розм'якшення та крихкості, розтяжність та ін.), має головну хибу- недостатню відповідність традиційних методів та схем випробувань умовам праці в'яжучого у дорожньому одязі. З метою ліквідування цієї невідповідності Європейський Центр з нормалізації включив до проекту Європейського стандарту технічних вимог до дорожніх бітумів показники: динамічної та кінетичної в'язкості; границь зміни втрати маси при нагріванні, пенетрації та температури розм'якшення після старіння у тонкому шарі, що обертається. Проте такий підхід, властивий Західній Європі, відхиляється Північно-Американськими дорожньо-дослідницькими структурами.

Виконання у США програми SHRP/SUPERPAVE дозволило її розробникам запропонувати принципово нову схему, яка базується на реологічних показниках. До реологічних характеристик, що включені до системи SHRP, належать: модулі пружності та втрат, модуль жорсткості, гранична деформація розтяжністі, коефіцієнт пластичності. Припускається, що реологічні показники у повній мірі відповідають умовам праці бітуму у покритті та дозволяють прогнозувати поведінку асфальтобетону у будь-якій кліматичній зоні. Згідно SHRP, критерієм оцінки внеску бітуму у зсувостійкість асфальтобетону є мінімальне припустиме значення показника комплексного модуля, розділеного на синус кута механічних втрат (100 кПа). Тріщиностійкість прогнозується по максимально припустимому значенню модуля жорсткості (300 МПа) при критичних температурі та коефіцієнті пластичності, а також відносному подовженню (менш 1%) при тієї ж критичній температурі для регіону; критерієм втомленості править модуль динамічних втрат (менш 5 МПа) при середній температурі для прийнятого регіону, а також мінімально припустимі значення коефіцієнту пластичності.

За комплексом прийнятих показників та необхідних для їх визначення приладів система SHRP є надзвичайно складною та коштовною. Зараз вона неприйнятна для абсолютної більшості держав світу. У цих умовах знов набуває актуальність задача визначення взаємозв'язку поміж традиційними стандартними та реологічними характеристиками бітумів. Вирішенню цієї задачі присвячені праці багатьох дослідників: Ж.Ф.Пфейфера, Р.Н.Сааля, Ван Дер Поля, Р.Н.Тракслера, Ж.Карре, Ж.Р.Добсона, Ж.П.Дуті, Р.Жонгепіра, Г.Рамонда, Б.Бруле, Д.А.Андерсона, В.Аранда, Д.Сібільскі, Л.М.Гохмана, В.О.Золотарьова, Б.Г.Печеного, Б.С.Радовського, А.В.Руденського.

Аналіз стану питання про систему оцінки якості дорожніх бітумів приводить до висновку про необхідність комплексного підходу до його вирішення. Такий підхід припускає поглиблення передбачень про реологічну сутність стандартних показників та включення до системи оцінки якості дійсно реологічних характеристик, до яких в першу чергу належать в'язкість, аномалія в'язкості, температура фізичного стану бітуму. При цьому обов'язковою умовою є розробка доступних технічно та економічно відповідних методів та приладів.

У другому розділі розглянуто теоретичні передумови дослідження. Концептуальною передумовою даної роботи є положення про те, що об'єктивне порівняння механічних властивостей бітумів можливе при умові ідентичності їх фізичного стану, тобто при умові, що порівняльні показники властивостей визначаються при температурах, рівновіддалених від критичних температур.

Відповідно даним реології та термопластичності, бітуми знаходяться у трьох основних фізико-реологічних станах: склоподібному, в'язкопружньому та в'язкотекучому. Питання про критерії переходу з одного стану до іншого залишається невирішенним. Найбільш простим було б рішення прийняти як температуру склування температуру крихкості, як температуру дійсної течії - температуру розм'якшення. Обидві ці температури пов'язані з глибиною проникнення голки пенетрометру. При температурі крихкості глибина проникнення голки пенетрометру при випробуванні усіх бітумів дорівнює 1,25*0,1 мм, а при температурі роз'мякшення -800*0,1 мм.

В зв'язку з цим можливо було б припустити, що кожна з зазначених температур є еквів'язкою температурою. Але літературні дані не завжди підтверджують цю позицію. Для бітумів, які суттєво відрізняються складом та структурою, спостерігається зміна в'язкості при розглядаємих температурах. Крім того, не доведено, що температура розм'якшення є температурою переходу бітуму до ньютонівського типу течії. Проте, беручи до уваги те, що інтервал пластичності є одним з критеріїв структурного типу бітуму, у роботі зроблено спробу ув'язати ці температури з глибиною проникнення голки пенетрометру, виставляючи останню як функцію температури приведення.

Температура приведення, за антологією з методом температурно-часової суперпозиції ВЛФ, дозволяє привести температурні залежності пенетрації різних бітумів до одної узагальненої залежності.

При прийманні як інтервалу (ІП) в'язкопружності (пластичності) відомої різниці

бітум в'язкість дорожній поверхневий

ІП = ТР - ТКР, (1)

можливо використати як базову температуру відліку температуру середини інтервалу пластичності (ТСІП):

1 1 1

ТСІП = ТР - ѕ (ІП) = ТКР + ѕ (ІП) = ѕ (ТР + ТКР) (2)

2 2 2

Тоді температура приведення (ТПР) різних бітумів буде дорівнювати:

ТПР = ТСТ - ТСІП (3)

де ТСТ - температура визначення глибини проникнення голки пенетрометру. Кореляційний зв'язок поміж глибиною проникнення голки пенетрометру та температурою приведення наведено на рис.1.

Він апроксимується рівнянням виду:

lg П = a + b (ТСТ - ТСІП) (4)

котре, з урахуванням коефіцієнтів кореляції, перетворюється на рівняння

lgП = 1,51 + 0,044 (25 - ТР + ТКР/2) (5)

Взаємозв'язок трьох показників якості бітуму дозволяє визначити один з них при двох відомих інших.

Оскільки найбільш складною у експериментальному відношенні є температура крихкості, її можливо визначити по формулі

ТКР = 119,2 - 45,7 lgП - ТР (6)

У роботі наведено номограму визначення температури крихкості.

Для характеристики бітуму у в'язкотекучому стані важливим реологічним параметром є в'язкість. Закладена до системи показників якості бітуму у країнах Європейського Союзу в'язкість визначається з допомогою складної техніки та тривалих випробувань. У той же час технологічно необхідно оцінювати цей показник, а по ньому й марку бітуму за короткі проміжки часу. У роботі вперше здійснена спроба обґрунтування можливості практичної оцінки в'язкості бітумів методом уточнення - розриву нитки. Фізична схема методу являє собою уточнення нитки пружньов'язкої рідини під дією капілярних сил.

Процес утончення нитки в'язкопружньої рідини і, зокрема, бітуму, описується, згідно В.М.Ентову, системою диференціальних рівнянь:

 1 dl 2 dr f(l)

ѕѕ ѕѕ = - ѕ ѕѕ - ѕѕѕ (7)

l dt r dt q(l)

a 1 dr

ѕѕ = - 6hѕ ѕѕ + Gl2 f(l) (8)

g r dt

де l - оборотна пружна поздовжня деформація;

q - час релаксації;

Pa - капілярний тиск = a/r

Рішення їх відносно швидкості зменшення радіусу нитки при постійному часі релаксації приводить до рівняння:

s

r = r0 - ѕѕ t, r = r0 exp (-2t/3q); (9)

6h

st

h = ѕѕѕѕ, (10)

6(r0 - r)

де r - радіус нитки; r0 - початковий радіус нитки;

s - поверхневий натяг; h - в'язкість рідини;

q - час релаксації рідини.

Для бітумів характерна сильна залежність реологічних властивостей від температури. Зміна температури рідини у процесі течії, наявність градієнтів температури уздовж осі або перерізу нитки може впливати на процес її потоншення. У роботі вплив температурного фактору зведено до мінімуму шляхом термостатування, котре забезпечує рівність температур нитки та оточуючого повітря.

У третьому розділі розглядаються матеріали прийняті для дослідження та методи досліджень.

У четвертому розділі викладено основні результати експериментальних досліджень. Для вивчення закономірностей зміни в'язкостних властивостей використовували окислені та залишкові бітуми з різною глибиною проникнення голки пенетрометру та різних структурних типів. Одержані з допомогою віскозметру МРВ-8 з вузлом ПВР-2 залежності ефективної в'язкості показують, що: поглиблення окислення сприяє зростанню в'язкості; для усіх досліджених бітумів у діапазоні температур 50...100°С характерна аномалія в'язкості (С); перехід до аномальної течії по швидкості зсуву залежить від температури та структури бітуму. Найбільший ефект спостерігається для глибокоокислених бітумів, а також для бітумів з великим вмістом асфальтенів у порівнянні з бітумами з малим вмістом асфальтенів, але з близькою пенетрацією. З пониженням температури більш в'язкі бітуми переходять до аномальної течії раніш, ніж малов'язкі. Температуру, при якій коефіцієнт аномалії починає відхилятись від одиниці, можна прийняти за температуру переходу до аномальної течії, (рис. 3).

Значення в'язкості (табл.1) показують, що температура розм'якшення не є еквів'язкою характеристикою.

Більш близькі значення в'язкості спостерігаються для бітумів при температурі випробувань, котра дорівнює сумі ТР та ТКР. Коефіцієнт варіації логарифму в'язкості у цьому випадку складає 5,5%, проти 6,5% при Т=ТР, що може бути фізичним обґрунтуванням вибору температури середини інтервалу пластичності для розрахункового методу визначення температури крихкості. Середнє значення в'язкості бітумів при Т=ТР+ТКР складає 180000 Па с ±9000 Па.с при довірчій ймовірності 0,95.

З використанням приладу "micro RHEOTESTER" були досліджені температурні залежності в'язкості бітумів різних марок та структурних типів. Температура випробувань складала від 90 до 140°С.

У зазначеному температурному діапазоні усі досліджені бітуми підпорядковуються рівнянню Ареніуса:

h = A exp (-U/RT) (11)

де А - константа;

U - енергія активації в'язкої течії, кДж/моль;

R - універсальна газова постійна, Дж/моль*К°;

Т - абсолютна температура, К-1.

Таким чином, температурну чутливість бітумів можливо характеризувати енергією активації в'язкої течії. Аналіз значень енергії активації різних бітумів дозволяє визначити їх структурні особливості. Зростання надмолекулярних утворень (бітуми різних типів), збільшення глибини окислення приводить до збільшення енергії активації в'язкої течії, пов'язаному з необхідністю переміщення до нового стану рівноваги більших за розміром структурних блоків.

Вплив поверхнево-активних речовин на реологічні властивості бітумів досліджено на таких об'єктах: бітум БНД 60/90, та ПАР, що синтезовано у НДІ Синтез ПАР (м.Шебекино Белгородської обл.). Зміна в'язкості при введенні ПАР неоднакова при різних температурах та усіляких ПАР. Так, при температурах 80...100°С відмінності незначні, а при температурах 120...140°С вони досягають значних величин.

Залежності логарифму в'язкості від зворотної температури для бітумів з однаковою концентрацією ПАР - 1,5 % ідентичні між собою (рис. 4). Значення енергії активації, для таких бітумів на кінцевій ділянці випробування практично однакові.

Проведенні дослідження бітумів на "micro RHEOTESTER" показали, що цей метод достатньо точний. Він дозволяє оцінити енергію активації бітумів різних структур. Цей метод чутливий відносно бітумів різної марочної в'язкості та бітумів з добавками поверхнево-активних речовин. Для усіх досліджених бітумів має місце загальна тенденція зміни поверхневого натягу. Поверхневий натяг, що визначається по методу П.О.Ребіндера, зменшується з підвищенням температури та зниженням марочної в'язкості бітумів (рис.5). При температурах вище 85...105°С для усіх бітумів спостерігається практично лінійна (зворотно пропорційна) залежність поверхневого натягу. Такі залежності характерні для "чистих" неструктурованих рідин.

Температура, при котрій спостерігається відхилення значення (5% від перетину), може бути пов'язана з переходом бітуму від стану неструктурованої до стану структурованої рідини. Температура такого переходу () вище у в'язких бітумів у порівнянні з малов'язкими.

У припущенні міжмолекулярного механізму формування поверхневого натягу та виявлення бітумом аномальної течії, можливо визначити кореляцію поміж та . Така кореляція наведена на рис.6, коефіцієнт кореляції наближається до 0,98. Цей кореляційний зв'язок на якісно новому рівні підтверджує утворення надмолекулярних структур у бітумі при зниженні температури та їх роль у формуванні об'ємних та поверхневих властивостей бітумів.

Встановлення взаємозв'язку поміж пенетрацією бітуму та його в'язкістю, встановленою з допомогою приладу "micro RHEOTESTER", ґрунтується на передумові, що пенетрація бітуму визначається значенням в'язкості при базовій температурі та енергією активації в'язкої течії, котра характеризує структурно-реологічний тип бітуму:

P = f(h0, U, a, b, c) (12)

де Р - пенетрація при 25°С, 1/10 мм;

h0 - в'язкість при базовій температурі 110°С, Па.с;

U - енергія активації, КДж/моль; a, b, c - коефіцієнти рівняння.

Аналіз залежностей в'язкості від пенетрації (марки бітуму) та енергії активації в'язкої течії визначив вид функції:

lg P = a + b lgh0 + cU (13)

Наближення функції здійснювали на підставі досліджень властивостей 15 бітумів, які охоплюють повний спектр в'язких бітумів, котрі використовують у дорожньому будівництві. Результати розрахунку відбиваються у такому універсальному рівнянні, на підставі якого у роботі запропонована відповідна номограма:

P = exp 10 (2,296 - 0,62 lgh0 + 0,00105 U) (14)

Таким чином, експрес-метод визначення пенетрації полягає у:

- визначенні в'язкості (h0) при базовій температурі Т =110°С;

- якщо в'язкість перевищує 0,6 Па.с, у визначенні в'язкості при температурі Т=120°С, якщо нижче 0,6 Па.с - у визначенні в'язкості при температурі Т =100°С;

- обчисленні енергії активації в'язкої течії по формулі:

19,54 (lgh0 - h*)

U = ѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕ (15)

(T0 - T*)

- визначенні пенетрації по формулі з урахуванням енергії активації або по номограмі. Середня відносна похибка вимірювання за прискореним методом для дорожніх бітумів знаходиться в межах 6,5%.

ВИСНОВКИ

1. Важливішим технологічним та експлуатаційним показником бітумів є істинна в'язкість, котра характеризує основоположні властивості бітумів, інтенсивність їх течії та термопластичність. Великий вміст у бітумах термопластичних петролейно-бензольних та спирто-бензольних смол, котрі мають велику термочутливість, що обумовлює виключно широкий діапазон зміни в'язкості, що не охоплюється ні одним з існуючих віскозиметрів. Для забезпечення повноти визначення в'язкості у роботі застосовані: новий віскозиметр "micro RHEOTESTER", котрий працює по принципу нитки, що відновлюється, та модифікований прилад Волоровича М.П., у якому використано конструктивно досконалий вузол пластовіскозиметру ПВР-2.

2. В'язкопружні властивості бітуму визначаються його температурним станом. Одним з критеріїв переходу до твердоподібного стану є температура крихкості. На підставі взаємозв'язку температури випробування, температури приведення, як половини інтервалу пластичності бітуму та логарифму глибини проникнення голки пенетрометру запропоновано розрахунково-графічний метод визначення температури крихкості, котрий забезпечує абсолютну похибку не більш 3,5°С.

3. Теоретично доведено та експериментально підтверджено можливість визначення в'язкості бітуму методом, що ґрунтується на урахуванні "прядимості" та відновленні, за рахунок сил поверхневого натягу, тонких бітумних ниток. Модифікований відносно бітумів прилад "microRHEOTESTER" (Інститут проблем механіки РАН) дозволяє визначити в'язкість у границях 70-140°С. При цьому визначені закономірності зміни температури дозволяють використовувати як розрахункове значення поверхневий натяг, що дорівнює 30 Н/м при температурі 110°С.

4. Для оцінки стану бітумів та визначення взаємозв'язку поміж технічними та реологічними характеристиками необхідне визначення температури приведення. Аналіз літературних даних та дослідження, що виконані, показали, що раніш запропонована еквів'язкістність температури розм'якшення бітуму є некоректною. Недостатньо статистично надійним є використання як еквів'язкої такої температури, яка відповідає в'язкості 1000 Па.с. Більш ймовірною є температура, котра дорівнює середині інтервалу пластичності та відповідає в'язкості близько 180 кПа с. Проте, визначити фізичну сутність цієї температури зараз не уявляється можливим.

5. Фізично обґрунтованою температурою, котра характеризує стан бітуму, є температура переходу від аномальної (в'язкопружної) до ідеальної (ньютонівської) течії. У діапазоні цих температур можливо припустити близький рівень міжмолекулярної взаємодії у бітумах та подібність у будові їх структури.

В'язкість, котра відповідає цій температурі для різних бітумів, наближається до 30 Па.с, а значення температур, що відповідають цій в'язкості для бітумів з умовною в'язкістю у границях (40-300)*0,1 мм (згідно ГОСТ 22245-90) знаходиться у границях 80...100°С.

6. Температурні залежності зміни поверхневого натягу бітуму характеризуються двома різними ділянками: різкого спаду поверхневого натягу (s) при відносно низьких температурах та прямо пропорційного його зменшення при зростанні температури. Друга ділянка характерна для класичних ньютонівських рідин: води, бензолу.

Температура переходу від криволінійної до лінійної зміни поверхневого натягу знаходиться у гарному кореляційному зв'язку з температурою переходу бітуму від неньютонівської до ньютонівської течії (коефіцієнт кореляції 0,99).

Визначена відповідність підтверджує фізичну природу механізму в'язкої течії та поверхневих явищ у бітумах. Таким чином, поглиблено інформацію про взаємозв'язок об'ємних (в'язкість) та поверхневих (поверхневий натяг) властивостей бітумів.

7. Введення до бітуму добавок поверхнево-активних речовин, та збільшення їх вмісту супроводжується закономірним зменшенням до мінімуму, а потім зростанням та виходом на плато значення поверхневого натягу. При цьому енергія активації вихідного бітуму та бітуму з добавкою ПАР практично однакова на кінцевій ділянці температурної залежності. В'язкість же бітуму при введенні до нього добавки ПАР у кількості 1,5% змінюється настільки, що зменшує еквів'язку температуру (що відповідає в'язкості 0,5 Па.с.) для різних ПАР на 9...18°С, це розкриває сутність емпирічної рекомендації зі зниження температури приготування асфальтобетонних сумішей на бітумах з добавками ПАР.

Отже, можливо припустити подвійний ефект дії ПАР при приготуванні асфальтобетонних сумішей: перший полягає у поліпшенні здатності до змочування на стадії перемішування сумішей за рахунок зниження поверхневого натягу, другий - у поліпшенні розтікання бітуму по поверхні кам'яних матеріалів при змішуванні та забезпеченні ущільнення сумішей (витискування бітумних плівок з контактної зони) за рахунок пластифікуючої дії ПАР.

8. На підставі урахування структурних та реологічних особливостей бітумів шляхом оцінки енергії активації їх в'язкої течії визначено кількісний взаємозв'язок між пенетрацією та істинною в'язкістю. Використання приладу "microRHEOTESTER" дозволяє визначити істинну в'язкість за короткий проміжок часу (у границях 30 хвилин). Запропоновані рівняння та номограма для визначення з похибкою 6...15% розрахункового значення глибини проникнення голки пенетрометру.

Розроблений метод може бути використано на НПЗ та локальних установках при контролі ступеню готовності бітуму, що окислюється, при приймальному контролі марки бітуму, котрий одержується дорожніми підприємствами. 9. Результати дослідження використано: у навчальному процесі при викладанні курсу "Фізико-хімічні основи технології виробництва дорожньо-будівельних матеріалів"; при визначенні оптимальної кількості добавки ПАР для виробництва асфальтобетонних сумішей у АТ "Орелдорбуд" (м.Орел, Росія) та Кіровоградському облавтодорі; при призначенні оптимальних температур перемішування та ущільнення асфальтобетонних сумішей, які випускає АТ "Будінвест" (м.Харків): при приймальному контролі марки одержуємого бітуму на підприємстві "Доррембуд" (м.Харків).

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Деуджа Хари, Маляр В. В. Визначення в'язкостi бiтумiв на нитково-рiдинному мiкрореотесторi// Автомобiльнi дороги і дорожнє будiвництво. Київ "Будiвельник", 1994 р., -с. 94-97.

2. Деуджа Х.Ш. Определение температуры хрупкости битума расчетным способом. //Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. Макеевка. - 1999 г. Вып. 99(2) - 16. -С. 188-189.

3. Маляр В. В., Деуджа Х.Ш. О влиянии наполнения нефтяных битумов на их интервал пластичности и температурную чувствительн-ость асфальтобетонов. //Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. Макеевка. - 1999 г. Вып. 99(2) - 16. -С. 190-192.

4. Zolotarev V.A., Malyar V.V., Deuja H.S. Cohesional strength of bitumen at shear. 1st World Road Conference on Highway Surfacing 11-13 May 1998, Budapest, Hungary, p. 353-356.

АНОТАЦІЇ

Деуджа Х.Ш. Удосконалення методів визначення механічних характеристик нафтових дорожніх бітумів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - "Будівельні матеріали та вироби". - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, м.Харків, 1999р.

У роботі наведені результати досліджень двох видів нафтових дорожніх бітумів за способом виготовлення: українських, різних марок та структурних типів, одержаних шляхом окислення гудрону, та зарубіжних, залишкового типу, одержаних шляхом вакуумної дистиляції. Вивчено реологічні та поверхневі властивості цих бітумів; виявлено, що введення та збільшення вмісту у бітумі добавок поверхнево-активних речовин супроводжується закономірним зменшенням до мінімуму, а потім зростанням та виходом на плато значення поверхневого натягу; з використанням приладу "microRHEOTESTER" визначено кількісний взаємозв'язок між пенетрацією та істинною в'язкістю; визначено взаємозв'язок між температурою випробування та температурою приведення, як половини інтервалу пластичності бітуму, та логарифмом глибини проникнення голки пенетрометру. На підставі результатів дослідження запропоновано розрахунково-графічний метод визначення температури крихкості бітуму, який забезпечує абсолютну похибку не більш 3,5°С та експрес-метод визначення пенетрації бітуму.

Ключові слова: бітум, властивості, реологія, температура приведення, в'язкість, інтервал пластичності, крихкість, поверхневий натяг.

Deuja H.S. Improvement of the methods defining the mechanical properties of road oil bitumens. - Manuscript. Thesis for Ph.D. degree by speciality 05.23.05 - construction materials and products - Kharkov state automobile and highway technical university, Kharkov, Ukraine, 1999.

Thesis contents the research results of two different types of road oil bitumens by their methods of production: ukranian bitumens of different grade and structural types, produced by the oxidation of tar and foreign bitumens (France, Nepal) of residual types, produced by vacuum distillation, with and without surfactants. Studied the rheological and surface properties of these bitumens and established: introduction and increase of content of surfactant in bitumens is accomponied by the regular decrease of surface tension; by the use of the device «microRHEOTESTER» established the quantitive interrelation between penetration and real viscosity of bitumens; established the interrelation between reduced temperature, as middle of plasticity interval of bitumen and logarithm of depth neddle penetration. On the base of research results proposed the calculation-graphical method of defining the brittleness temperature ensuring the absolute error not more than 3.5°C, and express-method to define the penetration of bitumens.

Key words: bitumen, properties, rheology, reduced temperature, viscosity, interval of plasticity, brittleness, surface tension.

Деуджа Х.Ш. Совершенствование методов определения механических характеристик нефтяных дорожных битумов.- Рукопись.

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности - 05.23.05. - строительные материалы и изделия - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999 г.

Сфомулирована и решена задача существенного улучшения системы оценки качества битума. Цель работы - установление закономерностей изменения и взаимосвязи реологических и физических свойств битумов, а также разработка на этой основе предложений по совершенствованию методов оценки качества битумов.

Анализ литературных источников подтверждает, что важнейшей технологической и эксплуатационной характеристикой битумов является истинная вязкость, характеризующая основополагающие свойства битумов, интенсивность их течения и термопластичность. Специфика состава и структуры битумов - большое содержание в них термопластичных петролейно-бензольных и спирто-бензольнных смол, характеризующихся большой термочувствительностью, что обусловливает исключительно широкий диапазон изменения вязкости, который не может быть охвачен ни одним из существующих вискозиметров. Для обеспечения полноты определения вязкости в работе применены: вискозиметр «microRHEOTESTER», работающий по принципу восстанавливающейся нити, и модифицированный прибор Волоровича М.П., в котором в качестве рабочего узла использован конструктивно более совершенный, чем входящий в состав вискозиметра Волоровича, рабочий узел пластовискозиметра ПВР-2.

Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность применения усовершенствованного вискозиметра «microRHEOTESTER» для определения вязкости битумов в широком диапазоне температур. Предложенный модифицированный прибор Волоровича М.П. позволяет оценить вязкость битума, начиная с вязкости 0,1 Па.с. Разработан расчетно-графический метод определения температуры хрупкости битума, основанный на взаимосвязи температуры испытания, температуры приведения, как половины интервала пластичности битума, и логарифма глубины проникания иглы. Метод позволяет определять температуру хрупкости с абсолютной погрешностю не более 3,5°С.

Экспериментально доказана несостоятельность использования в качестве эквивязкой температуры температуру размягчения битума. Более достоверной эквивязкой температурой является температура, равная середине интервала пластичности и отвечающая вязкости около 180 кПа.с.

Установлена тесная корреляционная связь между критической температурой изменения поверхностного натяжения и температурой перехода битума от неньютоновского к ньютоновскому течению (коэффициент корреляции 0,99).

Экспериментально установлено, что введение и увеличение содержания в битуме поверхностно- активных веществ сопровождается закономерным уменьшением до минимума, а затем ростом и выходом на плато значения поверхностного натяжения. При этом энергия активации вязкого течения исходного битума и битума с добавкой ПАВ в области высоких температур практически одинакова. Вязкость же битума при введении в него ПАВ в количестве 1,5% изменяется настолько, что уменьшает эквивязкую температуру (отвечающую вязкости 0,5 Па.с.) для различных ПАВ в пределах 9-18°С. Это является физическим обоснованием эмпирических рекомендаций по снижению температуры приготовления смесей в случае применения битумов с добавкой ПАВ. Таким образом, при приготовлении асфальтобетонных смесей наблюдается двойной эффект действия ПАВ: первый - улучшение смачивающей способности на стадии перемешивания смесей за счет снижения поверхностного натяжения, второй - улучшение растекания битума по поверхности каменных материалов при смешении и улучшение уплотнения смесей за счет пластифицирующего действия ПАВ.

Установлена количественная взаимосвязь между пенетрацией и истинной вязкостью на основе учета структурных и реологических особенностей битумов путем оценки энергии активации их вязкого течения. Это позволяет с помощью «microRHEOTESTER» определить истинную вязкость за короткий промежуток времени (в пределах 30 минут). Предложены уравнения и номограмма для определения расчетного значения глубины проникания иглы с погрешностью до 15%.

Ключевые слова: битум, свойства, реология, температура приведения, вязкость, интервал пластичности, хрупкость, поверхностное натяжение.

Размещено на Allbest.ru

...