CC BY
108
УДК 665.637.8
А.С. Ширкунов, В.Г. Рябов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
А.Н. Нечаев, А.С. Дегтянников
ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОКИСЛЕННЫХ И ПОЛИМЕРМОДИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ В ХОДЕ СТАРЕНИЯ ВЯЖУЩЕГО В ТОНКОЙ ПЛЕНКЕ
Проанализировано изменение динамической вязкости при 60 °С и растяжимости при 25°С в ходе испытания на стойкость против старения по методу ТРОТ дорожных окисленных и поли-мермодифицированных битумов, полученных в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Найдена взаимосвязь между величиной динамической вязкости при 60 С и такими параметрами качества дорожного битума, как температура размягчения и пенетрация при 25 °С. Подтверждено соответствие проанализированных окисленных битумов требованиям европейских норм на битумы дорожные вязкие ЕМ 12591:2000 по динамической вязкости при 60 °С и показателям, характеризующим стойкость против старения.
Стремительный роет нагрузок на дорожное полотно со стороны все возрастающего количества автомобилей обусловливает постоянный интерес к проблеме повышения качества дорожных битумов, являющихся связующим компонентом асфальтобетона - основного материала для строительства автомобильных дорог в наше время.
Работоспособность битумного вяжущего в составе асфальтобетона при периодическом воздействии напряжений сдвига, сжатия и перепада температуры во многом зависит от пластичности и растяжимости дорожного битума. Это обусловило целесообразность маркировки дорожных битумов в нашей стране и за рубежом по пенетрации и обязательное нормирование нижнего предела растяжимости.
Однако такие важные характеристики битума, как динамическая вязкость при 60 °С, кинематическая вязкость при 135 °С и содержание
высокоплавких парафинов, российским стандартом не нормируются, в то же время эти параметры входят в европейские нормы на дорожные битумы.
Стоит отметить, что динамическая вязкость при 60 °С является в северных странах Европы критерием деформации битума вместо температуры размягчения. Испытание определяет фундаментальное свойство вещества, а не эмпирическую характеристику, какой является температура размягчения, при этом корреляция вязкости с деформационной стойкостью асфальта также несколько выше, чем при использовании показателя температуры размягчения. Однако определение вязкости практически не использовалось в центрально- и южноевропейских странах, поэтому температура размягчения стала обязательным требованием, а испытание на вязкость при 60 °С было принято как факультативное1.
Кинематическая вязкость при 135 °С характеризует перекачивае-мость битума и смешиваемость с минеральным материалом, а вместе с динамической вязкостью при 60 °С и пенетрацией она характеризует также термочувствительность битума.
Получение дорожных битумов, соответствующих не только российским, но и европейским стандартам, представляется весьма важной задачей. В связи с этим данная работа касалась определения величин динамической вязкости битума дорожных марок при 60 °С и их растяжимости при 25 °С, а также анализа их изменения в ходе старения в тонкой пленке по методу ТБОТ (БК 12607-2), моделирующего процесс приготовления асфальтобетонной смеси.
В качестве объекта исследования выступали 7 образцов окисленного и 2 образца полимермодифицированного битума, различные по своим характеристикам и времени отбора, полученные на установке окисления битумов (19-10) и в опытно-исследовательском цехе ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез».
Для указанных образцов были определены следующие показатели: температура размягчения по КиШ, пенетрация при 25 °С, дуктильность при 25 °С, а также динамическая вязкость при 60 °С с использованием реовискозиметра Хепплера.
Подобные приборы предназначены для исследования текучести и реологических свойств неньютоновских жидкостей. Данные вискозиметры работают по принципу падающего и вытесняющего шара, скорость движения которого является мерой вязкости.
1 См.: БК 12591:2000. Битум и битумные связующие - спецификации для битумов настилочного типа.
Испытание с прогревом в тонком слое исследуемых образцов проводили по методу TFOT, поскольку данный метод имеет большое сходство с методикой ГОСТ 18180. Отличия сводятся к несколько меньшей толщине слоя битума и более интенсивному старению вяжущего при испытании по методике TFOT.
После прогрева определяли изменение массы пробы, а также ее температуру размягчения, остаточную пенетрацию при 25 °С, дуктиль-ность при 25 °С и динамическую вязкость при 60 °С.
В ходе проведения исследований было отмечено, что динамическая вязкость битума при 60 °С существенно зависит от прикладываемого усилия сдвига. Данное обстоятельство связано с тем, что нефтяные битумы содержат в себе надмолекулярные структуры, разрушающиеся под воздействием внешних сил. И чем выше напряжение сдвига, тем большая доля надмолекулярных структур разрушается и тем ближе измеренное значение вязкости к ее истинной величине.
Для окисленных битумов различие динамической вязкости при 60 °С в случае разных величин усилия сдвига относительно не велико и, как правило, не превышает 10-15 %. В то же время для полимерби-тумных вяжущих, полученных с использованием реакционно-способного полимерного модификатора «Elvaloy 4170 RET», зависимость динамической вязкости при 60 °С от сдвигающего усилия была более заметной - различие составляло до 30-40 %, в особенности после анализа на стойкость против старения. В связи с этим для сравнения различных образцов между собой были использованы величины динамической вязкости при 60 °С, определенные при максимальном напряжении сдвига, как наиболее близкие к значению вязкости битума в состоянии ньютоновской жидкости.
Характеристики исследованных образцов дорожных битумных вяжущих до и после испытания на стойкость против старения приведены в таблице. Анализируя полученные данные, можно сделать ряд выводов. В частности, величина динамической вязкости при 60 °С окисленных дорожных битумов очень хорошо кореллирует со значениями его температуры размягчения и пенетрации при 25 °С. Зависимости упомянутых характеристик представлены на рис. 1 и 2. Использование подобных зависимостей дает возможность оценить вязкость окисленного дорожного битумного вяжущего на основании значений его базовых параметров качества.
О
Ч 0 Т-----------1-----------1----------1-----------1----------1-----------1----------Г-
45 47 49 51 53 55 57 59
Температура размягчения, °С
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости окисленного битума при 60 °С от его температуры размягчения
1250 -Г-------------------------------------------------------
о
к
^ 0 -I-------------1-------------1-------------1-------------1-------------1-------------
50 60 70 80 90 100 110
Пенетрация при 25 °С, 0,1 мм
Рис. 2. Зависимость динамической вязкости окисленного битума при 60 °С от его пенетрации при 25 °С
При введении структурообразующего полимерного модификатора в состав битума, его температура размягчения и динамическая вязкость существенно возрастают (см. таблицу), однако величина растяжимости при 25 °С заметно снижается.
В ходе испытания с прогревом в тонком слое битум подвергается интенсивному окислению, что приводит к снижению его пластичности и повышению термостойкости. Наибольшие изменения претерпевают такие показатели, как растяжимость при 25 °С (снижается на 50-70 %) и динамическая вязкость при 60 °С (возрастает в 2-3 раза).
84
Параметры качества образцов дорожных битумных вяжущих до и после старения методу ТБОТ (БК 12607-2)
Свойства исходных битумов Свойства битумов после испытания на старение по методу ТБОТ
Наименование Температура Пенетрация Дуктильность Динамическая Изменение Остаточная Изменение Дуктиль- Динамическая
пробы размягчения, при 25 °С, при 25 °С, вязкость при температуры пенетра- массы, ность при вязкость при
°С 0,1 мм см 60 °С, Пас* размягчения, °С ция, % % 25 °С, см 60 °С, Пас*
Окисленные битумы
Битум-1 46,0 105 107 142 7,0 70 -0,04 38 252
Битум-2 50,5 91 100 177 6,5 71 -0,01 39 533
Битум-3 47,5 91 135 211 6,0 68 -0,03 70 608
Битум-4 49,0 81 96 248 6,0 68 -0,09 32 850
Битум-5 51,0 74 140 341 7,5 61 0,04 58 1175
Битум-6 51,5 76 91 400 4,5 74 -0,05 46 1173
Битум-7 58,5 58 23 1110 5,0 73 -0,12 10 3720
Полимербитумные вяжущие на основе модификатора «Еїшїоу 4170 ВЕТ»
Битум-8 61,5 88 44 645 6,0 84 -0,02 24 2320
Битум-9 64,5 82 47 1968 7,5 76 0,00 31 3327
Нормативные требования на битумы дорожные вязкие БЫ 12591:2000
50/70 46-54 50-70 - > 145 < 9 > 50 < 0,5 - -
70/100 43-51 70-100 - > 90 < 9 > 46 < 0,5 - -
* Приведена динамическая вязкость при наибольшем напряжении сдвига для данного продукта.
Сопоставление параметров качества проанализированных образцов с требованиями европейских норм на битумы дорожные вязкие EN 12591:2000 позволяет заключить, что окисленные дорожные нефтяные битумы, выпускаемые ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», полностью соответствуют указанному стандарту по динамической вязкости при 60 °С и показателям, характеризующим устойчивость вяжущего против старения (повышение температуры размягчения, остаточная пенетра-ция при 25 °С и изменение массы), и при этом отличаются улучшенной температурой размягчения.
Введение полимерного модификатора «Elvaloy RET 4170» приводит к дальнейшему росту термостойкости продукта при относительно малом воздействии на пенетрацию при 25 °С, что говорит о существенном расширении интервала пластичности такого вяжущего.
Получено 2.06.2011
