Una nova forma d'envelliment del betum al laboratori

Una nova forma d'envelliment del betum al laboratori.

L'article descriu el procés d'envelliment tractaments per desenvolupar (300 micres) de pel·lícula prima durant períodes curts i llargs de temps. El nou procediment s'està desenvolupant com una alternativa als mètodes d'assaig utilitzats: rodant forn de pel·lícula prima (RTFO) i l'envelliment a pressió (PAV). La nova tècnica anomenada senzilla envelliment procediment (prova d'envelliment simple, SAT), es pot utilitzar per netejar i modificat emulsió de betum i un residu. Abans de la implementació del programa estratègic d'estudis vials que hi havia un interès significatiu en l'envelliment de la pel·lícula prima en condicions estàtiques. No obstant això, es va adoptar procediment d'envelliment de curt termini RTFO, com per provar el reòmetre de biga de flexió requerit un gran nombre d'asfalt d'edat. Des de l'adopció de la norma com un mètode RTFO identificat alguns problemes quan intenta aplicar-la a l'envelliment dels lligants altament modificats. Pel que fa al mètode de RTFO barreja calenta a temperatures més baixes (simulació de temperatura baixa de fabricació) pot imposar certes restriccions sobre la pel·lícula de laminat per a l'envelliment uniforme del material. Plastómetro desenvolupat recentment que opera sobre el principi de tall dinàmic (DSR) amb plaques paral·leles de 4 mm permet realitzar proves a temperatures de fins a -40 ° C, requereix només 25 mg d'aglutinant, i permet estimar el m-valor i rigidesa biaix per al doblegat de reòmetre de biga. Usant aquesta tècnica en conjunció amb SAT determina la reologia de betums, curt o llarg termini menors de temperatura baixa i mitjana. A més, no hi ha prou material envellit durant reómetro tipus DSR amb 25 mm de plaques. metodologia SAT elimina el problema de les mostres "Rolling" per asfalts modificats amb polímers i càlid. Durant les proves de diversos tipus d'asfalt han estat marcats SAT temps del procediment i l'envelliment de temperatura equivalent a aquests paràmetres utilitzant els RTFO i procediments PAV.

introducció

La solidificació sobre l'envelliment sota la influència de l'oxidació - el procés que ocorre quan es posa la barreja en calent, així com durant el cicle de vida de la superfície de la carretera. Influeix en gran mesura el rendiment de revestiment tal com la formació de solcs, esquerdes i delaminació i, com a resultat, la durabilitat. modelatge de solidificació d'envelliment en condicions de laboratori és extremadament important per al desenvolupament d'especificacions basades en les característiques de rendiment. Aquest estudi descriu un nou mètode d'oxidació de la mostra de pel lícula prima de prova, que dóna resultats equivalents als procediments estàndard de laminació forn de pel·lícula prima (RTFO, ASTM mètode D2872) i l'envelliment en una cambra sota pressió (PAV, el mètode D6521 ASTM) de betum pur. L'assoliment s'assegurarà l'eficàcia de la pel·lícula prima de prova (diversos centenars de nm) - una tècnica desenvolupada recentment reòmetre d'acord amb el principi de cisallament dinàmic, que permet la prova de les mostres a temperatures de fins a -40 ° C, requereix només 25 mg de mostra, i inclou un ajust per a la deformació en el dispositiu [1 ].

Procediment de la prova de betum de pel·lícula fina en un forn va ser desenvolupat en els anys 60 Hveem [2] i ha estat acceptat en la norma ASTM 1970 anys. Durant l'execució del programa estratègic del trànsit estudis s'ha seleccionat com l'estàndard per a la modelització d'envelliment de curat curt que té lloc durant l'estesa. Actualment, la tècnica es fa servir en la memòria del betum SuperpaveTM.

El principal avantatge d'una tècnica de pel·lícula prima de betum en un forn a la rotació de prova (RTFOT) abans de pel·lícula prima assaig en forn en estàtic (TFOT, ASTM Mètode D1754) rau en el fet que per a la rotació dels envasos de vidre es sotmet a envelliment gran àrea de la superfície de la mostra. No obstant això, el nombre de rotacions i l'efecte sobre la superfície de la mostra fresca varia depenent de la viscositat del betum abans de la prova, i els canvis en la viscositat durant la prova. Motional i barrejant el betum en els matrassos també es complica per la modificació del polímer-betum. Reducció de la temperatura d'assaig RTFO per a l'oxidació de modelatge que ocorren en la producció de la barreja calenta, causant dificultats similars.

Reduir o eliminar la rotació de rotació volums quan s'assaja pel mètode de RTFO per al betum altament modificats - un problema que s'ha conegut durant diversos anys [3]. Bahia [3] va proposar per resoldre-ho submergint una vareta d'acer al matràs i proporcionar així una propagació pel·lícula. Els experiments realitzats per l'Administració Federal de Carreteres i els fabricants d'asfalts grup Sud-est van mostrar que les varetes d'acer redueixen el nivell de bitumen envelliment (com modificats i no modificats) i contribueixen a la fuga de betum (tots dos tipus) dels matrassos d'[4]. Encara vareta d'acer contribueix a la fugida de bitumen del matràs, els betums modificats amb polímers són freqüentment flueixen a través de la regió del bulb, fins i tot quan la vareta no. La raó d'això - efecte Weissenberg (ascensor líquid viscoelàstic sobre una vareta giratòria) [5]. Se suposa que una força elàstica (estirament de les cadenes polimèriques) causada per la rotació dels bulbs de vidre, el que resulta en força dirigida verticalment positiu, que causa l'elevació de bitumen a les parets internes del matràs.

La solució d'aquests problemes va ser la base de la tasca de l'Institut de Recerca Occidental (WRI) en un nou mètode de curt termini i l'envelliment a llarg termini, que és un simple procediment d'envelliment (SAT) ha estat cridat. Ella es dedica a aquest article.

Per la metodologia SAT, com a alternativa a la norma RTFO i RTFO / APV, va presentar els següents requisits:

1) El grau d'envelliment ha de ser equivalent a la de mètode RTFOT. Mentre les especificacions Superpave es basen en els resultats de les proves RTFOT, qualsevol nova tècnica ha de complir amb el procés d'envelliment RTFOT de betum pur.

2) Fàcil, no hi ha necessitat de netejar els flascons. El procediment d'assaig és per permetre la col·locació a curt termini de la mostra envellida directament al forn per l'envelliment a llarg termini.

3) La quantitat de betum serà suficient per determinar el grau de l'índex de penetració (SHRP PG) i la descripció de la composició química.

4) En col·locar o retirar les mostres no s'han d'utilitzar dissolvents, el que és especialment important per als betums modificats amb polímers.

5) El gruix de la pel·lícula ha de ser baixa per tal d'eliminar el problema de la difusió d'oxigen, està present en les mostres d'assaig en un estat estacionari (TFOT).

6) La tècnica ha de permetre reduir la temperatura per simular les condicions de producció, la barreja calenta.

7) El temps de prova ha de ser menor o prova RTFO RTFO / PAV.

8) mètodes haurien de ser de baix cost.

9) Una tècnica ha de permetre envelliment de pel·lícules a partir del residu de l'emulsió.

pel·lícula envelliment oxidatiu (gruix de la pel·lícula de diversos centenars de micres) és capaç de complir tots els requisits anteriors, però, per a les proves posteriors sobre SHRP asfalt requereixen una àrea molt gran de la superfície de la mostra. En particular, el problema es converteix en proves amb flexió reómetro biga, ja que per a cada pals de mostra prenen 15 grams de betum, i aquestes mostres necessiten alguns. prova SHRP a altes temperatures mitjà i es duen a terme amb un reómetro de tall dinàmic (DSR), que requereix només uns pocs grams de betum.

S'ha dit que la invenció amb un reómetro de tall dinàmic (DSR) amb plaques paral·leles de 4 mm permet realitzar proves a temperatures de fins a -40 ° C, requereix només 25 mg d'aglutinant, i permet estimar el valor m i la rigidesa de desplaçament [6] per corbar reómetro feix. A continuació es donarà una descripció més detallada d'aquesta tecnologia. La seva combinació amb el mètode d'envelliment pel·lícula - RTFOF mètode alternatiu. A més, després de la prova és bitumen suficients per a les proves d'SHRP a baixa, mitja i alta temperatura.

La investigació i desenvolupament de noves proves en l'última dècada, principalment, tenen els següents objectius:

a) Preparar la prova després d'uns pocs grams de betum de més proves al reómetro biga de flexió;

b) Per resoldre el problema de betum que flueix cap a fora del matràs durant la prova de RTFO;

c) Per resoldre el problema de rodar un betum modificat amb polímers per a la prova d'RTFOT.

Un exemple és els mètodes següents: assaig d'envelliment del cilindre giratori (RCAT) [7], un matràs modificat alemany spinner (MGRFT) [4], la prova amb ventilació forçada (SAFT) [8].

Materials part experimental

Reòmetre de principi de cisallament dinàmic a 4 mm plaques paral·leles

La controvèrsia relativa mòdul de glicerol en l'estat vitri (Gg) va fer Schröter [9] va desenvolupar un mètode per a la correcció d'errades del reòmetre de tall dinàmic, els seus accessoris i una placa. Sui [1] s'aplica a l'ajust dels mesuraments del betum de tall dinàmic a baixes temperatures (~ 5 ° C ... -40 ° C) en un 4-mm plaques paral·leles amb un buit de 1,7 mm (en l'article, es coneix aquest mètode per com 4-mm reómetro de tall dinàmic ).

A baixa freqüència (alta temperatura) betum de petroli mal·leable, i correcció d'errors és eina insignificant. A alta freqüència (baixa temperatura), produint varia, i per tal d'obtenir el veritable valor del mòdul de bitumen fractura fràgil de mesurament s'aplica ajust reòmetre de cisallament.

Per a la prova només requereix 25 mg de material (en la pràctica - aproximadament 150 mg per a la fabricació del patró de la mostra), que és diversos ordres de magnitud menor que la necessària per a la producció de la prova de barres en el reòmetre de biga de flexió.

es requereix precondicionament de les mostres. Marcador en reómetro es porta a terme a una temperatura relativament baixa (60-70 ° C).

En aquest estudi, l'estudi de les propietats reològiques es porta a terme utilitzant un reómetro de tall dinàmic 4-mm. M-valor i el S rigidesa de cisallament (t) s'estimen mitjançant la correlació amb un reómetro de tall dinàmic 4-mm dissenyats Sui [6]. El Sui angle mètode de la corba base, i la tensió mòdul de relaxació de cisallament G (t) durant 2 hores correlacionat amb valors corresponents de S (t) i m durant 60 segons a una temperatura de 10 ° C per sobre de la veritable temperatura baixa per a un grau donat, obtinguda com a resultat del mesurament en un reómetro amb una biga de flexió. Sui Mètode canviar mesurant l'angle d'inclinació i la magnitud de G (t) durant 60 segons a una temperatura de 10 ° C més alt grau de temperatura de SP. Reologia a temperatures mitjanes i baixes es va mesurar en les plaques 8 mm de diàmetre i 25 mm.

La conversió mútua d'un mòdul elàstic dinàmic G '(ω) en el mòdul de relaxació executat per equacions d'aproximació deriva Christensen [10]:

G (t) ~ G '(ω) | ω = 2 / πt

Els mesuraments dels mòduls de tall dinàmic es van realitzar en rotació reòmetres de tall dinàmic i ARES Malvern Kinexus TA. La lectura d'escombrat de freqüència es va realitzar a intervals de 15 ° C en l'interval de -30 a + 45 ° C amb un angular gamma de freqüències de 0,1 a 100 rad / seg. A baixes temperatures, el límit d'escombrat d'alta freqüència es va reduir a 50 rad / seg.

Aplicació 4 mm Tecnologia reómetro de tall dinàmic es pot utilitzar "al camp" per a l'anàlisi de micromostres en l'avaluació de les propietats de comportament dels materials de recobriment i l'anàlisi per a descriure les propietats reològiques del betum i va reclamar aglutinant a temperatures mitjana i baixa, per descriure la reologia del precipitat emulsió i el material per omplir esquerdes així com per al desenvolupament del mètode d'assaig d'una pel·lícula prima - l'objecte d'aquest article.

espectroscòpia infraroja

L'anàlisi d'IR es va dur a terme en la manera de "transmissió" a la cel·la de 1,0 mm amb una mostra de 50 mg de bitumen en 1 ml de disulfur de carboni. 32 cicles d'exploració es van realitzar Equip: Perkin Elmer Spectrum 100, resolució de 4 cm-1.

materials

Taula 1 descriu els tipus de betum investigats. Les mostres van ser preses del tanc durant les obres de construcció de carreteres. Tres de les quatre preparacions aglutinants lloc de prova a Rochester, Minnesota, Estats Units (construït el 2006). Asfalt "MV" (Manitoba) preparat amb proves de polígons barreja calenta a Manitoba, Canadà, va ser construït el 2010.

Resultats i Discussió

Desenvolupament de tècniques SAT, la seva comparació amb el RTFO i RTFO / APV

Cal recordar que la idea no és nova SAT. L'envelliment del betum pel·lícules primes per simular l'envelliment oxidatiu a curt i llarg termini, que es produeix en una operació real, àmpliament estudiat durant els últims 70 anys. L'anàlisi de la fonts gastades Airey [11].

Desenvolupament d'un mètode SAT és l'esbarjo i adaptar els estudis existents d'envelliment pel·lícules primes, en particular, els estudis Glover [8, 12] i Petersen [13]. El complement de la utilització d'un reòmetre de tall dinàmic de 4 mm que ens permet considerar aquesta tècnica com alternatives RTFOT.

En el desenvolupament d'un problemes SAT era proporcionar el gruix mínim de la pel·lícula i d'aquesta manera reduir l'efecte de difusió. A través d'assaig i error va ser elegit gruix de 300 nm, el que permet proporcionar una pel·lícula prima sense l'ús d'un dissolvent. El volum de la mostra per a la investigació reològica i química ha estat un altre factor limitant.

protocols de prova SAT es donen a la Taula 2: La prova de curta durada per a la barreja d'asfalt calent a 130 ° C durant 50 minuts en un forn amb bufat forçat. Protocol preliminar, ja que la feina ara només hem començat comparar l'envelliment realitzat d'acord amb el protocol i l'envelliment, el que està succeint realment a la carretera, on la barreja calenta apilats.

Fig. 2 mostra el dispositiu desenvolupat recentment per l'envelliment a curt i llarg termini de la pel·lícula prima del mètode SAT. La placa 3 té una ranura per a l'envelliment de 3 pel·lícules diferents, cadascun d'ells requereix 1,00 g de bitumen, el que dóna un gruix de pel·lícula d'aprox. 300 nm.

Preparació de pel·lícules primes de prova de betum es realitza com segueix. La caixa de treball pressuritzat, ple de nitrogen, es van col·locar una escalfat (aproximadament 120 ° C) el suport, i per donar-li una prova de la placa SAT (betum). Quan s'escalfa a 120 ° C es propaga el betum per al voltant de 2/3 de la superfície de la placa. betum espàtula s'estén sobre la resta de la placa de superfície, i després el deixen a la caixa durant uns minuts per produir betum superfície de la pel·lícula d'alineació. La placa es retira de la calefacció i es deixa reposar a la cambra de refredar a temperatura ambient (23 ° C) ple de nitrogen.

La placa d'extrem es va perforar el forat per a la inserció d'un termoparell amb el qual es va registrar la temperatura en un forn amb bufat forçat. La placa es col·loca en un bloc d'alumini preescalfat que proporciona un escalfament ràpid del panell d'assaig en un forn. Fig. 3A mostra dades sobre la temperatura al forn (un conjunt de dades de termoparell a la placa). El registre es va realitzar durant 50 minuts, la temperatura del forn - 150 ° C. La temperatura de la placa s'incrementa ràpidament des de la temperatura ambient a aproximadament 140 ° C i arriba 146 ° C després de 50 minuts.

L'esquema de curt termini i l'envelliment a llarg termini es mostra a la Fig. 3B. Les dimensions de la placa es trien de manera que la placa es pot inserir en un envelliment a pressió safata receptacle estàndard.

Es va trobar que provar una pel·lícula de 300 nm durant unes 40 hores en un forn d'aire forçat a una temperatura de 100 ° C i una pressió de 0,74 atm els resultats corresponents a la norma PAV (ASTM D6521) per a la prova de films de 3,2 mm de gruix a 20 atm A la safata estàndard. La durada de 40 hores és aproximada, ja que hi ha una diferència de pressió en l'envelliment del betum [14]. L'envelliment d'una pel·lícula de 300 nm en un recipient de pressió de 20 atm durant un total de 8 hores proporciona un nivell d'envelliment en proves estàndard amb una safata i un gruix de film segons les especificacions.

Per determinar el temps aproximat i la temperatura a la qual es simula l'envelliment, comparable a l'acord amb els estàndards de RTFO i RTFO / PAV, es va utilitzar l'espectroscòpia IR. Les dades predictives inicials es van comparar amb indicacions d'anàlisi reològiques. Així, a la fig. 4A mostra els espectres IR (SAT, RTFO, RTFO / PAV) de bitumen "MV" en comparació amb els protocols que figuren a la taula 2. Fig. 4B mostra les dades corresponents d'anàlisis reològiques: el mòdul complex de cisalla G * (ω). Es pot veure que els espectres estan molt a prop.

Comparació d'IP i reologia

A la Taula 3 es compara l'IP dels betums de les tecnologies RTFO, RTFO / PAV i SAT. Es va trobar que amb l'envelliment a curt i llarg termini, els resultats obtinguts utilitzant diferents tecnologies estan ben d'acord.

El mètode SAT no té un efecte significatiu en l'IP del bitumen (inclosa la prova ST SAT HMA LT FDO, que pot diferir de les condicions de prova de ST SAT LT PAV i RTFO / PAV a causa de la diferència en els efectes de pressió). Els resultats són molt propers.

La comparació de PI a baixa (m-valor), mitjana (G * / sinδ) i alt (G * / sinδ) per als mètodes SAT, RTFO i RTFO / PAV es mostra a la Fig. 5, 6 i 7. En l'anàlisi de l'API a baixa temperatura, només es mostra el valor de m, ja que els betums estudiats estaven controlats m. Els valors es donen amb precisió per a un operador d'acord amb ASTM (d2s%). Per exemple, la precisió d'un operador amb valor m en ASTM D6648-08 és del 4,0%.

L'error d'un operador és un valor per a experiments realitzats per un operador en un reòmetre en un sol laboratori. Tres dels quatre tipus de betum corresponen als nivells de precisió declarats, el que significa que les dades reològiques obtingudes mitjançant els mètodes SAT, RTFO i RTFO / PAV són comparables.

Percentatge de canvi de pes

El percentatge de canvi de pes de l'envelliment mitjançant el mètode RTFO es va mesurar d'acord amb el mètode AASHTO T240. El canvi en massa per a l'envelliment a curt termini pel mètode SAT es mesura de manera similar, és a dir, El canvi en la massa bituminosa s'expressa com un percentatge de la massa inicial. La pèrdua de massa s'expressa com un valor negatiu, l'augment és positiu. La pèrdua de massa s'observa sovint en la prova RTFOT, encara que també és possible un augment [15]. La taula 4 mostra una comparació del canvi de massa en les proves de SAT i RTFO.

Per a dos asfalts, la diferència en el canvi percentual en pes és insignificant. De les altres proves, es pot veure que el mètode SAT causa més pèrdua de pes que RTFO, encara que no significativament. Per argumentar que el SAT és estadísticament diferent de l'RTFO en termes de pèrdua de massa, es requereixen experiments addicionals.

Conclusió

En l'estudi del betum pur, les comparacions van mostrar que el mètode SAT produïa resultats comparables als resultats de les proves RTFO i RTFO / PAV en termes de característiques reològiques i, en menor mesura, comparables en les proves de descomposició de carbonil i sulfòxid.

La combinació del mètode SAT amb proves en un reòmetre de cisalla dinàmica de 4 mm amb plaques paral·leles permet determinar propietats reològiques i paràmetres d'especificació (valor de m i rigidesa de cisallament) a baixa temperatura. Per a l'envelliment a curt termini amb el mètode SAT, triga només 50 minuts, que és 35 minuts inferior a l'exigit per l'estàndard RTFOT.

Més important encara, l'envelliment a llarg termini en un recipient a pressió amb el mètode SAT requereix 8 hores, que són 12 hores més curtes que les necessàries per a una prova estàndard de PAV. Actualment, s'està treballant per aplicar el mètode SAT per al bitumen modificat per polímers, fangs d'emulsió, bitumen reduït i també per modelar l'envelliment oxidatiu que es produeix a la planta per a la producció de mescles tèxtils.

Cada placa per a les proves mitjançant el mètode SAT permet obtenir 3 g de betum envellit. Això és suficient per descriure les propietats reològiques i químiques a temperatures baixes, mitjanes i altes. Si es necessita una quantitat addicional d'enquadernació d'edat, es poden preparar diversos plats simultàniament.

Article: Un nou mètode de betum envellit en condicions de laboratori.

Denis Apkalimov, "Rotor" Ltd.