Un nou mod de îmbătrânire a bitumului în laborator

Un nou mod de îmbătrânire a bitumului în laborator.

Articolul descrie procesul de imbatranire tratamente pentru a dezvolta (300 microni) film subțire pentru perioade scurte și lungi de timp. Noua procedură este dezvoltat ca o alternativă la metodele de testare utilizate: laminare cuptor subțire de film (RTFO) si Aging presiune (PAV). Noua tehnica numita procedură simplă îmbătrânire (test de îmbătrânire simplu, SAT), poate fi utilizat pentru a curăța și modificate de bitum și emulsii și un reziduu. Înainte de punerea în aplicare a programului strategic de studii de drum a existat un interes semnificativ în procesul de îmbătrânire a filmului subțire în condiții statice. Cu toate acestea, pe termen scurt procedura de îmbătrânire a fost adoptat RTFO, ca și pentru testarea reometru fasciculului de îndoire necesar un număr mare de asfalt în vârstă. De la adoptarea standardului ca metodă RTFO a identificat unele probleme atunci când încercați să-l aplice la îmbătrânirea de lianți foarte modificate. Referitor la cald amestec metoda RTFO la temperaturi mai scăzute (simulare de joasă temperatură de fabricație) poate impune anumite restricții asupra filmului de rulare pentru o îmbătrânire uniformă a materialului. Plastometer recent dezvoltat care funcționează pe principiul de forfecare dinamic (DSR) cu plăci paralele de 4 mm permite testarea la temperaturi de până la -40 ° C, necesită doar 25 mg de liant, și permite estimarea m-valoare și prejudecată rigiditate îndoire reometru fasciculului. Folosind această tehnică, în conjuncție cu SAT determina reologia bitumurilor, pe termen scurt sau lung cu vârste sub temperatură joasă și medie. În plus, există suficient material în vârstă de tip pentru reometru DSR cu 25mm plăci. Metodologia SAT elimină problema probelor „rulare“ pentru asfalturi modificat cu polimeri și cald. In timpul testelor de mai multe tipuri de asfalt au fost marcate SAT timp procedura și îmbătrânire echivalentă temperaturii la acești parametri când utilizați RTFO și procedurile PAV.

introducere

Solidificarea privind îmbătrânirea sub influența oxidării - procesul care are loc atunci când de stabilire a amestecului la cald, precum și în timpul ciclului de viață al suprafeței drumului. Aceasta influențează considerabil performanța de acoperire, cum ar fi rutului, crăparea și exfolierii și, ca urmare, durabilitate. Modelarea solidificare a îmbătrânirii în condiții de laborator este extrem de important pentru dezvoltarea de specificații bazate pe caracteristicile de performanță. Acest studiu descrie o nouă metodă de oxidare a probei de film subțire de testare, care dă rezultate echivalente cu procedurile standard de rulare cuptor film subțire (RTFO, ASTM metoda D2872) și îmbătrânire într-o cameră sub presiune (PAV, Metoda ASTM D6521) de bitum pur. Realizarea se va asigura eficacitatea filmului subțire de test (mai multe sute de nm) - o tehnică dezvoltată recent reometru în conformitate cu principiul de forfecare dinamic, care permite testarea probelor la temperaturi de până la -40 ° C, necesită doar 25 mg de probă, și include o ajustare pentru deformarea pe dispozitivul [1 ].

Procedura de testare bitum film subțire într-un cuptor a fost dezvoltat la începutul anilor '60 Hveem [2] și a fost acceptată în ASTM 1970 ani. În timpul punerii în aplicare a traficului Programul strategic studii a fost selectat ca standard pentru modelarea îmbătrânire întărire scurt, care are loc atunci când pavaj. În prezent, tehnica este utilizată în specificația de bitum Superpave.

Principalul avantaj al unei tehnici de peliculă subțire de bitum într-un cuptor la rotația de test (RTFOT) înainte de film de testare subțire cuptor static (TFOT, ASTM D1754 Method) constă în faptul că pentru rotirea containerelor din sticlă este supus la îmbătrânire suprafață mare a suprafeței eșantionului. Cu toate acestea, numărul de rotații și efectul pe suprafața eșantionului proaspăt variază în funcție de viscozitatea bitumului înainte de efectuarea testelor și a modificărilor viscozității în timpul testului. Motional și amestecarea bitumului în baloanele este complicată și de modificarea polimer-bitum. A redus temperatura de testare RTFO pentru modelarea de oxidare care apar în producția de mix cald, cauzând dificultăți similare.

Reducerea sau eliminarea rotirii rotație volumelor când au fost testați prin metoda RTFO pentru bitum modificat extrem - o problemă care a fost cunoscut de mai mulți ani [3]. Bahia [3] a propus să o rezolve prin scufundare o tijă de oțel în balon, furnizând astfel o răspândire film. Experimentele efectuate de Federal Highway Administration și de Sud-Est producătorii asfalturi grup au arătat că barele de oțel reduce nivelul de îmbătrânire bitum (modificat și nemodificat) și contribuie la scurgerile de bitum (ambele tipuri) din flacoane [4]. Deși tija de oțel nu contribuie la scurgerea de bitum din balon, bitumurile modificate cu polimeri sunt frecvent curg prin regiunea bulb, chiar și atunci când tija nr. Motivul pentru aceasta - efect Weissenberg (ridicare lichid visco elastic pe o tijă rotativă) [5]. Se presupune că o forță elastică (intindere lanțurilor polimerice) cauzate de rotația baloanelor de sticlă, având ca rezultat forță îndreptată vertical pozitiv, care determină ridicarea bitumului pe pereții interiori ai vasului.

Rezolvarea acestor probleme a fost baza activității Institutului de Cercetare de Vest (WRI) pe o nouă metodă de termen scurt și îmbătrânirea pe termen lung, care este o procedură simplă îmbătrânire (SAT) a fost numit. Ea este dedicată acestui articol.

Prin metodologia SAT, ca alternativă la standardul RTFO și RTFO / PAV, a prezentat următoarele cerințe:

1) Gradul de îmbătrânire trebuie să fie echivalentă cu cea a metodei RTFOT. Atâta timp cât specificațiile Superpave se bazează pe rezultatele testelor RTFOT, orice tehnică nouă trebuie să respecte procesul de îmbătrânire RTFOT pentru bitum pur.

2) Ușor, nu este nevoie pentru a curăța baloane. Procedura de testare este de a permite plasarea pe termen scurt a eșantionului în vârstă direct în cuptor pentru îmbătrânire pe termen lung.

3) Cantitatea de bitum va fi suficientă pentru a determina gradul indicelui de penetrare (SHRP PG) și descrierea compoziției chimice.

4) La introducerea sau scoaterea probelor nu trebuie utilizat solvenți, care este deosebit de important pentru bitumurile modificate cu polimeri.

5) Grosimea filmului trebuie să fie redusă pentru a elimina problema de difuzie a oxigenului, este prezentă în probele de testat într-o stare staționară (TFOT).

6) Tehnica ar trebui să permită reducerea temperaturii pentru a simula condițiile de producție, amestecul cald.

7) Timp de testare trebuie să fie mai mică sau testul RTFO RTFO / PAV.

8) metode trebuie să fie costuri reduse.

9) O tehnică trebuie să permită îmbătrânirea peliculelor din reziduu de emulsie.

film de îmbătrânire oxidați (grosimea filmului de câteva sute de microni) este capabil să îndeplinească toate cerințele de mai sus, cu toate acestea, pentru testele ulterioare privind SHRP asfalt necesită o suprafață foarte mare a suprafeței eșantionului. În special, problema devine teste cu îndoire reometru fascicul, deoarece pentru fiecare eșantion bastoane iau 15 grame bitum, iar aceste probe au nevoie de ceva. testul SHRP la temperaturi medii și înalte sunt ținute pe un reometru de forfecare dinamic (DSR), care necesită doar câteva grame de bitum.

Sa spus că invenția cu un reometru de forfecare dinamic (DSR) cu plăci paralele de 4 mm permite testarea la temperaturi de până la -40 ° C, necesită doar 25 mg de liant, și permite estimarea m-valoarea și rigiditatea compensată [6] pentru curbare reometru fascicul. În continuare se va da o descriere mai detaliată a acestei tehnologii. Combinația sa cu metoda de îmbătrânire de film - RTFOF metodă alternativă. Mai mult, după testul este bitum suficient pentru testele SHRP la temperatură ridicată joasă, medie și mare.

Cercetarea și dezvoltarea de noi teste în ultimul deceniu, au în principal următoarele obiective:

a) Se prepară testul după câteva grame de bitum pentru teste suplimentare asupra reometru fasciculului de îndoire;

b) Pentru a rezolva problema de bitum care curge afară din balon în timpul testului RTFO;

c) Pentru a rezolva problema de rulare un bitum modificat cu polimeri pentru testul RTFOT.

Exemplele pot servi următoarele metode: Testul privind îmbătrânirea cilindru rotativ (RCAT) [7], un balon modificat german filator (MGRFT) [4], testul cu ventilație forțată (SAFT) [8].

o parte Materiale experimentale

Reometru de principiu forfecare dinamică la 4 mm plăci paralele

Controversele privind modulul de glicerol în stare sticloasă (Gg) a făcut Schröter [9] a dezvoltat o metodă pentru corectarea erorilor de reometru de forfecare dinamic, fitingurile sale și o placă. Sui [1] aplicat ajustarea măsurătorilor bitumului forfecare dinamică la temperaturi joase (~ 5 ° C ... -40 ° C) pe o plăci paralele de 4 mm, cu un decalaj de 1,7 mm (în articol, această metodă este denumită de 4 mm reometru forfecare dinamică ).

La frecvență joasă (temperatură înaltă), bitum maleabil și corectarea erorilor este un instrument neglijabil. La înaltă frecvență (joasă temperatură) recoltând variază, și pentru a obține valoarea reală a modulului de bitum de rupere casantă de măsurare se aplică ajustarea la forfecare reometru.

Pentru test necesită doar 25 mg de material (în practică - aproximativ 150 mg pentru fabricarea modelului eșantionului), care este de mai multe ordine de mărime mai mică decât este necesar pentru producerea testului de bare de pe reometru fasciculului de îndoire.

este necesară precondiționare probelor. Marcaj în reometru este efectuată la o temperatură relativ scăzută (60-70 ° C).

In acest studiu, studiul proprietăților reologice se realizează cu ajutorul unui reometru de forfecare dinamică de 4 mm. M-valoare și rigiditate la forfecare S (t) sunt estimate prin corelarea cu un reometru de forfecare dinamică de 4 mm proiectat Sui [6]. Metoda Sui unghiul curbei de bază, iar tensiunea de relaxare modul de forfecare G (t) timp de 2 ore, corelat cu valorile corespunzătoare ale S (t) și m timp de 60 de secunde la o temperatură de 10 ° C peste adevărata temperatură scăzută pentru un anumit grad, obținut ca urmare a măsurării pe un reometru cu un fascicul de îndoire. Sui Metoda modificată prin măsurarea unghiului de înclinare și amplitudinea G (t) timp de 60 de secunde la o temperatură de 10 ° C, grad temperatură mai mare de SP. Reologie la temperaturi medii și joase a fost măsurată pe plăcile de 8 mm în diametru și 25 mm.

Conversia reciprocă a unui modul dinamic de elasticitate G „(ω) în modulul de relaxare executat de ecuațiile de aproximare derivate Christensen [10]:

G (t) ~ G „(ω) | ω = 2 / πt

Măsurători ale moduli forfecare dinamice au fost realizate în rotirea rheometers forfecare dinamică și ARES Malvern Kinexus TA. Citirea matura frecvență a fost efectuată la intervale de 15 ° C în intervalul de la -30 la + 45 ° C , cu o unghiulară gamă de frecvență de la 0,1 la 100 rad / sec. La temperaturi scăzute, limita matura de înaltă frecvență a fost coborâtă la 50 rad / sec.

Tehnologie Aplicație 4mm dinamic reometru de forfecare poate fi folosit „în câmpul“ pentru analiza microsamples în evaluarea proprietăților de performanță ale materialelor de acoperire și analiză pentru a descrie proprietățile reologice ale bitumului și regenerat liant, la temperaturi medii și joase, pentru a descrie reologia precipitatului emulsie și materialul pentru umplerea fisurilor precum și pentru dezvoltarea metodei de testare a unui film subțire - obiectul acestui articol.

spectroscopie în infraroșu

Analiza IR a fost efectuată în modul „transmisie“, în celula de 1,0 mm, cu o probă de 50 mg de bitum în 1 ml de disulfură de carbon. 32 cicluri de scanare au fost efectuate Echipament: Perkin Elmer Spectrum 100, rezolutie de 4 cm-1.

materiale

Tabelul 1 descrie tipurile de bitum investigate. Probele au fost prelevate din rezervor în timpul lucrărilor de construcții de drumuri. Trei dintre cele patru lianții preparați site - ul de testare în Rochester, Minnesota, Statele Unite ale Americii (construita in 2006). Asfalt „MV“ (Manitoba) , preparat cu test de poligon se amestecă cald în Manitoba, Canada, a fost construit în 2010 ani.

Rezultate și discuții

Dezvoltarea de tehnici SAT, comparația cu RTFO și RTFO / Pav

Trebuie amintit că ideea nu este nou SAT. Imbatranirea filme subtiri de bitum pentru a simula îmbătrânire scurt și lung oxidativ pe termen lung, care are loc într-o operațiune reală, studiată pe larg în ultimii 70 de ani. Analiza surselor cheltuite Airey [11].

Dezvoltarea unei metode SAT este de a degajării și adapta studiile existente de îmbătrânire filme subțiri, în special, studiile Glover [8, 12] și Petersen [13]. Complementul utilizarea unui reometru de forfecare dinamică de 4 mm, care ne permite să ia în considerare această tehnică ca alternative RTFOT.

În dezvoltarea unei probleme SAT a fost de a oferi grosimea minimă de film și, astfel, reduce efectul de difuzie. Prin încercare și eroare a fost aleasă o grosime de 300 nm, care permite o peliculă subțire , fără utilizarea unui solvent. Volumul eșantionului pentru cercetare reologic și chimică a fost un alt factor limitativ.

protocoalele de testare SAT sunt date în Tabelul 2: Testul pe termen scurt pentru mixturi asfaltice cald la 130 ° C timp de 50 minute într-un cuptor cu lovitură forțată. Preliminar de protocol, din moment ce munca acum am început doar în comparație îmbătrânire realizată conform protocolului și îmbătrânirea, care este, de fapt se întâmplă pe drum în cazul în care stivuite amestecul cald.

Fig. 2 prezintă dispozitivul recent dezvoltat pentru îmbătrânirea pe termen scurt și lung a filmului subțire a metodei SAT. Placa 3 are o fantă pentru îmbătrânire 3 filme diferite, fiecare dintre ele necesită 1,00 g de bitum, care dă o grosime a filmului de aprox. 300 nm.

Prepararea filmelor subtiri de testare bitum se realizează după cum urmează. Cutia de lucru presurizat, umplut cu azot, se introduc o încălzit (circa 120 ° C), stand, și pentru a da un test de placă SAT (bitum). Atunci când este încălzit la 120 ° C, se extinde bitumul pentru aproximativ 2/3 din suprafața plăcii. bitum spatulă se întinde pe restul plăcii de suprafață, și apoi lăsați-l în cutie timp de câteva minute pentru a produce bitum suprafață de film de aliniere. Placa a fost apoi îndepărtată de încălzire și se lasă să stea în camera să se răcească la temperatura camerei (23 ° C), umplut cu azot.

Placa de capăt a fost forată orificiu pentru introducerea unui termocuplu cu care temperatura a fost înregistrată într-un cuptor cu lovitură forțată. Placa este plasată într-un bloc din aluminiu preîncălzit, care asigură încălzirea rapidă a panoului de testare într-un cuptor. Fig. 3A prezintă date privind temperatura în cuptor (o serie de date cu termocuplu din placa). Înregistrarea a fost efectuată timp de 50 de minute, temperatura cuptorului - 150 ° C, Temperatura plăcuței crește rapid de la temperatura ambiantă până la aproximativ 140 ° C și ajunge la 146 ° C, după 50 minute.

Schema de termen scurt și îmbătrânirea pe termen lung este prezentată în Fig. 3B. Dimensiunile plăcii sunt alese astfel încât placa poate fi introdusă într-o tavă de recipient standard de îmbătrânire sub presiune.

Se constată că grosimea filmului de test de 300 nm timp de aproximativ 40 de ore într-un cuptor cu lovitură forțată la 100 ° C și o presiune de 0,74 atm da rezultate standard de PAV (ASTM D6521) corespunzătoare pentru un film de 3,2 mm de testare grosime de la 20 atm în tava standard. Durata de 40 de ore este de aproximativ, deoarece există o diferență de presiune la bitumurile îmbătrânire [14]. Aging de film gros de 300 nm într-un recipient sub presiune de 20 atm timp de 8 ore produse numai nivelul de îmbătrânire sub standard de testare cu o tavă și o grosime de film în conformitate cu specificațiile.

Pentru a determina durata aproximativă și temperatura la care, a fost utilizată îmbătrânirea simulat, comparabil cu cel al standardelor și RTFO RTFO / pav spectroscopie IR. date predictive inițială este apoi comparată cu citirile de analiză reologică. De exemplu, în Fig. 4A prezintă o comparație a spectrelor IR (SAT, RTFO, RTFO / PAV) bitum "MV" pe protocoalele enumerate în tabelul 2. în Fig. 4B prezintă analiza reologică a datelor corespunzătoare - complexe modulul de forfecare G * (ω). Se poate observa că spectrele sunt foarte similare.

Comparație între IP și reologia

Tabelul 3 prezintă o comparație a bitumului SP învechire tehnologii RTFO, RTFO / PAV și SAT. S-a constatat că, în termen scurt și pentru îmbătrânirea pe termen lung a rezultatelor obținute folosind diferite tehnologii sunt în acord bun.

Metoda SAT are nici un efect semnificativ asupra bitumului SP (inclusiv atunci când sunt testate în conformitate cu protocolul ST SAT HMA LT FDO, care pot diferi de condițiile de testare ST SAT LT PAV și RTFO / PAV datorită expunerii la diferența de presiune. Rezultatele sunt foarte asemănătoare.)

Comparația la SP scăzută (m-valoare), medie (G * / sinδ) și mare (G * / sinδ) Temperatura la metodele SAT, RTFO și RTFO / PAV prezentate respectiv în Fig. 5, 6 și 7. Atunci când analiza SP la temperatură scăzută arată doar m-valoare ca bitumurile au fost studiate controlate m. Valorile sunt date cu o precizie de un operator prin ASTM (D2S%). De exemplu, precizia unui singur operator m cea mai mare din ASTM D6648-08 este de 4,0%.

Eroarea pentru un operator este valoarea pentru experimentele efectuate pe un singur operator într-un reometru de laborator. Trei dintre cele patru tipuri de bitum îndeplinesc nivelurile stabilite de precizie, ceea ce înseamnă că datele reologice obținute prin metodele de SAT, și RTFO RTFO / PAV comparabile.

Modificarea procentuală a masei

Procent schimbare de greutate din procedeul RTFO îmbătrânire a fost măsurată în conformitate cu metoda AASHTO T240. Schimbarea greutății la metoda de îmbătrânire scurtă pentru SAT este măsurată în mod similar, adică, masa schimbare bitum se exprimă ca procent din masa inițială. Pierderea de masă este negativ, creșterea - un rezultat pozitiv. pierderea in greutate este adesea observată în timpul testului RTFOT, deși creșterea este posibilă și [15]. Comparând modificările greutății în timpul testului metodelor SAT și RTFO sunt date în tabelul 4.

Două asfalt în diferența procentuală schimbare de greutate este neglijabilă. Alte teste pot observa că metoda de SAT este pierderea în greutate mai mare decât RTFO, deși doar puțin. Pentru a afirma că SAT este statistic diferită de RTFO un punct de pierdere în greutate de vedere, necesită experimente suplimentare.

concluzie

În ancheta comparațiilor bitum pur a arătat că metoda SAT dă rezultate comparabile cu rezultatele testelor efectuate pe standard si RTFO RTFO / PAV din punct de vedere reologic, și într-o măsură mai mică, comparabilă în timpul încercărilor pentru descompunerea carbonilului și sulfoxid.

Combinarea metodei cu testele SAT la 4 mm reometru de forfecare dinamică cu plăci paralele pentru determinarea proprietăților reologice și a parametrilor de specificație (m valoare și rigiditate la forfecare) la temperatură scăzută. Pentru a efectua o îmbătrânire scurtă a metodei SAT necesită numai 50 minute, 35 minute, mai puțin decât este necesar pentru standardul RTFOT.

Mai important, pe termen lung îmbătrânire sub presiune în vas prin metoda SAT necesare 8 ore, timp de 12 ore înainte de standardul cerut pentru PAV de test. În prezent, lucrările sunt în desfășurare pentru aplicare metoda SAT pentru polimer modificat de bitum precipitat recuperat bitum, precum și pentru modelarea îmbătrânire oxidativ, care are loc la mixul cald uzinele de fabricare.

Fiecare placă a metodei de testare SAT permite obținerea a 3 g de bitum îmbătrânite. Acest lucru este suficient pentru a descrie proprietățile reologice și chimice la temperatură joasă, medie și înaltă. Dacă aveți nevoie de suplimentare în vârstă de liant pot fi preparate și supuse la îmbătrânire, în același timp câteva plăci.

Articolul: Un nou mod de îmbătrânire a bitumului în laborator.

Apkalimov Denis, LLC "EPC" Rotor "