Свойства дорожного битума

Свойства битума для строительства дорог

• Свойства вязких битумов
• Свойства жидких битумов
• Оборудование для хранения и модификации дорожного битума

Для строительства дорог используют два типа битумов — вязкие и жидкие. Первые применяют для создания горячих асфальтобетонных смесей, битумных эмульсий, полимерно-битумных вяжущих, жидких битумов, а вторые — для производства горячих и холодных асфальтобетонных смесей, укрепления грунтов, обработки поверхности и других целей. Очевидно, что физико-механические показатели вязких и жидких битумов отличаются, а значит — для них проводят разные лабораторные испытания.

Свойства вязких битумов

На вязкие битумы распространяют требования два стандарта: первый — старый — ГОСТ 22245-90 «Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия», второй — относительно новый — ГОСТ 33133-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические требования». В части испытаний образцов вяжущего оба стандарта практически совпадают, но все же есть несколько отличий. Так, в новом добавлены измерения, в основном связанные с наблюдением за изменениями свойств битума после процесса старения, который характеризуется ухудшением качества нефтепродукта под действием потока воздуха и температуры.

Для установления физико-механических свойств вязких битумов по ГОСТ 22245-90 определяют:

• глубину проникания иглы при 25 °С и 0 °С
• температуру размягчения по методу кольца и шара
• изменение температуры размягчения после прогрева
• растяжимость при 25 °С и 0 °С
• температуру хрупкости
• температуру вспышки
• индекс пенетрации

Глубина проникания иглы характеризует такие свойства битума, как вязкость и твердость. Результат испытания получают путем измерения глубины, на которую погружается игла весом 100 г в образец битума в течение 5 с. при температуре 25 °С. При втором испытании, которое проводят при температуре 0 °С, используют иглу весом 200 г, а время погружения увеличивают до 60 с. Основным прибором для проведения испытания служит пенетрометр.

Показатель глубины проникания иглы при 25 °С формирует наименование марки битума. К примеру, если результат испытания составил 250 единиц, что соответствует прониканию иглы на 25 мм, то битум получает марку БНД 200/300.  

Температура размягчения по кольцу и шару характеризует такое свойство битума, как теплостойкость: при достижении определенной температуры битум переходит из пластичного состояния в вязкотекучее. Результат испытания получают регистрацией температуры, при которой битум, залитый в кольцо заданных размеров и охлажденный до температуры испытания, размягчается и, под действием стального шарика диаметром чуть меньше 10 мм и весом 3,5 г, опускается до нижней пластины. Кольца и пластины размещают горизонтально на небольшом вертикальном штативе, который в процессе испытания погружают в стакан (баню) из термостойкого стекла. После чего стакан устанавливают на нагревательный прибор и постепенно увеличивают температуру.   

Изменение температуры размягчения после прогрева характеризует стабильность битума во время хранения при повышенных температурах. Результат испытания определяют как разность температур размягчения по кольцу и шару, полученных до и после процесса 5-часового прогрева образца битума в сушильном шкафу при температуре 163 °С.

Растяжимость характеризует такое свойство битума, как пластичность. Ее определяют с помощью специального прибора — дуктилометра. Сначала битум заливают в специальные формы, состоящие из двух частей, и дают остыть. После этого формы устанавливают в аппарат, представляющий собой продолговатую ванну, в которой находится жидкость, температура которой соответствует требованиям выполнения испытания — 25 °С или 0 °С. Формы закрепляют на специальные рейки, одна из которых при испытании движется со скоростью 5 см/мин, а другая — статична. По достижению максимальной растяжимости нить битума рвется и дуктилометр фиксирует расстояние, которое прошла рейка.

Температура хрупкости характеризует низкотемпературные границы битума, а также определяет примерный условный нижний предел вязкоупругого состояния вяжущего. Испытание заключается в равномерном охлаждении и периодическом изгибе небольшой пластины с битумом, и определении температуры, при которой на образце с вяжущим появляются трещины или он ломается. Снижение температуры среды обеспечивает охлаждающий агент, который подают порциями для поддержания скорости падения температуры, равной 1 °С/мин. Основным устройством для измерения температуры хрупкости является аппарат Фрааса.

Температура вспышки связана с безопасностью использования битума. Во время испытания образец вяжущего, находящийся в открытом тигле, нагревают с помощью зажигательного устройства до тех пор, пока пары нефтепродукта не вспыхивают над поверхностью, и пока, при дальнейшем нагреве, не происходит загорание битума продолжительностью не менее 5 с. За результат испытания принимают температуру, при которой над поверхностью образца появляется синее пламя.   

Индекс пенетрации выражается числовым значением, которое характеризует связь между такими свойствами битума как твердость и теплостойкость. Индекс вычисляют по формуле, для расчета которой используют данные испытаний вяжущего на определение глубины проникания иглы при температуре 25 °С и температуры размягчения битума.

По относительно новому стандарту — ГОСТ 33133-2014 — проводят все испытания, указанные выше, за исключением расчета изменения температуры размягчения после прогрева, а также добавляют лабораторные испытания по определению:

• температуры хрупкости после старения
• изменения массы образца после старения
• изменения температуры размягчения после старения
• растворимости
• содержания твердых парафинов

Температура хрупкости после старения, изменение массы образца после старения, изменение температуры размягчения после старения, — характеризуют изменение свойств битума после воздействия на него высокой температуры и воздуха. Сначала определяют параметры нефтепродукта в соответствии с выбранным испытанием, после чего помещают образцы в сушильный шкаф с температурой 163 °С и выдерживают 5 часов. Затем снова проводят необходимое испытание и вычисляют разность между двумя результатами. 

Растворимость характеризует максимально возможную концентрацию битума в растворителе, соответствующую равновесию с метастабильной твердой фазой при определенных условиях. Проще — растворимость косвенно показывает количество твердых загрязнений в вяжущем. При проведении испытания битум и растворитель смешивают в колбе и нагревают. После этого полученную смесь пропускают через фильтр, помещенный в воронке. По окончании фильтр с нерастворенной частью высушивают и взвешивают. Результат испытания получают путем расчетов по формуле, в которой участвуют массы битума и нерастворимого осадка на фильтре.   

Для всех марок битума, произведенных по ГОСТ 33133-2014, растворимость должна быть не ниже 99%.

Содержание твердых парафинов в вяжущем оказывает негативное влияние на основные свойства битума — пластичность и адгезию, а также снижает морозостойкость нефтепродукта. Для определения количества парафинов применяют один из двух методов — экстрагирование или дистилляцию. Экстрагирование заключается в предварительном осаждении изооктаном или гептаном асфальтенов из растворенного в толуоле битума, адсорбции смолистых веществ окисью алюминия и выделении парафинов из десорбированной фракции вымораживанием. Дистилляция заключается в получении твердого парафина в дистилляте, который получают в процессе специфической перегонки. 

Для всех марок битума, произведенных по 33133-2014, содержание твердых парафинов не должно превышать 3%.

В государственном стандарте 33133-2014, помимо обязательных требований к количественным показателям физико-механических свойств битума, указаны испытания, которые необходимо проводить для сбора статистических данных. Для этого определяют:  

• динамическую вязкость, которая характеризует такое свойство битума, как устойчивость к сдвиговым нагрузкам, и представляет собой отношение напряжения сдвига к скорости сдвига. Испытание для определения динамической вязкости проводят на специальном приборе — вискозиметре — он поддерживает необходимую температуру образца битума и сохраняет одну скорость сдвига во время работы. После завершения испытания на экране подключенного к вискозиметру компьютера создается отчет, в котором представлены данные о динамической вязкости битума
• динамическую вязкость после старения
• изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия регистрируют на вискозиметре. Сначала он определяет динамическую вязкость при определенной скорости сдвига и одной температуре образца. Затем скорость сдвига сильно увеличивают и, после достижения максимальной скорости, вискозиметр снова фиксирует показатель динамической вязкости. Далее происходит обратное снижение скорости сдвига до первоначальной и снова определяют динамическую вязкость. По разности значений, полученных до и после повышения скорости сдвига, оценивают устойчивость структуры битума к воздействию сдвиговых нагрузок. Результат испытания выражают в процентах
• изменение динамической вязкости в результате сдвигового воздействия после старения
• максимальное усилие при растяжении при 25 °С и 0 °С. Данное испытание осуществляют на дуктилометре, но результат указывают не в сантиметрах, как в случае с испытанием на растяжимость, а в Ньютонах. Прибор автоматически фиксирует максимальное усилие, при котором происходит разрыв нити битума

После проведения испытаний и определения показателей физико-механических свойств битума, специалисты лаборатории заносят полученные данные в протокол. Информацию о результатах испытаний дублируют в паспорте продукта, который выдается вместе с отгрузочными документами на нефтепродукт.

Свойства жидких битумов

Показатели свойств жидких битумов, применяемых для строительства дорог, должны соответствовать требованиям ГОСТ 11955-82 «Битумы нефтяные дорожные жидкие. Технические условия». В стандарте указаны лабораторные испытания, на основании результатов которых выбирают ту или иную марку нефтепродукта. В отличие от вязких битумов, где наименование марки указывают в зависимости от глубины проникания иглы, в жидких наименование марки получают исходя из показателя условной вязкости и скорости формирования структуры вяжущего.

Для установления физико-химических свойств жидких битумов определяют:

• условную вязкость по вискозиметру
• количество испарившегося разжижителя
• температуру размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя
• температуру вспышки
• сцепление с мрамором или с песком

Условная вязкость характеризует основное свойство битума — текучесть. Процесс выполнения испытания заключается в измерении времени, в течение которого определенное количество битума протекает через 5-миллиметровое отверстие цилиндра специального аппарата при температуре 60 °С.

Как было сказано выше, показатель условной вязкости частично формирует марку битума. К примеру, если результат испытания составил 50 секунд, а вяжущее относится к классу медленногустеющие, то битум получает марку МГ 40/70.

Количество испарившегося разжижителя характеризует способность битума удерживать частицы веществ, добавляемых для снижения вязкости нефтепродукта. Сначала образцы битума, помещенные в чаши, взвешивают. После этого их помещают в сушильный шкаф или вакуум-термостат, где выдерживают, в зависимости от аппарата нагрева и класса битума, от 2 до 5 часов при температуре 100 °С. После чего чаши вынимают, охлаждают и снова взвешивают. Количество испарившегося разжижителя вычисляют по формуле, в которой участвуют массы битума до испытания и после.     

Температура размягчения остатка после определения количества испарившегося разжижителя характеризует теплостойкость битума после испытания, описанного выше. Показатель температуры размягчения, как и в испытании вязкого битума, осуществляют методом кольца и шара. 

Температура вспышки связана с безопасностью использования битума. Лабораторное испытание жидких битумов проводят точно также, как и вязких: нагреванием образца нефтепродукта в открытом тигле — сначала до появления вспышки паров вяжущего, а после — до момента воспламенения битума.     

Сцепление с мрамором или песком характеризует такое свойство битума, как адгезию, то есть способность разнородных материалов сцепляться между собой. При проведении испытания на «пассивное» сцепление вяжущее и песок или измельченный мрамор металлической ложкой смешивают в чашках. Далее полученную битумоминеральную смесь выкладывают на специальную сетку и погружают в кипящую воду на 30 минут. По этого сетку со смесью охлаждают в стакане с холодной водой и материал выкладывают на фильтровальную бумагу.

При испытании на «активное» сцепление измельченный мрамор или песок, воду и битум поочередно добавляют в стеклянную пробирку и закрывают пробкой. Пробирку помещают в водяную баню с температурой 55—60 °С на 10 минут. После этого пробирку встряхивают и смесь выкладывают на стеклянную пластинку.

Для оценки сцепления битума смесь сравнивают с фотографиями контрольных образцов.

Широкое применение битума способствует постоянному контролю качества этого вяжущего на разных этапах жизненного цикла — от хранения на территории НПЗ, до применения в качестве компонента на асфальтобетонном заводе.

Оборудование для хранения и модификации дорожного битума

Если ваше предприятие работает или планирует работать с битумом для строительства дорог, то обратите внимание на оборудование от компании NFLG. Мы производим и поставляем:

— битумные хозяйства

— установки для производства битумной эмульсии

— установки для вспенивания битума

Оборудование от компании NFLG — залог сохранения основных свойств битума и создания смесей высокого качества.