En ny måde at ældning af bitumen i laboratoriet

En ny måde at aldringen af bitumen i laboratoriet.

Artiklen beskriver processen med aldrende behandlinger til at udvikle tynde (300 um) film til korte og lange perioder. Den nye procedure bliver udviklet som et alternativ til de anvendte testmetoder: rullende tyndfilm ovn (RTFO) og Pressure aldring (PAV). Den nye teknik kaldet enkel procedure aldring (simpel aldring test, SAT), kan anvendes til at rense og bitumen emulsion og en rest. Forud for gennemførelsen af den strategiske program af vej studier var der en betydelig interesse i den aldrende den tynde film under statiske forhold. Blev imidlertid aldring procedure kortsigtet vedtaget RTFO, som til afprøvning bukkevangestøtten rheometer kræves et stort antal alderen asfalt. Siden vedtagelsen af standarden som en metode RTFO identificeret nogle problemer, når du forsøger at anvende det til ældning af stærkt modificerede bindemidler. Med hensyn til den varme blanding RTFO fremgangsmåde ved lavere temperaturer (simulering lav temperatur fremstilling) kan pålægge visse restriktioner for den rullende film til ensartet ældning af materialet. Plastometer nylig udviklet opererer på princippet om dynamisk forskydning (DSR) med 4-mm parallelle plader tillader afprøvning ved temperaturer op til -40 ° C, kræver kun 25 mg bindemiddel og gør det muligt at estimere m-værdi og bias stivhed for bukkevangestøtten rheometer. Anvendelse af denne teknik i forbindelse med SAT bestemmer rheologien af bitumener, kort- eller langsigtede alderen under lav og middel temperatur. Derudover er der tilstrækkeligt materiale ældet i DSR typen rheometer med 25 mm plader. SAT metode eliminerer problemet med "rullende" prøver til polymermodificerede asfalter og varm. Under test af flere typer af asfalt er blevet markeret SAT procedure tid og aldrende temperatur svarende til disse parametre, når du bruger RTFO og PAV procedurer.

introduktion

Størkning på ældning under indflydelse af oxidation - den proces, der opstår, når æglæggende den varme blanding, samt under livscyklus vejbanen. Det påvirker i høj grad coatingydeevnen såsom sporkøring, revner og delaminering og, som et resultat, holdbarhed. størkning modellering af aldringen i laboratorieforhold er ekstremt vigtigt for udviklingen af specifikationer er baseret på egenskaber. Denne undersøgelse beskriver en ny fremgangsmåde til oxidation af den tynde filmprøve test, der giver resultater, der svarer til standardprocedurer rullende tynd film ovn (RTFO, ASTM D2872 metode) og ældning i et kammer under tryk (PAV, ASTM D6521 metode) på ren bitumen. Opnåelse vil sikre effektiviteten af testen tyndfilm (flere hundrede nm) - en teknik udviklet nylig rheometer ifølge princippet om dynamisk forskydning, som muliggør undersøgelse af prøverne ved temperaturer op til -40 ° C, kræver kun 25 mg prøve, og indbefatter en justering for deformation på enheden [1 ].

Testprocedure bitumen tyndfilm i en ovn blev udviklet i begyndelsen af 60'erne Hveem [2] og er blevet accepteret i ASTM 1970 år. Under gennemførelsen af det strategiske program trafik studerer det er blevet valgt som standard for modellering kort hærdning aldring, der finder sted, når brolægning. I øjeblikket er den teknik, der anvendes i specifikationen af bitumen Superpave.

Den største fordel ved en teknik med tynd film af bitumen i en ovn ved test rotation (RTFOT) før tyndfilm ovn test i statisk (TFOT, ASTM D1754 Method) ligger i det faktum, at til rotation glasbeholdere udsættes for ældning stort område af prøveoverfladen. Men det antal omdrejninger og virkningen på frisk prøve overflade varierer afhængigt af viskositeten af bitumen før afprøvning, og ændringer i viskositet under afprøvningen. Motional og blanding af bitumen i kolberne kompliceres også af polymer-bitumen modifikation. Reduceret RTFO testtemperatur til modellering oxidation forekommer i produktion af varme blanding, der forårsager lignende problemer.

Reducere eller eliminere rotationen af volumener rotation, når den testes ved fremgangsmåden RTFO for højt modificeret bitumen - et problem, der har været kendt i adskillige år [3]. Bahia [3] foreslået at løse det ved at dyppe en stålstang i kolben og således tilvejebringe en film spredes. Eksperimenter udført af Federal Highway Administration og Sydøstasien gruppe asfalter producenter viste, at stålstænger reducere omfanget af aldrende bitumen (som modificeret og umodificeret) og bidrage til lækage af bitumen (begge typer) fra kolberne [4]. Selvom stålstang faktisk bidrager til lækage af bitumen fra kolben, er polymermodificerede bitumener ofte strømme gennem pære region, selv når stangen no. Årsagen til dette - Weissenberg virkning (lift viskoelastisk væske på en roterende stav) [5]. Det antages, at en elastisk kraft (strækning af polymerkæderne) forårsaget af rotationen af glaskugler, hvilket resulterer i positiv vertikalt rettet kraft, som forårsager hævning af bitumen på de indre vægge af kolben.

Løsningen af disse problemer var grundlaget for arbejdet i det vestlige Research Institute (WRI) på en ny metode til kortsigtet og langsigtet aldring, som er en simpel procedure aldring (SAT) er blevet kaldt. Hun er viet til denne artikel.

Af SAT metodologi, som et alternativ til standard RTFO og RTFO / PAV fremlagde følgende krav:

1) Graden af ældning skal svare til den for RTFOT metode. Så længe de Superpave specifikationer er baseret på resultaterne af tests RTFOT skal enhver ny teknik i overensstemmelse med processen med aldrende RTFOT for rene bitumen.

2) Let, ingen grund til at rense kolber. Testproceduren er at tillade kortvarig placering af den ældede prøve direkte ind i ovnen for langsigtet ældning.

3) Størrelsen af bitumen vil være tilstrækkelig til at bestemme kvaliteten af det penetrationsindeks (SHRP PG) og beskrivelsen af den kemiske sammensætning.

4) Ved placering eller fjernelse af prøverne bør ikke anvendes opløsningsmidler, hvilket er særligt vigtigt for polymermodificerede bitumener.

5) Filmtykkelsen bør være lav for at eliminere problemet med oxygen diffusion, er til stede i testprøverne i en stationær tilstand (TFOT).

6) Teknikken bør gøre det muligt at reducere temperaturen til at simulere produktionsbetingelser, den varme blanding.

7) Test skal være mindre end eller RTFO test RTFO / PAV.

8) metoder bør være lav pris.

9) En teknik bør tillade ældning af film fra emulsionen rest.

Oxidativ ældning film (filmtykkelse på flere hundrede mikrometer) er i stand til at opfylde alle de ovennævnte krav, men for de efterfølgende tests på SHRP asfalt kræver et meget stort område af prøveoverfladen. Især bliver problemet forsøg med bukkevangestøtten rheometer, da for hver prøve pinde tage 15 gram bitumen, og disse prøver skal nogle. SHRP test ved medium og høje temperaturer holdes på med en dynamisk forskydning (DSR), som kræver blot nogle få gram bitumen.

Det er blevet sagt, at opfindelsen med en dynamisk forskydning (DSR) med 4-mm parallelle plader tillader afprøvning ved temperaturer op til -40 ° C, kræver kun 25 mg bindemiddel og gør det muligt at estimere m-værdi og stivhed offset [6] for buede rheometer stråle. Næste vil blive givet en mere detaljeret beskrivelse af denne teknologi. Dens kombination med metoden til filmen aldring - RTFOF alternativ metode. Endvidere efter testen er tilstrækkelige bitumen for SHRP tests på lav, middel og høj temperatur.

Forskning og udvikling af nye test i det sidste årti, hovedsageligt har følgende mål:

a) Fremstil testen efter nogle få gram bitumen til yderligere tests på bukkevangestøtten rheometer;

b) For at løse problemet med bitumen strømmer ud fra kolben under RTFO test;

c) For at løse problemet med at rulle en polymermodificerede bitumen for RTFOT test.

Eksempler kan tjene følgende metoder: Test af aldringen af den roterende cylinder (rKat) [7], en modificeret tysk spinnerkolbe (MGRFT) [4], er testen med tvungen ventilation (SAFT) [8].

Eksperimentelle del Materialer

Rheometer til princippet dynamisk forskydning til 4 mm parallelle plader

Kontrovers vedrørende glycerol modul i den glasagtige tilstand (Gg) fremstillet Schröter [9] udviklet en metode til korrektion af fejl af det dynamiske forskydningsrheometer, dens beslag og en plade. Sui [1] anvendes ved justeringen af målinger af de dynamiske shear bitumen ved lave temperaturer (-5 ° C ... -40 ° C) på en 4 mm parallelle plader med en spalte på 1,7 mm (i artiklen, denne fremgangsmåde omtales som 4-mm dynamisk forskydningsrheometer ).

Ved lav frekvens (høj temperatur) bitumen plastisk, og fejlkorrektion er ubetydelig værktøj. Ved høj frekvens (lav temperatur), hvilket gav varierer, og for at opnå den sande værdi af modulet i sprødbrud bitumen Measuring forskydningsrheometer justering gælder.

Til test kræver kun 25 mg materiale (i praksis - ca. 150 mg til fremstilling af prøven mønster), som er flere størrelsesordener lavere end nødvendige til fremstilling af bar test på bukkevangestøtten rheometer.

Prækonditionering af prøver er påkrævet. Bogmærke i rheometer udføres ved en relativt lav temperatur (60-70 ° C).

I denne undersøgelse er studiet af de rheologiske egenskaber under anvendelse af en 4 mm dynamisk forskydningsrheometer. M-værdien og forskydningsstivhed S (t) er estimeret ved sammenligning med en 4-mm dynamisk forskydningsrheometer designet Sui [6]. Fremgangsmåden Sui basiskrumning vinkel og lettelsen modulus forskydningsspænding G (t) i 2 timer korreleret med tilsvarende værdier af S (t) og m i 60 sekunder ved en temperatur på 10 ° C over den sande lav temperatur for en given klasse, opnået som et resultat af målingen på et rheometer med en bøjning stråle. Sui Metode ændret ved måling af hældningsvinklen og størrelsen af G (t) i 60 sekunder ved en temperatur på 10 ° C højere temperatur kvalitet af SP. Reologi på mellemstore og lave temperaturer blev målt på pladerne 8 mm i diameter og 25 mm.

Den gensidige omdannelse af en dynamisk elasticitetsmodul G '(ω) i relax modul udføres af tilnærmelse ligninger afledt Christensen [10]:

G (t) ~ G '(ω) | ω = 2 / πt

Målinger af dynamiske forskydningsmoduler blev udført i roterende dynamiske shear rheometre og Malvern Kinexus TA ARES. Læsefrekvens sweep blev udført ved intervaller på 15 ° C i området fra -30 til + 45 ° C med et vinkelområde frekvensområde fra 0,1 til 100 rad / sek. Ved lave temperaturer, blev den høje frekvens grænse sweep sænket til 50 rad / sek.

Ansøgning Technology 4mm dynamisk forskydningsrheometer kan anvendes "i feltet" til analyse microsamples ved evalueringen af funktionsegenskaber materialeegenskaber for overtrækket og analyse til at beskrive de rheologiske egenskaber af bitumen og regenereret bindemiddel ved middel og lave temperaturer, for at beskrive rheologien af emulsionen bundfaldet og materialet til fyldning revner samt til udvikling af testmetoden af en tynd film - formålet med denne artikel.

infrarød spektroskopi

IR-analyse blev udført i "transmission" mode i cellen på 1,0 mm med en prøve på 50 mg af bitumen i 1 ml carbondisulfid. 32 scan cykler blev udført Udstyr: Perkin Elmer Spectrum 100, resolution 4 cm-1.

materialer

Tabel 1 beskriver de typer af undersøgte bitumen. Der blev udtaget prøver fra tanken under vejarbejder. Tre af de fire ringbind forberedt test site i Rochester, Minnesota, USA (bygget i 2006). Asfalt "MV" (Manitoba) tilberedt med polygon test varm mix i Manitoba, Canada, blev opført i 2010 år.

Resultater og diskussion

Udvikling af SAT teknikker, dens sammenligning med RTFO og RTFO / PAV

Det bør erindres, at ideen er ikke ny SAT. Aging tynde bitumen film til at simulere kort og lang sigt oxidativ ældning, som forekommer i en egentlig operation, bredt undersøgt for de sidste 70 år. Analyse af det brugte kilder Airey [11].

Udvikling af en fremgangsmåde SAT er at fordybning og tilpasse eksisterende undersøgelser af aldrende tynde film, især Glover undersøgelser [8, 12] og Petersen [13]. Den supplement til brugen af en 4-mm dynamisk forskydningsrheometer der giver os mulighed for at overveje denne teknik som RTFOT alternativer.

Ved udviklingen af en SAT problemer var at tilvejebringe den minimale filmtykkelse og derved reducere diffusionen virkning. Gennem trial and error blev valgt tykkelse på 300 nm, hvilket tillader at tilvejebringe en tynd film uden anvendelse af et opløsningsmiddel. Volumenet af prøven til rheologiske og kemisk forskning har været et andet begrænsende faktor.

SAT testprotokoller er angivet i tabel 2: Den kortsigtede test for varm asfaltblanding ved 130 ° C i 50 minutter i en ovn med tvungen slag. Protokol foreløbig, da nu har vi kun begyndt at arbejde sammenlignet aldring udført i overensstemmelse med den protokol og aldring, som der rent faktisk sker på vejen, hvor den stablede varme blanding.

Fig. 2 viser indretningen nylig udviklet til kort- og langsigtet ældning af den tynde film af SAT-metoden. Pladen 3 har en slids til ældning af 3 forskellige folier, hver af dem kræver 1,00 g bitumen, der giver en filmtykkelse på ca.. 300 nm.

Fremstilling af tynde film af bitumen test udføres som følger. Under tryk arbejder kasse, fyldt med nitrogen, blev anbragt en opvarmet (ca. 120 ° C) stativet, og at give det en plade test SAT (bitumen). Ved opvarmning til 120 ° C spreder bitumen til ca. 2/3 af overfladearealet af pladen. Spatel bitumen er spredt over resten af overfladen plade, og derefter lade den stå i boksen i et par minutter til at forekomme bitumen justering film overflade. Pladen blev derefter fjernet fra opvarmning og henstod i kammeret til at afkøle til stuetemperatur (23 ° C) fyldt med nitrogen.

Endepladen blev boret hul til indsættelse af et termoelement med hvilken temperaturen blev registreret i en ovn med tvungen slag. Pladen anbringes i en forvarmet aluminiumblok, der tilvejebringer hurtig opvarmning af testpanelet i en ovn. Fig. 3A viser data af temperaturen i ovnen (et termoelement data i pladen). Registrering blev udført i 50 minutter, ovntemperaturen - 150 ° C. Temperaturen af pladen stiger hurtigt fra omgivelsestemperatur til ca. 140 ° C og når 146 ° C efter 50 minutter.

Ordningen af kort- og langsigtet ældning er vist i fig. 3B. Dimensioner af pladen er valgt således, at pladen kan indsættes i en standard beholder bakke tryksat aldring.

Det konstateres, at testen filmtykkelse på 300 nm i ca. 40 timer i en ovn med tvungen slag ved 100 ° C og et tryk på 0,74 atm giver resultater svarende PAV standard (ASTM D6521) for en film af 3,2 mm tykkelse test ved 20 atm i standard bakke. Varighed på 40 timer er omtrentlige, da der er forskel i tryk ved bitumener aldring [14]. Ældning af filmen 300 nm tyk i en beholder under tryk på 20 atm i 8 timer producerede kun niveau ældning under standard test med en bakke og en filmtykkelse i henhold til specifikationerne.

At bestemme den omtrentlige tid og temperatur, ved hvilken den simulerede aldring, der kan sammenlignes med de standarder og RTFO RTFO / PAV blev IR-spektroskopi anvendt. Indledende prædiktive data er derefter sammenlignet med aflæsningerne rheologiske analyse. For eksempel i fig. 4A viser en sammenligning af IR-spektra (SAT, RTFO, RTFO / PAV) bitumen "MV" på de protokoller, der er anført i tabel 2. I fig. 4B viser den tilsvarende data rheologiske analyse - den komplekse forskydningsmodul G * (ω). Det kan ses, at spektrene er meget ens.

Sammenligning af IP og reologi

Tabel 3 viser en sammenligning af SP bitumen ældet i RTFO teknologier, RTFO / PAV og SAT. Det har vist sig, at i kortsigtet og langsigtet ældning af de opnåede resultater ved hjælp af forskellige teknologier er i god overensstemmelse.

Fremgangsmåde SAT har ingen signifikant effekt på SP bitumen (også når testet ifølge protokollen ST SAT HMA LT FDO, som kan afvige fra testbetingelserne ST SAT LT PAV og RTFO / PAV grund af udsættelse for trykforskel. Resultaterne er meget ens.)

Sammenligning ved lav SP (m-værdi), medium (G * / sinδ) og høj (G * / sinδ) temperatur fremgangsmåder SAT, RTFO og RTFO / PAV vist henholdsvis i fig. 5, 6 og 7. Når SP analyse ved lav temperatur viser kun m-værdi som bitumener blev undersøgt m-kontrollerede. Værdierne er angivet med en nøjagtighed på én operatør ved ASTM (D2S%). For eksempel nøjagtigheden af en enkelt operatør m-største i ASTM D6648-08 er 4,0%.

Fejlen for én operatør er værdien for forsøgene udført på en enkelt operatør i en laboratorium rheometer. Tre af de fire typer af bitumen opfylder de angivne niveauer af nøjagtighed, hvilket betyder, at rheologi data opnået ved fremgangsmåderne ifølge SAT, og RTFO RTFO / PAV sammenlignelige.

Den procentvise ændring i masse

Procent vægtændring fra proceduren RTFO ældning blev målt ifølge fremgangsmåden AASHTO T240. ændring vægten med kort aldring fremgangsmåde til SAT måles på samme måde, dvs. ændring bitumen vægt udtrykkes som en procentdel af den oprindelige masse. Tabet af masse er negativ, stigningen - en positiv. vægttab ofte målt under prøven RTFOT, selv om stigningen er også muligt [15]. Sammenligner ændringer i vægt under testen af SAT og RTFO metoder er givet i tabel 4.

To asfalt i den procentvise vægtændring forskel er ubetydelig. Andre tests kan ses, at fremgangsmåden ifølge SAT er større vægttab end RTFO, selvom kun lidt. At hævde, at SAT er statistisk forskellig fra den RTFO et vægttab synspunkt kræver yderligere eksperimenter.

konklusion

I undersøgelsen af rene bitumen sammenligninger viste, at SAT metode giver sammenlignelige resultater med resultaterne af test af standard og RTFO RTFO / PAV fra et rheologi, og i mindre udstrækning sammenlignes under prøverne for nedbrydning af carbonyl og sulfoxid.

Kombinationen af fremgangsmåden med SAT tester på 4 mm dynamisk forskydningsrheometer med parallelle plader for at bestemme de rheologiske egenskaber og specifikationsparametre (m-værdi og shear stivhed) ved lav temperatur. For at udføre en kort ældning af SAT metode kræver kun 50 minutter, 35 minutter, mindre end nødvendigt for RTFOT standard.

Endnu vigtigere er, for den langsigtede ældning under tryk i beholderen ved fremgangsmåden ifølge SAT krævede 8 timer, 12 timer forud for den krævede standard for test PAV. Øjeblikket arbejdes der for anvendelsen SAT fremgangsmåde til polymermodificeret bitumenemulsion bundfald udvindes bitumen, samt til modellering af oxidativ ældning, som sker på fabrikationsanlæg varm blanding.

Hver plade af SAT testmetode tillader at opnå 3 g af de ældede bitumen. Dette er tilstrækkeligt til at beskrive de rheologiske og kemiske egenskaber ved lav, middel og høj temperatur. Hvis du ønsker yderligere alderen bindemiddel kan fremstilles og underkastes ældning samtidig et par plader.

Artikel: En ny måde at aldringen af bitumen i laboratoriet.

Apkalimov Denis, LLC "EPC" Rotor "