Органические вяжущие (стр. 2 )

Битум в асфальтобетонном покрытии связывает зерна щебня, песка и минерального порошка в плотный и прочный мо­нолит, работающий при разных условиях температуры и влажно­сти зимой и летом и при разных силовых воздействиях автомо­бильных колес - сжатии, сдвиге, изгибе.

Битум термопластичен, поэтому его способность связы­вать минеральные зерна изменяется с изменением температуры и влажности.

В связи с этим битум должен обладать комплексом свойств - вязкостью, теплостойкостью, пластичностью, хрупкостью, способностью склеивать минеральные зерна (адгезия).

Битум - реологическое* вещество и определение его фи­зико-механических свойств при разной температуре трудоемко, требует сложного оборудования и приборов, что не всегда возможно в производственных условиях, поэтому еще более 100 лет тому назад были предложены простые и общедоступные методы и приборы, принятые и нормированные одинаковыми во всех странах.

Эти простые методы дают условные показатели свойств, которые там не менее достаточно полно характеризуют качество битума, как дорожного вяжущего. В таблице приведены основные свойства битумов, спо­собы определения этих свойств и приборы

Таблица 3

Свойства битумов	Метод определения свойства	Названия прибора
Вязкость	Определение глу­бины проникания иглы	Пенетрометр
Теплостойкость	Метод Кольцо и Шар	Кольцо с шаром
Пластичность	Растяжимость	Дуктилометр
Хрупкость	Температура хрупкости	Прибор Фрааса

__________________________________________________________________________________________

* Реология - раздел механики, занимающийся изучением текучести жидких и газообразных веществ, а также процессов, связанных с остаточными деформациями твердых и твердоподобных тел.

Условную вязкость вязких битумов определяют на приборе “Пенетрометр” (рис.1) при температуре 25 оС и 0 оС.

При 25 оС масса штанги 5 с иглой равна 100 г, время по­гружения иглы в битум - 5 с (штанга освобождается нажатием кнопки 6). При 0 оС масса штанги с иглой - 200 г, время погружения иглы - 60 с.

Цена одного деления на лимбе 0,1 мм погружения иглы.

Глубину проникания П25 или По определяют по разнице двух отсчетов на лимбе: первый отсчет при положении иглы, под­веденной к поверхности битума в чашке 2; второй отсчет - после остановки штанги с иглой через 5 или 60 г.

Рис.1. ПЕНЕТРОМЕТР

а) 1. Груз, 2. Чашка с битумом, 3.Сосуд с водой, 4. Кремальера, вращающая стрелку,5. Штанга, 6. Кнопка, удерживающая штангу 5,

б) Игла.

Условную вязкость жидких битумов определяют на стан­дартном вискозиметре (рис. 2) по времени истечения в секундах 50 см3 битума через калиброванное отверстие диаметром 5 мм при температуре 60 о С и обозначают индексом С560 С.

Рис. 2. Стандартный дорожный вискозиметр

а) Общий вид: 1- цилиндр 1 с донным вкладышем

2 - шариковый клапан

б) цилиндр, в) вкладыш, г) клапан

1 - водяная баня, 2 - крышка, 3 - цилиндр,

4 - клапан, 5- донный вкладыш с калиброванным

отверстием 5 мм.

Теплоустойчивость вязкого битума определяют темпера­турой размягчения на приборе “Кольцо с шаром” (рис. 3 ) и обозна­чают индексом Тр.

Рис.3. Прибор “Кольцо и Шар”

1. Кольцо

2. Шар

3. Битум

Битум, залитый в кольцо 1 ставят на верхнюю полку при­бора вместе с шаром, положенным на битум и воду, начиная с 5оС в минуту до тех пор, пока битум с шаром размягчится и опустится на нижнюю полку.

Температуру воды при этом считают температурой раз­мягчения битума.

Пластичность вязкого битума определяют на приборе “Дуктилометр” (рис. 4) растяжимостью до разрыва нити.

Рис.4. Дуктилометр.

а) Общий вид : 1. Водяной ящик, 2.Винт, движущий

каретку 3 и зажимное устройство. 4.5. Образец битума.

6.Линейка.

б) Форма “восьмерка” 1 с залитым в нее битумом. Боковые вставки 2 перед испытанием снимают

Растяжимость в сантиметрах определяют растягивая нить битума в воде со скоростью 5 см в минуту. Температура воды 25оС или 0оС.

Температуру хрупкости вязкого битума определяют на приборе Фрааса (рис. 5) и обозначают индексом Тхр

Температура, при которой битум переходит из вязко-пластического в хрупкое состояние, называют температурой хрупкости.

На пластинку 7 наносят тонкий слой битума, вставляют ее в изгибающее приспособление 6 в стеклянной пробирке 2 , которую ставят в прозрачный стеклянный термос 8.

Рис.5. Прибор Фрааса.

1.Стеклянный термос. 2.Стеклянная пробирка.

3.Трубка, изгибающая пластинку 7.

4.Термометр.

5.Устройство, двигающее трубку 3.

6.Приспособление, нажимающее на пластинку 7.

7.Пластинка со слоем битума.

8.Термос.

Между стенками пробирки и внутренними стенками термоса вводят охлаждающий реагент, например сжиженный азот, с таким расчетом, чтобы температура в пробирке опускалась со скоростью 1оС в минуту.

Охлаждение начинают от температуры + 15оС и время от времени по мере охлаждения пластину сгибают и распрямляют до тех пор, пока на слое битума не появится поперечная трещина.

Ориентировочно температуру хрупкости можно определять по номограмме рис. 6.

где По- глубина проникания при 0оС, П25 - при 25оС

Цифры на линиях - показатели условной вязкости.

По разнице между температурой размягчения Тр и температурой хрупкости Тхр определяют интервал пластичности битумов:

Тпл = Тр - Тхр

Величина интервала пластичности показывает, насколько тепловые свойства битума соответствуют реальным годичным изменениям температуры в данной местности.

Изменение вязкости битума при изменении температуры характеризуется индексом пенертации И. П.

Битумы с индексом пенетрации меньше 2 очень чувствительны к изменению температуры и сходны с Ньютоновской жидкостью.

При И. П. от -2 до + 2 менее чувствительны к изменению температуры.

Чем больше И. П., тем шире Тп.

Температура вспышки - это та температура, при которой вспыхивают от поднесенного пламени газы, выделяющиеся с поверхности битума при постепенном повышении его температуры.

Изменение объема битума при изменении температуры определяется коэффициентом объемного температурного расширения, который для разных битумов изменяется в пределах от 5х10 -4 до 8х10-4

Сцепление битума с поверхностью камня оценивают визуально по величине поверхности минерального материала, сохранившей пленку битума при кипячении в соленой воде в течение 30 минут для вязкого битума и 3 минут для жидкого.

Реология - раздел механики, в котором изучаются процессы, связанные с остаточными деформациями твердых тел.

Ползучесть - медленная деформация материала под влиянием постоянной, длительно действующей нагрузки.

Релаксация - процесс постепенного перехода системы из неравновесного состояния, вызванного внешними причинами, в равновесное.

В сопротивлении материалов - это процесс перехода упругих деформаций в нагруженном материале в пластические.

Пластичность

Смешиваемость ( поверхностное натяжение), растекание

Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.

Вязкость (внутреннее трение) материала - его способность к поглощению механической энергии (работы), прилагаемой при пластической (остаточной, до разрушения) деформации.

Реологические характеристики битума

а) полная реологическая кривая

б) изменение вязкости с повышением напряжения

ОА - область постоянства наибольшей вязкости

АБ - область постепенного уменьшения вязкости

БВ - лавинное разрушение структуры

ВГ - область постоянства наименьшей вязкости

h0 - максимальная вязкость неразрушенной структуры

hm - минимальная вязкость разрушенной структуры

hэф - эффективная вязкость

Градиент скорости деформирования жидкого 1 , жидкоподобного 2, твердого 3,твердоподобного тел

Реологические кривые битума при температуре от

-20оС до + 30оС

С изменением температуры в течение года от положительной летом до отрицательной зимой, физическое состояние (консистенция) битума изменяется от вязко-текучего при 50 - 100оС до хрупкого и упругого при минус 20 - 30оС.

В первом случае (летом) свойства битума в слое покрытия можно характеризовать показателями, близкими к закону деформирования идеальной жидкости по уравнению Ньютона.

Где e - относительная деформация,

t - напряжение при сдвиге,

h - вязкость,

t - время действия напряжения

Во втором случае (зимой) свойства битума в покрытии близки к свойствам упругих материалов, деформирование которых характеризуют законом Гука:

где e - относительная деформация,

s - напряжение при растяжении,

E - модуль упругости.

Напряжения и деформации в слое покрытия летом и зимой различаются так сильно, как будто они касаются двух разных материалов, тем не мене битум в асфальтобетоне должен быть прочным клеем, связывающим минеральные зерна при любых условиях температуры и нагрузки.

Поэтому основными показателями, характеризующими работу битума в покрытии, должны быть реологические показатели - пластичность, вязкость, прочность, зависящая от времени действия нагрузки, зависимость свойств от температуры.