Вязкость битумных материалов — измерения и факторы

Введение в вязкость и реологию битумных материалов
Сопротивление жидкости течению определяется как вязкость этой жидкости. Под действием силы жидкость оказывает большее сопротивление, если ее вязкость высока. Вязкость битума определяется двумя факторами:

  • Химический состав битума
  • Структура битума

Битум представляет собой композицию двух факторов (Структура битума) асфальтенов мисцелл и мальтенов. В битумный раствормисцеллы асфальтенов рассеяны в континууме мальтенов. При уменьшении содержания асфальтенов вязкость битума также уменьшается. Агрегация является фактором, определяющим вязкость гелеобразного битума. Битумы гелеобразного типа имеют более высокую вязкость.
Влияние структуры битума на вязкость
После изготовления битумы состоят из смол, ароматических веществ и некоторой формы насыщенного масла. Дисперсия асфальтенов контролируется вышеупомянутыми элементами в битуме.
Ароматические вещества в достаточном количестве создают слой вокруг асфальтенов. Этот слой стабилен и способствует дисперсии. Если его недостаточно, мицеллы соединяются, как показано на рис. 1.
Вязкость битумных материалов - измерения и факторы

Рис.1. Принципиальная схема битума типа Sol

Схематическая диаграмма гелеобразного битума

Рис.2. Схема битума гелевого типа

Теперь количество насыщенного масла будет влиять на континуум мальтенов. Он имеет низкую вязкость и низкий молекулярный вес. Увеличение количества насыщенного масла снижает вязкость, но увеличивает агрегацию асфальтенов с агрегатами, делая структуру гелеобразной.
Это, с другой стороны, делает агрегацию асфальтенов мисцеллами, вызывая снижение вязкости. Таким образом, говорят о существовании двух противоположных факторов. Эти эффекты зависят от ароматической стабилизации.
Влияние асфальтенов на вязкость битума можно обобщить следующим образом:

  • Вязкость увеличивается с увеличением количества асфальтенов.
  • Изменение вязкости регулируется частицами асфальтенов
  • Асфальтены имеют тенденцию к агрегации. Чем больше агрегация, тем больше вязкость.
  • Измерение вязкости битума

    Вязкость можно определить как отношение напряжения сдвига к скорости деформации сдвига. Она измеряется в Паскаль-секундах. Динамическая вязкость также может быть рассчитана в терминах кинематической вязкости в единицах м2/с или мм2/с.
    1 мм2/с = 1 сСт (сантистокс).
    Исходя из требований к абсолютной или кинематической вязкости, вязкость битума может быть измерена различными приборами. Для измерения используются абсолютная вязкость при температуре 60 градусов Цельсия и кинематическая вязкость при температуре 135 градусов Цельсия.
    Вискозиметр с вакуумной капиллярной трубкой используется для определения абсолютной вязкости. Атмосферный вискозиметр с капиллярной трубкой используется для измерения кинематической вязкости.
    Смещение, происходящее на тонком слое битума, может быть определено с помощью испытания на скользящей пластине. Также рассчитывается сила, действующая на слой. Для этого слой битума помещается между металлическими пластинами при различных комбинациях времени и температуры нагружения.
    На сайте сопротивление силы представлено величиной ‘F’, которая зависит от:

  • площади поверхностей — A
  • расстояния между поверхностями — d
  • Относительной скорости движения одной пластины относительно другой -V
  • Что дает,
    Сила сопротивления вязкости для битума
    Коэффициент вязкости обозначается ? Его также называют абсолютной вязкостью. И он определяется следующим образом,

    Абсолютная вязкость битума

    В настоящее время наиболее практичным способом измерения вязкости битума является измерение с помощью ротационного вискозиметра (ASTM D4402 -02). Ротационные вискозиметры Brookfield и Thermocel позволяют измерять вязкость битума при различных температурах.

    Влияние температуры на вязкость битума

    Битумы склонны размягчаться при повышении температуры и затвердевать при ее понижении. В зависимости от разновидностей битума, вязкость меняется в зависимости от температуры.
    Очень важно понимать, как изменяется вязкость битума, используемого в строительстве, в зависимости от температуры. Этот фактор также является определяющим при воздействии битума на открытую среду. Битум, используемый в районах с высокой температурой, отличается от того, который используется в районах с более низкой температурой (холодные регионы). Эксплуатационные свойства, долговечность и фактор обслуживания зависят в первую очередь от вязкости используемого типа битума.
    Изменение вязкости битума с температурой представлено величиной восприимчивость к температуре битума. Она определяется величиной пенетрации, P и температурой точки размягчения, T.
    Эмпирическая зависимость может быть представлена следующим образом:

    log P = AT +k

    А» обозначает температурную восприимчивость логарифма величины пенетрации. Значение A варьируется от 0,0015 до 0,06. Это изменение само по себе показывает, что реакция битума будет меняться в зависимости от температуры. ‘k’ — это константа.
    На основе вышеприведенного выражения Пфайффер и Ван Доормаал, 1936, разработали соотношение. Это новое соотношение связывает A с индексом, названным индекс проникновения, PI.
    Это соотношение говорит о том, что для дорожного битума значение индекса пенетрации PI =0;
    Индекс проникающей способности битума
    Было замечено, что большинство битумов имеют пенетрацию около 800 при температуре точки размягчения. Таким образом, PI может быть оценен, если известна пенетрация при температуре 25 градусов Цельсия и температуре точки размягчения.
    Индекс проникающей способности битума
    Следовательно, можно рассчитать индекс проникающей способности битума
    На рисунке ниже показана номограмма, доказывающая справедливость вышеприведенного выражения Пфайфера и Ван Доормаала, 1936.
    Индекс пенетрации битума

    Рис.3. Номограмма для оценки индекса пенетрации битума при известных значениях температуры точки размягчения и значения пенетрации при 25 градусах.

    Индекс пенетрации для битума

    Количественная мера реакции битумного материала на заданную температуру представлена значением индекса пенетрации (PI). Индекс PI для битума, который используется для дорог, имеет значение в диапазоне от -2 до +2.
    Когда индекс PI низкий, битум ведет себя как ньютоновская жидкость, то есть становится очень хрупким при низких температурах.
    Когда битум имеет более высокое значение индекса пенетрации, устойчивость к постоянной деформации повышается.
    PI увеличивается с увеличением содержания асфальтенов (за счет ароматики). Таким образом, индекс пенетрации в большей степени зависит от химического состава битума. На рисунке ниже показано изменение индекса пенетрации с каждой химической фракцией битума.
    Изменение индекса пенетрации битума

    График, показывающий изменение индекса пенетрации в зависимости от химического состава согласно Lubbers, 1985

    Поведение битума после применения в строительстве может быть предсказано с помощью PI. Асфальтовые вяжущие с высоким показателем пенетрации называются «мягкими». Они используются в районах с холодным климатом. Низкие показатели пенетрации называются «жесткими», которые применяются в районах с жарким климатом.
    Читать далее:
    Битумные материалы — виды, свойства и применение в строительстве
    Почему битум используется в дорожном строительстве? Свойства и преимущества битума для дорожных покрытий
    Различные виды битума, их свойства и применение
    Градация битума — различные методы градации битума

    Читайте далее:
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Центрсельстрой