Определение температуры размягчения битума

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“Казанский (Приволжский) федеральный университет”
Институт геологии и нефтегазовых технологий
Кафедра высоковязких нефтей и природных битумов
Лабораторная работа.
«Определение температуры размягчения битума».
Методическое пособие
Казань
2013
Содержание
1. Введение. Требования к качеству битумов.
3
2. Температура размягчения битума
12
3. Лабораторная работа. Определение температуры размягчения битума. 14
4. Контрольные вопросы.
15
5. Литература.
16
2
Введение
Требования к качеству битумов.
Требования, предъявляемые к битумам, особенно дорожным, весьма
разнообразны. Дорожные битумы должны:
а) сохранять прочность
теплостойкими;
при
повышенных
температурах,
т.е.
быть
б) сохранять эластичность при отрицательных температурах, т.е. быть
морозостойкими;
в) сопротивляться сжатию, удару, разрыву под воздействием движущегося
транспорта;
г) обеспечивать хорошее сцепление с сухой и влажной поверхностью
минеральных материалов;
д) сохранять в течение длительного времени первоначальную вязкость и
прочность.
Строительные битумы могут быть менее эластичными, но они должны быть
более твердыми.
Основные свойства нефтяных битумов, определяющие их пригодность к
применению в народном хозяйстве: малое изменение пластичности при
изменении температуры; высокие вязкость и цементирующая способность;
стабильность и долговечность; теплостойкость (высокая температура
размягчения), обеспечивающая сохранение необходимой прочности
сооружений и изделий летом; упругость, благодаря которой сохраняется
достаточная пластичность и эластичность при низких температурах.
Свойства битумов зависят от компонентного состава, оптимальное
содержание может быть достигнуто при определенном соотношении
асфальтенов, смол и масел с необходимым содержанием ароматических
углеводородов и при отсутствии значительных количеств твердых
парафинов. Следовательно свойства битумов определяются природой
исходной нефти и могут регулироваться подбором смеси исходного сырья, а
также в процессе окислительного структурирования.
3
Основными эксплуатационными свойствами, определяющими качество
битумов, являются:
Технические свойства - проницаемость стандартной иглы (пенетрация),
температура размягчения, индекс пенетрации, растяжимость (дуктильность),
температура хрупкости. Это основные показатели качества битумов. Глубина
проникания иглы (пенетреция) и температура размягчения характеризуют
твердость битума, растяжимость - его эластичность. Более подробно они
будут рассмотрены ниже;
Физико-химические свойства - стабильность, плотность, поверхностное
натяжение;
Реологические свойства - дисперсность, вязкость, модуль упругости, модуль
деформации. Реологические свойства битума не должны значительно
изменяться при его разогреве в котлах, приготовлении и укладке смеси и в
течение длительного срока службы в асфальтобетонных и других покрытиях;
Тепловые
свойства
удельная
теплоемкость,
коэффициент
теплопроводности, коэффициент объемного расширения, температура
вспышки. Они определяют возможность использования битума в качестве
теплоизоляционных материалов. По температуре вспышки можно судить о
наличии низкокипящих фракций в сырье и в готовом битуме, а также об их
взрыво- и пожароопасности в процессе производства и применения битумов;
Диэлектрические свойства - пробивное напряжение, удельная электропроводность, тангенс угла диэлектрических потерь. По изменению этих
показателей можно контролировать адгезионные свойства битумов. С
повышением диэлектрической проницаемости они, как правило,
улучшаются;
Оптические свойства - коэффициент рефракции, светопоглощение растворов
битума. Эти свойства позволяю т глубже изучить групповой состав битума;
Отношение к растворителям и воде. По растворимости в органических
растворителях судят о чистоте битума. Чем больше битум содержит
продуктов растворимых в хлороформе, бензоле, тем меньше в нем примесей,
ухудшающих его свойства. Водорастворимость характеризует гидрофобные
свойства вяжущего и его стабильность;
4
Потеря массы битума при нагревании, изменение пенетрации и температуры
размягчения битума после нагревания. Эти свойства имеют большое
значение для битумов, предназначенных для длительной службы в
различных сооружениях, и особенно, в дорожных покрытиях. Они
характеризуют стабильность свойств во времени;
Адгезия и когезия. Это важнейшие показатели качества битумов как
вяжущих материалов.
Дорожные покрытия должны проектироваться на определенный период
эксплуатации с учетом диапазона и типа наиболее вероятных транспортных
на-грузок. В последние годы резко возросла интенсивность движения
транспорта, увеличились нагрузки на дорожное полотно за счет
использования большегрузных автомобилей с повышенным давлением в
шинах. Это приводит к быстрому разрушению асфальтобетонных покрытий,
проявляющемуся в виде образования колеи, трещин и выкрашивания
входящих в их состав материалов.
Во всем мире проводятся интенсивные работы по синтезу и подбору новых
вяжущих материалов, способных противостоять возросшим нагрузкам,
увеличить период эксплуатации дорожных покрытий и сократить расход
средств и материалов на проведение ремонтных работ. Новые улучшенные
битумные вяжущие должны иметь более высокие эксплуатационные
характеристики, чем существующие.
Процессы, происходящие с дисперсными частицами битума и особенно
асфальтобетона в определенном интервале температур окружающей среды, в
котором существует вероятность эксплуатации дороги, показаны ниже (рис.
1).
5
Рис.1. Превращения, происходящие в асфальтобетоне с битумом при изменении
температуры окружающей среды. Тст- температура стеклования, Тхр- температура
хрупкости, Тразм - температура размягчения, отрезок АВ - связанно дисперсное состояние
асфальтобетона, отрезок ВГ - свободнодисперсное со-стояние асфальтобетона, отрезок АБ
- дисперсионная среда практически полностью переходит в состав адсорбционносольватного слоя, отрезок БВ - между контактирующими дисперсными частицами
иммобилизована дисперсионная среда.
1-твердая дисперсная фаза (минеральные материалы, смолистоасфальтеновые вещества,
углеводороды);
- адсорбционно-сольватная оболочка (смолисто-асфальтеновые вещества, углеводороды);
- иммобилизованная дисперсионная среда; 31 - сплошная дисперсионная среда.
Область температур, в которой желательна эксплуатация дорожного
покрытия, лежит в интервале между температурами размягчения (Тразм) и
хрупкости (Тхр). Она носит название интервала пластичности. В ней
компоненты верхнего слоя дорожного полотна находятся в связаннодисперсном состоянии, то есть их сложные структурные единицы (ССЕ),
представляющие из себя систему минерального наполнителя с
адсорбированными компонентами битума, связаны между собой через
адсорбционно-сольватные
оболочки.
Между
ССЕ
может
быть
иммобилизовано
некоторое
количество
дисперсионной
среды,
представляющей в основном масляные компоненты битума. При повышении
температуры количество дисперсионной среды увеличиваются, а ширина
адсорбционно-сольватных оболочек уменьшается за счет обратимого
перехода компонентов битума из дисперсной фазы в адсорбционносольватную оболочку и далее в дисперсионную среду. Упруго-эластичные
свойства асфальтобетона, как и битума в этой области температур
обеспечиваются гибкими связями между ССЕ, их деформацией под
действием нагрузки и после ее снятия восстановлением прежней формы.
Этому способствуют относительно широкие адсорбционно-сольватные
оболочки вокруг дисперсных частиц и наличие определенного количества
дисперсионной среды. При превышении Тразм дисперсная система
переходит в свободнодисперсное состояние, то есть ССЕ перестают быть
связанными между собой в сплошной каркас. При этом жидкая
дисперсионная среда под действием даже небольших нагрузок будет
выдавливаться из покрытия, прилипать к колесам транспортных средств, а на
самой дороге появится колея. Здесь можно говорить о том, что в
асфальтобетоне произошли хоть и незначительные, но все же необратимые
изменения.
6
Снижение температуры сопровождается переходом все большего количества
компонентов битума из дисперсионной среды в адсорбционно-сольватную
оболочку и затем в твердую дисперсную фазу. При температуре,
определенной для каждой битумсодержащей системы, вся дисперсионная
среда переходит в адсорбционно-сольватную оболочку. Это сопровождается
некоторой деформацией ССЕ и образованием достаточно жестких,
напряженных связей между ними. При этом пропадают эластичные свойства
и материал трескается при механической нагрузке. Если температура
окружающей среды опускается еще ниже, то наблюдается переход всего
адсорбционно-сольватного слоя ССЕ в твердое состояние, то есть в
дисперсную фазу, и перекристаллизация компонентов битума. Этот момент
называется
температурой
стеклования
(Тст).
Такое
состояние
характеризуется тем, что битумсодержащее вещество растрескивается при
приложении к нему любой, даже незначительной нагрузки.
В связи с вышеизложенным, очевидным является следующее. Для
удовлетворительной эксплуатации дорожного полотна необходимо его
изготавли-вать с использованием битума, имеющего как можно более
широкий интервал пластичности, то есть повышенную температуру
размягчения и пониженную температуру хрупкости. Причем, желательной
для битумов является не только более низкая температура хрупкости, но и
более низкая температура стеклования.
В дорожных покрытиях битум выполняет как роль вяжущего, так и
гидроизолирующего материала. Он должен связывать и удерживать частицы
минерального наполнителя, а также не терять свои свойства в процессе
эксплуатации (например, под действием атмосферной влаги, осадков,
колебаний
температуры),
обеспечивать
сопротивление
покрытия
воздействию многократно повторяющихся нагрузок в широком интервале
температур (от -25 до +60 оС), распределять напряжения в покрытии таким
образом, чтобы имели место только упругие деформации. В связи с этим
можно ввести условное понятие идеальный битум. Он должен обладать
следующими свойствами.
1.Полная совместимость с выбранным минеральным наполнителем и высокая
адгезия к нему.
2.Температура хрупкости и стеклования для умеренных широт на уровне
соответственно ниже -20 и -45 оС.
3.Температура размягчения выше 70-80оС.
7
4.Высокая прочность и эластичность, не зависящие в рабочем интервале от
температуры (рис.2.). То есть, идеальный битум сохраняет свою
консистенцию постоянной вплоть до температуры размягчения. В то же
время, при более высоких температурах вязкость битума должна резко
падать, достигая значения менее 200 мм2/с (сСт) при 150-180оС. Это
необходимо для обеспечения приемлемых условий получения горячей
асфальтобетонной смеси.
Рис.2. Влияние температуры на поведение пенетрации и вязкости идеального битума.
- область рабочих температур дорожного покрытия;
- область температур приготовления асфальтобетонной смеси.
5.Прочностные свойства и консистенция не зависят от продолжительности
нагрузки (рис.). При очень малой продолжительности (до 10-3 сек) его
поведение должно обеспечивать высокую эластичность, а при большой (до
108 -1010 сек) - сопротивление деформациям для предотвращения
образования колеи и вмятин в дорожном полотне.
6.Высокая устойчивость к старению.
7.Высокая устойчивость к воздействию воды и нефтепродуктов.
8.Низкая стоимость.
8
Рис.3.Зависимость пенетрации и вязкости идеального битума от продолжительности
фиксированной нагрузки.
Работоспособность битумного вяжущего в составе асфальтобетона при
периодическом воздействии напряжений сдвига, сжатия и перепада
температуры во многом зависит от пластичности и растяжимости дорожного
битума. Это обусловило целесообразность маркировки дорожных битумов в
нашей стране и за рубежом по пенетрации (глубине проникания иглы) и
обязательное нормирование нижнего предела растяжимости. В связи со
сложным строением битума и неоднозначными представлениями
специалистов об идеальном и реальном битуме, не всегда ясны требования к
его показателям качества.
В последние годы прослеживается очень четкая тенденция по унификации
требований, предъявляемых к основным продуктам, производимым в Европе.
Поэтому Европейский Союз поручил Европейской организации по
стандартизации (CEN) гармонизировать национальные стандарты всей
промышленной продукции, включая битумные материалы. В организацию
CEN входят национальные организации по стандартизации большинства
стран Европы. Каждая из них имеет свои собственные стандарты по
битумным материалам, однако сегодняшняя задача - это создание единых для
всех стран норм, в то же время учитывающих особые условия в каждой из
них (климат, интенсивность дорожного движения и типичную для страны
практику дорожного строения. В соответствии с вышеназванными
нормативами обязательными контролируемыми показателями качества
являются пенетрация при 25оС, температура размягчения, температура
вспышки, растворимость в толуоле и испытание с нагревом в тонком слое.
Испытания на пенетрацию служат для классификации битумов,
9
характеризуют твердость битума и помогают вычислить жесткость битума
при различных нагрузках. Температура размягчения используется для
описания стойкости битума к деформации, и вместе с пенетрацией
характеризует его термочувствительность. Для описания твердения битума
при изготовлении асфальтовой смеси можно использовать три различных
метода испытаний: RTFOT (испытание с нагревом в тонком слое при
обновлении поверхности), TFOT (испытание с нагревом в тонком слое) или
RFT (испытание с нагревом во вращающейся колбе и с подачей воздуха,
используемое в Германии). Сходимость испытаний чрезвычайно хорошая, и с
их помощью можно получить одинаковые результаты, хотя в
противоречащих случаях приоритет отдается методу RTFOT.
С помощью норматива изменения массы при испытании с нагревом в тонком
слое стремятся предотвратить применение битумов, содержащих слишком
много легких фракций. Одновременно это также является показателем
безопасности труда, поскольку ограничивает количество паров, исходящих
от горячего битума, и защищает таким образом работающих на
асфальтобетонном заводе и укладке асфальта от вредных воздействий.
Склонность битума к затвердению ограничивается минимальным
требованием к показателю остаточной глубины проникания после прогрева в
тонкой пленке. Чрезмерное затвердение битума при изготовлении асфальта
может привести к хрупкому асфальтовому покрытию.
Нормирование температуры размягчения после испытания с нагревом в
тонком слое определяет минимальное требование к деформационной
стойкости битума.
Определение температуры вспышки является испытанием на безопасность,
направленным на обеспечение условий перевозки и хранения битума.
Испытание проводится в открытом сосуде, что является общепринятой
практикой в большинстве европейских стран, однако сейчас решается вопрос
о возможности замены этого метода на определение в закрытом сосуде.
Определение растворимости служит испытанием битума на чистоту,
гарантирующим, что битум не содержит кокса или других посторонних
веществ.
10
Кроме обязательных испытаний предусмотрены и факультативные, которые
могут включаться отдельными странами в перечень необходимых и быть
обязательными для исполнения в этой стране.
Испытание на содержание парафинов, характеризующее химический состав
битумов, но не определяющее никаких его функциональных свойств, не было
одобрено всеми странами, что привело к компромиссу, состоящему в том,
что требование является факультативным и временным и будет отменено в
следующем нормативе.
Динамическая вязкость при 60°C является в северных странах критерием
деформации битума вместо температуры размягчения. Испытание
определяет фундаментальное свойство вещества, а не эмпирическую
характеристику, какой является температура размягчения, при этом
корреляция вязкости с деформационной стойкостью асфальта также немного
лучше, чем при использовании показателя температуры размягчения. Однако
определение вязкости практически не использовалось в центрально- и
южноевропейски х странах, поэтом у температура размягчения стала
обязательным требованием, а испытание на вязкость при 60°C было принято
как факультативное.
Кинематическая вязкость при 135°C характеризует перекачиваемость битума
и смешиваемость с минеральным материалом, а вместе с динамической
вязкостью при 60°C и глубиной проникания она характеризует также
термочувствительность битума.
Температура хрупкости по Фраасу характеризует термостойкость битума при
отрицательных температурах. Поскольку в южно-европейских странах такое
испытание не является актуальным, этот показатель отнесен к
факультативным.
Для контроля твердения битума существует и другая возможность, имеющая
в основе тот же метод испытания при нагреве в тонком слое. В качестве
оценочных параметров был предложен выбор из четырех вариантов. В
каждом нормируется изменение температуры размягчения после прогрева.
Кроме того, в трех вариантах нормируется значение температуры хрупкости
и в двух из этих вариантов дополнительно - индекс пенетрации битума.
Включение в норматив индекса пенетрации подверглось долгому
обсуждению, но в конце концов он не был включен прямо, а лишь косвенно
11
через требования к пенетрации и температуре размягчения. Причиной этого
явилось то, что определение индекса пенетрации не дает практических
преимуществ над включенными в качестве нормативов пенетрации и
температуры размягчения. Кроме того, индекс пенетрации сам по себе не
гарантирует качества битума, в то время как нормативы пенетрации и
температуры размягчения установлены таким образом, что они
характеризуют термочувствительность битума.
Испытание на растяжимость битума не было включено в норматив,
поскольку в своей теперешней форме оно вряд ли может быть отнесено к
функциональным испытаниям, так как у всех основных марок растяжимость
превышает 100 см.
Испытание на сцепление не рассматривалось как не относящееся к
собственно битумным нормам, а прежде всего как испытание асфальтовой
смеси, поскольку результат испытаний на сцепление по мнению зарубежных
специалистов больше зависит от каменного компонента, чем от свойства
вяжущего.
Факультативным
хрупкости.
является
испытание
для
определения
температуры
Температура размягчения битума
Температурой размягчения битума условно считают температуру, при
которой битум переходит из твердого состояния в пластичное, приобретая
подвижность. Она соответствует температуре, при которой образец битума
под грузом в виде шарика при нагревании размягчится настолько, что
коснется нижней полочки этажерки стандартного прибора — «кольцо и
шар». Это свойство битума характеризует верхний температурный предел его
применения. Нижний температурный предел применения битума
характеризуется температурой хрупкости, при которой появляется первая
трещина в тонком слое битума, нанесенном на стальную пластинку
стандартного прибора при ее изгибе и распрямлении. Температурный
интервал между температурой хрупкости и температурой размягчения
называют температурным рабочим интервалом, который учитывают при
выборе битума для применения в определенных температурных условиях.
Свойства битумов тесно связаны между собой. Твердые битумы (с малой
глубиной проникания иглы) имеют высокую температуру размягчения, но
12
малую растяжимость, т. е. являются относительно хрупкими (особенно при
отрицательных температурах). Битумы с низкой температурой размягчения,
т. е. мягкие, обладают высокой пластичностью.
Для учета огнеопасности при нагревании битума определяют температуру
вспышки паров, выделяемых из битума при нагревании от поднесенного
пламени.
Битумы обладают и другими важными свойствами: водостойкостью и
водонепроницаемостью; стойкостью к действию водных растворов многих
кислот, щелочей, солей и к большинству агрессивных газов; способностью
частично или полностью растворяться в различных органических
растворителях (хлороформе, спирте, бензине, бензоле, сероуглероде,
дихлорэтане и др.).
По назначению нефтяные битумы делят на: строительные, кровельные и
дорожные, а по основным свойствам— на марки.
Жидкие битумы различают трех классов: быстрогустеющие БГ,
среднегустеющие СГ, медленногустеющие МГ. Битумы классов БГ и СГ
обычно изготовляют путем разжижения вязких битумов легкими
разжижителями (керосином и т. п.) Битум класса МГ получают в остатке
после перегонки нефти или разжижением вязких битумов маслянистыми
продуктами нефтяного или каменноугольного происхождения. Каждый
класс делят в зависимости от вязкости на марки.
Применение.
Твердые и полутвердые Нефтяные битумы применяют для дорожных покрытий,
изготовления
кровельных
и
гидроизоляционных
материалов,
некоторых
герметизирующих материалов, а жидкие битумы используют в основном при
строительстве дорог (для обработки гравийных и щебеночных смесей, изготовления
асфальтовых материалов).
Из общего количества битумов больше 60 % используют в дорожном
строительстве, а из оставшихся 40 % больше половины применяют для
изготовления кровельных материалов.
13
Лабораторная работа
Тема: Определение температуры размягчения битума
Цель: Определить температуру размягчения битума
Приборы и реактивы: латунные кольца; стеклянная пластинка;
стеклянный стакан; глицерин; электроплитка; стальной шарик;
прибор"кольцо и шар" термометр; проба битума.
Рисунок Прибор «кольцо и шар»
1- стержни; 2- латунные кольца; 3- термометр.
Теоретические основы
Ввиду неоднородности химических веществ, входящих в состав
битума, процесс его перехода из одного состояния в другое происходит
постепенно и температура размягчения битума не совпадает с его
температурой плавления. За температуру размягчения битума
принимают условно ту температуру, при которой битум переходит в
капельнотекучее состояние в условиях, предусмотренных методикой
определения.
Определение температуры размягчения проводится на приборе
«кольцо и шар». Увеличение содержания смол и асфальтенов ведет к
повышению температуры размягчения. Неполимеризующиеся и
трудноокисляемые масла, наоборот, снижают эту температуру.
Порядок выполнения работы
Подогретые до 30°С латунные кольца прибора помещают на
стеклянную пластинку, слегка покрытую смесью талька с глицерином в
соотношении 1:3, чтобы в дальнейшем битум не прилипал к стеклу
пластинки. Нельзя допускать избытка глицерина на пластинке, так как
внутренние стенки кольца покроются глицерином и потеряют
14
адгезионную способность Расплавленный битум наливают в кольцо с
некоторым избытком. По остывании избыток нефтепродукта срезают
горячим ножом вровень с краями кольца. Залитые битумом кольца
устанавливают в отверстия верхней площадки и весь прибор помещают
в стакан, куда до метки на стержне прибора налит глицерин, имеющий
температуру З5°С. Через 75 мин вынимают прибор, в центр каждого
кольца кладут шарик, слегка вдавливая, его в битум, и снова помещают
прибор в стакан с глицерином. Стакан ставят в строго горизонтальном
положении на электроплитку и нагревают со скоростью 5°С/мин. За
температуру размягчения принимают температуру, при которой
размягченный битум под давлением шарика коснется нижней
площадки. Если температура размягчения битума менее 80°C, в стакан
наливают дистиллированную воду с температурой 5°С. В воде так же,
как и в глицерине, битум не растворяется.
Контрольные вопросы:
1. Какую температуру принимают за температуру размягчения
битума?
2. На каком приборе проводят определение температуры размягчения
битума?
3. От чего зависит температура размягчения битума?
4. Методика определения температуры размягчения битума.
5. Требования, предъявляемые к битумам?
6. Основные свойства нефтяных битумов?
7. Основными эксплуатационными свойствами, определяющими
качество битумов, являются?
15
Литература
1.http://www.tehnoinfa.ru. Требования к качеству битумов.
2.Р. Б. Гун Нефтяные битумы. М.. «Химия». 1973. Р. Б. Гун Нефтяные
битумы. М.. «Химия». 1973.
3.Строительные материалы. Лабораторный практикум: Учеб.-метод.
пос./Я.Н.Ковалев, Г.С.Галузо и др.; Под ред. д.т.н. Я.Н.Ковалева - М.: НИЦ
Инфра-М; Мн.: Нов. знание, 2013
4.Дорожно-строительные материалы и изделия: Учебно-методическое
пособие / Я.Н.Ковалев, С.Е.Кравченко и др. - М.: НИЦ Инфра-М; Мн.: Нов.
знание, 2013
16