להזדקנות של ביטומן במעבדה.
מאמר זה מתאר את תהליך פיתוח של נהלים להזדקנות סרט דק (300 מיקרון) לתקופות קצרות וארוכות של זמן.הנוהל החדש שפותח כאלטרנטיבה לשיטות הבדיקה בשימוש: מתגלגל תנור סרט דק (RTFO) והזדקנות של לחץ (PAV).הטכניקה החדשה, (בדיקה פשוטה הזדקנות, SAT) הליך הזדקנות פשוט בשם, יכולה להיות מיושמת על תחליב ביטומן טהור ושונה ושאריות.לפני יישום התכנית האסטרטגית של מחקרי כביש היה עניין משמעותי בהזדקנות של הסרט הדק בתנאים סטטיים.עם זאת, לטכניקת הזדקנות לטווח קצר אומץ RTFO, מאז בדיקות עם rheometer קרן הכיפוף נדרשו מספר גדול של אספלט בגיל.מאז אימוץ התקן כשיטת RTFO זיהה כמה בעיות כאשר אתה מנסה להחיל אותו להזדקנות של קלסרים שונה מאוד.בהתייחס לשיטה החמה תערובת RTFO בטמפרטורות נמוכות יותר (סימולציה טמפרטורה הנמוכה של ייצור) עלולים להטיל מגבלות מסוימות על חומר הסרט התגלגל להזדקנות אחידה.עוצב rheometer לאחרונה פועל על העיקרון של גזירה דינמית (DSR) עם לוחות מקבילים 4 מ"מ מאפשר בדיקות בטמפרטורות עד -40 ° C, דורש רק 25 קלסר מ"ג ומאפשר להעריך את עקירת M-הערך וקשיחות לrheometer קרן הכיפוף.שימוש בטכניקה זו בשילוב עם SAT כדי לקבוע את rheology של ביטומן, לטווח קצר וארוך בגיל, עם טמפרטורה נמוכה ובינוני.בנוסף, יש מספיק חומר לrheometer DSR סוג הגילים עם 25mm צלחות.SAT הטכניקה מבטלת את הבעיה של מדגם "מתגלגל" של אספלט-שונה פולימר וחם.בבדיקה מספר סוגים של ביטומן בהליך SAT סומן זמן וטמפרטורת הזדקנות שווה ערך לפרמטרים אלה תוך שימוש בטכניקות RTFO וPAV.
מבוא
מיצוק על הזדקנות בהשפעת החמצון - תהליך שמתרחש כאשר הנחת התערובת החמה, כמו גם במהלך מחזור החיים של המדרכה.זה מאוד משפיע על הביצועים של הציפוי כגון ייחום, פיצוח והפרדה ו, כתוצאה מכך, עמידות.מידול של המיצוק של הזדקנות בתנאי מעבדה הוא מאוד חשוב לפיתוח מפרטים המבוססים על ביצועים.מחקר זה מתאר שיטה חדשה לבדיקת דגימות סרט דק על ידי חמצון, אשר נותן שווה ערך תוצאות לנהלים סטנדרטיים מתגלגלים תנור סרט דק (RTFO, D2872 ASTM שיטה) והזדקנות בתא לחץ (PAV, D6521 ASTM השיטה) לביטומן הטהור.ההישג יבטיח את האפקטיביות של הסרט הדק המבחן (כמה מאה ננומטרים) - טכניקה שפותחה לאחרונה על העיקרון של גזירת rheometer דינמית, המאפשרת בדיקה של דגימות בטמפרטורות עד -40 ° C, שהיא דורשת רק 25 מ"ג של מדגם, וכוללת את כל התאמות לעומס על המכשיר [1].נוהל בדיקת
של סרט ביטומן קנס בתנור של סיבוב (RTFOT) לפני הבדיקה של הסרט הדק בתנור בסטטי (TFOT, D1754 ASTM) שיטה היא בעובדה כי במהלך הסיבוב של כלי זכוכית הזדקנות עוברת שטח פנים גדול של המדגם.עם זאת, מספר הסיבובים וההשפעה על פני השטח מדגם טריים משתנים בהתאם לצמיגות של ביטומן לפני בדיקה וצמיגות שינויים במהלך בדיקה.התהליך של תנועה וערבוב של ביטומן בצלוחיות מסתבך עוד יותר על ידי שינוי פולימר של ביטומן.הורדת טמפרטורת הבדיקות כדי לדמות חמצון RTFO מתרחש בייצור של תערובת חמה, זה גורם לקשיים דומים.הפחתת
של סיבוב או לחסל סיבוב כאשר נבדק על ידי שיטת RTFO לביטומן שונה מאוד - הבעיה ידועה כבר מספר שנים [3].באהיה [3] הציעה לפתור אותה על ידי טבילת מוט פלדה בבקבוק ובכך להבטיח את הפצתו של הסרט.ניסויים שנערכו על ידי מנהל כביש פדרלי ומפיקי אספלט קבוצת הדרום הראו כי מוטות פלדה להפחית את הרמה של ביטומן הזדקנות (שני שונה וללא שינוי) ולתרום לדליפה של ביטומן (שני הסוגים) מהצלוחיות. [4]למרות מוט פלדה באמת תורם לדליפה של ביטומן מהבקבוק, ביטומני-שונה הפולימר לעתים קרובות לשפוך מעל הקצה של הבקבוק, גם אם אין פיר.הסיבה לכך - השפעת Weissenberg (העלייה של נוזל viscoelastic על מוט מסתובב) [5].הנחה היא כי כוח אלסטי (מתיחה של שרשרות הפולימר), הנגרם על ידי הסיבוב של נורות הזכוכית, תוצאות בכיוון חיובי אנכי של כוח, שגורם לעלייה ביטומן על הקירות הפנימיים של הבקבוק.
הפתרון של בעיות אלה היווה את הבסיס לעבודה של מערב מכון המחקר (WRI) על הזדקנות קצרה וארוכה נוהל חדש, שנקרא על שמו הליך ההזדקנות הפשוט (SAT).היא מוקדשת למאמר זה.
שיטת SAT, כחלופה לסטנדרטית RTFO RTFO / PAV ו, הציג את הדרישות הבאות:
1) תואר הזדקנות צריך להיות שווה ערך לזה של RTFOT השיטה.עד מפרטי Superpave מבוססים על בדיקות RTFOT, כל טכניקה חדשה חייבת לעמוד בתהליך של הזדקנות RTFOT לביטומן הטהור.
2) קל, אין צורך לנקות צלוחיות.הליך הבדיקה הוא לאפשר מדגם גילאי חלל לטווח קצר ישירות לתנור להזדקנות לטווח ארוך.
3) הסכום של ביטומן יהיה מספיק כדי לקבוע את הציון של מדד חדירה (SHRP PG) והתיאור של ההרכב הכימי.
4) כאשר הצבת או הסרת הדגימות לא צריכה להשתמש בממס שחשוב במיוחד לביטומן-שונה פולימר.
5) העובי של הסרט צריך להיות נמוך מספיק כדי לחסל את הבעיה של דיפוזיה החמצן היא הווה במדגם הבדיקה הוא נייח (TFOT).
6) מתודולוגיה צריכה לאפשר להפחית את הטמפרטורה כדי לדמות את התנאים של ייצור התערובת החמה.
7) הבדיקה תהיה פחות מ RTFO המבחן או RTFO / PAV.שיטת 8) עלות
צריכה להיות נמוכה.
9) מתודולוגיה צריכה לאפשר הזדקנות של הסרטים משאריות התחליב.
הזדקנות חמצוני של הסרט (סרט עובי של כמה מאה מיקרונים) תוכל למלא את כל הדרישות הנ"ל, אך לבדיקות שלאחר מכן על אספלט SHRP לקחת שטח פנים גדול מאוד של המדגם.בפרט, הבעיות להיות מבחן עם rheometer קרן הכיפוף, מאז לכל מקלות מדגם לקחת 15 גרם של ביטומן וצריכים כמה דגימות כאלה.מבחן SHRP בטמפרטורות בינוניות וגבוהות מתבצעים על rheometer הדינמית הגזירה (DSR), שדורש רק כמה גרם של ביטומן.
הוא כבר אמר שההמצאה עם rheometer גזירה דינמית (DSR) עם לוחות מקבילים 4 מ"מ מאפשרת בדיקות בטמפרטורות עד -40 ° C, דורש רק 25 קלסר מ"ג ומאפשר להעריך את עקירת M-הערך וקשיחות [6] לrheometerעם קרן הכיפוף.הבא יינתן תיאור מפורט יותר של טכנולוגיה זו.השילוב שלו עם השיטה של הזדקנות הסרט - RTFOF שיטה חלופית.יתר על כן, לאחר הבדיקה הוא מספיק ביטומן לבדיקת SHRP בנמוך, בינוני וגבוהה טמפרטורה.מחקר
ופיתוח הבדיקות חדשות בעשור האחרון, יש לי בעיקר את המטרות הבאות:
) הכן את הבדיקה אחרי כמה גרם של ביטומן למבחן הבא עם rheometer קרן הכיפוף;
ב) כדי לפתור את הבעיה של יצוא ביטומן מהבקבוק במהלך RTFO הבדיקה;
ג) כדי לפתור את הבעיה של גלגול RTFOT בדיקת ביטומן-שונה פולימר.דוגמאות
כוללות השיטות הבאות: הזדקנות בדיקה של גליל (RCAT) מסתובב [7], בקבוק שונה גרמני ספינר (MGRFT) [4], במבחן עם האוורור מאולץ (SAFT) [8].rheometer
הניסויי חלק חומרי
היא שינוי דינמי ללוחות מקבילים 4 מ"מ חילוקי דעות
לגבי מודול של גליצרול במדינה המזוגגת (GG) עשה רטר [9] לפתח שיטה של התאמה לשגיאה של rheometer גזירה הדינמית, זהנוסע וצלחות.סוי [1] יחול על מדידות זה התאמה של ביטומן גזירה הדינמי בטמפרטורות נמוכות (~ 5 מעלות ... -40 ° C C) ללוחות מקבילים 4 מ"מ עם פער של 1.7 מ"מ (במאמר, שיטה זו נקראת rheometer גזירה דינמית 4 מ"מ).
בתדירות נמוכה (בטמפרטורה גבוהה) ביטומן נזיל, וכלי לתיקון שגיאות זניח.בתדר גבוה (טמפרטורה נמוכה) מניב משתנה, ועל מנת לקבל את הערך האמיתי של מודולוס של ביטומן שבר הפריך למדידת rheometer גזירה מיושמת תיקון.
כדי בדיקה דורש רק 25 מ"ג של חומר (בפועל - כ -150 מ"ג לייצור דפוס המדגם), אשר הוא בכמה סדרי גודל קטן יותר מנחוץ לייצור בר לבדיקה עם rheometer קרן הכיפוף.נפשית מראש
של דגימות נדרשת.הסימנייה בrheometer מתבצעת בטמפרטורה נמוכה יחסית (60-70 מעלות צלזיוס).
במחקר זה, המחקר של מאפייני rheological מתבצע באמצעות rheometer גזירה דינמית 4 מ"מ.M-יחידה וגזירת נוקשות S (t) מוערכת על ידי מתאם עם rheometer הגזירה הדינמית 4 מ"מ נועדו סוי [6].שיטת זווית סוי עקומת בסיס ומאמץ גזירת ההרפיה מודול G (t) עבור 2 שעות מתואמות עם ערכים מקביל של S (t) ומטר למשך 60 שניות בטמפרטורה של 10 ° C מעל הטמפרטורה הנמוכה האמיתית לכיתה נתנה, שהושגוכתוצאה מכך מדידות עם rheometer קרן כיפוף.שיטת סוי השתנה על ידי מדידת הזווית והגודל של G (t) במשך 60 שניות בטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס מעל הטמפרטורה בכיתה SP.Rheology בטווח בינוני וטמפרטורות נמוכות שנמדדו על הצלחות בקוטר של 8 מ"מ ו -25 מ"מ.המרת נאמנות
של G מודול האחסון '(ω) במודול ההרפיה מרוצה מקירוב המשוואה נגזר כריסטנסן [10]:
G (t) ~ G "(ω) | ω = 2 / πt מדידת מודול
של גזירה דינמיתזה בוצע במסתובב rheometers גזירה הדינמי Malvern Kinexus ות"א ARES.לטאטא תדירות קריאה נערך במרווחים של 15 מעלות צלזיוס בטווח של -30 עד + 45 ° C עם טווח תדרים הזוויתי של .1-100 rad / sec.בטמפרטורות נמוכות, מגבלת התדר הגבוה של לטאטא הופחתה ל 50 rad / s.rheometer גזירה דינמית 4 מ"מ השימוש בטכנולוגית
ניתן להשתמש "בשדה" לניתוח דגימות מיקרו בהערכה של מאפייני ביצועים של הציפוי והניתוח של חומרים, כדי לתאר את מאפייני rheological של ביטומן ומחדש מחייבת בטמפרטורות בינוניות ונמוכות, כדי לתאר את rheology של בוצת התחליב וחומרמילוי סדקים, כמו גם לפיתוח של שיטת בדיקה של סרט דק - האובייקט של מאמר זה.ניתוח
אינפרא אדום ספקטרוסקופיה
IR בוצע במצב של "שידור" בתא של 1.0 מ"מ עם מדגם של 50 מ"ג של ביטומן לכל 1 מיליליטר של דיסולפיד פחמן.זה בוצע 32 מחזורים של ציוד סריקה: פרקין אלמר ספקטרום 100, הרזולוציה של 4 ס"מ 1.
חומרי
טבלת 1 מתאר את הסוגים למדו של ביטומן.דגימות נלקחו מהטנק במהלך בניית כביש.שלוש מתוך ארבעת קלסרים הכינו אתר מבחן ברוצ'סטר, מינסוטה, ארצות הברית (שנבנתה בשנת 2006).ביטומן "MV" (מניטובה) קיבל לבדיקת תערובת חמה במניטובה, קנדה, נבנה בשנת 2010.תוצאות
ודיון מתודולוגיה
פיתוח SAT, לעומת RTFO ו RTFO / PAV
יש לזכור כי הרעיון הוא לא SAT החדש.הזדקנות סרטי ביטומן דקים כדי לדמות הזדקנות קצרה וארוכה טווח חמצוני, אשר מתרחשת בפעולה ממשית, נחקרה באופן נרחב ל-70 השנים האחרונות.ניתוח המקורות שנערך איירי [11].פיתוח של השיטה
SAT הוא להתאים ולהעמיק קיימת מחקר על ההזדקנות של הסרט הדק, בפרט, מחקר גלובר [8, 12] ופטרסן [13].משלים הוא השימוש בrheometer הגזירה דינמית 4 מ"מ, אשר מאפשרת לנו לשקול בטכניקה זו כחלופה לRTFOT.
בפיתוח בעיות SAT היה לספק עובי סרט מינימום ובכך להפחית את ההשפעה של דיפוזיה.על ידי ניסוי וטעייה, זה כבר הרים את העובי של 300 ננומטר, המאפשר לספק סרט דק ללא שימוש בממס.נפח הדגימה למחקר rheological והכימי היה עוד גורם מגביל.ניתנים פרוטוקולי בדיקת
ישב בטבלה 2: המבחן לטווח קצר לתערובת אספלט חמה ב 130 מעלות צלזיוס במשך 50 דקות בתנור עם תקיעת כפייה.פרוטוקול ראשוני, ככרגע יש לנו רק התחיל לעבוד על השוואה של הזדקנות, המבוצע על ידי פרוטוקול זה והזדקנות, שבאמת קורה על הכביש, אשר הניח את התערובת החמה.
איור.2 מציג את המכשיר האחרון שנועד ליישון לטווח קצר והארוך של סרט דק בשיטה של יום שבת.יש הצלחת 3 חריצים להזדקנות 3 סרטים שונים, כל אחד מהם דורש 1.00 גרם של ביטומן שנותן עובי סרט של כ.300 ננומטר.
הכנת סרטים הדקים של בדיקת ביטומן מתבצעת כדלקמן.התיבה עובדת בלחץ מלא בחנקן, ממוקמות על מחוממת (כ -120 מעלות צלזיוס) לדוכן, והניחה אותו על צלחת לבדיקת SAT (ביטומן).כאשר מחומם ל -120 מעלות צלזיוס מתפשטת ביטומן כ 2/3 של פני השטח של הצלחת.ביטומן המרית משתרע על פני שאר הצלחת, ואז להשאיר אותו בתיבה במשך כמה דקות היה משטח יישור לביטומן סרט.הצלחת לאחר מכן הוסרה מחימום ואפשרה לעמוד בתא מלא בחנקן להתקרר לטמפרטורת חדר (23 מעלות צלזיוס).
צלחת סוף
נקדחה חור להכניס תרמי שבה הטמפרטורה נרשמה בתנור עם תקיעת כפייה.הצלחת ממוקמת בבלוק אלומיניום שחומם מראש המספק חימום מהיר של צלחת הבדיקה בתנור.איור.3A מציג נתונים על הטמפרטורה בכבשן (צמד תרמי בצלחת נתונים).רישום בוצע במשך 50 דקות, טמפרטורת תנור - 150 מעלות צלסיוסטמפרטורה עולה במהירות מצלחת הסביבה לכ -140 מעלות צלזיוס או 146 מעלות צלזיוס מגיע לאחר 50 דקות.תכנית לטווח קצר והזדקנות לטווח ארוךמוצגת באיור.3B.ממדים של הצלחת נבחרות כך שהצלחת יכולה להיות מוכנסת לתוך מגש סטנדרטי הזדקנות כלי תחת לחץ.
נקבע כי עובי סרט מבחן של 300 ננומטר כ -40 שעות בתנור עם הכפייה נושבת בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס ולחץ של 0.74 כספומט לתת תוצאות שמתאימים PAV (D6521 ASTM) סרט מבחן בעובי של 3.2 מ"מ20 בר במגש סטנדרטי.משך 40 שעות הוא קירוב, שכן יש הבדל בלחץ בהזדקנות של ביטומן [14].הזדקנות של עובי הסרט של 300 ננומטר בכלי תחת לחץ של 20 אטמוספרות במשך 8 שעות כדי לתת הרמה של הזדקנות בבדיקות סטנדרטית עם המגש ועובי סרט על פי המפרטים.
כדי לקבוע את הזמן המשוער וטמפרטורה שבה ההזדקנות מדומה, דומה לאלה סטנדרטים וRTFO RTFO / PAV, משמשת ספקטרוסקופיה IR.תחזיות ראשוניות היו אז בהשוואה לעדותו של ניתוח rheological.לפיכך, באיור.4A מציג את ספקטרום IR ביחס ביטומן (SAT, RTFO, RTFO / PAV) "MV" בפרוטוקולים מופיעים באיור 2. טבלה.4B מראה את הניתוח המתאים נתונים rheological - * G מודול הגזירה מורכב (ω).ניתן לראות כי הספקטרום דומה מאוד.
