книги из ГПНТБ / Волков, М. И. Методы испытания строительных материалов учеб. пособие

1

§ 17. Ж И Д КИ Е НЕФТЯНЫЕ ДОРОЖ НЫ Е БИТУМЫ

Жидкие нефтяные дорожные битумы используют для приго­ товления битумно-минеральных смесей или холодных асфальто­ бетонных смесей. Жидкие битумы используют также для предва­ рительной обработки дорожных покрытий, а также грунтовых, гравийных и щебеночных смесей холодным способом на полот­ не дороги.

Жидкие битумы подразделяются «а густеющие со средней скоростью (СГ) іи медленно густеющие (МГ). Качество жидких битумов оценивают по условной вязкости и динамической вяз­ кости [определенной в ротационном вискозиметре при постоян­ ном крутящем моменте (с. 128) или методами капиллярной вис­ козиметрии], фракционному составу, свойствам битума после от­ бора фракций, выкипающих до 360°С, температуре вспышки, сцеплению с песком или мрамором, содержанию водораствори­ мых соединений.

Принадлежность битума к классу густеющих со средней ско­ ростью или медленно густеющих устанавливают по результатам определения фракционного состава и главным образом свойств остатка жидкого битума после отбора фракций, выкипающих до 360°С. Марку жидких битумов в пределах одного класса уста­ навливают по результатам определения вязкости, фракционного состава и свойств остатка. Требования к жидким битумам при­ ведены в табл. 48.

Перед испытанием жидкие битумы должны быть обезвожены и освобождены от механических примесей. Для этого их нагрева­ ют до 60°С, фильтруют через слой крупнокристаллической свежепрокаленной поваренной соли, затем процеживают сквозь си­ то с сеткой № 07 и тщательно перемешивают для полного удале­ ния пузырьков воздуха.

151

Т а б л и ц а 48

152

Вязкость. Определение условной вязкости в стандартном вис­ козиметре. Условная вязкость показывает время, ів течение кото­ рого определенное количество битума при заданной температу­ ре протекает сквозь отверстие определенного размера. Показа­ телем условной вязкости для жидкого битума является время истечения 50 мл материала сквозь отверстие диаметром 5 мм при температуре 60°С. Аналогичный показатель применяют также для характеристики свойств эмульсий, каменноугольного дегтя и других органических жидкостей. Условную вязкость обозначают символом С с индексами: верхний указывает диаметр сточного

отверстия, нижний — температуру испытания, например С®. Метод определения условной вязкости достаточно прост. По­

казатели вязкости, получаемые по этому методу, могут быть увя­ заны с показателями вязкости, получаемыми методом истечения жидкости через капилляр при постоянном расходе или постоян­ ном давлении (метод капиллярной вискозиметрии).

Условную вязкость определяют на стандартном вискозиметре (рис. 70), который состоит из латунной водяной бани диаметром 160 мм и высотой 100 мм с крышкой и патрубком для подогрева воды в бане. Внутри бани находится трубка, на края которой при помощи заплечиков подвешивают латунйыи цилиндр для ис­ пытуемого материала. В центре дна цилиндра имеется сточное отверстие диаметром 10 мм. В дно цилиндра могут быть встав­ лены сменные вкладыши с отверстиями 3 и 5 мм. Отверстие дна цилиндра или вкладыша закрывается шариковым клапаном, на стержне которого укреплен штифт, указывающий уровень напол­ нения цилиндра испытуемым материалом. Вискозиметр снабжен крышкой с лопастями для перемешивания воды. В крышке пре­ дусмотрено отверстие для укрепления термометра. Порядок ис­ пытания следующий.

153

Рис. 70. Стандартный вис­ козиметр

Рис. 71. Капиллярный вис­ козиметр АК.В-4

1'. Внутренние стенки и вставное дно цилиндра, а также кла­ пан'вискозиметра промыть бензином или другим растворителем и высушить на воздухе.

,2. Собрать стандартный вискозиметр, установить в латунный пйлиндр сменный вкладыш с диаметром сточного отверстия 3 или 5 мм в зависимости от вида испытуемого материала. Сточ­ ное отверстие закрыть шариковым клапаном.

3. Баню вискозиметра наполнить водой с температурой 61— 62°С. Температуру воды в бане поддерживать, нагревая патру­ бок и обеспечивая равномерность температуры в объеме пере­ мешиванием лопастной мешалкой.

4.Поставить под отверстие вискозиметра фарфоровую чаш­ ку. Битум, нагретый до температуры на 2—3°С выше требуемой, налить <в цилиндр вискозиметра так, чтобы боковой цилиндри­ ческий штифт на вертикально поставленном стержне шариково­ го клапана был погружен в материал до половины его диаметра.

5.Вставить в цилиндр термометр и, перемешивая им битум, следить, когда температура его будет равна 60°С (допустимая

погрешность ±0,5°С). Рекомендуется, чтобы температура воды

вбане в этот момент также была равна требуемой.

6.Убрать из-под вискозиметра фарфоровую чашку и поста-

154

вить под сточное отверстие, соосно с ним, сухой мерный цилиндр вместимостью 100 мл,

7.Вынуть термометр из цилиндра, быстро приподнять стер­ жень клапана и повесить его на край цилиндра. Когда уровень материала в мерном цилиндре достигнет 25 мл, .включить секун­ домер, а в момент достижения уровня, равного 75 мл, остановить его.

8.Определить условную вязкость как среднее арифметичес­ кое результатов двух параллельных испытаний при условии, что расхождение между ними не более 10%.

Определение вязкости методами капиллярной вискозиметрии.

Показатель вязкости, принятый для характеристики жидких би­ тумов, является условным, поскольку он не учитывает многих факторов, влияющих на интенсивность истечения материала, на­ пример распределение напряжений в потоке, величину напряже­ ния и скорость сдвига.

Эти недостатки устраняются при определении вязкости жид­ кости в капиллярном вискозиметре. Достаточно распространен­ ным вискозиметром этого типа является вискозиметр АКД-4 (рис. 71) конструкции А. А. Константинова, Г. В. Виноградова и В. В. Синицына.

Рабочей деталью .вискозиметра является капилляр /, прикрепленный гай­ кой 2 к камере 3. Камера соединяется гайкой со специальной втулкой, через которую проходит шток 4, выдавливающий битум из камеры через капилляр под действием составной пружины 5. .Внизу пружина упирается в текстоли­ товую муфту и через шарик давит на шток 4; вверху она опирается на втул­ ку 6. Прибор снабжен .механической системой, позволяющей привести в дей­ ствие пружину и рабочий шток. Одной из деталей этого механизма является эксцентрик 7. Запись передвижения штока ведется на барабане 8 карандалюм 9, перемещающимся вертикально вместе со штоком 4. Для проведения испытаний при отрицательной температуре используют сосуд 10, между двой­ ными стенками которого помещена термоизоляция. Приемник И служит для сбора вяжущего и предохранения термостатирующей жидкости от загрязне­ ний в случае, если испытания ведут при положительной температуре и иополь- :.уют термостат 12. Этот термостат вместе с камерой и капилляром с по­ мощью гаек 13 и 14 крепится к втулке прибора. Штуцера 15 служат для под­ ключения циркуляциошгого термостата. Испытание рекомендуется вести в сле­ дующем порядке.

1. Подготовить прибор к испытанию: сжать пружину и поднять шток в крайнее верхнее положение; снять термоста тирующий цилиндр, капилляр и камеру, протереть камеру насухо; надеть на камеру гайку и прикрепить к камере капилляр с приемником; заполнить камеру предварительно подготов­ ленным и доведенным до текучего состояния битумом; присоединить запол­ ненную камеру через прокладку к втулке и плотно привинтить ее гайкой.

Надеть термостатирующий цилиндр и включить циркуляционный термо­ стат, жидкость в котором предварительно доведена до температуры испыта­ ния. В случае испытания при низких температурах температуру в сосуде ре­ гулировать при помощи смеси спирта и твердой углекислоты. Выдержать ка­ меру при температуре испытания не менее 15 мин. Закрепить бумагу на ба­ рабане самописца двумя резиновыми кольцами и прижать к ней карандаш.

2. включить двигатель, вращающий барабан самописца, и прочертить го­

ризонтальную линию на уровне, отвечающем максимальному сжатию пру­ жины.

155

3. Быстро переставить рукоятку эксцентрика. При этом пружина вытолк­ нет штырь из цанги, нагрузит шток и создаст в камере давление, под дейст­ вием которого битум начнет вытекать из камеры через капилляр.

4.Остановить барабан самописца, когда записываемая кривая прибли­ зится к горизонтали. Записать на диаграмме наименование пробы битума, но­ мер капилляра и температуру опыта.

5.Снять с вискозиметра термоетатируютций цилиндр или сосуд, капилляр

и камеру. Подготовить прибор к следующему испытанию.

6. Построить диаграмму, характеризующую зависимость перемещения

штока от времени, и с помощью прилагаемых к прибору трафарета и табли­ цы определить вязкость битума1.

Расхождения между двумя параллельными определениями вязкости не должны превышать +10% среднего арифметического полученных результатов.

Фракционный состав жидкого битума. Фракционированием называется разделение сложной смеси на компоненты более простого состава или (в пределе) на индивидуальные составля­ ющие. Такое разделение применительно к битуму можно произ­ водить, используя различие температур кипения 'входящих в него соединений или их групп. Однако эти соединения представляют собой сложные смеси, и путем простой перегонки выделить ин­

свойствами: плотностью, вязкостью, температурой вспышки и т. д. Содержание этих фракций и содержание остатка, выра­ женное в процентах (по массе или объему) по отношению к пер­ воначальной массе, характеризует фракционный состав жидких битумов. Содержание тех или иных фракций позволяет судить об эксплуатационных свойствах битума, сроках формирования структуры материалов на их основе. Напршмер, битумы с боль­ шим содержанием фракций, выкипающих при температуре 0— 225°С, будут интенсивно изменять вязкость, что скажется на прочности битумоминеральных материалов. Знание фракционно­ го состава и свойств остатка, наряду с условной вязкостью, яв­ ляется необходимым для установления класса и марки жидких битумов.

Фракционный состав рекомендуется определять в следующем порядке.

1.Обезвоженный жидкий битум в количестве 200 мл залить

встандартную стеклянную колбу. Если 200 мл заливают по мас­ се, следует учесть плотность битума.

2.Закрыть горло колбы (рис. 72) плотно пригнанной корко­ вой пробкой, ів которую по центру вставлен термометр на 360°С, градуированный через 1°С. Нижний конец термометра должен

находиться на расстоянии 6—7 мм от дна колбы.

1 Методика расчета вязкости и составления таблиц приведена в ГОСТ 7163—63.

156

3.Для удаления следов предыдущей перегонки тщательно протереть изнутри трубку холодильника мягкой тканью.

4.Собрать прибор в такой последовательности: соединить от­ водную трубку колбы о холодильником через плотно пригнанную корковую пробку, чтобы отводная трубка не касалась стенок хо­

лодильника и входила в него на 25—50 мм- установить колбу

4

вертикально на проволочной сетке, лежащей на кольце штатива*, при этом ось холодильника должна быть соосна с осью отводной трубки колбы; укрепить аллонж в холодильнике таким образом, чтобы его конец заходил в мерный цилиндр не менее чем на 25 мм, но одновременно был бы выше метки 100 мл\ прикрыть верх цилиндра фильтровальной бумагой, в которой сделан вырез для аллонжа; надеть на колбу кожух и пустить воду снизу че­ рез рубашку холодильника.

5. Начать подогрев колбы так, чтобы первая капля упала че­ рез 5—15 мин. В дальнейшем обеспечить интенсивность нагрева, позволяющую івести перегонку со скоростью 50—70 капель в

1мин.

6.По достижении температуры 225, 315 и 360°С (точность ±1°С) менять мерные цилиндры. Последний цилиндр выдержать под аллонжем в течение 5 мин после окончания нагрева, чтобы дать возможность парам нефтепродуктов, находящимся в холо­ дильнике, сконденсироваться и стечь.

7.Остаток сразу же после разгонки слить в другой сосуд и держать открытым под вытяжкой до прекращения выделения паров. После этого остаток может быть подвергнут дальнейшим исследованиям.

157

10. Результаты испытаний записать по форме.

1

Свойства остатка жидкого битума после отбора фракций, вы­ кипающих до 360°С, обусловливают принадлежность битума к классу густеющих со средней скоростью или к классу медлемчогустеющих жидких битумов. Остаток жидких битумов, густею­ щих со средней скоростью, по консистенции близок к вязким до­ рожным битумам, поэтому для оценки его свойств применяют показатели, обычно используемые для характеристики вязких битумов: глубина проникания иглы, температура размягчения, растяжимость. Эти показатели определяют по методике, изло­ женной в соответствующих разделах.

Остаток медленногустеющих битумов текуч, в нем содержит­ ся значительное количество масел, вскипающих при температу­ ре выше 360°С, поэтому для его оценки используют другие пока­ затели, например время размягчения остатка в сек — время от момента помещения поплавка в ванну с температурой 50°С до момента появления ©оды в поплавке.

Время размягчения остатка определяют на стандартном при­ боре (рис. 73). Порядок испытания следующий.

1. Втулку прибора установить узким кондом на стеклянную или амальгирозанную латунную пластинку, смазанную смесью талька с глицерином.

2.Расплавленный остаток жидкого битума залить с неболь­ шим избытком во втулку.

3.Охладить втулку до комнатной температуры и поместить

ее вместе с пластиной на 1 мин в ванну с температурой воды 5°С.

4.Вынуть втулку, срезать избыток вяжущего ножом вровень

скраями втулки и снова поместить ее на 15—30 мин в ту же

ванну.

5. Вынуть втулку из ванны, отделить ее от пластины и ввин­ тить до отказа в поплавок прибора. Погрузить поплавок с втул­

кой в ту же ванну на 1 мин.

6. Изъять поплавок из ванны и, быстро осушив фильтро­ вальной бумагой внутреннюю поверхность поплавка, поместить

158

его в ванну с водой, имеющей температуру 50°С, одновременно включить секундомер. По мере размягчения остаток из втулки выдавливается водой вверх. В момент появления воды в поплав­ ке остановить секундомер.

Рис. 73. Прибор для определения времени размягчения остатка

] — горелка; 2 — ба.ня; 3 — поплавок с вгулкой; 4 — термометр

7. Среднее арифметическое из. показаний секундомера двух параллельных определений принять за время размягчения остат­ ка битума. Расхождение между результатами не должно превы­ шать 3 сек.

Ориентировочный расчет состава разжиженных битумов. В

производственной практике широко применяются среднегустеющие жидкие битумы, получаемые из вязкого битума с помо­ щью іразжижителей нефтяного или каменноугольного происхож­ дения (керосин, лигроин и др.), имеющих начало кипения при 160—180°С и конец его при 260—300°С.

Соотношение между раізжижителем и вязким битумом может быть приближенно определено при помощи номограммы и уточ­ нено экспериментальным путем. Расчет следует вести в таком порядке.

1. Определить по известной методике глубину проникания (зязкость) исходного битума. Установить по стандартному вис­ козиметру условную вязкость смеси (40—'50% принятого биту­ ма и 60—'50% разжижителя).

2.На шкале VII номограммы (рис. 74) отметить глубину ■проникания вязкого битума.

3.На шкале VIII отметить температуру испытания подбира­ емого жидкого битума.

4.Отмеченные на шкалах VII и VIII точки соединить прямой

ина пересечении со шкалой I отметить точку в.

5.На шкале II отметить точку, соответствующую вязкости смеси разжижителя с вязким битумом, и восстановить из нее вертикаль до пересечения (точка г) с горизонталью, проведен­ ной от шкалы III от точки, отвечающей содержанию вязкого би­

тума в его смеси с разжіижителем.

159