LIANTII BITUMINOSI Liantii bituminosi sunt amestecuri foarte complexe de hidrocarburi de origine naturala sau insotite prin pirogenare, pirogenare, insotite de derivate cu oxigen, oxigen, azot si sulf, care prezinta capacitatea de aglomerare a agregatelor naturale. Ei se prezinta sub forma lichida, vascoasa sau solida, au o culoare brun inchisa pana la neagra si sunt integral solubile in sulfura de carbon.Conditia de aglomerare a agregatelor naturale este indeplinita numai de bitumurile asfaltice si de gudroane. Bitumul asfaltic se gaseste in stare naturala sub diferite forme si se poate prepara si pe cale artificiala, prin distilarea fractionara a anumitor titeiuri si prelucrarea reziduurilor.In functie de origine bitumul poate fi: obtinut prin prelucrarea produselor petroliere in rafinarii, -bitum de petrol obtinut -bitum natural , rezultat din procesul de asfaltizare a titeiului din zacamant. Bitumul de petrol , in functie de continutul de parafina, respectiv de natura titeiului de obtinere, obtinere, poate fi: -bitum neparafinos (continut de parafina sub 2%), -bitum parafinos (continut de parafina intre 2 si 4%). Bitumul de petrol mai poate fi clasificat in functie de domeniul de aplicare: -bitum pur, -bitum aditivat, -bitum modificat.
Bitumul natural se gaseste sub forma nativa sau sub forma de impregnatii: -Bitum ca atare, bitum nativ se gaseste in regiunea Marii Moarte numit si bitum de Iudeea ( desi desi este foarte pur-98%-nu poate fi folosit in lucrarile rutiere din cauza lipsei de adezivitate si a duritatii foarte mari), sunt cunoscute zacamintele din Insula Trinidad, in Venezuela (Lacul Bermudes), in Cuba, Madagascar,Siria, in Albania (la Selenita) si in multe alte locuri. -In natura bitumul se gaseste si sub forma de impregnatii in roci calcaroase, gresii, nisipuri, argile etc. Rocile impregnate cu bitum asfaltic se numesc roci asfaltice. Dintre cele mai cunoscute si intrebuintate roci asfaltice sunt calcarele si nisipurile bituminoase din Elvetia (Val de Travers), Franta (Seyssel,Pont-De-Chateau, etc).Ele contin in medie 8-12% bitum si sunt intrebuintate direct in anumite lucrari de asfaltaj.In general bitumul impregnat in aceste roci nu se extrage, totusi se poate extrage cu anumite tehnologii speciale (fie folosind un solvent, fie prin separare cu apa calda alcalinizata). Operatia nu este economica. La noi in tara se gaseste bitum natural, sub forma de impregnatii in nisip in bazinul Derna_tatarus-Budoi, cu un continut de 16-18% bitum. Bitumul este de foarte buna calitate, nu contine parafina, insa este foarte moale si pentru a obtine un bitum rutier el trebuie trebuie supus unor prelucari speciale. speciale. Nisipul bituminos de Derna-Tatarus este folosit direct in lucrarile de asfaltaj dupa tehnologii speciale, simplu sau in amestec cu un bitum rezidual dur. 1
Se mai gaseste bitum natural la Matita si Pacureti, in judetul Prahova., sub forma de impregnatii in argila si nisip fin, cu un continut continut de 10-12% 10-12% bitum pur de buna calitate.Aceste nisipuri sunt folosite, in amestec cu bitumul rezidual la lucrarile de asfaltaj locale. In afara de rocile asfaltice se mai gasesc in natura argile sau marne impregnate cu bitum insolubil, puternic mineralizat, numite sisturi bituminoase sau pirosisturi. Separarea partii bituminoase se poate face nnumai prin pirogenare, operatie in urma careia se obtine un ulei soecial numit ulei de sist.Astfel de zacaminte se gasesc si la noi in tara la Anina in judetul Caras Severin. Din bitum pot deriva urmatorii lianti bituminosi: *emulsiile bituminoase - dispersii de ordinul micronilor de bitum in apa in prezenta unui emulgator emulgator si a unui agent de ionizare; *bitumurile taiate - bitum cu adaos de solvent pentru reducerea vascozitatii si intrebuintarea lui in metoda la rece;dupa punerea in opera solventul se evapora si bitumul ramane cu carateristicile carateristicile initiale; *bitumurile fluxate -amestec de doua bitumuri cu consistente diferite sau amestec de bitum mai dur cu cu un produs petrolier sub forma de fluid vascos;dupa punerea in opera produsul rezultat actioneaza ca un liant unitar cu caracteristici diferite de cele pe care le-a avut la inceput. Gudroanele sunt produse vascoase obtinute prin pirogenarea unor materii organice , ca huila, huila, lignit, lemn lemn etc.Gudroanele folosite in tehnica tehnica rutiera provin din din distilarea uscata a huilei.La noi in tara nu avem o productie propiu zisa de gudron. A fost o perioada cand s-a folosit un gudron reconstituit din smoala si o serie de uleiuri antracenice obtinute din pirogenarea carbunelui in industria de prepararea cocxului utilizat in siderurgie. Gudroanele, spre deosebire de bitum,nu se gasesc in stare naturala.
Compozitia si structura liantilor bituminosi. Din punct de vedere chimic bitumurile asfaltice sunt amestecuri extrem de complexe de hidrocarburi cu un mare numar de atomi de carbon. Ele sunt insotite de derivatele lor oxigenate, sulfuroase si azotoase, precum si de un mare numar de izomeri. In bitumuri predomina hidrocarburile ciclice (naftene) si indeosebi hidrocarburilor policiclice saturate. In compozitia elementara bitumurile asfaltice, carbonul se gaseste in proportie de 80….85%,hidrogenul 12….15%,oxigenul 12….15%,oxigenul 2…3%, iar sulful si azotul in proportii reduse. Complexitatea amestecului de hidrocarburi ingreuneaza posibilitatea de separare hidrocarburilor componente; de aceea separarea se poate face pe grupe de hidrocarburi care intra in alcatuirea acestor substante. Cea mai folosita metoda de studiul compozitiei bitumului este separarea pe grupe de componenti cu caracteristici apropiate prin tratare cu solventi selectivi, cromatografie pe coloana, sau alte metode moderne: iatroscan cromatografie pe gel permeabil, etc. 2
Se mai gaseste bitum natural la Matita si Pacureti, in judetul Prahova., sub forma de impregnatii in argila si nisip fin, cu un continut continut de 10-12% 10-12% bitum pur de buna calitate.Aceste nisipuri sunt folosite, in amestec cu bitumul rezidual la lucrarile de asfaltaj locale. In afara de rocile asfaltice se mai gasesc in natura argile sau marne impregnate cu bitum insolubil, puternic mineralizat, numite sisturi bituminoase sau pirosisturi. Separarea partii bituminoase se poate face nnumai prin pirogenare, operatie in urma careia se obtine un ulei soecial numit ulei de sist.Astfel de zacaminte se gasesc si la noi in tara la Anina in judetul Caras Severin. Din bitum pot deriva urmatorii lianti bituminosi: *emulsiile bituminoase - dispersii de ordinul micronilor de bitum in apa in prezenta unui emulgator emulgator si a unui agent de ionizare; *bitumurile taiate - bitum cu adaos de solvent pentru reducerea vascozitatii si intrebuintarea lui in metoda la rece;dupa punerea in opera solventul se evapora si bitumul ramane cu carateristicile carateristicile initiale; *bitumurile fluxate -amestec de doua bitumuri cu consistente diferite sau amestec de bitum mai dur cu cu un produs petrolier sub forma de fluid vascos;dupa punerea in opera produsul rezultat actioneaza ca un liant unitar cu caracteristici diferite de cele pe care le-a avut la inceput. Gudroanele sunt produse vascoase obtinute prin pirogenarea unor materii organice , ca huila, huila, lignit, lemn lemn etc.Gudroanele folosite in tehnica tehnica rutiera provin din din distilarea uscata a huilei.La noi in tara nu avem o productie propiu zisa de gudron. A fost o perioada cand s-a folosit un gudron reconstituit din smoala si o serie de uleiuri antracenice obtinute din pirogenarea carbunelui in industria de prepararea cocxului utilizat in siderurgie. Gudroanele, spre deosebire de bitum,nu se gasesc in stare naturala.
Compozitia si structura liantilor bituminosi. Din punct de vedere chimic bitumurile asfaltice sunt amestecuri extrem de complexe de hidrocarburi cu un mare numar de atomi de carbon. Ele sunt insotite de derivatele lor oxigenate, sulfuroase si azotoase, precum si de un mare numar de izomeri. In bitumuri predomina hidrocarburile ciclice (naftene) si indeosebi hidrocarburilor policiclice saturate. In compozitia elementara bitumurile asfaltice, carbonul se gaseste in proportie de 80….85%,hidrogenul 12….15%,oxigenul 12….15%,oxigenul 2…3%, iar sulful si azotul in proportii reduse. Complexitatea amestecului de hidrocarburi ingreuneaza posibilitatea de separare hidrocarburilor componente; de aceea separarea se poate face pe grupe de hidrocarburi care intra in alcatuirea acestor substante. Cea mai folosita metoda de studiul compozitiei bitumului este separarea pe grupe de componenti cu caracteristici apropiate prin tratare cu solventi selectivi, cromatografie pe coloana, sau alte metode moderne: iatroscan cromatografie pe gel permeabil, etc. 2
Aceste grupe de componenti sunt , la randul lor studiate prin metode fizico-chimice complexe: Determinarea raportului C/H; Determinarea masei moleculare; Determinarea indicelui de refractie; Determinarea densitatii; Spectroscopie in UVsi IR; Analiza prin RMN SI RPE; Analiza elementara; Cromatografie gaz –lichid; Defractie cu raze X; Microscopie electronica; Potentiometrie, etc. Compozitia bitumului se exprima in general prin doua grupe de hidrocarburi: maltene si asfaltene , solubile in totalitate in sulfura de carbon. Fractiunile din bitum insolubile in sulfura de carbon se numesc carboide si se caracterizeaza prin continutul ridicat de carbon; carboidele nu depasesc ingeneral 2%. Din punct de vedere al constitutiei fizico-chimice bitumurile formeaza sisteme coloidale complexe.Faza continua, sau mediul de dispersie il constitue hidrocarburile fluide, iar faza dispersata fiind alcatuita din micele de hidrocarburi solide Maltenele, care constitue faza continua , mediul uleios, sunt solubile in heptan si sunt alcatuite dintr-o fractiune fluida(uleioasa), numita petrolene si o fractiune cu vascozitate mai mare numite rasini. Ambele fractiuni sunt solubile in heptan, sulfura de carbon si tetraclorura de carbon. Petrolenele- fractiunea uleioasa- sunt de culoare galben-rosietica, cu densitatea de 1,0 kg/dm3 si masa moleculara intre 250 si500. Aceasta fractiune contine indeosebi hidrocarburi naftenice lichide, precum si hidrocarburi aromatice; in cantitati reduse si variabile sunt prezente combinatii organice ale sulfului si in cantitati reduse parafine.Petrolenele reprezinta reprezinta 40…60% din masa bitumului. Rasinile sunt de culoare galbena pana la bruna, au densitatea de 1…1,1 kg/dm 3 si contin pe langa hidrocarburi policiclice, care sunt constituentii principali si hidrocarburi aromatice, compusi cu oxigen,sulf si azot, in proportii reduse sub forma de acizi asfaltogeni ( R-COOH); rasinile au masa moleculara cuprinsa intre500 si1200. Continutul de maltene influenteaza asupra consistentei si intr-o masura oarecare, si asupra ductilitatii bitumului. Asfaltenele sunt sunt sisteme de substante solide-rigide si friabile-cu densitatea de1,1…1,15 kg/dm3, solubile in sulfura de carbon si insolubile in heptan, masa moleculara variaza intre 10 3 si 104, mai frecvent 1500 si 6700. – asfaltenele din bitumurile suflate au masa moleculara mai mare decat cele din bitumurile de distilare.Asfaltenele reprezinta 10..30% din masa bitumului si sunt alcatuite din hidrocarburi policiclice, care reprezinta 65-95% din masa constituentilor, iar hidrocarburile aromatice sunt in proportie de 30..60% din cele naftenice; in proportii 3
reduse, pana la 3-4% din masa bitumului, asfaltenele contin o fractiune de hidrocarburi mai grele, numite carbene solubile iin sulfura de carbon dar insolubila in tetraclorura de carbon; carbenele sunt solide cu caracter casant si au o influenta defavorabila asupra propietatilor bitumului. Asfatenele manifesta tendinta accentuata de forma asociatii moleculare. Moleculele de asfaltene formeaza foite plane sau aproape plane, discontinui, alcatuite din molecule naftenice si aromatice , si in proportii reduse din heterocompusi organici, intre care se stabilesc legaturi, in general sub forma de lanturi alifatice. Asocierea in micele se realizeaza prin suprapunerea succevsiva a foitelor de moleculessi formarea unei structuri stratificate (fig. )Legaturile intre foitele de asfaltene sunt atribuite fortelor de natura electrostatica. Unele cercetari atribuie asfaltenelor caracter de compusi macomoleculari proveniti din policondensarea constituentilor policiclici ai rasinilor si uleiurilor; policondensare care a avut loc in timpul indelungat de formare a titeiului si apoi in procesul de suflare a masei asfaltoase.Rasinile si asfaltenele fac parte din aceeasi familie de hidrocarburi, dar care se deosebesc prin continutul de hidrogen in raport cu carbonul. Moleculele de rasini sunt mai bogate inhidrogen (H/C=1,41…1,66 fata de 0,95..1,25 in asfaltene). Maltenele si asfaltenele manifesta influente diferite asupra structurii si propietatilor bitumului; plasticitatea si consistenta sunt determinate in deosebi de continutul de asfaltene, iar coeziunea, adezivitatea si ductilitatea de proportia de asfaltene. In general putem spune ca bitumurile au urmatorii constituenti principali: uleiurile, rasinile, asfaltenele, acizii asfaltogeni si anhidridele lor, care contribuie la marirea stabilitatii bitumului fata de agentii atmosferici si varaitiile de temperatua.Compozitia aproximativa pe fractiuni a bitumului este urmatoarea: Tip bitum
Uleiuri
Rasini
Asfaltene
Bitum de petrol Bitum natural
40-60 67-72
18-48 21-22
15 -35 1-11
Numeroase studii efectuate in vederea cunoasterii structurii bitumului au demonstrat ca modelul cel mai cunoscut si utilizat este modelul tridimensional propus de Yen in anii 60. Conform modelului Yen, moleculele de asfaltene sunt fie intr-o stare de asociere sub forma de micele,fie sub forma de pachete de micele numite aglomerate, caz in care fortele care leaga aceste pachete de micele sunt de tip hidrogen, dipolare induse sau permanente.
4
Fig1. Structura unei micele Fig2.Macrostructura asfaltenelor de asfaltene dupa Yen dupa Yen Dispersia micelelor si aglomeratelor in masa maltenelor este mai mult sau mai putin intensa in functie de compozitia fazei maltene (fig. 2). Bitumul este un sistem coloidal complex: Molecule Micele ←→ ←→ Aglomerate In functie de continutul relativ al diversilor constituenti, (asfaltene, rasini si uleiuri), se disting 3 tipuri de structuri: Structura „GEL“: caracterizata prin aglomerarea micelelor de asfaltene, ce formeaza o retea continua intr-un mediu dispersant slab structurat de catre rasini. Peste o anumita limita de concentratie a asfaltenelor, bitumul realizeaza o structura de coagulare, manifesta tixotropie si comportare preponderent plastica, corespunzator fluidelor cu prag de curgere. Cresterea pronuntata a continutului de asfaltene determina aglomerarea micelelor, cu formarea de agregate micelare si in acest caz bitumul realizeaza o structura de condensare, corespunzatoare corpurilor solide si manifesta comportare predominant elastica.Structura de condensare corespunde pentru o stare fizica SOLID, iar structura de condensare –coagulare corespunde pentru o stare fizica de SOLID-GEL cu comportare reologica elasto-plastica.
Fig.3 Reprezentarea schematica a unui bitum de tip GEL 5
In conditiile unui continut redus de asfaltene si micelele de asfaltene sunt in totalitate peptizate de catre rasini se obtine o solutie diluata si bine stabilizata de asfaltene intr-un mediu dispersant puternic structurat de catre rasini. Aceasta structura este caracteristica bitumurilor cu faza maltene bogata in hidrocarburi aromatice si corepunde unei stari fizice de SOL cu o comportare vascoasa – newtoniana. O situatie intermediara intre starea fizica de GEL si SOL, caraterizata prin agregate de micele de asfaltene care plutesc intr-un mediu dispersant structurat de rasini. Majoritatea bitumurilor prezinta aceasta structura si au o comportare vascoelatica.
Fig. 4 Reprezentarea schematica a unui bitum de tip SOL Pe baza studiilor efectuate s-au stabilit o serie de indici care carcterizeaza structura bitumului pe baza compozitiei,punctului de inmiiere (IB) si penetratia la 25°C:
Indicele de instabilitate coloidala, IC
IC=(Asfaltene + Saturate)/(Rasini+ Aromatice); IC: max. 0,5 –in cazul aplicarii metodei IATROSCAN pentru determinarea compozitiei pe grupe de hidrocarburi; Indicile
de aromaticitate, IA
Indicele
de penetratie, IP
IA=Aromatice(%)+Rasini (%); IA: min 66%.
IP=(20-500a)/(IB+50a) , unde „a“ este succeptibilitatea termica calculata cu relatia: a=(lg 800 –lg P 25)/(TIB-25) ; IP : -1…..+1 Valorile admisibile pentru indcii de structura sunt din literatura de specialitate. Metoda pentru determinarea indicelui de penetrare se bazeaza pe faptul ca dependenta penetratiei unui bitum oarecare fata de temperatura poate fi reprezentata printr-o dreapta, cand se foloseste o scara logaritmica pentru penetratie si una zecimala pentru temperatura. Normele frantuzesti prevad doua metode pentru determinarea indicelui de penetrare: 1) indicile de penetrare este dedus pe baza a doua masuratori de penetratie la temperatura T1 siT2 (fig 5 ); 6
2)indicele de penetratie este dedus pe baza punctului de inmuiere (IB) si a penetratiei la 25°C, (fig. 6 ).
Structura bitumului este determinata, pe langa raportul dintre continutul relativ de maltene si asfaltene, si de temperatura. Cresterea temperaturii provoaca ruperea progresiva a legaturilor si deci modificari de stare fizica de structura si comportare reologica. Prepararea bitumului In lucrarile de constructia, reabilitarea si intretinerea drumurilor sunt folosite bitumurile reziduale sau de petrol, rezultate din distilarea fractionara a titeiului. Sunt folosite titeiurile naftenice sau asfaltoase ( numite si neparafinoase). Titeiurile semiparafinoase sau parafinoase, prin distilarea lor, dau bitumuri de calitate 7
necorespunzatoare din cauza continutului ridicat de parafina,dar care, supuse unei prelucrari speciale, pot da si ele bitumuri bune. In principiu, prelucrarea titeiului se face in doua faze distincte: * Distilare primara,in care titeiul este incalzit la o temperatura de 300400° C. Vaporii diferitilor compusi din titei se ridica intr-o coloana speciala de distilare la temperatura atmosferica si se condenseaza la o inaltime corespunzator cu punctul de fiebere. Se capteaza, cu ajutorul unor instalatii speciale, benzina B, lampantul L, si motorina M. La baza coloanei se aduna reziduul distilarii primare , care este pacura. Daca pacura are un continut sarac de hidrocarburi naftenice, procesul de distilare nu mai este continuat; pacura fiind folosita drept combustibil sau, eventual supusa unui proces de cracare. * Distilare secundara, pacura bogata in hidrocarburi naftenice, este incalzita in alt cuptor si trimisa in a doua coloana de distilare, de data aceasta in vid, prin care rezulta uleiurile de uns si masa asfaltoasa ca reziduu in blaz. Reziduul ramas in urma distilarii secundare este foarte vascos si este numit masa asfaltoasa. Aceasta masa constitue bitumul de distilare ; distilarea pacurii in vid se continua pana se obtine consistenta dorita a bitumului. Cand bitumul de distilare are un continut redus de asfaltene (1,55%),constitue un ulei asfaltic (Road-Oils), are o putere redusa de adezivitate si se intareste foarte incet.Este intrebuintat la lucrari de stropiri sau fluxarea bitumurilor prea consistente.
Titei
Figura 7 Pacura , ca reziduu din prima distilare, afost supusa unui proces de stripare (tratarea cu abur) pentru indepartarea produselor mai usoare. 8
Bitumul de distilare are o tendinta marita la deformatii plastice, o succeptibilitate mai redusa la fisurare si este compatibil cu modificatorii (polimeri). Daca masa asfaltoasa rezultata la distilarea in vid a pacurii, este supusa unui proces de oxidare prin suflare cu aer cald la temperatura de 250….260°C, se obtin bitumurile de oxidare .Prin oxidare se produce o dehidrogenizare partiala a rasinilor si trecerea acestora in asfaltene.In afara de oxidare se mai produce si un proces de policondensarea constituentilor policiclici ai rasinilor si uleiurilor, formand o anumita structura. Marind sau reducand durata de suflare, se pot obtine bitumuri cu consistente diferite.
Figura 8 Bitumurile de oxidare au o succetibilitate termica mai redusa, un echilibru coloidal instabil, un punct de inmuiere mai ridicat si ca atare o rezistenta mai mare la deformatii plastice, sunt succeptibile la fisurare si prezinta o compatibilitate mai scazuta cu modificatorii. Pacura parafinoasa este supusa unui proces de dezuleiere cu propan lichid prin care se recupareaza o parte din uleiurile din pacura si se obtine un produs consistent denumit impropiu „ semigudron dezasfaltat cu propan“ Caracteristicile liantilor bituminosi Liantii bituminosi au un puternic comportament reologic, cu deformatii elastico-vascoase, care depind in primul rand de viteza de solicitare, de durata aplicari incarcarii si de temperatura la care se produc solicitarile. Principalele caracteritici ale liantilor bituminosi, care intervin in aprecierea calitatii acestora se pot grupa in: caracteristici in legatura cu consistenta; caracteristici in legatura cu plasticitatea; caracteristici in legatura cu adezivitatea; caracteristici in legatura cu intarirea si procesul de imbatranire. Caracteristici in legatura cu consistenta 9
Consistenta este apreciata prin relatia de dependenta dintre deformatia specifica si solicitarile care produc aceasta deformatie si se datoreste coeziunii.Coeziunea reprezinta fortele de atractie inermoleculara care se opun fortelor care produc deformatia. Consistenta liantilor bituminosi in stare fluida se apreciaza prin vascozitate, iar in stare plastica sau solida la temperatura obisnuita, prin penetratie. Vascozitatea reprezinta rezistenta pe care o opune un lichid la curgere datorita frecarii interioare a particulelor fluidului . Aceasta este vascozitate dinamica si se masoara in unitati numite poise. Daca se presupun, in fluidul considerat, doua plane paralele la distanta z, dintre care unul este actionat de o forta tangentiala, F si se deplaseaza fata de celalat cu o viteza V, se poate scrie relatia: (F/S)=η(V/Z) ;in care η este este un coeficient de proportionalitate numit vascozitate dinamica, iar raportul V/Z reprezinta gradientul vitezei. Raportul dintre vascozitatea dinamica si densitatea specifica se numeste coeficient de vascozitate cinematica si se masoara in unitati numite stoks.
Figura 9 Vascozitatea bitumului se poate determina in laborator cu aparate de tipul vascozimetrului rotativ cu cilindri coaxiali sau cu consistometrul Hoppler etc In practica consistenta bitumurilor fluide la temperatura obisnuita se poate masura , in mod conventional cu aparate prevazute cu orificii de scurgere.In acest scop se pot folosi vascozimetrul Engler sau vascozimetrul S.T.V. (Standard Tar Vascozimeter) Folosind vascozimetrul Engler (fig. 9), vascozitatea se exprima prin raportul dintre durata de scurgere a unui anumui volum de liant si durata de scurgere a unui volum egal de apa, la aceeasi temperatura, printr-un ajutaj de ceasi forma si dimensiuni ( de regula diametrul ajutajului este de 4 mm) vascozitatea in acest caz se exprima in grade Engler.
10
Fig. 10 Vascozimetrul Engler.
In cazul vascozimetrului STV, vascozitatea se exprima prin numarul de secunde necesare scurgerii unui anumit volum de liant ( 50, 100 sau 200 cm 3) printr-un ajutaj cu un anumit diametru ( 4 sau 10 mm).
Fig. 11 Vascozimetrul S.T.V. Vascozitatea variaza in raport cu temperatura (fig. 12), dupa o relatie de forma: ηt=η0e-kt, in care η0 este vascozitatea la temperatura de 0°C; t- diferenta de temperatura fata de 0°c; k=tgα-coeficientul de succeptibilitate termica a liantului; α- unghiul pe care il face tangenta intr-un punct considerat pe curba.
Fig. 12 Variatia vascozitatii cu temperatura 11
Vascozitatea dinamica se determina cu ajutorul vascozimetrului rotativ cu cilindri coaxiali (fig. 13), prin masurarea cuplului motor necesar pentu rotirea unui cilindru cu viteza constanta si controlata, coaxial cu un cilindru fix in care se gaseste proba de bitum. Vascozitatea se masoara in milipascali secunda (mPa s) sau centipoise si se determina cu relatia: η=τ/Dr [mPa s (cP)] unde: -τ este efortul de forfecare aplicat la efectuarea determinarii, exprimat in milipascali (10-2 dyn/cm2), calculat cu relatia: τ=zα (mPa), in care: z este constanta aparatului, α - unghiul cuplului de rotatie (citit la aparat, in diviziuni). Domeniul de variatie al efortului unitar de forfecare este de 28.102….30000.102 mPa (10-2 dyn/cm2). -Dr gradientul vitezei de forfecare ( s-1), a carui valoare depinde de tipul cilindrului mobil si treapta de viteza. Domeniul de variatie al gradientului vitezei de forfecare este de 0,167…..1310 s-1.
Fig. 13 Vascozimetru rotativ cu cilindri coaxiali Din proba de bitum pregatita si incalzita in anumite conditii, pana devine suficient de fluida, se cantareste o cantitate de bitum prevazuta in tabelul 1, care se introduce in cilindrul fix. La vascozimetru se monteaza cilindrul mobil, corespunzator cu vascozitatea dinamica presupusa a bitumului care se analizeaza conform tabelului 1. T Raportul razelor Cilindrilor:mobil/fix
Efortul unitar de forfecare, mPa
Domeniul de masurare al efortului unitar de forfecare
r/R=0,98
12
Gradientul vitezei de forfecare, D r , s-1
Vascozitatea (η),mPa.s (cP)
Masa
Se monteaza la aparat cilindrul fix cu proba de bitum si baia de termostatare cu racordarea la ultratermostat. Se fixeaza temperatura de incercare ( 60°C) si cand termometrul baii de termostatare indica aceasta temperatura, proba se mentine in continuare timp de circa 30 minute. Se fixeaza domeniul de masurare a efortului unitar de forfecare si treapta de viteza cea mai redusa. Se pune in functiune cilindrul mobil si se citeste valoarea unghiului de rotatie ( α), in momentul atingerii valorii constante. Se reia incercarea- in ordinea crescatoare a efortului unitar de forfecare pentru cele doua domenii de masurare-pentru fiecare treapta de viteza pentru care valoarea unghiului cuplului de rotatie se incadreaza in scara aparatului de masura. Vascozitatea se calculeaza pentru fiecare valoare a unghiului cuplului de rotatie.Valorile obtinute se inscriu intr-o diagrama (fig 11) avand in abscisa gradientul vitezei de forfecare(Dr), iar in ordonata vascozitatea dinamica ( η). Vascozitatea dinamica a bitumului la temperatura de incercare (60°C), reprezinta valoarea obtinuta pe diagrama, corespunzatoare gradientului vitezei de forfecare Dr =1s-1.
Fig. 14 Consistenta bitumurilor plastice sau solide la temperatura obisnuita, se apreciaza prin penetratie. Prin penetratie se intalege adancimea de patrundere intr-o proba de bitum, a unui ac cu anumite dimensiuni, incarcat cu o greutate de 100 gf, care este lasat sa patrunda in masa bitumului, timp de 5 secunde. Penetratia se masoara prin adancimea de patrundere a acului, exprimata in zecimi de milimetru. Determinarea se face de regula la temperatura de 25°C, cu penetrometrul Richardson.
13
Fig. 15 Penetrometrul Richardson Valoarea penetratiei arata tipul de bitum; bitumurile cu penetratie mica (P<50) sunt bitumuri dure, cu penetratia cuprinsa intre 60…..180 mm10 -1, sunt bitumuri mijloci si bitumurile cu penetratia peste 180 mm10 -1, sunt bitumuri moi.Folosirea diferitelor tipuri de bitum se face in functie de temperatura mediului ambiant si de procedeul de lucru aplicat in asfaltaj. Penetratia creste cu temperatura dupa o curba exponentiala descrisa de expresia: P=PoehT, in care: P este penetratia la temperatura T; Po - penetratia la temperatura 0°C; h - coeficient care caracterizeaza succeptibilitatea termica a liantului. Caracteristica liantilor de a modifica consistenta cu valori diferite, cand temperatura variaza cu acelasi interval, se numeste succeptibilitatea liantilor fata de temperatura. Succeptibilitatea termica a liantilor bituminosi se poate calcula , cunoscand variatia penetratiei cu temperatura, cu relatia: lgP=lgPo + 0,43hT, de unde: h=(lgP-lgPo)/0,43T Intre penetratie (P) si vascozitate ( η) exista o relatie, cu aproximatie acceptabila: ηP2= constant
Carateristici in legatura cu plasticitatea Plasticitatea este propietatea unor materiale consistente de a capata deformatii permanente sub actiunea solicitarilor fara sa fisureze. Bitumul, gudronul si masele plastice, care sunt corpuri amorfe, nu au un punct de topire precis, asa cum au corpurile cristaline, iar in timpul topirii sau solidificarii temperatura nu se mentine constanta. In timpul incalzirii corpurile amorfe se inmoaie treptat si nu poate fi stabilita o temperatura anumita la care aceste corpuri devin lichide. 14
Bitumul din stare solida trece, prin incalzire, trece treptat in stare lichida prin intermediul unei stari plastice cu consistente diferite.Bitumul este plastic numai intr-un anumit interval de temperatura; in afara acestui interval, bitumul este fie solid, fie lichid, stari in care plasticitatea inceteaza. Temperatura la care bitumul devine rigid este considerata limita inferioara de plasticitate, iar temperatura de inmuiere, limita superioara de plasticitate. Intervalul dintre temperatura de rigidizare si temperatura de inmuiere constitue campul de plasticitate al bitumului. Un bitum pentru drumuri, este cu atat mai bun cu cat temperatura de rupere este mai scazuta, temperatura de inmuiere mai ridicata, iar campul de plasticitate cat mai mare. Pentru bitumurile oxidate folosite la mixturile asfaltice campul de plasticitate este de minimum 80°C. Campul de plasticitate ridicat reprezinta garantia comportarii bune a imbracamintilor asfaltice la intreaga gama de temperaturi din timpul anului. Punctul de inmuiere , determina in mod conventional, temperatura la care bitumul trece din stare plastica in stare lichida. Bitumurile pentru drumuri trebuie sa aiba un punct de inmuiere suficient de ridicat pentru a nu se inmuia la temperaturile mari din timpul verii si a produce deformatii permanente. Punctul de inmuiere se determina in mod convetional prin metoda inel si bila, prin care se stabileste temperatura la pastila de bitum dintr-un inel de alama, cu dimensiuni standardizate, se deformeaza sub greutatea unei bile cu masa de 3,5 g; totul fiind intr-o baie de apa. Incalzirea trebuie astfel sa fie condusa incat temperatura sa creasca continuu si uniform, in mod conventional 5°C/min.Temperatura la care bila strabate masa de bitum; bitumul deformandu-se sub forma unei pungi si atinge placa inferioara a stativului (fig. 13). Pentru bitumurile la care punctul de inmuiere este mai mare de 80°C, apa este inlocuita cu glicerina.
Fig. 16 Aparat pentru determinarea punctului de inmuiere Pentru aprecierea limitei superioare a campului de plasticitate, in practica se mai foloseste uneori si metoda cunoscuta sub numele de punct de picurare (Ubbelöhde) . Punctul de picurare este temperatura la care bitumul devine lichid si se desprinde prima picatura sub propia sa greutate. Incalzirea se face intr-o baie de aer cu viteza de 1°C/min. Determinarea se face cu aparatul Ubbelöhde (fig. 17). Punctul de picurare a unui bitum este mai ridicat decat punctul de inmuiere cu aproximativ 10°C. 15
Fig. 17 Aparatul Ubbelohde Limita inferioara a campului de plasticitate este punctul la care bitumul inceteaza de a mai fi plastic si devine rigid. Determinarea se face cu aparatul Fraass (fig. 18). Punctul de rupere reprezinta temperatura la care o pelicula de bitum, pe o placuta subtire de otel, fisureaza cand este solicitata la incovoiere repetata simultan cu descresterea temperaturii. Temperatura la care apar primele fisuri pe pelicula de bitum reprezinta punctul de rupere dupa metoda Fraass.
Fig. 18 Aparatul Fraass Calitatile plastice ale unui bitum pot fi puse in evidenta prin incercarea de ductilitate, care reprezinta aptitudinea bitumului de a se trage in fire. Determinarea se face cu ductilometrul Dow si consta in a supune la intindere o epruveta de bitum in forma de opt intr-o baie de apa la o anumita temperatura.Intinderea epruvetei se face cu o viteza de 5cm/minut si de regula la temperatura de 25°C. In anumite cazuri, pentru a obtine indicatii referitoare la comportarea la intindere la temperaturi scazute, ductilitatea se determina si la 0°C.
16
Fig. 19 Determinarea ductilitatii a) - matrita; b) - ductilometru; Ductilitatea bitumului reprezinta lungimea firului de bitum care se formeaza pana in momentul ruperii, exprimata in cm. Bitumurile obisnuite pentru drumuri trebuie sa aiba, la 25°C o ductilitate de cel putin 100 cm, iar la temperatura de 0°C de cel putin 1,5….8 cm, in functie de consistenta bitumului. Ductilitatea bitumului da o imagine asupra comportarii bitumului la variatii de temperatura; contractii si dilatatii din temperatura precum si asupra rezistentei la solicitari mecanice de intindere.Continutul de parafina influenteaza negativ ductilitatea bitumului. Caracteristici in legatura cu adezivitate Lianti bituminosi au propietatea de a adera pe suprafata agregatelor si de a aglomera granulele intre ele.Adezivitatea poate fi definita ca rezistenta pe care o opune la dezlipire o pelicula de liant, sub actiunea de infiltrare a apei. Adezivitatea depinde atat de propietatile liantului cat si de cele ale agregatului si se verifica in prezenta apei, ca atare adezivitatea este functie de tensiunile interfaciale liant- agregat-apa. Pentru a realiza adezivitatea trebuie urmarite doua aspecte; in primul rand liantul trebuie sa aiba propietatea de uda suprafata agregatelor si in al doilea rand pe suprafata de cntact dintre liant si agregat sa se produca o adsorbtie selectiva. Aderenta dintre liant si suprafata agregatului trebuie sa se mentina si in prezenta apei. In principiu, un liant adera bine daca uda piatra; liantii bituminosi fiind in general uleiosi, ei vor adera foarte bine de suprafetele hidrofobe, carateristica care este indeplinita de rocile bazice cum sunt calcarele si bazaltul. Suprafata agregatelor trebuie sa fie curata si uscata, sa nu contina apa sau alte materii straine ,in special argila, care impiedica realizarea contactului direct intre liant si agregat. Daca agregatele sunt curate si uscate, o parte din rasinile liantului sunt adsorbite selectiv pe suprafata agregatului. Adezivitatea liantului fata de agregate nu este suficienta decat daca se mentine in prezenta apei.Apa are o tensiune superficiala (75 dyn/cm) mai mare decat a bitumului (25 dyn/cm) si din aceasta cauza, apa uda mai bine agregatele decat bitumul si tinde sa-i ia locul. Conditia de udare a unei picaturi de liant pe suprafata agregatului se poate determina, in prezenta apei, prin echilibrul tensiunilor interfaciale : 17
σ pa≤σ pl+σla.cosθla unde: σ pa este tensiunea interfaciala piatra-apa, σ pl – ten siunea interfaciala piatra-liant, σla - tensiunea interfaciala liant-apa, θla - unghiul de udare a liantului. Din aceasta relatie se poate stabili un coeficient de adezivitate k=cos θla=(σ paσ pl)/σla, daca: k>0 sau, cosθla>0,→θ<90° , in acest caz liantul uda piatra; k<0 sau, cosθla<0,→θ>90°, in acest caz liantul nu uda pitra. Pentru a face posibila udarea si a obtine o adezivitate corespunzatoare pe orice fel de roca, trebuie micsorata tensiunea interfaciala piatra-liant.Acest lucru se poate realiza folosind urmatoarele procedee: innobilarea suprafetei agregatelor cu lapte de ciment sau var (circa 2%), care dau o reactie alcalina favorabila acrosarii liantului; folosirea unor substante tensioactive, numite activanti sau aditivi. Aceste substante exercita un dublu rol favorabil: pe de o parte diminueaza tensiunea interfaciala liant-piatra si amelioreaza etalarea liantului pe suport, iar pe de alta parte fiind adsorbite pe suprafata agregatului, formeaza legaturi interfaciale puternice. Datorita dificultatilor realizarii studiilor fizico-chimice asupra adezivitatii, in practica sunt folosite metode indirecte, bazate pe evaloarea dezanrobarii sau reducerea rezistentelor mecanice ale unor epruvete din mixtura asfaltica, mentinute in anumite conditii in prezenta apei. La noi in tara sunt utilizate doua metode pentru analiza adezivitatii:
metode calitative: statica si dinamica, metoda cantitativa . Metoda statica consta in aprecierea adezivitatii
prin estimarea, in procente, a suprafetiei de agregat natural, ramasa peliculizata cu bitum, dupa imersare in apa. Incercarea consta in peliculizarea, la cald a 100g, agregat natural, sortul 8-12 mm,cu 5,3…5,7% bitum si pastrarea acestora in apa distilata timp de 18 ore la temperatura de 20..25°C, dupa care se observa si se apreciaza procentul de suprafata ramasa anrobata. Metoda dinamica are la baza acelasi principiu, diferenta esentiala fiind ca, inainte de estimarea suprafetei ramasa anrobata, granulele de agregat natural se desprind, sub apa, unele de altele si apoi cu o bagheta sau spatula , se amesteca fortat prin rotirea acestora in apa de 100 de ori in acelas sens, timp de 3 minute.Pentru incercare se utilizeaza sortul 5-8 mm, care se anrobeaza cu 4,8… 5,2% bitum si se pastreaza in apa timp de 24 h. Daca rezultatele obtinute pe doua probe difera cu mai mult de 10%, se repeta determinarea cu un timp de imersare de 144h. Metoda cantitativa de apreciere a adezivitatii bitumului pe agregatul natural prin 18
Caracteristici in legarura cu intarirea si imbatranirea liantilor bituminosi In timpul exploatarii, bitumurile manifesta modificari complexe ale propietatilor lor sub actiunea diversilor factori. Transformarile pe care le sufera bitumul de la punerea in lucrare, marcheaza trei perioade distincte: -perioada de priza si intarire, -perioada de comportare plastica, -perioada de fragilitate si dezagregare. Dupa punerea in lucrare in stare fluida la temperaturi diferentiate dupa consistenta lor, liantii bituminosi se intaresc prin racire la temperatura normala. In cazul liantilor moi, intarirea are loc dupa racire, intr-un interval in care se evapora o parte din uleiurile usoare, volatile Dupa racire si intarire, datorita comportarii tixotropice, creste gradul de structurare a liantilor pusi in lucrare, determinand astfel marirea vascozitatii, a punctului de inmuiere si scaderea penetratiei.Ca urmare, in perioada dupa punerea in lucrare si conservarea la temperatura normala, liantii bituminosi continua sa se intareasca lent. Ridicarea temperaturii in apropierea punctului de inmuiere, are loc un proces de destructurare, iar dupa racire, datorita comportatrii tixotropice,bitumul revine la penetratia initiala. Compozitia bitumului evolueaza in timpul exploatarii sub influenta factorilor chimici (reactii de oxidare si polimerizare), fizici (evaporarea substantelor volatile si absorbtia fractiunilor cele mai usoare din bitum de catre agregatul mineral in timpul anrobarii) si mecanici, conducand la pierderea treptata a plasticitatii si coeziunii. Penetratia este una dintre caracteristicile principale ale bitumului, care pune in evidenta evolutia comportarii lui. In general penetratia variaza foarte rapid in primul an de exploatare si are in continuare o variatie mult mai lenta in timp.Studiile indica ca diferentele mari, care apar la inceput pentru diferite tipuri de bitumuri, se niveleaza si au in continuare o evolutie lenta similara pentru toate tipurile de bitum. Liantii bituminosi, intariti la temperatura normala, sunt geluri cu structura de coagulare si prag de curgere relativ redus. Liantii bituminosi nu sunt materiale liante de rezistenta asa cum este cimentul Portland, insa avand proprietati adezive ei sunt folositi sub forma de pelicula subtire care anrobeaza si aglomereaza agregatele intre ele, ceea ce face ca mixtura asfaltica sa se intareasca si sa capete rezistenta necesara suportarii traficului. In timp liantii bituminosi imbatranesc, fenomen care se datoreste pierderii progresive prin evaporare, datorita caldurii si aerului in miscare, a unei parti insemnate din petrolene si oxidarii rasinilor, sub actiunea oxigenului si a ultravioletelor din spectrul solar. De asemenea au loc procese de condensare si polimerizare. Toate aceste actiuni si procese produc modificari de compozitie si de structura si prin urmare modificari ale propietatilor fizice. Astfel suprafata expusa devine mata, rugoasa si incepe sa prezinte fisuri; rigiditatea liantului creste treptat devenind fragil, penetratia scade, campul de plasticitate se restrange, iar liantul pierde capacitatea de autoreparare a 19
fisurilor si devine permeabil la apa. Degradarea avanseaza de la suprafata spre baza stratului. Concluziile incercarilor efectuate in legatura cu imbatranirea bitumului subliniaza urmatoarele: -procesul de imbatranire este mult mai accentuat in stratul de suprafata decat in adancime, - razele ultraviolete din spectrul solar grabesc imbatranirea, - bitumurile moi imbatranesc relativ mai repede decat bitumurile dure, dar suporta un timp mai indelungat actiunea agentilor atmosferici decat bitumurile dure, - supraincalzirile prelungite, chiar la temperaturi relativ mici (80..90°C) grabesc imbatranirea bitumului. Incalzirea la temperaturi foarte ridicate, chiar in timp scurt, schimba consistenta bitumului, prezentand chiar pericolul arderii lui, - incalzirea agregatelor naturale peste 200°C produce modificari accentuate la contactul peliculei subtire de liant cu agregatul supraincalzit. Analiza susceptibilitatii la imbatranire a liantilor bituminosi, la noi in tara se face prin determinarea pierderii de masa si prin o serie de incarcari dezvoltate pe plan international:RTFOT (Roling Thin Film Oven Test), TFOT (Thin Film Oven Test) si PAV (Pressurized Aging Vessel)- metoda de determinare a imbatranirii accelarate a bitumurilor.
Comportarea în timp a lian ţilor hidrocarbona ţi Comportarea in timp a bitumului, compozitia si comportarea lui sunt influentate de trafic si factorii climatici, care actioneaza continuu asupra lui . Acesti factori sunt: razele ultaviolete din spectrul solar, temperatura, oxigenul din aer etc. Sub influenta acestor factori bitumul sufera un fenomen de imbatranire, in general ireversibil. Evoluţia bitumurilor în timp se manifest ă prin modificări complexe ale proprietăţilor lor sub acţiunea diver şilor factori. De la prepararea şi punerea în oper ă a mixturilor asfaltice, liantul trece printr-o serie de perioade, care marcheaz ă transformările pe care aceasta le sufer ă. Astfel, se pot distinge 3 perioade: - perioada de priză şi întărire; - peroada de comportare plastică - perioada de fragilitate şi dezagragare. Priza şi întărirea lianţilor puşi în oper ă în straturi subţiri durează câteva ore pe timp călduros şi însorit şi se poate prelungi la câteva zile pe timp rece şi umed. În timpul perioadei de priză, prin evaporarea p ăr ţilor mai volatile şi datorită r ăcirii mixturii asfaltice consistenţa lianţilor creşte, ceea ce face ca mixtura asfaltic ă să se întărească şi să capete rezisten ţa necesar ă suportării traficului. La orice temperatur ă, mixtura asfaltică începe să aibă o comportare plastică. Întărirea se produce şi datorită fenomenului de tixotropie caracteristic gelurilor. 20
Îmbătrânirea liantului este rezultatul varia ţiei calităţilor bitumului în func ţie de timp, care se datoreaza in principal oxidarii si polimerizarii uleiurilor; parte din ele trecand in rasini, iar rasinile mai departe in asfaltene Acest fenomen se manifest ă prin pierderea coeziunii şi supleţei unui liant hidrocarbonat datorit ă evapr ării uleirilor şi a unor acţiuni fizico-chimice (oxidare, raze ultravioete etc.). Ca urmare, stratul de uzur ă devine fragil, permeabil şi susceptibil de a se dezagrega. Îmb ătrânirea este variabilă în funcţie de liant şi depinde de ac ţiunea diferiţilor factori, cum sunt: apa, aerul, lumina, temperatura şi agenţii chimici corozivi. În timpul exploatării, compoziţia bitumului evolueaz ă sub influenţa factorilor chimici (se produce oxidarea), fizici (se evapor ă uleiurile sub acţiunea razelor ultraviolete şi a căldurii) şi mecanici (încorporarea de praf). Rezultatul este c ă liantul îşi pierde treptat plasticitatea şi coeziunea. Întărirea bitumurilor se poate produce sub dou ă forme: - întărirea fizică; - întărirea chimică. Întărirea fizică se datorează unor procese reversibile sau ireversibile. Cauzele proceselor reversibile, care pot fi anulate prin înc ălzire sau agita ţie şi care nu schimbă compoziţia chimică a bitumului, sunt: r ăcirea bitumului şi prezen ţ a parafinelor , care cristalizează la rece. Procesele ireversibile de înt ărire, care conduc la modificarea compoziţiei chimice a bitumului, sunt: evaporarea substan ţelor volatile şi absor ţia fracţiunilor celor mai u şoare din bitum de c ătre agregatul natural în timpul anrob ării. Cea mai mare parte a bitumurilor nu îmb ătrânesc într-o măsur ă apreciabilă dacă sunt supuse la o încălzire moderată, dar modificarea poate deveni important ă la prepararea mixturilor asfaltice dac ă bitumul este supus la temperaturi excesive în timpul încălzirii sau la momentul contactului în malaxor, cu agregate naturale supraînc ălzite. Întărirea chimică se datorează, în general, reac ţiilor de oxidare şi de polimerizare. Aceste reacţii sunt ireversibile şi pot conduce fie la formarea grup ărilor polare, fie la formarea asfaltenelor. Fenomenul de oxidare depinde de viteza de difuziune a oxigenului în bitum şi de viteza de reac ţie. Întărirea bitumului datorit ă oxidării se manifestă prin formarea unui film protector, care împiedic ă îns ă difuzarea oxigenului în statul de dedesubt. O ac ţiune mecanică (trecerea unei roţi) poate distruge stratul protector, permiţâd astfel oxigenului s ă acţioneze asupra păr ţii neoxidate. Facilitarea oxidării depinde de temperatur ă, lumină şi de concentraţia de oxigen. Îmbătrânirea manifestată în timpul anrob ării nu poate fi comparabil ă, prin efectele sale, cu aceea manifestată în exploatare; în acest ultim caz, ac ţiunea apei poate conduce la scăderea adezivităţii. În timpul operaţiilor de topire-anrobare, r ăspândire şi compactare, evolu ţia caracteristicilor bitumului este cea mai important ă. Astfel, se constat ă următoarele: - rapiditatea evoluţiei depinde de tipul bitumului; - creşterea punctului de înmuiere; - scăderea penetraţiei şi a susceptibilit ăţii termice, bitumul devenind în general mai consistent (dur); 21
- creşterea conţinutului de r ăşini şi asfaltene. Evoluţia în timp conduce la modificarea caracteristicilor fizico-chimice ale bitumului. Penetraţia este una dintre caracteristicile principale care pune în eviden ţă evoluţia comportării bitumului. În general, penetra ţia variază foarte rapid în primul an de exploatare şi are, în continuare, o evolu ţie mult mai lent ă în timp. Se pare c ă, după un anumit timp, diferenţele înregistrate la început pentru diferite tipuri de bitum se estompează şi acestea au în cotinuare o evolu ţie lentă similar ă. Punctul de înmuiere inel şi bilă creşte în timp. Susceptibilitatea termică descreşte constant în timp, pe m ăsura evapor ării păr ţilor uleioase. Punctul de rupere Fraass tinde s ă crească în timp. Coţinutul de asfaltene cre şte constant în timp, atât pentru bitunul din stratul superior, cât şi pentru cel din stratul inferior. Se pare c ă acest fenomen se accelerează după circa 8 ani, în func ţie de condi ţiile de climă şi trafic. Numeroase metode au fost puse la punct pentru aprecierea rezultatului îmbătrânirii bitumului în timp. Evolu ţia proprietăţilor bitumului poate fi studiat ă în laborator sau direct pe îmbr ăcăminţile bituminoase aflate în exploatare. Evoluţia proprietăţilor bitumului în laborator poate fi apreciat ă prin metode directe (simularea îmbătrânirii), care implic ă determiarea diferitelor caracteristici fizicomecanice ale bitumurilor şi prin metode indirecte, care permit aprecierea durabilit ăţii lianţilor, pornind de la compozi ţia chimica a lor. Simularea îmbătrânirii se face prin încercări care reproduc condi ţiile reale, atât din timpul topirii, cât şi din timpul malaxării, punerii în oper ă şi exploatării. Curent, în laborator se face încercarea de stabilitate. Determiarea constă în încălzirea unei probe, timp de 5 ore, la o temperatur ă de circa 163 oC şi măsurarea pierderii din masa iniţială şi a scăderii penetraţiei în urma înc ălzirii prelungite. Evoluţia proprietăţilor bitumului în straturile bituminoase se studiaz ă imediat după anrobare (în timpul punerii în oper ă) şi în timpul exploat ării. In legatura cu rezistenta bitumului la imbatranire in timpul prepararii si in timpul exploatarii se fac urmatoarele determinari: -determinarea pierderii de masa prin incalzire- metoda standardizata, care se utilizeaza pentru aprecierea stabilitatii bitumului la temperaturi ridicate si se urmareste modificarea valorilor unor caracteristici ale bitumului supus incercarii; -determinarea stabilitatii in strat subtire a bitumului prin metodele RTFOT si TFOT -determinarea imbatranirii accelarate prin metoda PAV. Concluziile cercet ărilor efectuate în leg ătur ă cu îmbătrânirea bitumului se pot sintetiza astfel: - procesul de îmbătrânire este mult mai accelerat în stratul de suprafa ţă decât în adâncime; 22
- razele ultraviolete gr ă besc îmbătrânirea; - bitumurile moi îmbătrânesc relativ mai repede decât bitumurile dure, dar suportă un timp mai îndelungat ac ţiunea agenţior atmosferici decât bitumurile dure; - supraîncălzirile prelungite, chiar la temperaturi mai mici, de 80…90 oC, gr ă besc îmbătrânirea bitumului, iar înc ălzirea la temperaturi foarte ridicate, chiar în timp scurt, schimbă consistenţa acestuia (bitumul se arde); - încălzirea agregatelor naturale la peste 200 oC conduce la îmb ătrânirea accentuată a bitumului, la nivelul malaxorului (peliula sub ţire de liant suportă modificări accentuate la contactul cu granulele excesiv înc ălzite). Bitmurile fiind rele coduc ătoare de căldur ă şi mult mai vâscoase decât majoritatea lichidelor uzuale, temperaturile nu se uniformizeaz ă în masa lor decât foarte încet, de aceea trebuie acordată o atenţie deosebită încălzirii. Metoda cea mai bună de încălzire constă în utilizarea unei suprafe ţe de încălzire cât mai mari posibile şi menţinerea la o temperatur ă care să nu o depăşească cu mult pe aceea pe care vrem s-o obţinem. O suprafaţă de încălzire la temperatur ă prea ridicată, sau supraîncălzirile locale, risc ă să producă formarea unei cruste care face foarte dificile schimburile termice. O cur ăţare regulată a suprafeţelor de încălzire permite, deci, economisirea căldurii şi evitarea unei eventuale degrad ări a materialului. Cele mai bune mijloace de înc ălzire sunt circuitele cu ulei, cu vapori şi rezistenţele electrice. Cu ajutorul uleiului, f ăr ă presiune, se pot ob ţine temperaturi de până la 250 oC, iar cu ajutorul vaporilor pân ă la 130 oC. Încălzirea electrică poate fi utilizată pentru a-l aduce la temperatura de întrebuin ţare. Rezistenţele trebuie să fie corect montate pentru a evita supraînc ălzirea locală.
Bitum modificat cu polimeri Bitum modificat cu polimeri este liantul cu caracteristici fizico-chimice specifice, obţinut prin amestecarea bitumului pur (nemodificat) pentru drumuri cu anumite tipuri de polimeri, în instala ţiile speciale, la temperaturi de 160...180 oC. Principalele avantaje ale bitumului modificat cu polimeri, comparativ cu bitumul pur sunt: - creşterea rezistenţei la deformaţii permanente la temperaturi ridicate; - creşterea rezistenţei la fisurare la temperaturi sc ăzute şi la oboseală; - micşorarea susceptibilităţii la îmbătrânire, atât în procesul de preparare a mixturilor asfaltice, cât şi în timpul exploat ării; - îmbunătăţirea coeziunii şi a adezivităţii faţă de agregatul natural; Îmbunătăţirea performanţelor bitumului de drumuri prin adaos de polimeri specifici a permis utilizarea bitumului modificat, în special la urm ătoarele tipuri de lucr ări: - mixturi asfaltice pentru înbr ăncăminţi bituminoase realizate pe drumirile cu trafic greu, în scopul cre şterii rezistenţei la intindere, a rezistentei la oboseala, 23
reducerea deformaţiilor permanente la temperaturi ridicate şi cresterea rezistenţei la fisurare la temperaturi scăzute; -mixturi asfaltice speciale pentru executarea straturilor bituminoase sib ţiri, foarte subţiri şi ultrasubţiri; - betoane asfaltice drenante, caracterizate printr-un volum mare de goluri (circa 16…20 %); - procedee antifisuri pentru limitarea si intarzierea transmiterii fisurilor în stratul de rulare, în cazul structurilor rutiere suple cu straturi din agregate naturale stabilizate cu lian ţi hidraulic sau a structurilor rutiere mixte, cu fundatii din beton de ciment. - mixturi asfaltice cu fibre; - tratamente bituminoase pe drumuri cu trafic greu şi foarte greu. Polimerii folosiţi pentru prepararea bitumurilor modificate se pot grupa în dou ă categorii principale: -polimeri inerti; -polimeri reactivi, cum este INTERLOY, care reactioneaza cu o serie de componenti ai bitumului si astfel se usureaza prepararea si stocarea bitumului modificat A cest polimer se poate introduce diret in malaxor, fara sa fie necesara o tehnologie speciala de prepararea bitumului modificat. Polimerii inerti sunt de tipul: - elastomeri: produse care costau din copolimeri stirenici, dintre care cei mai importanţi sunt: • SBS. sau stiren-butadien-stiren; • SIS. sau stiren-izopropen-stiren. Acesti elastomeri termoplastici amelioreaza atat comportarea la temperaturi ridicate cat si la temperaturi scazute - plastomeri: produse bazate în general pe copolimeri etilenici, dintre care sunt de reţinut: • EVA. sau etilen-vinil-acetat; • EMA. sau etilen-metil-acrilat. Cel mai utilizat polimer pentru modificarea bitumului rutier este SBS comercializat pe piata europeana de firma SHELL si FINA. A fost realizat si un produs romanesc, CAPS, care este un sistem polimeric bicomponent, constituit dintr-un elastomer si un polimer termoplastic. Acest polimer inlocuieste foarte bine produsul SBS, obtinand aceeasi vascozitate la un dozaj de 6% si temperatura de amestecare de 160°C, in loc de 180 °C cat este necesar pentru modificarea cu SBS. Atât polimerii de tip elastomeri, cât şi cei de tip plastomeri, încorpora ţi în bitum, formează o reţea similar ă, şi anume o reţea continuă, care este compusă din ramificaţii flexibile, legate între ele prin leg ături termoreversibile.
24
Principalii factori care influen ţeză realizarea acestei reţete şi îmbunătăţirea performanţelor bitumului sunt: - compoziţia chimică a bitumului, în special con ţinutul de asfaltene; - stuctura polimerului; - compatibilitatea dintre bitum (respectiv fracţiunile uleiuri şi r ăşini) şi ramificaţiile flexibile ale polimerului; - dozajul de polimer. Referitor la influenţa conţinutului de asfaltene al bitumului exist ă trei situaţii: - bitumul cu conţinut redus de asfaltene (pân ă la 6 % din masa total ă), asigur ă obţinerea unui bitum-polimer cu structur ă omogenă, mărimea particulelor dispersate în bitum fiind sub 2µ, şi proprietăţi vâscoelastice foarte pronun ţate; - bitumul cu conţinut de asfaltene de 6…9 %, tinde s ă formeze cu polimerul un liant cu structur ă vermicular ă, cu particule de 2…5 µ şi un comportament cvasivâscoelastic; - bitumul cu conţinut de asfaltene de peste 10 % conduce la ob ţinerea unui bitum-polimer cu o stuctur ă globular ă mixtă (particule grosiere şi fine) şi comportare vâscoplastică. Referitor la sructura polimerului, în cazul polimerilor de tip SBS, penetra ţia şi punctul de înmuiere ale bitumului sunt influen ţate de masa molecular ă a fracţiunii stiren, iar vâscozitatea la temperaturi ridicate (de exemplu 180 oC), de masa molecular ă a fracţiunii polibutadien ă. În cazul bitumurilor cu polimer de tip EVA, efectul de diminuare a penetra ţiei şi de creştere a punctului de înmuiere este cu atât mai pronun ţat cu cât conţinutul în acetat de vinil al copolimerului este mai mic. Polimerii termoplastici, cand sunt amestecati cu bitum, la temperatura ambianta, maresc vascozitatea bitumului. Din pacate nu maresc semnificativ si elasticitatea bitumului, iar cand se incalzesc exista tendinta de separare.Cu toate aceste limitari, un dozaj de 5% EVA dintr-un bitum cu penetratia de 70 mm/10, se utilizeaza frecvent. În ce priveşte compatibilitatea bitumului cu polimerul, polimerii tip elastomeri (de exemplu SBS) sunt compatibili cu bitumurile aromatice, iar polimerii tip plastomeri (de exemplu EVA) sunt compatibili cu bitumurile parafinice, naftenice şi puţin aromatice. Referitor la dozajul de polimer se disting dou ă situaţii: - conţint redus de polimer (sub 7 %): bitumul constituie faza continu ă a sistemului în care este dispersat ă faza de polimer. În acest caz bitumul modificat se caracterizează, in primul rand, prin cresterea coeziunii şi elasticitatii, datorit ă modificării structurii fazei de bitum, prin mic şorarea conţiutului de uleiuri (absorbite de polimer) şi creşterea conţinutului de asfaltene, şi in al doilea rand, prin îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice la temperaturi ridicate şi la temperaturi scăzute, datorită fazei de polimer; - conţinutul ridicat de polimer (peste 7 %): polimerul este matricea sistemului, în care sunt dispersate frac ţiunile grele ale bitumului, şi în acest caz se obţine un polimer plastifiat cu uleiurile din bitum, cu propriet ăţi fundamental diferite de ale unui bitum. 25
Prepararea industrială a bitumului modificat cu polimeri se realizeaz ă în rafinărie sau pe şantier, la locul de preparare a mixturilor asfaltice, în instala ţii speciale, cu funcţionare în flux discontinuu. Instalaţia de preparare a bitumului modificat este construit ă, de regulă, din: - recipient vertical cu agitator; - moar ă coloidală; - rezervor de depozitare a bitumului modificat, dotat cu echipament de încălzire şi de recirculare permanentă a liantului sau cu agitator pentru omogenizarea pe timpul stocării acestuia. Procesul de preparare este alc ătuit în general din trei faze: - faza de predispersie şi umflare a polimerului în masa de bitum; - faza de dispersare-măcinare; - perioada de omogenizare. Faza de predispersie şi umflare a polimerului în masa de bitum se realizeaz ă în recipientul vertical, prin introducerea polimerului în bitumul înc ălzit la temperatura de 160 oC şi amestecarea lor sub agitare continu ă, timp de min 30 minute. Faza de dispersie si macinare se realizeaz ă în moara coloidal ă, prin intoducerea amestecului bitum-polimer din rezervorul vertical. Omogenizarea amestecului bitum-polimer se realizeaz ă prin recircularea acestuia de mai multe ori ( circa 6 ori), din moara coloidal ă în recipientul vertical. Temperatura bitumului pe perioada de amestecare trebuie s ă fie cuprinsă în limitele 160…180 oC.
CONDITII TEHNICE IMPUSE BITUMULUI MODIFICAT Bitumul modificat reprezinta un liant diferit de bitumul pur, a carui testare implica pe langa metodologia clasica si aplicarea unor metode specifice referitor la urmatoarele caracteristici: -omogenitatea; -stabilitatea la stocare; -revenirea elastica; -determinarea continutului de polimer Conditiile tehnice pe care trebuie sa le indeplineasca bitumul modificat cu polimeri de tipul elastomerilor termoplastici liniari, sunt prezentate in tabelul urmator: Nr crt 1 2 3 4 5 6
Caracteristici
Bitum pur
80-100 Penetratie la 25°C, 1/10 mm 44-49 Punct de inmuiere IB,°C 100 Ductilitate la 25°C, cm, min. Ductilitate la 13°C, cm, min -15 Punct de rupere Fraass, °C, max. Revenire elastica la 13°C, %, min Stabilitate la incalzire in film subtire ( metoda TFOT sau RTFOT) - pierdere de masa,%, max. 0,9 - penetratie reziduala, %, min. 47 26
Bitum modificat 55-70 Min. 55 100 40 -20 60 0,9 50
7
8 9 10 11 12 13
- cresterea punctului de inmuiere,°C,max - ductilitate la 13°C, cm, min. - ductilitate la 25°C, cm, min. - revenire elastica la 13°C, %, min Punct de inflamabilitate M, °C, min. Continut de parafina, %, max. Adezivitate fata de agregat etalon, % min. Indice de instabilitate coloidala Omogenaitate( dispersie foarte fina a particulelor sub 5 microni la microscopul cu lumina fluorescenta), %, min. Stabilitate la stocare la 72 ore la 163°C (diferenta intre IB), °C, max.
9 75 250 2 80 Max. 0,5
9 40 60 250 85 -
-
80
-
5
BITUMURI SPECIALE Bitumurile speciale formeaza o clasa relativ noua de produse bituminoase pentru care nu exista inca specificatii general admise. In prezent termenul de “bitumuri speciale” acopera un ansamblu de produse avand un spectru clar de consistente si propietati. Bitumurile speciale sunt produse de industria rafinariilor pentru a raspunde aplicatiilor rutiere. Astfel au fost au fost realizati bitumuri pentru productia asfaltului turnat, care printre alte caracteristicib da materialului finit o lucrabilitate suficienta pentru punere in opera fara a recurge la dozaje ridicate de liant, care dupa racire ar conduce la riscul de fisurare. O caracteristica principala este caracterul acid al bitumului care poate fi natural , functie de natura titeiului, sau poate fi dat procesul de elaborare in rafinarie. Sunt elaborati liantii de regenerare utilizati in tehnologiile de reciclare a mixturilor asfaltice.Compozitia chimica si nivelul de vascozitate ale acestor lianti, trebuie sa conduca la imbunatatirea consistentei si corectarea compozitiei prin adaos de fractiuni aromatice a bitumului din mixtura existenta. Din categoria bitumurilor speciale mai sunt considerati: -bitumurile dure sau multigrade, utilizate in tehnologia la cald Performantele acestor bitumuri sunt superioare bitumurilor traditionale, iar ameliorarea este obtinuta,in rafinarii, prin folosirea unor procedee speciale, fara adaos de polimeri. Bitumurile dure pot fi definite ca avand o penetratie mai mica de 25 mm/10 la 25°C. Se comercializeaza in trei tipuri: 15/25, 10/20, 5/10; in acest moment bitumul 5/10 in stadiul de experimentare. Aplicatiile principale ale acestor bitumuri sunt la prepararea la cald a mixturilor asfaltice utilizate la executarea imbracamintilor asfaltice, in scopul evitarii deformatiilor permanente prin fluaj, pentru cresterea capacitatii portante a imbracamintii sau de a-I reduce grosimea.Mai recent bitumurile dure sunt utilizate in emulsia folosita la amorsare, ceea ce permite circulatia utilajelor si muncitorilor fara a lasa urme. 27
Caracteristicile acestor bitumuri sunt prezentate in tabelul urmator: Penetratie la 25°C, 1/10 mm Punctul de inmuiere, IB, °C Indicele de penetratie Pfeiffer Vascozitatea cinematica la 170°C,mm2/s Modul complex la 7,8 Hz E,Mpa La 0°C La 10°C La 20°C La 60°C
15/25 21 66 +0,2 420
10/20 10/20 62/72 +0,5 500
425 180 70 0,7
700 300 110 0,4
5/10 6 87 +1,0 590 980 570 300 7
Bitumurile de tip multigrade sunt folosite intr-un interval de temperatura mult mai larg. Ele sunt facute sa reziste mai bine la deformatii permanente in timpul temperaturilor ridicate de vara si fisurarii termice la temperaturile scazute din timpul iernii. Aceste bitumuri se caraterizeaza printr-un indice de penetratie ridicat, 0 >IP>2. -Bitumuri si lianti de sinteza pigmentabili Bitumurile pigmentabile se caraterizeaza in primul rand prin continutul redus in asfaltene, compusi cu masa moleculara mare, responsabili de culoarea neagra a bitumului. Acest continut mic de asfaltene este pe de o parte selectiei unui bitum de baza, el insusi sarac in asfaltene, si pe de alta parte al unui procedeu special de rafinare. Aceste bitumuri, datorita compozitiei particulare sunt succeptibili la temperatura si o mare afinitate fata de polimeri. Liantii de sinteza pigmentabili sunt bitumuri reconstituiti fara asfaltene; ei sunt obtinuti prin amestecarea fractiunilor petroliere si petrocimice (uleiuri, rasini, agenti stabilizanti contra ultravioletelor), evetual cu adaos de polimeri.
BITUMURI SPUMANTE Spuma de bitum este un material compozit, cu un continut de bitum de 97-98, restul fiind vapori de apa (1-3%) si aditivi. In interiorul unei camere de expansiune se injecteaza bitum la temperatura de 170180°C si apa la temperatura ambianta.Cele doua lichide se amesteca si se injecteaza printr-un ajutaj in exterior. Prin contactul apei cu bitumul fierbinte, aceasta se vaporizeaza instantaneu, antrenand moleculele de bitum in exterior in pelicule de 0,01mm. Spuma de bitum este una dintre cele mai noi tehnologii utilizata la reciclare la rece sau chiar la prepararea mixturilor asfaltice. 28
Metode SHRP pentru caracterizarea bitumurilor Caracterizrea liantilor bituminosi se face in general, dupa prescriptiile in vigoare, prin metode conventionale, prin indicatori precum: penetratia, punctul de inmuiere (inel si bila), ductilitatea, punctul de fragilitate Fraass etc. La sfarsitul anului 1980 a fost initiat in USA un program SHRP-SUPERPAVE care a durat aproape 10 ani. Acest program a constituit cel mai important efort de cercetare, la nivel mondial, dupa cunoscutul program AASHTO, realizat acum circa treizeci de ani,indreptat spre rezolvarea problemelor curente de calitate cu care se confrunta in prezent toate administratiile rutiere. Obiectivele cercetarii SHRP au fost axate pe urmatoarele domenii prioritare: -lianti bituminosi si mixturi bituminoase (ASPHALT AREA); -betoane de ciment pentru imbracaminti rutiere si lucrari de arta ( CONCRETE&STRUCTURES AREA); -intretinerea drumurilor ( HIGHWAI OPERA -performantele imbracamintilor rutiere pe termen lung ( LONG TERM PAVEMENT PERFORMANCE). Metodologia de clasificare a bitumurilor rutiere dupa performantele lor in exploatatre, a fost stabilita pe baza cercet ărilor efectuate în S.U.A., într-o perioad ă de circa zece ani, în cadrul “Strategic Highway Research Programme”, cunoscut şi sub numele de Programul SHRP. Unul din scopurile principale ale Programului SHRP a fost acela de a dezvolta specificaţii şi metode noi de încercare pentru bitumurile pure şi bitumurile modificate cu polimeri, în corela ţie cu cerinţele de performanţă pentru mixturile asfaltice impuse de trafic, climă şi alcătuirea structurilor rutiere, privind: - rezistenţa la deformaţii permanente la temperaturi ridicate; - rezistenţa la fisurare la temperaturi scăzute; - rezistenţa la oboseal ă datorată traficului; - rezistenţa la îmbătrânire pe termen scurt (în timpul prepar ării mixturilor asfaltice) şi pe termen lung (în timpul exploat ării structurii rutiere); - rezistenţa la acţiunea apei. Programul SHRP a avut în vedere înlocuirea metodelor curente, empirice, cu încercări fundamentale care să definească rezistenta si carateristicile reologice a lian ţilor hidrocarbonaţi şi avand posibilitatea de selectare a unui tip de liant pe baza cerin ţelor impuse de conditiile de exploatare. În tabelul 1 se prezint ă corelarea caracteristicilor performante ale bitumurilor cu caracteristicile îmbr ăcăminţilor bituminoase, determinate în cadrul programului de cercetare SHRP:
29
Nr crt 1. 2. 3. 4. 5.
Tabelul 1 Metoda de încercare Patametri determinaţi Caracteristica îmbrăcămintei bituminoase x Reometrul de forfecare -G \sinδ la T max -deformaţii permanente x -G sin δ la T int -fisurare din fenomenul de oboseală Reometrul cu grindă -S la T min -fisurare la temperaturi încovoietoare (BBR) -m la T min scăzute Aparat pentru -εf -fisurare la temperaturi întindere directă (TD) scăzute x RTFOT -G \sinδ -îmbătrânire pe termen -pierderea de masă scurt (la prepararea mixturii asfaltice). x PAV -G sin δ -îmbătrânire pe termen -S modulul de rigiditate lung (în exploatare).
În continuare sunt prezentate sintetic principalele încerc ări SHRP pentru bitumuri rutiere. a Metoda de determinare a propriet ăţilor reologice, cu reometrul cu forfecare dinamic ă (Dynamic Shear Rheometer – D.S.R.) , permite stabilirea modulului dinamic de forfecare ( G x) şi a unghiului de faz ă (δ) ale unui liant bituminos, amplasat între două pl ăci paralele, supus unei încerc ări dinamice (oscilaţii) de forfecare, în anumite condi ţii de temperatur ă şi frecvenţă. Parametrii determinaţi servesc la: - evaluarea rezistenţei la deformaţii permanente: modulul complex ( G x) şi unghiul fazei ( δ) sunt măsurate la temperatura maxim ă T max a îmbr ăcămintei bituminoase. Conform specifica ţiilor SHRP, valoarea G x / sin δ trebuie să fie mai mare de 2.0 kPa; - evaluarea rezistenţei la oboseală: modulul complex ( G x) şi unghiul fazei ( δ ) sunt măsurate la temperatura intermediar ă T int a îmbr ăcămintei bituminoase. Conform specificaţiilor SHRP, valoarea G x.sin δ trebuie să fie mai mică de 30 Mpa. Metoda constă în aplicarea unei for ţe oscilatorii de forfecare asupra unei probe de bitum amplasate între două platane paralele, la o frecven ţă de încărcare echivalentă cu efectul traficului care se desf ăşoar ă pe drum cu viteze mari; se măsoar ă efortul de forfecare şi deformaţia. Modulul complex de forfecare G x este calculat folosind valorile absolute ale efortului şi deformaţiei. În funcţie de temperatur ă şi frecvenţa de încercare, deformaţia va fi defazată în urmă faţă de efort cu unghiul fazei δ. Unghiul fazei va avea o valoare mare în domeniul de comportare plastic ă a liantului şi o valoare mic ă în domeniul elastic. În figura 1 se prezintă principiul de baz ă al acestei determinări.
30
Fig.1 Reometrul cu forfecare dinamică.
Se notează: -
for ţa oscilatorie de forfecare: T ; deviaţia unghiular ă: θ; frecvenţa: ω = 1.6 Hz; unghiul fazei: δ; efortul de forfecare: τ = 2T/πr; deformaţia, determinată cu relaţia: σ = θr/h; modulul complex, calculat cu rela ţia: Gx = (xmax – xmin)/( υmax – υmin) [kPa]
(2.45) (2.46)
Determinarea se efectuează conform standardului american AASHO: TP5. Principalele etape ale determin ării sunt: - prepararea epruvetelor de bitum prin introducerea în tipar a bitumului (circa 1 g) încălzit în prealabil, astfel încât s ă se realizeze o grosime de circa 3 mm. După r ăcire la temperatura camerei, se aşează epruveta pe planul inferior şi se introduce imediat în reometru. Se ajusteaz ă grosimea epruvetei astfel încât s ă se realizeze o pelicul ă de 1 mm grosime în cazul platanului de 25 mm şi de 2 mm în cazul platanului cu diametru de 8 mm; - calibrarea reometrului la parametrii stabili ţi: • efortul unitar de forfecare, calculat pentru for ţa maximă; • deformaţia relativă calculată pentru unghiul maxim de rota ţie; • temperatura de încercare; - realizarea temperaturii de încercare; 31
În cazul verificării calităţii unui bitum cu grad de performan ţă cunoscut se selectează temperaturile T max şi T min corespunzătoare rezultatelor înregistrate pentru G x şi δ, corespunzătoare din specifica ţiile SHRP. În cazul unui bitum necunoscut, încercarea se efectueaz ă la o temperatur ă situată la mijlocul intervalului presupus, apoi se cre şte sau se descreşte temperatura de încercare până la stabilirea temperaturilor T max şi T min corespunzătoare rezultatelor înregistrate pentru G x şi δ; - efectuarea încercării, realizându-se 10 cicluri la forfecare de 1.6 Hz (10rad/s); - înregistrarea rezultatelor. Aparatul calculeaz ă automat modulul complex ( G x) şi unghiul fazei ( δ). În cazul încercării cu deformaţie relativă controlată, se selectează valoarea deformaţiei conform tabelului 2. Tabelul 2
Materialul Bitum (neîmbătrânit) Reziduu RTFOT Reziduu PAV
Alegerea deformaţiei relative impuse Gx, Efort, [kPa] [kPa] Valoarea impusă Limite de variaţie 1.0 12 9…15 2.2 10 8…12 5.0 1 0.8…1.2
În cazul încercării cu efort unitar controlat, se selecteaz ă valoarea efortului conform tabelului 3 Tabelul 3
Materialul Bitum (neîmbătrânit) Reziduu RTFOT Reziduu PAV
x
G, [kPa] 1.0 2.2 5.0
Alegerea efortului impus Efort, [kPa] Valoarea impusă Limite de variaţie 0.12 0.09…0.15 0.22 0.18…0.26 50 40…60
b Metoda de determinare a rezisten ţei la fisurare prin încovoiere, cu reometru cu grind ă încovoietoare (Bending Beam Rheometer – BBR) constă în măsurarea modulului de rigiditate al bitumului la temperaturi sc ăzute, în scopul evalu ării rezistenţei la fisurare la temperaturi negative a îmbr ăcăminţilor bituminoase. Aparatul este special construit pentru a efectua m ăsurarea la temperaturi scăzute, la care modulul are valori cuprinse între 30 Mpa şi 3 GPa. Aceste valori ale modulului se întâlnesc curent la temperaturi sub 0 oC, pentru majoritatea lian ţilor hidrocarbonaţi.
32
Metoda presupune aplicarea unei sarcini constante în mijlocul unei epruvete prismatice, timp de 240 s, perioadă în care se m ăsoar ă deflexiunea în centrul epruvetei. Sunt calculate: - deformaţia relativă maximă: ε = 6δh/L2; - efortul unitar maxim: δ = 3PL/2bh2; - modulul de rigiditate: S = PL 3/4bh3δ. Exploatarea rezultatelor se face pe baza curbei Log(S) = f(Log(t)) pentru care se reţin următoarele două valori: - valoarea modulului de rigiditate (S) pentru un timp de înc ărcare de 60 secunde; - panta m pentru acelaşi timp de înc ărcare. Măsur ătorile sunt realizate la temperatura T min + 10 oC.
Fig.2 Reometrul cu incovoiere c Aparatul pentru tracţiune directă (Direct Tension Test – DTT) Metoda permite măsurarea caracteristicilor de fisurare a liantului la temperaturi scăzute, Tmin + 10 oC. Principiul metodei const ă în supunerea unor epruvete în form ă de haltere la întindere cu viteza de 1 mm/min. Criteriul re ţinut este cel de alungire la rupere /17, 46, 84/.
33
Fig. 3 Incercarea la intindere directa
Încercarea la îmb ătrânire simulat ă de TFOT (Thin Film Oven Test). Rezistenţa la îmbătrânire a bitumului sub efectul c ăldurii şi aerului, în timpul procesului de preparare a mixturii asfaltice la temperatura de cca. 150 oC, în instalaţia de fabricare a acesteia se apreciză prin stabilitatea la înc ălzire în strat sub ţire a acestui bitum. Aceast ă rezistenţă la îmbătrânire a bitumului rutier se stabile şte prin determinarea caracteristicilor fizice ale acestuia înainte şi după încercare. Stabilitatea bitumului la temperaturi ridicate se determin ă prin stabilirea pierderii de masă, a scăderii penetraţiei, a creşterii punctului de înmuiere şi a scăderii ductilit ăţii la 25 oC, iniţiale ale bitumului, dup ă ce a fost supus încălzirii la o anumit ă temperatur ă. Încercarea se execută conform SR 8099/1 - 96 şi se aplică bitumurilor folosite la prepararea mixturilor asfaltice, destinate executării straturilor bituminoase rutiere. Metoda constă în supunerea unui strat sub ţire de bitum, de cca. 3.2 mm., la încălzire la temperatura de 163 oC, timp de 5 ore, în etuv ă specială cu disc orizontal care se roteşte cu viteza de rota ţie de 5.5 ± 1 rot/min. Modul de lucru este urm ătorul: - bitumul deshidratat prin încălzire pe baie de nisip şi filtrat prin sită, se toarnă în capsule şi tipare specifice pentru efectuarea penetra ţiei la 25 oC, punctului de înmuiere I:B., ductilit ăţii la 25 oC, pierderii de masă şi se lasă să se r ăcească; - etuva se încălzeşte la 163 oC ± 1 oC; - se introduce capsulele cu bitum pe discul rotativ şi se ţin 5 ore; - se scot capsulele cu bitum şi se introduc în exicator pentru r ăcire la temperatura camerei. Pentru determinarea pierderii de mas ă, capsulele cu bitum, dup ă r ăcire, se cântăresc cu o precizie de 0.001 g. Se calculeaz ă pierderea de masă: P = [(m m1)/m]100, (%), unde: m = masa probei de bitum înainte de înc ălzirea în epruvet ă, (g); m1 = masa probei de bitum după încălzire în etuvă, (g). De asemenea se calculeaz ă penetraţia reziduală = [penetraţie finală/penetraţie iniţială]100, (%), cresterea punctului de înmuiere I.B. = I.B. final - I.B. ini ţial, (oC) şi se determină ductilitatea la 25 oC, după încălzirea în etuvă. 34
Încercarea de îmb ătrânire simulată de RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test). Încercarea RTFOT se efectueaz ă conform SR 8099/2 şi simulează aproximativ modificarea proprietăţilor bitumurilor în timpul prepar ării mixturilor asfaltice şi punerii lui în oper ă. După efectuarea încercării de îmbătrânire cu RTFOT bitumul are aproximativ aceleaşi caracteristici cu cele ale unuia aflat în îmbr ăcămintea bituminoasă imediat după punerea în oper ă. Metoda constă în încălzirea unui film sub ţire de bitum, aflat în continu ă mi şcare, într-o etuvă specială, la temperatura de 163 oC şi suflarea cu aer timp de 85 minute,fig 4. Modul de lucru este urm ătorul: - proba de bitum se deshidratează şi se filtrează prin încălzire în etuvă, vas f ăr ă capac, la maxim 150 oC; - se toarnă 35 ± 0.5 g bitum în fiecare recipient de sticl ă; - se introduc recipientele în etuvă la 163 oC. Discul se roteşte cu o viteză de 15 ± 0.2 rot/min, cu un debit de aer care se men ţine la 4000 ± 200 ml/min., iar timpul de men ţinere este de 85 minute. Determinările şi calculele sunt acelea şi cu cele efectuate pentru încercarea TFOT. Metoda RTFOT nu se aplic ă pentru anumţi lianţi bituminoşi simpli sau modificaţi, care au o vâscozitate prea mare pentru a permite mi şcarea peliculei de bitum.
Fig 4. Schema aparatului pentru RTFOT 35
