Исследование реологических свойств и долговечности полимербитумных композиций

Изучение реологических свойств материалов, их поведения под нагрузкой важно для обоснованного конструирования гидроизоляции сооружений.

Исследование реологических свойств полимербитумного вяжущего

Битумные материалы относятся к материалам с ярко выраженными упруго-вязко-пластичными свойствами. Поведение таких материалов изменяется с изменением температуры [51; 60]. Поведение битумных материалов под нагрузкой не подчиняется законам Ньютона и Гука. Имеющаяся в них структурная сетка в той или иной степени разрушается при течении. В зависимости от величины внешней сдвигающей силы или степени теплового движения битум может течь как ньютоновская жидкость с постоянным значением вязкости или как структурированная жидкость с эффективной вязкостью, убывающей с ростом градиента скорости [76].

Для исследования поведения вяжущих в основном применяют реови- скозиметры, позволяющие получить достаточно данных для описания структурно-механической модели материала и расчета машин и механизмов при обработке и нанесении этих материалов. Реологические исследования ПБВ и битума проводились на структурном ротационном вискозиметре («Реотест-2») при температуре 30-90 °С в диапазоне скоростей сдвига от 0,165 до 72,17 с'1. Испытания были основаны на принципе измерения чистого однородного сдвига ламинарного течения материала в узком кольцеобразном зазоре системы соосных цилиндров. В результате были рассчитаны следующие реологические характеристики.

1. Касательное напряжение тг (Па):

где Z - константа прибора, зависящая от диапазона набора цилиндров а - показания индикаторного прибора (деления шкалы).

2. Градиент напряжения на срез (скорость деформации) D-1):

где С - константа прибора, зависящая от размеров цилиндров ;

W - постоянная угловая скорость внутреннего цилиндра (с-1); R - радиус наружного цилиндра (см); г - радиус внутреннего цилиндра (см).

3. Динамическая вязкость ц (Па*с):

Относительно высокие скорости деформации (начальная скорость составляет 0,16 с _1) позволяют на данном вискозиметре изучать свойства только разрушенной структуры материала. Эти свойства характеризуются динамическим пределом текучести Рк2 и наименьшей, практически постоянной пластической (бингамовской) вязкостью ц^, рассчитываемой по зависимости

где Рт и ?ш - значения напряжения и градиента скорости, соответствующие пластическому течению.

Кроме вышеперечисленных характеристик по формуле, предложенной М. П. Воларовичем [7], определяли пластичность га:

По углу наклона прямых, выражающих зависимость скорости деформации от напряжения сдвига в логарифмических координатах, находили меру аномальности вязкости р. Она характеризует отклонение вязкости данного материала от вязкости идеальной ньютоновской жидкости, для которой Р = 1.

Перед началом эксперимента битум нагревали до 110-120 °С, а в него добавляли необходимое количество этилсиликата и каучука. Смесь перемешивали до однородного состояния и выдерживали в течение 15-20 мин. После этого вяжущее заливали в зазор между цилиндрами. Исследования проводились в условиях от наименьших температур до наибольших. При заданной температуре образцы выдерживались в течение 40-60 мин для того, чтобы четко зафиксировать температурные границы и не допустить изменения свойств вяжущего в итоге температурных колебаний.

В процессе испытания получали кривые течения, показывающие зависимость касательного напряжения от скорости деформирования, и по формуле (4.1) определяли значения эффективной вязкости в интервале температур 40-90 °С . На основании работы были получены кривые течения для битума БНД 60/90 и вяжущего с 2,5; 15; 20 % ЭТС-32 и 5 % ЭТС-32 с 5% СКДП-Н. Реограммы для битума БНД 60 /90 и ПБВ с 5 % ЭТС-32 и 5 % СКДП-Н представлены на рис. 4.1 и 4.2. Для остальных составов реограммы имеют аналогичный характер.

Кривая течения битума БНД 60/90

Рис. 4.1. Кривая течения битума БНД 60/90

Как показали исследования, реограммы для битума БНД 60/90 при температуре 90 °С и для ПБВ при температурах 80 и 90 °С представляют собой прямые линии, проходящие через начало координат. Это значит, что при данных температурах материал ведет себя подобно ньютоновским жидкостям и обладает наибольшим показателем текучести. При температуре 80 °С и ниже битум БНД 60/90, а ПБВ при температуре 70 °С и ниже находятся в структурированном состоянии. Таким образом, температуру 80-90 °С можно рекомендовать для приготовления ПБВ.

На основании реограмм также можно сделать вывод о том, что введение этилсиликата в количестве 2-20 % приводит к снижению на

10 °С температуры перехода битума в структурируемого состояние, т. е. этил силикат оказывает пластифицирующее воздействие на битум в момент приготовления вяжущего. Реограммы, полученные для вяжущего с ЭТС-32 в возрасте 2 года (рис. 4.3) , показывают, что даже при 90 °С оно находится в структурированном состоянии. То есть этилсиликат со временем упрочняет структуру битумов.

Кривая течения битума БНД 60/90 + 5% ЭТС-32 + 5% СКДП-Н

Рис. 4.2. Кривая течения битума БНД 60/90 + 5% ЭТС-32 + 5% СКДП-Н

По кривым течения были рассчитаны реологические характеристики «чистого» битума и ПБВ (табл. 4.1). Из табл. 4.1 видно, что введение ЭТС-32 приводит к снижению предела текучести. Это свидетельствует о разрушении структуры вяжущего при меньших значениях напряжения сдвига, т. е. о разуплотнении структуры битумов при введении эти л силикатов. При повышении температуры изменяются основные реологические характеристики битума и ПБВ.

Как показано в табл. 4.1, при температуре выше 70 °С исчезает динамический предел текучести Р*2. Для вяжущего с 2% ЭТС-32 в возрасте 2 года предел текучести сохраняется при 90 °С, а с 20 % ЭТС -32 при 80 и 90 °С предел текучести отсутствует. Это говорит о том, что этилсиликат, введенный в битум в большом количестве (20 %), через 2 года полностью не гидролизуется и сохраняет свою пластифицирующую способность.

Кривые течения битума БНД 60/90 + 2% ЭТС-32 (состав в возрасте 2 года)

Рис.4.3. Кривые течения битума БНД 60/90 + 2% ЭТС-32 (состав в возрасте 2 года)

Анализ зависимости меры аномальности Р от температуры и количества введенного в ПБВ этилсиликата говорит о том, что введение последнего оказывает незначительное влияние на изменение р. Со снижением температуры р увеличивается.

Таблица 4.1

Реологические свойства битума БНД 60/90 и ПБВ

Количество ЭТС-32 и СКДП-Н

Температу-

ра,°С

Па

Рт, Па

??п,

с'1

Пт,

Пас

т

р

0

40

-

-

-

-

-

1,2

50

250

285

8

4,4

56,8

1,13

60

200

275

35

2,1

95,2

1,ц

70

60

200

73

1,9

31,6

1,10

80

30

110

75

1,1

27,3

1,05

90

0

0,9

1,0

2 % ЭТС-32

40

-

-

-

-

-

1,25

50

70

310

12

20,0

3,5

1,15

60

60

300

39

ел

9,8

1,1

Окончание табл. 4.1

Количество ЭТС-32 и СКДП-Н

Температура, °С

Рк2> Па

Рт, Па

??п,

с'1

Пт,

Пас

т

р

70

30

230

64

3,1

9,6

1,05

80

0

-

-

1,4

-

1,0

90

0

-

-

0,6

-

1,0

5 % ЭТС-32

40

250

340

2

45,0

5,5

1,2

50

200

330

5

26,0

7,7

1,15

60

155

275

18

6,7

23,1

1,1

70

35

150

40

2,8

12,5

1,05

80

0

-

-

i,6

-

1,0

90

0

-

-

0,5

-

1,0

5 % ЭТС-32 +5% СКДП- Н

40

-

-

-

-

-

1,25

50

220

390

15

4,3

19,5

1,15

60

217

270

25

2,1

103,3

и

70

45

125

52

1,5

30,0

1,05

80

0

-

-

0,7

-

1,0

90

0

-

-

0,3

-

1,0

15% ЭТС-32

40

-

-

-

-

-

1,25

50

120

315

18

10,8

11,8

1,2

60

105

200

50

1,9

53,3

1,16

70

40

100

45

1,3

30,8

и

80

0

-

-

0,6

-

1,0

90

0

-

-

0,3

-

1,0

20%ЭТС-32

40

-

-

-

-

-

1,35

50

90

200

12

9,2

9,8

1,3

60

80

130

34

1,5

53,3

1,2

70

35

35

40

1,2

29,2

и

80

0

-

-

0,6

-

1,0

90

0

-

-

0,2

-

1,0

2%ЭТС-32 (состав в возрасте 2 года)

60

270

350

3

26,7

10,1

1,5

70

250

325

8

9,4

26,6

1,25

80

223

300

30

2,6

85,8

1,2

90

150

310

70

2,3

65,2

1,15

20 % ЭТС-32 (состав в возрасте 2 года)

30

235

310

8

9,4

25,0

1,53

40

150

215

12

5,4

27,8

1,3

50

ПО

165

15

3,7

29,7

1,2

60

100

147

16

2,9

34,5

1,15

70

50

138

61

1,4

35,7

1,1

80

0

-

-

0,2

-

1,0

90

0

-

-

0,1

-

1,0

На рис. 4.4 представлены зависимости эффективной вязкости от концентрации ЭТС-32, введенного в битум. Из рисунка видно, что на этих зависимостях при 5 %-ной концентрации ЭТС-32 появляется максимум. Причем при разных температурах зависимости носят одинаковый характер. Величина этого максимума увеличивается с понижением температуры. Таким образом, вязкость вяжущего в области концентрации ЭТС-32 в 2-10 % наибольшая, затем она плавно снижается. Эти данные согласуются с ранее приведенными по микроскопическим и физико-механическим исследованиям, которые говорят о том, что при 5 %-ном содержании ЭТС-32 образуется наиболее плотная структура вяжущего, обеспечивающая получение его оптимальных свойств.

Зависимость эффективной вязкости от концентрации ЭТС-32 в битуме

Рис 4.4. Зависимость эффективной вязкости от концентрации ЭТС-32 в битуме

Для определения интервала температур, в границах которого ПБВ обладает наибольшей пластичностью, строили график зависимости пластичности т от температуры. Из рис. 4.5 видно, что наивысшей пластичностью обладают битум и ПБВ в интервале температур от 50 до 70 °С (ттах при 60 °С). Наибольшая пластическая вязкость в этом интервале температур составляет 1,2-26 Па-с. Согласно [54], интервал температур, в котором ПБВ обладает максимальной пластичностью, а вязкость находится в пределах 15-25 Па, соответствует температуре уплотнения асфальтобетона, приготовленного на нем. Следовательно, температуру 60 °С можно рекомендовать для уплотнения АПБ.

Зависимость пластичности битума от температуры и вида добавок

Рис 4.5. Зависимость пластичности битума от температуры и вида добавок: 1 - битум БНД 60/90; 2 - битум БНД 60/90 + 5% ЭТС-32;

3 - битум БНД60/90 + 5% ЭТС-32 + 5% СКДП-Н

В ходе приготовления асфальтобетонных смесей важное значение имеет степень обволакивания минеральных частиц вяжущим. По [54], наилучшее обволакивание частиц ПБВ достигается при вязкости 0,3-0,7 Па-с.

Из табл. 4.1 видно, что эта вязкость для ПБВ достигается при 90 °С. Таким образом, температура перемешивания ПБВ с минеральными наполнителями должна соответствовать 90-100 °С.

Установлено, что эффективная вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига (рис. 4.6). Причем с увеличением температуры наблюдается меньшая зависимость вязкости от скорости деформации.

Зависимость эффективной вязкости от скорости деформации вяжущего

Рис 4.6. Зависимость эффективной вязкости от скорости деформации вяжущего

с 5 % ЭТС-32

При температуре 80-90 °С переход эффективной вязкости в наименьшую пластическую, не зависящую уже от скорости деформации, наблюдается при скорости 50-60 об/мин. Таким образом, для приготовления ПБВ можно применять низкооборотные мешалки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >