Transcript Совершенствование аппаратурно-методического обеспечения

«Совершенствование аппаратурно-методического
обеспечения контроля качества ПБВ»
ООО «Термо Техно», Гринберг Р.В.
ФГУП «РосдорНИИ», Мамулат С.Л.
Эволюция методов спецификации вяжущих на основе битумов
Эволюция методов спецификации вяжущих на основе битумов
На разных этапах своего развития система стандартизации отражала в разной степени
меняющиеся потребности участников рынка и состояние развития научно-методической и
аппаратурно-технической базы в соответствующий период.
До 1930-х годов
1930-1980
1980Производство
Кубовый остаток
атмосферной и
вакуумной перегонки
Окисление кубовых
остатков крекингпроцессов
Компаундирование и
окисление остатков
каталитических крекингпроцессов
Логистика
Холодный в «Бочках»
В бочках и цистернах (с
разгрузкой в резервуары
открытого типа)
В изотермических
цистернах (с разгрузкой
в резервуары
«закрытого» типа) и
контейнерах
Потребление
Мало нагруженные дороги
Научные концепты Химия нефти
Методы Пенетрация, КиШ
Высокие нагрузки
Физ.химия коллоидных
систем
Физ.химия композитных
вяжущих
Вязкость, дуктильность,
Фраас
Реология (вязкоупругие
характеристики,
«старение» - SHRP
Эволюция методов спецификации вяжущих на основе битумов
К третьему из указанных периоду перед системой стандартизации назрели для актуализации задачи, в
первую очередь отражающие потребности дорожников. Это вызвано рядом «технологических шагов и
изменений», которые ранее «реализовали» другие участники системы оборота «битумного бизнеса» (прежде
всего нефтепереработчики), «наступив» на позиции дорожников за счет снижения качества продукта (увеличив
глубину переработки за счет каталитического крекинга) без принятия мер для хотя бы частичной компенсации
(например за счет системы логистики), а во-вторых, ухудшившимися условиями эксплуатации (кардинально
выросшие транспортные нагрузки).
Этот комплекс изменений начал реализовываться в системе SHRP, наиболее полно в 80-х годах
отразившей достижения в сфере создания композитов и приборно-методического обеспечения.
Оборудование
Назначение
Вращающаяся тонкопленочная печь
(RTFO – Rolling Thin Film Oven)
Камера для старения под давлением
(PAV – Pressure Aging Vessel)
Имитация
старения
вяжущего
приготовлении асфальтобетонной смеси
при
Динамический сдвиговый реометр
(DSR - Dynamic Shear Rheometer)
Определение реологических свойств вяжущих
при умеренных и высоких (эксплуатационных)
температурах
Ротационный вискозиметр
(RV - Rotational Viscosimeter)
Измерение
вязкости
при
(строительных) температурах
высоких
Реометр с изгибающейся балкой
Определение реологических свойств и
(BBR – Bending Beam Rheometer)
прочности вяжущих при низких температурах.
Машина для испытаний на осевое растяжение
(DTT – Direct Tension Tester)
Эволюция методов спецификации вяжущих на основе битумов
К настоящему времени, помимо вышесказанного, произошел и еще
ряд положительных изменений:
•все большее применение находит ПБВ, битумные эмульсии,
компаундированные продукты и системы, созданные на их основе;
•заметно продвинулось развитие теории композитов и методы из
моделирования (например, метод критических точек, кластеров и
т.п.);
•в связи с развитием автоматизации и компьютерных методов
анализа технических данных, появился широчайший спектр
аналитического оборудования, способного повысить экспрессность,
точность и воспроизводимость анализа.
1. Реологические методы.
2. ИК-Фурье спектроскопия (определение группового состава и эффектов старения после PAV и
RTFOT с помощью характеризации изменений получаемых спектров);
3. Термический анализ:
а) дифференциальная сканирующая калориметрия (определение температуры
стеклования, плавления, кристаллизации/осаждения, перекристаллизации и других
изменений состояния),
б) термогравиметрия,
в) динамический механический анализ (режимы деформации - трехточечный изгиб,
одно/двухплечевой изгиб, сдвиг, сжатие/проникновение, растяжение);
4. Анализ размера и дзета-потенциала частиц – для битумной эмульсии
Современные приборы для реологических испытаний
позволяют реализовать весь спектр испытаний SHRP
на одном устройстве (в комплексе с RTFO и PAV)
Технические характеристики модульного высокоточного
динамического реометра Haake RheoStress 6000:
Ротационные режимы:
измеряется крутящий момент
на валу прибора при
известной скорости вращения
(CR метод), скорость вращения
при фиксированном крутящем
моменте (CS метод)
Крутящий момент: 200 нНм .. 0.2 Нм
Скорость вращения (CS): 10E-7 ..
1500 об/мин
Угловое разрешение: 12 нрад
Скорость вращения (CR): 10E-5 .. 1500
об/мин (опционально 10E-7 .. 4500
об/мин)
Осцилляции (CS, CD)
Частота осцилляций: 10E-5 .. 100 Гц
Инерционность привода: 10 μkgm2
Измерение нормального
усилия
Нормальное усилие: 0.01 .. 50 Н (в
позитивном и негативном
направлении, разрешение 0,001 Н)
Исследование вязкоупругих
свойств
Температурный диапазон от -60 до
180 градусов Цельсия
Реологические методы испытаний битума
а) Динамические испытания методике SHRP битумов(DSR, Dynamic Strain Rheometer реометр динамической деформации), подвергнутых старению в RTFO или PAV,
производятся на динамическом реометре с измерительной системой плоскость-плоскость
(Рис. 1, 2)
б) Испытание пластичности и эластичности на реометре с изгибающейся балкой и
динамическом реометре
Рис. 1. Температурное поведение битума.
Измерение реологических характеристик битумов как
функции температуры
Рис. 2. Специализированная
измерительная система SHRP для
реометров HAAKE
ИК-Фурье спектроскопия
Использование ИК-спектроскопии позволяет изучать эффекты старения
битума с помощью мониторинга изменений в результирующих спектрах.
В данном примере отслеживание карбонильной группы С=О с длиной волны
1700 см-1 позволяет контролировать окисление всего связующего. В
процессе старения происходят изменения в химии битума, связанных с
уменьшением или увеличением полярных групп кетонов, кислот и
ангидридов.
Thermo Nicolet iS10 FT-IR
Рис. 3. ИК-спектр (длина волны 500 – 2000 см-1) образца битума до и после PAVстарения в течении 25 часов
Международные стандарты по термическому анализу битумов
Динамический механический анализ (ДМА, DMA), Термогравиметрия (ТГ, TG):
ASTM D 6382-99 Standard Practice for Dynamic Mechanical Analysis and
Thermogravimetry of Roofing and Waterproofing Membrane Materials TG, DMA,
Bitumen
Режимы деформации:
Трехточечный изгиб
Одно/двухплечевой
изгиб
Сдвиг
Сжатие/проникновение
Растяжение
Температурный интервал: -170°C ... 600°C
Скорости нагрева и охлаждения: 0.01 K/мин ... 20
K/мин
Время охлаждения: 10 мин (20°C ... -150°C)
Диапазон частот: 0.01 Гц... 100 Гц
Диапазон регулируемой нагрузки: макс. 8 Н
статический и макс. +/- 8 Н динамический
Диапазон амплитуд деформаций: макс. +/-240 мкм
Диапазон модуля упругости (E’): 10-3 MПа ... 106
MПа
Режимы измерений:
TMA-режим
деформация/ослаблени
е (дополнительно)
нагрузка/натяжение
(дополнительно)
Диапазон измерений тангенса угла механических
потерь tanδ: 0,00006 ... 10
Атмосфера: инертная, окислительная, статическая,
динамическая.
Отдельный выход для подключения анемометра
(дополнительно).
Термостатический контроль (опция).
Испытание погружением (опция).
DMA 242 С
Международные стандарты по термическому анализу битумов
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК, DSC):
•
•
•
•
•
•
•
Определение температуры начала, максимума,
перегиба, конца фазового перехода;
Автоматический поиск пика;
Тепловые эффекты переходов: определение
площади пика (энтальпии) с выбранной базовой
линией и парциальная площадь пика;
Определение параметров процесса
кристаллизации;
Комплексный анализ переходов
стеклования/расстекловывания;
Автоматическая коррекция базовой линии;
Определение теплоемкости
DSC 200 F3 Maia®
Простота
пробоподготовки
Условия измерений:
Диапазон температур:
-80 ... 150°C (2-е нагревание)
Скорость нагрева: 10 К/мин
Атмосфера: Азот, скорость
продувки 20 мл/мин
Масса образца: ~ 10 мг
Материал тигля: ,алюминий
Масса образца: ~ 10 мг
Рис. 4. Определение содержания парафинов в битуме с помощью
дифференциальной сканирующей калориметрии
Битумные эмульсии
•Разработка
•Стабилизация
•Тестирование
Turbiscan™
Рис. 5. Распределение частиц в битумной эмульсии с различным
содержанием битума
Определение стабильности битумной эмульсии;
Определение размера частиц битумной эмульсии;
Тиксотропия битумной эмульсии
Стоимость каждого из приведенных приборов значительно выше каждого из традиционно
применяемых для анализа битумов, однако, учитывая широкий спектр методов, которые позволяет
реализовать каждый из них, экспрессность и точность измерений, их применение становится высоко
эффективным.
ФГУП «РОСДОРНИИ» начинает работу по методической апробации применимости указанных
методов для создания современных методов анализа полимер-битумных композиций для нужд
арбитражного и строительного контроля.
В этой работе ФГУП «РОСДОРНИИ» активно сотрудничает с соответствующими центрами РАН
(Научный центр РАН в Черноголовке), МГУ (Химический факультет), НГУ (ЦКП битумных и композитных
материалов).
Спасибо за внимание!