EA018003B1 - Экспресс-метод определения качества асфальтобетонных смесей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области технологии проверки качества строительных материалов, в частности к исследованию свойств асфальтобетонных смесей, и может быть использовано в дорожно-аэродромном строительстве. В экспресс-методе контроля качества асфальтобетонных смесей и входящих в нее компонентов, включающем измерение параметра, связанного с диэлектрической характеристикой, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) и диэлектрическую проницаемость (ε), по значениям которых определяют коэффициент диэлектрического поглощения энергии K=ε∙tgδ, сравнивают с предварительно полученным значением этого же параметра, соответствующего готовому образцу материала того же состава, и при значении коэффициента диэлектрического поглощения в пределах K±20% сравниваемого значения строительный материал считают качественным. Данным экспресс-методом осуществляют контроль качества составных компонентов асфальтобетонной смеси - битума и минерального порошка.

Description

Изобретение относится к области технологии контроля качества строительных материалов, в частности к исследованию свойств асфальтобетона, а также составляющих композиционных материалов, и может быть использовано в дорожно-аэродромном строительстве.

Существующие на сегодняшний день способы контроля качества асфальтобетонов очень сложны, ибо они связаны с определением физико-механических свойств, что является трудоемким процессом, не дающим достаточно оперативно и в полном объеме определять качество выпускаемой асфальтобетонной смеси и введения необходимых в этот процесс корректировок. Так как сам технический контроль находится в отрыве от производственного процесса, результаты испытаний асфальтобетонных образцов существенно запаздывают по отношению к процессу отгрузки готовой продукции потребителю. Результаты можно получить после укладки смеси на следующие дни, когда выявленные причины выхода некондиционной асфальтобетонной смеси уже практически неустранимы. Для надежной работы необходимо знать также характер поведения в асфальтобетонной смеси композиционных материалов (битума и минерального порошка), влияющих на его физико-механические показатели. Физико-механические параметры асфальтобетона коррелируют с его диэлектрическими показателями [Алиев А.М. Регенерация асфальтобетона. - Баку: Азернешр, 1985, 275 с.].

Известен способ контроля качества порошкообразных керамических диэлектрических материалов [КИ, 2059971, ΟΘ1Ν 33/38, опубл. 10.05.1996]. Сущность изобретения: определяют вещественную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической проницаемости дисперсной смеси, исследуемого порошкообразного и жидкого диэлектрика, определяют графически область дисперсии коуловского типа и параметры дисперсии этой области, сравнивают их с предварительно полученными значениями тех же параметров и соответствующих им значений диэлектрической проницаемости готовых изделий из различных порошкообразных материалов того же состава. При значении диэлектрической проницаемости ε>9 порошкообразный диэлектрический материал считают качественным для изготовления изделий того же элементного состава.

Недостатком известного решения является большая трата времени и энергии, а также измеренные значения вещественной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости, используемые для контроля, которые не коррелируют с физико-механическими показателями порошкообразного материала, что не позволяет использовать метод для прогнозирования свойств асфальтобетона на их основе.

В асфальтобетонных смесях битум связывает щебень, песок и минеральный порошок, образуя строительный конгломерат, способный выдержать определенные нагрузки от движения транспорта и атмосферных факторов, воздействующих на покрытие. В этих случаях вяжущее должно обладать достаточной когезионной и адгезионной способностью.

По общепринятым методам определения качества битумов определяют их физико-механические характеристики (пенетрация, температура размягчения, растяжимость, температура хрупкости) и химический состав (углеводороды, смолы, асфальтены).

Оперативное определение адгезионных свойств и долговечности битумов на основе быстроменяющихся составных компонентов крайне трудоемкое. Это вызвано чрезвычайной сложностью их состава, полимолекулярностью, изменяющейся в широких пределах в зависимости от природы нефтяного сырья и технологии его переработки.

Недостатком существующих способов контроля качества битума является их длительность, которая отличается значительной трудо- и энергоемкостью (определение марки битума в зависимости от вида асфальтобетонной смеси, климатических условий и категорий дорог и аэродромов в соответствии со стандартом). Длительность процесса регулирования состава битума при его нормативном несоответствии в процессе приготовления асфальтобетонной смеси, ограниченное время контроля качества вяжущего материала снижают эффективность его применения на производстве и, как следствие, снижают качество асфальтобетона и долговечность эксплуатации дорожного покрытия.

Известен способ контроля качества асфальтобетонной смеси в процессе ее приготовления в смесителе [КП, 2090885, ΟΘ1Ν 33/38, опубл. 20.09.1997], характеризующийся контролем качества на всех этапах по ходу технологического цикла операций путем регистрации активной мощности электропривода смесителя, что позволяет судить о качестве по стабилизации этой мощности. При этом температуру замесов смеси поддерживают постоянной или равной температуре готовой смеси на выходе из смесителя.

Способ контролирует дозы компонентов асфальтобетонной смеси, не рассматривая структурные изменения в процессе перемешивания, поэтому он необъективен и не точен.

В известном способе контроля качества бетона [КП, 2064677, ΟΘ1Ν 33/38, опубл. 27.07.1996] сущность заключается в том, что предварительно изготовляют эталонные образцы различных марок бетона и образец испытуемого бетона. Наносят на их поверхности слой проводящего материала и подключают к ним электроды, измеряют электрическое сопротивление эталонного и испытуемого бетонного образцов, сравнивают результаты измерения электрического сопротивления эталонного и испытуемого образцов, по которым судят о качестве бетона. Недостатком способа является его трудоемкость, к тому же он используется для контроля уже готовых изделий на наличие в них механических дефектов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ ускоренного определения качества материала или продукта [КП, 2069356, ΟΘ1Ν 27/22, опубл. 20.11.1996], вклю

- 1 018003 чающий измерение производной диэлектрической восприимчивости по времени или связанной с ней диэлектрической проницаемости, а в качестве параметра, по которому судят о качестве, используют время сохранения материала в пределах заданных характеристик от момента измерения.

Данный способ основан на связи между компонентным составом и молекулярной структурой материала или с соответствующим свойством, точнее с активационным барьером, образуемым силами межмолекулярного взаимодействия.

Однако только лишь показатель диэлектрической проницаемости не может в полной мере отражать физико-механические свойства, изменение которых происходит в результате межмолекулярного взаимодействия, ибо химические процессы на поверхностях граничных фаз веществ, возникающие при определенном давлении и температуре, сопровождаются выделением поверхностной энергии, идентифицируемой, как известно, тангенсом угла диэлектрических потерь.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности контроля качества асфальтобетонных смесей при одновременном сокращении времени, энерго- и трудоемкости.

Технический результат достигается заявленным экспресс-методом контроля качества асфальтобетонных смесей, включающим измерение диэлектрической проницаемости (ε) и тангенса угла диэлектрических потерь (ΐ§δ), по значениям которых определяют коэффициент диэлектрического поглощения энергии Κ=ε·ΐ^δ, сравнивают с предварительно полученным значением этого же параметра, соответствующего готовому материалу того же состава, и при значении коэффициента диэлектрического поглощения энергии в пределах Κ±20% сравниваемого значения асфальтобетонную смесь считают качественной.

Заявленный экспресс-метод контроля качества испытан на образцах битумоминеральных композиций - асфальтобетонных смесей и входящих в ее состав композиционных материалов, битума и минерального порошка.

Способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают образцы проб исследуемого материала.

Диэлектрические свойства образца измеряют при помощи прибора ВМ-560 (измеритель добротности ТЕ8ЬА) с рабочим диапазоном частот от 15х 10⁶ Гц и выше. Для измерения диэлектрических характеристик (ΐ^δ и ε) образец пробы вставляют между обкладками конденсатора измерительной ячейки прибора, который подключают к измерительному контуру, состоящему из катушки связи, сменной катушки индуктивности и компенсационного конденсатора переменной емкости. Генератор высокой частоты индуктивно связан с контуром прибора и параллельно компенсатору включает электронный вольтметр, шкала которого проградуирована в единицах добротности.

Прибор измеряет диэлектрическую проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических потерь (ΐ§δ). Диэлектрическая проницаемость воздуха принята за единицу, а относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого образца практически зависит от полярности состава. Для установления связи между физико-механическими и диэлектрическими свойствами битумов используют значение расчетной величины коэффициента диэлектрического поглощения энергии, характеризуемого как Κ=ε·ΐ^δ.

Изобретение представлено в нижеприведенных примерах его исполнения, которые уточняют, но не ограничивают его.

Пример 1. Определение качества битума.

Согласно нормативам СНГ в составе асфальтобетонной смеси используют битумы различных марок В40 (40/60), В60 (60/90), В90 (90/130) применительно к разным дорожно-климатическим зонам. Они представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (асфальтены, смолы, масла). В табл. 1 приводится компонентный состав и физико-механические свойства битумов различных марок.

Диэлектрические показатели образцов проб битума при температуре +20°С и частоте 40 МГц представлены в табл. 2.

Таблица 1

Наименование показателей	Марка битума и его компонентный состав, мае. %
В40 У-63,9 С-20,8 А -15,3	В60 У-69,7 С -17,8 А-12,5	В90 У-74,2 С -15,3 А-10,5
Пенетрация иглы, 0,1 мм, при +25°С ГОСТ 11501-78	52	72	по
Температура размягчения («кольцо и шар») ГОСТ 11506-78	59,5	50,5	49,5
Растяжимость при +25°С ГОСТ 11505-78	40	50	60
Примечание: У - углеводороды; С - смолы; А - асфальтены

- 2 018003

Таблица 2

п/п	Марка битума	Ц’О	ε	К = & ϋςδ	Κη'+Κπ'+Ι	Количество смол и асфальт, мае. %	Разница, %
1	В 40	0,0038	2,34	0,00889	1,192 (19,2%)	36,1	19,1
2	В 60	0,0032	2,33	0,00746	1,173 (17,3 %)	30,3	17,4
3	В 90	0,0028	2,27	0,00636	25,8

Из данных табл. 1 и 2 видно: у образца битума марки В 40 по сравнению с маловязким битумом марки В 60 (нефть одного и того же месторождения) наблюдается увеличение ε и 1д5 при равных условиях эксперимента; при частоте 40 МГц битум марки В 40 имеет 1д5=0,0038 и ε=2,34 и коэффициент диэлектрического поглощения энергии Κ₁=ε·ΐ§5 =0,00889, а битум марки В 60 имеет !д5=0,0032 и ε=2,33 и его коэффициент Κ₂=ε·ΐ§5=0,00746.

Из этих данных также следует, что битум марки В 40 имеет повышенную активность по сравнению с битумом марки В60.

В маловязком битуме марки В 90 с 25,8%-ным содержанием асфальтенов и смол фактор диэлектрических потерь соответственно равен Κ₃=ε·ΐ§5 =0,00636, т.е. в данном случае по диэлектрическим параметрам у В 90 активность ниже, чем у марки битума В 60 на 17,3%. Между этими марками битумов содержание смолисто-асфальтеновых компонентом снижается на 17,4%, т.е. разница между изменениями Κ=ε·ΐ§5 и содержанием смолисто-асфальтеновых компонентов в битумах В 60 и В 90 в среднем составляет 0,1-0,2%. Диэлектрические параметры Κ=ε·ΐ§5 битума марки В 40 непосредственно связаны с наличием наиболее полярных компонентов битума - асфальтенов и части смол. Величина максимума Κ=ε·ΐ§5 увеличивается с ростом концентрации смолисто-асфальтеновых составов битума. Полярные компоненты битума повышают адгезионные свойства за счет сцепления компонентов вяжущих с минеральными материалами, в результате чего повышается Κ=ε·ΐ§5.

При переходе структуры битума В 40 к В 60 значение коэффициента диэлектрического поглощения энергии Κ=ε·ΐ§5 убывает. Экспериментально установлены диэлектрические параметры битумов разных марок в зависимости от содержания смолисто-асфальтеновых компонентов (табл. 3). Данными табл. 3 можно воспользоваться для контроля качества битума при приготовлении асфальтобетона в зависимости от зон температурного режима дорог: I зона - В 40 (40/60), II зона - В 60 (60/90), III зона - В 90 (90/130), исключая тем самым использование некондиционной продукции.

Таблица 3

Марка битума	Содержимое смоли стоасфальтеновых компонентов, %	К — ε ίβδ
В 40	36,1 -39,7	0,00889- 0,00978
В 60	30,3 - 36,1	0,00746 - 0,00889
В 90	25,8-30,3	0,00636 - 0,00746

Пример 2. Определение качества минерального порошка.

Минеральный порошок (активированный и не активированный) приготовлялся из известняка Гюздекского каменного карьера г. Баку.

Во всех сериях опытов сохранились неизменными гранулометрический и химический составы твердой фазы. В качестве активирующей смеси для активации минерального порошка используют битум + поверхностно-активное вещество (ПАВ).

Для осуществления способа изготовляют образцы - пробы активированного и не активированного минерального порошка с разным количеством активирующей смеси. Диэлектрические свойства минерального порошка измеряют при помощи прибора ВМ-560 (Измеритель добротности, ТЕ§ЬА) с рабочим диапазоном частот от 15х10⁶ Гц и выше по вышеуказанной методике.

В табл. 4 приведены результаты измерений диэлектрических характеристик не активированных и активированных минеральных порошков, для активации которых было взято разное количество одной и той же активирующей смеси. Диэлектрическим методом, а именно определением тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, выявлены значительно высокие показатели полярности, т.е. накопление свободных радикалов в продуктах измельчения не активированного минерального порошка, чем в активированном минеральном порошке (см. табл. 4).

Из основных положений, протекающих в физико-химических процессах, следует, что частицы измельченных минеральных зерен заряжены положительно, в связи с этим при адсорбции активирующей минеральной смеси отрицательные концы ее, т.е. радикалы, обращены в сторону поверхностей мине

- 3 018003 ральных частиц и взаимосвязаны с ними, а положительные - от поверхности частиц к битуму. Первый слой активирующей смеси состоит, вероятно, из молекул смеси адсорбированных на поверхности минеральных зерен, образующих новый контактный слой из положительных зарядов. При введении большого количества активирующей смеси до 9% от веса порошка против установленных оптимальных 3% на поверхности зерен образуется повышенная толщина связанных новых дополнительных слоев. По мере удаления свободных радикалов смесей от поверхности частиц известняка усиливается подвижность радикалов за счет тепловой энергии, что препятствует правильной ориентации последних вокруг частиц минеральных зерен.

Т аблица 4

Минеральный порошок	Количество активирующей смеси, мае. %	Г=40 МГц	к= ε·ί®δ	Κ/Κη
1§δ	ε
Не активированный минеральный порошок	-	0,197	4,98	0,981	1,000
Активированный минеральный порошок	0,5	0,155	4,53	0,702	1,397
Активированный минеральный порошок	1,0	0,113	4,09	0,462	2,123
Активированный минеральный порошок	2,0	0,088	2,89	0,254	3,862
Активированный минеральный порошок	3,0	0,055	2,16	0,119	8,244
Активированный минеральный порошок	4,0	0,056	2,20	0,123	7,976
Активированный минеральный порошок	5,0	0,050	2,90	0,145	6,766
Активированный минеральный порошок	6,0	0,097	2,01	0,195	5,031
Активированный минеральный порошок	7,0	0,0676	3,09	0,209	4,694
Активированный минеральный порошок	8,0	0,089	3,21	0,275	3,560
Активированный минеральный порошок	9,0	0,102	3,34	0,341	2,877

Примечание: К/К_п - соотношение показателей коэффициентов поглощения энергии минерального порошка;

К - коэффициент поглощения энергии не активированного минерального порошка;

Кп - коэффициент поглощения энергии активированного минерального порошка.

Поэтому в первом слое происходит хемоадсорбционный процесс наслоения связанной активирующей смеси, а на поверхности частиц минеральных зерен радикалы смеси ориентируются в адсорбционной сфере. Причем поверхность частиц первого слоя (с 3%-ной активирующей смесью) полностью ориентирована в этой поверхности зерен, чем в последующих слоях, здесь тангенс угла потерь равен ΐ§δ=0,055, а диэлектрическая проницаемость ε=2,16. Это свидетельствует о резком снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз, а следовательно, и усиления прилипаемости пленки активированного порошка в битумоминеральной системе. Второй слой ориентируется силовым полем первого слоя, но уже не полностью, где соответственно К=0,123; третий слой ориентируется еще слабее и т.д. Таким образом, по мере добавления для активации активирующей смеси до 9%, где К=0,341, и удаления от поверхности частиц радикалы смеси все менее и менее ориентированы и слабо связаны с частицами и, наконец, диффузно переходят в обычный компонент битума в составе асфальтобетона.

Таким образом, при равных условиях проводимых исследований в этом направлении было установлено, что диэлектрические параметры ε и ΐ§5 у не активированных минеральных материалов выше, чем у активированных, из чего следует, что наиболее прочной связью, возникающей между поверхностью минеральных зерен и активирующей смесью, является установление оптимального количества ее, способствующей повышенному улучшению качества минерального порошка, а следовательно, и на его основе улучшению структуры асфальтобетона, которая характеризуется снижением показателей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь этого материала.

В процессе совместного измельчения минерального порошка и активирующей смеси от 0,5 до 9% происходит постепенное снижение ε и ΐ§5 и достигается максимальный эффект уменьшения их показателей при 3% активирующей смеси, а при дальнейшем повышении количества активирующей смеси эти параметры увеличиваются.

Из табл. 4 видно, что при уменьшении объема активирующей смеси до 0,5% против оптимального количества 3% после рекомбинации свободных радикалов, образующихся при диспергировании известняка с радикалами, содержащимися в активирующей смеси, в этом известняке остается большое количество не связанных радикалов, где К=!:-1цО=0.702. И, наоборот, при увеличении активирующей смеси до 9% выше оптимального количества 3% в известняке, т.е. в толстой пленке, на поверхности минеральных зерен скапливается значительно большое количество свободных радикалов из активирующей смеси, способствующих снижению прочностных показателей системы минеральный порошок-активирующая смесь. Здесь К=е-1д5=0,341.

Таким образом, при больших концентрациях активирующей смеси происходит блокировка актив

- 4 018003 ных гидрофобных центров тонкой пленки на поверхности минеральных зерен, т.е. активных участков сцепления, что вызывает утолщение слоев вокруг частиц минеральной системы. В результате резко повышаются показатели ε и ΐ§5, понижается прочность структуры, а сама система сильно разжижается, что приводит к значительной утрате роли активирующей смеси.

Пример 3. Определение качества асфальтобетонной смеси.

Для осуществления способа изготовляют образцы в виде круглой пластины толщиной 2 см и диаметром 5 см. Диэлектрические свойства образцов измеряют при помощи прибора ВМ-560 (Измеритель добротности, ТЕБЬА) с рабочим диапазоном частот от 15х10⁶ Гц и выше по вышеуказанной методике.

Относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого образца асфальтобетонной смеси практически зависит от минералогического и гранулометрического составов, а также от активности битума. Физико-механические и диэлектрические показатели образцов представлены в табл. 5 и 6 и на чертеже, где представлена связь определяемых диэлектрических параметров испытуемых образцов с установленными нормативными прочностными показателями.

Согласно нормативам по строительству автомобильных дорог и аэродромов, учитывающих климатические особенности республики, основным показателем физико-механических свойств асфальтобетона является остаточная пористость (оптимальное значение от 4 до 6 об.%). Фактически, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь зависят от нормируемой остаточной пористости асфальтобетона.

По существующим нормативам бывшего СССР для жаркого климата принимается расчетная температура +50°С, а по новым нормативам для I зоны Азербайджана температура равна +75°С, которая более реально отражает температурный режим работы асфальтобетонных покрытий в летнее время (Алиев А.М. Асфальтобетон в условиях жаркого климата. - Баку: Азернешр, 1980).

Из табл. 5, 6 и чертежа усматривается взаимосвязь диэлектрических характеристик, в частности коэффициента диэлектрического поглощения энергии (К) с прочностными показателями исследуемых образцов асфальтобетона, а именно при оптимальной остаточной пористости образцов, диэлектрические характеристики (табл. 5, 6 позиции 1, 5-7) в том числе и коэффициенты поглощения энергии имеют значения К=0,1559-0,1904, при наибольших прочностных показателях Ксж=0,96-1,32 (табл. 1 позиции 2-4) и К=0,2557-0,2901, при наибольших прочностных показателях Ксж=0,78-0,90 (табл. 2 позиции 3-5).

Диэлектрическая проницаемость асфальтобетона - это очень чувствительная величина, отражающая структуру материала (твердых образцов асфальтобетона, сыпучих минеральных компонентов, битумов и ПАВ). Предлагаемый экспресс-метод является эффективным, ибо он дает возможность в течение 10-20 мин в лабораторных условиях при асфальтобетонном заводе определять качество приготовленной к отправке на объект асфальтобетонной смеси во избежание выпуска некондиционной продукции.

Таблица 5

Физико-механические свойства асфальтобетона с активированным минеральным порошком и диэлектрические характеристики (при частоте 40 МГц)

№ образца асфальтобетонной смеси	Количество битума, %	Остаточная пористость % по объему	Ксж, МПа	При температуре+ 75 ®С
+ 20°С	+ 50оС	+75*0	ΐ§δ	ε	ε·ί§δ
	3,0	8,1	3,087	0,8	0,65	0,0569	3,997	0,2273
2	4,0	6,5	4,02	1,32	0,96	0,0462	4,119	0,1904
3	4,5	5,8	4,28	1,51	1,02	0,0417	4,159	0,1733
4	5,0	4,2	4,16	1,72	1,52	0,0371	4,200	0,1559
5	6,0	3,0	4,02	1,60	1,22	0,0285	4,159	0,1187
6	7,0	2,2	3,75	1,40	1,14	0,0168	4,108	0,0690
7	8,0	1,6	3,52	1,11	0,85	0,0107	4,058	0,0432

Таблица 6

Физико-механические свойства асфальтобетона с не активированным минеральным порошком и диэлектрические характеристики (при частоте 40 МГ ц)

№ образца асфальтобетонной смеси	Количество битума, %	Остаточная пористость % по объему	Ксж, МПа	При температуре* 75 ЛС
+ 20’С	+ 50°С	+75°С	ίβδ	ε	к= ε·ί§δ
1	3,0	10,5	2,8	0,72	0,35	0,0780	4,621	0,3602
2	4,0	8,4	3,6	1,05	0,65	0,0658	4,732	0,3112
3	5,0	6,7	3,58	1,32	0,78	0,0603	4,817	0,2901
4	5,5	5,4	3,78	1,36	0,84	0,0569	4,793	0,2729
5	6,0	4,2	3,9	1,43	0,90	0,0536	4,773	0,2557
6	7,0	3,1	3,54	1,25	0,72	0,0466	4,722	0,2198
7	8,0	2,1	3,15	0,98	0,50	0,0385	4,671	0,1800

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Экспресс-метод контроля качества асфальтобетонной смеси и ее компонентов, включающий измерение параметра, связанного с диэлектрической характеристикой, отличающийся тем, что измеряют тангенс угла диэлектрических потерь (Ιβδ) и диэлектрическую проницаемость (ε), по значениям которых

   - 5 018003 определяют коэффициент диэлектрического поглощения энергии Κ=ε·ΐ§δ, сравнивают с предварительно полученным значением этого же параметра, соответствующего готовому эталонному образцу того же состава, и при значении коэффициента диэлектрического поглощения в пределах Κ±20% сравниваемого значения асфальтобетонную смесь считают качественной.

   Экспресс-метод контроля качества асфальтобетонных смесей

   Количество битума %

   а. Смесь с не активированным минеральным порошком. б. Смесь с активированным минеральным порошком.

   Евразийская патентная организация, ЕАПВ

   Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2