Оценка старения битума в тонких пленках с применением анализатора тонкой хроматографии «Iatroscan Mk-5»

УДК 691.16:625.85

ОЦЕНКА СТАРЕНИЯ БИТУМА В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ АНАЛИЗАТОРА ТОНКОЙ ХРОМАТОГРАФИИ «IATROSCAN MK-5»

А.Д. Скрипкин, генеральный директор, Г.Б. Старков, к.т.н., Д.А. Колесник, начальник лаборатории, ЗАО «НОМБУС»

Аннотация. Рассматривается прибор и методика определения компонентного состава битумных вяжущих методом тонкослойной хроматографии с применением прибора «IATROSCAN MK-5». Проведена оценка изменения компонентного состава битумов разных марок в тонкой пленке при воздействии температуры.

Ключевые слова: метод «Ятроскан», анализатор тонкослойной хроматографии, компонентный состав, термостатирование.

Введение

Вязкопластические и эластические свойства асфальтового бетона зависят главным образом от свойств битума, толщины битумных слоев, которыми связаны минеральные частицы, и от особенности их взаимодействия с минеральным материалом [1].

Результаты косвенных экспериментов свидетельствуют [2] о решающем влиянии битумного вяжущего и прямой функциональной связи между свойствами битума и асфальтобетона.

Свойства битума в асфальтобетоне не остаются постоянными. Под воздействием различных факторов (температуры, кислорода воздуха, воды, солнечного света и т.д.) происходит его старение и, как следствие, асфальтобетона в целом. Старение - результат сложных структурных и химических превращений, происходящих в результате воздействия на материал различных факторов, в том числе и механических нагрузок [3].

Процесс старения битума в асфальтобетоне можно разделить на два этапа. Первый - это старение, которое происходит в процессе приготовления, укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси, т.е. на технологических этапах производства дорож-но-строи-тельных работ. Второй - измене-

ния, которые происходят в процессе эксплуатации асфальтобетонного покрытия на протяжении всего срока службы.

Однако вклад каждого из выше приведенных этапов не равнозначен. Исследования, проведенные компанией Shell Bitumen U.K. показали, что на технологических этапах приготовления асфальтобетонных смесей, хранения, транспортировки и устройстве покрытий индекс старения битума (отношение вязкости состарившегося битума (па) к вязкости исходного битума (п0)) увеличился на пять единиц, в то время как после восьми лет эксплуатации асфальтобетона в покрытии всего лишь на одну.

Данный результат вполне логичен, так как на технологическом этапе битум находится в виде тонких пленок на поверхности минеральных зерен нагретых до температур 140 -160 °С и при свободном доступе кислорода воздуха. В таких условиях возникает наиболее благоприятная возможность протекания термоокислительных и других процессов, приводящих к старению битума. Причем продолжительность данного этапа не остается постоянным во времени и зависит, в частности, от продолжительности хранения асфальтобетонной смеси в бункере-накопителе, дальности и условий транспортировки, технологии производства работ на линейном участке.

Закономерно, что в результате воздействия температурно-временных факторов битум в составе асфальтобетонных смесей претерпевает необратимые изменения. Для оценки интенсивности старения битума в тонкой пленке под действием температурно-времен-ных факторов применялся метод тонкопленочной хроматографии с ионизационным детектором (далее метод «Ятроскан»), позволяющий получать оперативную и достоверную информацию о компонентном составе органических вяжущих [4 - 6].

Результаты исследований

На основании разработанных методик измерений и поверок, а также положительных результатов испытаний, проведенных в ЗАО «НОМБУС», «Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии» утвержден тип средства измерений - анализатор тонкой хроматографии «Ятроскан» под №30494-05 и допущен к применению в Российской Федерации. Дополнительное оборудование представлено прибором для нанесения проб модели SES 3200/IS02, проявочными камерами TLS, набором кварцевых стерж-ней (хромародов), сушильной камерой, кассетой для удерживания стержней SD-5. Оценка и обработка полученных результатов производится с помощью программного обеспечения SES - Chromstar.

Оценка изменения компонентных составов битумов нефтяных дорожных вязких марок БНД 90/130 и БНД 60/90, соответствующих требованиям ГОСТ 22245-90, в процессе их термостатирования производилась на битумных пленках толщиной 50 мк, что соответствует среднему их значению на щебеночной составляющей асфальтобетонной смеси [7].

Методика определения компонентного состава битума состоит из следующих основных операций. Определенное количество битума, обеспечивающее заданную толщину пленки, помещалось в стеклянную чашку «Петри», установленную на строго горизонтальную поверхность. При щадящем нагреве битум распределялся равномерным слоем. Подготовленный таким образом образец подвергался тепловой обработке в термо-шкафу при температуре (140 ± 0,5) °С. Через заданное время (1 час, 2 часа и т. п.) образец битума подвергался исследованию в части определения его компонентного состава. Для этого

битумная проба предварительно растворяется в тетрагидрофуране в соотношении 10 мгр/мл.

Полученный раствор с помощью прибора для нанесения проб модели SES 3200/IS02 наносился кратное число раз на ряд стержней (хромародов), покрытых Si02, так, чтобы получить пятно не шире 2 - 3 мм. Кварцевые стержни (хромароды) располагаются в специальной удерживающей кассете. Затем в течение 1 - 2,5 минут производилось сушка стержней с нанесенными на них пробами в специальной сушильной камере при температуре 40 - 60 °С. Для разделения битумной пробы приготавливаются три вида выделяющих растворителя: «-гептан; толуол/ «-гептан (в процентных соотношениях 80/20); дихлорметан/метанол (в процентных соотношениях 95/5).

Каждый из приготовленных растворов объемом 70 мл заливался в определенную проявочную камеру. Проявочные камеры выполнены из стекла и имеют площадь поверхности 15-13 см и высоту 18 см. На задней стенке проявочной камеры помещалась фильтровальная бумага, размером 15-15 см, чтобы обеспечить насыщение объема газовой фазой. Удерживающую кассету с расположенными в ней кварцевыми стержнями (хро-мародами) для обеспечения разделения битумной пробы последовательно помещалась в каждую из проявочных камер. Время выдержки при применении растворителя «-гептан - 25 мин, толуол/ «-гептан - 7 мин, дихлорметан/метанол - 2,5 мин. Между отдельными стадиями разделения стержни в течение 1 - 2,5 мин сушились в сушильном шкафу при температуре 40 - 60 °С.

В первой проявочной камере разделение пробы битума производится на высоту 9,0 см, во второй - до 5 см и в последней - до 2,5 см. Приготовленные таким образом стержни располагались в сканирующей рамке анализатора тонкослойной хроматографии. Ионизационный детектор (FID) работает при расходе водорода 160 мл/мин и при расходе воздуха 2 л/мин.

При проведении сканирования, органические компоненты, выделенные из нанесенной пробы, ионизируются энергией водородного пламени. Полученные ионы имеют как отрицательные, так и положительные заряды. Во-

дородная горелка имеет положительный полюс, а расположенный под ней электрод коллектора действует как отрицательный. Благодаря этому отрицательные ионы текут к горелке, а положительные ионы текут к электроду коллектора. Эти потоки ионов текут между горелкой и электродом коллектора пропорционально массе компонентов анализируемого вещества. Величина потока усиливается контуром и регистрируется аппаратом обработки данных. Данная система позволяет установить режим автоматического расчета пиковых площадей, высот и затем вывести получаемые результаты с указанием числовых значений и времени задержки (прохождения процесса) на принтер. Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1 Изменение компонентного состава

битума марки БНД 90/130 в процессе его термостатирования при температуре 140 ° С в пленке толщиной 50 мк

Таблица 2 Изменение компонентного состава

битума марки БНД 60/90 в процессе его термостатирования при температуре 140 ° С в пленке толщиной 50 мк

Анализ, представленных в табл. 1 и 2 данных, показывает закономерное изменение компонентных составов битумов в процессе их термостатирования. Для обоих рассматриваемых случаев происходит увеличение ас-фальтенов и смол, с уменьшением маслянистой составляющей (ароматических и насыщенных углеводородов).

Обращает на себя факт, что скорость образования смол значительно больше скорости их превращения в асфальтены. Факт увеличения смолянистой составляющей, скорее всего, объясняется возрастанием в битуме доли тяжелых смол, в частности спиртобен-зольных.

Выводы

Результаты исследований позволяют сделать основной вывод, что уже через 2 - 4 часа прогрева битума в тонкой пленке, меняется состав дисперсионной среды вяжущего. Следовательно, в асфальтобетонном покрытии после технологических операций производства асфальтобетонной смеси, временного хранения, транспортирования и устройстве слоя покрытия получаем битумное вяжущее с непрогнозируемыми свойствами.

Литература

1.Гезенцвей Л.Б. Асфальтовый бетон. - М.: Изд. литературы по строительству, 1964. - 447 с.

2. Золотарев В.А. Долговечность дорожных

асфальтобетонов. - Харьков: Вища школа, 1977. - 116 с.

3. Каргин В.А. Некоторые проблемы науки о

полимерах. Высокомолекулярные соединения. - М.: Наука. - 1971. - Т. XIII (Серия А). - №2. - С. 231.

4. Рани М. Тонкослойная хроматография с

детектированием в ионизирующем пламени. Дордрехт. - Нидерланды, 1987.

5. Брюкс Ц. Первые результаты тонкослой-

ной хроматографии битумов //Доклад на третьем международном симпозиуме по технологии производства кровельных материалов. - Монреаль, 17-19 апреля 1991.

6. Friedbacher E.C., Schindlbauern. Bitumen-

analyse mittels TLC/FID im Vergleich zur Saulenchromatoguaphie, Bitumen, 55 (4) 1993.

7. Королев И.В. Дорожный теплый асфальто-

бетон.- К.: Вища школа, 1975. - 156 с.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.

Время термостатирования, час Наименование компонентов

асфальтены смолы ароматические углеводороды насыщенные углеводороды

0 20,91 25,84 45,69 7,56

2 22,71 28,10 41,73 7,46

3 24,10 30,92 37,49 7,49

4 27,48 39,06 27,65 5,81

6 23,25 42,88 29,55 4,32

Время термоста-тирова-ния, час. Наименование компонентов

асфальте-ны смолы ароматические углеводороды насыщенные углеводороды

0 21,43 31,12 39,27 8,18

2 17,80 43,14 33,28 5,78

3 23,02 44,31 26,25 6,42

4 24,11 45,17 25,06 5,66

6 24,11 43,24 26,87 5,78