Metodologie de determinare a caracteristicilor bitumului modificat utilizat la executia lucrarilor de drumuri

Institutul de cercetari in transporturi

- Incertrans -

Colectiv de elaborare

CUPRINS

I. Metodologie pentru prepararea bitumurilor modificate si a emulsiilor bituminoase cu moara coloidala

II. Metodologie pentru determinarea omogenitatii bitumului modificat cu ajutorul microscopului cu lumina fluorescenta

III. Metodologie pentru determinarea calitativa si cantitativa a polimerului din bitumul modificat prin spectrofotometrie de absorbtie in infrarosu

IV. Metodologie pentru determinarea revenirii elastice a bitumului modificat

V. Metodologie pentru determinarea stabilitatii la stocare a bitumului modificat

I. METODOLOGIE PENTRU PREPARAREA BITUMURILOR MODIFICATE SI A EMULSIILOR BITUMINOASE CU MOARA COLOIDALA

1. GENERALITATI

1.1 Obiect

Prezentele instructiuni tehnice se refera la prepararea bitumului modificat si a emulsiilor bituminoase cu moara coloidala.

1.2 Definitie

Moara coloidala este o instalatie care se utilizeaza pentru divizarea particulelor de materiale ce se introduc in ea.

1.3 Domenii de utilizare

Moara coloidala se utilizeaza in domeniul rutier pentru obtinerea bitumului modificat si a emulsiilor bituminoase.

Bitumul rutier modificat este un produs rezultat in urma amestecarii bitumului rutier cu un polimer, in anumite conditii de temperatura si dozare, intr-o instalatie speciala.

Emulsia bituminoasa este o dispersie foarte fina de bitum in apa in prezenta unui emulgator. Particulele de bitum dispersate in apa au marimi care variaza de la unu la cinci microni. Emulsia are un aspect uniform si o culoare bruna.

In functie de natura emulgatorului (mediul acid sau bazic al fazei apoase) emulsiile pot fi de doua feluri:

- cationice - emulsii cu faza apoasa acida.

- anionice - emulsii cu faza apoasa alcalina.

Metoda de preparare a bitumurilor si a emulsiilor bituminoase se poate utiliza in doua cazuri specifice:

a. materialele utilizate au caracteristici cunoscute si parametrii termici de preparare a amestecurilor stabiliti;

b. materialele utilizate nu au caracteristici cunoscute si parametrii tehnici de preparare a amestecurilor vor fi stabiliti prin incercari.

1.4. Referinte

STAS 8877-72  Emulsii bituminoase cationice cu rupere rapida, pentru lucrarile de drumuri.

STAS 11342-79 Emulsii bituminoase anionice cu rupere lenta, pentru hidroizolatie.

AASHTO-PP5   Standard pentru evaluarea in laborator a bitumurilor modificate.

2. PRINCIPIUL METODEI

2.1. Prepararea bitumurilor modificate

Prepararea bitumurilor modificate se face prin amestecarea si recircularea bitumului si  polimerului.

Recircularea se efectueaza pe urmatorul traseu (fig. l):

- rezervor de malaxare bitum-polimer;

- linie (traseul bitumului prin conducte);

- moara coloidala;

- linie;

- rezervor de malaxare bitum + polimer;

- rezervor de colectare bitum modificat.

REZERVOR DE   MOARA

MALAXARE                    COLOIDALA

BITUM +POLIMER

REZERVOR DE

COLECTARE

BITUM

MODIFICAT

Fig. 1. Traseul de preparare a bitumului modificat

Acest ciclu se realizeaza pana la obtinerea parametrilor tehnici doriti pentru amestec.

2.2. Prepararea emulsiilor bituminoase

Prepararea emulsiilor bituminoase se face prin amestecarea fazelor dispersata (bitum) si  dispersanta (solutie de apa si emulsifiant) pe urmatorul traseu (fig. 2):

- rezervoare bitum si solutie de apa cu emulsifiant;

- linii;

- moara coloidala;

- rezervor de colectare emulsie bituminoasa.

REZERVOR                     REZERVOR SOLUTIE

BITUM               DE APA CU EMULSIFIANT

MOARA

COLOIDALA

REZERVOR DE

COLECTARE EMULSIE

BITUMINOASA

Echipamentul trebuie sa realizeze dispersie de finete si stabilitate corespunzatoare.

3. APARATURA

- Moara coloidala;

- mixer;

- balanta de 15 kg cu precizie de ± 1g;

- balanta de 1 kg cu precizie de ± 0,1g .

3.1. Descrierea aparaturii

3.1.1. Moara coloidala

Moara coloidala, destinata prepararii bitumului modificat si emulsiilor bituminoase este prezentata in fig. 3.

Toate componentele acestei instalatii sunt asamblate pe o masa metalica mobila prevazuta cu sistem de blocare. Alimentarea aparatului se face printr-un transformator de curent de la 220/380V la 110/220 V.

Componentele instalatiei sunt:

1 si 2 - Rezervoare pentru bitum de cate 15 kg fiecare prevazute cu incalzire si cu manometru de temperatura cu domeniul de masurare cuprins intre 20°C-260°C (50°F - 500°F) pentru citirea temperaturii din interiorul incintei si cu un capac pentru prevenirea accidentelor prin deversarea bitumului incalzit;

3 - conducte pentru transportul bitumului, incalzite printr-o rezistenta incorporata intr-o banda de cauciuc si invelite in folie de aluminiu pentru mentinerea temperaturii;

4 - moara coloidala;

5 - manometru de presiune 0-690kPa (0-100 psi);

6 - manometru de temperatura -18-120°C ( 0-250°F);

7 - manometru de temperatura 10-260°C (50-500°F);

8 - manometru de temperatura 10-260°C (50-500°F);

9 - manometru de presiune 0-1104kPa (0-160psi);

10 - manometru de presiune 0-690kPa (0-100psi);

11 - manometru de presiune 0-690kPa (0-100psi);

12 - manometru de temperatura 10-150°C (50-300°F);

13 - debitmetru cu senzor, care transmite informatia la panoul de comanda:

14 - ampermetru care masoara intensitatea curentului din instalatie (curentul nu trebuie sa depaseasca 11A);

15 - afisajul electronic al debitmetrului de bitum;

16 - afisajul electronic al debitmetrului de solutie;

17 - intrerupator pornit/oprit pentru moara coloidala;

18 - intrerupator pornit/oprit pentru pompa de bitum;

19 - intrerupator pornit/oprit pentru pompa de solutie;

20 - intrerupator alimentare electrica a instalatiei;

21 - intrerupator pornit/oprit cu controler pentru incalzirea primului rezervor de bitum;

Fig. 3 – MOARA COLOIDALA

Fig. 4 – MIXER

22 - intrerupator pornit/oprit cu controler pentru incalzirea celui de-al doilea rezervor de bitum;

23 - intrerupator pornit/oprit cu controler pentru incalzirea containerului cu solutie;

24 - intrerupator pornit/oprit pentru incalzirea morii;

25 - intrerupator pornit/oprit pentru incalzirea conductelor prin care circula bitumul;

26 - rezervor pentru solutia folosita la prepararea emulsiei.

3.1.2. Mixer

Mixerul cu controler (fig. 4) are rolul de a amesteca bitumul cu polimerul in cadrul rezervorul 1 (fig.3), si se compune din:

1 - motor cu viteza reglabila intre 23-6000 rot/min;

2 - controler;

3 - paleta agitatoare;

4 - sistem de prindere a mixerului pe marginea superioara a rezervorului de bitum.

3.2. Caracteristici tehnice

Moara coloidala:

- viteza de rotatie 2830 rot/min;

- distanta dintre cutite reglabila in functie de dimensiunea particulei;

- presiunea maxima a bitumului pe linie 138kPa.

4. MATERIALE

- vase emailate de 15-20 kg;

- spatule si bagheta de sticla;

- termometru cu domeniul de la 0-200°C ± 1°C.

a. pentru bitum modificat:

- bitumuri pentru drumuri tip D60/80, D 80/100. D 100/120:

- ulei de motor pentru curatarea instalatiei.

b. pentru emulsie bituminoasa:

- bitumuri pentru drumuri tip D 80/100, D 100/120, D 180/200:

- emulgator specific pentru emulsii anionice sau cationice;

- apa deionizata;

- acid clorhidric tehnic conform STAS 339-66.

5. MODUL DE LUCRU

5.1. Modul de lucru la prepararea bitumului modificat cu polimer

Pentru obtinerea bitumului modificat se introduce bitumul cu polimer sub presiune in moara si dupa un numar de recirculari se realizeaza amestecul omogen in anumite conditii de dozare, temperatura si numar de recirculari.

Inainte de inceperea propriu-zisa a prepararii trebuie efectuate urmatoarele operatii:

se verifica pozitia inchis a tuturor robinetelor (robinetele cu o cale sunt inchise perpendicular pe conducta pe care sunt montate) inainte ca intrerupatorul instalatiei sa fie conectat (fig.3 - poz.20);

* se verifica daca toate robinetele de presiune sunt inchise;

* se verifica daca toate containerele sunt curate;

* se conecteaza instalatia la reteaua electrica si se activeaza intrerupatorul instalatiei (fig. 3-poz. 20) in pozitia pornit.

Prepararea bitumului modificat se poate face in urmatoarele variante:

- materiale cu caracteristici necunoscute

- materiale cu caracteristici cunoscute

5.1.1. Materiale (bitum si polimer) cu caracteristici necunoscute

Prepararea bitumului modificat in acest caz se face prin incercari in functie de caracteristicile ce se cer produsului finit (bitum modificat) astfel:

Se stabilesc:

a. Dozajul de polimer in bitum;

Pentru procentul stabilit se calculeaza cantitatea de polimer pentru cantitatea de bitum (max. 15 kg) care se va utiliza.

b. Distanta intre discurile morii;

c. Temperatura de lucru;

d. Presiunea si fluxul necesare.

Toti parametrii de lucru se regleaza la valorile stabilite.

Toate circuitele de incalzire a instalatiei sunt prevazute cu termocuple pentru a evita supraincalzirea.

Eseu: Manual de utilizare aparat de sudare - model digital mig 180 Document online: Cum sa construiesti un gard pe viata: Fundatia, stalpii, structura deasupra solului

Instalatia se pune in functiune la parametrii stabiliti si se lasa aproximativ o ora pentru uniformizarea temperaturii, timp in care se pregatesc bitumul si polimerul.

Prepararea sarjei de bitum modificat se face astfel:

* se introduce bitumul preincalzit (140°C) in rezervorul 1;

* se activeaza incalzirea rezervorului la temperatura de lucru stabilita;

* se asteapta uniformizarea temperaturii;

* se activeaza pornirea pompei de bitum si controlul debitului din rezervor prin manometrul de presiune;

* se asteapta un timp pentru uniformizarea debitului;

* se controleaza functionarea morii coloidale fara bitum, se asigura deschiderea robinetului  de recirculare a bitumului cu polimer si se asigura inchiderea robinetului pentru emulsie;

se monteaza mixerul manual pe marginea containerului de bitum;

* se regleaza viteza mixerului;

* se presara polimer in rezervorul 1 pentru mixare;

* se pozitioneaza robinetele cu trei cai astfel incat sa se realizeze circuitul:

rezervor—linie—moara coloidala—linie-rezervor;

se verifica in permanenta amperajul (daca acesta depaseste 11 A se opreste functionarea morii din intrerupatorul 17 fig. 3 ). ;

Bitumul modificat se colecteaza intr-un vas special.

In timpul prepararii bitumului modificat, la o jumatate de ora de recirculare si din jumatate in jumatate de ora se iau probe de verificare a calitatii materialului obtinut pe aceste probe si se efectueaza analize conform punctului 5.1.3. Daca se obtin caracteristicile dorite se noteaza parametrii si se opreste prepararea.

Materiale cu caracteristici cunoscute

In cazul in care pentru un amestec de bitum-polimer s-a mai efectuat prepararea acestuia in laborator sau parametrii de preparare sunt cunoscuti, nu se mai verifica realizarea amestecului pe parcurs, ci se lucreaza in conditiile cerute.

Prepararea se efectueaza la fel ca la punctul 5.1.1. fara prelevare de probe de bitum modificat pe parcursul prepararii.

Analize efectuate pe parcursul prepararii bitumului modificat

Pentru verificarea parametrilor de preparare ai bitumului modificat, pe probele prelevate conform 5.1.1. se efectueaza urmatoarele analize:

* vascozitate - conform ASTM D 4402-1991

* penetratie - conform STAS 42-68

* omogenitate la microscopul cu fluorescenta - conform Instructiunilor Tehnice CESTRIN

Modul de lucru la prepararea emulsiei bituminoase

Prepararii emulsiilor bituminoase cationice si anionice

Pentru realizarea emulsiilor bituminoase se prepara solutie apoasa in anumite conditii de dozare pentru emulgator, acid clorhidric si apa deionizata si se circula amestecul prin moara coloidala.

Inainte de inceperea prepararii emulsiilor bituminoase se pregateste moara coloidala astfel:

* se verifica pozitia inchis a tuturor robinetelor (robinetele cu o cale sunt inchise perpendicular pe conducta pe care simt montate) inainte ca intrerupatorul instalatiei sa fie conectat (fig. 3-poz. 20);

* se verifica daca toate robinetele de presiune sunt inchise;

* se verifica daca toate rezervoarele sunt curate;

* se conecteaza instalatia la reteaua electrica si se activeaza intrerupatorul instalatiei (nr. 3 - poz. 20)  in pozitia pornit;

* se stabileste tipul emulsiei bituminoase, componentele si dozajele acesteia;

* se stabileste distanta intre discurile morii si se regleaza;

* se stabileste temperatura de lucru;

* se stabileste presiunea si fluxul.

Dupa ce toti parametrii de lucru sunt reglati la valorile stabilite se activeaza incalzirea liniei si a morii coloidale si se lasa instalatia aproximativ o ora pentru uniformizarea temperaturii, timp in care se pregateste bitumul si solutia.

Prepararea sarjei de emulsie bituminoasa se face astfel:

se introduce bitumului preincalzit (140°C) in rezervorul l. si solutia de emulgator, apa si acid clorhidric in rezervorul 3 (Fig. 3);

se activeaza incalzirea rezervoarelor la temperaturile de lucru stabilite;

se asteapta uniformizarea temperaturii;

* se activeaza pornirea pompei de bitum si controlul debitului din rezervor;

* se asteapta in timp pentru uniformizarea debitului;

* se controleaza functionarea morii coloidale fara bitum;

* se verifica functionarea morii cu bitum prin ea;

* se activeaza pornirea pompei de solutie si controlul debitului din rezervorul 3 prin manometrul de presiune (69-138kPa);

* se asteapta un timp uniformizarea debitului;

* se pozitioneaza robinetele cu trei cai astfel incat sa se realizeze circuitul rezervor— moara—rezervor pentru colectarea emulsiei;

* se verifica in permanenta amperajul instalatiei;

* se colecteaza emulsia;

* se inchid robinetele pentru bitum si solutie si se opreste moara;

* pompa pentru solutie ramane in functiune pana cand se realizeaza curatarea rezervorului de solutie cu apa;

* se elimina bitumul ramas in rezervorul 1 si se curata acesta cu ulei prin intermediul pompei, dupa care pompa se inchide;

* se inchid toate comutatoarele de pe panoul de comanda;

* se deconecteaza instalatia de la reteaua electrica.

Analize efectuate

Pentru determinarea calitatii emulsiilor bituminoase se efectueaza analizele prevazute de STAS 8877/72 pentru emulsiile cationice cu rupere rapida si STAS 11342/79 pentru emulsiile anionice cu rupere lenta.

II. METODOLOGIE PENTRU DETERMINAREA OMOGENITATII BITUMULUI MODIFICAT CU AJUTORUL MICROSCOPULUI CU LUMINA FLUORESCENTA

1. OBIECT

Prezenta metodologie se refera la determinarea omogenitatii bitumului modificat cu polimeri, cu ajutorul microscopului cu lumina fluorescenta, prin metoda transmisiei sau reflectiei.

1.1. DEFINITIE

Omogenitatea bitumului modificat se exprima prin gradul de omogenitate al amestecului bitum-polimer si reprezinta procentul de particule de polimer cu dimensiuni mai mici de 5 mm.

2. PRINCIPIU

Metoda se bazeaza pe observarea si fotografierea bitumului modificat, la microscopul cu lumina fluorescenta (marire 100 - 250 ori) prevazut cu dispozitive de fotografiere in camp intunecat si fluorescent, filtre de excitatie care sa asigure emiterea luminii fluorescente si pe identificarea dimensiunilor particulelor de polimer din bitumul modificat.

3. DOMENIU DE UTILIZARE

Metoda microscopiei cu fluorescenta permite stabilirea omogenitatii si structurii unui amestec bitum-polimer pe probe prelevate de pe teren sau preparate in laborator.

Fig. – MICROSCOPUL OPTIC UNIVERSAL DE CERCETARE

4. APARATURA SI MATERIALELE

A. METODA TRANSMISIEI

1. Microscop optic universal de cercetare tip MC-1/ICR, prevazut cu lampa cu halogen tip OSRAM, 12 V si 100W, cu invelis de cuart. (fig. 1)

2. Lampi cu vapori de mercur tip HBO, 200 W.

3. Aparat de fotografiere a probelor Exacta Varex.

4. Condensator cardioid pentru fotografierea in camp intunecat.

5. Pelicula foto tip DN - 3 si hartie foto tip BC -11 AZOMURES pentru realizarea imaginilor foto.

6. Lame din sticla, incalzite in prealabil cu ajutorul aparatului de analize microtermice Metter-FP5, care este prevazut cu o plita electrica de incalzire tip FP52.

B. METODA REFLECTIEI

1. Microscop cu fluorescenta (cu lumina reflectata) de tip Zeiss;

2. Computer 486 DX100;

3. Agitator mecanic cu turatia minima de 2000 rotatii/minut sau moara coloidala cu viteza de rotatie de minim 2830 rotatii/minut;

4. Frigider cu posibilitatea asigurarii unor temperaturi negative de pana la -10°C;

5. Film fotografic 135 mm;

6. Lamela de microscop prelucrata optic;

7. Tipar metalic paralelipipedic: cca. 6 x 12 x 125 mm;

8. Folie de plastic pentru tipar;

9. Vaselina sau unsoare siliconica;

10. Scotch cu doua fete adezive;

11. Rigla.

5. DESCRIEREA APARATURII

METODA REFLECTIEI

Microscopul cu fluorescenta (fig. 2) este compus din:

1. Camera fotografica;

2. Binocular;

3. Obiective;

4. Masa microscop;

5. Filtre de excitatie si divizor dicromatic;

6. Sistem de iluminare - lampa cu vapori de mercur;

7. Sistem optic alcatuit din lentile (incorporat in microscop).

Camera fotografica (fig. 3) este montata pe fototubul microscopului si este alcatuita din:

1. Suportul aparatului fotografic;

2. Aparat fotografic;

3. Lentila de proiectie (invizibila);

4. Tub de legatura cu microscopul.

6. MODUL DE LUCRU

A. METODA TRANSMISIEI

6.1. Se preleveaza esantioane de cca. 1 mm³ din proba de bitum modificat

6.2. Esantionul supus analizei se incalzeste, fara a afecta dispersia, (aprox. 80C) utilizand aparatul de analize microtermice obtinandu-se o pelicula de bitum modificat, de cca. 100 mm, aderenta la lama si penetrabila pentru fasciculul luminos.

Fig. 2 – MICROSCOP CU FLUORESCENTA CU LUMINA REFLECTATA

Fig. 3 – COMPONENTELE CAMEREI FOTOGRAFICE MC 80 DE PE MICROSCOPUL CU FLUORESCENTA ZEISS

B. METODA REFLECTIEI

Pregatirea probelor

. Probele de bitum modificat preparate in laborator

Bitumul si polimerul in amestec se incalzesc pana la temperatura de 180°C (temperatura la care sa nu se produca degradarea polimerului) si se omogenizeaza proba cu ajutorul unui agitator mecanic la o turatie optima sau cu moara coloidala. Proba astfel preparata se toarna intr-un tipar metalic, sub forma de grinda, imbracat in interior cu folie. Folia se aplica pe peretii tiparului peste un strat de vaselina sau unsoare siliconica. Tiparul se introduce apoi la frigider. Proba este mentinuta la frigider timp de 2 ore la temperatura de 0 -5°C. Dupa expirarea celor 2 ore proba se scoate din frigider si se decofreaza cu grija. In vederea obtinerii unei suprafete ce urmeaza a fi analizata, grinda se sectioneaza transversal pentru a se obtine o pastila de grosime aproximativa 1 cm. Suprafata supusa analizei trebuie sa fie perfect plana. Datorita profunzimii reduse a campului pe care patrunde raza de lumina a microscopului, sunt necesare suprafete perfect plane pentru a obtine o calitate ridicata a observatiei.

Proba astfel obtinuta se fixeaza cu scotch cu doua fete adezive pe o lamela de microscop.

Probele de bitum modificat de pe teren

Probele se incalzesc si se omogenizeaza cu un agitator mecanic/moara coloidala sau se analizeaza in starea in care au fost aduse, in functie de cerintele lucrarii. Din probele incalzite si omogenizate se toarna in tipar si se raceste in frigider (conf. pct. 6.1.1.) proba care se analizeaza la microscopul cu fluorescenta.

Proba analizata trebuie sa aiba o suprafata plana si o grosime de aproximativ 1 cm.

Efectuarea determinarii

A. METODA TRANSMISIEI

Pentru aprecierea dimensiunilor si formelor granulelor de polimer din bitumul modificat, se cerceteaza zece portiuni diferite si se masoara diametrele pentru minim 2000 particule de proba;

Se calculeaza distributia particulelor pe grupe de dimensiuni si diametrul mediu.

Marimea totala de fotografie este de 250 ori (2,5 mm reprezinta 10 microni). Timpii de expunere si filtrele utilizate sunt in functie de transmitanta lamei preparate.

Scara de citire este de 2,5 mm.

A. METODA REFLECTIEI

Pe probele preparate conform 6.1.1. si 6.1.2. se fac mai multe fotografii in trei zone diferite. Dupa developarea si executarea fotografiilor in format mare se procedeaza la prelucrarea lor in vederea determinarii gradului de omogenitate al probei analizate.

Pentru fiecare din cele trei zone analizate se alege cea mai clara fotografie.

Se obtin astfel pentru fiecare proba de bitum ce trebuie analizata trei fotografii pe care se prelucreaza rezultatele.

7. PRELUCRAREA SI INTERPRETAREA DATELOR

A. METODA TRANSMISIEI

7.1. Se scaneaza campurile microscopice pentru precizarea raporturilor dimensionale, diametrelor medii, conformatiilor spatiale, intrepatrunderii bitum - polimer si gradului de omogenitate.

7.2 Se face contorizarea pe zece campuri din zone aleatorii ale lamei microscopice si se masoara diametrele (d) pentru min. 2000 de particule de proba.

7.3. Se determina distributia procentuala pe grupe de dimensiuni

< mm; 5 –10 mm; 10 - 20 mm; 20 –40 mm; 40-60 mm; 60-100 mm; >100mm)

B. METODA REFLECTIEI

7.1. Metoda exacta de determinare a gradului de omogenitate presupune existenta unui computer si a unui software adecvat cu care calculul se face automat.

7.2. La metoda aproximativa de determinare a gradului de omogenitate se procedeaza dupa cum urmeaza:

Pe fiecare fotografie, in coltul din dreapta jos, se imprima in momentul fotografierii o gradatie de referinta a carei dimensiune se calculeaza conform relatiei:

M = 2000/ (Mobj x Fopt)

unde: M = dimensiunea gradatiei de referinta

Mobj = marimea obiectivului

Fopt = factor Optovar (constanta aparatului) = 1

Exemplu: La o marire a obiectivului de 200 de ori:

M = 2000/200 = 10 corespunde o gradatie de referinta cu dimensiunea de 10 mm.

Pe fiecare din cele trei fotografii se deseneaza o grila cu dimensiunea unitatii de grila egala cu gradatia de referinta.

7.3. Pe fiecare fotografie se aleg, la intamplare, un numar de 5 sau mai multe unitati de grila. Se determina numarul de particule de polimer cu dimensiuni mai mari de 5 mm de pe suprafata fiecarei unitati de grila (N).

Se numara toate particulele de polimer de pe fiecare unitate de grila (Nt).

Pentru fiecare unitate de grila se calculeaza procentul de particule cu dimensiuni mai mari de 5 mm (P%).

7.4. Se calculeaza gradul de omogenitate (GO) utilizand urmatoarea formula:

GO % =100 -P                 (1)

unde P este procentul de particule cu dimensiuni mai mari de 5mm.

7.5. Se determina diametrul mediu utilizand urmatoarea formula:

FORMULA (2)

7.6. Gradul de omogenitate al bitumului modificat se apreciaza astfel:

GO < 80% : neomogen

GO > 80% : omogen            (3)

III. METODOLOGIE DE DETERMINARE CALITATIVA SI CANTITATIVA A POLIMERULUI DIN BITUMUL MODIFICAT PRIN SPECTROFOTOMETRIE DE ABSORBTIE IN INFRAROSU

1. OBIECT

Prezenta metodologie se refera la determinarea continutului de polimer in bitumuri modificate prin spectrofotometrie de absorbtie in infrarosu.

2. PRINCIPIU

Metoda se bazeaza pe inregistrarea spectrului de absorbtie sau transmisiei radiatiei luminoase in infrarosu (IR) a probei de bitum modificat in domeniul spectral cuprins intre 4000-600 cm^-1 si identificarea benzilor de absorbtie caracteristice polimerului analizat (determinarea calitativa).

Pentru determinarea cantitativa a continutului de polimer se calculeaza absorbtia benzii de absorbtie specifica polimerului.

Determinarea continutului de polimer din bitum modificat consta in trasarea curbei de calibrare pentru probe cunoscute de bitum modificat continand 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 si 8 % polimer in greutate si apoi testarea probei bitum-polimer pentru a determina cantitatea de polimer prezenta in bitum.

3. APARATURA

Spectrofotometru SPECORD 75 IR, cu domeniul spectral 4000 cm^-1 - 600 cm^-1  (fig. l.) sau

Spectrofotometru FT-IR ce utilizeaza transformata Fourier in descifrarea semnalelor (fig. 2);

PC 486 cu tastatura si imprimanta laser;

Software pentru colectarea si analiza spectrelor IR;

Cuve IR cu ferestre de bromura de potasiu avand grosimea stratului absorbant de 0,1 mm;

Pipeta de 5 ml;

Seringa de 10 ml;

Fig. 1 – SPECTROFOTOMETRU IN IR

Fig. 2 – SPECTOFOTOMETRU FT – IR

Diagrame de inregistrare calibrate in numere de unda;

Balanta analitica cu precizia de 0,1 mg;

3.10. Plita electrica.

4. MATERIALE

Solventi specifici bitumului si polimerului analizat. Pentru domeniul spectral cuprins intre 600-1300 cm^-1  se foloseste sulfura de carbon, iar pentru un domeniu spectral mai mare de 1300 cm^-1 se pot folosi urmatorii solventi: cloroform, tetraclorura de carbon, tricloretilena etc.

Copolimer stiren - butadien - stirenic (SBS): KRATON, CAROM etc.

Copolimer etilen - vinil - acetat (EVA)

Polietilena (PE)

Cauciuc butadien stirenic (SBR)

Copolimer CAPS

Azot pentru purjarea sistemului optic si a camerei de proba in vederea eliminarii vaporilor de apa si a bioxidului de carbon ce ar putea denatura spectrul.

5. MODUL DE LUCRU

Aparatul se regleaza astfel incat sa inregistreze corect 0% si 100%T. Pentru inscrierea corecta a benzilor de absorbtie, se foloseste o viteza de explorare suficient de mica [aproximativ 11 minute pentru intreg domeniul spectral (4.000-600 cm^-1)].

5.1. Identificarea calitativa

Prin cantarire la balanta analitica se realizeaza o solutie de polimer in solventul adecvat, concentratia fiind de 2% (masa). Se inregistreaza spectrul de absorbtie in domeniul 4.000-600 cm^-1, utilizand cuve cu ferestre de bromura de potasiu avand grosimea stratului absorbant de 0,1 mm. In fasciculul de referinta se introduce cuva incarcata cu solventul utilizat la prepararea solutiei de polimer. In spectrul de absorbtie apar benzile caracteristice polimerului. Se selecteaza spectrul pentru polimerul care prezinta interes si anume:

SBS:     965 + 5 cm^-1 (banda caracteristica aditiei trans -1,4 la dubla legatura alchenica)

905 cm^-1  si 990 cm^-1 (benzi caracteristice aditiei 1,2 vinil la dubla legatura)

EVA:    1250 + 50 cm^-1 (banda caracteristica gruparii C -0 – C din acetat)

1730 + 10 cm^-1 (banda caracteristica gruparii C = 0 din acetat)

PE:       1375 + 10 cm^-1

SBR:     965 + 5 cm^-1

CAPS:   2850 cm^-1 si 2925 cm^-1 (benzi caracteristice gruparii metilen)

1640 cm^-1 (banda caracteristica legaturii alchemice C=C)

990 cm^-1 si 910 cm^-1 (benzi caracteristice grupei vinil)

1600 cm^-1 (banda caracteristica legaturii C = C aromatice)

700 cm^-1 si 755 cm^-1 (banda caracteristica tipului de substitutie pe nucleul benzenic)

Analiza cantitativa

Continutul de polimer din bitumuri modificate se determina utilizand curba de etalon realizata din amestecuri de bitum - polimer cu concentratii cunoscute de polimer.

Pentru exemplificare se va da in continuare determinarea continutului de SBS dintr-o proba de bitum modificat cu SBS.

A. Metoda cu spectrofotometrul SPECORD 75 IR

Pentru etalonare se foloseste un amestec bitum + SBS in care concentratia in SBS este cunoscuta. Prin cantarire la balanta analitica se realizeaza sapte solutii etalon de bitum modificat in sulfura de carbon, concentratiile de SBS in sulfura de carbon fiind urmatoarele:

1-1, 5-2-2, 5-3-3, 5-4 procente masa.

Se incarca cuva de masura si cuva de referinta cu sulfura de carbon, se inregistreaza spectrul infrarosu in domeniul spectral 1300 - 600 cm^-1. Apoi, succesiv, se incarca cuva de masura cu solutiile etalon de bitum modificat si se inregistreaza spectrele infrarosii corespunzatoare in domeniul spectral mentionat.

Pentru o proba de amestec (bitum + SBS), prin cantarire la balanta analitica, se realizeaza o solutie in sulfura de carbon in asa fel incat maximul benzii de absorbtie (965 cm^-1) folosite pentru determinarea cantitativa a continutului de SBS sa fie cuprins in intervalul 30 - 70 % procente transmisie (% T). Transmisia T este inversul absorbantei A daca A = 60 %, atunci T = 40 %).

B. Metoda cu spectrofotometrul FT -IR

Operatii pregatitoare

Atat pentru trasarea curbei de calibrare cat si pentru determinarea continutului de polimer se efectueaza urmatoarele operatii pregatitoare:

- Se deschide capacul camerei de proba si se scoate placa de baza;

- Se monteaza HATR in interiorul camerei de proba;

- Se ataseaza cristalul de ZnSe pe HATR;

- Se inchide camera de proba prin coborarea capacului;

- Se fixeaza conditiile de inregistrare a spectrelor, respectiv;

* rezolutie: 4 cm^-1;

* numar scanari: 16 sau 32 sau, functie de acuratetea spectrului obtinut, un numar mai mare de scanari;

* numar de unda: 4000 - 600 cm^-1;

- Se inregistreaza spectrul mediului din camera de proba si al cristalului de ZnSe;

- Daca cele doua spectre prezinta aceeasi forma (fig. 5) ele se vor utiliza pentru corectarea spectrelor substantelor analizate; in caz contrar se va purja camera de proba cu azot si se va repeta inregistrarea pana la obtinerea similitudinii intre cele doua spectre;

- Se inregistreaza spectrul in transmitanta cristalului de ZnSe;

- Daca spectrul in transmitanta prezinta deviatii nesemnificative de la linia de 100%, cristalul de ZnSe este curat si se continua determinarea (fig. 6) in caz contrar, se sterge cristalul cu solvent si se continua purjarea cu azot.

Trasarea curbei de calibrare

Modul de lucru in cazul trasarii curbei de calibrare este urmatorul:

- Se prepara bitum modificat cu polimer, in concentratii cunoscute, respectiv 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 si 8 % parti in greutate polimer SBS prin solubilizarea polimerului intr-un solvent adecvat, omogenizare si adaugarea bitumului si omogenizare;

Obs.: * Bitumul modificat cu polimer de concentratii cunoscute se poate prepara si direct prin dispersia polimerului in bitum prin incalzire. De regula, acest mod de preparare se utilizeaza cand polimerul nu este solubil in solventi specifici bitumului.

Ramane la latitudinea utilizatorului (functie de reproductibilitatea rezultatelor si de curba de calibrare obtinuta) alegerea modului de preparare.

- Din fiecare proba de bitum modificat astfel preparat se ia o cantitate suficienta pentru acoperirea completa a suprafetei cristalului de ZnSe;

- Se lasa aproximativ 12 h - 34 h pentru evaporarea totala a solventului;

- Se colecteaza spectrul fiecarei probe de bitum modificat.

Pentru fiecare proba de bitum modificat se inregistreaza cel putin trei spectre.

Pentru fiecare spectru al fiecarei probe de bitum modificat (fig. 9) si benzile de absorbtie stabilite se raporteaza inaltimea (aria) relativa a picului polimerului la inaltimea (aria) relativa a picului bitumului.

Se obtine pentru fiecare din cele trei spectre ale unei probe de bitum modificat cate un raport; media celor trei rapoarte permite minimizarea oricarui efort de calcul.

Fiecarei concentratii de polimer din bitumul modificat ii va corespunde un raport mediu al absorbantelor.

Obs. Pentru obtinerea unor rezultate care sa satisfaca legea Lambert-Beer se urmareste de regula ca picul absorbantei de la 1375 cm^-1 sa aiba valori de max. 0,65 unitati de absorbanta.

Se traseaza computerizat curba de calibrare (aplicandu-se tehnica regresiei liniare) reprezentand grafic raportul inaltimii absorbantelor functie de concentratia polimerului (fig. 10).

Determinarea continutului de polimer din proba de bitum modificat

- Se plaseaza proba de bitum modificat cu polimer de concentratie necunoscuta pe cristalul de ZnSe;

Obs. Proba necunoscuta se poate solubiliza in solvent, aseza pe cristal, evaporandu-se apoi complet solventul sau se poate intinde in stare semisolida cu o spatula de dimensiuni mici, usor incalzita, pe suprafata cristalului.

- Se inregistreaza spectrul probei necunoscute;

- Se identifica picul corespunzator polimerului;

- Se raporteaza computerizat inaltimea relativa a picului polimerului la inaltimea relativa a picului bitumului de la 1375 cm^-1;

- Se obtine o valoare a raportului;

- Se identifica computerizat in curba de calibrare concentratia polimerului corespunzatoare valorii raportului obtinut.

6. PRELUCRAREA DATELOR

A. Metoda cu spectrofotometrul SPECORD 75 R

Pentru trasarea curbei de etalonare in vederea determinarilor cantitative de SBS in bitumuri modificate s-a ales ca banda analitica banda de absorbtie 965 cm^-1 (fig. 3).

Se calculeaza absorbanta cu formula:

A = log I₀ / I (1)

unde:

I₀ = transmisia procentuala la linia de zero

I = transmisia procentuala la maximul benzii de absorbtie

Se determina absorbanta raportata la unitatea de grosime a stratului absorbant:

Y = A / d                      (2)

unde:

d = grosimea stratului absorbant in milimetri.

Prin metoda celor mai mici patrate se stabileste ecuatia dreptei de calibrare:

y = 1,438 x + 0,3487               (3)

unde:

x = concentratia de SBS (procente de masa) in solutiile de bitum modificat in sulfura de carbon

Continutul de SBS (procente de masa) in bitum modificat se determina cu formula:

C = 100 * x / C₁    (4 )

unde:

C₁ = concentratia solutiei de bitum modificat in sulfura de carbon

Determinarea continutului de polimer se poate face si direct din curba de etalon (fig. 4).

B. Metoda cu spectrofotometrul FT -IR

Se fac trei determinari ale continutului de polimer pentru fiecare proba de bitum modificat analizata.

Rezultatul se considera corespunzator daca valorile concentratiilor obtinute nu difera cu mai mult de 0,1 %.

Fig. 3 – SPECTRUL DE ABSORBTIE IN IR AL BITUMULUI MODIFICAT CU POLIMERUL SBS

Fig. 4 – CURBA DE ETALONARE PENTRU BITUM MODIFICAT CU POLIMERUL SBS

Fig. 5 – SPECTRUL CRISTALULUI DE SeZn

Fig. 6 – SPECTRUL CRISTALULUI DE ZnSe IN TRANSMITANTA

Fig. 7a – SPECTRUL BITUMULUI IN IR

Fig. 7b – SPECTRUL BITUMULUI IN IR – zona de interes selectata si marita

Fig. 8 – SPECTRUL POLIMERULUI (SBS) IN IR

Fig. 9 – SPECTRUL BITUMULUI MODIFICAT CU POLIMER (SBS) IN IR

Fig. 10 – CURBA DE CALIBRARE PENTRU BITUM MODIFICAT CU POLIMER (SBS)

IV. METODOLOGIE PENTRU DETERMINAREA REVENIRII ELASTICE A BITUMULUI MODIFICAT

l. OBIECT

Prezentele instructiuni tehnice se refera la determinarea revenirii elastice a bitumului modificat cu polimeri, prin metoda ductilitatii.

2. PRINCIPIU

Metoda de determinare consta in supunerea la alungire a unei probe de bitum modificat, confectionata conform SR 61 - 96, in anumite conditii de timp, temperatura si viteza.

3. APARATURA SI MATERIALE

Aparat pentru determinarea ductilitatii SR 61 - 96;

Baie de apa termostatata;

Etuva electrica termoreglabila pentru temperaturi pana la 200 ⁰C;

Termometru gradat de la 0 ⁰C - 50 ⁰C cu diviziuni de 0.5 °C;

Rigla gradata in centimetri cu diviziuni din 5 in 5 mm.

4. MODUL DE LUCRU

Se pregatesc 3 (trei) epruvete (forme de ductilitate) cu bitum modificat, in conformitate cu prevederile SR 61 - 96;

Incalzirea probelor de bitum modificat in vederea turnarii in formele de ductilitate se face in etuva la o temperatura de 160 - 170 °C, pana cand bitumul modificat devine fluid;

Dupa turnare cele 3 (trei) forme de ductilitate se introduc in baia de apa termostatata la temperatura de 13 °C ( sau 25 °C) si se pastreaza o ora;

Se monteaza formele de ductilitate in aparat, in baia caruia temperatura apei este de 13 °C (sau 25 °C);

Se incepe intinderea formelor pana la lungimea de 20 cm cu viteza de 50 mm/min; cand se atinge lungimea respectiva, se sectioneaza la mijloc cu o foarfeca proba de bitum polimer alungita, in timp de 10 sec (timpul efectiv de taiere); (fig. 1);

. Se lasa in repaus 30 minute; dupa expirarea timpului de repaus se masoara distanta L₁ care separa cele doua sectiuni prin readucerea celor doua capete ale firului de bitum modificat in pozitie orizontala pe suprafata riglei gradate;

Se scot formele de ductilitate din ductilometru si se curata;

Se goleste apa din ductilometru.

5. PRELUCRAREA DATELOR

Revenirea elastica (RE) se exprima in procente si se calculeaza cu urmatoarea formula:

RE = ( L₁ / 20 ) x 100 %          (1)

unde L₁ este distanta, in cm, masurata intre cele doua sectiuni. Determinarea se face pe 3 (trei) epruvete in paralel. Rezultatele obtinute nu trebuie sa difere intre ele cu mai mult de ±2 %. Daca valorile individuale obtinute difera intre ele cu mai mult de ± 2 %, se repeta determinarea.

Fig. 1 – DETERMINAREA REVENIRII ELASTICE LA BITUM MODIFICAT CU POLIMER

V. METODOLOGIE PENTRU DETERMINAREA STABILITATII LA STOCARE A BITUMULUI MODIFICAT

1. OBIECT

Prezentele instructiuni tehnice se refera la determinarea stabilitatii la stocare a bitumului modificat cu polimeri.

2. PRINCIPIU

Metoda se bazeaza pe determinarea stabilitatii in timp si la temperatura ridicata a bitumului modificat. Stabilitatea este exprimata ca diferenta intre punctul de inmuiere al bitumului modificat la partea superioara, respectiv inferioara a probei supusa incercarii.

3. APARATURA

. Tub din aluminiu cu diametrul de 30 mm si lungimea de 150 mm;

Etuva reglabila, cu temperaturi pana la 200 ⁰C;

Aparat pentru determinarea punctului de inmuiere IB, STAS 60 - 69;

Capsule din portelan, cu diametrul de 100mm.

4. MODUL DE LUCRU

Se incalzeste liantul in etuva la maxim 160 °C, pentru fluidizare.

. Se umple tubul de aluminiu cu liant (cca. 100 g) pana la 2 cm fata de marginea superioara.

Se introduce tubul in etuva adusa la temperatura de lucru de 163 ± 3 °C (tubul se aseaza in pozitie verticala).

Se mentine temperatura de 163 ± 3 °C, timp de 72 ore.

La sfarsitul determinarii, se scoate tubul din etuva si se raceste la temperatura camerei.

Se imparte prin taiere partea cu liant a tubului in trei parti egale, obtinandu-se cantitatile: V₁ din partea superioara, V₂ din partea medie si V₃ din partea inferioara.

Se introduce V₁ si separat V₃ in capsule de portelan, iar V₂ se elimina.

. Se determina punctele de inmuiere (IB) de la V₁ si V₃, conform STAS 650 -69, obtinandu-se T_IBV1 si T_IBV3.

5. PRELUCRAREA REZULTATELOR

Se calculeaza diferenta intre T_IBV1 si T_IBV3.

Se considera ca bitumul modificat are stabilitate la stocare daca:

T_IBV1 – T_IBV3 < 5 ⁰C            (1)

unde:

T_IBV1 este temperatura de inmuiere a bitumului modificat din partea superioara (V₁) a tubului de incercare;

- T_IBV3 este temperatura de inmuiere a bitumului modificat din partea inferioara (V₃) a tubului de incercare;

Rezultatul este media aritmetica a trei determinari (trei probe) care nu trebuie sa difere intre ele cu mai mult de 0,5 °C.