După modul de formare se clasifică în: bitumuri naturale și artificiale. [306197]

Capitolul 1. Fizico-[anonimizat], de culoare închisă (brun la negru), [anonimizat], [anonimizat].

După modul de formare se clasifică în: bitumuri naturale și artificiale.

Bitumurile naturale s-au format prin oxidarea naturală a țițeiurilor, [anonimizat]. Când bitumul natural este amestecat cu diferite pulberi minerale (calcar, argilă, nisip etc.) [anonimizat], [anonimizat], respectiv de cărbune.

Bitumurile artificiale se obțin fie prin prelucrarea țițeiului (bitum de petrol), fie prin distilarea uscată a lemnului sau cărbunilor (gudroane și smoală).

[anonimizat], sulful și azotul.

[anonimizat], acizi sau bazici. [anonimizat] a fiecărui component este practic imposibilă. Dar, [anonimizat], structură, solubilitate, comportare la încălzire etc.

Astfel, se pot separa următoarele grupe de substanțe care intră în compoziția

bitumurilor:

– petrolenele (uleiurile), [anonimizat], alcătuite din hidrocarburi ciclice simple sau condensate. Se dizolvă în benzină ușoară (eter în petrol);

– maltenele, [anonimizat]. [anonimizat], sulful și azotul în amestec cu acizi asfaltogenici. Ca și petrolenele se dizolvă în eter de petrol;

– asfaltenele, [anonimizat], [anonimizat].

Încălzite peste 300° C se carbonizează fără a se topi. Se dizolvă în tetraclorură de carbon (CCl4). Din asfaltene pot fi separate ca subgrupe: carbenele și carboidele.

– carbenele, [anonimizat] a asfaltenelor. Sunt solide în sulfură de carbon (CS2);

– carboidele, [anonimizat].

Compoziția chimică a bitumurilor variază în limite largi fiind funcție de natura lor și de tehnologia lor de obținere (tabel 1.1).

Tabelul 1.1. Compoziția chimică a bitumurilor [1]

Din punct de vedere structural bitumurile sunt sisteme disperse coloidale.

[anonimizat].

Între aceste două extreme există o serie de sisteme intermediare.

[anonimizat], [anonimizat] o mare afinitate .

[anonimizat] a dispersoidului (micelele se comportă liofob). [anonimizat]. [anonimizat]ul micelelor a unor straturi de molecule din mediul de dispersie, din ce în ce mai difuze, care formează un fel de înveliș elastic care împiedică asocierea micelelor.

Figura 1.1. Imaginea la un bitum 180/200 [1]

Figura 1.2. Imaginea fluorescentă la un bitum 80/100

(Asfaltenele sunt de 2-7 µm în diametru) [1]

Prin reducerea mediului de dispersie din bitumuri fluide (prin evaporare lentă sau prin oxidare naturală, respectiv artificială), micelele încep să se asocieze în grupări care includ și o parte a mediului de dispersie. Din această cauză, bitumurile devin din ce în ce mai vâscoase, până se transformă într-o masă plastică.

Dacă procesul de asociere a mijloacelor continuă, se ajunge la bitumuri semisolide cu structură de gel, la care, micelele formează o rețea tridimensională (mediul de dispersie), în ochiurile căreia rămâne dispersată soluția de maltene în petrolene.

Dacă însă unui bitum semisolid i se adaugă uleiuri minerale, el se poate transforma din nou în bitum fluid.

Clasificarea bitumurilor

Bitumurile sunt clasificate funcție de standardele specificației existente în Uniunea Europeană și anume:

EN12591-Specificații pentru bitumuri pavaj,

EN13924-Specificații pentru pavaj cu bitumuri grele,

EN14023-Specificații pentru bitumurilor modificate cu polimeri,

EN13808-Specificații pentru emulsii bituminoase cationice,

EN13304-Specificațiile pentru bitumurile oxidate,

EN13305-specificațiile pentru bitumurile industriale dure,

EN15322-Specificații pentru lianți bituminoși cut-back și fluxate.

Astfel conform standardului SR EN 14023:2010 Bitum și lianți bituminoși. Cadru pentru specificațiile bitumurilor modificate cu polimeri, [7], bitumurile se clasifică în:

Figura 1.3. Clasificare lianți bituminoși [7]

Standardul descris este o normă de tip mandat (adică elaborată în baza unui mandat – comenzi din partea Comisiei Europene) și susține cerințele de bază ale Directivei UE Produse pentru Construcții 89/106/EEC (EU Construction Products Directive). Începând cu 1.07.2013 produsele pentru construcții vor fi supuse noului Regulament al Parlamentului European și al Consiliului nr. 305/2011.

În anexa ZA, care reprezintă o parte integrantă a standardului EN 12591, sunt menționate informații referitoare la legăturile acestui document cu directiva UE privind produsele pentru construcții.

1.3. Materiale bituminoase

1.3.1. Bitumuri naturale

Bitumul de lac – se obține prin încălzirea asfaltului natural, care în unele regiuni formează lacuri întregi (insula Trinidad, Cuba, Siria, etc.).

Prin încălzire la 180°-200°C în cazane deschise apa se evapora iar impuritățile minerale mari se depun pe fundul cazanelor, rezultând un liant cu cel puțin 60% bitum denumit bitum epurat.

Bitumul de extracție său natural – se obține din rocile în care se găsește impregnat, fie prin dizolvare în solvenți organici (benzina), fie prin emulsionare cu soluție caldă de hidroxid de sodiu sau acid sulfuric. In țară se extrage de la Anina (șisturi bituminoase – carburant) și Tătăruși; se produce în șapte tipuri notate cu DT-A, DT-B, DT-G.

Se folosește la lucrări de drumuri și hidroizolație.

1.3.2. Bitumuri de petrol

Se obțin prin prelucrarea păcurii prin diferite metode (distilare, oxidare, cracare, etc.) se obține bitumul de petrol. în țară se fabrică cinci tipuri de bitum de petrol:- se livrează în șase tipuri notate cu D, urmată de două cifre care reprezintă valoarea penetrației;

-D 25/40,

-D 40/50,

-D 80/100,

-D 100/120,

-D 180/120.

Tabelul 1.2. Caracteristicile bitumului de lac [1]

Tabelul 1.3. Caracteristicile bitumului neparafinos pentru drumuri [1]

– Bitum pentru lacuri și amestecuri electroizolante – se livrează în două tipuri E 110 și E 125 (cifra = temperatura maximă pentru punctul de înmuiere);

– Bitum industrial neparafinos – se livrează în patru tipuri I 45/55; I 60/70;

I 82/92; I 85/95 (cifrele = limitele valorilor punctului de înmuiere);

– Bitum pentru materiale și lucrări de hidroizolații – se notează cu H și se livrează în cinci tipuri, funcție de temperatură de înmuiere;

Tabelul 1.4. Caracteristicile bitumului pentru hidroizolații [1]

– Bitum industrial parafinos – se folosește la aglomerarea prafului de cărbune (brichete); se notează cu IP 85/100.

1.3.3. Gudroane și smoală

Sunt obținute la distilarea uscată (anaeroba) a cărbunilor și lemnului rezultă: cocsul (din huila) și gudronul (un condens uleios).

Prin distilarea fracționată a gudroanelor se obțin o serie de uleiuri ușoare (gudron de drumuri) și o masă semisolidă numită smoală.

Aceste materiale prezintă o serie de dezavantaje:

– Conțin substanțe toxice și cancerigene;

– Au un interval de plasticitate redus;

– Îmbătrânesc rapid.

Se utilizează în țările care nu dispun de zăcăminte suficiente de țiței pentru fabricarea bitumurilor de petrol, lucrări de drumuri, izolații hidrocorozive.

1.3.4 Soluții bituminoase

Bitumurile taiate sau cutback – se obțin prin dizolvarea bitumului topit în solvenți organici volatili (benzen, benzina, etc.). După aplicare pe diverse materiale, se întăresc în urma evaporării solventului.

Se folosesc la:

– protecția și impermeabilizarea unor elemente de beton, metal, zidărie, etc.;

– liant la prepararea mixturilor asfaltice;

– lucrări de amorsaj.

Au următoarele dezavantaje:

– sunt toxice, inflamabile;

– se aplica numai pe materiale uscate și pot produce explozii (dacă se folosesc în interiorul construcțiilor).

1.3.5. Emulsii bituminoase

Acestea sunt dispersii de particule fine de bitum în apă, realizate cu ajutorul emulgatorilor și cu agitare mecanică puternică. Drept emulgatori se folosesc substanțe tensioactive, de obicei săpunuri de sodiu, potasiu sau colofoniu, care se dizolvă în apă.

În soluția emulgatorului, se introduce treptat, sub agitare puternică, bitumul în prealabil topit. În aceste condiții, emulgatorul se adsoarbe cu capătul hidrofob, pe suprafața picăturilor de bitum B hidroizolându-le și astfel ele rămân dispersate în apă; in apă pot să rămână dispersate și molecule de emulgator, unele independente, astfel asociate.

Când emulsia vine în contact cu suprafața solidă S, de exemplu cu un beton de ciment sau cu un agregat, echilibrul emulsiei se strică, deoarece emulgatorul este adsorbit

cu partea hidrofilă de către suprafața solidă și bitumul precipită pe materialul mineral, chiar dacă acesta este umed.

Bitumul astfel precipitat, aderă de stratul suport, iar apa separată dispare treptat prin scurgere și evaporare. Peliculele de bitum realizate cu ajutorul emulsiilor nu prezintă o adezivitate superioară la suport, deoarece ulterior (din cauza emulgatorului) apa se poate

infiltra pe la interfața suport-bitum, determinând detașarea peliculei.

În funcție de rezistența pe care o opun la distrugerea echilibrului, emulsiile se clasifică în: normale (se rup la contactul nisipului); semistabile (se strică echilibrul la amestecarea cu filere); stabile (ruperea se produce în contact de lungă durată cu filerul).

1.3.6. Suspensii bituminoase

Spre deosebire de emulsii, la suspensiile bituminoase hidrofilizarea particulelor de bitum se realizează cu ajutorul fibrelor.

Din această cauză se numesc suspensii de bitum filerizat (Subif).

Cele mai bune rezultate în realizarea acestor suspensii, s-au obținut prin malaxarea pastei de var cu bitum moale, încălzit la 60…100°C. Hidroxidul de calciu funcționează ca filer cu suprafața specifică deosebit de mare, datorită dimensiunilor coloidale a micelelor. În timpul malaxării, micelele de hidroxid de calciu din pasta de var se amestecă bine cu particulele de bitum (datorită prezenței acizilor asfaltogenici din acestea) și totodată se adsorb pe suprafața lor, hidrofilizându-le. În felul acesta, se realizează un sistem dispers cu aspect de pastă de culoare brună, care se poate dilua cu apă rece.

Suspensia de bitum filerizat cu var hidratat se caracterizează prin adezivitate foarte bună atât la materiale neutre, bazice, cât și la cele acide, așa cum sunt materialele silicioase, datorită ionilor de calciu din fază lichidă, care se adsorb pe suprafața lor, schimbându-le caracterul din acid în bazic. De asemenea, are un domeniu mare de plasticitate (-30…+125°C). Se utilizează la executarea mortarelor și betoanelor asfaltice, la amorsarea suprafețelor, pentru hidroizolații, la protecția metalelor contra coroziunii etc. Subiful poate fi aplicat pe suprafețe umede sau amestecat cu agregate umede. Executarea lucrărilor trebuie însă efectuată numai pe vreme uscată și călduroasă care să permită evaporarea apei și întărirea amestecului.

Tabelul 1.5. Caracteriticile subifului

Prin amestecarea subifului cu fibre celulozice se obține chit de bitum filerizat denumit prescurtat celochit.

Compoziția celochitului poate fi cuprinsă în următoarele limite: 31± 3% bitum, 14± 1,5% hidroxid de calciu, 2± 0,5% fibre celulozice, 50,5± 5% apă și 2,5% impurități. Se utilizează la hidroizolații, chituirea geamurilor, etanșarea rezervoarelor de apă etc. Se impune să prezinte o bună adezivitate și stabilitate la căldură

1.4. Masticuri, mortare și betoane cu lianți bituminoși

1.4.1. Masticuri bituminoase

Masticurile bituminoase sunt amestecuri omogene obținute din bitum topit și diferite pulberi minerale (filere) uscate. Drept filere se folosesc pulberile de:calcar, diatomit, cenușă de termocentrală, talc, celuloză, azbest, cărbune, var stins în praf etc. Filerele trebuie să îndeplinească condiții de finețe și de afinitate fizico chimică față de componenții liantului bituminos (adsorbție, chemosorbție).

Deoarece masticurile se folosesc și la lucrări care vin în contact cu apa, adeziunea bitum-filer trebuie să fie foarte bună (liofilia bitum-filer trebuie să fie mai mare decât hidrofilia filer-apă). În caz contrar, apa se filtrează la interfața filer-bitum, reducând foarte mult durabilitatea masticului. Adeziunea depinde atât de natura chimică a bitumului cât și de cea a solidului pe care se aplică. De exemplu, bitumurile cu conținut ridicat în acizi asfaltogenici prezintă o adezivitate bună față de filere bazice (var, calcar, talc, azbest) și foarte scăzută față de cele cu caracter acid (cuarț).

De asemenea, proprietățile masticului sunt influențate și de forma particulei filerului. Filerele cu formă alungită datorită măririi frecării interioare, dau masticuri care

rezistă mai bine la solicitări mecanice și au deformații mai mici.

Prin filerizare, se îmbunătățesc calitățile bitumului și anume:

– se mărește domeniul de plasticitate, prin creșterea punctului de înmuiere și scăderea punctului de rupere;

– crește vâscozitatea (scade penetrația) datorită măririi frecărilor interioare;

– cresc rezistențele mecanice și se întârzie îmbătrânirea.

Ameliorarea acestor caracteristici este cu atât mai evidentă cu cât suprafața specifică a filerului este mai mare. În momentul filerizării bitumului, filerul pătrunde între straturile subțiri de bitum generând un sistem bitum-filer cu forțe de adeziune, adsorbție și frecare la interfețe care îmbunătățesc structura de rezistență. Rezistența mai bună la îmbătrânire a bitumului filerizat se datorește atât reducerii tendinței de evaporare și oxidare a petronelelor, prin faptul că filerul este opac la radiații solare și impermeabil față de oxigen, cât și adsorbției de către acesta, a unei părți de petrolene, care sunt redate treptat liantului bituminos, când echilibrul sistemului este perturbat.

Masticurile bituminoase se utilizează la izolații hidrofuge, la chituirea rosturilor dintre diferite elemente de construcții etc. Compoziția lor optimă se stabilește experimental fiind funcție de natura filerului și a bitumului utilizat. De exemplu, masticul cu filer de calcar are un dozaj optim de aproximativ 70% filer și 30% bitum.

1.4.2. Mortare și betoane asfaltice

Prin amestecarea lianților bituminoși cu agregate fine (filer, nisip) se obțin mortare asfaltice, iar prin folosirea și de pietriș, respectiv piatra spartă rezulta betoane asfaltice. Aceste amestecuri se mai numesc și mixturi asfaltice și pot fi de consistență: fluidă, plastică sau vârtoasa, funcție de lucrabilitatea necesară pentru punerea lor în operă.

În scopul măririi rezistenței betonului asfaltic la solicitările care produc deformații plastice, se impune mărirea frecării interioare din masa să. Pentru aceasta, la preparare se folosește un agregat cu granulozitate continua și cu un volum minim de goluri, alcătuit din: filer, nisip, criblura.

Nisipul – se folosește pentru a asigura o granulozitate continua a agregatului (filerul fiind mai mare de 0.2 mm, iar criblura mai mică de 3 mm). Nisipul poate fi de râu sau de concasare.

Filerul – are rol foarte important și complex, acționând favorabil atât asupra granulozității agregatului, cât și asupra liantului bituminos (masticuri); în betoanele asfaltice se folosesc filere de calcar său văr gras stins în praf având diametrul sub 0,2 mm.

Criblura – reprezintă agregatul mare din amestecul de agregat și se caracterizează prin granule colțuroase; criblura: 3/8; 8/16; 16/25 mm. Se obține prin concasare dublă și are diametru peste 3 mm.

Dozajul optim de bitum se stabilește în laborator astfel: se prepară mai multe amestecuri cu procente diferite de liant raportat la masa betonului din care se confecționează epruvete standardizate asupra cărora se determina Rc. Dacă dozajul de liant bituminos este:

– prea mare – rezultă un beton ușor deformabil sub acțiunea traficului.

– prea mic – rezultă un beton necompact și cu rezistențe mecanice reduse.

Stabilirea raportului optim dintre criblura, nisip și filer se face prin încercări preliminare pentru fiecare lot de agregate, în vederea obținerii unui agregat cu volum redus de goluri, care să necesite un dozaj minim de liant pentru realizarea unui beton compact.

În practică, dozajul minim de liant (bitum) stabilit de laborator (aproximativ 9% din betonul asfaltic), se reduce cu 2-4%, deoarece sub acțiunea traficului intens, betonul se deformează plastic și suferă o compactare suplimentară. De aceea se recurge la armarea batonului asfaltic la intersecții și în stațiile auto.

În caz contrar, pe timp călduros, pe suprafață îmbrăcăminții rutiere, se adună un exces de bitum care produce înmuierea și vălurirea acesteia sub acțiunea traficului.

Se pot executa trei tipuri de îmbrăcăminți rutiere din beton asfaltic:

– Îmbrăcăminți turnate la cald;

– Îmbrăcăminți cilindrate la cald;

– Îmbrăcăminți cilindrate la rece.

1.5. Constituția și caracteristicile bitumului

1.5.1. Proprietățile bitumurilor

Penetrația la 25°C

În standardizarea europeană, de mulți ani, modalitatea de bază a clasificării lianților bituminoși este măsurarea penetrației la 25°C.

Încercarea constă în măsurarea consistenței bitumului exprimată în mod convențional ca adâncime a penetrării unui ac de oțel normalizat, care pătrunde vertical în proba de bitum la o temperatură stabilită.

Sarcina acului este de 100 g, iar timpul de încărcare este egal cu 5 secunde. Unitatea de măsură pentru penetrație este de [0,1 mm], adică adâncimea penetrării acului în proba de bitum.

Interpretarea rezultatelor este ușoară, de exemplu știm că bitumul cu penetrație de 200 [0,1 mm] este mai moale decât bitumul cu penetrație de 100 [0,1 mm], deoarece în primul acul a penetrat la 20 mm, iar în al doilea la 10 mm.

În general, cu cât este mai mare penetrația, cu atât este mai moale bitumul.

Încercarea poate fi efectuată la diverse temperaturi, deși în scopul clasificării bitumurilor a fost admisă cea de 25°C.

Determinarea penetrației este efectuată conform cu standardul EN 1426 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea penetrației cu ac. În figura 1.4. este prezentat principiul măsurării penetrației.

Figura 1.4. Principiul determinării penetrației

Figura 1.5. Vedere de ansamblu a aparatului de determinare a

penetrației cu proba de bitum amplasată (Laboratorul ORLEN ROMANIA)

Figura 1.6. Vedere a probei de bitum după efectuarea încercării

(Laboratorul ORLEN ROMANIA)

Punctul de înmuiere

Elementul principal al efectuării încercării este determinarea temperaturii „convenționale”, la care bitumul va atinge consistența stabilită. Determinarea punctului de înmuiere a bitumului se efectuează cel mai adesea prin metoda „inelului și a bilei”, prescurtată IB (TIB).

Cele două probe de bitum amplasate în inele din metal sunt încălzite în mod controlat în lichid (apă distilată pentru IB de la 28 la 80°C, glicerină pentru IB de la 80 la 150°C) aflat într-un vas din sticlă, iar fiecare dintre inelele umplute cu bitum susține o bilă din oțel. Lichidul este încălzit în mod controlat 5°C/minut. Drept punct de înmuiere se admite temperatura medie la care ambele cercuri de bitum se vor înmuia într-atât, încât fiecare dintre bilele înconjurate de bitum, învingând rezistența bitumului, se va deplasa pe o distanță de 25,0 mm±0,4 mm. Unitatea de măsură a rezultatului analizei punctului de înmuiere este [°C].

Determinarea punctului de înmuiere IB (citește: prin metoda „Inel și Bilă”) este efectuată conform cu standardul EN 1427 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea punctului de înmuiere. Metoda cu inel și bilă.

Figura 1.7. Principiul determinării punctului de înmuiere [2]

Figura 1.8. a) Aparat pentru analizarea punctului de înmuiere,

b) pahar de laborator din sticlă cu proba de bitum amplasată [2]

Figura 1.9. a Vedere a probei de bitum cu bilele aplicate pe inele,

a) începerea analizei, b) după finalizarea analizei [2]

Punct de rupere

Determinarea punctului de rupere este efectuată conform cu standardul EN 12593 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea punctului de rupere Fraass.

Efectuarea încercării constă în determinarea temperaturii la care va fisura stratul de bitum cu grosime de 0,5 mm, întins pe o placă de dimensiuni 20×41 mm amplasată în aparatul descris mai jos.

Proba de bitum de pe placa de oțel este amplasată în aparat și supusă unor îndoiri și detensionări mecanice ciclice. Procesul de îndoire are loc la fiecare 1°C în timpul reducerii uniforme a temperaturii de 1°C/minut, iar după fiecare îndoire a plăcii se observă stratul de bitum pe probă și se notează apariția fisurilor. Încercarea se încheie în momentul în care se observă prima fisură pe probă. Unitatea de măsură a punctului de rupere Fraass este [°C].

Figura 1.10. Principiul de efectuare a încercării de determinare a punctului de rupere Fraass,

a) placa cu bitum înainte de îndoire,

b) placa cu bitum după îndoire – momentul apariției fisurilor bitumului [2]

Figura 1.11. Vedere de ansamblu a aparaturii pentru determinarea punctului de rupere Fraass cu proba de bitum amplasată, a) aparat semiautomat, b) aparat automat

Figura 1.12. Vedere a probei de bitum pe placa introdusă în aparatul automat după efectuarea analizei – fisurare vizibilă a stratului de bitum [2]

Punct de inflamabilitate

Determinarea punctului de inflamabilitate este efectuată conform standardului EN ISO 2592 Determinarea punctului de inflamare și de aprindere. Metoda Cleveland cu vas deschis.

Punctul principal al efectuării încercării este determinarea temperaturii la care are loc aprinderea instantanee a vaporilor probei de bitum în mediul înconjurător.

Înainte de începerea încercării se notează valoarea presiunii atmosferice a mediului înconjurător, citite cu barometrul de laborator. Creuzetul cu proba de bitum este încălzit mai întâi cu o viteză de creștere a temperaturii de 14÷17șC/min. Când temperatura probei va fi cu aproximativ 56șC sub punctul de inflamabilitate prevăzut, se reduce încălzirea bitumului, astfel încât creșterea temperaturii în timpul ultimelor 23șC să fie de 5÷6 șC/min. În acest timp începe deplasarea flăcării de testare pe deasupra suprafeței bitumului din creuzet până la momentul în care aplicarea flăcării cauzează aprinderea vaporilor și întinderea flăcării pe suprafața bitumului. Punctul de inflamabilitate exprimat în [șC] determinat sub presiunea atmosferică a mediului înconjurător se corectează la presiunea atmosferică standard utilizând ecuația matematică corespunzătoare.

Figura 1.12. Vedere de ansamblu a aparaturii pentru determinarea punctului de inflamabilitate prin metoda creuzetului deschis Cleveland [2]

Solubilitate

Determinarea solubilității este efectuată conform standardului EN 12592 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea solubilității. Punctul principal al efectuării încercării este determinarea procentuală (raportat la toată proba de bitum) a acelei părți a masei bitumului, care se dizolvă într-un anumit solvent.

Proba de bitum este dizolvată în solvent și filtrată printr-un strat de pulbere de sticlă într-un creuzet din sticlă sinterizată. Materialul nedizolvat din bitum se spală, se usucă și se cântărește. Apoi se calculează rezultatul solubilității exprimate ca procent al masei părții dizolvate de bitum în raport cu masa întregii probe [% m/m].

Figura 1.13. Principiul determinării solubilității [2]

Datele legate de solubilitatea bitumului pot fi folosite la evaluarea conținutului de impurități al bitumului cu corpuri solide, de exemplu cocs, precum și pentru stabilirea valorii „T” conform punctului A.4. la calcularea conținutului de bitum solubil după extracția mixturii asfaltice conform EN 12697-1 Mixturi asfaltice. Metode de încercare pentru mixturi asfaltice preparate la cald. Partea 1: Conținut de liant solubil.

Figura 1.14. a) vedere de ansamblu a instrumentelor pentru determinarea solubilității,

b) vedere a probei de bitum dizolvate,

c) proba de bitum după efectuarea analizei [2]

Intervalul de plasticitate

Intervalul de plasticitate reprezintă o valoare numerică calculată pe baza prevederilor standardului EN 14023 subpunctul 5.2.8.4. Acesta este diferența dintre temperatura de înmuiere și punctul de rupere Fraass. Unitatea de măsură a intervalului de plasticitate este [șC].

Astfel:

Intervalul de plasticitate = TIB – TFraass

Prin definiție, intervalul de plasticitate este intervalul de temperatură, în care liantul bituminos își păstrează proprietățile viscoelastice.

Indicele de penetrație Ip

Indicele de penetrație Ip este o măsură a sensibilității termice a bitumului și este calculat cu ajutorul ecuației pe baza valorii cunoscute a penetrației la 25°C (100 g, 5 s), determinate conform cu EN 1426 și a punctului de înmuiere determinat conform cu EN 1427. Indicele de penetrație este o măsură adimensională [-]. Cu cât este mai mic Indicele de penetrație, cu atât mai repede își modifică lianții consistența odată cu modificarea temperaturii.

Calcularea Indicelui de penetrație conform EN 12591 se bazează pe premisa că bitumul are la temperatura de înmuiere o penetrație egală cu 800 [0,1 mm].

Ip se calculează pe baza prevederilor din Anexa A la norma EN 12591.

tIB – punct de înmuiere IB în grade Celsius;

lg P – logaritm zecimal din valoarea penetrației la 25°C [0,1 mm].

Viscozitate dinamică la 60°C

Această încercare poate fi efectuată prin mai multe metode, din care cele mai frecvent folosite sunt:

• metoda capilarelor în vid conform EN 12596

• metoda Brookfield conform EN 13302 sau conform ASTM D 4402

Descrierea detaliată a acestei încercări este prezentată în normele europene pentru specificația bitumurilor unde este folosită metoda capilarelor în vid EN 12596, iar metoda Brookfield, metodă mult mai simplă și mai ieftină, este folosită frecvent pentru stabilirea temperaturilor tehnologice.

Densitatea

Analiza densității bitumului este efectuată conform cu standardul EN 15326 Bitum și lianți bituminoși. Măsurarea densității și greutății specifice. Metoda picnometrului cu dop capilar. Punctul principal al efectuării încercării este determinarea raportului densității liantului bituminos analizat față de densitatea lichidului de test, determinate în aceleași condiții de temperatură.

În picnometru se introduce proba de bitum cu volum determinat cu precizie la temperatura de 25˚C. După atingerea echilibrului de temperatură, proba este cântărită cu exactitatea corespunzătoare. Apoi este repetat procesul cu lichidul de test, adică este cântărit exact același volum de lichid de test (cu densitate cunoscută) ca și cel al bitumului. Densitatea și greutatea specifică sunt calculate conform formulei corespunzătoare pe baza cunoașterii diferenței dintre masele determinate. Unitatea de densitate este [g/cm3].

În versiunile mai vechi ale normelor bituminoase, pentru analizarea densității era utilizată norma EN ISO 3838 Țiței și produse petroliere lichide sau solide. Determinarea densității sau a densității relative. Metoda picnometrului cu dop capilar și metoda picnometrului bicapilar gradat.

Densitatea bitumului este necesară printre altele pentru calcularea parametrilor volumetrici ai mixturilor asfaltice conform EN 12697-8 Mixturi asfaltice. Metode de încercare pentru mixturi asfaltice preparate la cald. Partea 8: Determinarea caracteristicilor volumetrice ale epruvetelor bituminoase.

Îmbătrânirea tehnologică RTFOT

Cele mai intense procese de îmbătrânire a bitumului se produc în timpul amestecării acestuia cu agregatul fierbinte în agitatorul unității de producție. În această etapă temperatura este cea mai ridicată, iar stratul de bitum pe agregat – foarte subțire. În acest timp vaporizarea fracțiilor ușoare și oxidarea bitumului sunt cele mai rapide și cele mai intense, iar bitumul se întărește intens (îmbătrânește). Acest proces a fost denumit îmbătrânire tehnologică sau de scurtă durată. Următoarea etapă este îmbătrânirea de exploatare (de lungă durată), ce are loc în îmbrăcăminte de-a lungul mai multor ani de utilizare a drumului.

În urma îmbătrânirii, bitumul se întărește (își mărește rigiditatea), iar acest lucru înseamnă, printre altele, că:

• îi scade penetrația;

• îi crește temperatura de înmuiere;

• crește (se deteriorează) temperatura de rupere;

• crește viscozitatea.

În timpul considerațiilor noastre despre bitum ca material de construcții, nu putem trece cu vederea semnificația îmbătrânirii bitumului. Să reținem că bitumul care a fost încorporat în structura drumului va fi un bitum deja “îmbătrânit” după îmbătrânirea tehnologică. De aceea, nu fără motiv, se analizează susceptibilitatea bitumurilor la îmbătrânire. Semnificația de bază o are îmbătrânirea tehnologică (la temperaturi ridicate).

Din punctul de vedere al calității suprafeței este necesar să se verifice modificările apărute după îmbătrânirea tehnologică, cel puțin la proprietățile de bază ale bitumului – penetrația, temperatura de înmuiere, viscozitatea și revenirea elastică (pentru bitumurile modificate). Din acest motiv a fost elaborată o serie de metode de încercare, care au drept scop simularea procesului de îmbătrânire și drept rezultat obținerea unor probe de liant bituminos „după îmbătrânire” destinate pentru încercări ulterioare.

Unul dintre testele folosite pe scară largă este încercarea de îmbătrânire tehnologică prin metoda RTFOT (eng.: Rolling Thin Film Oven Test) efectuată conform normei EN 12607-1 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea rezistenței la întărire sub efectul căldurii și aerului. Partea 1: Metoda RTFOT. Aceasta constă în supunerea unui strat subțire de liant bituminos acțiunii aerului cald care îl înconjoară pe o perioadă de timp stabilită.

Probele de bitum amplasate în recipientele de sticlă anterior cântărite sunt montate pe un disc rotativ special în interiorul uscătorului pentru efectuarea testului RTFOT la temperatura 163șC cu flux de aer pornit direct pe probă. După un timp stabilit, probele în recipientele din sticlă sunt scoase din uscător și răcite până la temperatura mediului înconjurător. Liantul aflat în recipientele din sticlă se află după testul de simulare a îmbătrânirii tehnologice și poate fi destinat pentru alte analize.

Figura 1.15. Vedere de ansamblu a aparaturii pentru desfășurarea încercării de îmbătrânire tehnologică RTFOT [2]

Figura 1.16. a) Recipiente din sticlă (goale) pentru probele de bitum pentru testul RTFOT, b) Recipientele introduse în uscătorul RTFOT înainte de începerea analizei [2]

Proprietăți după RTFOT

După testul RTFOT se obține o anumită cantitate de bitum îmbătrânit. În continuare, se efectuează încercările care au drept scop să verifice cu cât s-au modificat proprietățile liantului în urma îmbătrânirii tehnologice.

Penetrația reziduală după îmbătrânire

În urma procesului de îmbătrânire tehnologică penetrația bitumului scade. Proba de bitum obținută din testul RTFOT este supusă analizei penetrației la 25șC conform cu standardul EN 1426. Apoi se calculează rezultatul celeilalte penetrații după îmbătrânirea la un anumit procent [%] a penetrației inițiale a bitumului înainte de îmbătrânirea RTFOT (admițând penetrația bitumului proaspăt ca 100%).

Creșterea punctului de înmuiere după îmbătrânire

După îmbătrânirea tehnologică, punctul de înmuiere a bitumului de obicei crește. Temperatura obținută în proba de bitum (după RTFOT) este supusă încercării de determinare a punctului de înmuiere conform normei EN 1427. Apoi se calculează rezultatul creșterii punctului de înmuiere după îmbătrânirea la [șC] ca diferență a rezultatului temperaturii de înmuiere obținute în probă după îmbătrânirea RTFOT și a punctului de înmuiere a bitumului neîmbătrânit.

Scăderea punctului de înmuiere după îmbătrânire

Se întâmplă ca punctul de înmuiere după RTFOT să fie mai mic în cazul anumitor bitumuri modificate, acest lucru depinzând de modificatorul utilizat și de tehnologia de modificare. De aceea, în specificația pentru bitumurile modificate conform EN 14023 se află cerința opțională de stabilire a acestei proprietăți. Această cerință există, de exemplu, în anexa națională poloneză NA la norma PN-EN 14023:2011.

Modificarea masei după îmbătrânire (valoare absolută)

În urma acțiunii procesului de îmbătrânire tehnologică, masa bitumului se poate modifica (poate să crească sau să scadă). Modificarea masei după îmbătrânire se stabilește conform standardului EN 12607-1 (RTFOT). Aceasta constituie diferența în masa probei de bitum proaspăt și masa aceleiași probe după efectuarea testului RTFOT. Rezultatul final este o valoare absolută a diferenței procentuale a maselor probei înainte și după

1.5.2. Proprietățile bitumurilor modificate cu polimeri

Revenirea elastică

Nicio încercare convențională a bitumului modificat cu polimeri nu reflectă proprietățile elastice ale acestui material. A luat astfel naștere o încercare pentru care a fost adaptat parțial testul de ductilitate. Aceasta este determinarea „revenirii elastice”.

Determinarea revenirii elastice este efectuată conform normei EN 13398 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea revenirii elastice a bitumului modificat. Punctul principal al efectuării încercării este determinarea exprimării convenționale a elasticității bitumului sub forma măsurării distanței dintre capetele probei întinse și tăiate în condiții stabilite.

Proba de bitum este întinsă la o temperatură stabilită (cel mai adesea la 25°C sau 10°C) cu o viteză constantă de 50 mm/min până la elongația 200 mm. Firul de bitum creat astfel este tăiat la mijloc astfel încât să se obțină două părți. După 30 de minute este măsurată distanța dintre ambele capete ale probei tăiate. Apoi se calculează rezultatul revenirii elastice exprimat ca procent în raport cu mărimea elongației [%].

Calcularea revenirii elastice (RE) se efectuează conform formulei în care:

d – distanța dintre capetele probei tăiate [mm],

L – întinderea probei, de obicei 200 mm (poate fi o lungime mai mică în cazul ruperii premature a probei) .

Revenirea elastică se exprimă în procente, unde 0% semnifică lipsa elasticității, iar 100% este revenirea completă la forma inițială. În bitumurile modificate cu elastomeri (în funcție de cantitatea de elastomer) se obține revenirea elastică de peste 50% și acesta este testul de bază al acțiunii (și prezenței) elastomerului. Rezultatul încercării este dat cu o exactitate de până la 1%.

Figura 1.17. Principiul efectuării încercării de determinare a revenirii elastice [2]

Figura 1.18. Vedere de ansamblu a aparaturii pentru determinarea revenirii elastice[2]

Figura 1.19. a) Vedere a probei de bitum modificat în forme înainte de începerea analizei, b) probele după întindere și tăiere, în timpul revenirii [2]

Revenire elastică la 25°C după îmbătrânirea RTFOT

Determinarea revenirii elastice a bitumului după îmbătrânirea RTFOT conform EN 12607-1 se efectuează conform standardului EN 13398.

Rezultatul încercării răspunde la întrebarea, în ce măsură acțiunea polimerului (elastomerului) rămâne eficientă după îmbătrânire, și deci cât de eficientă va fi în suprafața de drum efectivă.

Rezistența la tracțiune

O coeziune a bitumului suficient de ridicată îi permite transferarea rezistențelor la tracțiune. Se pleacă de la premisa că datorită acestui fapt suprafața de drum este mai rezistentă la fisurări.

Încercarea rezistenței la tracțiune (la o viteză de întindere mică) este efectuată conform standardului EN 13589 Bitumuri și lianți bituminoși. Determinarea caracteristicilor de tracțiune a bitumurilor modificate prin metoda forței de ductilitate.

Punctul principal al încercării este determinarea forței necesare pentru întinderea probei (până la o elongație corespunzătoare) la o temperatură stabilită.

Proba formată corespunzător pentru încercare se introduce în ductilometru la temperatura corespunzătoare (stabilită pentru fiecare tip de bitum modificat) a băii de apă. Proba este apoi supusă unei întinderi uniforme cu viteza de 50 mm/min până la atingerea elongației de minimum 1333% (400 mm).

Senzorii înregistrează forța în timpul întregului proces de întindere. Rezultatul final este calculat conform standardului EN 13703 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea energiei de deformare pe baza citirii datelor din dispozitiv. Unitatea de coeziune a bitumurilor modificate este [J/cm2].

Stabilitatea în timpul depozitării bitumurilor modificate

Această încercare face parte din grupa de proprietăți de producție și contează pentru stabilirea termenului de valabilitate a bitumului modificat. Așa cum a fost descrisă anterior, tehnologia de producție a bitumurilor modificate cu polimeri constă în introducerea în bitum a polimerului corespunzător și în obținerea, cu utilizarea tehnologiei corespunzătoare, a parametrilor doriți ai produsului. Deși descrierea de mai sus a acestui proces este foarte simplificată, producătorii de bitumuri modificate întâlnesc diverse dificultăți, printre altele incompatibilitatea bitumului și a polimerului, ce poate avea ca efect separarea polimerului de bitum după un anumit timp de la finalizarea producției.

Figura 1.20. Principiul de efectuare a încercării rezistenței la tracțiune – graficul dependenței energiei de deformare [2]

Figura 1.21. Vedere a probei de bitum modificat în forme înainte de începerea analizei, b) probele după întindere și tăiere, în timpul întinderii până la 400 mm [2]

Figura 1.22. Vedere de ansamblu a tubului umplut și închis pentru efectuarea „testului tubular” și a probei de bitum modificat tăiate în 3 părți [2]

Scopul determinării stabilității este verificarea dacă bitumul modificat este expus la pericolul separării polimerului de bitum. Determinarea stabilității în timpul depozitării bitumurilor modificate se efectuează conform normei EN 13399 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea stabilității la depozitare a bitumului modificat. Uzual, această analiză se numește test „tubular”, deoarece probele de liant sunt turnate în tuburi de metal.

Proba de bitum modificat introdusă într-un tub de aluminiu este supusă încălzirii în poziție verticală, la temperatura de 180°C pe o perioadă de 72 de ore. După această perioadă, tubul este lăsat să se răcească. După răcire, se scoate învelișul din aluminiu al tubului și se taie proba în trei părți aproximativ egale. Partea din mijloc a probei se aruncă. Pentru partea de sus și de jos a probei se efectuează determinarea punctului de înmuiere conform cu EN 1427 și eventuala determinare a penetrației la 25°C conform EN 1426. Ca rezultat al determinării stabilității este admisă diferența între valorile determinărilor punctului de înmuiere (penetrația la 25°C) obținute pentru partea de sus și cea de jos a probei de bitum modificat.

Microstructura bitumurilor modificate

Încercarea se efectuează conform standardului EN 13632 Bitum și lianți bituminoși. Vizualizarea dispersiei polimerilor în bitumuri modificate cu polimeri. Scopul încercării este obținerea informației, în ce mod a fost dispersat polimerul în bitum. Încercarea este efectuată pe ruptura proaspătă a probei înghețate de bitum modificat, sub microscopul fluorescent cu lampă UV prin analiza imaginii în lumina reflectată.

Rezultatul este dat ca set de coduri din litere:

Continuitate fază:

P: Fază polimerică continuă

B: Fază bituminoasă continuă

X: Continuitatea ambelor faze (încrucișate reciproc)

Descrierea fazei:

H: Uniformă

I: Neuniformă

Descriere dimensiune:

S: Mic (< 10 μm)

M: Mediu (de la 10 μm la 100 μm)

L: Mare (> 100 μm)

Descrierea formei:

r: Rotundă, ovală

s: Longitudinală

o: Altele

1.5.3.Alte proprietăți ale bitumurilor

Conținutul de parafină

Analiza conținutului de parafină în bitum se efectuează conform standardului EN 12606-1 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea conținutului de parafine. Partea 1: Metoda distilării. Punctul principal al efectuării încercării este determinarea procentului de conținut de parafină în distilatul de bitum obținut printr-un proces de distilare strict stabilit.

Proba de bitum se încălzește mai întâi într-un vas de porțelan și este amplasată într-un balon de distilare. Apoi bitumul din balon este supus unor condiții de distilare stabilite în procesul de încălzire. Distilatul rezultat se răcește la temperatura camerei și se cântărește. Apoi distilatul se dizolvă într-un amestec de eter și etanol cu proporțiile corespunzătoare.

Amestecul format se răcește până la temperatura -20°C din care, în procesul de filtrare, se precipită parafina. Parafina spălată și extrasă corespunzător este cântărită, iar pe baza informațiilor obținute se calculează conținutul de parafină din bitum exprimat ca procent în raport cu masa probei de bitum [% m/m].

Există o a doua metodă de stabilire a conținutului de parafină în bitum, folosită mai rar – EN 12606-2 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea conținutului de parafine. Partea 2: Metoda prin extracție.

Trebuie menționat că, de câțiva ani, în standardul european EN 12591 și în celelalte standarde EN 14023 și EN 13924 nu mai există cerințe referitoare la conținutul de parafină.

Adezivitatea bitumului la agregatele minerale

Adezivitatea este apariția unei legături între straturile de suprafață a două corpuri (solide sau lichide) care au fost aduse în contact [2].

O aderență bună a bitumului la suprafața agregatului este unul din factorii care influențează rezistența straturilor structurii rutiere.

Printre factorii ce influențează adezivitatea putem include:

• Gradul de umiditate a agregatelor – stratul de apă pe agregate nu permite anrobarea corectă a granulelor cu bitum. Acest defect al agregatelor poate fi eliminat prin depozitarea corespunzătoare pe terenul fabricii de mixturi asfaltice și în timpul procesului de uscare a agregatelor în unitatea de producție.

• Prăfuirea agregatului – această problemă apare atunci când stratul de praf aflat pe granulele de agregat reprezintă o barieră care întrerupe accesul bitumului la suprafața granulelor de agregat. Și această problemă poate fi soluționată (cel puțin parțial) prin îndepărtarea eficientă a prafului în unitatea de producție.

• Microtextura granulelor de agregat – cu cât este mai bună microtextura agregatului, cu atât este mai mare suprafața de aderență a bitumului la agregat. Pe lângă suprafața efectivă de contact, un rol esențial în întărire este jucat de numeroșii pori existenți la suprafața granulelor.

• Granulația mixturii – cu cât grosimea filmului de bitum pe agregat este mai mare, cu atât îmbinarea bitumului cu agregatul este mai durabilă. Astfel, mixturile cu granulație discontinuă (de exemplu SMA), cu un exces intenționat de bitum sunt în acest sens benefice din punctul de vedere al adezivității bitumului la agregat.

Gradul de aciditate a agregatului. Toate agregatele rutiere pot fi clasificate conform

conținutului de siliciu (SiO2). Agregatele caracterizate de cel mai mare conținut de siliciu (peste 65%) au fost denumite acide1 (de exemplu cuarțite, granituri), iar cele cu un conținut de siliciu sub 55% — bazice (calcare, dolomiți, unele bazalturi). Conținutul 55-65% SiO2 indică un agregat intermediar. Aciditatea agregatului astfel clasificată indică orientativ „afinitatea” adezivă a acestuia față de liant deoarece bitumurile au o adezivitate mult mai bună la agregatele bazice decât la agregatele acide (agregatele acide sunt mai hidrofile — se umezesc mai bine cu apă). De aceea, pentru agregatele acide și intermediare se folosesc de obicei substanțe adezive speciale.

• Proprietățile fizico-chimice ale bitumului. Bitumul conține mai mulți compuși cu caracter acid, de aici o adezivitate mai bună la agregatele bazice. Bineînțeles se poate întâmpla cazul în care bitumul va avea o aderență slabă și la un agregat bazic. Acest lucru are legătură cu proprietățile chimice ale bitumului, legate de tipul petrolului, din care bitumul a fost produs și de tehnologia de producție.

Pe lângă factorii enumerați mai sus, pentru o adezivitate corespunzătoare este necesar ca bitumul să aibă o viscozitate suficient de mică, adică să fie suficient de lichid pentru a acoperi agregatul.

Analizele efectuate de Chis Timur [2] au indicat și faptul că adezivitatea se îmbunătățește odată cu durata păstrării mixturii asfaltice fierbinți în siloz.

Determinarea adezivității bitumului la agregate se poate efectua aplicând standardul EN 12697-11 Mixturi asfaltice. Metode de încercare pentru mixturi asfaltice preparate la cald. Partea 11: Determinarea afinității dintre agregate și bitum.

Conform acestei norme, afinitatea agregatului la bitum a fost stabilită ca gradul stabilit vizual de acoperire cu liant a granulelor de mixtură asfaltică neîntărită, supusă procedurii:

• de amestecare în apă a sticlelor rostogolite într-un timp stabilit (metoda A),

• de scufundare în apă timp de 48 de ore (metoda B),

• cu utilizarea acizilor (HCl sau HF) și a unei soluții de fenolftaleină ca indice și de fierbere în apă timp de 10 minute (metoda C).

Pentru încercare se folosește un agregat de fracție corespunzătoare. Agregatul este spălat, uscat și amestecat cu liantul până la obținerea unei acoperiri uniforme. Procedura este stabilită de standard, în funcție de metoda care este folosită pentru determinare.

Figura 1.23. Sticlele pentru încercarea spălării liantului de pe agregat prin metoda A pe aparatul de rotire conform EN 12697-11 [2]

Figura 1.23. Probele de agregat după efectuarea încercării prin metoda A conform EN 12697-11 [2]

1.5.4.Testele de verificare a adezivității liantului la agregat în încercările mixturilor asfaltice

Pe lângă determinarea directă a rezistenței aderenței bitumului la agregat, precum în metodele descrise mai sus, se utilizează diverse metode de determinare a rezistenței la apă și temperaturi negative a probelor mixturilor asfaltice, care răspund în mod indirect la întrebarea privind rezistența legăturii bitum-agregat. Cel mai utilizat test este dat de metoda conform EN 12697-12 Mixturi asfaltice. Metode de încercare pentru mixturi asfaltice preparate la cald. Partea 12: Determinarea sensibilității la apă a epruvetelor bituminoase, adică elaborarea probelor de mixtură asfaltică, efectuate conform metodei de compactare (așa-numitele probe Marshall) și supuse despicării. Indicele ITSR astfel obținut este o măsură a rezistenței mixturii asfaltice la apă și temperaturi negative (cât timp este utilizat ciclul de îngheț).

Metoda de îmbătrânire PAV

Al doilea tip de îmbătrânire este îmbătrânirea de exploatare. Aceasta are loc în timpul exploatării îmbrăcăminților bituminoase și constă în acțiunea oxigenului, a radiațiilor UV, a substanțelor incluse în apa de ploaie, a substanțelor chimice utilizate pentru dezghețare etc. Îmbătrânirea de exploatare cauzează o modificare graduală a proprietăților bitumului în cursul multor ani de utilizare a suprafeței. În urma acesteia are loc și o întărire graduală, deși lentă, a bitumului.

Pentru determinarea sensibilității liantului la îmbătrânirea de exploatare a fost creat aparatul PAV Pressure Aging Vessel (PAV) – recipient de îmbătrânire sub presiune. Analiza în PAV poate fi efectuată conform ASTM D6521/AASHTO R28 (Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel (PAV) sau conform EN 14769 Bitum și lianți bituminoși. Îmbătrânire de durată, accelerată, realizată într-un recipient de îmbătrânire sub presiune (PAV).

Bitumul supus analizelor în PAV este un bitum supus mai înainte testului RTFOT, deci mai întâi avem îmbătrânirea tehnologică (precum în unitatea de producție), și apoi pe cea de exploatare (pe drum). Recipientul cu bitum este supus acțiunii presiunii 2.1 MPa timp de 20 de ore și unei temperaturi care depinde de tipul de PG2 (90˚C, 100˚C sau 110˚C). Întregul proces trebuie să simuleze perioada de 7-10 ani de îmbătrânire a bitumului din îmbrăcămințile rutiere.

Probele de bitum după îmbătrânirea în PAV sunt folosite pentru analizarea proprietăților bitumului la temperaturi joase (fisurarea) și la temperaturi intermediare (oboseala).

Metoda BBR

Pentru stabilirea proprietăților la temperaturi joase ale bitumului, în USA (ca parte a sistemului Performance Grade), precum și în Europa se folosește ca analiză adițională metoda reometrului cu bară de încovoiere (eng. BBR – Bending Beam Rheometer).

Metoda a fost normată în USA ca ASTM D6648 Standard Test Method for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer (BBR) și în Europa ca EN 14771 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea modulului de rigiditate și flexiune. Reometru cu bară de încovoiere.

Metoda BBR și rezultatele încercărilor cu acest aparat sunt descrise la capitolul 11.

Metoda DSR

Determinarea proprietăților reologice complexe ale bitumurilor este posibilă în reometrul de forfecare dinamică (eng. DSR – Dynamic Shear Rheometer). Printre parametrii analizați cel mai des în acest dispozitiv pot fi menționați modulul compus și unghiul de fază analizate în intervale diverse de temperatură și frecvență

Analiza a fost normată ca AASHTO T 315 Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR) și EN 14470 Bitum și lianți bituminoși. Determinarea modulului complex de forfecare și a unghiului de fază. Reometru cu forfecare dinamică (DSR).

Conținutul de componente insolubile în n-heptan

Determinarea conținutului de componente insolubile în n-heptan este efectuată conform normei ASTM D 4124 Standard Test Method for Separation of Asphalt into Four Fractions. Punctul principal al efectuării încercării este determinarea procentului de părți insolubile în bitumul supus acțiunii solventului (în acest caz n-heptan). Se admite că rezultatul obținut stabilește conținutul de asfaltene din liant.

Proba de liant bituminos este supusă dizolvării în solvent (n-heptan). Soluția rezultată astfel este filtrată prin stratul de pulbere de sticlă (din sticlă sinterizată) în vasul denumit creuzet. Materialul nedizolvat este apoi spălat, uscat și cântărit. Rezultatul conținutului componentelor insolubile în n-heptan este calculat în procente [% m/m] în raport cu proba, înainte de supunerea la acțiunea solventului.

Această cerință este întâlnită foarte rar.

1.5.5. Constituția bitunurilor

Bitumul este un sistem dispers constituit din asfaltene (cu mase moleculare până la

Circa 5 000) în suspensie în faza continuă formată din ulei și din rășini.

Într-un număr de 25 de bitumuri rutiere de diferite proveniențe, cu penetrația 100 la 20°C, procentul de asfaltene a variat între 12 și 30, cel de rășini între 25 și 40 iar cel de ulei între 45 și aproape 60.

Pe lângă hidrocarburi, bitumul conține compuși cu sulf (0,5 – 6% sulf), compuși cu oxigen și azot (sub 1,5%), precum și cu unele metale (vanadiu, nichel, fier, în proporții de

Ppm), în funcție de natura țițeiului din care provine [9].

În cazul a două bitumuri rutiere, obținute prin oxidare din țițeiuri românești nu se

Observă deosebiri apreciabile decât în privința unor elemente metalice [10,11,12,13].

În funcție mai ales de natura hidrocarburilor din ulei, se face distincție între bitumurile sub formă de sol și cele sub formă de gel.

În bitumurile din prima categorie asfaltenele sunt constituite din micele mici, faza continuă având o proporție mare de rășini și de hidrocarburi aromatice.

Aceste bitumuri au o susceptibilitate mare la variația temperaturii (penetrație mică pentru un anumit punct de înmuiere), o ductilitate ridicată, curgere newtoniană ce practic nu prezintă tixotropie nici elasticitate, viteză mică de întărire prin îmbătrânire, tendință mică la exudație (separare de ulei).

Bitumurile sub formă de gel conțin micele mari, faza continuă având puține aromatice și rășini. Aceste bitumuri prezintă o susceptibilitate mică cu variația temperaturii

(penetrație mare pentru un punct de înmuiere dat), ductilitate mică, curgere nenewtoniană,

Sunt tixotropice și elastice, se întăresc repede în timp și au tendință mare la exudație.

Între aceste două categorii (extreme) există o serie de sisteme intermediare în care

predomină categoria gel sau sol, în raport cu compoziția și cu temperatura bitumului în

cauză.

Figura 1.24. Structură chimică a bitumului [14]

1.6. Proprietăți ale bitunurilor

Densitatea bitumurilor

Densitatea bitumurilor este determinată conform standardelor:

• EN ISO 3838 Țiței și produse petroliere lichide sau solide. Determinarea densității sau a densității relative. Metoda picnometrului cu dop capilar și metoda picnometrului bicapilar gradat

• EN 15326 Bitum și lianți bituminoși. Măsurarea densității și greutății specifice. Metoda picnometrului cu dop capilar

Tabelul 1.6. Densitatea bitumurilor tip ORLEN [28]

Solubilitatea bitumurilor

În timpul efectuării extracției probei de mixtură asfaltică conform EN 12697-1 pot fi utilizați diverși solvenți. În tabelul 1.7 sunt prezentate rezultatele analizei solubilității lianților bituminoși produși de ORLEN Asfalt, cu utilizarea metodei de lucru conform EN 12592. Rezultatele menționate, conform EN 12592, pot fi utilizate pentru calcularea „T” conform punctului A.4. din standardul EN 12697-1.

Tabelul 1.7. Solubilitatea bitumurilor tip ORLEN [28]

Căldura specifică a bitumului:

Căldura specifică a bitumului depinde de tipul bitumului și de temperatură. Valoarea căldurii specifice a bitumului la temperatura 0°C este de 1670 J/(kg·K) până la 1800 J/(kg·K). Cu aproximație, se admite o valoare medie pentru diverse tipuri de bitumuri de 1700 J/(kg·K) la temperatura de 0°C.

Căldura specifică a bitumului pentru o temperatură dată poate fi calculată conform formulei:

În afară de determinările obișnuite (punct de înmuiere, penetrație, ductilitate, punct

de rupere la temperatură scăzută), bitumul se caracterizează prin viscozitatea propriu-zisă

sau aparentă.

în care:

ct – căldura specifică a bitumului [J/(kg·K)] la temperatura dorită t

t – temperatura [°C], pentru care calculăm căldura specifică a bitumului, t ∈ 〈0,1,2…200〉,

Extensibilitatea bitumului:

Coeficientul extensibilității volumetrice a bitumului în intervalul de temperatură de la 15°C la 200°C este de 0,00061.

Conductivitatea termică:

Conductivitatea termică a bitumului este de 0,157 W/m·K. Trebuie reținut că aceasta scade cu 15% la temperaturi de peste 100°C.

Constanta dielectrică

Constanta dielectrică (50 Hz):

la temperatura de 0°C – 2,6

la temperatura de 100°C – 3,0

Tabelul 1.8. Viscozitatea bitumurilor ORLEN

Figura 1.25. Nomogramă pentru determinarea indicelui de penetrație al bitumului

Capitolul 2

Metode de fabricare a bitumului

2.1. Introducere

Materiile prime folosite pentru fabricarea bitumurilor suntreziduurile de distilare în vid, de dezasfaltare cu propan, extractele de la solventarea uleiurilor și uleiurilor grele.

Îngeneral, acestea provin din țițeiuri naftenice și intermediare.

Randamentul în bitum rezidual, cu penetrație 100, dintr-un țiței poate fi determinat

aproximativ din figura 2.1. Cantitatea și calitățile bitumurilor rezultate din diferite materii

prime și tehnologii se poate estima prin experimentări în laborator.

Figura 2.1. Variația orientativă a randamentului în bitum funcție de densitatea țițeiului

În practică, producerea bitumurilor se realizează prin tehnologiile uzuale de distilare (bitumuri reziduale), de extracție cu solvenți C3 – C4 (bitumuri de precipitare), de suflare cu aer (bitumuri oxidate), compoundare, sau combinări ale acestor procese în funcție de profilul rafinăriei și de sorturile solicitate, în figură 2.2 se prezintă schematic schimbările tipice de compoziție (u1eiuri, rășini, asfaltene) într-un bitum obținut din aceeași materie primă prin procesele de distilare, dezasfaltare și oxidare.

Figura 2.2 schimbări tipice de compoziție într-un bitum obținut prin

1- procesul de distilare

2- dezasfaltare

3- oxidare

În cele ce urmează se expune tehnologia obținerii bitumurilor din țiței.

Procedeele variază în funcție de calitățile ce se cer bitumului dar mai ales în raport cu natura țițeiului supus prelucrării. Astfel, din țițeiuri asfaltoase se pot obține cu randament mare bitumuri comerciale direct prin distilarea țițeiului. în cazul altor țițeiuri, tehnologia se bazează pe suflarea cu aer a diverselor reziduuri de distilare, extracte etc. Bitumul rezultat în operația de dezasfaltare cu propan poate fi folosit ca atare sau după suflare, singur sau în amestec cu alte materii prime.

Obținerea bitumurilor prin distilare reprezintă o tehnologie relativ simplă. Din țițeiurile asfaltoase se obțin randamente mari de bitum de calitate bună. Utilizarea țițeiurilor semiparafinoase pune probleme deosebite. De multe ori aceste țițeiuri conțin în fracțiunile grele hidrocarburi parafinice solide: parafină și cerezină. Deoarece prezența acestora dăunează proprietăților bitumului, distilarea trebuie făcută foarte adânc pentru a le elimina.

Întrebuințarea țițeiurilor parafinoase în aceleași scopuri complică și mai mult procesul deoarece conținutul de hidrocarburi parafinice în fracțiunile grele este mai ridicat decât la țițeiurile semiparafinoase. în orice caz, utilizarea țițeiurilor semiparafinoase și mai ales a celor parafinoase la obținerea bitumurilor direct prin distilare se poate face numai în măsura în care reziduul rămas satisface condițiile de calitate, având un conținut cât mai redus de parafine solide. Chiar și așa randamentele față de țiței fiind de obicei mici, aplicareza distilării în vid numai în scopul obținerii de bitum din ambele tipuri de țițeiuri trebuie considerată și sub aspectul economic. Distilarea se realizează în instalații de tipul celor utilizate curent în prelucrarea țițeiului.

în cazul în care trebuie lucrat în vid foarte înaintat, distilare a se face în două trepte succesive. în ambele trepte de evaporare se introduce la baza coloanei abur de stripare supraîncălzit. Se lucrează astfel ca în ultimul evaporator, presiunea parțială a uleiului să fie sub 5 torr. O atenție deosebită trebuie dată evitării descompunerilor termice, fie datorită unor supraîncălziri în serpentinele cuptoarelor, fie unui timp mare de ședere a reziduului în baza coloanei, la temperaturi ridicate (în instalații, temperatura maximă pe care o atinge produsul, la ieșirea din cuptor, este de ordinul ).

În tabelul (2.1.) se dau condițiile medii de temperatură și presiune aplicate la distilarea în vid în scopul producerii de bitum [26].

Tabelul 2.1. Condițiile medii de temperatură și presiune aplicate la distilarea în vid în scopul producerii de bitum

Suflarea cu aer este cea de a doua tehnologie importantă de obținere a bitumurilor. în Romania din cauza naturii țițeiurilor, suflarea cu aer este tehnologia de bază în fabricarea bitumurilor. Materiile prime utilizate sunt foarte variate.

În tabelul 2.2. se dau caracteristicile unor materii prime utilizate în țara noastră la fabricarea bitumurilor [9].

S-au făcut încercări reușite de întrebuințare a păcurilor cracate termic la fabricarea bitumurilor de drumuri [10,11,12].

Cu toate acestea, ca urmare a cerințelor de calitate impuse pe plan mondial se evită întrebuințarea păcurilor de cracare termică la producerea bitumurilor de calitate superioară.

Tabelul 2.2. Caracteristicile unor materii prime utilizate în țara noastră la fabricarea bitumurilor

Procesul tehnologic constă în principiu din suflarea cu aera materiilor prime la temperaturi de 220-290°C.

În timpul suflării au loc reacții de oxidare și dehidrogenare, urmate de polimerizări și condensări care duc la schimbarea structurii chimice și în ultimă analiză la modificarea proprietăților geologice ale bitumului. în tabelele 2.3 și 2.4 se arată variația conținutului de uleiuri, rășini și asfaltene la suflarea cu aer a diferitelor păcuri [15].

Procesul de suflare este exoterm. Căldura de reacție variază cu natura materiei prime și cu gradul de suflare.

Definind drept căldură diferențială cantitatea de căldură eliberată de creșterea cu l0°C a punctului de înmuiere (inel și bilă) a unui kilogram de produs supus suflării, în kcal/kg grd., se constată că această mărime variază cu punctul de înmuiere al materiei prime (la puncte de înmuiere de circa având valori de ordinul a 5 kcal/kg·grd. și la puncte de înmuiere de peste coborând la valori sub 1,0 kcal/kg·grd.) precum 2 și cu natura materiei prime [26,27].

Tabelul 2.3.Căldura integrală de reacție reprezintă cantitatea de căldură eliberată de un kilogram de produs supus suflării la cresterea punctului de înmuiere între două limite oarecare de temperatură și se exprimă în kcal/kg.

Tabelul 2.4. Creșterea conținutului în asfaltene la suflarea cu aer a păcurii

In tabelul 2.5 se dau căldurile integrale de reacție determinate la suflarea cu aer a unor materii prime cu puncte de înmuiere diferite, până la un punct de înmuiere final de 121°C.

Analiza datelor experimentale€ de laborator a permis să se tragă concluzia că viteza procesului este determinată atât de difuziunea în lichid cit și de cea în vapori.

Peste un anumit grad de amestecare încetează influența difuziunii In lichid.

Datele experimentale au fost corelate cu o viteza de reacție de ordinul I sub forma:

În care: este timpul de suflare, în ore;

– punctul de înmuire (I + B) al materiei prime, în °C;

– punctul de Înmuiere (I + B) al produsului la timpul , în °C;

– constanta vitezei globale de reacție.

Pe baza unor experiențe la scară de laborator, s-a putut corela constanta vitezei de reacție cu criteriul de turbulență R, calculat pentru aerul de suflare la viteză prin vasul gol.

Influența condițiilor de lucru (temperatură, debit de aer, timp) și a agitării mecanice asupra calității bitumului a fost studiată în diverse cazuri.

La un punct de înmuiere dat se constată că prin creșterea temperaturii de lucru scade timpul necesar suflării cu aer.

În alt caz , se arată că prin creșterea temperaturii de suflare de la la se reduce timpul necesar obținerii aceluiași punct de Înmuiere de la 14 la 3 ore. în general, se recomandă ca temperatura de lucru să fie cu , sau mai mult, sub temperatura de inflamabilitate a materiei prime.

Tabelul 2.5.Căldura de reacție integrală la suflarea bitumurilor pentru obținerea unui produs cu punctul de înmuiere de

Tabelul 2.6. Influența temperaturii de lucru asupra duratei de suflare cu aer

Deși se lucrează și la temperaturi de peste 300°C, pentru obținerea unor bitumuri de calitate, temperatura de lucru de se consideră ca limită superioară. Peste această temperatură apar reacții de cracare care în general trebuie evitate; de asemenea, controlul reacției este mai dificil. Din tabelul 2.6 se constată că durabilitatea (ASTM D- 529-62) crește cu scăderea temperaturii. De asemenea, lucrând la temperaturi mai coborâte se obține o penetrație mai mare la același punct de înmuiere decât dacă s-ar lua o temperatură mai ridicată. în tabelul 2.7 sunt prezentate date care confirmă aceasta, variind timpul de suflare al aceleiași materii prime. Debitul de aer de suflare variază în general în limite largi și este cuprins între 10 și , creșterea debitului determinând o reducere a timpului de suflare. Cauza trebuie căutată în special în mărirea agitării și deci în creșterea vitezei globale de reacție, ca urmare a creșterii coeficienților de difuziune. Influența timpului de suflare asupra calității bitumului se poate observa din tabelul 2.8.

În scopul reducerii cantității de aer de suflare în unele instalații industriale se utilizează agitarea mecanică. Prin aceasta se reduce cantitatea de aer necesar de la 1-3 pe tonă și grad Celsius de creștere a punctului de înmuiere (grd.) la [15]

Tabelul 2.7.Influența timpului de suflare asupra calitații bitumului

Ținând seama că într-o operare normală se menține o creștere a punctului de înmuiere de circa , rezultă că în cazul agitării mecanice cantitatea de aer necesară suflării este de oradinul a . O tehnica utilizată în mai mică măsură pe scară industrială dar cu perspective de extindere este suflarea sub presiune. În comparație cu bitumul obținut prin suflarea la presiunea atmosferică, cel din suflarea sub presiune (2-3 at) are, la același punct de înmuiere, o penetrație cu aproximativ 15 unități mai mare. Concomitent se reduce timpul de suflare de la 6 ore la 3,5 ore [15]. Presiunea face posibil lucrul la temperaturi sub deoarece, pe lângă o îmbunătățire a fenomenelor de difuziune, are loc și o dirijare a procesului într-un sens diferit de reacție [20].

În prezent, tipul cel mai răspândit de instalație de bitum este cel cu vase verticale înalte de și cu suflarea de aer la presiunea atmosferică, Aerul având și rolul de agitator.

În primul caz debitul de alimentare este reglat în așa fel încât în vasul de oxidare să se realizeze timpul de ședere necesar obținerii calității dorite de bitum. Pentru o amestecare cât mai bună în scopul omogenizării și pentru. A menține o temperatură constantă (în cazul când căldura degajată de reacție nu compensează pierderile de căldură), o parte din produs se recirculă prin cuptor. în operațiile discontinue instalația este prevăzută cu o baterie de vase de oxidare care lucrează alternativ. Și în acest caz materia primă se Încălzește prin trecere prin cuptor. în măsura în care este nevoie se face și o recirculare a materialului din vasul de reacție prin cuptor înapoi în vas. După ce s-a umplut vasul și temperatura produsului a depășit 200°C, se începe introducerea aerului pe la partea inferioară printr-un sistem de orificii.

Prin aceasta trebuie să se asigure dispersia aerului, o agitare cât mai bună a masei de reacție și o suprafață de contact aer-bitum cât mai mare. Cantitatea de aer care se introduce este mult mai mare decât ar fi necesar pentru reacție, aerul având rolul de a mări turbulența sistemului în scopul îmbunătățirii transferului de masă. Mărirea cantității de aer peste anumite limite poate avea însă un efect negativ, deoarece începe să apară o unire a bulelor de aer și deci să se reducă gradul de dispersie. în partea superioară a vaselor de reacție se injectează abur pentru a preveni formarea unui amestec exploziv. Tot aici, pentru a evita supraîncălzirea materialului ca urmare a exotermicității reacției, se pulverizează apă. Apa se utilizează și pentru răcirea șarjei de bitum după încetarea suflării. Răcirea cu apă nu trebuie să se facă însă sub 200°C pentru evitarea reținerii apei în bitum, respectiv pentru evitarea spumării.

Amestecul de vapori rezultat din proces, format din aerul care a trecut prin vasul de suflare, vaporii de ulei antrenat!

Din bitum, produsele ușoare ete reacție și aburul injectat în partea superioară, este răcit și condensat, gazele necondensabile fiind trecute în final printr-un turn de spălare. Ca urmare a reacției, aerul ce iese din vas are un conținut redus de oxigen, conținut care Variază în timpul suflării, putând atinge valori sub 7% tabelul 2.9.

Tabelul 2.8.Temperatura si conținutul de oxigen din gazele provenite de la o instalație industrială de fabricare a bitumului prin suflare

în scopul reducerii timpului de suflare și pentru modificarea proprietăților bitumului s-a propus utilizarea de catalizatori. în literatură de specialitate sunt indicate unele substanțe cu efect catalitic în obținerea bitumului [2, 15], cum ar fi clorura ferică, oxidul fosforic, fluoborații de zinc și fier, clorura de cupru, sulfatul de fier. Acțiunea lor nu este prea lămurită; Se pare că acționează prin reducerea tensiunii interfaciale, uneori acționând și asupra calității produselor. Astfel, penetrația unui bitum suflat în prezență de 2% pentoxid de fosfor este cu circa 70 unități mai mare decât aceea a bitumului suflat fără adaos de catalizator, Ia același punct de Înmuiere [5]

În tabelul 2.10 se prezintă variația timpului de oxidare și a penetrației la suflarea unei păcuri în prezența de catalizator FeCl [19].

Tabelul 2.9.Influența conținutului de Fe asupra duratei de oxidare și a penetrației

Calitatea bitumurilor suflate este funcție atât de caracteristicile materiei prime cât și de condițiile de lucru. O metodă obișnuită în tehnologia bitumurilor este suflarea unui amestec de materii prime de diverse proveniențe. Pentru exemplificare, în tabelul 2-11 se dau caracteristicile unor bitumuri pentru conducte provenite din suflarea de amestecuri de reziduuri din țițeiuri românești neparafinoase A3 și semiparafinoase [11].

Al treilea procedeu important aplicat industrial la fabricarea bitumuri lor este dezasfaltarea cu propan a păcurii de distilare primară sau de vid. Instalațiile sunt practic cele de la obținerea uleiurilor reziduale prin dezasfaltare, regimul tehnologic fiind de asemenea foarte apropiat. Caracteristicile bitumului: punct de înmuiere, conținut în parafină, penetrație, pot fi variate prin schimbări ale raportului propan /materie primă și a temperaturilor din coloana de dezasfaltare. Uleiul separat servește ca materie primă pentru cracarea catalitică. În cazul în care se supune la dezasfaltare un țiței parafinos, uleiul trece în circuitul de fabricare a uleiurilor superioare, iar bitumul de obicei se suflă în amestec cu alte materii prime.

Tabelul 2.10.Caractersiticile unor bitumuri din diverse materii prime

2.2. Bitumuri oxidate

Reacția caracteristică în suflarea cu aer este o reacție de dehidrogenare, deși în mod

obișnuit se vorbește de oxidare. Oxigenul din aer reacționează cu hidrogenul din reziduuri

formând vapori de apă, iar pierderea progresivă de hidrogen provoacă polimerizarea sau

condensarea până la consistența dorită a reacției de dehidrogenare pe măsura adâncirii insuflării, conduce în mod obișnuit la creșterea conținutului de asfaltene și într-o măsură

mai mică a celui de rășini, micșorând gradul de aromaticitate al mediului care înconjoară

asfaltenele. Aceasta constituie cauza principală a instabilității unor bitumuri oxidate, ceea

ce influențează negativ proprietățile și comportarea lor în timp. Creșterea temperaturii și a timpului de oxidare are ca efect adâncirea procesului de dehidrogenare și descompunere a acizilor carboxilici până la . Urmele de metale aflate în bitum sub formă de compuși organometalici sau de compuși minerali, ca oxizi, sulfuri etc, au probabil un efect catalitic pentru reacțiile de condensare și polimerizare.

Mecanismul chimic de distribuire a oxigenului în bitumurile suflate a fost studiat de Goppel și Knotnerus reacția în general, putând fi prezentată astfel:

Procesul de suflare este exoterm, cantitatea de căldură degajată depinzând de natură

chimică a materiei prime și de gradul de oxidare propus.

Efectul termic se ia într-o primă aproximare egal cu la ridicarea cu lșC a punctului de înmuiere (inel și bilă) al materiei prime supusă oxidării. El se poate calcula din bilanțul termic al aparatului de oxidare. În limitele de temperatură de se recomandă o valoare medie a efectului termic egală cu de oxigen reacționat.

Procesul tehnologic de obținere a bitumurilor oxidate poate fi condus continuu sau

discontinuu și constă, în principiu, din suflarea cu aer a materiei prime, la temperatura de

, în aparate, de tipul blazelor verticale cu sau fără agitare mecanică, în aparate tip coloană sau în reactoare cu serpentină aerul de suflare are rolul de reactant și agent de amestecare.

Ca produse de reacție se produc bitumuri cu caracteristici conform standardelor în

vigoare și gaze. Acestea din urmă constau din aer uzat, uleiuri evaporate și antrenate,

vapori de apă rezultați din reacție, cantități mici de CO, , ,, hidrocarburi

ușoare și derivați de hidrocarburi urât mirositoare. Gazele sunt trecute prin coloana de

spălare și/sau incinerate în cuptoare la .

Prezintă interes conținutul de oxigen în gazele uzate, care caracterizează gradul de

folosire a oxigenului din aer și siguranța contra incendiilor în exploatare a instalațiilor.

Figura 2.4. Variația parametrilor procesului și a proprietăților bitumului în funcție de:

a- calitatea materiei prime; b – calitatea bitumului;

1-% eficient; 2- timp de oxidare; 3-% pierderi; 4- punct de rupere Fraass;

5-Ductilitate; 6-indice de penetrație; 7- penetrație.

Figura 2.5. Variația parametrilor procesului și a proprietăților bitumului în funcție de parametrii operativi ai procesului de distilare

a-temperatură; b- Debitul de aer; c- presiunea; d- înălțimea bitumului în aparatul de distilare;

1% eficient; 2- timp de oxidare; 3-% pierderi; 4- punct de penetrație; 5- penetrație.

Pentru evitarea exploziilor se recomandă un conținut de oxigen în gazele uzate sub

5% vol. Pentru a evita creșterea temperaturii datorită căldurii de reacție, aparatele de

oxidare sunt prevăzute cu sisteme de prelucrare a căldurii, ca: pulverizarea apei în fază de

vapori, injectarea apei în linia de aer de suflare, injectarea aburului la baza aparatului de

oxidare, circulație de ulei sau apă prin răcitoare interne montate în aparatul de oxidare,

pomparea bitumului prin schimbătoare de căldură sau prin cuptorul cu focurile stinse și

ușile de ventilație deschise, reducerea vitezei aerului de suflare.

Variabilele procesului de oxidare sunt: compoziția și consistența materiei prime,

adâncimea oxidării, temperatura, debitul de aer, presiunea și nivelul bitumului în aparatul

de oxidare. Influența acestor variabile asupra timpului de oxidare, eficienței utilizării oxigenului în reacție, pierderilor de produse în gaze, precum și asupra proprietăților

bitumurilor obținute din aceeași materie primă este prezentată sugestiv în figurile 2.4 și 2.5.

Oxidarea discontinuăse aplică pentru a obține o gamă variată de bitumuri, în cantități nu prea mari și se realizează astăzi în blaze verticale cu o capacitate de 20-200

(fig. 2.6). în funcție de capacitatea instalației sunt montate mai multe blaze verticale care

pot asigura mersul continuu al instalației. Condițiile de lucru ale unui blaz cu capacitate de

sunt prezentate în tabelul 2.1.

Figura 2.6- schema de principiu a unei instalații de oxidare cu funcționare discontinuă

1-cuptor; 2- b1aze oxidare; 3-scruber; 4-pompă[15,16,17]

Un inconvenient al blazului este productivitatea convențională mică și conținutul

ridicat de oxigen în gazele de oxidare (fig. 2.6.).

Figura 2.7. Variația conținutului de oxigen în gazele uzate în

blazul cu funcționare discontinuă[18,19,20]

Tabel nr. 2.11. Condițiile de lucru ale unei coloane de oxidare

Figura 2.8. Schema unei instalații de oxidare continuă

1-coloana de oxidare; 2-pompă; 3-preîncălzitor; 4 – generator de abur

Oxidarea continuă este eficientă pentru a obține cantități mari de bitumuri din șorțuri mai puține și se realizează în aparate de tip coloană. Se utilizează și oxidarea în reactoare tubulare, dar într-o mică măsură, din cauza cheltuielilor energetice mai mari.

Instalațiile care conțin aparate tip coloană sunt compacte, se automatizează ușor și au o productivitate ridicată. în figură 2.8. Este prezentată schema de lucru și în tabelul 2.2

parametrii de oxidare[21,22].

Regimul de funcționare se reglează prin variația debitului de materie primă și aer,

Precum și prin temperatura de intrare a materiei prime în coloană. Nivelul în coloană se

Menține prin reglarea pompei de produs sau materie primă cu indicatorul de nivel.

Nu s-a stabilit încă o fundamentare între condițiile optime de oxidare și capacitatea

Coloanelor. Datele constructive ale coloanelor industriale sunt destul de variate. Raportul

Între înălțimea utilă și diametru variază între 2-7, înălțimea spațiului de vapori este mai

Mare de 3 m, iar înălțimea lichidului în coloană de minim 10 m.

De regulă, temperatura de oxidare nu depășește iar încărcătura pentru aer este de , min ceea ce corespunde în medie la o viteză lineară de în acest caz productivitatea variază în limite largi, de exemplu la obținerea bitumului rutier de la .

O influență mare asupra eficacității funcționării coloanelor de oxidare o are înălțimea zonei utile, respectiv stratul de barbotare. Înălțimea optimă se determină prin analiza parametrilor: temperatură, grad de oxidare al materiei prime, presiunea aerului precum și a cerințelor privind concentrația de oxigen admisibilă în gazele de oxidare. În figură 2.9. Se prezintă o corelație între acești parametri, determinată experimental, la funcționarea unor coloane industriale cu raport între înălțimea utilă și diametru de cca 2-7.

Figura 2.9 variația conținutului de oxigen în gazele de oxidare în funcție de înălțimea de

lichid din coloană

2.3. Instalația de oxidare continuă a reziduului de vid conform tehnologiei Biturox

Instalatia de bitumuri rutiere și bitumurile multigrad BITREX (eng. air-rectified, semi-blown bitumen) sunt produse mai ales în sistemul de oxidare continuă conform tehnologiei BITUROX® sub licența firmei austriece Pörner.

Procesul constă în alimentarea continuă, neîntreruptă a reactoarelor cu materie primă și primirea permanentă, continuă, de produse în rezervoarele de înmagazinare.

Continuitatea procesului garantează omogenitatea (uniformitatea) produsului. Pe lângă aceasta, procesul se caracterizează printr-o utilizare optimă a oxigenului pentru oxidare și printr-o foarte bună hidrodinamică a reacției.

Elementul central al instalației sunt reactoarele Biturox. Reactorul este un rezervor cilindric vertical sub presiune, echipat cu un cilindru central și cu un agitator cu trei turbine pe ax comun, amplasate în interiorul cilindrului. Aerul sub forma unor bule mari se deplasează în sus în interiorul cilindrului, pe două nivele este acumulat de plăci coalescente și este spart de turbinele agitatorului în bule mai mici. Datorită acestui lucru are loc refacerea suprafeței de reacție, iar reacția de oxidare are loc intensiv în tot volumul, cu o utilizare mai redusă de aer și într-un timp mai scurt de ședere. Fluxul de aer este astfel ales, încât cantitatea de oxigen în gazele de evacuare să reprezinte 2÷5% (v/v)2. Mișcarea aerului și funcționarea agitatorului forțează circulația fluidelor în reactor – în cilindrul interior în sus, în suprafața exterioară a cilindrului în jos. Căldura reacției de oxidare este preluată din reactor prin evaporarea apei procesuale, injectate direct în țevile încorporate de aer tehnologic. Prin cantitatea de apă procesuală se reglează exact temperatura procesului. Vaporii de apă formați ajută la eliminarea din masa bituminoasă a produselor secundare nedorite: gazele și distilatul ușor oxidat și măresc siguranța producției. Bitumul este scos din reactor prin suprafața externă a cilindrului, de la un nivel care este peste nivelul de intrare a materiei prime, fiind răcit în răcitoarele de bitum. Apoi acesta este direcționat către rezervoarele de înmagazinare a bitumurilor, unde este amestecat și supus evaluării calității. Distribuția bitumului în cisterne auto și feroviare are loc în posturi de turnare ermetice. Controlul procesului are loc cu ajutorul sistemului DCS dispersat

Figura 2.10 Instalația de oxidare continuă, reactoarele Biturox

2.4.Instalația de oxidare periodică a reziduului de vid – oxidatori

Instalația de oxidare periodică este folosită mai ales pentru producția de bitumuri industriale (tip oxidised bitumens) și bitumuri speciale, însă poate fi utilizată și pentru producția de bitumuri rutiere și multigrad.

Spre deosebire de oxidarea în reactorul Biturox, producția în oxidatoare are loc în sistem de șarjă (eng. batch process), care constă în umplerea oxidatorului cu materie primă, oxidarea conținutului și pomparea produsului. Oxidatorul este mai puțin avansat tehnologic decât reactorul Biturox.

2.5.Modificarea bitumului cu polimeri

Modificarea bitumului are ca scop extinderea intervalului de temperatură, în care liantul va indica proprietăți viscoelastice, utilizează metoda fizică, bazată pe amestecarea mecanică reciprocă a bitumului cu polimer cu o eventuală utilizare a aditivilor reticulați (eng. crosslinkers).

Principala materie primă pentru producția de bitumuri modificate unt bitumuri special selecționate, așa-numitele bitumuri de bază cu proprietăți corespunzătoare pentru modificarea cu elastomeri SBS.

Modificatorul adăugat în bitum în procesul de producție este cel mai adesea copolimerul bloc Stiren- Butadien-Stiren, prescurtat – SBS, de aceea acești lianți se mai numesc și „bitumuri elastomerice”.

Figura 2.11 Schema instalației pentru modificarea bitumurilor

Capitolul 3

Tipurile de bitumuri de petrol fabricate

Bitumul se prezintă ca o masă neagră semisolidă sau solidă și se întrebuințează ca

liant în construcțiile de drumuri și industriale, pentru izolații hidrofuge, în industria de

lacuri și electrotehnică, pentru protecția contra coroziunii a conductelor metalice îngropate,

pentru brichetarea cărbunilor etc, după prescripții.

muncii și pază contra incendiilor.

3.1. Bitumurilor rutiere

Sistematizarea marcării bitumurilor rutiere produse conform cu Standardul European EN 12591 este următoarea:

XX/YY

în care au fost marcate:

XX – limita minimă de penetrație la 25°C a unui anumit tip de bitum [0,1 mm],

YY – limita maximă de penetrație la 25°C a unui anumit tip de bitum [0,1 mm].

Tabelul 3.1. Cerințele referitoare la tipurile de bitumuri rutiere cu penetrație între 20 și 220×0,1 mm conform EN 12591:2009

CAPITOLUL 4.

Încălzirea bitunurilor

Aplicații

4.1. Înstalație de încălzire a bitumului cu ajutorul razelor solare

Studiem transferul de căldură într-o instalație cu anvelopă de sticlă semicilindrică.

Instalația este prezentată în figura 4.1 și cuprinde următoarele piese:

1- un cilindru din tablă de fier ,

2- vopsit în negru, suportul pentru anvelopă,

3- suport izolator termic pentru cilindru,

4- anvelopă din lamele de sticlă,

5- termometru (măsoară Tc temperatura din colector și Ta temperatura ambiantă),

6- dispozitiv pentru modificarea unghiului de înclinare a axei rezervorului cilindric față de planul orizontal.

Rezervorul conține M = 6,4 kg bitum, are dimensiunile:

lungimea ,

diametrul ,

masa proprie .

Instalația a fost orientată cu axa principală pe direcția sud. Eroarea de măsurare a temperaturii este de

a) b)

Fig. 4.1. Instalație cu anvelopă de sticlă semicilindrică destinată fluidizării bitumului în condiții naturale:

a – secțiune transversală; b – secțiune longitudinală; Solaris-1: albedometru.

Această instalație ține seama, prin structura sa, de felul cum sunt construite batalurile de mare capacitate pentru bitum; ea este redată în figura 2,a și 2,b; față

de un batal obișnuit instalația are o serie de modificări impuse de scopul de măsurători propus.

Instalația are unii pereți din cărămidă – 1, un rezervor metalic vopsit în negru – 2, placa de sticlă – 3 cu aria de 0,304 înclinată la 30ș față de planul orizontal, oglinda – 4

înclinată la 70ș față de planul orizontal, oglinda verticală – 5 așezată pe peretele de nord, placa de sticlă – 6 așezată vertical pe peretele de sud al incintei, vopsit în negru, o placă de sticlă – 7 încastrată în peretele de sud, termometrul – 8.

Rezervorul cilindric are generatoarea , diametrul , masa și conține de bitum.

Sondele termometrului sunt amplasate în bitum conform schemei din figura 4.2,b: distanțele dintre șirurile verticale de sonde sunt iar dintre șirurile orizontale sunt . Axa rezervorului este pe direcția est–vest. Originea axelor pentru numerotarea sondelor (i,j) este vârful capătului superior de est al rezervorului (fig. 4.2,b).

Pereții de est, vest și sud sunt construiți din cărămidă pe înălțimea d/2 (fig. 4.2,a); pe zidul din cărămidă sunt așezate plăci din sticlă. Conform cu figura 4.2,a, părțile inferioare ale pereților de sud, este și vest sunt pasivi, părțile superioare sunt cele care crează efectul de seră necesar procesului de încălzire.

b)

Fig. 4.2. Instalatia cu anvelopă de cărămidă și sticlă pentru fluidizarea bitumului:

sectiune transversala – a, schema cu plasarea sondelor termometrului (i,j) – b,

Solaris1-albedometru.

Rezultate obtimute în cazul instalației cu anvelopă semicilindrică din sticlă.

Temperaturile orare în bitum , cea ambientală precum și intensitatea radiației solare , prezentate în continuare, au fost preluate din baza de date, în intervalul orar 09 – 17 ale zilelor de 5, 10,15, 20, 25, 30 din luna iulie 2012.

S-au calculat mediile aritmetice orare ale temperaturilor pentru a defini ziua medie a lunii iulie 2012 studiată.

În tabelul 4.1 se prezintă variațiile medii ale temperaturii bitumului și ale temperaturii ambiante [℃] pentru luna iulie. Se constată că temperatura bitumului atinge valoarea de la ora iar diferența față de temperatura ambiantă este de .

Căldura utilă pentru încălzirea bitumului și a rezervorului metalic s-a calculat cu relația :

în care:

este căldura specifică a bitumului;

– căldura specifică a fierului din care este construit rezervorul;

– diferența dintre temperatura maximă a bitumului și temperatura sa inițială.

Cantitatea de energie solară incidentă pe colector Qinc [J] s-a calculat cu relația:

În relația (2), [] este aria secțiunii eficace a rezervorului orientat spre sud

(), este numărul de ordine al măsurătorii, este numărul de măsurători, este intensitatea radiației solare la ora indicată de numărul de ordine k.

Eficiența colectorului s-a calculat cu relația:

(3)

Pentru situația prezentată în lucrare randamentul conversiei a fost

Tabelul 4.1. Valorile orare () , () , () și randamentul

Rezultate calculate la instalația cu anvelopă din cărămidă și sticlă.

Temperaturile orare în bitum și din mediul ambiant au fost preluate din baza de date în intervalul orar 09 – 17 ale zilelor de 5, 10, 15, 20, 25 și 30din luna august 2012.

S-au calculat mediile aritmeticeorare pentru ziua medie a lunii august 2012. Termenul general al temperaturilor în bitum este unde , (fig. 2,b). în figura 4.3 se prezintă distribuția temperaturilor medii în bitum la ora pentru luna august 2012.

Figura 4.3 arată că, la sfârșitul zilei,temperaturile cele mai mari sunt atinse în straturile superioare din apropierea peretelui metalic receptor al Radiației solare

Fig. 4.3. Distributia temperaturilor, [℃], la ora 04 pm,

august 2012.

Pentru calculul eficienței energetice a instalației s-a procedat astfel:

– cantitatea de energie incidentă pe suprafața colectoare în timpul τ s-a calculat cu relația:

(4)

unde este suprafața eficace (aparentă) a rezervorului cilindric iar

;

volumul rezervorului a fost înpărțit în celule, fiecare cu masa de

2,79 kg;

cantitatea de căldura schimbată în timpul de către o celulă este

(5)

unde are semnul plus dacă temperatura celulei creste în timpul dat, sau minus dacă temperatura celulei scade în timpul dat, iar este masa de tablă de fier aferentă fiecărei celule, cu .

randamentul instalației la ora dată s-a calculat cu relația:

(6)

Variația orară a eficienței este redată în figura 4. Eficiența este minimă în intervalul orar

09 – 10 și anume de 3,8% și este maximă în intervalul orar 14 – 15, cu valoarea de 7,8%.

Fig. 4.4.Variația orară a eficienței la instalația cu anvelopă de

cărămidă și sticlă.

Calculele efectuate pentru a studia oportunitatea de a se folosi energia termosolară pentru preîncălzirea bitumului arată o serie de particularități ale procesului fizic, deși este vorba tot de o manifestare a efectului de seră.

Ele sunt generate de proprietățile termice ale bitumului, de geometria instalației și de condițiile de mediu.

Astfel:

căldura se propagă foarte lent de la straturile aflate în contact cu partea însorită (deci mai caldă) a rezervorului, spre interior, din cauza conductivității foarte mici a substanței cât și pentru că bitumul se află în stare solidă și nu există curenți de convecție;

pereții verticali ai rezervorului (bazele cilindrului) primesc radiație numai jumătate de zi și sub unghiuri din ce în ce mai nefavorabile pe măsură ce Soarele se apropie de zenit;

de la platforma de beton, pe care se află instalația, căldura se propagă, de asemenea, lent spre părțile inferioare ale rezervorului.

Dimineața, la calculul instalației temperatura bitumului este mai ridicată decât cea ambiantă, straturile interioare fiind mai calde decât cele marginale. Deși straturile superioare încep să se încălzească sub efectul radiației solare, straturile inferioare, mai calde, continuă să se răcească.

Căldura pierdută de bitum se propagă spre mediul ambiant și spre straturile mai reci. Acest proces complex face ca eficiența medie orară a instalației să aibe forma indicată în figura 4.4.

Soluțiile adoptate și care nu pot fi utilizate în practică, la dimensiuni mari ne-au atras atenția asupra complexității fenomenului termic. De aici rezultă forma ce trebuie adoptată pentru o instalație solară de mare capacitate, izolația aplicată și felul în care se va folosi la maxim efectul de seră.

6.2. Aplicația 2: (Metoda "Pinch")

Să se optimizeze rețeaua de schimbătoare de căldură a unei instalații de reducere de vâscozitate cu capacitatea de 750000 tone/an, in care se obțin următoarele randamente de produse:

Benzină+Gaze

M.U.

M.G.

Bitum

Pierderi tehnice

Timpul efectiv de lucru

Calculul debitelor fluxurilor materiale

(M.P. = materia prima)

1 Calculul fluxurilor termice

Pentru toate fluxurile materiale se calculează mai întâi capacitățile calorice:

2 Calculul sarcinilor termice

Q = Cp∙∆t unde aici nu ar trebui sa spunem ce inseamna fiecare simbol?

M.P. ∆t = 484 – 126 = 358K Qmp. = 78,1248 ∙ 358 = 27,969 MW

G+B ∆t= 50-144 = -94K Qg+b— 13,0019 ∙(-94) = 4,2222 MW

M.U. ∆t= 74-235 =-161K Qmu= 16,2717 ∙ (-161) = -2,6197 MW

M.G. ∆t= 76-359 = -283K Qmg= 13.8020 ∙(-283) = -3.9059 MW

Bit. ∆t= 80-372 = -292K Qter 13,0019 ∙(-292) = -3,7723 MW

∆t=te-ti

Qmp. = 78,1248 ∙ 358 = 27,969 MW Qg+b— 13,0019 ∙(-94) =4,2222 MW

Qm.u.= 16,2717 ∙ (-161) = -2,6197 MW Qmg= 13.8020 ∙(-283) = -3.9059 MW

Qter. =13,0019 ∙(-292) = -3,7723 MW

Tabelul Fluxurilor

Trasarea curbelor compozite

Se trasează curba compozită a fluxurilor calde, compunându-se toate fluxurile pe

intervale înguste de temperatură

Curba compozită a fluxurilor reci este o curbă unică, deoarece există un singur

flux rece (materia primă)

Se suprapun cele două curbe pe același grafic, așezându-le la o distanță corespunzătoare punctului „pinch" , , având grijă să se translateze una dintre curbe față de cealaltă, respectând temperatura de pornire și temperatura finală a curbelor.

Se citesc pe abscisă următoarele:

căldura recuperată, care corespunde zonei în care există ambele curbe compozite

.

căldura ce trebuie asigurată de utilitatea rece se citește pentru porțiunea de curba a fluxurilor calde care nu are zonă comună cu curba fluxurilor reci

.

căldura, ce trebuie compensată cu utilitatea caldă se citește pentru porțiunea de curbă a fluxurilor reci care nu este comună cu fluxurile calde

Se construiește o nouă schemă a instalației, care include posibilitățile teoretice de recuperare de căldură. Materia primă se poate preîncălzi pe rand cu M.U., M.G., Bitum. În noua schemă a instalației putem impune:

temperatura de ieșire de materie primă din fiecare schimbător

temperatura de ieșire a materiei prime < temperaturile de intrare a bitumului, ce trebuie să fie mai mică decât în S2

Calculele care se fac sunt următoarele:

#deci temperatura de ieșire a M.U. din Rec.2 este 235-140=95℃ (răcirea M.U. până la temperatura admisă se face cu apă)

#deci materia primă iese din S2 cu

De unde rezultă temperatura de ieșire a schimbătorului S3 din Rec3, ca fiind egală cu

De unde rezultă temperatura de ieșire a materiei prime din Rec3, ca fiind egală cu

Deoarece bitumul este încă fierbinte trebuie să impunem o temperatură de ieșire a bitumului din Rec4 de .

Calculăm sarcina termică a Rec4. Calculul cantității de abur de joasă presiune ce se generează, se face la și .

În cazul recuperatorului 4 se construiește figura:

i50 = 209,5

il40= 589,1

I160 =2776

I140 =2732

= 2456/2589 = 0,94 Kg/s – 3,4t/

i50 = 209,5

il40= 589,1

I160 =2776

I140 =2732

3,4t/