СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ АСФАЛЬТА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЕГО ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА

0

Автор: Андрей Шишкин, Ph.D. Израиль.

АННОТАЦИЯ:

Предложен метод определения пористости и «максимальной теоретической» плотности. Образец асфальта надо взвесить в воздухе, упаковать его в пакет в вакуумном приборе, вскрыть вакуумную упаковку под водою, вынуть образец и взвесить его в воде.

Способ применим, как к лабораторным уплотненным образцам, так и к асфальту, взятому (высверленному) из дорожного покрытия. Можно использовать мокрые образцы. Способ прост, эффективен, занимает 3 минуты времени. Результаты измерений соответствуют вакуумному методу ASTM D 6857 для разобранного на зерна асфальта. Способ позволяет выполнить все объемно-весовые измерения на одном и том же образце.

Получены результаты исследования плотности и порового пространства образцов асфальта различных типов, уплотненных в лаборатории и взятых из дорожного покрытия.

Показано, что в методе определения плотности путем «насыщения» образца асфальта водою (AASHTO T 166) учитывается только 70% его пористости. Поэтому плотность оказывается существенно завышенной, а пористость – в 1,4 раза меньше истиной.  Поровое пространство образцов «насыщено» водою лишь примерно на 20%, а воздухом – почти на 50%. Приведены формулы для определения различных объемных и весовых характеристик асфальта.

Дано заключение о том, что измерения для образцов асфальта в вакуумной упаковке являются не только более точными и обоснованными, но и более быстрыми и простыми.

 

ABSTRACT

A method for determining the porosity and the «maximum theoretical» density is proposed. A sample of asphalt must be weighed in the air, packed in a bag in a vacuum appliance, opened the vacuum package under the water, removed the sample and weighed it in water.

The method is applicable, both to laboratory compacted samples, and to asphalt taken (drilled) from the road pavement. You can use wet samples. The method is simple, effective, takes 3 minutes of time. The measurement results correspond to the vacuum method ASTM D 6857 for the asphalt, disassembled for grain. The method makes it possible to perform all volumetric-weight measurements on the same sample.

The results of the investigation of the density and pore space of asphalt samples of various types, compacted in the laboratory and taken from the pavement, are obtained.

It is shown that in the density determination method using «saturation» of the asphalt sample with water (AASHTO T 166) only 70% of its porosity is taken into account. Therefore, the density is significantly higher, and the porosity is 1.4 times less than the true. The porous space of samples is «saturated» with water only by about 20%, and air — by almost 50%. Formulas for the determination of various volume and weight characteristics of asphalt are given.

It is concluded that measurements for asphalt samples in vacuum packing are not only more accurate and justified, but also faster and simpler.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: асфальт, плотность, пористость,  удельный вес, вакуум

KEYWORDS: asphalt, porosity, specific gravity, ASTM, AASHTO, vacuum

 

Пористость (или относительный объем пустот) – это важная характеристика асфальта. Ее величина является решающей при подборе оптимального содержания битума и зернового состава агрегата. Обычные асфальты должны иметь пористость 4.5%, водопроницаемые (S) – 6%.

Пористость асфальта вычисляют по его плотности и «максимальной теоретической» плотности. Соответствующие «удельные веса» — отношения плотности к плотности воды в соответствии со стандартами США обозначают Gmb и Gmm.

Плотность образца асфальта определяют по его весу в воздухе и в воде (метод Архимеда). Под воду образец погружают либо в вакуумной упаковке (чтобы учесть полный объем пор) в соответствии со стандартом США AASHTO T 331, либо в естественном виде – стандарт США AASHTO T 166.  Во втором случае учитывается только часть порового пространства, в которой остался воздух под водою, и в которой осталась вода после вытаскивания образца наверх и вытирания его поверхности. Конечно же, плотность образца по вакуумному методу всегда меньше, чем по методу заполнения водой. А обычный асфальт, разработанный в соответствии со вторым способом измерений, при тестировании вакуумным методом автоматически становится асфальтом S – типа.

«Максимальную теоретическую» плотность определяют для разобранного на зерна асфальта также двумя основными способами:  1) ASTM D 2041. Взвешивают образец в воздухе. Погружают его в воду в емкость, в которой создают вакуум и потряхивают зерна асфальта в течение 15 – 20 минут для того, чтобы удалить из образца воздух. Затем взвешивают его в воде в этой емкости. 2) ASTM D 6857. Взвешивают образец и пакет в воздухе. Отсасывают воздух из образца и упаковывают его в пакет в вакуумном приборе. Вскрывают вакуумную упаковку с образцом под водою. Взвешивают зерна асфальта в пакете в воде.

По методу вакуумной упаковки «максимальная теоретическая» плотность получается большей, чем по первому способу, при котором в асфальте все же остается существенное количество воздуха.

Для определения «максимальной теоретической» плотности асфальта и его пористости целесообразно использовать следующий способ.

Образец асфальта взвесить в воздухе, упаковать его в пакет в вакуумном приборе, вскрыть вакуумную упаковку под водою, вынуть из пакета образец и взвесить его в воде.

«Удельный вес» «максимальный теоретический» образца:

Gmm = W/(W – Wв*),

а объем образца асфальта, без открытого порового пространства (Vтв) равен:

Vтв = (W – Wв*)/ d,

где W – вес образца в воздухе, г; Wв* – вес образца в воде, извлеченного под водою из вакуумной упаковки, г; d – плотность воды, г/куб.см.

Плотность «максимальная теоретическая» равна Gmm, умноженному на плотность воды d, в которой находился образец.

Пористость асфальта (Ро) можно рассчитать по плотности и «максимальной теоретической» плотности («удельным весам») или же непосредственно по объему всего образца V, определяемому вакуумным методом AASHTO T 331 и объему пор, равному разности V – Vтв.

Важным преимуществом предлагаемого способа является то, что все объемно-весовые измерения можно проводить непосредственно на одном и том же образце. Способ применим, как к лабораторным уплотненным образцам, так и к асфальту, взятому (высверленному) из дорожного покрытия. Можно использовать мокрые образцы, которые ранее погружали в воду для определения плотности по AASHTO T 166. При вакуумной упаковке воздух и вода также успешно удаляются из пор.

Способ прост, технологичен, занимает 3 минуты времени. Помимо «максимальной теоретической» плотности и пористости можно определить также другие характеристики асфальта: долю объема пустот, в которую может попасть вода, или в которой остается воздух и прочее.

Открытая пористость и «максимальная теоретическая» плотность, определенные этим способом, могут быть несколько меньшими, чем для асфальта, разобранного на зерна. Но многочисленные эксперименты показали, что результат получается практически таким же, иногда даже большим.  Это говорит о том, что в уплотненном, компактном асфальте все поровое пространство между его зернами является открытым и доступным для внешней среды.

В Таблице 1 приведено сравнение некоторых результатов измерений по методу ASTM D 6857 и предлагаемому.

В Таблице 2 дано сравнение некоторых результатов определения «максимальной теоретической» плотности, кг/куб.м, по предлагаемому методу для сухих и мокрых образцов (с водою в порах).

А теперь рассмотрим результаты измерений, выполненных для различных компактных образцов асфальта, с использованием предлагаемого способа определения «максимальной теоретической» плотности и пористости.

Сначала необходимо пояснить условные обозначения и некоторые понятия.

Термины «удельный вес», «максимальный теоретический» приведены в кавычках, как принятые в употреблении, но являющиеся некорректными как по названию, так и по смыслу. Так, «удельный вес» вовсе не вес, а отношение плотности образца к плотности воды.  А «максимальный теоретический» — совсем не теоретический и даже не максимальный.

Из двух понятий «масса» или «вес» используется второе, как «меньшее из зол». Масса образца в воде, как и в воздухе или в вакууме –  одинаковая. По-простому – это мера «количества вещества» или его энергии. Поэтому, когда в стандартах ASTM (например, D 2726, D 6857) при вычислении «удельного веса» отнимают от массы образца в воздухе его массу в воде, то делят почти на ноль. Метод Архимеда работает с весом – суммой двух сил, тяжести и плавучести (вытеснения водой). Вес пакета молока в воде равен нулю, хотя там 500 грамм молока (массы).

Но вес мы привычно измеряем в единицах массы (килограммах, а не Ньютонах). То есть это вес, эквивалентный силе, действующей на тело в воздухе, указанной массы.  Все весы отградуированы в величинах массы.

Приняты следующие условные обозначения, по возможности соответствующие американским:

Vтв – объем твердой части образца асфальта, минерального агрегата и битума.

Vп – объем открытого порового пространства. Туда есть доступ внешней среде.

V – полный объем образца.  V = Vтв + Vп. Полный объем образца, включая все открытое поровое пространство определяют вакуумным методом (ASTM D 6857). Для этого необходимо учитывать еще вес пакета вакуумной упаковки и его объем, поскольку образец в воде взвешивают в пакете.

Vвозд – часть объема порового пространства образца под водою, заполненная воздухом.

Vв – часть объема порового пространства образца в воздухе, заполненная водой. Образец «насыщенный водою».

Vout – часть объема порового пространства, из которого вытекает вода после извлечения образца из-под воды и вытирания его поверхности (по AASHTO T 166).

Ро – пористость, открытая. Ро = Vп/ V.

W – вес образца в воздухе.

Wв – вес образца в воде. Если просто опустить его под воду.

Wнас – вес образца, извлеченного из воды и обтертого полотенцем. «Насыщенный» водою образец в соответствии с AASHTO T 166.

Wв* – вес образца в воде, извлеченного под водою из вакуумной упаковки. В этом случае в открытом пористом пространстве образца нет воздуха, только вода, нагнетенная туда под давлением в 1 атмосферу.

d – плотность воды, в которую погружают образцы асфальта и в которой осуществляются измерения веса образцов. Следует отметить особо, что это не дистиллированная вода без растворенных газов. Все многолетние старания по навязыванию американского «удельного веса» (specific gravity) оказываются несостоятельными и приводят лишь к ошибкам при использовании для опытов обычной воды.

Gmb – «удельный вес» компактного образца асфальта. Плотность равна Gmb, умноженному на d.

Единицы измерения должны быть в одной и той же системе единиц.

Несложно получить следующие выражения:

Vтв = (Wв – Wв*)/ d

Vтв + Vвозд = (W – Wв)/ d

Vв = (Wнас – W)/ d

Vout  = V –  Vтв – Vвозд – Vв

Расчеты по величинам объема полностью идентичны расчетам по плотности и «максимальной теоретической» плотности, но более наглядны.

В Таблице 3 даны результаты измерений, показывающие, что происходит в открытом поровом пространстве при действиях в соответствии с методом «насыщения» образца водою AASHTO T 166.

Получается, что старым методом «насыщения» образца асфальта в воде (AASHTO T 166) учитывается только 70% его пористости.  Реальная же пористость будет в 1,4 раза больше.

Так, если пористость обычных асфальтов по методу AASHTO T 166 равна 4,5%, то реальная (или по AASHTO T 331) – 6,3%;  если 6%, то на самом деле – 8,4%.

Старый метод «насыщенных» водою образцов асфальта (на 20%), с «сухой» поверхностью (ASTM D 2726, AASHTO T 166) является грубой оценкой плотности и совсем непригоден для расчета пористости.

«Удельный вес» компактного образца асфальта по методу  его «насыщения» водой:

Gmb(1) = W /(Wнас – Wв) = Wd/)V – Vout(

«Удельный вес» компактного образца асфальта по вакуумному методу:

Gmb =  Wd/ V = Gmb(1) )V – Vout(/V.

Поскольку Vout можно принять приблизительно равным 30% пористости (Таблица 3), то  «удельный вес» (плотность) асфальта по вакуумному методу равен:

Gmb =  Gmb(1) )1 – 0,3Ро(.

Эту формулу можно использовать при оценке плотности по вакуумному методу (правильной, с учетом всего порового пространства) по плотности, полученной методом «насыщения» образца водою. И наоборот.

Так, при «удельном весе» асфальта Gmb и пористости 4,5%, Gmb(1) по методу  «насыщения» водой равен 1,014 Gmb; при Ро = 6,0% Gmb(1) = 1,018 Gmb; при Ро = 10,0% Gmb(1) = 1,030 Gmb.

Ошибка в определении Gmb или Gmm приводит к ошибке определения пористости, большей в (1 – Ро)/Ро раз. То есть для Ро = 6% – в 16 раз, для Ро = 4,5% – в 21 раз.

Но по результатам измерений (Таблица 3) реальная пористость будет всегда  примерно в 1,4 раза больше той, что получена при использовании грубой оценки плотности Gmb(1), для любых обследованных образцов асфальтов. Поскольку Ро = Vп/ V, а в методе «насыщения» водой Ро(1) = (Vп – Vout) / V = 0,7 Vп/ V = 0,7 Ро.

Для любителей определять плотность асфальта обеими методами (правильным – Gmb и грубой оценкой – Gmb(1)) можно использовать следующую формулу для вычисления неучтенной доли порового пространства Vout в методе «насыщения» водой.

Vout = Wd (Gmb(1) – Gmb)/Gmb(1)/Gmb.

В результате эти действия приобретут больший смысл.

Важно отметить также, что вакуумные измерения являются не только более точными и обоснованными, но и более быстрыми и простыми.

Так, для определения плотности («удельного веса») вакуумным методом по AASHTO T 331 нужно 2 минуты, а по AASHTO T 166 (ASTM D 2726) – 5-7 мин. При этом еще нужно обладать некоторым «мастерством», чтобы не тряхнуть, не кувырнуть образец, обтереть влажным полотенцем, а никак не бумагой. Надо не обращать внимания на то, что  «сухая поверхность» образцов является совершенно мокрой на ощупь (еще не менее 1 г воды) и прочее. Лишь при замачивании в воде сразу большого количества образцов время на тестирование приближается к вакуумному способу, превышая его лишь на 3 – 5 минут, нужных для выдерживания асфальта в воде.

Для определения «максимальной теоретической» плотности методом вакуумной упаковки по ASTM D 6857 нужно 8 минут (по предлагаемому способу – 3 минуты), а по ASTM D 2041 более 15 мин. При этом старый метод дает существенно более низкие значения Gmm и поражает своей неэффективностью. Совершенно нецелесообразно засовывать зерна асфальта в воду, а потом долго вытряхивать и высасывать из них воздух под вакуумом. Разумнее сначала удалить воздух, создав вакуум в емкости с асфальтом, а потом налить туда воды. Как это давно уже делают, например, в геологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен метод определения пористости и «максимальной теоретической» плотности. Образец асфальта надо взвесить в воздухе, упаковать его в пакет в вакуумном приборе, вскрыть вакуумную упаковку под водою, извлечь образец и взвесить его в воде. Способ применим, как к лабораторным уплотненным образцам, так и к асфальту, взятому (высверленному) из дорожного покрытия. Можно использовать мокрые образцы. Способ прост, технологичен, требует лишь 3 минуты времени. Результаты измерений соответствуют вакуумному методу ASTM D 6857 для разобранного на зерна асфальта. Способ позволяет выполнить все объемно-весовые измерения на одном и том же образце.

Получены результаты исследования плотности и порового пространства образцов асфальта различных типов, уплотненных в лаборатории и взятых из дорожного покрытия.

Показаны принципиальные недостатки старых методов «насыщения» образца асфальта водою (AASHTO T 166) для определения плотности и метода создания вакуума и потряхивания разобранного образца, покрытого водою (ASTM D 2041) для определения «максимальной теоретической» плотности.

Дано заключение о том, что измерения с образцами в вакуумной упаковке являются не только более точными и обоснованными, но и более быстрыми и простыми.

Иллюстрация: Drive2

 

Поделиться.

Об авторе

Андрей Шишкин

Кандидат технических наук (Ph.D)

Прокомментировать

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.