دانلود رایگان مقاله تاثیر نسبت پرکننده به قیر و خصوصیات پرکننده مواد معدنی بر عملکرد درجه حرارت پایین

چکیده

         این مطالعه به بررسی اثرات متقابل پرکننده- محتوای قیر و خصوصیات پودر مزو از پرکننده مواد معدنی در عملکرد دمای پایین قارچ های قیر پرداخته است. استراتژی های کنترل برای محتوای پرکننده مواد معدنی (نسبت پرکننده به قیر (RFB)  نیز مشخص شد. قیر Panjin # 90 و قیر اصلاح شده با پلیمر استایرن بوتادین- استایرن در این آزمایش استفاده شد. چهار نوع پودر سنگ آهک مورد استفاده قرار گرفت ، همه اینها استاندارد چینی را برای اندازه ذرات پودر برآورده می کند اما ویژگی های مختلف مزو را نشان می دهد. از هر نوع پودر سنگ آهک برای تهیه نمونه های لایه قیر در پنج RFB مختلف استفاده شد. حفره های مزو در جرم واحد (Vg) از چهار نوع پرکننده مواد معدنی بر اساس اصل نسبت درجه اعتبار درجه Rigden مورد آزمایش قرار گرفتند. نسبت قیر بدون تثبیت کننده و قیر تثبیت شده در نمونه های لایه قیر با استفاده از Vg ، چگالی قیر و RFB تعیین شد. مقاومت چسبندگی درجه حرارت پایین لایه های قیر به عنوان شاخص کنترل برای شکست و از بین رفتن بحرانی مورد استفاده قرار گرفت ، در حالی که نرخ تغییرات سفتی خمش در دمای پایین به عنوان شاخص کنترل برای رفع فرسودگی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که اثرات متقابل پرکننده-قیر از محتوا و خصوصیات مزو از پرکننده معدنی قابل توجه است و چنین تأثیراتی با نسبت قیر آزاد و قیر تثبیت شده تعیین می شود. نسبت مطلوب قیر تثبیت شده و قیرآزاد در لایه های قیر تحت دو شرایط دمای پایین (30 درجه سانتیگراد و 10 درجه سانتیگراد) را می توان بر اساس تأثیر این نسبت  بر شاخص های بحرانی و کنترل شکست تعیین کرد. علاوه بر این ، RFB را می توان از طریق محاسبه معکوس بدست آورد. از این رو می توان محتوای پرکننده مواد معدنی را دقیقاً کنترل کرد ، که برای استفاده منطقی از پرکننده مواد معدنی و برای بهبود عملکرد روسازی لایه های قیر در دماهای پایین بسیار مهم است.

1. مقدمه

           کاربردهای اخیر مهندسی در سراسر جهان نشان داد که افزودن پرکننده مواد معدنی در مخلوط قیر ضروری است. استفاده از پرکننده مواد معدنی نه تنها باعث بهبود ویسکوزیته و چسبندگی لایه های قیر می شود، بلکه از جداسازی قیر در مخلوط کردن ، حمل و نقل ، سنگفرش و تراکم نیز جلوگیری می کند. مطالعات نشان می دهد که پرکننده مواد معدنی می تواند به طور قابل توجهی مقاومت در دمای پایین لایه های قیر را بهبود بخشد و عملکرد دمای پایین مخلوط قیر را بهبود بخشد [5-5]. از این رو پرکننده مواد معدنی به عنوان یک عنصر مهم مخلوط قیر در نظر گرفته شده است. اگرچه پرکننده مواد معدنی به طور گسترده در مخلوط قیر استفاده می شود ، اما عوامل مؤثر در ساخت و ساز ، از جمله محتوای معقول ، خصوصیات پودر مزو و تعامل پرکننده و قیر ، هنوز هم باید مورد بررسی قرار گیرند. تحقیقات بیشتر در مورد این موضوعات برای کاربرد منطقی پرکننده مواد معدنی ضروری است.

            محتوای پرکننده مواد معدنی به دلیل استفاده از پودر برای افزایش ویسکوزیته لایه های قیر و جلوگیری از تفکیک در مخلوط ، از نظر فنی حساس نیست. محتوای پرکننده مواد معدنی هنگامی که مقاومت درجه حرارت کم در لایه های قیر در نظر گرفته شود به یک عامل حساس تبدیل می شود. مطالعات انجام شده در سراسر جهان نشان می دهد که مقدار معقول پرکننده مواد معدنی در مخلوط قیر یک مشکل فنی حل نشده است، زیرا مکانیسم تأثیرگذار در پرکننده مواد معدنی در مقاومت در دمای پایین لایه های قیر یکنواخت نیست. شاخص های کنترلی مورد استفاده در تست ها متناقض بوده و عواملی که در طول آنالیز مورد بررسی قرار می گیرند متغیر هستند [8-10].

           در سالهای اخیر ، محققان بیشماری بر روی ویژگی های پودر میانی پرکننده مواد معدنی و تأثیر آن بر استحکام لایه قیر متمرکز شده اند [11-14]. مشخصه میانی بین ویژگی ماکروسکوپی و خصوصیات میکروسکوپی است. پارامترهای پودر میانی از پرکننده مواد معدنی شامل درجه بندی میانی ، مساحت سطح خاص ، اندازه ذرات ، نسبت قطر به طول و گرد بودن آن است. ویژگی های لایه میانی پرکننده مواد معدنی به طور جامع منعکس کننده چندین پارامتر پودر میانی است. اگر پارامترهای پودر میانی در پرکننده مواد معدنی از نظر قابل ملاحظه ای متفاوت باشند ، ویژگی های جلدی پرکننده معدنی به طور قابل توجهی متفاوت خواهد بود [15]. مواد افزودنی به مخلوط وجود دارد که به عنوان یک پرکننده عمل می کنند، در حالی که مساحت سطح خاص آنها ، خصوصیات اندازه ذرات با خواص یک پرکننده آهک متفاوت است. مثال زئولیت ها: مواد افزودنی آسفالت مخلوط گرم: کلینوپتیلولیت SBET = 18 متر مربع در گرم ، زئولیت . Na-P1 SBET = 95 m2 / g [16،17] در یک مطالعه قبلی ، یک سیستم تجزیه و تحلیل تصویر ذرات برای تجزیه و تحلیل ویژگی های پودر لایه میانی از پرکننده مواد معدنی (به عنوان مثال ، درجه بندی لایه میانی ، سطح ویژه ، اندازه ذرات ، نسبت طول به قطر و گرد بودن) استفاده شد. نتایج نشان داد که تمام نمونه های پرکننده مواد معدنی به دست آمده از منابع مختلف ، شرایط مورد نیاز را برآورده می کنند ، اما خصوصیات پودر لایه میانی آنها به طور قابل توجهی متفاوت بوده است [18] ، و محتوای پرکننده مواد معدنی بر عملکرد روسازی مایع های قیر تأثیر می گذارد [19]. بنابراین ، حجم پر کننده معدنی معقول یک موضوع مهم تحقیقاتی است. محتوای پرکننده مواد معدنی بر اساس شاخص های عملکرد آسفالت قیر تعیین می شود. اما نتایج همچنین متفاوت است زیرا شاخص های کنترل متفاوت هستند و چندین شاخص کنترل معقول نمی باشد [21]. مهمتر از همه ، تأثیر خصوصیات پودر لایه میانی در پرکننده مواد معدنی در یک محتوای پرکننده معدنی خاص در نظر گرفته نشده است.

             قیر موجود در لایه های قیر در دو حالت است، یعنی قیر ثابت و قیر آزاد. نسبت قیر ثابت به قیر آزاد به طور قابل توجهی در مقاومت لایه های قیر تأثیر می گذارد. تحقیقات موجود کاملاً نشان داده است که محتوا و خصوصیات پودر میانی پرکننده مواد معدنی بر نسبت قیر ثابت - قیر آزاد در لایه های قیر تأثیر می گذارد. بنابراین تجزیه و تحلیل تعامل پرکننده و قیر از این دو عامل ضروری است. نتایج این تحقیق ، پایه و اساس تئوری و تجربی را برای کاربرد منطقی پرکننده مواد معدنی در آینده فراهم می کند.

2. مواد تجربی

           در این آزمایش از دو نوع قیر که به طور گسترده در چین استفاده می شود ، استفاده می شود. یکی قیر Panjin 90 # و دیگری قیر اصلاح شده با پلیمر استایرن- بوتادین- استایرن (SBS) است. مقادیر نفوذ قیر در دمای 5 درجه سانتیگراد و 25 درجه سانتیگراد با استفاده از تستر نفوذ مطابق با استانداردهای آزمون <JTG E20-2001> بدست آمد. برای آزمایش انعطاف پذیری و نقطه نرم شدن قیر به ترتیب از یک تستر انعطاف پذیری و یک تستر نرم کننده استفاده شد. ویسکوزیته قیر در دمای 60 درجه سانتیگراد و 90 درجه سانتیگراد با استفاده از تست کننده ویسکوزیته استاندارد بر اساس استانداردهای آزمون <JTG E20-2001> تعیین شد. ویسکوزیته آزمایش شده در این مطالعه ویسکوزیته پویا است. جدول 1 پارامترهای اصلی عملکرد این دو نوع قیر را نشان می دهد. همه آزمایشات مطابق با استانداردهای <JTG E20-2001> است.

             همان سنگ شناسی پودر سنگ آهک از 12 سایت ساخت و ساز در استان جیلین و استان لیائونینگ در چین انتخاب شد. از نرم افزار تجزیه و تحلیل داخلی سیستم تجزیه و تحلیل تصویر ذرات BT-1600 برای تعیین خودکار درجه بندی ، سطح ویژه ، اندازه ذرات ، نسبت طول به قطر و گرد بودن پودر مزو استفاده شد. چهار نوع پرکننده معدنی با استفاده از سیستم تجزیه و تحلیل تصویر ذرات BT-1600 انتخاب شد و این پودرها به عنوان مواد معدنی پرکننده های A ، B ، C و D. معرفی شدند. محدوده اندازه این پرکننده های معدنی نیاز اصلی را که در"مشخصات طراحی سنگ فرش قیر بزرگراه" چین بود (جدول 2). سیستم تجزیه و تحلیل تصویر ذرات BT-1600 با این حال نشان داد که درجه بندی مزو ،مساحت سطح ویژه ، اندازه ذرات ، نسبت طول به قطر و گرد بودن پودر مزو به طور قابل توجهی متفاوت است (شکل 1-4).

            نمونه های لایه قیر در پنج نسبت پرکننده قیر(RFBs)  مقدار پرکننده مواد معدنی / مقدار قیر( ؛ 0.6 ، 0.8 ، 1 ، 1.2 ، و 1.5) تهیه شد. چهار پرکننده مواد معدنی با استفاده از دستگاه برشی با سرعت بالا در دو نمونه قیر مخلوط شدند. دستگاه برش با سرعت بالا با سرعت 3000 دور در دقیقه عمل می کرد. با تنظیم دمای برشی در دمای 140 درجه سانتیگراد و زمان برش به مدت 5 دقیقه از اثر کهنه شدن قیر در طی فرآیند برشی اجتناب شد. تعداد کل نمونه های آزمایش 320 مورد است.

3. روش تحقیق

3.1 نقشه راه فناوری

             اثر متقابل پرکننده و قیر از محتوا و خصوصیات پودر مزو پرکننده معدنی بر اساس مفاهیم تحقیقاتی زیر در این مطالعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. ابتدا ، نسبت قیر بدون قیر ثابت بر اساس روش تست Rigden void که برای تعیین تعامل پرکننده-قیر از محتوا و خصوصیات پودر مزو پرکننده معدنی مورد استفاده قرار می گیرد ، بطور کمی مورد آزمایش قرار می گیرد. ثانیا، نسبت قیر بدون قیر ثابت در دماهای مختلف بر اساس شاخص کنترل برای شکست بحرانی (استحکام منسجم درجه حرارت پایین) و شاخص کنترل خرابی فرسودگی(نرخ تغییرات فرسودگی سفت خزش در دمای پایین) تعیین می شود. سرانجام ، محتوای پرکننده مواد معدنی بر اساس تعامل پرکننده-قیر از محتوا و خصوصیات پودر مزو از پرکننده معدنی تحت فرض از پیش تعیین شده از خصوصیات پودر مزو از پرکننده مواد معدنی معکوس محاسبه می شود.

Abstract

            This study analyzed the effects of the filler–bitumen interaction of the content and the meso powder characteristics of the mineral filler on the low-temperature performance of bitumen mastics. Control strategies for the mineral filler content (filler–bitumen ratio (RFB)) were also determined. Panjin #90 bitumen and styrene–butadiene–styrene polymer-modified bitumen were used in the experiment. Four kinds of limestone powder were used, all of which satisfy the Chinese standard for powder particle size but exhibit different meso characteristics. Each kind of limestone powder was used to prepare bitumen mastic samples under five different RFBs. The meso voids in the unit mass (Vg) of the four kinds of mineral filler were tested on the basis of the principle of the Rigden void ratio. The fixed bitumen–free bitumen ratio in the bitumen mastic samples was determined using Vg, bitumen density, and RFB. The low-temperature cohesive strength of the bitumen mastics was used as the control index for critical failure, whereas variation rates of bending creep stiffness at low temperature were used as the control index for fatigue failure. Results showed that the effects of the filler–bitumen interaction of the content and the meso characteristics of the mineral filler are significant and such effects are determined by the fixed bitumen–free bitumen ratio. The optimal fixed bitumen–free bitumen ratio in the bitumen mastics under two low-temperature conditions (−30 ◦C and −10 ◦C) can be determined on the basis of the influence of the fixed bitumen–free bitumen ratio on the critical and the failure control indices. Moreover, RFB can be obtained through reverse calculation. The mineral filler content can therefore be precisely controlled, which is crucial for the rational use of mineral filler and for the improvement of the pavement performance of bitumen mastics at low temperatures.

1. Introduction

           Recent engineering applications worldwide showed that the addition of mineral filler in bitumen mixture is necessary. The application of mineral filler not only improves the viscosity of bitumen mastics but also prevents segregation in bitumen mixture during mixing, transportation, paving, and compaction. Studies demonstrated that mineral filler can significantly improve the low-temperature strength of bitumen mastics and improve the low-temperature performance of bitumen mixture [1–5]. Mineral filler has therefore been considered a critical component of bitumen mixture. Although mineral filler is extensively applied in bitumen mixture, factors affecting construction, such as reasonable content, meso powder characteristics, and filler-bitumen interaction, still need to be investigated. Further research on these issues is necessary for the rational application of mineral filler.

          Mineral filler content is not a sensitive technical problem in terms of using the powder to increase the viscosity of bitumen mastics and preventing segregation in the mixture [6,7]. The mineral filler content becomes a sensitive factor when the low-temperature strength of bitumen mastics is considered. Studies conducted worldwide reveal that the reasonable mineral filler content in bitumen mixture remains an unsolved technical problem because the mechanism in which mineral filler affects the low-temperature strength of bitumen mastics is not uniform. The control indices used in tests are inconsistent, and factors considered during analysis vary [8–10].

          In recent years, numerous researchers have focused on the meso powder characteristics of mineral filler and its effect on bitumen mastic strength [11–14]. The meso characteristic is between the macroscopic characteristic and microscopic characteristic. The meso powder parameters of the mineral filler include meso gradation, specific surface area, particle size, length-diameter ratio, and roundness. The meso void features of the mineral filler comprehensively reflect the multiple meso powder parameters. If the meso powder parameters of the mineral filler are substantially different, then the meso void features of the mineral filler will be significantly different [15]. There are additives to blends that act as a filler while their specific surface area, particle size properties are significantly different from the properties of a lime filler. Examples are zeolites: warm mix asphalt additives: Clinoptilolite SBET = 18 m2/g, zeolite Na-P1 SBET = 95 m2/g [16,17]. In a previous study, a particle image analysis system was used to analyze the meso powder characteristics of mineral filler (e.g., meso gradation, specific surface area, particle size, length–diameter ratio, and roundness). The results showed that all of the mineral filler samples obtained from different sources satisfied the specified requirements, but their meso powder characteristics significantly varied [18], and the mineral filler content influences the pavement performance of bitumen mastics [19]. The rational mineral filler content is therefore an important research subject. The mineral filler content is determined on the basis of bitumen pavement performance indices. The results however also vary because the control indices are different and several of the control indices lack rationality [20,21]. More importantly, the influence of the meso powder characteristics of the mineral filler is not considered at a certain mineral filler content.

            Bitumen exists in bitumen mastics in two states, namely, fixed bitumen and free bitumen. The fixed bitumen–free bitumen ratio significantly affects the strength of bitumen mastics. Existing research has fully demonstrated that the content and the meso powder characteristics of mineral filler influence the fixed bitumen-free bitumen ratio in bitumen mastics. Analyzing the filler-bitumen interaction of these two factors is therefore necessary. The results of this study will provide theoretical and experimental foundation for the rational application of mineral filler in the future.

2. Experimental Materials

           Two kinds of bitumen, which are used extensively in China, are used in this experiment. One is Panjin 90# bitumen, and the other is styrene–butadiene–styrene (SBS) polymer-modified bitumen. The penetration values of bitumen at 5 ◦C and 25 ◦C were obtained using a penetration tester according to test standards <JTG E20-2001>. A ductility tester and a softening point tester were used to test the ductility and the softening point of bitumen, respectively. The viscosities of bitumen at 60 ◦C and 90 ◦C were determined using a standard viscosity tester based on test standards <JTG E20-2001>. The viscosity tested in this study is dynamic viscosity. Table 1 shows the basic performance parameters of these two kinds of bitumen. All tests meet the standards <JTG E20-2001>.

1. مقدمه

2. مواد تجربی

3. روش تحقیق

3.1 نقشه راه فناوری

3.2 تست کمی قیرهای ثابت و آزاد

3.3 تست کمی مقاومت چسبناک با دمای پایین از لایه های قیر

3.4 اثر رئولوژیکی لایه های قیر

4. نتیجه آزمون

4.1 نتایج تست Rigden Void برای چهار پرکننده مواد معدنی

4.2 تعامل پرکننده و قیر از محتوا و خصوصیات مزو پرکننده مواد معدنی

4.3 نتایج آزمون کمی برای مقاومت در برابر چسبندگی در دمای پایین لایه های قیر

4.4 نتایج آزمایش برای خصوصیات رئولوژیکی لایه های قیر

5. تحلیل و بحث

5.1 نسبت بهینه قیر آزاد- قیر ثابت 

5.2 استراتژی کنترل محتوای پرکننده مواد معدنی

6. نتیجه گیری

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Experimental Materials

3. Research Method

3.1. Technology Roadmap

3.2. Quantitative Test of the Fixed and Free Bitumens

3.3. Quantitative Testing of the Low-Temperature Cohesive Strength of Bitumen Mastics

4. Test Result

4.1. Rigden Void Test Results for the Four Mineral Fillers

4.2. Filler–Bitumen Interaction of the Content and the Meso Characteristics of the Mineral Filler

4.3. Quantitative Test Results for Low-Temperature Cohesive Strength of Bitumen Mastics

4.4. Test Results for the Rheological Properties of Bitumen Mastics

5. Analysis and Discussion

5.1. Optimal Fixed Bitumen–Free Bitumen Ratio

5.2. Control Strategy for the Mineral Filler Content

6. Conclusions

References