Ćwiczenie 1

KATEDRA INŻYNIERII CHEMICZNEJ
I PROCESOWEJ
INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
CHEMIA, INŻYNIERIA I TECHNOLOGIA LEPISZCZY
BITUMICZNYCH - LABORATORIUM
Ćwiczenie CITLB-1
Badania parametrów podstawowych
Kierunek studiów: Chemia Budowlana, 2 semestr, II-go stopnia
Opracowali:
Zatwierdził:
dr inż. Grzegorz Boczkaj
prof. dr hab. inż. Marian Kamiński
mgr inż. Maksymilian Plata-Gryl
Gdańsk, 2016
Spis treści
1. Wprowadzenie........................................................................................................................................... 3
2. Opis parametrów i metody ich wyznaczania ............................................................................................... 3
2.1 Penetracja wg PN-EN 1426 ................................................................................................................... 5
2.2 Badanie temperatury mięknienia produktów bitumicznych metodą Pierścienia i Kuli (PiK), wg PN EN
1427 .......................................................................................................................................................... 6
2.3 Badanie temperatury łamliwości Fraassa produktów bitumicznych wg normy PN-EN 12593................10
2.4 Indeks penetracji wg PN-EN 12591 ......................................................................................................12
2.5 Zakres plastyczności ............................................................................................................................15
2.6 Starzenie technologiczne RTFOT (Rotating Thin Film Oven Test) wg PN-EN 12607-1 ............................15
2.7 Badanie rozkładu granulometrycznego materiału ziarnistego – granulometria sitowa i mikroskopowa16
2.7.1 Skład granulometryczny, granulometria........................................................................................16
2.7.2 Analiza sitowa ..............................................................................................................................18
2.7.3 Analiza mikroskopowa..................................................................................................................20
2.7.4 Charakterystyka rozmiaru ziaren ..................................................................................................21
4. Sprawozdanie ...........................................................................................................................................22
5. Literatura ..................................................................................................................................................22
2
1. Wprowadzenie
Laboratorium z przedmiotu Chemia Inżynieria i Technologia lepiszczy bitumicznych (CITLB) zawiera 12
modułów pogrupowanych w cztery bloki tematyczne stanowiące odrębne ćwiczenia. Trzy pierwsze bloki
stanowią trzy stacjonarne ćwiczenia laboratoryjne, natomiast blok czwarty stanowi laboratorium wyjazdowe
do nowoczesnej wytwórni lepiszczy bitumicznych oraz laboratorium kontroli jakości.
Celem CITLB-1 jest zapoznanie studentów z komercyjnie dostępnymi lepiszczami bitumicznymi oraz
metodami badania ich podstawowych parametrów. Ze względu na charakterystykę kierunku studiów dla
którego w chwili obecnej dedykowane jest to laboratorium (Chemia Budowlana), ten blok tematyczny
zawiera również moduł dotyczący badania rozkładu granulometrycznego materiału ziarnistego, którymi
mogą być materiały sypkie wykorzystywane w budownictwie tj. piasek, żwir i mieszanki mineralne
stosowane jako kruszywo przy wytwarzaniu mieszanki mineralno-asfaltowej (MMA) stosowanej do budowy
dróg.
2. Opis parametrów i metody ich wyznaczania
Lepiszcza bitumiczne (asfalty) ze względu na bardzo złożony skład chemiczny oraz ich przeznaczenie są
charakteryzowane głównie w oparciu o parametry użytkowe oraz podstawowe właściwości fizykochemiczne.
Do podstawowych parametrów badanych dla asfaltów należą:
·
Penetracja
·
Indeks penetracji
·
Temperatura mięknienia
·
Temperatura łamliwości, metoda Fraassa
·
Zakres plastyczności
·
Starzenie technologiczne RTFOT
·
Zmiana parametrów po RTFOT
·
Temperatura zapłonu, metoda Clevelanda
·
Rozpuszczalność (w ksylenie, czterochloroetylenie, toluenie)
·
Lepkość kinematyczna I dynamiczna
·
Gęstość
Dodatkowo, dla asfaltów modyfikowanych polimerami bada się parametry:
·
Nawrót sprężysty
·
Nawrót sprężysty po RTFOT
·
Siła rozciągania (kohezji)
3
·
Stabilność podczas magazynowania asfaltów modyfikowanych
·
Mikrostruktura asfaltów modyfikowanych
Ze względu na prace badawczo-rozwojowe związane z technologiami wytwarzania i modyfikacji właściwości
asfaltów, istnieje szereg innych parametrów badanych w zależności od oczekiwanego efektu wywołanego
zmianami procesu:
·
Skład grupowy
·
Rozkład masy cząsteczkowej
·
Widmo w podczerwieni i nadfiolecie
·
Zawartość składników nierozpuszczalnych w n-heptanie
·
Zawartość parafiny
·
Adhezja lepiszcza do kruszywa mineralnego
·
Starzenie PAV (Pressure Aging Vessel)
Obecnie, istnieje silne przekonanie o konieczności charakterystyki asfaltów, szczególnie drogowych, w
oparciu o bardziej zaawansowane metody badawcze, do których należą:
·
Metoda BBR (Bending Beam Rheometer)
·
Metoda DSR (Dynamic Shear Rheometer)
·
Metoda MSCR (Multiple Stress Creep Recovery test) – test wielokrotnego naprężania, pełzania i
nawrotu
W niniejszej instrukcji opis szczegółowy ograniczono do podstawowych parametrów asfaltów, których będzie
dotyczyć laboratorium. Charakterystykę pozostałych wymienionych parametrów można znaleźć w
materiałach wykładowych z CITLB oraz w literaturze do niniejszej instrukcji.
4
2.1 Penetracja wg PN-EN 1426
Penetracja jest mierzona w 25°C wg normy PN-EN 1426. Jest to głębokość na jaką zanurzy się
znormalizowana igła przy obciążeniu 100g w czasie 5 sekund (dla zakresu do 500 x 0,1 mm). W przypadku
penetracji powyżej 500x0,1 mm temperatura jest obniżona do 15oC, natomiast parametry oznaczania, tj.
obciążenie i czas trwania pozostają niezmienione. Jednostką penetracji jest [0,1 mm], tzn. że jeśli igła
zagłębiła się na 10 mm, to penetracja wynosi 100 [0,1mm]. Penetracja jest miarą konsystencji (twardości)
asfaltu. Im niższy wynik badania tym twardszy jest asfalt. Aparat do badania penetracji przedstawiono na rys.
2.1.1.
Rys. 2.1.1 Aparat do badania penetracji [3]
Zasadę badania przedstawiono na rys. 2.1.2. Głębokość na jaką zagłębia się igła odczytuje się albo z tarczy
urządzenia, na którym wynik jest odczytywany na podstawie wskazówki, która jest „sprzężona” z igłą, albo
wynik jest podawany na wyświetlaczu elektronicznym.
Rys. 2.1.2 Zasada badania penetracji [5]
5
Wykonanie oznaczenia:
1. Sprawdzić, czy sworzeń i jego prowadnica są suche i wolne od zanieczyszczeń. Sworzeń powinien
poruszać się swobodnie w prowadnicy.
2. Oczyścić igłę penetracyjną toluenem lub rozpuszczalnikiem odpowiednim do badanego materiału.
Wytrzeć igłę czystą szmatką i zamocować w sworzniu. Jeżeli Całkowite przewidywane obciążenie w
badaniu wynosi 100g.
3. Ustawić naczyńko penetracyjne na stanowisku badawczym.
4. Powoli opuścić igłę, tak aby jej koniec ściśle pokrył się z jej odbitym obrazem na powierzchni próbki.
5. Odnotować pozycję zerową igły.
6. Nacisnąć przycisk START. Jeżeli naczynko poruszy się, przerwać oznaczenie, a następnie wyregulować
przyrząd, zgodnie z zasadami określonymi dla aparatu do oznaczenia penetracji igłą.
7. Należy wykonać co najmniej trzy ważne pomiary na powierzchni próbki do badań za pomocą trzech
oddzielnych igieł, w punktach umieszczonych nie bliżej niż 10mm od brzegu naczynka i oddalonych od
siebie nie mniej niż o 10mm. Użyć czystej igły do każdego oznaczenia.
8. Jeśli penetracja jest większa niż 100x0,1mm pozostawić wszystkie igły w badanej próbce, aż wszystkie
pomiary nie będą zakończone.
9. Za wynik penetracji przyjąć średnią arytmetyczną wyników otrzymanych dla prawidłowo prowadzonych
pomiarów, wyrażonych w dziesiętnych milimetra i zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej.
10. Uzyskane wyników pomiarów zbadać testem Dixona (test Q) na obecność wyniku obarczonego błędem
grubym.
11. Określić precyzję oznaczeń (s, RSD, CV)
12. Podać wynik oraz niepewność oszacowaną na podstawie odchylenia standardowego.
13. Podać wszystkie odstępstwa odnotowane w trakcie pomiarów.
2.2
Badanie
temperatury
mięknienia
produktów
bitumicznych
metodą
Pierścienia i Kuli (PiK), wg PN EN 1427
Asfalt jest materiałem termoplastycznym bez wyraźnie zaznaczonej temperatury topnienia - wraz ze
wzrostem temperatury (w szerokim jej zakresie) stopniowo spada jego twardość i lepkość. Temperatura
mięknienia jest temperaturą, w której asfalt przyjmuje określoną konsystencję wyznaczoną w ściśle
określonych warunkach. Badanie temperatury mięknienia asfaltu wykonuje się najczęściej metodą
„pierścienia i kuli” (PiK). Procedurę badawczą określają normy ASTM D36 i PN-EN 1427 [1-5].
Temperatura mięknienia jest jednym z parametrów wykorzystywanych do klasyfikowania asfaltów
oraz do określania warunków transportowania, pompowania i składowania asfaltu, a także wytwarzania i
eksploatowania nawierzchni drogowych [1, 2].
6
Oznaczenie temperatury mięknienia polega na pomiarze temperatury, w której dwie próbki asfaltu
umieszczone w metalowych pierścieniach i podtrzymujące stalowe kulki zmiękną do tego stopnia, że kulki
otoczone asfaltem pokonają odległość 25 mm. Próbki asfaltu ogrzewane są w sposób kontrolowany (5
°C/min) w cieczy. W zależności od spodziewanej temperatury mięknienia asfaltu cieczą może być woda
destylowana (28 do 80 °C) lub gliceryna (80 do 157 °C). Za temperaturę mięknienia przyjmuje się średnią
temperaturę z dwóch pomiarów, wyrażoną w °C [2, 4]. Zasadę wykonania pomiaru przedstawiono
schematycznie na rysunku 2.2.1.
Rysunek 2.2.1. Zasada wykonania pomiaru temperatury mięknienia metodą PiK [5].
Na rysunku 2.2.2 przedstawiono zdjęcie układu pomiarowego wykorzystywanego przy wyznaczaniu
temperatury mięknienia metodą PiK. W jego skład wchodzą:
1. pierścienie wykonane z mosiądzu, w których umieszcza się próbki asfaltu,
2. kulki stalowe o średnicy 9,5 mm i masie 3,50 ± 0,05 g,
3. prowadnice do centrowania kulek wykonane z mosiądzu
4. statyw podtrzymujący pierścienie, wykonany w taki sposób żeby odległość pomiędzy dolną powierzchnią
pierścienia a podstawą statywu wynosiła 25 mm,
5. łaźnia, składająca się ze zlewki, odpowiedniej cieczy i piecyka
6. termometr
7. mieszadło zapewniające równomierne rozprowadzenie ciepła
7
Rysunek 2.2.2. Układ pomiarowy do oznaczania temperatury mięknienia metodą PiK. Na zdjęciu po lewej
przed rozpoczęciem pomiaru, po prawej w momencie jego rozpoczęcia.
Rysunek 2.2.3. Pierścienie wraz z nalaną próbką asfaltu (przed ścięciem nadmiaru asfaltu).
Rysunek 2.2.4. Przebieg pomiaru: A) moment rozpoczęcia pomiaru, B) widoczny początek opadania kulki,
C) tuż po zakończeniu pomiaru.
8
Wykonanie oznaczenia:
1. Pierścienie i asfalt ogrzać do temperatury wyższej od spodziewanej temperatury mięknienia o około
90 °C.
2. Pierścienie umieścić na płytce do nalewania pokrytej silikonem. Do każdego z pierścieni nalać z
niewielkim nadmiarem asfalt i pozostawić całość do ostygnięcia, w temperaturze pokojowej przez
około 30 min (Rys. 2.2.3). Czas pomiędzy nalaniem próbek a wykonaniem pomiarów nie powinien
przekroczyć 4 h.
3. Po ostygnięciu ściąć nadmiar asfaltu rozgrzanym nożem, tak by próbka i pierścień tworzyły jedną
płaską powierzchnię.
4. Kulki i podstawę statywu wysmarować silikonem.
5. Pierścienie z asfaltem umieścić w statywie, a kulki we wgłębieniach obok prowadnic do ich
centrowania.
6. Do zlewki nalać wody destylowanej, tak aby powierzchnia cieczy znajdowała się 50 mm nad górną
krawędzią pierścieni.
7. Statyw umieścić w zlewce z wodą destylowaną. Następnie zlewkę umieścić w lodówce na 15 min. –
początkowa temperatura badania powinna wynosić 5 ± 1 °C.
8. Zlewkę ze statywem umieścić na płycie grzewczej piecyka.
9. W zlewce umieścić mieszadło, tak aby jego łopatki znajdowały się pod statywem.
10. W odpowiednim uchwycie, w statywie, umieścić termometr.
11. Kulki za pomocą szpikulca umieścić w prowadnicach.
12. Włączyć mieszanie i grzanie – temperatury układu powinna podnosić się równomiernie o 5 °C/min.
13. Obserwować pomiar i odnotować temperaturę (dla każdego pierścienia i kulki oddzielnie)
natychmiast po dotknięciu podstawy statywu przez kulkę otoczoną asfaltem (Rys. 2.2.4).
14. Temperatura mięknienia jest średnią z dwóch oznaczeń – różnica pomiędzy dwoma oznaczeniami nie
powinna być większa niż 1 °C, w innym przypadku badanie należy powtórzyć.
9
2.3 Badanie temperatury łamliwości Fraassa produktów bitumicznych wg normy
PN-EN 12593
Pomiar temperatury łamliwości metodą Fraassa pozwala określić temperaturę, przy której cienka warstwa
asfaltu naniesiona na metalową płytkę ulega pęknięciu, pod wpływem zginania w stałych odstępach czasu,
przy jednostajnie obniżanej temperaturze. Temperatura łamliwości określa moment przejścia asfaltu ze
stanu lepkosprężystego w sprężysty, co powoduje zwiększenie kruchości materiału i może prowadzić do
pękania np. nawierzchni drogowej. Na rysunku 2.3.1 przedstawiono zasadę prowadzenia pomiaru.
Rysunek 2.3.5. Zasada wykonania badania temperatury łamliwości Fraassa. A) płytka z próbką przed
wygięciem, B) płytka z próbką po zgięciu – jest to moment sprawdzenia, czy pojawiły się pęknięcia [5].
Pomiar temperatury łamliwości metodą Fraassa jest jednym z niewielu badań, które pozwala określić
zachowanie się asfaltów w niskich temperaturach. Jest szczególnie istotny w krajach o zimnym klimacie,
gdzie temperatury zimą osiągają bardzo niskie wartości np. w Kanadzie, Szwecji, Norwegii, Finlandii [3].
Obecnie coraz częściej kwestionuje się przydatność metody Fraassa do opisu zachowania się nawierzchni w
okresie zimowym. W USA odstąpiono od niej na rzecz metody reometru zginanej belki (BBR, ang. Bending
Beam Rheometer). W Europie wykorzystuje się BBR jako badanie dodatkowe [3,5-7].
W tabeli 1 przedstawiono wymagania dotyczące temperatury łamliwości, dla asfaltów drogowych
o penetracjach od 20x0,1 mm do 220x01 mm, ujęte w normie PN-EN 12591:2010 - Asfalty i lepiszcza
asfaltowe – wymagania dla asfaltów drogowych.
Tabela 2.3.1. Wymagania względem temperatury łamliwości dla asfaltów drogowych [8].
Właściwość
Jednostka
Temperatura
łamliwości
wg Fraassa
°C
Metoda
badania
PN-EN
12593
20/30
NR
35/50
50/70 70/100
100/150
160/220
≤ -5
≤ -8
≤ -10
≤ -12
≤ -15
lub
lub
lub
lub
lub
NR
NR
NR
NR
NR
NR – No Reqirement (Brak wymagania. Może być zastosowany w tych krajach, w których dana właściwość nie jest objęta
wymaganiami prawnymi).
10
Na rysunku 2.3.2 przedstawiono zdjęcia elementów układu pomiarowego, do badania temperatury
łamliwości Fraassa, w skład którego wchodzą:
1. stalowe płytki o wymiarach 41mm x 20mm x 0,15 mm,
2. blok magnetyczny wraz z płytą grzejną do rozprowadzania próbek,
3. półautomatyczny aparat Fraassa (Herzog, Niemcy)
4. kriostat cyrkulacyjny CC906 (Huber, Niemcy)
Rysunek 2.3.6. Elementy układu do pomiaru temperatury łamliwości Fraassa: 1) półautomatyczny aparat
Fraassa, 2) uchwyt zginający aparatu Fraassa na płytę z próbką, 3) płytka stalowa, 4) kriostat.
Wykonanie oznaczenia:
1. Odtłuścić powierzchnię 3 płytek pomiarowych poprzez przemycie acetonem.
2. Na płytki nanieść 0,4 g lepiszcza asfaltowego.
3. Płytki umieścić na bloku magnetycznym i płycie grzejnej.
4. Manipulując rozgrzanym blokiem magnetycznym rozprowadzić próbkę po powierzchni płytki – w
temperaturze nie przekraczającej temperatury mięknienia o więcej niż 80 °C.
5. Przygotowane płytki położyć poziomo na podstawce o temperaturze otoczenia i przykryć pokrywką.
6. Po ostygnięciu płytki umieścić w uchwycie aparatu Fraassa.
7. Włączyć kriostat – przepływ cieczy chłodzącej ustawić tak, by temperatura spadała w tempie 1
°C/min.
8. W momencie gdy temperatura będzie o około 10 °C wyższa od przewidywanej temperatury
łamliwości rozpocząć zginanie płytki.
11
9. Proces zginania należy powtarzać wraz ze spadkiem temperatury o 1 °C.
10. Po każdym wygięciu próbki należy obserwować warstwę asfaltu na płytce.
11. Badanie zakończyć w momencie pojawienia się pierwszego widocznego pęknięcia lub zarysowania
warstwy asfaltu.
12. Zanotować wartość temperatury w momencie pojawienia się pęknięcia. Temperatura łamliwości to
średnia z dwóch pomiarów (zaokrąglona do liczby całkowitej), które są poprawne jeżeli różnica
między nimi nie jest większa niż 3 °C.
2.4 Indeks penetracji wg PN-EN 12591
Indeks penetracji (IP) opisuje podatność (wrażliwość) termiczną asfaltu. Do jego obliczenia potrzebne są
wartości penetracji (P) i temperatury mięknienia (tPiK), które podstawia się do zależności:
IP =
20 × t PiK + 500 × log P - 1952
t PiK - 50 × log P + 120
Zakres wartości Ip wynosi od -3 dla dużej wrażliwości temperaturowej do ok. +7 dla silnie utlenionych
asfaltów o niskiej wrażliwości temperaturowej
Warto wiedzieć, że:
·
wykreślenie zależności logP w funkcji temperatury T pozwala na uzyskanie linii prostej o równaniu
logP=A*T+K, gdzie A jest wrażliwością temperaturową, a K stałą.
·
Istnieje założenie że asfalt w temperaturze PiK ma penetrację równą 800 [0,1 mm].
Indeks penetracji można również odczytać graficznie z nomogramu (rys. 2.4.1):
·
Na osi A należy zaznaczyć wartość temperatury mięknienia
·
Na osi B wartość penetracji
·
Poprowadzenie linii prostej przez zaznaczone na osiach A i B punkty pozwala na odczytanie indeksu
penetracji na osi C.
W przypadku zbadania penetracji w dwóch temperaturach, indeks penetracji można odczytać graficznie z
nomogramu przedstawionego na rys. 2.4.2:
·
Na osi A należy zaznaczyć różnicę temperatury T1 i T2 dla których wykonywano badanie penetracji
·
Na osi B należy zaznaczyć stosunek wartości penetracji dla temperatur T1 i T2
·
Linia poprowadzona przez te punkty, w miejscu przecięcia z osią C wyznacza indeks penetracji
12
Rys. 2.4.1 Nomogram do odczytywania indeksu penetracji na podstawie wartości penetracji i temperatury
mięknienia [3]
13
Rys. 2.4.2 Nomogram do odczytywania indeksu penetracji na podstawie wartości penetracji w dwóch
temperaturach [3]
14
2.5 Zakres plastyczności
Jest to różnica pomiędzy temperaturą mięknienia (TPiK) a temperaturę łamliwości (TFraass). W tym zakresie
temperatur lepiszcze zachowuje właściwości lepko-sprężyste. Podanie zakresu plastyczności jest wymagane
dla asfaltów modyfikowanych.
ZakresPlas tyczn. = TPiK - TFraass
2.6 Starzenie technologiczne RTFOT (Rotating Thin Film Oven Test) wg PN-EN
12607-1
Test symuluje warunki starzenia technologicznego. Próbka asfaltu w szklanym pojemniku jest umocowana na
specjalnej tarczy obrotowej w suszarce pracującej w temperaturze 163°C z nadmuchem powietrza. Po
ochłodzeniu próbki wykonuje się dla niej badania parametrów i ocenia ich zmianę względem wartości przed
pomiarem:
·
Zmiana masy po starzeniu (% zmiana (wartość bezwzględna) względem wartości pierwotnej)
·
Zmiana penetracji (% udział wartości pierwotnej)
·
Wzrost/spadek temperatury mięknienia
Rys. 2.6.1 przedstawia fotografie aparatu i naczyń do RTFOT.
Rys.2.6.1 Fotografie komory (górny, lewy), wnętrza (dolny, lewy) oraz naczyń (po prawej) do RTFOT na
podstawie [3 i 5]
15
2.7 Badanie rozkładu granulometrycznego materiału ziarnistego – granulometria
sitowa i mikroskopowa
Przesiewanie jest jednym z najstarszych sposobów na rozdzielanie materiałów ziarnistych, często
poprzedzone mieleniem lub inną techniką rozdrabniania. Operacja przesiewania pozwala w prosty sposób
otrzymać frakcje o pożądanej granulacji, a także kontrolować wielkość cząstek. W praktyce stosowania
materiałów ziarnistych w różnych procesach technologicznych lub zastosowaniach zakres wielkości cząstek
jest limitowany dla otrzymania pożądanych właściwości produktu lub wsadu do procesu. Przykłady, to:
wymagany rozkład granulometryczny rud metali, nawozów sztucznych, sorbentów lub katalizatorów różnego
typu, a także w wielu produktów spożywczych, niektórych leków w formie zawiesiny lub wsadu do
otrzymania tabletek, past itd. Analogiczne wymagania występują w budownictwie. Z drugiej strony by
zapewnić odpowiedni pożądany rozkład ziarnistości, trzeba potrafić go mierzyć. Jedną z technik jest tu
analiza sitowa wykorzystująca przesiewanie materiału przez sita o znormalizowanej wielkości oczek pozwala
natomiast na kontrolę rozkładu wielkości cząstek. Przesiewanie jest operacją stosunkowo czasochłonną,
wymaga
doboru
odpowiednich
sit
oraz
zapewnienia
odpowiedniego
wytrząsania
(najczęściej
mechanicznego) podczas operacji, tak w skali laboratoryjnej, jak technicznej. W skali technicznej często
zamiast wibracji stosuje się sita bębnowe obrotowe.
Każdy materiał ziarnisty, w tym katalizatory świeże i w trakcie eksploatacji w warunkach fluidyzacji, albo
cyrkulacji katalizatora, a także sorbenty, granulaty, parafiny itp. materiały charakteryzują się określonym
rozkładem wielkości ziaren. Obecność frakcji o niewielkich rozmiarach ziaren jest w przypadku tego typu
materiałów, z różnych powodów niekorzystna. Najczęściej najbardziej korzystne właściwości posiadają
materiały o niewielkim zakresie polidyspersyjności granulometrycznej. Np. w przypadku wypełnień kolumn
HPLC czy innego typu, a także warstw porowatych adsorpcyjnych lub katalitycznych, opór przepływu
czynnika zależy od najmniejszych iaren a dyspersja wzdłużna od największych.
2.7.1 Skład granulometryczny, granulometria
Granulometria jest dziedziną zajmującą się wyznaczaniem rozkładu masy lub liczby cząstek w
arbitralnie przyjętych przedziałach rozmiarów zwanych także klasami ziarnowymi. Przedmiotem badań
granulometrycznych są cząstki (ziarna) z zakresu średnic od 3·10-9 [m] (3 [nm]) do ok. 0,25 [m]. Przykład
rozkładu granulometrycznego w postaci histogramu i krzywej sumacyjnej przedstawiono na rysunkach 2.7.1 i
2.7.2.
16
25
Udział frakcji [%]
20
15
10
5
0
0,065
0,07
0,075 0,08 0,085 0,09 0,095
średnia średnica frakcji [mm]
0,1
0,105
Rysunek 2.7.7. Rozkład granulometryczny przedstawiony w postaci histogramu
100
90
Udział frakcji [5]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,065
0,07
0,075 0,08 0,085 0,09 0,095
średnia średnica frakcji [mm]
0,1
0,105
Rysunek 2.7.8. Rozkład granulometryczny przedstawiony w postaci krzywej sumacyjnej
Uziarnienie/skład granulometryczny jest przedstawiany najczęściej, jako rozkład wielkości ziaren materiału procentowa zawartość poszczególnych frakcji w ogólnej masie. Jednakże różne metodyki pomiaru, mogą
prowadzić do różnych rezultatów. Ogólnie metody pomiaru składu granulometrycznego można podzielić ze
względu na:
·
zasadę działania przyrządu,
·
wielkość mierzonych cząstek,
·
sposób pomiaru.
Ze względu na zasadę działania wyróżnić można następujące metodyki:
·
sitowa (sita: 40[μm] – 25 [mm]; mikrosita: 5 – 100 [μm])
·
w polu sił:
17
o
ciężkości (sedymentacja)
§
metody przyrostowe (pipeta sedymentacyjna, fotosedymentacja, rentgenowska),
§
metody
kumulatywne
(wagi
sedymentacyjne,
kolumny
sedymentacyjne,
dekantowanie, manometryczne);
o
wymuszonych
§
elutriacja (metody klasyfikacji płynowej – wywiewanie):
·
klasyfikatory płynowe przeciwprądowe (w polu grawitacyjnym, w polu sił
odśrodkowych),
·
klasyfikatory płynowe przepływu poprzecznego (w polu grawitacji, w polu sił
odśrodkowych) np. hydrauliczne, pneumatyczne;
§
·
·
odwirowywanie:
·
wirówki konwencjonalne,
·
superwirówki,
·
ultrawirówki;
mikroskopowa:
o
mikroskop optyczny,
o
mikroskop elektronowy,
o
mikroskop holograficzny;
§
kontrastu elektrycznego (zmiana przewodności elektrolitu – konduktometria),
§
rozpraszania lub absorpcji (blokady) promieniowania świetlnego,
inne (metoda: ultradźwiękowa, chromatograficzna (GPC/SEC), frakcjonowanie w polu sił (FFF)).
2.7.2 Analiza sitowa
Metoda polega na rozdzielaniu materiału na frakcje zawierające ziarna o różniej wielkości, poprzez
przesiewanie próbki przez zestaw sit, w wyniku czego ziarna o odpowiednich zakresach średnic pozostają na
kolejnych sitach (o coraz mniejszych oczkach). Po zważeniu poszczególnych klas ziarnowych określa się ile
procent materiału pozostało na każdym sicie w stosunku do całości materiału.
Analizę sitową wykonuje się używając sit o średnicach oczek dobranych odpowiednio do przesiewanego
materiału. Część próbki, która przechodzi przez oczka sita to przesiew, a część pozostała na sicie to odsiew.
Stosowane dla sit wymiary oczek kwadratowych to: 40 mm, 25 mm, 10 mm, 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm,
0,25 mm, 0,1 mm (dla materiałów zawierających kruszywo, kamienie, żwir, piasek lub inne grubsze ziarna)
czy też 0,071 mm lub 0,063 mm (dla bardziej drobnoziarnistych materiałów takich jak mączka kwarcowa,
piaski z pyłami); dopuszcza się zastąpienie sit 0,071 i 0,063 mm sitami o wymiarach oczek 0,074 i 0,06 mm. W
różnych działach nauki i gospodarki mogą być używane sita o nieco różniących się średnicach oczek.
Najczęściej stosuje się sita:
18
·
blaszane (blacha grubości 3-12 mm) o otworach kwadratowych lub okrągłych wierconych lub
wytłaczanych;
·
druciane o otworach kwadratowych, wykonane z drutu stalowego, miedzianego i innych;
·
plecione mieszane/tkane - wykonane z tworzywa sztucznego lub jedwabiu.
Analizę sitową można przeprowadzić 2 metodami:
·
na sucho (najczęściej) - dla suchych gruntów, sorbentów i kruszyw nie zawierających grudek gliny lub
ziaren oblepionych gliną, cząstek katalizatora, miału węglowego, nawozów sztucznych, kaolinu itp.
·
na mokro - dla materiałów zawierających grudki gliny lub ziarna oblepione gliną lub pyłem, a także
dla materiałów zawierających duże ilości bardzo drobnych ziaren, które przy przesiewaniu na sucho
mogą pylić, ulegać silnemu naelektryzowaniu i nie być frakcjonowane na sucho. Generalnie, jeśli
wielkość ziaren jest niższa od 50 μm.
2.7.2.1 Charakterystyka sit - parametry
·
Współczynnik prześwitu - stosunek sumarycznej powierzchni otworów do całkowitej powierzchni
sita;
·
Przesiewalność sita - masa przesiewu otrzymana w jednostce czasu z jednostki powierzchni sita;
·
Sprawność sita - iloraz wielkości przesiewu do całkowitej ilości przesiewanego materiału. Obliczanie
zgodnie z zależnością (1):
h=
G1
100 × G1
=
%
a
a ×G
G×
100
(1)
gdzie: a - procentowa zawartość frakcji w materiale, G1 - masa uzyskanego przesiewu [kg], G - całkowita masa
przesiewanego materiału [kg].
·
współczynnik sprawności przesiewania/współczynnik niedosiewu (ε) - określa ilość materiału, zdolną
do przejścia przez oczka sita, a pozostającą w odsiewie (znaczenie przemysłowe) (2):
e = 1 -h
(2)
·
Numer sita - liczba oczek znajdujących się na 1 cm długości sita;
·
Liczba "mesh" - liczba oczek sita znajdujących się na 1 cal-u (~25,4 mm) długości sita
Należy mieć na uwadze, że efektywne przesiewanie jest operacją wymagającą czasu potrzebnego na
zapewnienie ilościowego przesiania materiału. Ogólne równanie opisujące zależność uzyskanej masy
przesianego materiału w zależności od czasu operacji można opisać równaniem (3):
k * (M t - M r )
dM
=dt
tm
19
(3)
gdzie: Mt - sumaryczna masa [g] materiału pozostająca na sicie po czasie t [s], Mr - masa materiału, która nie
przejdzie przez oczka sita (odsiew), k - prawdopodobieństwo przejścia materiału o danej wielkości cząstek w
czasie t [s-1] lub stała szybkości przesiewania
Po rozwiązaniu równania (3) dla M oraz zastąpienie w równaniu stałej m przez 1-n otrzymuje się (4):
M = M 0 (1 - e - k ×t )
n
(4)
Graficzne przedstawienie operacji opisanej równaniem (4) przedstawiono na rysunku 2.7.3. Na tej podstawie
możliwa jest optymalizacja operacji dla skali procesowej.
Rysunek 2.7.9. Przykłady trzech krzywych przesiewania dla równania (4). n=0,8.Linia kreskowa k=0,025,
kropkowana k=0,050, ciągła k=0,1.
[9]
2.7.3 Analiza mikroskopowa
Alternatywnym sposobem do analizy sitowej cząstek małych i bardzo małych – w zakresie od ok. 1 μm do ok.
300 μm, jest wyznaczania rozkładu granulometrycznego przy pomocy analizy mikroskopowej. Jest to
metodyka rozjemcza stosowana w przypadku stwierdzenia rozbieżności wyników wykonanych np. przez
dostawcę i odbiorcę określonego materiału.
Analiza polega na zliczaniu ilości cząstek/ziaren próbki materiału analizowanej pod mikroskopem w funkcji
średnicy cząstek. Przy czym, jeśli cząstki nie są kuliste, należy zawsze wyjaśnić, w jaki sposób definiuje się
średnicę. Na tej podstawie określa się udział poszczególnych frakcji o zdefiniowanych zakresach średnic
cząstek w próbce materiału.
Norma przedmiotowa wymaga zmierzenia co najmniej 600 ziaren, cząstek lub kropel emulsji. Obecnie, gdy
dysponuje się cyfrowymi systemami analizy obrazu, nie jest to większy problem. Wcześniej ta technika była
uważana za szczególnie czaso- i pracochłonną.
20
2.7.4 Charakterystyka rozmiaru ziaren
Istnieje kilka alternatywnych sposobów charakteryzowania wielkości ziaren. Wynika to z geometrii
analizowanych cząstek, które mogą być ziarnami:
·
kulistymi - rozmiar reprezentujący kulę, to średnica
·
sześciennymi - rozmiar reprezentujący sześcian to krawędź.
W rzeczywistości ziarna proszków mają kształt znacznie odbiegający od brył foremnych. Stąd, wprowadzono
pojęcie nominalnej wielkości ziarna. W tabeli 1 przedstawiono przykładowe sposoby charakteryzowania
rozmiaru cząstek.
Tabela 2.7.2. Sposoby charakteryzowania rozmiaru cząstek
Symbol
d
d
p
d
d
d
s
v
R
sw
d
st
d
d
F
M
Nazwa
Sposób wyznaczania
rozmiar sitowy
minimalny rozmiar boku kwadratowego oczka w
sicie, przez które zdołało przejść ziarno
rozmiar powierzchniowy
średnica kuli o takiej samej powierzchni jak
ziarno
rozmiar objętościowy
średnica kuli o takiej samej objętości jak ziarno
rozmiar projekcyjny
średnica kuli o takiej samej powierzchni przekroju
jak powierzchnia rzutu ziarna na płaszczyznę jego
stabilnego spoczynku
rozmiar wg powierzchni właściwej
średnica kuli o takim samym stosunku S/V jak
ziarno
rozmiar wg Stokesa
średnica kuli o takiej samej gęstości i opadającej
w lepkim ośrodku z taką samą szybkością jak
rozpatrywane ziarno (Re<0,2)
rozmiar Fereta
średnia odległość pomiędzy dwoma równoległymi
liniami stycznymi do rzutu ziarna
rozmiar Martina
średnia długość cięciwy rzutu ziarna
21
4. Sprawozdanie
Nad sprawozdaniem pracuje cała grupa laboratoryjna. Każdy z członków grupy powinien znać i potrafić
wykonać wszystkie obliczenia przedstawione w sprawozdaniu, co potwierdza własnoręcznym podpisem na
stronie tytułowej sprawozdania.
Dla każdej serii pomiarów należy dokonać podstawowej „obróbki” statystycznej, z uwzględnieniem
sprawdzenia występowania błędów grubych. Porównanie dwóch serii wyników może mieć miejsce wyłącznie
w przypadku gdy nie różnią się pod względem precyzji. Jeśli jest inaczej to ten fakt wykonawcy powinni
stwierdzić w trakcie dyskusji wyników oraz podać ewentualne przyczyny różnic w precyzji.
Wyniki zbadanych parametrów powinny zostać odniesione do wartości literaturowych, wraz z podaniem ich
źródła.
5. Literatura
[1]. E. Trzaska, Asfalty drogowe – produkcja, klasyfikacja oraz właściwości, Nafta-Gaz 5 (2014) 325-331.
[2]. ASTM D 36, Standard Test Method for Softening Point of Bitumen (Ring-and-Ball Apparatus).
[3]. R. N. Hunter, A. Self, J. Read, The Shell Bitumen Handbook sixth edition, ICE Publishing, 2015.
[4]. PN-EN 1427:2009, Asfalty
i lepiszcza asfaltowe – Oznaczanie temperatury mięknienia – Metoda
Pierścień i Kula.
[5]. K. Błażejowski, J. Olszacki, H. Peciakowski, Poradnik asfaltowy, ORLEN Asfalt, Płock, 2014.
[6]. ASTM D6648-01 – Standard Test Method for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder
Using the Bending Beam Rheometer (BBR).
[7]. PN-EN 14771 – Asfalty i lepiszcza asfaltowe. Oznaczanie sztywności pełzania przy zginaniu. Reometr
zginanej belki (BBR).
[8]. PN-EN 12591:2010 - Asfalty i lepiszcza asfaltowe – wymagania dla asfaltów drogowych.
[9]. M.Cooke, Encyclopedia of Separation Science
22