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

mgr inż. Maksymilian Plata-Gryl

prof. dr hab. inż. Marian Kamiński

Gdańsk, 2016

2

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 mikroskopowa 16

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

3

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)

4

• 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.

5

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]

6

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].

7

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

8

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.

9

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.

10

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 Metoda

badania 20/30 35/50 50/70 70/100 100/150 160/220

Temperatura

łamliwości

wg Fraassa

°C PN-EN

12593 NR

≤ -5

lub

NR

≤ -8

lub

NR

≤ -10

lub

NR

≤ -12

lub

NR

≤ -15

lub

NR

NR – No Reqirement (Brak wymagania. Może być zastosowany w tych krajach, w których dana właściwość nie jest objęta

wymaganiami prawnymi).

11

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.

12

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:

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

120log501952log50020

+⋅−−⋅+⋅

=Pt

PtIPiK

PiKP

13

Rys. 2.4.1 Nomogram do odczytywania indeksu penetracji na podstawie wartości penetracji i temperatury mięknienia [3]

14

Rys. 2.4.2 Nomogram do odczytywania indeksu penetracji na podstawie wartości penetracji w dwóch

temperaturach [3]

15

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.

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]

FraassPiK TTtycznZakresPlas −=.

16

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.

17

Rysunek 2.7.7. Rozkład granulometryczny przedstawiony w postaci histogramu

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:

0

5

10

15

20

25

0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105

Udzia

ł fra

kcji

[%]

średnia średnica frakcji [mm]

0102030405060708090

100

0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105

Udzia

ł fra

kcji

[5]

średnia średnica frakcji [mm]

18

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:

19

• 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):

%100

100

11

GaG

aG

G⋅⋅

=⋅

=η (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):

ηε −= 1 (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):

mrt

tMMk

dtdM )(* −

−= (3)

20

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):

)1(0ntkeMM ⋅−−=

(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.

21

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 Nazwa Sposób wyznaczania

ds rozmiar sitowy minimalny rozmiar boku kwadratowego oczka w

sicie, przez które zdołało przejść ziarno

dp rozmiar powierzchniowy średnica kuli o takiej samej powierzchni jak

ziarno

dv rozmiar objętościowy średnica kuli o takiej samej objętości jak ziarno

dR

rozmiar projekcyjny średnica kuli o takiej samej powierzchni przekroju jak powierzchnia rzutu ziarna na płaszczyznę jego stabilnego spoczynku

dsw

rozmiar wg powierzchni właściwej średnica kuli o takim samym stosunku S/V jak ziarno

dst

rozmiar wg Stokesa średnica kuli o takiej samej gęstości i opadającej w lepkim ośrodku z taką samą szybkością jak rozpatrywane ziarno (Re<0,2)

dF rozmiar Fereta średnia odległość pomiędzy dwoma równoległymi

liniami stycznymi do rzutu ziarna

dM

rozmiar Martina średnia długość cięciwy rzutu ziarna

22

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