LIANTII RUTIERI

Pietruirile simple si macadamurile obisnuite fiind construite din pietre inclestate numai prin cilindrare (fara nici un alt element de legatura) nu pot suporta in mod satisfacator decat solicitari verticale, cum ar fi cele produse de circulatia hipomobila sau de rotile trase. Introducerea traficului automobil a facut ca la contactul dintre roata si cale sa apara o noua solicitare, si anume actiunea tangentiala. Aceasta actiune capata valori importante in timpul demarajului si al franarii si este influentata puternic de declivitatea drumului.

Actiunile tangentiale, prin marimea si prin variatia lor de sens produc miscarea pietrelor din macadamuri. De aceea, pe masura ce intensitatea circulatiei mecanice a crescut, a fost necesar sa se construiasca imbracaminti aglomerate, la care agregatele sa fie legate intre ele printr-un liant. In modul acesta, pietrele isi gasesc o pozitie fixa, iar imbracamintea devine impermeabila. Aglomerarea agregatelor se face cu ajutorul liantilor. La constructia drumurilor moderne se intrebuinteaza doua tipuri de lianti: lianti <rigizi> sau minerali (anorganici) si lianti <plastici> sau organici.

Din categoria liantilor <rigizi> face parte cimentul si el intra in alcatuirea betonului de ciment care defineste structurile rutiere rigide.

Liantii <plastici> sunt intrebuintati la constructia soselelor suple sau nerigide, precum si la o serie de lucrari de protectie si de impermeabilizare. Liantii plastici intrebuintati la constructia si intretinerea drumurilor mai sunt numiti si lianti hidrocarbonati sau bituminosi si din grupa lor face parte bitumul si gudronul.

1 LIANTII BITUMINOSI

Liantii bituminosi (dupa o definitie internationala unanim acceptata) sunt amestecuri complexe de hidrocarburi de origine naturala sau obtinute prin pirogenare, insotite adesea de combinatiile lor cu oxigenul, azotul, sulful etc. Ei se prezinta sub forma lichida, vascoasa sai solida, au o culoare bruna inchisa, pana la negru si sunt complet solubili in sulfura de carbon.

Pentru a putea indeplini rolul de lianti rutieri, substantele bituminoase trebuie sa aiba si o putere de lipire sau de aglomerare. Aceasta conditie este indeplinita numai de doua categorii de compusi si anume de bitumurile asfaltice si de gudroane.

Bitumurile asfaltice pot fi naturale sau pot fi preparate din hidrocarburi naturale sau din derivatele naturale ale acestora, prin distilare, oxidare sau cracare; pot fi solide sau vascoase, au proprietati aglomerante caracteristice si sunt, practic, solubile integral in sulfura de carbon.

Gudroanele sunt produse vascoase preparate prin pirogenarea (carbonizare in vase inchise) unor materii organice ca huila, lignit, lemn etc. Gudroanele folosite in tehnica rutiera provin in special din distilarea huilei. Spre deosebire de bitum, gudronul nu se gaseste in stare naturala.

La noi in tara se gaseste bitum natural in bazinul Derna-Tatarus-Budoi, langa Oradea (in regiunea Crisana), sub forma de impregnatii in nisip. Substanta impregnata, denumita impropriu gudron, este un bitum foarte moale care trebuie prelucrat pentru a se obtine un bitum rutier. Nisipurile contin, in medie, 10-20% bitum. Separarea de nisip se face cu apa calda slab alcalinizata. S-a incercat extragerea substantei bituminoase cu benzina si cu lampant, insa nu s-a ajuns la rezultate favorabile.

Bitumul extras din regiunea Crisana este de foarte buna calitate nu contine parafina si, intr-o foarte mare masura, este utilizat si in industria chimica.

Nisipul bituminos de Derna-Tatarus este folosit si direct la lucrarile de asfaltaj din regiune si la numeroase lucrari din tara, amestecat cu bitum rezidual.

Tot in regiunea Crisana, in jurul localitatii Suplacul de Barcau, s-au gasit, la mica adancime, zacaminte bogate dintr-o substanta bituminoasa, vascoasa la temperatura obisnuita (un ulei asfaltic), numita bitumina, care este intrebuintata cu succes la lucrarile de asfaltaj pe drumuri de interes local.

La Matita si Pacureti, in zona Ploiesti, se mai gasesc impregnatii de bitum in argila si nisip fin cu un continut de 10-12% bitum pur, de buna calitate. Nisipurile bituminoase amestecate cu bitum rezidual sunt folosite la lucrarile de asfaltaj locale.

In afara de rocile asfaltice se mai gasesc in natura o serie de roci numite sisturi bituminoase sau pirosisturi, alcatuite din argile sau marne impregnate cu un bitum insolubil. Acest bitum este atat de putenic mineralizat, incat nu poate fi separat nici prin tratare cu solventi, nici prin spalare cu apa calda. Separarea partii bituminoase se poate face numai prin pirogenare, opratie in urma careia se obtine un ulei special, numit ulei de sist. Acest produs, supus ulterior unei distilari fractionate, da ca si un titei obisnuit: benzina, lampant, uleiuri si bitum. Bitumul obtinut pe aceasta cale se numeste bitum de sist. Sisturile bituminoase sunt foarte raspandite, in special, in Franta, Polonia, Japonia etc.

Compozitia si structura liantilor bituminosi

Din punct de vedere chimic, atat bitumurile asfaltice, cat si gudroanele sunt amestecuri extrem de complexe de hidrocarburi cu un mare numar de atomi de carbon. Ele se prezinta in serii continue, nelimitate, insotite de derivatele lor oxigenate, sulfuroase si azotoase, precum si de un numar foarte mare de izomeri.

Din aceasta cauza, o separare in laborator a hidrocarburilor componente nu se poate face; se pot indica numai compozitia elementara si principalele grupe de hidrocarburi care intra in alcatuirea acestor substante.

Analiza elementara arata ca liantii bituminosi contin in medie:

- carbon combinat    82-85%;

- hidrogen    12-15%;

- oxigen    2-3%.

sulful si azotul intra in proportii foarte mici

Se mentioneaza ca in bitumurile asfaltice predomina grupurile de tipul naftenelor si parafinelor, si, in special, hidrocarburi saturate, iar in gudroane predomina grupurile de tipul aromatelor si, in special, hidrocarburi nesaturate.

In ceea ce priveste constitutia fizico-chimica a liantilor bituminosi, acestia formeaza sisteme coloidale complexe.

Cu ajutorul unor solventi selectivi, prin diferite operatii de laborator, s-au putut separa unii constituenti principali ai bitumului formati din grupe de hidrocarburi apropiate atat prin compozitia lor chimica, cat si prin insusirile lor fizice.

In prezent, in functie de evolutia tehnicilor de separare a constituientilor, un bitum este analizat in termeni de fractiuni SARA (S-hidrocarburi saturate, A-hidrocarburi aromatice, R-rasini, A-asfaltene).

Metoda cea mai utilizata pentru determinarea compozitiei chimice a bitumului este cromatografia in strat subtire cu detector de ionizare in flacara-Metoda IATROSCAN.

Hidrocarburile saturate sunt hidrocarburi nepolare, cu masa moleculara redusa, alcatuite din hidrocarburi alifatice cu catene liniare sau ramificate si alchil naftene. Reprezinta 5 . 20% din masa bitumului.

Hidrocarburile aromatice (nesaturate) contin unul sau mai multe inele aromatice, care pot include sulf (de tip tiofenic/sulfura), azot si oxigen. Se prezinta ca lichide viscoase, de culoare maro inchis, cu masa moleculara redusa (300 . .2000). Reprezinta 40-65% din masa bitumului. Sub efectul temperaturii trec in hidrocarburi cu masa moleculara mai mare.

Rasinile sunt alcatuite din hidrocarburi aromatice condensate, cu continut redus de hidrocarburi alifatice. Sunt substante solide/semisolide, de culoare maro inchis, cu masa moleculara medie. Au polaritate mare, atestand adezivitate puternica. Sunt agenti de peptizare pentru asfaltene. Rasinile sunt solubile in lichidele care precipita asfaltenele; precipita impreuna cu asfaltenele in cazul propanului si pot fi separate de asfaltene prin extractie cu n-pentan. Reprezinta circa 30% din masa bitumului. Dimensiunile particulelor variaza intre 1 nm si 5 nm. Continutul de rasini scade in timp.

Asfaltenele sunt alcatuite din hidrocarburi aromatice complexe, de polaritate ridicata si masa moleculara mare (1000 . . .100000, in functie de metode de determinare: ultracentrifugare, presiune osmotica, criometrie). Prin definitie sunt insolubile in n-heptan; se obtin prin precipitare in solventi nepolari (pentan, isopentan, hexan). Asfaltenele sunt solubile in lichide cu tensiuni superficiale ridicate. Reprezinta 5 . 25% din masa bitumului. Dimensiunile micelelor variaza intre 5 nm si 30 nm.

Continutul de asfaltene influenteaza caracteristicile reologice ale bitumului. Cresterea continutului de asfaltene se traduce prin durificarea bitumului

Asfatenele manifesta tendinta accentuata de a forma asociatii moleculare. Moleculele de asfaltene formeaza foite plane sau aproape plane, discontinui, alcatuite din molecule naftenice si aromatice , si in proportii reduse din heterocompusi organici, intre care se stabilesc legaturi, in general sub forma de lanturi alifatice. Asocierea in micele se realizeaza prin suprapunerea succevsiva a foitelor de molecule si formarea unei structuri stratificate. Legaturile intre foitele de asfaltene sunt atribuite fortelor de natura electrostatica.

Cresterea continutului in hidrocarburi aromatice in conditiile unui raport constant intre hidrocarburile saturate si rasini se traduce printr-un efect redus asupra comportarii reologice a bitumului, cu exceptia unei reduceri limitate a susceptibilitatii la forfecare.

Cresterea continutului in hidrocarburi saturate, in conditiile unui raport constant intre rasini si hidrocarburi aromatice, inmoaie bitumul.

Cercetarile mai recente prezinta bitumul ca un amestec ternar, compus din uleiuri-rasini-asfaltene. Ele alcatuiesc compozitia de grupa a bitumurilor si pot fi separate si studiate fiecare in parte, deoarece continutul lor, calitativ si cantitativ, influenteaza puternic caracteristicile bitumurilor

faza continua (mediul dispersat) este un ulei,

faza discontinua (mediul dispersat) este formata din micele

Faza continua (mediul uleios)

- este constituita din maltene - hidrocarburi cu greutatea moleculara 500-1.000.

> au o culoare galben roscata sau verzuie si o tensiune superficiala de 25-30 dyn/cm.

> Continutul de maltene influenteaza asupra consistentei si, intr-o masura oarecare, si asupra ductilitatii bitumului;

>sunt solubile in eterul de petrol, in sulfura de carbon si in tetraclorura de carbon.

In imediata vecinatate a micelelor se gasesc fractiunile cele mai grele din maltene, cunoscute sub denumirea de rasini si

cu cat sunt mai departate de suprafata micelelor cu atat devin mai uleioase si mai fluide si poarta numele de petrolene, formand fractiunea usoara a maltenelor.

In mediul uleios, pe langa micele se mai gasesc o serie de compusi solizi, formati din carbene si carboide.

Carbenele sunt substante bogate in carbon ajungand pana la carbon pur coloidal. Se gasesc numai in bitumurile de petrol si prezenta lor, intr-o proportie mai mare decat 0,5%, ararta ca procesul de fabricatie nu afost condus in conditii bune. Influenteaza viscozitatea bitumului si sunt solubile numai in sulfura de carbon.

Carboidele sunt substante insolubile, formate in general tot din carbon; ele constituie impuritatile bitumului.

Trebuie mentionat ca in mediul uleios se gaseste raspandita, sub forma de cristale, izolate sau grupate, intreaga cantitate de parafina pe care o contine bitumul.

faza discontinua (mediul dispersat)

Micelele sunt alcatuite dintr-un nucleu format din asfaltenele cu cea mai mare greutate moleculara si care au un continut de carbon mai mare decat 86%.

Corpul micelelor este alcatuit din invelisuri de asfaltene mai usoare, care sunt hidrocarburi de culoare neagra, amorfe, cu greutate moleculara foarte mare variind intre 5.000 si 100.000. Nu sunt fuzibile;

La temperaturi ridicate se descompun.

Bitumurile curente au in general intre 5 si 35% asfaltene.

Continutul de asfaltene asigura stabilitatea bitumului si constituie factorul activ de adezivitate; de asemenea, influenteaza punctul de inmuiere si consistenta, bitumurile dure avand un continut mai mare de asfaltene. Ele sunt solubile in sulfura de carbon si in tetraclorura de carbon si nu sunt solubile in eterul de petrol.

>Micelele sunt foarte mici, dimensiunile lor variind intre 1/100.000 si 1/10.000.000 dintr-un cm. Marimea micelelor influenteaza consistenta bitumului; cu cat sunt mai mici, cu atat bitumul este mai fluid.

Invelisul protector al micelelor creeaza un echilibru intre tensiunea superficiala a asfaltenelor si aceea a maltenelor, asigurand astfel stabilitatea solutiei coloidale.

Intre invelisul micelelor si mediul uleios nu este o trecere brusca si nici o delimitare precisa, ci se gasesc o serie de straturi care dilueaza treptat substantele adsorbite de micele in mediul uleios.

Daca se verifica tensiunea superficiala a mediului uleios, prin introducerea unui solvent cu o tensiune superficiala mai mica, se modifica tensiunea interfaciala dintre cele doua faze (asfaltene-maltene), ceea ce conduce la o rupere a echilibrului coloidal si deci la o separare a particulelor solide. In modul acesta, folosindu-se diferiti solventi selectivi, se pot separa constituentii principali ai bitumului.

>Suprafata micelelor este acoperita cu un invelis protector absorbit, format din rasini si acizi asfaltogenici.

Rasinile sunt corpuri elastice, solide la temperatura obisnuita, dar care se inmoaie la caldura. Prin oxidare se transforma in asfaltene. Rasinile asigura o buna ductilitate a bitumului.

Acizii asfaltogenici sunt substante negre, vascoase instabile, care sub actiunea caldurii se transforma in rasini. Prezenta lor influenteaza favorabil adezivitatea.

Atat rasinile, cat si acizii asfaltogeni, fiind dispersati molecular in uleiuri, sunt considerati ca formand o treapta de trecere intre asfaltene si maltene.

Raportul rasini/asfaltene guverneaza tipurile reologice de bitum (sol, sol-gel, gel)

Atunci cand cantitatea de uleiuri si rasini din bitum depaseste o anumita valoare fata de continutul micelar, bitumul are o structura coloidala de tip SOL

Daca uleiurile si rasinile se gasesc in cantitati foarte reduse, micelele incep sa se aglomereze legandu-se in retele si formand o structura coloidala de tip GEL.

Aceste tipuri de structuri sunt in functie de temperatura la care se gaseste bitumul.

Prin incalzire, la bitumurile de tip gel, legaturile dintre micele se rup din cauza agitatiei termice produse de cresterea temperaturii astfel incat structura de tip gel trece treptat intr-o structura de tip sol-gel si apoi in structura de tip sol. Aceste modificari de structura conduc la modificarile corespunzatoare ale plasticitatii bitumului: structura de gel corespunde unei stari rigid-vascoase. Prin racire, modificarile se petrec in sens invers.

Bitumurile de tip sol se caracterizeaza prin urmatoarele:

- asfaltenele sunt complet peptizate datorita cantitatii/puterii de solvatare a rasinilor si fractiunii aromatice;

- prezinta o curgere pur viscoasa (newtoniana);

- susceptibilitate mare la temperatura.

Reprezinta bitumurile cu faza maltene bogata in hidrocarburi aromatice.

Bitumurile de tip gel se caracterizeaza prin urmatoarele:

- faza dispersata formeaza o structura elastica continua;

- continut ridicat de asfaltene; tendinta de variatie a micelelor ca suprafata/marime; cantitatea/puterea de solvare a rasinilor/ fractiunii aromatice sunt insuficiente pentru peptizarea asfaltenelor;

- susceptibilitate redusa la temperatura;

- prezinta o comportare elastica

Se defineste

Indicele de instabilitate coloidala, IC

IC=(Asfaltene + Saturate)/(Rasini+ Aromatice);   

IC: max. 0,5 -in cazul aplicarii metodei IATROSCAN pentru determinarea compozitiei pe grupe de hidrocarburi;

Indcele de aromaticitate, IA

IA=Aromatice(%)+Rasini (%); IA: min 66%.

Caracteristicile liantilor bituminosi

Liantii bituminosi prezinta o puternica inertie la reactiunile chimice. Inalterabilitatea caracteristica acestor lianti se datoreste, in primul rand, rezistentei si stabilitatii la actiunea oricarei substante chimice agresive; de aceea si oxidarea in aer se face foarte incet. Din aceste motive, proprietatile liantilor bituminosi sunt numai de natura fizica.

Modul de comportare al liantilor bituminosi are un puternic aspect reologic; marimea si natura deformatiilor depind in primul rand de viteza cu care sunt aplicate sarcinile, de durata aplicarii lor si de temperatura la care se produc solicitarile.

Principalele caracteristici ale liantilor bituminosi se pot grupa in:

- caracteristici in legatura cu consistenta;

- caracteristici in legatura cu plasticitatea;

- caracteristici in legatura cu adezivitatea.

Caracteristici in legatura cu consistenta

Prin consistenta se intelege relatia de dependenta dintre deformatia specifica si solicitarile care produc acea deformatie.

Consistenta se datoreste coeziunii, adica fortelor de atractie intermoleculara, care se opun, intr-o masura mai mare sau mai mica, fortelor care produc deformatia; in fond, coeziunea este rezistenta opusa de un corp, la rupere.

>Gradul de consistenta a liantilor bituminosi in stare lichida se apreciaza prin viscozitatea lor si reprezinta rezistenta pe care o opune materialul respectiv la deformatie, prin frecarea interioara a particulelor.

Aceasta este viscozitatea dinamica si se masoara in unitati numite poaze (P), exprimate in sistemul CGS. Un poaz este viscozitatea unui corp fluid care necesita un efort de o dyna pentru realizarea unui gradient de viteza de 1 cm/s pe centimetru.

Apa distilata la temperatura normala are o viscozitate de 1/100 P (un centipoaz).

Determinarea viscozitatii teoretice este o operatie dificila si necesita o aparatura complicata (cilindri coaxiali, discuri suprapuse sau tuburi capilare etc.).

In practica, viscozitatea se masoara, in mod conventional, prin timpul necesar scurgerii unei anumite cantitati de liant printr-un ajutaj ale carui dimensiuni sunt stabilite dinainte.

Trebuie mentionat ca viscozitatea unei substante, la o temperatura anumita, nu este aceeasi daca determinarea s-a facut prin cresterea temperaturii sau prin scaderea ei; de regula, viscozitatea este mai mare daca determinarea se face prin cresterea temperaturii si se datoreste unei rigiditati tixotropice a liantului.

In raport cu temperatura, viscozitatea variaza in limite foarte largi.

>Masurarea viscozitatii cu ajutorul aparatelor cu scurgere nu se poate folosi in cazul liantilor care nu sunt fluizi la temperatura obisnuita. La acesti lianti se masoara duritatea exprimata prin rezistenta opusa la patrundere, numita penetratie.

Pentru aceasta se intrebuinteaza un penetrometru standard compus dintr-un ac incarcat cu o greutate de 100 gf care este lasat sa patrunda in masa liantului timp de 5 s. Penetratia se masoara prin adancimea de patrundere a acului, exprimata in zecimi de milimetru. Determinarea se face in mod normal la temperatura de 25⁰.

Penetratia variaza si ea in raport cu temperatura, legatura fiind data de formula:

p=p₀e^ht

in care: p este penetratia la temperatura t⁰;

p₀ - penetratia la temperatura 0⁰;

h=Σ_p - susceptibilitatea logaritmica a penetratiei

Σ_p=d(lg p)/dt.

Dupa cum se vede, consistenta liantilor este o functie de temperatura.

Succeptibilitatea termica a liantilor bituminosi se poate calcula , cunoscand variatia penetratiei cu temperatura, cu relatia:

lgP=lgP_o + 0,43hT, de unde:

h=(lgP-lgPo)/0,43T

Intre penetratie (P) si vascozitate (h) exista o relatie, cu aproximatie acceptabila:

hP²= constant

Cand temperatura creste, viscozitatea scade; la temperaturile joase, pentru aceleasi diferente de temperatura, viscozitatea variaza foarte mult.

Cand temperatura creste, penetratia creste; la temperaturi ridicate, pentru aceleasi diferente de temperatura, penetratia creste foarte mult.

Proprietatea liantilor de a-si modifica mai mult sau mai putin consistenta cand temperatura variaza cu acelasi interval se numeste susceptibilitatea liantilor la temperatura

La liantii rutieri se studiaza modul in care se manifesta susceptibilitatea in doua zone: in zona temperaturilor ridicate (de vara) si in zona temperaturilor coborate (de iarna). Liantul trebuie sa fie asa fel ales, incat in zona temperaturilor ridicate sa aiba o susceptibilitate cat mai mica, pentru a nu produce deformatii exagerate, iar in zona temperaturilor scazute sa manifeste o susceptibilitate suficient de mare, pentru a nu deveni rigid.

>In legatura cu consistenta, trebuie mentionat si fenomenul de tixotropie al liantilor bituminosi. Lasati in stare de repaus timp mai indelungat, acesti lianti capata o anumita rigiditate, care dispare in urma unei agitatii mecanice.

Fenomenul de tixotropie este caracteristic tuturor corpurilor cu structura coloidala. Cand liantul este lasat in repaus, micelele se asaza in lanturi lungi, care se impletesc intre ele formand o structura particulara, uneori in forma de fagure.

Curgerea nu se mai poate produce decat atunci cand se distruge aceasta structura interna; atunci liantul devine lichid.

Tixotropia poate fi marita prin filerizare sau prin incorporare de cauciuc.

In unele mixturi asfaltice, bitumul se gaseste sub forma unor pelicule foarte subtiri care invelesc agregatele si leaga granulele intre ele. Rezistentele mecanice si stabilitatea termica a mixturilor depind, in primul rand, de proprietatile pe care le are bitumul cand se gaseste aplicat sub forma de pelicule foarte subtiri.

Cercetarile mai recente au aratat cum coeziunea si deci si consistenta bitumului variaza in functie de grosimea peliculei. Rezultatele au aratat ca pana la o grosime de 10-15 microni, coeziunea bitumului variaza in raport cu grosimea peliculei, insa, pentru grosimi mai mari ea ramane aproape constanta (aproximativ de ordinul a 10⁵ dyn/cm²).

De asemenea, s-au putut trage urmatoarele concluzii:

- pe suprafata rocilor acide (inactive, de tipul granitului) coeziunea bitumului descreste pe masura ce pelicula se subtiaza, aceasta din cauza distrugerii structurii spatiale a bitumului;

- pe suprafata agregatelor care provin din roci bazice (active, de tipul calcarului), unde are loc si un proces de adsorbtie chimica, cu orientarea si fixarea elementelor structurale ale bitumului, coeziunea creste pe masura ce se reduce grosimea peliculei; la aceasta contribuie intr-o mare masura si continutul sporit de uleiuri al bitumului care determina o stabilitate mai mare a structurii, in cazul peliculei subtiri.

Din experientele facute a rezultat ca stabilitatea termica a peliculelor subtiri de bitum aplicate pe suprafata agregatelor acide este influentata de compozitia chimica a bitumului si anume de raportul dintre componentii rasino-asfaltosi si cei uleiosi.

Caracteristici in legatura cu plasticitatea.

Plasticitatea este proprietatea unor materiale consistente de a capata deformatii permanente, fara a se fisura, sub actiunea solicitarilor.

Substantele bituminoase sunt plastice numai intr-un anumit interval de temperatura; in afara acestui interval, corpurile isi pierd caracteristicile plastice si devin solide sau lichide.

Bitumul solid, incalzit, trece treptat din stare solida in stare lichida; el nu are un punct precis de topire, ci sub actiunea caldurii se inmoaie din ce in ce, trecand printr-o gama intreaga de stari cu diferite consistente. Acest mod de a se topi este caracteristic corpurilor plastice.

La bitumuri, punctul de topire este inlocuit prin

punctul de inmuiere si reprezinta temperatura la care bitumul inceteaza de a mai fi plastic si devine lichid. Stabilirea punctului de inmuiere se face in mod conventional prin doua metode:

- metoda inel si bila (I.B) corespunde punctului de inmuiere si reprezinta temperatura la care o bila de otel cu dimensiuni standardizate strabate o pastila de bitum fixata intr-un inel, totul fiind incalzit intr-o baie de apa.

Tinand seama de caracteristica reologica a bitumului, ritmul de incalzire este fixat in mod conventional la 5⁰C/min; daca incalzirea se face mai repede (mai energic), punctul de inmuiere este mai ridicat si invers;

- metoda Kramer-Sarnow (K.S.) este oarecum similara cu prima; insa in loc de bila de otel se foloseste o cantitate de 5 g mercur. Ritmul de incalzire prescris este de 1⁰C/min. Din punct de vedere operator, metoda este mai dificila; de aceea, la noi a fost standardizata metoda inel si bila.

Pentru bitumurile care au un punctde inmuiere mai mare decat 80⁰C, baia de apa este inlocuita cu glicerina sau incalzirea se face intr-un vas exterior plin cu ulei de parafina.

Pentru aprecierea punctului de inmuiere a bitumului, in practica, se mai foloseste uneori si determinarea cunoscuta sub numele de

punct de picurare (Ubbelohde). La aceasta metoda punctul de inmuiere se considera temperatura la care se desprinde prima picatura de bitum topit si cade sub actiunea propriei sale greutati. Incalzirea se face intr-o baie de aer cu viteza de 1⁰C/min.

Punctul de inmuiere masurat cu metoda K.S. este cu circa 12⁰C mai mic decat cel determinat cu metoda I.B. si cu circa 30⁰C mai mic decat punctul de picurare, iar punctul de picurare este cu circa 18⁰C mai mare decat punctul de inmuiere determinat cu metoda I.B.

Un alt punct caracteristic al liantilor bituminosi este

punctul la care bitumul inceteaza de a mai fi plastic si devine rigid. Pentru determinarea acestui punct, in practica se folosesc diferite metode dintre care cea mai obisnuita este metoda Fraass; o placuta foarte subtire de otel acoperita cu o pelicula de bitum este supusa la incovoieri repetate, la temperaturi din ce in ce mai scazute, pana cand pelicula de bitum incepe sa crape. Temperatura la care apar primele fisuri pe lama de bitum reprezinta

punctul de rupere dupa metoda Fraass.

Temperatura la care bitumul inceteaza de a mai fi plastic se mai poate determina si printr-o metoda mult mai precisa, preconizata de Hoepfner si Metzger, cu care se obtine punctul numit de rigidizare (H.M.). Acest punct reprezinta temperatura la care acul unui penetrometru special, cu diametrul de 0,5 mm, incarcat cu o greutate de 450 gf, patrunde cu 1/10 mm in masa unei epruvete de bitum, de 2 mm grosime, in timp de 60 s. Punctul de rigidizare reprezinta o temperatura cu circa 5⁰C mai scazuta decat punctul de rupere.

Intervalul de temperatura dintre punctul de picurare si cel de rigidizare reprezinta campul de plasticitate a bitumului respectiv. Hoepfner si Metzger au reprezentat aceasta grafic intocmind o diagrama de plasticitate si, pe baza unor studii laborioase, au constatat ca rapoartele:

t⁰(Kramer-Sarnow)- t⁰(rigidizare)/ t⁰(Ubbelohde)- t⁰(rigidizare)=const.=0,68;

t⁰(inel si bila)-t⁰(rigidizare)/ t⁰(Ubbelohde)- t⁰(rigidizare)=const.=0,87

In modul acesta, cu ajutorul diagramei s-ap putut stabili o corelatie intre principalele puncte caracteristice ale unui bitum.

Bitumul este plastic si poate fi intrebuintat ca liant numai in limitele acestui interval; sub punctul de rigidizare, bitumul devine solid, iar peste cel de picurare devine lichid, stari in care este lipsit de plasticitate. Bitumurile bune trebuie sa aiba un camp de plasticitate cat mai mare, circa 60 . 80⁰C.

Plasticitatea bitumului, ca si alte proprietati ale sale, este mult influentata de continutul de parafina. Parafina este o substanta lipsita cu totul de plasticitate si prezenta ei in cantitati mari, si in special sub forma cristalina, reduce sensibil campul de plasticitate al bitumului respectiv.

Calitatile plastice ale unui bitum mai pot fi scoase in evidenta prin

incercarea de ductilitate

La aceasta incercare, o epruveta de bitum in forma de 8 este intinsa de cele doua capete intr-o baie cu apa la o anumita temperatura.

Intinderea epruvetei se face cu viteza de 5 cm/min. Lungimea firului de bitum care se formeaza pana in momentul ruperii. Masurata in centimetri, reprezinta ductilitatea bitumului la temperatura la care s-a facut determinarea. De regula, determinarea se face la temperatura de 25⁰C, insa, pentru cunoasterea modului de comportare a bitumului la temperaturi scazute, incercarea de ductilitate se face si la temperatura de 0⁰C.

Bitumurile obisnuite trebuie sa aiba la 25⁰C o ductilitate de cel putin 100 cm, iar la 0⁰, cel putin cativa centimetri. In general, ductilitatea creste cu temperatura si scade o data cu cresterea consistentei.

Ductilitatea da o imagine asupra modului de comportare a bitumului la variatiile de temperatura.

Caracteristici in legatura cu adezivitatea.

Adezivitatea este proprietatea liantilor bituminosi de a adera pe suprafata agregatelor si de a lipi pietrele intre ele. Aceasta este cea mai importanta caracteristica a liantilor, deoarece de modul cum se manifesta adezivitatea depinde reusita oricarei lucrari la care substantele bituminoase sunt folosite ca aglomeranti.

Adezivitatea mai este definita ca fiind rezistenta pe care o opune la dezlipire o pelicula de liant care lipeste doua pietre. Pelicula se poate rupe cand este invinsa coeziunea, dar se dezlipeste cand cedeaza adezivitatea.

Adezivitatea este eficace numai daca se realizeaza pe orice fel de roca si se mentine si in prezenta apei. Ea nu este o proprietate in sine, ci depinde in egala masura atat de proprietatile liantului, cat si ale agregatelor.

Apa are o tensiune superficiala (75 dyn/cm) mai mare decat a bitumului (25 dyn/cm) si din aceasta cauza, apa uda mai bine agregatele decat bitumul si tinde sa-i ia locul.

Conditia de udare a unei picaturi de liant pe suprafata agregatului se poate determina, in prezenta apei, prin echilibrul tensiunilor interfaciale :

s_pa s_pl s_la.cosq_la unde:

s_pa este tensiunea interfaciala piatra-apa,

s_pl - ten siunea interfaciala piatra-liant,

s_la tensiunea interfaciala liant-apa,

q_la - unghiul de udare a liantului.

Din aceasta relatie se poate stabili un coeficient de adezivitate

k=cosq_la s_pa s_pl s_la

daca:

k>0 sau, cosq_la>0, q<90° , in acest caz liantul uda piatra;

k<0 sau, cosq_la<0, q>90°,    in acest caz liantul nu uda piatra.

In principiu, un liant adera bine de o piatra daca acel liant uda piatra; liantii bituminosi, fiind in general uleiosi, rezulta ca ei vor adera bine numai pe suprafetele hidrofobe (care nu sunt udate de apa, dar care sunt udate de ulei). Aceasta proprietate depinde de o serie de fenomene interfaciale a caror producere poate fi asigurata in mod natural sau prin crearea unor conditii artificiale.

>In primul rand, contactul dintre liant si agregate nu trebuie sa fie impiedicat prin interpunerea de materii straine, in special argiloase.

> De asemenea, suprafata agregatelor trebuie sa fie uscata. In cazul acesta, daca liantul uda piatra, pe suprafata de contact dintre piatra si liant se produce o absorbtie selectiva: unele micele rasinoase sunt retinute pe suprafata pietrei si servesc ca puncte de ancoraj pentru lanturile de micele care se impletesc in masa liantului, formand retele reticulare.

Liantii bituminosi de natura naftenica, cum este bitumul, au o reactiune acida; un bitum poate fi uneori neutru, dar niciodata nu poate avea o reactiune bazica.

Aceasta inseamna ca pe suprafata rocilor calcaroase (cu reactie bazica si incarcate pozitiv) bitumul va putea adera in conditii foarte bune. In schimb, pe suprafata rocilor silicioase (cu reactie acida si incarcate negativ), aderenta bitumului este imposibila. Chiar daca pentru inceput granulele agregatului sunt invelite de liant (anrobate), cu timpul ele se cojesc din cauza actiunii apei care are o tensiune superficiala mai mare decat a bitumului.

In acest caz, pentru asigurarea adezivitatii exista doua cai:

a)          innobilarea suprafetei agregatelor; agregatele silicioase sunt tratate cu lapte de ciment sau cu lapte de var in proportie de 2%; dupa evaporarea apei, pe suprafata agregatelor ramane lipita o pojghita de ciment sau de var, care are o reactie puternic bazica si care favorizeaza adezivitatea bitumului;

b)          ameliorarea liantului; o prima masura pentru imbunatatirea adezivitatii liantilor bituminosi este de a se amesteca in masa liantului topit o cantitate de 1-4% pulbere de var stins, a carei finete sa fie de cel putin 8.000-10.000 cm²/g. Acest material, prin suprafata activa foarte mare de care dispune, contribuie la marirea adezivitatii.

In cazul in care aderarea liantului de agregate este imposibila, trebuie facut apel la o serie de substante, tensioactive, numite si activanti, care sa creeze o afinitate puternica si durabila intre liant si piatra, inexistenta inainte, dar necesara pentru anrobarea agregatelor.

Primele substante folosite ca activanti in lianti bituminosi au fost sapunurile alcalineale metalelor grele, cu baza de oleat, stearat, naftenat etc., de plumb, calciu, fier, aluminiu sau amoniu.

Aceste substante (in general polivalente) se fixeaza in mod chimic, de o parte pe suprafata silicioasa a agregatelor, iar de cealalta, de suprafata organica, ambele acide, formand astfel un fel de punte intre cele doua materiale.

Datorita dificultatilor realizarii studiilor fizico-chimice asupra adezivitatii, in practica sunt folosite metode indirecte, bazate pe evaloarea dezanrobarii sau reducerea rezistentelor mecanice ale unor epruvete din mixtura asfaltica, mentinute in anumite conditii in prezenta apei.

La noi in tara sunt utilizate doua metode pentru analiza adezivitatii:

metode calitative: statica si dinamica,

metoda cantitativa

Priza si imbatranirea liantilor bituminosi.

Sub influenta traficului si a intemperiilor, liantii folositi la confectionarea mixturilor asfaltice isi modifica treptat proprietatile, isi pierd plasticitatea si devin din ce in ce mai duri si mai fragili, pana cand ajung casanti. Datorita acestor transformari ale liantilor, mixturile asfaltice incep sa se fisureze, apa incepe sa patrunda in corpul soselei si sa o degradeze; aceasta inseamna ca liantul a imbatranit.

De la prepararea si punerea in lucrare a mixturii asfaltice, liantul trece printr-o serie de perioade care marcheaza totodata transformarile pe care le sufera. Astfel, se pot distinge trei perioade:

- perioada de priza si intarire;

- perioada de comportare plastica;

- perioada de fragilitate si dezagregare.

Priza si intarirea liantilor pusi in lucrare in straturi subtiri dureaza cateva ore pe timp calduros si insorit si se poate prelungi la cateva zile pe timp rece si umed. Priza se datoreste in cea mai mare parte racirii mixturii si evaporarii uleiurilor volatile si intr-o mai mica masura influentei oxigenului din atmosfera. Acestea toate determina o crestere a consistentei liantului. Intarirea se mai datoreste si fenomenelor de tixotropie care se produc in masa substantelor coloidale, la care micelele formeaza lanturi ramificate, reticulare, producand o rigidizare a mixturii.

In timpul perioadei de priza, prin evaporarea partilor mai volatile, consistenta liantilor creste, ceea ce face ca mixtura sa se intareasca si sa capete rezistenta necesara suportarii traficului la orice temperatura; mixtura incepe sa aiba o comportare plastica.

In acelasi timp, procesul de imbatranire continua, deoarece pe de o parte incep sa se evaporeze si uleiurile mai grele, iar pe de lata parte, pulberile minerale care rezulta in urma circulatiei sunt inglobate in masa liantului.

Toate acestea contribuie la cresterea consistentei liantului, care continua totusi sa aiba o comportare plastica. Deformatiile se produc fara fisurare si denivelarile produse de circulatie se autorepara.

Cu timpul insa consistenta liantului creste si mai mult, iar campul lui de plasticitate se restrange din ce in ce. Aceasta face ca in timpul perioadelor de iarna, liantul sa devina fragil si in imbracaminti sa apara fisuri prin care patrunde apa; fenomenul de autoreparare nu se mai poate produce. Liantul este imbatranit si mixtura intra in perioada de dezagregare.

Pentru a se prelungi cat mai mult viabilitatea mixturilor asfaltice este necesar ca liantul sa piarda cat mai incet si cat mai putine din uleiurile sale componente, sa-si mentina in tot timpul anului un camp cat mai larg de plasticitate si sa manifeste o susceptibilitate cat mai mica la orice temperatura.

Pentru a se aprecia modul in care bitumul imbatraneste si caracteristicile materialului dupa o perioada de imbatranire artificiala, se face o proba numita de stabilitate. Determinarea consta in incalzirea unei probe de bitum, timp de 5 h, la o temperatura de circa 160⁰C si masurarea pierderii in greutate, suferita de bitum in urma acestei incalziri prelungite; pierderea nu trebuie sa fie mai mare decat 1%. De asemenea, se determina cu ajutorul penetrometrului masura in care a crescut consistenta materialului; aceasta crestere se exprima prin scaderea penetratiei, care nu trebuie sa fie mai mare decat 30% din penetratia initiala.

Aspectele reologice ale bitumului

Din punct de vedere reologic, bitumurile sunt studiate pentru a se putea stabili o relatie intre deformatii, solicitari, durata de incarcare si temperatura. Caracteristicile care scot cel mai bine in evidenta proprietatile reologice ale bitumului sunt penetratia si punctul de inmuiere.

In timpul deformatiilor, bitumul are o comportare elastic-vascoasa. Pentru o prima aproximatie si pentru o durata mica de incarcare se poate considera insa ca deformatiile sunt proportionale cu incarcarile, adica relatia dintre efort si deformatie este liniara.

Bitumurile cu un continut scazut de asfaltene se comporta mai mult ca lichide newtoiene. Majoritatea bitumurilor cu un continut mai bogat in asfaltene prezinta intotdeauna o elasticitate intaziata.

Bitumurile fiind puternic influentate de variatiile de temperatura, duritatea lor scade foarte mult pe masura ce temperatura creste.

La solicitarile intense si de scurta durata, bitumul are o comportare elastica, cu atat mai pronuntata cu cat temperatura este mai scazuta; deformatiile sunt proportionale cu incarcarile si dispar o data cu acestea.

La solicitarile de durata mai mare si la temperaturi mai ridicate, deformatiile bitumului cuprind doua parti: o parte elastica si una remanenta, care in general predomina.

Raportul dintre sageata elastica si cea remanenta depinde de intensitatea sarcinii, de durata de incarcare si temperatura, precum si de constitutia bitumului (daca predomina partea uleioasa sau partea micelara).

Daca incarcarile se prelungesc in timp, se produce fluajul (materialul incepe sa curga lent). Daca insa intensitatea solicitarii scade cu timpul, se produce o relaxare, deformatiile vascoase incep sa dispara.

Fenomenele caracteristice de tixotropie pot sa intarzie aceste manifestari, in special pe cele elastice; atunci se produce o deviere de la liniaritatea fenomenelor.

Deformatiile elastice la randul lor sunt formate dintr-o parte elastica propriu-zisa (ideala) si din alta care indica o elasticitate intarziata datorita rigiditatii materialului.

Caracteristicile reologice ale bitumului sunt transmise si mixturilor asfaltice; agregatele minerale influenteaza insa si ele intr-o mare masura aceste caracteristici. In general insa, natura deformatiilor este si aici in functie de durata de aplicare a sarcinilor si de temperatura.

Formele sub care este intrebuintat bitumul la lucrarile rutiere

La lucrarile rutiere, bitumul poate fi intrebuintat sub forma de:

- bitum solid, numit si bitum plastic;

- uleiuri asfaltice, cunoscute in practica si sub numele de bitumuri fluide, lichide sau subtiate;

- produse speciale (emulsii, suspensii etc.).

Bitumurile solide sau plastice. Sunt de regula bitumuri cu o penetratie de cel mult 300-350 si se prezinta in stare solida la temperatura obisnuita; pentru a putea fi puse in lucrare trebuie topite. Se folosesc bitumuri reziduale (de petrol) si bitumuri naturale.

Uleiuri asfaltice. Sub denumirea de uleiuri asfaltice se inteleg produsele bituminoase cu o penetratie mai mare decat 350. Aceste produse sunt lichide sau vascoase la temperatura normala si prezinta avantajul ca pot fi folosite la prepararea mixturilor asfaltice sau la alte lucrari de asfaltaj, fara sa fie incalzite deloc sau se incalzesc la o temperatura scazuta de cel mult 60 . 80⁰C.

Se deosebesc doua categorii de uleiuri asfaltice:

a) bitumurile lichide sau vascoase la temperatura normala, care fac parte din categoria bitumurilor de distilare si se obtin prin oprirea procesului de fabricatie, atunci cand materia bruta are un continut de 1,5-5% asfaltene (dupa necesitati). Acestea sunt uleiurile asfaltice pentru drumuri (uleiuri rutiere), cunoscute si sub numele de Road-Oils. Au o putere de aglomerare redusa; din cauza continutului scazut de substante volatile se intaresc incet. Sunt intrebuintate rar, numai la stropiri, pentru combaterea prafului.

La noi in tara, tot in regiunea Crisana, in jurul localitatii Suplacul de Barcau, s-au descoperit insemnate zacaminte de nisipuri impregnate cu o masa asfaltoasa (20-40%), numita bitumina, care nu este decat un ulei asfaltic natural, care se separa singura de nisip si se extrage cu ajutorul sondelor. Bitumina se prezinta ca un titei asfaltos-vascos si are aceeasi origine si aceeasi compozitie ca si bitumul din nisipurile de la Derna-Tatarus-Budoi; contine circa 5% asfaltene, 14% rasini si nu are deloc parafina. Zacamantul se gaseste la mica adancime-pana la 250 m-si se intinde pe mari suprafete.

Bitumina extrasa este foarte curata continand 98-99% masa asfaltoasa pura; ea isi gaseste numeroase intrebuintari in confectionarea diferitelor tipuri de mixturi asfaltice, la rece sau la cald, pentru tratamente superficiale, precum si pentru imbunatatirea calitatii bitumurilor parafinoase.

b) bitumurile fluidizate prin dizolvarea lor intr-un solvent, care se mai numesc si bitumuri taiate sau bitumuri de cupaj (Cut-Back) si se obtin prin dizolvarea bitumului solid, fie in fractiunile usoare rezultate din distilarea titeiului (benzina, lampant, motorina), fie in uleiurile usoare provenite de la prepararea gudronului. Cele preparate cu uleiuri de gudron au o adezivitate mai buna.

Solventul intra in proportie de 10-20% in greutate; insa dozajul corect dintre bitumul solid si uleiuri se stabileste asa fel incat produsul obtinut sa aiba consistenta dorita. De obicei, viscozitatea masurata la 30⁰C, cu duza de 10 mm, trebuie sa fie 100-150 s.

Bitumurile de cupaj au o putere de aglomerare mai mare decat uleiurile rutiere si se intaresc mai repede decat acestea. Ele mai au si avantajul ca dau posibilitatea executarii anumitor lucrari de asfaltaj la rece.; bitumul taiat se prepara centralizat, intr-o statie fixa, si se foloseste direct pe santier fara sa mai fie necesara topirea bitumului la punctul de lucru, ci numai incalzirea lui atunci cand anotimpul impune acest lucru.

Dupa solventii folositi se pot realiza bitumuri taiate, cu diferite caracteristici, in special in ceea ce priveste timpul de intarire (sau de uscare), care depinde de volatilitatea solventului. In mod obisnuit se realizeaza trei tipuri de bitumuri taiate:

- cu intarire rapida (folosind ca solvent benzina) care se intrebuinteaza in special la stropiri si la executarea tratamentelor superficiale;

- cu intarire mijlocie (folosind ca solvent lampantul) si care se intrebuinteaza pentru penetratii;

- cu intarire lenta (folosind ca solvent motorina) si care se intrebuinteaza la confectionarea betoanelor asfaltice.

Bitumul de cupaj poate fi inbunatatit prin adaugarea de activanti. Tot pentru imbunatatirea calitatilor bitumului taiat se mai pot folosi si aditivi ca: gudron de huila, uleiuri de gudron (fenoli), praf de var stins etc.

Bitumurile taiate au o larga intrebuintare in practica, fiind folosite in special:

- la lucrari de asfaltaj executate la rece;

- la tratamente de regenerare, pe suprafetele aspre, sarace in bitum, care s-au faiantat etc.;

- la amorsari, pentru realizarea unor legaturi trainice intre stratul asfaltic nou si stratul vechi pe care se executa;

- la traterea ulterioara a imbracamintilor de beton de ciment, pentru a impiedica evaporarea rapida a apei.

Pentru a se folosi avantajul metodelor de lucru la rece, la prepararea unor mixturi asfaltice, confectionate cu bitum obisnuit, se foloseste un adaos, numit liquefire, care este un amestec de benzina si lampant. Acesta face ca mixtura sa fie preparata la cald, dar sa poata fi asternuta si finisata la rece, pana la volatilizarea adaosului. In felul acesta s-au executat soselele de amiezita.

Fluidizarea bitumului nu trebuie confundata cu fluxarea bitumului. Fluxarea este operatia prin care se adauga unui bitum dur un alt produs bituminos, mai moale, pentru a se obtine un produs cu proprietati caracteristice, deosebite de a celor doua substante amestecate, proprietati care se pastreaza si dupa punerea in lucrare. Bitumul poate fi fluxat cu un ulei de gudron sau cu un bitum mai moale.

Fluidizarea este dizolvarea bitumului intr-un solvent, pentru a se usura punerea lui in lucrare; dupa evaporarea solventului, bitumul isi recapata calitatile sale initiale.

Bitum modificat cu polimeri

Bitum modificat cu polimeri este liantul cu caracteristici fizico-chimice specifice, obtinut prin amestecarea bitumului pur (nemodificat) pentru drumuri cu anumite tipuri de polimeri, in instalatiile speciale, la temperaturi de 160180 ^oC.

Principalele avantaje ale bitumului modificat cu polimeri, comparativ cu bitumul pur sunt:

cresterea rezistentei la deformatii permanente la temperaturi ridicate;

cresterea rezistentei la fisurare la temperaturi scazute si la oboseala;

micsorarea susceptibilitatii la imbatranire, atat in procesul de preparare a mixturilor asfaltice, cat si in timpul exploatarii;

imbunatatirea coeziunii si a adezivitatii fata de agregatul natural;

Imbunatatirea performantelor bitumului de drumuri prin adaos de polimeri specifici a permis utilizarea bitumului modificat, in special la urmatoarele tipuri de lucrari:

mixturi asfaltice pentru inbrancaminti bituminoase realizate pe drumurile cu trafic greu, in scopul cresterii rezistentei la intindere, a rezistentei la oboseala, reducerea deformatiilor permanente la temperaturi ridicate si cresterea rezistentei la fisurare la temperaturi scazute;

-mixturi asfaltice speciale pentru executarea straturilor bituminoase subtiri, foarte subtiri si ultrasubtiri;

betoane asfaltice drenante, caracterizate printr-un volum mare de goluri (circa 16 . 20 %);

procedee antifisuri pentru limitarea si intarzierea transmiterii fisurilor in stratul de rulare, in cazul structurilor rutiere suple cu straturi din agregate naturale stabilizate cu lianti hidraulic sau a structurilor rutiere mixte, cu fundatii din beton de ciment.

mixturi asfaltice cu fibre;

tratamente bituminoase pe drumuri cu trafic greu si foarte greu.

Polimerii folositi pentru prepararea bitumurilor modificate se pot grupa in doua categorii principale:

-polimeri inerti;

-polimeri reactivi, cum este INTERLOY, care reactioneaza cu o serie de componenti ai bitumului si astfel se usureaza prepararea si stocarea bitumului modificat A cest polimer se poate introduce diret in malaxor, fara sa fie necesara o tehnologie speciala de prepararea bitumului modificat.

Polimerii inerti sunt de tipul:

elastomeri: produse care costau din copolimeri stirenici, dintre care cei mai importanti sunt:

SBS. sau stiren-butadien-stiren;

SIS. sau stiren-izopropen-stiren.

Acesti elastomeri termoplastici amelioreaza atat comportarea la temperaturi ridicate cat si la temperaturi scazute

plastomeri: produse bazate in general pe copolimeri etilenici, dintre care sunt de retinut:

EVA. sau etilen-vinil-acetat;

EMA. sau etilen-metil-acrilat.

Cel mai utilizat polimer pentru modificarea bitumului rutier este SBS comercializat pe piata europeana de firma SHELL si FINA.

A fost realizat si un produs romanesc, CAPS, care este un sistem polimeric bicomponent, constituit dintr-un elastomer si un polimer termoplastic. Acest polimer inlocuieste foarte bine produsul SBS, obtinand aceeasi vascozitate la un dozaj de 6% si temperatura de amestecare de 160 C, in loc de 180 C cat este necesar pentru modificarea cu SBS.

Atat polimerii de tip elastomeri, cat si cei de tip plastomeri, incorporati in bitum, formeaza o retea similara, si anume o retea continua, care este compusa din ramificatii flexibile, legate intre ele prin legaturi termoreversibile.

Principalii factori care influenteza realizarea acestei retete si imbunatatirea performantelor bitumului sunt:

compozitia chimica a bitumului, in special continutul de asfaltene;

stuctura polimerului;

compatibilitatea dintre bitum (respectiv fractiunile uleiuri si rasini) si ramificatiile flexibile ale polimerului;

dozajul de polimer

>Referitor la influenta continutului de asfaltene al bitumului exista trei situatii:

bitumul cu continut redus de asfaltene (pana la 6 % din masa totala), asigura obtinerea unui bitum-polimer cu structura omogena, marimea particulelor dispersate in bitum fiind sub 2μ, si proprietati vascoelastice foarte pronuntate;

bitumul cu continut de asfaltene de 6 . 9 %, tinde sa formeze cu polimerul un liant cu structura vermiculara, cu particule de 2 . 5 μ si un comportament cvasivascoelastic;

bitumul cu continut de asfaltene de peste 10 % conduce la obtinerea unui bitum-polimer cu o stuctura globulara mixta (particule grosiere si fine) si comportare vascoplastica.

>Referitor la structura polimerului,

- in cazul polimerilor de tip SBS, penetratia si punctul de inmuiere ale bitumului sunt influentate de masa moleculara a fractiunii stiren, iar vascozitatea la temperaturi ridicate (de exemplu 180 ^oC), de masa moleculara a fractiunii polibutadiena.

- In cazul bitumurilor cu polimer de tip EVA, efectul de diminuare a penetratiei si de crestere a punctului de inmuiere este cu atat mai pronuntat cu cat continutul in acetat de vinil al copolimerului este mai mic.

Polimerii termoplastici, cand sunt amestecati cu bitum, la temperatura ambianta, maresc vascozitatea bitumului. Din pacate nu maresc semnificativ si elasticitatea bitumului, iar cand se incalzesc exista tendinta de separare.Cu toate aceste limitari, un dozaj de 5% EVA dintr-un bitum cu penetratia de 70 mm/10, se utilizeaza frecvent.

In ce priveste compatibilitatea bitumului cu polimerul, polimerii tip elastomeri (de exemplu SBS) sunt compatibili cu bitumurile aromatice, iar polimerii tip plastomeri (de exemplu EVA) sunt compatibili cu bitumurile parafinice, naftenice si putin aromatice.

>Referitor la dozajul de polimer se disting doua situatii:

contint redus de polimer (sub 7 %): bitumul constituie faza continua a sistemului in care este dispersata faza de polimer. In acest caz bitumul modificat se caracterizeaza, in primul rand, prin cresterea coeziunii si elasticitatii, datorita modificarii structurii fazei de bitum, prin micsorarea contiutului de uleiuri (absorbite de polimer) si cresterea continutului de asfaltene, si in al doilea rand, prin imbunatatirea proprietatilor mecanice la temperaturi ridicate si la temperaturi scazute, datorita fazei de polimer;

continutul ridicat de polimer (peste 7 %): polimerul este matricea sistemului, in care sunt dispersate fractiunile grele ale bitumului, si in acest caz se obtine un polimer plastifiat cu uleiurile din bitum, cu proprietati fundamental diferite de ale unui bitum.

Prepararea industriala a bitumului modificat cu polimeri se realizeaza in rafinarie sau pe santier, la locul de preparare a mixturilor asfaltice, in instalatii speciale, cu functionare in flux discontinuu.

Instalatia de preparare a bitumului modificat este construita, de regula, din:

recipient vertical cu agitator;

moara coloidala;

rezervor de depozitare a bitumului modificat, dotat cu echipament de incalzire si de recirculare permanenta a liantului sau cu agitator pentru omogenizarea pe timpul stocarii acestuia.

Procesul de preparare este alcatuit in general din trei faze:

faza de predispersie si umflare a polimerului in masa de bitum;

faza de dispersare-macinare;

perioada de omogenizare.

Faza de predispersie si umflare a polimerului in masa de bitum se realizeaza in recipientul vertical, prin introducerea polimerului in bitumul incalzit la temperatura de 160 ^oC si amestecarea lor sub agitare continua, timp de min 30 minute.

Faza de dispersie si macinare se realizeaza in moara coloidala, prin intoducerea amestecului bitum-polimer din rezervorul vertical.

Omogenizarea amestecului bitum-polimer se realizeaza prin recircularea acestuia de mai multe ori ( circa 6 ori), din moara coloidala in recipientul vertical. Temperatura bitumului pe perioada de amestecare trebuie sa fie cuprinsa in limitele 160 . 180 ^oC.

Bitumuri speciale

Bitumurile speciale formeaza o clasa relativ noua de produse bituminoase pentru care nu exista inca specificatii general admise. In prezent termenul de "bitumuri speciale" acopera un ansamblu de produse avand un spectru clar de consistente si propietati.

Bitumurile speciale sunt produse de industria rafinariilor pentru a raspunde aplicatiilor rutiere. Astfel au fost au fost realizate

- bitumuri pentru productia asfaltului turnat, care printre alte caracteristici dau materialului finit o lucrabilitate suficienta pentru punere in opera fara a recurge la dozaje ridicate de liant, care dupa racire ar conduce la riscul de fisurare. O caracteristica principala este caracterul acid al bitumului care poate fi natural , functie de natura titeiului, sau poate fi dat de procesul de elaborare in rafinarie.

Sunt elaborati liantii de regenerare utilizati in tehnologiile de reciclare a mixturilor asfaltice.Compozitia chimica si nivelul de vascozitate ale acestor lianti, trebuie sa conduca la imbunatatirea consistentei si corectarea compozitiei prin adaos de fractiuni aromatice a bitumului din mixtura existenta.

Din categoria bitumurilor speciale mai sunt considerati:

-bitumurile dure sau multigrade, utilizate in tehnologia la cald Performantele acestor bitumuri sunt superioare bitumurilor traditionale, iar ameliorarea este obtinuta,in rafinarii, prin folosirea unor procedee speciale, fara adaos de polimeri.

Bitumurile dure pot fi definite ca avand o penetratie mai mica de 25 mm/10 la 25 C. Se comercializeaza in trei tipuri: 15/25, 10/20, 5/10; in acest moment bitumul 5/10 in stadiul de experimentare.

Aplicatiile principale ale acestor bitumuri sunt la prepararea la cald a mixturilor asfaltice utilizate la executarea imbracamintilor asfaltice, in scopul evitarii deformatiilor permanente prin fluaj, pentru cresterea capacitatii portante a imbracamintii sau de a-I reduce grosimea.Mai recent bitumurile dure sunt utilizate in emulsia folosita la amorsare, ceea ce permite circulatia utilajelor si muncitorilor fara a lasa urme.

Bitumurile de tip multigrade sunt folosite intr-un interval de temperatura mult mai larg. Ele sunt facute sa reziste mai bine la deformatii permanente in timpul temperaturilor ridicate de vara si fisurarii termice la temperaturile scazute din timpul iernii. Aceste bitumuri se caraterizeaza printr-un indice de penetratie ridicat, 0 >IP>2.

-Bitumuri si lianti de sinteza pigmentabili

Bitumurile pigmentabile se caraterizeaza in primul rand prin continutul redus in asfaltene, compusi cu masa moleculara mare, responsabili de culoarea neagra a bitumului. Acest continut mic de asfaltene este pe de o parte selectiei unui bitum de baza, el insusi sarac in asfaltene, si pe de alta parte al unui procedeu special de rafinare. Aceste bitumuri, datorita compozitiei particulare sunt succeptibili la temperatura si o mare afinitate fata de polimeri.

Liantii de sinteza pigmentabili sunt bitumuri reconstituiti fara asfaltene; ei sunt obtinuti prin amestecarea fractiunilor petroliere si petrocimice (uleiuri, rasini, agenti stabilizanti contra ultravioletelor), evetual cu adaos de polimeri.

Bitumuri spumante

Spuma de bitum este un material compozit, cu un continut de bitum de 97-98, restul fiind vapori de apa (1-3%) si aditivi.

In interiorul unei camere de expansiune se injecteaza bitum la temperatura de 170-180 C si apa la temperatura ambianta.Cele doua lichide se amesteca si se injecteaza printr-un ajutaj in exterior. Prin contactul apei cu bitumul fierbinte, aceasta se vaporizeaza instantaneu, antrenand moleculele de bitum in exterior in pelicule de 0,01mm.

Spuma de bitum este una dintre cele mai noi tehnologii utilizata la reciclare la rece sau chiar la prepararea mixturilor asfaltice.

Metode SHRP pentru caracterizarea bitumurilor

Caracterizarea liantilor bituminosi se face in general, dupa prescriptiile in vigoare, prin metode conventionale, prin indicatori precum: penetratia, punctul de inmuiere (inel si bila), ductilitatea, punctul de fragilitate Fraass etc.

La sfarsitul anului 1980 a fost initiat in USA un program SHRP-SUPERPAVE care a durat aproape 10 ani. Acest program a constituit cel mai important efort de cercetare, la nivel mondial, dupa cunoscutul program AASHTO, realizat acum circa treizeci de ani,indreptat spre rezolvarea problemelor curente de calitate cu care se confrunta in prezent toate administratiile rutiere.

Obiectivele cercetarii SHRP au fost axate pe urmatoarele domenii prioritare:

-lianti bituminosi si mixturi bituminoase (ASPHALT AREA);

-betoane de ciment pentru imbracaminti rutiere si lucrari de arta ( CONCRETE&STRUCTURES AREA);

-intretinerea drumurilor ( HIGHWAI OPERA)

-performantele imbracamintilor rutiere pe termen lung ( LONG TERM PAVEMENT PERFORMANCE).

Metodologia de clasificare a bitumurilor rutiere dupa performantele lor in exploatatre, a fost stabilita pe baza cercetarilor efectuate in S.U.A., intr-o perioada de circa zece ani, in cadrul "Strategic Highway Research Programme", cunoscut si sub numele de Programul SHRP.

Unul din scopurile principale ale Programului SHRP a fost acela de a dezvolta specificatii si metode noi de incercare pentru bitumurile pure si bitumurile modificate cu polimeri, in corelatie cu cerintele de performanta pentru mixturile asfaltice impuse de trafic, clima si alcatuirea structurilor rutiere, privind:

rezistenta la deformatii permanente la temperaturi ridicate;

rezistenta la fisurare la temperaturi scazute;

rezistenta la oboseala datorata traficului;

rezistenta la imbatranire pe termen scurt (in timpul prepararii mixturilor asfaltice) si pe termen lung (in timpul exploatarii structurii rutiere);

rezistenta la actiunea apei.

Programul SHRP a avut in vedere inlocuirea metodelor curente, empirice, cu incercari fundamentale care sa defineasca rezistenta si carateristicile reologice a liantilor hidrocarbonati si avand posibilitatea de selectare a unui tip de liant pe baza cerintelor impuse de conditiile de exploatare.