اللزوجة الحركية للأزفلت ( Kinematic Viscosity of Asfalt )

اللزوجة الحركية للأزفلت ( Kinematic Viscosity of Asfalt )

المواصفات الفنية : ( AASHTO T 201 )

المجال

1-تغطي هذه الطريقة عمليات تحديد اللزوجة الحركية للأزفلت السائل (البيتومين) وزيوت الطرق والجزء المتبقي من تقطير الأزفلت السائل ( البيتومين ) وجميعها عند درجة حـرارة 60ْ م (140ْ ف) , وكـذلك الأزفلت شـبه الصلب عـند 135ْ م (275ْ ف ) (ملحوظة 1 ) وذلك للزوجة تتراوح بين 6 إلى 100.000 سنتي ستوك CST )) .
2-يمكن استخدام الناتج من هذه الطريقة لحساب اللزوجة عندما تكون كثافة المادة المختبرة معلومة عند درجة حرارة الاختبار أو يمكن حسابها .
ملحوظة (1) تصلح هذه الطريقة للاستخدام عند درجات حرارة أخرى ولكن الدقة المقبولة المعطاة في حالة تطبيق هذه الطريقة عـلى الأزفلت السائل وزيوت الطريـق عند 60ْ م (140ْ ف) وكذلك على الأزفلت شبه الصلب عند 135ْ م (275ْ ف ) فقط وفي حدود اللزوجة من 30 إلى 6000 سنتي ستوك (CST) .

ملخص الطريقة

يقاس الزمن اللازم لانسياب حجم معين من السائل خلال مسار دقيق لمقياس لزوجة شعري ذي أنبوبة شعرية معايرة ، وذلك تحت ضغط قابل للتكرار بدقة وعند درجة حرارة متحكم فيها إلى حد كبير ، وتحسب اللزوجة الحركية بعد ذلك بضرب زمن الانسياب بالثواني في معامل معايرة مقياس اللزوجة .
 

تعريفات

1-اللزوجة الحركية :
هي نسبة معامل اللزوجة إلى كثافة السائل ، وهي مقياس لمقاومة تدفق السائل تحت تأثير الجاذبية .
وحدة اللزوجة الحركيـة في النظام المتــري الفرنسي هي 1 سم 2 /ث وتسمى ستوك (1ستوك) ، أما فـي النظام المتري العالمي فإن وحـدة اللـزوجة الحركية هي 1 م2/ث وهي تكافئ 10٤ ستوك . والوحدة المستخدمة كثيراً هي سنتي ستوك حيث يمكن كتابة ( 1 سنتي ستوك = 10-2 ستوك ) .
2-الكثافة
هي كتلة وحدة الحجوم من السائل وهي تساوي 1 جم/سم3 في النظام المتري الفرنسي وتساوي 1كجم/م3 في النظام الدولي للوحدات .
3-اللزوجة
تسمى النسبة بين إجهاد القص المؤثر ومعدل القص بمعامل اللزوجة ، وبذا يكون هذا المعامل مقياساً لمقاومة الانسياب للسائل وهو يسمى عموماً لزوجـة السائل ، ووحدة اللزوجـة في النظـام الفـرنسي المتـري هي 1جم/سم .ث ( 1 داين ث/سم2) وتسمى بـويز ( Poise ) بينما وحدة اللزوجـة في النظام الدولي للوحدات هي 1 نيوتن ث/م2 وهي تكافئ 10 بويز وغالباً ما تستخدم وحدة سنتي بويز ( 1 سنتي بويز = 10 –2 بويز ) .

الأجهزة المستخدمة :

1-أجهزة لقياس اللزوجة ( VISCOMETERS)
تستخدم مقاييس اللزوجة من الطراز الشعري وهي تصنع من زجاج البورسيليكات الملدن وهي مناسبة لهذا الاختبار وتتضمن مايلي :
– مقياس اللزوجة من نوع( كانون – فينسك ) للسوائل المعتمة .
– مقياس اللزوجة من نوع ( زيتفوس ) ذو الذراع المستعرض .
– مقياس اللزوجة من نوع ( لانتز – زيتفوس ) .
– مقياس اللزوجة المطابق للمواصفات البريطانية المعدل ذو الانسياب العكسي وهو على شكل أنبوبة .

2-أجهزة قياس درجة الحرارة ( THERMOMETERS ) :
تتميز مقاييس درجة الحرارة الخاصة باللزوجة الحركية و المعايرة طبقاً لمواصفات الجمعية الأمريكية لاختبار المواد بمدى 58.6 إلى 561.4م (137.5 إلى 5142.5ف) و 133.6 إلى 5136.4م (5272.5 إلى 5277.5ف) وتطابق متطلبات المقاييس أرقام 547م و 5110م (547ف و 5110ف ) على الترتيب .
ويسمح باستخدام وسائل أخرى لقياس درجات الحرارة شريطة أن تكون دقتها وحساسيتها تساوي إن لم تزد عن تلك المقاييس المبينة في المواصفات المذكورة .

تم تقنين مقياس درجة الحرارة ( المقاييس ) 47 ْم و 110 ْم ( 47ف و110ف) طبقاً لمواصفات الجمعية الأمريكية عند ( الغمر الكلي ) وهذا يعني أن الغمر حتى قمة عمود الزئبق مع بقاء الجزء المتبقي من الساق وغرفة التمدد بقمة مقياس درجة الحرارة معرضة لدرجة حرارة الغرفة ، ولا يوصى بإجراء الغمر الكلي لمقاييس درجة الحرارة , فإذا غمرت مقاييس درجة الحرارة تماما فلابد من تحديد التصميمات اللازمة لكل مقياس على حدة وذلك على أساس المعايرة تحت ظروف الغمر التام لها . وإذا غمر مقياس درجة الحرارة تماماً في الحمام أثناء الاستخدام فسيكون ضغط الغاز في غرفة التمدد أعلى أو أقل منه أثناء المعايرة مما قد يؤدي إلى قراءات مرتفعة أو منخفضة على مقياس درجة الحرارة .
وقد وضعت المواصفات الخاصة بالجمعية الأمريكية لاختبار المواد بيانات خاصة بالطرق الفنية لمعايرة مقاييس درجة الحرارة .

مقياس اللزوجة من نوع (كانون – فينسك) المستعرض

 مقياس اللزوجة من نوع ( زيتفوس ) ذو الذراع

 مقياس اللزوجة من نوع ( لانتز – زيتفوس )

  مقياس اللزوجة ذو الانسياب العكسي

3-الحمام المائي :
يكون الحمام مناسباً لغمر مقياس اللزوجة (VISCOMETER) بحيث لا يقل منسوب أعلى خزان السائل أو قمة القناة الشعرية ( أيهما أعلى من الآخر ) عن 20 مم أسفل منسوب الحمام العلوي مع توخي سهولة رؤية مقياس اللزوجة ومقياس درجة الحرارة ، ويراعى أن تكون مرتكزات مقياس اللزوجة ثابتة أو أن يكون مقياس اللزوجة جزءاً متكاملاً مع الحمام ، ويجب أن تكـون كفـاءة التقليب والتـوازن بين مقـدار الحرارة المفقودة ومقـدار الحرارة الداخلة بحيث لا تتغير درجة حرارة المـادة الوسيطة عن± 0.03ْ م (± 0.05ْ ف ) على امتداد طول مقياس اللزوجة أو من مقياس لزوجة لآخر في مواضع مختلفة من الحمام .
يعتبر الماء المقطر سائلا مناسباً للحمام لإجراء الاختبار عند 60ْ م (140ْ ف ) ، وقد وجـد أن الزيت الأبـيض (USP) ذو درجة الوميض الأعلى من 215ْم (420ْ ف ) مناسب لإجـراء الاختبـار عنـد 135ْم ( 275ْ ف ) ، وتحدد درجة الوميض طبقاً لاختبار درجة الوميض ودرجة الاشتعال بطريقة طبق كليفولاند المفتوح (AASHTO T48).

4-أجهزة التوقيت :

أداة التـوقيت :
تستخدم ساعة إيقاف أو أي وسيلة توقيت مزودة ببيان تشغيل ومدرجة بأقسام تعادل 0.1ث أو أقل وتكون دقتها في حدود 0.05٪ عند اختبارها عبر فترات لا تقل عن 15 دقيقة .

أداة توقيت كهربائية
وهي تستخدم فقط بالدارات الكهربائية التي يصل التحكم في تردداتـها إلى دقة 0.05 ٪ أو أفضل من ذلك .
وقد تلاحظ أن التيارات الكهربائية المترددة التي يكون التحكم في تردداتها متقطعا وليس مستمراً ( كما هو الحال في أكثر نظم القدرة شيوعاً ) تؤدي إلى أخطاء كبيرة خاصة خلال فترات التوقيت القصيرة عند استخدامها لتشغيل أدوات التوقيت الكهربائية .

5-إعداد العينة

يراعى اتباع الإرشادات التالية وذلك لتقليل الفقد في المكونات المتطايرة وللحصول على نتائج يمكن الاعتماد عليها وهي :
5 – 1 – 1 الطريقة المستخدمة للأزفلت السائل ( البيتومين ) وزيت الطرق .
5 – 1 – 1 – 1 تترك العينات التي تم استلامها كما هي حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة .
5 –1 – 1 – 2 يفتح وعاء العينة وتخلط العينة جيداً بالتقليب لمدة 30 ثانية مع مراعاة عدم إيجاد هواء محبوس بـها , وإذا كانت العيـنة لزجة بدرجة تصعب على هذا التقليب فلا بأس من وضع العينة داخل وعاء محكم تمامـاً في حمام أو فرن ذي درجة حرارة ثابتة عند 63±3ْ م ( 145 ± 5ْ ف ) حتى تصبح سائلة بالقدر الكافي للتقليب .
5 – 1 – 1 – 3 يتم صب العينة في مقياس اللزوجة فوراً ، أما إذا كان إجراء الاختبار سيتم فيما بعد فيتم صب حوالي 20 مليلتر داخل وعاء أو عدة أوعية نظيفة جافة ذات سعة 30 مليلتر تقريباً ثم يغلق الوعاء أو الأوعية بإحكام فوراً بغطاء يمنع دخول الهواء .
5 – 1 – 1 – 4 في حالة المواد ذات اللزوجة الحركية الأكبر من 800 سنتي ستوك عند 60ْم (140ْف) يجرى تسخين العينة التي حجمها 20 مليلتر داخل الوعاء المحكم في فرن أو حمام ذي درجة حـرارة تساوي 63± 3ْ م ( 145 ± 5ْ ف ) حتى تصبح سائلة بالقدر الكافي لتنقل بسهولة داخل مقياس اللزوجة ويجب ألا تزيد فترة التسخين عن 30 دقيقة .

5 – 1 – 2 الخطوات المتبعة للأزفلت شبه الصلب ( ASPHALT CEMENT ) .
5 – 1 – 2 – 1 يتم تسخين العينة بالعناية اللازمة لتجنب التسخين الموضعي الزائد حتى تصبح سائلة بالقدر الذي يكفي لصبها ثم تقلب العينة بين الحين والآخر للمساعدة في انتقال الحرارة ولضمان التجانس الجيد.
5 – 1 – 2 – 2 ينقل ما لا يقل عن 20 مليلتر في الوعاء المناسب ليبدأ التسخين حتى تصل درجة الحرارة إلى 135 ± 5.5ْ م ( 275± 10ْ ف ) ، ويستمر التقليب بين الحين والآخر لتجنب التسخين الموضعي الزائد مع مراعاة عدم احتباس الهواء .

خطوات الاختبار

تختلف قليلاً التفاصيل اللازمة لإجراء الاختبار تبعاً لنوع مقياس الزوجة المستخدم من حيث تعليمات الاستخدام للنوع المختار من مقياس اللزوجة ، وعلى أي حال لابد من اتباع الطريقة المبينة بالبنود (6-2) إلى (6-8) في جميع الحالات .

يحفظ الحمام عند درجة حرارة الاختبار في حدود ± 0.03ْ م ( ± 0.05ْ ف ) ، وتجرى التصحيحات اللازمة ( إن وجدت لجميع قراءات مقياس درجة الحرارة ) .

يتم اختيار مقياس لزوجة نظيف وجاف بحيث يعطي زمن انسياب أكبر من 60 ثانية ثم يسخن مسبقاً إلى درجة حرارة الاختبار .

يملأ مقياس اللزوجة بالطريقة المبينة طبقاً لتصميم الجهاز.

يترك مقياس اللزوجة الممتلئ في الحمام مدة كافية حتى يصل إلى درجة حرارة الاختبار.

يبدأ في انسياب الأزفلت في مقياس اللزوجة.

يجرى قياس الزمن اللازم لمرور الحافة المتقدمة للسطح الهلالي للسائل من العلامة الأولى إلى العلامة الثانية بدقة 0.1 ثانية ، فإذا قل زمن الانسياب عن 60 ثانية لابد من اختبار مقياس لزوجة آخر ذو قناة شعرية يقل قطرها عن الأولى ثم تكرر العملية .

بعد الانتهاء من الاختبار ينظف مقياس اللزوجة جيداً بشطفه عدة مرات بمذيب مناسب يكون قابلاً للامتزاج التام بالعينة ثم يعقبه شطف بمذيب متطاير تماماً وتجفف الأنبوبة بإمرار تيار هواء بطيء مرشح ومجفف خلال القناة الشعرية لمدة دقيقتين أو حتى يزول كل أثر للمذيب ، ولابد من تنظيف الجهاز دورياً بمحلول حمض الكروميك لإزالة الرواسب العضوية ثم يشطف بعد ذلك بالماء المقطر والأسيتون الخالي من الرواسب ويجفف أخيراً بهواء جاف مرشح .

الحسابات

تحسب اللزوجة الحركية لأقرب ثلاث أرقام صحيحة باستخدام المعادلة التالية :
اللزوجة الحركية ( سنتي ستوك ) = م . ز
حيث :
م = ثابت المعايرة لمقياس اللزوجة ( VISCOMETER ) ( سنتى ستوك / ث )
ز = زمن الانسياب ( ث ) .

التقرير
لابد دائماً من تسجيل درجة حرارة الاختبار مع النتائج فمثلاً : اللزوجة الحركية عند 60ْ م (140ْ ف ) تساوي 75.6 سنتي ستوك .

درجة الدقة

يبين الجدول أدناه معيار الحكم على مدى قبول نتائج اختبارات اللزوجة بهذه الطريقة . 

يراعى أن القيم المعطاة بالعمود الثاني هي معاملات التباين التي وجد أنها تلائم مواد وظروف الاختبار المبين في العمود الأول ، وتعتبر القيم المعطاة في العمود الثالث هي الحدود التي يجب ألا يتجاوزها الفرق بين نتيجتين لاختبارين تم إجراؤهما على النحو الصحيح .

أ – تمثل هـذه الأرقام على الترتيب الحدود لنسبة انحراف معياري واحـد (1S٪) أو انحرافين (D2S٪) كما هو مبين في مواصفات الآشتو (R2) .
ب – مبنية على أساس أن لها درجات حرية تقل عن 30 درجة .
جدول (12) مدى قبول اختبارات تعيين اللزوجة الحركية

المعــايرة :
تتم معايرة مقياس اللزوجة الروتيني باستخدام سوائل اللزوجة القياسية ليتم اختبار سائل اللزوجة _ قياساً من جـدول (3) _ له زمن انسياب لا يقـل عـن 200ث وذلك عنـد درجة حـرارة المعايرة وتفضل أن تكون 537.8م ( 5100ف ) ويحدد زمن الانسياب لأقـرب 0.1 ثانية , ثم يحسب مقياس اللزوجة (ب) كما يلــي :
ب = ز / ن
حيث إن
ز = لزوجة السـائل القياسي ( سنتي ستوك ) .
ن = زمن الانسياب ( ثانيــة ) .
ويلاحظ أن ثابت مقياس اللزوجة لا يعتمد على درجة الحرارة لأنواع مقاييس اللزوجة التالية :

- زيتفوس ذو الذراع المستعرض .

- ولانتز – زيتفوس (BS-IP-RF) ذو الأنبوبة على شكل حرف (U) .

ويتميز مقياس اللزوجة للسوائل المعتمة (طراز كانون – فينسك) بأن له حجماً ثابتاً للعينة التي يتم ملؤها عند درجة حرارة الملء , فإذا اختلفت درجة حرارة الاختبار عن درجة حرارة الملء يتم حساب ثابت مقياس اللزوجة كما يلي :
ثابت مقياس اللزوجة (ب) = ب م ( 1 + م ( هـ ح – هـ ل )) .
حيث :
ب م = ثابت مقياس اللزوجة عند ملئه واختباره عند نفس درجة الحرارة .
هـ = درجـة الحرارة .
م = معامل يعتمد على درجة الحرارة .
ح ، ل = تشير الأولى (ح) إلى درجة حرارة الاختبار بينما تشير الثانية (ل) إلى درجـة حرارة الماء على الترتيب .
ويحسب الثابت الذي يعتمد على درجة الحرارة باستخدام المعادلـة التــاليـة :

معايرة مقياس لزوجة روتيني بمقياس لزوجة قياسي .
يتم اختبار أي زيت بترولي له زمن انسياب لا يقل عن 200 ثانية ويختار كذلك مقياس لزوجة قياسي معلومة قيمة الثابت "ب" لـه ، فيكون مقياس اللزوجة هـذا هو مقياس اللزوجة الرئيسي الذي تمت معايرته بطريقـة " الزيادة أو المضاعفة " باستخدام مقاييس لزوجة ذات أقطار كبيرة على التعاقب ابتداءً بالماء المقطر باعتباره المعيار القياسي الرئيسي للزوجة ، أو مقياس لزوجة روتيني من نفس النوع والذي تمت معايرته بالمقارنة بمقياس اللزوجة الرئيسي ، وتوجد مقاييس لزوجة معايرة متوفرة عند عدد من الموردين التجاريين .

يركب مقياس اللزوجة القياسي ومقياس اللزوجة المطلوب معايرته مع بعضهما البعض بداخل نفس الحمام ثم يحدد زمن انسياب الزيت بالطريقة المبينة بالبند السادس .

يحسب الثابت ( ب ) كما يلي: