В транспортном строительстве широко используется асфальтобетон, который работает в сложных климатических условиях под воздействием динамической и статической нагрузки, деформаций и т.д. Асфальтобетоны подвержены трещинообразованию, шелушению, выкрашиванию, образованию колей, волн и впадин. Способом повышения устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам является введение в его состав волокон и нитей. Введение в смесь длинных (протяженных) элементов – нитей, волокон или проволоки, при удовлетворении и постоянстве качественных показателей, а также удобства ее использования, в настоящее время является неразрешимой проблемой.
Цель исследования
Введение в смесь небольших по размеру (дискретных) элементов позволяет добиться их равномерного распределения (дисперсии) в смеси и получить композитный материал с более высокими физико-механическими показателями в готовом конструктивном элементе [1]. В качестве армирующих волокон в асфальтобетонной смеси исходя из технико-экономических соображений применяется фибра из углеродных нитей.
Материалы и методы исследования
Выполнялись исследования способов введения в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей предварительно приготовленных смесей (навесок) из полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, а также предварительно приготовленных смесей (навесок) из полиакрилонитрильной фибры с песком.
Для установления влияния температуры и оптимального соотношения минерального порошка и полиакрилонитрильной фибры изготавливались опытные замесы. Использовались следующие компоненты: фибра полиакрилонитрильная 0,56 текс 12 мм; минеральный порошок МП-1. Смешивание осуществлялось в керамической цилиндрической емкости объемом 3 л с диаметром дна 150 мм. Емкость с минеральным порошком и полиакрилонитрильной фиброй размещалась на электроплитке, оснащенной регулятором скорости нагрева. Скорость нагрева составляла 10–12 °С в минуту. Контроль температуры выполнялся ртутным термометром. Перемешивание выполнялось вручную металлическим шпателем (примерно одно круговое движение в секунду). При смешении фиксировались температуры, при которых: смесь становилась «однородной» (то есть достигалось наилучшее качество смешивания); в смеси образовывались сгустки и комья, происходило разделение на фибру и минеральный порошок (то есть качество смешивания ухудшалось). Было изготовлено 5 смесей.
По результатам исследований можно сделать вывод, что полиакрилонитрильная фибра с минеральным порошком смешивается до однородной смеси при соотношении не более 2 % полиакрилонитрильной фибры и 98 % минерального порошка. Большие соотношения полиакрилонитрильной фибры не позволяют ей смешиваться с минеральным порошком до однородного состояния. Было установлено, что нагрев и интенсивность смешивания положительно влияют на качество и однородность перемешивания. Интервал температур от 100 до 200 °С для перемешивания является наиболее оптимальным. В указанном интервале температур компоненты быстро перемешиваются между собой и для этого требуется 5–7 круговых движений. Наилучшая температура смешивания составляет 160 °С. При температурах свыше 200 °С или приводит к тому, что образуются комья, сгустки и происходит спекание полиакрилонитрильной фибры в минеральном порошке. Понижение температуры ниже 100 °С также приводит к повторному образованию комьев и ухудшению качества полученной ранее смеси.
Результаты исследования и их обсуждение
Фотографии готовых смесей в конце смешивания приведены на рис. 1–2. Оценка однородности смесей, при перемешивании с нагревом полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, представлена в табл. 1.
Рис. 1. Смесь полиакрилонитрильной фибры 5 % с минеральным порошком 95 % после перемешивания с нагревом до 210 °С
Рис. 2. Смесь полиакрилонитрильной фибры 2,5 % с минеральным порошком 97,5 % после перемешивания с нагревом до 210 °С
На основании выполненных исследований в дальнейшем рекомендуется использование предварительно подготовленной смеси из минерального порошка с полиакрилонитрильной фиброй не более 2 % по массе с нагревом при смешивании до температуры 150 °С. Также на основании выполненных исследований было установлено, что температура применения смеси должна быть не ниже 95–100 °С.
Выполнялось исследование возможности качественного смешивания полиакрилонитрильной фибры с песком. Для исследований применялся мелкий речной песок. Методика исследований аналогична исследованиям возможности предварительного смешивания с минеральным порошком. На рис. 3–4 показаны фото смесей. В табл. 2 представлена оценка смесей при перемешивании с нагревом полиакрилонитрильной фибры с песком.
Таблица 2
Оценка смесей, при перемешивании с нагревом ФСПАНВ с песком
|
№ п/п. |
Соотношения полиакрилонитрильной фибры и песка, % по массе |
Температура, смешивания смеси |
Визуальная оценка |
|
|
Хорошее |
Ухудшение качества |
|||
|
1 |
Полиакрилонитрильная фибра 5 % Песок речной 95 % |
Не достигнуто |
180 °С |
Не смешивается |
|
2 |
Полиакрилонитрильная фибра 1 % Песок речной 99 % |
Не достигнуто |
180 °С |
Не смешивается |
|
|
|
|
Рис. 3. Смесь полиакрилонитрильной фибры 5 % с мелким песком речным 95 % после перемешивания с нагревом до 200 °С |
Рис. 4. Смесь полиакрилонитрильной фибры 1 % с песком речным 99 % после перемешивания с нагревом до температуры 200 °С |
На основании выполненных исследований можно сделать вывод, что достигнуть равномерного смешивания полиакрилонитрильной фибры с песком не представляется возможным.
Для определения влияния на качество композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси технологии изготовления, при которой компоненты смеси смешиваются с предварительно приготовленной смесью полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка, было изготовлено 3 смеси.
Смесь полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком использовалась в нагретом виде, при температуре не ниже 100 °С.
Для сопоставления результатов исследований в качестве исходных смесей (без полиакрилонитрильной фибры) использовались смеси марки I типа Б с вяжущим БНД 60/90. Состав и физико-механические показатели исходных смесей приведены в табл. 3.
Таблица 3
Физико-механические показатели композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонов при введении полиакрилонитрильной фибры в виде смеси с минеральным порошком нагретой до температуры 150 °С
|
Наименование показателя |
Ед. изм. |
Требования ГОСТ 9128-2013 к смеси марка I тип Б |
Фактические значения |
|||
|
Асфальтобетон типа Б, марки I |
Асфальтобетон типа Б марки I c постепен-ным введением в состав смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком |
Асфальтобетон типа Б марки I c введением сразу всей навеской в состав смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком |
Асфальтобетон типа Б марки I c введением в первую мешалку смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, а затем всех остальных компонентов |
|||
|
Средняя плотность уплотненного материала из смеси |
г/см3 |
– |
2,45 |
2,46 |
2,46 |
2,47 |
|
Водонасыщение для смесей |
% |
от 1,5 до 4,0 |
1,57 |
1,6 |
2,2 |
5,2 |
|
Предел прочности при сжатии при температуре 20 °С |
МПа |
От 2,5 |
4,5 |
5,5 |
5,5 |
5,0 |
|
Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов при температуре 20 °С |
МПа |
– |
4,43 |
4,9 |
4,7 |
4,1 |
|
Предел прочности при сжатии при температуре 0 °С |
МПа |
До 13,0 |
7,47 |
8,5 |
7,50 |
7,7 |
|
Предел прочности при сжатии при температуре 50 °С |
МПа |
От 1,30 |
1,7 |
2,5 |
2,0 |
1,6 |
|
Водостойкость |
– |
От 0,85 |
0,98 |
0,89 |
0,85 |
0,82 |
|
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения |
– |
От 0,83 |
0,83 |
0,87 |
0,85 |
0,79 |
|
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С |
От 0,38 |
0,6 |
0,65 |
0,61 |
0,55 |
|
|
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин |
МПа |
От 4,0 до 6,5 |
4,2 |
5,2 |
5,5 |
4,1 |
Было исследовано 3 способа введения смеси полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей.
1. Смесь полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка вносилась постепенно в разогретую минеральную часть смеси с одновременным перемешиванием и последующим добавлением вяжущего и перемешиванием до однородного состояния.
2. Смесь полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка вносилась сразу всей навеской на разогретую минеральную часть смеси, перемешивалась, затем вводилось вяжущее и перемешивалось до однородного состояния.
3. Смесь полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка вносилась сразу всей навеской в работающую лабораторную мешалку, затем вносились разогретые компоненты минеральной части смеси, компоненты перемешивались, затем вводилось вяжущее и все перемешивалось до однородного состояния.
Смеси для исследований готовились в лабораторной мешалке объемом 6 л, сконструированной по типу смесителей асфальтобетонного завода.
После приготовления композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей из них изготавливались и испытывались контрольные образцы по ГОСТ 12801-98 [2]. Результаты лабораторных испытаний в сравнении с исходными смесями приведены в табл. 3.
Для смеси, при постепенном внесении полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, были определены все показатели по ГОСТ 9128-2013 [3]. Для смеси, при внесении полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком всей навески сразу, определялись плотность, водонасыщение, прочность при 20 °С и 50 °С.
Для смеси, при внесении полиакрилонитрильной фибры в мешалку с последующим внесением остальных компонентов, определялись плотность, водонасыщение, прочность при 20 °С, 0 °С и 50 °С, сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения и сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С.
При постепенном внесении полиакрилонитрильной фибры в смеси с минеральным порошком в разогретую минеральную часть асфальтобетонной смеси, с одновременным перемешиванием, последующим введением вяжущего и перемешиванием до однородного состояния обеспечивается наиболее высокое качество смеси, и соответственно, композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона. Все основные физико-механические показатели стали выше, чем у исходной асфальтобетонной смеси без добавки фибры. Улучшение показателей физико-механических свойств асфальтобетонной смеси обусловливается равномерным распределения полиакрилонитрильной фибры в объеме асфальтовой смеси [3]. При приготовлении композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси с введением смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком всей навеской в мешалку и затем внесением разогретых компонентов части смеси и перемешиванием получить положительных результатов не удалось [3].
Выводы
Введение в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей предварительно приготовленной смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком позволяет получить положительные результаты при условии обеспечения равномерной подачи такой смеси в мешалку при постоянном перемешивании компонентов асфальтобетонной смеси и использовании ее при температуре не ниже 95–100 °С. Исследования позволили установить эффективность способа введения предварительно приготовленной смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком в смесь компонентов асфальтобетонной смеси для улучшения показателей физико-механических свойств асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог.