В транспортном строительстве повсеместно применяется асфальтобетон. Одним из основных недостатков асфальтобетонов является подверженность трещинообразованию, шелушению, выкрашиванию, образованию колей, волн и впадин. Известно, что способом повышения устойчивости к внешним нагрузкам является введение в его состав волокон и нитей. Введение в асфальтобетонную 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 России действуют методические рекомендации по армированию асфальтобетонных покрытий базальтовыми волокнами (фиброй) [2], но по причине отсутствия технологии и опыта введения фибры в состав смеси широкого применения в асфальтобетонных смесях базальтовая фибра не получила. Опыт изготовления асфальтобетонных смесей с добавками фибры на серийно выпускаемых смесителях асфальтобетонных заводов в нашей стране также отсутствует.
С учётом отсутствия опыта введения волокон в смесители асфальтобетонных заводов в настоящей работе приготовление композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей осуществлялось в лабораторной мешалке, принцип действия которой аналогичен смесителю асфальтобетонного завода, с вращающими горизонтально расположенными валами с лопатками (рисунок).
а) б)
Мешалка лабораторная (с горизонтально расположенными валами с лопатками: а) общий вид; б) рабочая камера
Таблица 1
Зависимость прочности образцов композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона при 50 °С от плотности полиакрилонитрильной фибры
|
Показатель предела прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа |
|||||
|
Требования ГОСТ 9128-2013 к марке I типу Б |
Асфальтобетон марки I типа Б без добавки полиакрилонитрильной фибры |
Композиционный дисперсно-армированный асфальтобетон с различной плотностью фибры |
|||
|
от |
÷ |
до |
Плотность нити |
Показатель предела прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа |
|
|
1,3 |
1,6 |
0,17 текс |
1,6 |
||
|
1,50 |
0,33 текс |
1,7 |
|||
|
1,50 |
0,56 текс |
2,0 |
|||
Для исследований применялась асфальтобетонная смесь типа Б, марки I по ГОСТ 9128-2013 [3]. Смеси для исследований готовились по обычной стандартной технологии производства горячих асфальтобетонных смесей. Введение фибры в состав асфальтобетонной смеси выполнялось с помощью воздуходувки сразу после введения в асфальтобетонные смеси вяжущего.
В состав смесей вводилось полиакрилонитрильное волокно с различной плотностью. Изготовление контрольных образцов из этих смесей и их испытание выполнялось в соответствии с ГОСТ 12801 – 98 [4]. Исходная асфальтобетонная смесь типа Б марки I и асфальтобетонные смеси типа Б марки I с добавкой полиакрилонитрильного волокна испытывались по показателям связанным с устойчивостью асфальтобетона к колейности: предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения, сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С, трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин. В асфальтобетонные смеси вводилась добавка полиакрилонитрильной фибры в количестве 0,09 % по массе смеси. Применялась полиакрилонитрильная фибра с длиной нарезки 12 мм.
Все результаты испытаний сравнивались с показателями исходной смеси без фибры марки I типа Б и друг с другом Результаты приведены в табл. 1–4.
По результатам испытаний композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью, можно сделать выводы, что введение полиакрилонитрильной фибры в состав смеси приводит к увеличению и улучшению прочности при 50 °С. Все показатели предела прочности на сжатие при 50 °С лучше, чем у смеси без добавки полиакрилонитрильной фибры, и в среднем улучшение составляет 20 %. Установлена зависимость увеличения прочности при 50 °С с увеличением плотности фибры.
По результатам испытаний композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью, можно сделать выводы, что введение полиакрилонитрильной фибры в состав смеси приводит к улучшению показателя сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения. В среднем показатель улучшается на 2 %. Установлена зависимость улучшения сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения с уменьшением плотности полиакрилонитрильной фибры. По-видимому, с уменьшением плотности полиакрилонитрильной фибры происходит более интенсивное её переплетение с каркасными зернами смеси с увеличением показателя сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения.
По результатам испытаний композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона с добавкой полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью можно сделать выводы, что введение полиакрилонитрильной фибры в состав смеси приводит к улучшению показателя сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С. В смесях с полиакрилонитрильной фиброй в среднем показатель улучшается на 4,7 %. Наблюдается зависимость улучшения сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения при 50 °С с увеличением плотности полиакрилонитрильной фибры.
Таблица 2
Зависимость сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона от плотности полиакрилонитрильной фибры
|
Показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения |
|||||
|
Требования ГОСТ 9128-2013 к марке I типу Б |
Асфальтобетон типа Б марки I без добавок полиакрилонитрильной фибры |
Композиционный дисперсно-армированный асфальтобетон с различной плотностью фибры |
|||
|
от |
÷ |
до |
Плотность нити |
Показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения |
|
|
0,83 |
0,83 |
0,17 текс |
0,90 |
||
|
0,33 текс |
0,87 |
||||
|
0,56 текс |
0,86 |
||||
Таблица 3
Зависимость сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона от плотности полиакрилонитрильной фибры
|
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С |
|||||
|
Требования ГОСТ 9128-2013 к марке I типу Б |
Асфальтобетон марки I типа Б без добавки полиакрилонитрильной фибры |
Композиционный дисперсно-армированный асфальтобетон с полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью фибры |
|||
|
от |
÷ |
до |
Плотность нити |
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С |
|
|
0,38 |
0,44 |
0,17 текс |
0,46 |
||
|
0,33 текс |
0,48 |
||||
|
0,56 текс |
0,51 |
||||
Таблица 4
Зависимость показателя трещиностойкости композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси от плотности полиакрилонитрильной фибры
|
Показатель трещиностойкости |
|||||
|
Требования ГОСТ 9128-2013 к марке I типу Б |
Асфальтобетон марки I типа Б без добавки полиакрилонитрильной фибры |
Композиционный дисперсно-армированный асфальтобетон с добавкой полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью нити |
|||
|
от |
÷ |
до |
Плотность нити |
Показатель трещиностойкости |
|
|
4,0 |
÷ |
6,5 |
4,30 |
0,17 текс |
4,30 |
|
0,33 текс |
4,35 |
||||
|
0,56 текс |
4,30 |
||||
Таблица 5
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 |
|
|
Трещиностой-кость 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 |
По результатам испытаний композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона, изготовленного с использованием полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью, можно сделать выводы, что введение полиакрилонитрильной фибры в состав асфальтовых смесей практически не приводит к изменению показателя трещиностойкости.
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 [5].
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.
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.
Выводы по влиянию на свойства композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона плотности полиакрилонитрильной фибры
При введении в состав асфальтобетонных смесей полиакрилонитрильной фибры происходит улучшение (увеличение) показателей предела прочности на сжатие при 50 °С и сдвигоустойчивости. Показатель трещиностойкости практически не изменяется при введении в асфальтовые смеси полиакрилонитрильной фибры. Установлено, что с увеличением плотности полиакрилонитрильной фибры показатель сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения при 50 °С улучшается. С уменьшением плотности полиакрилонитрильной фибры происходит улучшение сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения. С увеличением плотности полиакрилонитрильной фибры происходит увеличение (улучшение) показателя предела прочности образцов асфальтобетона на сжатие при 50 °С.
Основываясь на результатах выполненных исследований, установлено, что введение полиакрилонитрильной фибры в состав асфальтобетонных смесей будет способствовать получению композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей с улучшенным комплексом показателей физико-механических свойств, что будет также способствовать увеличению сроков службы дорожных покрытий из композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона.