В транспортном строительстве повсеместно применяется асфальтобетон, который подвержен 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 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. Отсутствует также опыт изготовления асфальтобетонных смесей с добавками фибры на серийно выпускаемых смесителях асфальтобетонных заводов.
Разработана последовательность изготовления дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси ДААБ(С) с фибры из специального ПАН волокна ФСПАНВ с различной плотностью и длиной нарезки, а также контрольных образцов из этих смесей. Контрольные образцы испытывались по ГОСТ 12801 [2] по показателям: средняя плотность уплотненного материала из смеси, водонасыщение для смесей, набухание для смесей, предел прочности при сжатии при температуре 20 °С, предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов при температуре 20 °С, предел прочности при сжатии длительно водонасыщенных образцов при температуре 20 °С, предел прочности при сжатии при температуре 0 °С, предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, водостойкость, водостойкость при длительном водонасыщении, 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.
Помимо этого определялись показатели, характеризующие способность материала в уплотненном состоянии сопротивляться образованию колеи:
– средняя скорость образования колеи в слое при температуре 50 °С от движущегося колеса с давлением 0,6 МПа;
– средняя скорость образования колеи в слое при температуре 50 °С от движущегося колеса с давлением 0,6 МПа, после стабилизации.
На одном из составов для контроля содержания вяжущего и ФСПАНВ использовался метод экстрагирования.
По результатам испытаний ДААБ(С), изготовленных с использованием ФСПАНВ с различной плотностью и длиной нарезки, можно сделать выводы, что введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению показателя средней скорости образования колеи, при нагрузке 0,6 МПа и температуре 50 °С после стабилизации. В смесях с ФСПАНВ в среднем показатель улучшается на 18 % и составляет 1,49 мм/100000 проходов, (у смеси без ФСПАНВ 1,82 мм/100000 проходов). Наилучшие средние значения у ФСПАНВ с длиной нарезки 12 мм (в среднем 1,14 мм/100000 проходов). Наихудшие средние у ФСПАНВ с длиной нарезки 28 мм (1,82 мм/100000 проходов), что хуже, чем у смеси без ФСПАНВ. Наихудшее значение у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 18 мм – 2,95 мм/100000 проходов. Наилучшее у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 6 мм и 0,56 текс с длиной нарезки 18 мм – 0,45 мм/100000 проходов. Прямой зависимости изменения показателя от плотности и длины нарезки фибры не наблюдается. Результаты разнородные, но лучшие, по сравнению со смесью без ФСПАНВ, при длине нарезки 6 и 12 мм. При длине нарезки ФСПАНВ 18 и 28 мм результаты хуже смеси без ФСПАНВ составляют около 60 %.
Определение содержания вяжущего и ФСПАНВ в составе ДААБ(С)
Для контроля содержания вяжущего, а также состояния и содержания ФСПАНВ в ДААБ(С) было проведено испытание методом экстрагирования и рассевом полученной минеральной части без вяжущего по ГОСТ 12801 [2] на смеси состава № 19. Для испытаний была взята смесь, которая прошла стадии приготовления, уплотнения (образец для испытаний на колееобразование) и испытания в установке колееобразования. Фото образцов после испытаний приведены на рисунке (а–г). Результаты испытаний приведены в приложении 5 (для состава № 19). Отклонения фактического содержания ФСПАНВ и вяжущего от рецепта составляют 0,03 % (для ФСПАНВ) и 0,5 % (для вяжущего). То есть при приготовлении удалось добиться необходимых пропорций в соответствии с рецептом. Нити ФСПАНВ цельные. Исходная плотность ФСПАНВ 0,77 текс и длина нарезки 12 мм. По результатам измерений длин нитей ФСПАНВ, выделенных из готовой ДААБ(С) после экстрагирования, нитей с исходной длиной нарезки (12 мм) около 70–80 %, то есть существенного изменения длины нити не происходит.
По итогам испытаний ДААБ(С), изготовленных с использованием ФСПАНВ с различной плотностью и длиной нарезки, можно сделать выводы, что введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению показателя сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С. Хотя для каркасных смесей, таких как смеси типа А (содержание щебня 50÷60 %) и ЩМА (щебня 65 %), этот показатель ниже на 20–40 %, чем в смесях типа Б (содержание щебня 40–50 %). В смесях с ФСПАНВ в среднем показатель улучшается на 4,7 % и составляет 0,46 (у смеси без ФСПАНВ 0,44). Наилучшие значения у ФСПАНВ с длиной нарезки 18 и 28 мм (в среднем 0,47). Очевидно, положительную роль сыграла длина фибры, и ее более интенсивное переплетение с каркасными зернами смеси. Наихудшие средние у ФСПАНВ с длиной нарезки 12 мм (0,43), что хуже, чем у смеси без ФСПАНВ, при этом при плотности ФСПАНВ 0,56 текс и 0,68 текс сцепление при сдвиге при температуре 50 °С составляет 0,51 и 0,54 соответственно. Наихудшее значение у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 12 мм. Наилучшее у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 6 мм. То есть результаты весьма разнородные. В среднем наблюдается зависимость улучшения сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения с увеличением плотности и длины нарезки фибры.
а) 
б)
в) 
г)
Фото образцов после испытаний по определению содержания вяжущего и ФСПАНВ в ДААБ(С): а) патрон с минеральной частью ДААБ(С) после экстрагирования; б) раскрытый патрон; в) компоненты минеральной части ДААБ(С) после экстрагирования и рассева; г) ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 12 мм после экстрагирования, с 8-кратным увеличением
Выводы по влиянию на свойства ДААБ(С) плотности и длины нарезки ФСПАНВ
По результатам испытаний ДААБ(С), изготовленных с использованием ФСПАНВ различной плотности и длины нарезки, можно сделать следующие обобщающие выводы:
1. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к незначительному увеличению средней плотности слоя (в среднем на 0,7 %), то есть для получения слоя заданной плотности и толщины потребуется большее количество ДААБ(С), в сравнении с обычным АБ(С). Это же в свою очередь означает, что при одинаковой работе на уплотнение ДААБ(С) уплотняется лучше, и в производственных условиях может потребоваться меньшее количество проходов катка для достижения необходимой плотности слоя. Стабильные результаты получены для смесей с ФСПАНВ при длине нарезки 6, 12 и 18 мм. Прямой зависимости средней плотности от длины нарезки и плотности ФСПАНВ не выявлено.
2. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к уменьшению водонасыщения (в среднем на 20 %), что связано с лучшей уплотняемостью. На показатель влияет равномерность распределения ФСПАНВ в смеси. Увеличение водонасыщения свидетельствует о наличии в смеси сгустков (комьев) ФСПАНВ. Стабильные результаты у ФСПАНВ с плотностью 0,17, 0,33, 0,56 текс с длиной нарезки 6, 12, 18 мм. Наблюдается снижение водонасыщения с увеличением плотности ФСПАНВ. Прямой зависимости изменения водонасыщения от длины нарезки не выявлено.
3. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к незначительному увеличению набухания. Относительно стабильные результаты получены у ФСПАНВ с длиной нарезки 12 мм. Прямой зависимости набухания от длины нарезки и плотности ФСПАНВ не наблюдается.
4. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к увеличению и улучшению прочности при 20 °С сухих (в среднем на 36 %), водонасыщенных (в среднем на 32 %) и длительно водонасыщенных образцов (в среднем на 37 %). Наблюдается некоторая зависимость увеличения прочности при 20 °С с увеличением плотности ФСПАНВ. Прямой зависимости от длины нарезки ФСПАНВ не наблюдается. В среднем наилучшие результаты получены при длине нарезки 12 мм.
5. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к понижению (в среднем на 16 %) и улучшению прочности при 0 °С, то есть смесь становится более стабильной (менее хрупкой) по отношению к смеси без ФСПАНВ. Наблюдается зависимость увеличения прочности при 0 °С с увеличением плотности ФСПАНВ. Прямой зависимости изменения прочности при 0 °С от длины нарезки ФСПАНВ не выявлено.
6. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к увеличению (в среднем на 20 %) и улучшению прочности при 50 °С. Стабильно высокие показатели при использовании ФСПАНВ с плотностью 0,56 и 0,68 текс с длиной нарезки 12 мм. Наблюдается зависимость увеличения прочности при 50 ° с увеличением плотности фибры. Прямой зависимости изменения прочности при 50 ° от длины нарезки не наблюдается.
7. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит, к ухудшению (в среднем на 3 %) «коэффициента» водостойкости. При этом прочность водонасыщенных образцов все равно остается выше на 32 % по отношению к смеси без ФСПАНВ. Наблюдается зависимость улучшения водостойкости с уменьшением плотности и длины нарезки ФСПАНВ.
8. Введение ФСПАНВ в состав смеси по-разному влияет на водостойкость при длительном водонасыщении. Так наилучший показатель у ФСПАНВ 0,56 текс с длиной нарезки 12 мм (0,92, в то время как у смеси без ФСПАНВ 0,76). Этот же показатель, при плотности фибры 0,17 текс и длине нарезки 6 мм хуже, чем у смеси без ФСПАНВ. При этом прочность длительно водонасыщенных образцов все равно остается выше на 37 %, чем на образцах из смеси без ФСПАНВ. В целом лучшие результаты показал ФСПАНВ с плотностью 0,56 текс. Прямой зависимости изменения водостойкость при длительном водонасыщении от плотности и длины нарезки не наблюдается.
9. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению (в среднем на 2,2 %) сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения. Наилучшие значения у ФСПАНВ с длиной нарезки 28 мм (в среднем улучшение на 6 %). Очевидно, положительную роль сыграла длина нарезки ФСПАНВ, и как следствие, более интенсивное переплетение с каркасными зернами смеси. Наблюдается зависимость улучшения сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения с уменьшением плотности и увеличением длины нарезки ФСПАНВ.
10. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению (в среднем на 4,7 %) сдвигоустойчивости по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С. Наилучшие значения у ФСПАНВ с длиной нарезки 18 и 28 мм (улучшение в среднем на 6,8 %). Очевидно, положительную роль сыграла длина нарезки ФСПАНВ и ее более интенсивное переплетение с каркасными зернами смеси. В среднем наблюдается зависимость улучшения сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения с увеличением плотности и длины нарезки ФСПАНВ.
11. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к уменьшению (в среднем на 15 %) трещиностойкости. Смеси с ФСПАНВ по этому показателю близки к каркасным смесям, таким как смеси ЩМА (содержание щебня 65 %), для которых требования по этому показателю снижены до 2–3 МПа. Наилучшие значения у ФСПАНВ с длиной нарезки 12 мм (в среднем падение на 10 %). Наихудшее значение у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 6 мм (в среднем падение на 28 %). Прямой зависимости изменения трещиностойкости от плотности и длины нарезки ФСПАНВ не наблюдается.
12. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению (в среднем на 10 %) средней скорости образования колеи, при нагрузке 0,6 МПа и температуре 50 °С. Прямой зависимости изменения средней скорости образования колеи, при нагрузке 0,6 МПа и температуре 50 °С от плотности и длины нарезки ФСПАНВ не наблюдается. Результаты разнородные, но лучшие, по сравнению со смесью без ФСПАНВ, при длине нарезки 12 мм. При нарезке 28 мм показатели хуже, чем у смеси без ФСПАНВ.
13. Введение ФСПАНВ в состав смеси приводит к улучшению (в среднем на 18 %) средней скорости образования колеи, при нагрузке 0,6 МПа и температуре 50 °С после стабилизации. Наилучшие результаты у ФСПАНВ плотностью 0,77 текс с длиной нарезки 6 мм и 0,56 текс с длиной нарезки 18 мм (улучшение на 75 %). Прямой зависимости изменения показателя от плотности и длины нарезки ФСПАНВ не наблюдается. Результаты разнородные, но лучшие, по сравнению со смесью без ФСПАНВ, при длине нарезки 6 и 12 мм. При длине нарезки ФСПАНВ 18 и 28 мм результаты хуже (на 60 %), чем у смеси без ФСПАНВ.
14. Изменение длины нитей ФСПАНВ, после изготовления ДААБ(С) и испытаний под нагрузкой, незначительное (не более 30 %), то есть существенного изменения длины нити не происходит, что можно считать положительным результатом.
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 и длиной нарезки. 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 0,08 % по массе смеси.
По результатам испытаний композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, изготовленных с использованием полиакрилонитрильной фибры с различной плотностью и длиной нарезки, 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 %. Наилучшие значения показателя сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения у композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона с длиной нарезки 12 мм и плотностью 0,17 текс. 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.
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 и длины нарезки 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.