CC BY
24DOI: 10.12737/24129
Андронов С.Ю., канд. техн. наук, доц., Задирака А.А., аспирант
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ БАЗАЛЬТОВОЙ ФИБРЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОМПОЗИЦИОННОГО ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
Способом повышения устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам является введение в его состав волокон и нитей. 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. Были подобраны опытные составы композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей и определено влияние на их свойства способа введения в смесь фибры с различной длиной нарезки.
Ключевые слова: композиционный материал, технология производства композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, базальтовая фибра, лабораторное исследование, волокна.
Введение. 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. Введение в асфальтобетонную смесь длинных (протяженных) элементов - нитей, волокон или проволоки, при удовлетворении и постоянстве качественных показателей в настоящее время является нерешённой задачей.
Выполнялись исследования способов введения в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей предварительно приготовленных смесей (навесок) из базальтовой фибры с минеральным порошком, а также предварительно приготовленных смесей (навесок) из базальтовой фибры с песком.
Методология. Для установления влияния температуры и оптимального соотношения минерального порошка и базальтовой фибры изготавливались опытные замесы. Использовались следующие компоненты: фибра базальтовая длиной нарезки 15 мм; минеральный порошок МП-1. Смешивание осуществлялось в керамической цилиндрической емкости объемом 3 л с диаметром дна 150 мм. Емкость с минеральным порошком и базальтовой фиброй размещалась на электроплитке, оснащенной регулятором скорости нагрева. Скорость нагрева составляла 10-12 °С в минуту. Контроль температуры выполнялся ртутным термометром. Перемешивание выполнялось в ручную металлическим шпа-
телем (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) [1].
Основная часть. По результатам исследований было установлено, что базальтовая фибра с минеральным порошком смешивается до однородной смеси при соотношении не более 5 % базальтовой фибры и 95 % минерального порошка. Большие соотношения базальтовой фибры не позволяют смешиваться ей 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 7-8 круговых движений. Наилучшая температура смешивания составляет 160 °С. При температурах свыше 200°С смесь базальтовой фибры и минерального порошка расслаивается. Понижение температуры ниже 100 °С также приводит к образованию сгустков базальтовой фибры и ухудшению качества полученной ранее смеси.
Оценка однородности смесей, при перемешивании с нагревом базальтовой фибры с минеральным порошком, представлена в табл. 1.
Таблица 1
Оценка смесей, при перемешивании с нагревом базальтовой фибры с минеральным порошком
№ п.п. Соотношения базальтовой фибры и минерального порошка, % по массе Температура смешивания смеси, °С Визуальная оценка однородности смеси
Хорошее качество Ухудшение качества
1 Базальтовая фибра 1,5 % Минеральный порошок 98,5 % 100 200 °С Хорошее
2 Базальтовая фибра 2,5 % Минеральный порошок 97,5 % 95 205 °С Хорошее
3 Базальтовая фибра 5 % Минеральный порошок 95 % 95 200 °С Хорошее
4 Базальтовая фибра 7,5 % Минеральный порошок 92,5 % 100 205 °С Не удовлетворительное с образованием сгустков
5 Базальтовая фибра 10 % Минеральный порошок 90 % 100 205 °С Не удовлетворительное с образованием сгустков
На основании выполненных исследований для производства композиционных дисперсно-армированных базальтовым волокном асфальтобетонных смесей рекомендуется использование предварительно подготовленной смеси из минерального порошка с базальтовой фиброй не более 5 % по массе. Также на основании выполненных исследований было установлено, что температура применения смеси должна быть не ниже 95-100 °С [7].
Выполнялось исследование возможности качественного смешивания базальтовой фибры с песком. Для исследований применялся мелкий речной песок. Применялась методика исследований аналогичная исследованиям возможности предварительного смешивания с минеральным порошком. В ходе исследований в тех же температурных интервалах установлено, что достигнуть равномерного смешивания базальтовой фибры с песком не представляется возможным из-за образования сгустков и комков фибры [4,
5].
Для определения влияния на качество композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси технологии изготовления, при которой компоненты смеси смешиваются с предварительно приготовленной смесью базальтовой фибры и минеральным порошком, было изготовлено 3 смеси.
Смесь базальтовой фибры с минеральным порошком, использовалась в нагретом виде, при температуре не ниже 100 °С.
Для сопоставления результатов исследований в качестве исходных смесей (базальтовой фибры) использовались смеси марки I типа Б с вяжущим БНД 60/90. Физико-механические показатели исходных смесей приведены в таблице 2.
Было исследовано 3 способа введения смеси базальтовой фибры и минерального порошка в
состав композиционных дисперсно-
армированных асфальтобетонных смесей.
1) Смесь базальтовой 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 базальтовой фибры и минерального порошка вносилась сразу всей навеской на разогретую минеральную часть смеси, перемешивалась, затем вводилось вяжущее и перемешивалось до однородного состояния.
3) Смесь базальтовой 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 литров, сконструированной по типу смесителей асфальтобетонного завода [6].
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. 2.
Для смеси, при постепенном внесении базальтовой фибры с минеральным порошком были определены все показатели по ГОСТ 91282013 [3]. Для смеси, при внесении базальтовой фибры с минеральным порошком всей навески сразу, определялись плотность, водонасыщение, прочность при 20 °С и 50 °С.
Для смеси, при внесении базальовой фибры в мешалку, с последующим внесением остальных компонентов, определялись плотность, во-
донасыщение, прочность при 20 °С, 0 °С и 50 реннего трения, и сцеплению при сдвиге при °С, сдвигоустойчивость по коэффициенту внут- температуре 50 °С.
Таблица 2
Физико-механические показатели композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонов при введении базальтовой фибры в виде смеси с минеральным порошком нагретой до
температуры 100 °С
Фактические значения
Асфаль- Асфальтобетон Асфальтобетон Асфальтобетон типа
Требования тобетон типа Б марки I с типа Б марки I с Б марки I с введени-
Наименование показателя Ед. изм. ГОСТ 91282013 к смеси марка I тип Б типа Б, марки I постепен-ным введением в состав смеси фибры с минеральным порошком введением сразу всей навеской в состав смеси фибры с минеральным порошком ем в первую в мешалку смеси фибры с минеральным порошком, а затем все остальные компоненты
Средняя плотность г/см3
уплотненного мате- - 2,46 2,48 2,48 2,49
риала из смеси,
Водонасыщение для смесей % от 1,5 до 4,0 1,57 1,5 1,9 2.2
Предел прочности при сжатии при МПа От 2,5 4,5 5.5 5,0 5,0
температуре 20 °С,
Предел прочности
при сжатии водона-
сыщенных образцов МПа - 4,0 5,1 4,5 4,5
при температуре 0 °С,
Предел прочности при сжатии при МПа До 13,0 7,4 7,5 7,50 7,0
температуре 0 °С,
Предел прочности при сжатии при МПа От 1,30 2,0 2,5 2,0 2,1
температуре 50 °С,
Водостойкость, - От 0,85 0,89 0,93 0,90 0,9
Сдвигоустойчи-
вость по коэффициенту внутреннего - От 0,83 0,83 0,88 0,85 0,79
трения,
Сдвигоустойчиво-
сть по сцеплению при сдвиге при тем- От 0,38 0,6 0,65 0,61 0,55
пературе 50 °С
Трещиностой-кость
по пределу прочно-
сти на растяжение при расколе при МПа От 4,0 до 6,5 4,2 5,5 5,5 4,1
температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин
При постепенном внесении базальтовой 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 распределением базальтовой фибры в объеме асфальтовой смеси [10].
Выводы. Введение в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетон-
ных смесей предварительно приготовленной смеси базальтовой 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 базальтовой фибры с минеральным порошком в смесь компонентов асфальтобетонной смеси для улучшения показателей физико-механических свойств асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний.
2. ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.
3. СНиП 3.06.03-85 Автомобильные дороги
4. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий. Методические рекомендации - Омск: СибАДИ. 2004.
5. А. с. 1216012 СССР, МКИ3 В 28 В 13/02. Устройство для уплотнения строительных смесей в форме / А. Ф. Иванов, А. В. Потапов, Н. А. Горнаев, И. В. Михайлов (СССР). - № 3834339 ; заявл. 30.12.84 ; опубл. 07.03.86, Бюл. № 9. 3 с. : ил.
6. Челпанов И.Б., Евтеева С.М., Талалай ВВ., Кочетков А.В., Юшков Б.С. Стандартизация испытаний строительных, дорожных материалов и изделий // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2011. № 2. С. 57-68.
7. Installing Composite Surface Treatment and Thin Wearing Courses Using Different Types of Fibre. A. V. Kochetkov, L. V. Yankovskii, I. B. Chelpanov. Translated from Khimicheskie Volokna, Vol. 47, No. 1, pp. 66-72, January-February, 2015. Fibre Chemistry July 2015.
8. M. Aren Cleven Investigation of the properties of carbon fiber modified asphalt mixtures / Michigan technological university, 2000.
9. Rebecca Lynn Fitzgerald Novel Applications of Carbon Fiber for Hot Mix. Asphalt Reinforcement and Carbon-Carbon // Michigan technological university, 2000
10.Saeed Ghaffarpour Jahromi, Ali Khodaii Carbon fiber reinforced asphalt concrete // Department of Civil Engineering, Tehran, Iran.
Andronov S.Yu., Zadiraka A.A.
INFLUENCE OF METHOD OF ADMINISTRATION BASALT FIBRO ON PHYSICAL
AND MECHANICAL PERFORMANCE OF COMPOSITE GLASS FIBER ASPHALT CONCRETE
A method of increasing the stability of asphalt concrete to external loads is the introduction into its structure of fibers and yarns. Introduction into a mixture of small size (discrete) components allows achieving their uniform distribution (dispersion) in the mixture and obtain a "composite" material having a high physical and mechanical properties in the finished structural member. experimental composite formulations of dispersion-reinforced asphalt mixtures and determined the impact on their properties route of administration were chosen to blend fibers with different cutting length.
Key words: composite material, the production technology of composite dispersion-reinforced asphalt concrete and basalt fiber, laboratory testing, fiber.
Андронов Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.
Адрес: Россия, 410054, Саратов, ул. Политехническая 77к3. E-mail: [email protected]
Задирака Алексей Анатольевич, аспирант, Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.
Адрес: Россия, 410054, Саратов, ул. Политехническая 77к3. E-mail: [email protected]
