CC BY
14УДК 691.168
С.Ю. АНДРОНОВ, канд. техн. наук (atomic08@yandex.ru), А.А. АРТЕМЕНКО, д-р техн. наук, А.В. КОЧЕТКОВ, д-р техн. наук, А.А. ЗАДИРАКА, инженер
Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
Влияние способа введения базальтовых волокон на физико-механические показатели композиционных асфальтобетонных смесей
Способом повышения устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам является введение в состав композиционных асфальтобетонных смесей 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 трудноразрешимой проблемой. Введение в смесь небольших по размеру (дискретных) элементов позволяет добиться их равномерного распределения (дисперсии) и получить «композитный» материал с более высокими физико-механическими показателями в готовом конструктивном элементе. В ходе работы подобраны опытные составы композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей и определено влияние на их свойства способа введения базальтовой фибры, проведены эксперименты по отработке режимов приготовления и введения фибры в композиционные асфальтобетонные составы. Выполненные исследования позволили установить эффективность способа введения предварительно приготовленной базальтовой фибры с минеральным порошком в асфальтобетонную смесь для улучшения показателей физико-механических свойств асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог.
Ключевые слова: композиционный материал, технология производства дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, базальтовая фибра, отработанная базальтовая фибра, волокна.
Для цитирования: Андронов С.Ю., Артеменко А.А., Кочетков А.В., Задирака А.А. Влияние способа введения базальтовых волокон на физико-механические показатели композиционных асфальтобетонных смесей // Строительные материалы. 2017. № 7. С. 71-73.
S.Yu. ANDRONOV, Candidate of Sciences (Engineering) (atomic08@yandex.ru), A.A. ARTEMENKO, Doctor of Sciences (Engineering), A.V. KOCHETKOV, Doctor of Sciences (Engineering), A.A. ZADIRAKA, Engineer
Saratov State Technical University named after Yu.A. Gagarin (77, Politekhnicheskaya Street, 410044, Saratov, Russian Federation)
Influence of Method for Basalt Fibers Introduction on Physical-Mechanical Indicators of Composite Asphalt Concrete Mixes
The introduction of fibers and threads into the composition of composite asphalt concrete mixes is a method for improving the stability of asphalt concrete to external loads according to domestic and foreign sources. The introduction of long length elements - threads, fibers or wire - at fulfillment and consistency of quality indicators as well the convenience of its use is an insolvable problem at present. The introduction of small size (discrete) elements makes it possible to achieve their uniform distribution (dispersion) in the mixture and to obtain a "composite" material with higher physical-mechanical properties in the finished structural element. In the course of work, experimental compositions of composite disperse-reinforced asphalt concrete mixes were selected, the influence of the method of introducing the basalt fiber into the mix on their properties was determined; experiments on fine-tuning of conditions of preparation and introduction of the fiber into composite asphalt concrete compositions were conducted. The study conducted makes it possible to determine the efficiency of the method for introducing the preliminary prepared basalt fiber into the asphalt concrete mix for improving indicators of physical-mechanical properties of asphalt concrete in pavements of highways.
Keywords: composite material, technology of production of disperse-reinforced asphalt concrete mixes, basalt fiber, waste basalt fiber, fibers.
For citation: Andronov S.Yu., Artemenko A.A., Kochetkov A.V., Zadiraka A.A. Influence of method for basalt fibers introduction on physical-mechanical indicators of composite asphalt concrete mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 7, pp. 71-73. (In Russian).
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 [1]. Для повышения устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам, по данным отечественных и зарубежных источников, в состав асфальтобетонных смесей вводят волокна и нити различных видов и размеров [2—6]. Введение в асфальтобетонную смесь длинных (протяженных) элементов — нитей, волокон или проволоки при удовлетворении и постоянстве качественных показателей в настоящее время является нерешенной задачей по причине образования сгустков и комков из волокон. Это обстоятельство существенно препятствует развитию технологии производства композиционных фибросодержащих асфальтобетонных смесей и применения их в асфальтобетонных дорожных покрытиях.
Выполнялись исследования способов введения в состав дисперсно-армированных асфальтобетонных ком-
позиций предварительно приготовленных навесок из отработанной базальтовой ваты с минеральным порошком, а также предварительно приготовленных навесок из базальтовой ваты с песком.
Для установления влияния температуры и оптимального соотношения минерального порошка и базальтового волокна изготавливали опытные замесы. Использовали следующие компоненты: отработанная базальтовая вата длиной нарезки 15 мм, распушенная до отдельных волокон; минеральный порошок МП-1. Смешивание осуществляли в керамической цилиндрической емкости объемом 3 л с диаметром дна 150 мм. Емкость с минеральным порошком и базальтовыми волокнами нагревали со скоростью 10—12оС/мин. Контроль температуры выполняли ртутным термометром. Перемешивание выполняли вручную металлическим шпателем (одно круговое движение в секунду). Фиксировали температуру, когда смесь становилась однородной.
По результатам исследований было установлено, что отработанная базальтовая вата (отработанное ба-
j î . ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2017
71
Ма териалы и конструкции
Соотношение базальтовой фибры и минерального порошка, мас. % Температура смешивания, оС Визуальная оценка однородности смеси
хорошее качество ухудшение качества
Базальтовое волокно 1 Минеральный порошок 99 100 200 Хорошая
Базальтовое волокно 2 Минеральный порошок 98 95 205 Хорошая
Базальтовое волокно 4 Минеральный порошок 96 95 200 Хорошая
Базальтовое волокно 6 Минеральный порошок 94 100 205 Неудовлетворительная с образованием сгустков
Базальтовое волокно 8 Минеральный порошок 92 100 205 Неудовлетворительная с образованием сгустков
Лабораторная мешалка, моделирующая работу смесителя асфальтобетонного завода а - общий вид; б - рабочая камера мешалки
зальтовое волокно) с минеральным порошком смешивается до однородной массы при соотношении не более 4% базальтового волокна и 96% минерального порошка. Большая доля базальтового волокна не позволяет соединяться с минеральным порошком до однородного состояния. Было определено, что нагрев и интенсивность перемешивания положительно влияют на качество и однородность. Интервал 100—200оС при этом является оптимальным. В данном случае компоненты быстро перемешиваются между собой, для этого требуется 7—8 круговых движений. Выше 200оС смесь базальтового волокна и минерального порошка расслаивается. Температура ниже 100оС также приводит к образованию комков базальтового волокна и ухудшению качества полученной композиции. Оценка ее однородности при перемешивании с нагревом отработанного базальтового волокна и минерального порошка представлена в табл. 1.
На основании выполненных исследований рекомендуется использование предварительно подготовленной смеси из минерального порошка с базальтовым волокном в количестве не более 4 мас. %. Также было установлено, что температура применения приготовленной композиции должна быть не ниже 95—100оС [7].
Авторы выполнили исследование возможности качественного смешивания отработанного базальтового волокна с песком. Для этого использовали мелкий речной песок. Применяли методику, аналогичную исследованиям возможности предварительного смешивания с минеральным порошком. Установлено, что достигнуть равномерного смешивания отработанного базальтового волокна с песком не представляется возможным из-за образования сгустков и комков отработанной базальтовой фибры.
По технологии, при которой компоненты соединяют с предварительно подготовленным отработанным базальтовым волокном и минеральным порошком, были изготовлены три варианта смеси при температуре не ниже 100оС.
Таблица 1 Для сопоставления результатов исследований в качестве исходных использовали смеси марки I типа Б с вяжущим БНД 60/90. Их физико-механические показатели приведены в табл. 2.
Было исследовано три способа введения отработанного базальтового волокна и минерального порошка в состав асфальтобетонных композиций.
1. Смесь отработанного базальтового волокна и минерального порошка вносили постепенно в разогретую минеральную составляющую композиции с одновременным перемешиванием и последующим добавлением вяжущего, окончательно перемешивая до однородного состояния.
2. Смесь отработанного базальтового волокна и минерального порошка вносили сразу всей навеской в разогретую минеральную часть, перемешивали, затем добавляли вяжущее и доводили до однородного состояния.
3. Смесь отработанного базальтового волокна и минерального порошка вносили сразу всей навеской в работающую лабораторную мешалку, затем вносили разогретые компоненты минеральной части; компоненты перемешивали, затем добавляли вяжущее и все доводили до однородного состояния.
Материал для исследований готовили в лабораторной мешалке объемом 6 л, сконструированной по типу смесителей асфальтобетонного завода [7] и моделирующей их работу (см. риунок).
Из композиционных смесей изготавливали, а затем испытывали контрольные образцы по ГОСТ 12801—98. Физико-механические показатели таких асфальтобетонов при введении отработанного базальтового волокна с минеральным порошком, нагретых до 100оС приведены в табл. 2.
Для этих асфальтобетонов определяли плотность, водонасыщение, прочность при 0, 20 и 50оС, сдвигоу-стойчивость по коэффициенту внутреннего трения и сцеплению при сдвиге при 50оС, трещиностойкость. Выбор показателей физико-механических свойств производили с целью обеспечения долговечности исследованных асфальтобетонов [8].
Постепенное внесение отработанного базальтового волокна с минеральным порошком в разогретую минеральную часть асфальтобетонной смеси с одновременным перемешиванием, последующим введением вяжущего и перемешиванием всей композиции до однородного состояния обеспечивает наиболее высокое качество композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона. Все основные показатели стали выше, чем у исходной асфальтобетонной смеси без добавления отработанного базальтового волокна. Улучшение показателей обусловливается равномерным распределением отработанного базальтового волокна во всем объеме асфальтобетона.
Выводы. Установлено, что введение в состав дисперсно-армированных асфальтобетонных композиций предварительно перемешанного базальтового волокна с минеральным порошком позволяет получить положительные результаты при условии обеспечения их равномерной подачи в мешалку при постоянном перемешивании компонентов асфальтобетонной смеси и использовании ее при температуре не ниже 95—100оС.
научно-технический и производственный журнал Г1- Г £г
~72 июль 2017 Ы- ЛЛ'-Г
Таблица 2
Физико-механические показатели композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонов при введении отработанного базальтового волокна в виде смеси с минеральным порошком, нагретой до 100оС
Наименование показателя Ед. изм. Требования ГОСТ 9128-2013 к смеси марка I тип Б Физико-механические показатели экспериментальной смеси
Асфальтобетон типа Б, марка I Асфальтобетон типа Б марки I с постепенным введением волокон с минеральным порошком Асфальтобетон типа Б марки I с введением сразу всей навеской волокон с минеральным порошком Асфальтобетон типа Б марки I с введением в 1 мешалку смеси волокон с минеральным порошком, затем всех остальных компонентов
Средняя плотность уплотненного материала из смеси г/см3 - 2,46 2,44 2,44 2,45
Водонасыщение смесей % 1,5-4 1,57 1,4 1,8 2
Предел прочности при сжатии при 20оС МПа От 2,5 4,5 5.6 5,1 5,1
Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов при 20оС МПа - 4 5,3 4,6 4,6
Предел прочности при сжатии при 0оС МПа До 13 7,4 7,6 7,6 7
Предел прочности при сжатии при 50оС МПа От 1,3 2 2,7 2,2 2,1
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения б/р От 0,83 0,83 0,87 0,84 0,78
Сдвигоустойчивость по сцеплению при сдвиге при 50оС МПа От 0,38 0,6 0,64 0,6 0,53
Трещиностойкость по пределу прочности при растяжении при расколе при 0оС и скорости деформирования 50 мм/мин МПа 4-6,5 4,2 5,6 5,6 4,2
Исследования позволили установить эффективность способа введения предварительно смешанного отработанного базальтового волокна с минеральным порошком в асфальтобетонную композицию для улучшения показателей физико-механических свойств асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог.
Список литературы
1. Справочная энциклопедия дорожника. Т. 2. Ремонт и содержание автомобильных дорог / Ред. А.П. Васильев. М.: Росавтодор, 2004. 1129 с.
2. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий. Методические рекомендации. Омск: Омский дом печати. 2004. 356 с.
3. Методические рекомендации по технологии армирования асфальтобетонных покрытий добавками базальтовых волокон (фиброй) при строительстве и ремонте автомобильных дорог. (утв. Росавтодор № ОС-12-р, 11.01.2002). Москва. 2002.
4. Cleven M. Aren. Investigation of the properties of carbon fiber modified asphalt mixtures. Michigan Technological University. 2000. 84 р.
5. Fitzgerald R.L. Novel applications of carbon fiber for hot mix asphalt reinforcement and carbon-carbon. Michigan technological university. 2000.
6. Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V., Chelpanov I.B. Installing composite surface treatment and thin wearing courses using different types of fibre // Fibre Chemistry. 2015. Vol. 47. No. 1, pp. 66-72.
7. Горнаев Н.А., Никишин В.Е. Технология холодной регенерации асфальтобетона // Наука и техника в дорожной отрасли. 2005. № 3. С. 43-44.
8. Сюньи Г.К., Усманов К.Х., Файнберг Э.С. Регенерированной дорожный асфальтобетон. М.: Транспорт, 1984. 118 с.
References
1. Spravochnaya entsiklopediya dorozhnika. Tom 2. Remont i soderzhanie avtomobil'nykh dorog. Pod red. Vasil'eva A.P. [A reference encyclopedia of a road worker. Vol. 2. Repair and maintenance of highways. Ed. by Vasilyev A.P.]. Moscow: Rosavtodor, 2004. 1129 p.
2. Tekhnologicheskoe obespechenie kachestva stroitel'stva asfal'tobetonnykh pokrytiy. Metodicheskie rekomendatsii [Technological support of the quality of construction of asphalt concrete pavements. Guidelines.]. Omsk: Omskiy dom pechati. 2004. 356 p.
3. Methodical recommendations on the technology of reinforcing asphalt-concrete coatings with basalt fiber (fiber) additives for the construction and repair of highways. (Approved by Rosavtodor No. OS-12-r, 11.01.2002). Moscow. 2002. (In Russian).
4. Cleven M. Aren. Investigation of the properties of carbon fiber modified asphalt mixtures. Michigan Technological University. 2000. 84 p.
5. Fitzgerald R.L. Novel applications of carbon fiber for hot mix asphalt reinforcement and carbon-carbon. Michigan technological university. 2000.
6. Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V., Chelpanov I.B. Installing composite surface treatment and thin wearing courses using different types of fibre. Fibre Chemistry. 2015. Vol. 47. No. 1, pp. 66-72.
7. Gornaev N.A., Nikishin V.E. Technology of cold regeneration of asphaltic concrete. Nauka i tekhnika v dorozh-noi otrasli. 2005. No. 3, pp. 43-44. (In Russian).
8. Syun'i G.K., Usmanov K.Kh., Fainberg E.S. Rege-nerirovannoi dorozhnyi asfal'tobeton [Reclaimed road asphalt concrete]. Moscow: Transport. 1984. 118 p.
научно-технический и производственный журнал
июль 2017
73
