Исследование температурного режима при производстве композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей с учетом показателей качества

УДК 66-963

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С УЧЁТОМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

Андронов С.Ю.1, Задирака А.А.2 ПУИЦ «Волгодортранс»1 ПУИЦ «Волгодортранс»2

Аннотация. В результате исполнения работы было исследовано влияние температурного режима при производстве качества композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, проведены эксперименты по установлению влияния стандартного температурного режима приготовления асфальтобетонных смесей на качество дисперсно-армированного асфальтобетона. Ведение в состав асфальтобетонных смесей полиакрилонитрильной фибры способствует увеличению показателей качества асфальтобетона.

Ключевые слова: технология производства композитов, композиционные дисперсно-армированные асфальтобетонные смесей, , температурный режим, качество композиционного асфальтобетона.

STUDY OF TEMPERATURE IN THE MANUFACTURE OF COMPOSITE FIBROUS ASPHALT MIXTURES TAKING INTO ACCOUNT QUALITY INDICATORS

Andronov S.Y.1, ZadirakaA.A.2 PUITS "Volgodortrans"1 PUITS "Volgodortrans"2

Annotation. One way to improve As a result of the execution of the work was to study the effect of the temperature regime in the production of quality composite dispersion-reinforced asphalt mixtures, experiments were performed to establish the effect of a standard preparation temperature of asphalt mixtures on the quality of dispersion-reinforced asphalt concrete. Maintenance of the asphalt mixtures polyacrylonitrile fiber helps to increase the quality of performance of asphalt concrete.

Keywords: composites manufacturing technology, composite dispersion-reinforced asphalt mixtures, fiber, temperature, properties of composite asphalt concrete.

В практике дорожного аэродромного и мостового строительства широко используется такой композиционный материал, как асфальтобетон. Асфальтобетон работает в сложных климатических особых эксплуатационных условиях (воздействие тепла и мороза, динамической и статической нагрузки, деформаций и т.д.). Асфальтобетоны подвержены трещинообразованию, шелушению, выкрашиванию, образованию колей, волн и впадин. Одним из способов повышения стойкости асфальтобетона к внешним нагрузкам является применение в его составе армирующих элементов, в качестве которых применяются волокна и нити. 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.

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]. Перспективными в качестве армирующих волокон в асфальтобетонную смесь, исходя из своих физико-механических показателей, являются - фибра из углеродных нитей и прекурсоров для их производства.

В настоящее время в России действуют методические рекомендации по технологии армирования асфальтобетонных покрытий добавками базальтовых волокон (фиброй) [2]. Однако широкого применения базальтовая фибра не получила. Основной проблемой использования фибры из различных волокон в асфальтобетонных смесях, по результатам проведенных исследований, а также зарубежным литературным источникам [3, 4] , является отработка технологии ведения фибры в состав смеси. В России широкого опыта изготовления на

асфальтобетонных заводах смесей с фиброй на сегодняшний момент нет. За рубежом нарабатывается опыт применения фибры для армирования асфальтобетонных смесей [5, 6].

Цель исследования.

Целью работы является - исследование влияния температурного режима приготовления композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей на качественные показатели композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона, а также установление показателей изменения физико-механических свойств асфальтобетонов при введении в состав смесей полиакрилонитрильной фибры.

Материал и методы исследования.

Для приготовления композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей применялись следующие материалы: щебень гранитный фр. 5-15 мм; песок из отсевов дробления горных пород; песок речной мелкий; порошок минеральный МП-1; битум нефтяной дорожный БНД 60/90; фибра полиакрилонитрильная.

Композиционные дисперсно-армированные асфальтобетонные смеси готовились по стандартной методике с уч?том необходимости введения полиакрилонетрильной фибры в смесь разогретых до рабочих стандартных температур компонентов асфальтобетона. Компоненты смешивались в лабораторной мешалке, объ?мом 6 л сконструированной по типу смесителя асфальтобетонного завода и моделирующей его работу (рис. 1).

Встречное вращение валов мешалки обеспечивает передачу материала из зоны действия лопастей одного вала в зону лопастей другого вала. Благодаря этому достигается хорошее качество перемешивания смеси. Привод валов осуществляется от электродвигателя (3) через редуктор (2). Выгрузка готовой смеси осуществляется опрокидыванием корпуса (5) вместе с валом (7) вокруг ведущего вала (6). После изготовления из смесей изготавливались в необходимом количестве контрольные образцы для испытаний.

Для исследований влияния на свойства композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона фибры полиакрилонетрильной с различной плотностью и длиной нарезки были использованы добавки фибры, имеющей следующие основные показатели: плотность 0,17; 0,33; 0,56; 0,68; 0,77 текс с нарезкой длиной по 6 мм; 12 мм; 18 мм; 28 мм.

Добавка полиакрилонетрильной фибры вносилась в подобранный состав асфальтобетонной смеси марки I типа Б по ГОСТ 9128-2013 [7] способом вдувания с одновременным перемешиванием в лабораторной мешалке с разогретой минеральной частью "по сухому" с последующим внесением и смешиванием с разогретым битумом до однородного состояния .

Масса готовой смеси (замеса) композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси, обусловливалась необходимым количеством контрольных образцов для испытаний, и в среднем оставляла: 24 шт. Ч 720 г = 17280 г для проведения полного комплекса испытаний по ГОСТ 12801-98 [8] (масса контрольного образца взята с запасом); 2 шт. Ч 10000 г = 20000 г для определения скорости образования колеи в слое при температуре 50°С от движущегося колеса с давлением 0,6 МПа.

Из готовой композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси в

соответствии с методикой ГОСТ 12801 - 98 [8] изготавливались контрольные образцы. Уплотнение образцов, производилось прессованием на гидравлическом прессе в форме с внутренним диаметром 71,4 мм в течение 3 минут под давлением (40,0±0,5) МПа.

Образец для испытаний на колееобразование размером 300Ч300Ч50 мм изготавливался уплотнением горячей смеси в форме на установке для моделирования условий нагружения дорожных покрытий, которая была разработана и запатентованна (А.с. № 1216012 [9]) в Саратовском политехническом институте. Схема установки показана на рис. 2.

Для контроля температуры асфальтовых образцов во время испытаний в стенке формы установлена (с возможностью касания асфальтового образца) термопара (14) в виде биметаллической пластины, имеющая вывод на мультиметр Mastech М830 (15) с функцией определения температуры. Регулирование температуры асфальтовых образцов производится с помощью газового регулятора за сч?т изменения количества газа поступающего к излучателям (13). На оси обрезиненного рабочего органа (сектора) устанавливался датчик линейных перемещений (16), для определения глубины пластической деформации (колеи).

Требуемая плотность в образце достигалась подбором необходимого количества проходов обрезиненного рабочего органа (4) и давления, передающегося через него. Для установления режима уплотнения, необходимого для получения коэффициента уплотнения равного 1,0 (для смесей типа Б по СНиП 3.06.03 - 85 [10] не менее 0,99), на сформованном образце определялся показатель средней плотности, который затем сравнивался с плотностью для образца сформованного на гидравлическом прессе по ГОСТ 12801-98 [8].

Перед испытанием все контрольные образцы композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона выдерживались при комнатной температуре не менее 12 часов. В процессе изготовления смесей были выявлены следующие особенности: с увеличением плотности композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси, время на перемешивание уменьшалось (необходимая навеска фибры на замес вносилась быстрее); с уменьшением плотности композиционной дисперсно-армированной, резко увеличивались “летучие” свойства фибры (увеличивалось время на осадку взвешенной полиакрилонитрильной фибры на

перемешиваемую смесь); с увеличением длины нарезки полиакрилонитрильной фибры смесь перемешивалась хуже, особенно это проявилось при длине нарезки 18 и 28 мм, при которых смесь приобретала форму кома (сгустка), что может вызывать проблему при перемешивании и укладке в производственных условиях; при длине нарезки полиакрилонитрильной фибры 18 и 28 мм возникала проблема с разбиением ее на отдельные нити, и она часто вносилась в смесь во вспушенном состоянии.

Оптимальными по качественному внесению в смесь (способом вдувания) можно назвать полиакрилонитрильную фибру плотностью 0,17, 0,33, 0,56, 0,68, 0,77 текс с длиной нарезки 6 и 12 мм. На основании результатов испытаний образцов композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона устанавливались составы композиционных смесей позволяющие обеспечить максимальные показатели качества.

Состав асфальтобетонной смеси марки I тип Б: гранитный щебень фр. 5-15 - 41,7%; песок из отсевов дробления - 43,6%; песок природный мелкий - 4,75%; порошок минеральный МП-1 -4,74%; битум марки БНД 60/90 - 5,21 %. Основные показатели свойств данного состава приведены в таблице 1. Состав композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси марки I типа Б с добавкой полиакрилонитрильной фибры: гранитный щебень фр. 5-15 - 41,7%; песок из отсевов дробления - 43,6%; песок природный мелкий - 4,75%; порошок минеральный МП - 1- 4,74; битум марки БНД 60/90 - 5,11 %; полиакрилонитрильная фибра 0,56текс 12 мм - 0,1 %. Основные физико-механические показатели свойств данного состава приведены в таблице 2.

Помимо основных показателей, регламентированных ГОСТ 9128-2013 [7], для всех составов определен показатель - средняя скорость увеличения глубины колеи в слое при температуре 50°С от движущегося обрезиненного сектора с давлением 0,6 МПа (полная и после стабилизации). Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Результаты исследования и их обсуждение.

Технология приготовления горячих плотных асфальтобетонных смесей предполагает просушивание минеральных материалов при температурах до 180ч200°С и использование вяжущего с температурой нагрева до 150ч160°С, как это и было сделано при приготовлении смесей для исследований. Композиционные дисперсно-армированные асфальтобетонные смеси готовились при внесении полиакрилонитрильной фибры способом вдувания. Полиакрилонитрильная фибра вдувалась на предварительно смешанные в необходимых пропорциях минеральные компоненты смеси, разогретые до температуры исследования с последующим внесением и перемешиванием вяжущего разогретого до температуры 130°С. После чего смесь перемешивалась до однородного состоянии в смесителе по типу смесителя асфальтобетонного завода.

Выводы.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что высокие температурные режимы приготовления горячей плотной композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси не влияют на качественные показатели асфальтобетона.

Ведение в состав асфальтобетонных смесей полиакрилонитрильной фибры способствует увеличению показателей качества асфальтобетона.

Выполненные исследования позволили установить, что по сравнению с исходной смесью композиционная дисперсно-армированная асфальтобетонная смесь с добавкой полиакрилонитрильной фибры имеет более высокие показатели качества: средняя скорость образования колеи и предел прочности на сжатие при 50°С улучшаются в среднем на 50%, что соответственно позволит значительно снизить величину колеебразования на автомобильных дорогах общего пользования.

Таким образом установлено, что технология композиционного дисперсно-армированного асфальтобетона способствует снижению колейности и увеличению межремонтных сроков на участках автомобильных дорог общего пользования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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.

2. ГОСТ 9128-2013 Смеси асфальтобетонные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.

3. ГОСТ 12801-98 Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний.

4. Методические рекомендации по технологии армирования асфальтобетонных покрытий добавками базальтовых волокон (фиброй) при строительстве и ремонте автомобильных дорог (Утверждено распоряжением Росавтодора № ОС-12-р от 11.01.2002).

5. СНиП 3.06.03-85 Автомобильные дороги

6. Технологическое обеспечение качества строительства асфальтобетонных покрытий. Методические рекомендации - Омск: СибАДИ. 2004.

7. Jeff Stempihar, P.E. Fiber Reinforced Asphalt Concrete (FRAC) /Graduate Research Associate, 2010.

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.