Статья: Изучение влияния способа введения ПАН-волокна на качество асфальтобетона

ФГБОУ ВО «Саратовский Государственный Технический Университет имени Гагарина Ю.А», Россия, Саратов

Изучение влияния способа введения ПАН-волокна на качество асфальтобетона

Андронов С.Ю.

Задирака А.А.

Трофименко Ю.А.

В транспортном строительстве широко используется такой материал как асфальтобетон. Асфальтобетон 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. Способом повышения устойчивости асфальтобетона к внешним нагрузкам является введение в его состав 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 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]. В качестве армирующих волокон в асфальтобетонной смеси исходя из технико-экономических соображений применяется фибра из углеродных нитей.

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 является отсутствие технологии (способа) ведения фибры в состав смеси. В России широкого опыта изготовления на асфальтобетонных заводах смесей с фиброй на сегодняшний момент нет.

Выполнялись исследования способов введения в состав композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей предварительно приготовленных смесей (навесок) из полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, а также предварительно приготовленных смесей (навесок) из полиакрилонитрильной фибры с песком.

Для исследований приготавливалась смеси (навески) из полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком. Минеральный порошок - материал, полученный при помоле горных пород или твердых отходов промышленного производства с размером частиц размером менее 0,071 мм около 60-80%, является одним из основных компонентов асфальтобетонных смесей.. Замечено, что минеральный порошок, входящий в состав асфальтобетонной смеси, в качестве мелкого заполнителя пор и выполняющий роль связующего для вяжущего, при определенных соотношениях смешивается (вручную или механически) с полиакрилонитрильной фиброй до однородного состояния. При этом время перемешивания резко уменьшается, если смешивание производить с нагревом.

Для установления влияния температуры и оптимального соотношения минерального порошка и полиакрилонитрильной фибры изготавливались опытные замесы. Использовались следующие компоненты: фибра полиакрилонитрильная 0,56 текс 12 мм; минеральный порошок МП-1.

Смешивание осуществлялось в керамической цилиндрической емкости объемом 3 л с диаметром дна 150 мм. Емкость с минеральным порошком и полиакрилонитрильной фиброй размещалась на электроплитки, оснащённой регулятором скорости нагрева. Скорость нагрева составляла 10-12°С в минуту. Контроль температуры выполнялся ртутным термометром. Перемешивание выполнялось в ручную металлическим шпателем (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).

Было изготовлено 5 смесей. Фотографии готовых смесей в конце смешивания приведены на рис. 1-5.

Рис. 1. Смесь полиакрилонитрильной фибры 5% с минеральным порошком 95% после перемешивания с нагревом до 210°С

Рис. 2. Смесь полиакрилонитрильной фибры 2,5% с минеральным порошком 97,5% после перемешивания с нагревом до 210°С

Рис. 3. Смесь полиакрилонитрильной фибры 2% с минеральным порошком 98% после перемешивания с нагревом до 210°С

Рис. 4. Смесь полиакрилонитрильной фибры 1,5% с минеральным порошком 98,5% после перемешивания с нагревом до 210°С

Рис. 5. Смесь полиакрилонитрильной фибры 1% с минеральным порошком 99% после перемешивания с нагревом до 210°С

Оценка однородности смесей, при перемешивании с нагревом полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, представлена в табл. 1.

Таблица 1. Оценка смесей, при перемешивании с нагревом полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком

По результатам исследований можно сделать вывод, что полиакрилонитрильная фибра с минеральным порошком смешивается до однородной смеси при соотношении не более 2% полиакрилонитрильной фибры и 98 % минерального порошка. Большие соотношения полиакрилонитрильной 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 5-7 круговых движений. Наилучшая температура смешивания составляет 160°С. При температурах свыше 200°С или приводит к повторном образуются комья, сгустки и происходит спекание полиакрилонитрильной фибры в минеральном порошке. Понижение температуры ниже 100°С также приводит к повторному образованию комьев и ухудшению качества полученной ранее смеси.

На основании выполненных исследований в дальнейшем рекомендуется использование предварительно подготовленной смеси из минерального порошка с полиакрилонитрильной фиброй не более 2% по массе с нагревом при смешивании до температуры 150°С. Также на основании выполненных исследований было установлено, что температура применения смеси должна быть не ниже 95-100°С.

Выполнялось исследование возможности качественного смешивания полиакрилонитрильной фибры с песком. Для исследований применялся мелкий речной песок. Методика исследований аналогична исследованиям возможности предварительного смешивания с минеральным порошком. На рисунках 6-7 показаны фото смесей. В таблице 2 представлена оценка смесей, при перемешивании с нагревом полиакрилонитрильной фибры с песком.

Таблица 2. Оценка смесей, при перемешивании с нагревом ФСПАНВ с песком

Рис. 6 Смесь полиакрилонитрильная фибра 5% с мелким песком речным 95% после перемешивания с нагревом до 200 °С

Рис. 7 Смесь полиакрилонитрильная фибра 1% с песком речным 99% после перемешивания с нагревом до температуры 200 °С

На основании выполненных исследований можно сделать вывод, что достигнуть равномерного смешивания полиакрилонитрильной фибры с песком не представляется возможным. Положительного влияния не оказывает повышения температуры смешивания, а также увеличение интенсивности перемешивания. Комья и сгустки появляются сразу же при введении полиакрилонитрильной фибры в песок и далее практически не разделяются. Причём при соприкосновении свободных волокон между собой комья образуются повторно. На основании выполненных исследований установлено, что способ введения фибры совместно с песком при приготовлении композиционных дисперсно-армированных смесей не позволит получить равномерного распределения фибры в объёме смеси.

С учётом положительных результатов исследований при исследовании способа введения полиакрилонитрильной фибры в минеральный порошок выполнялись испытания образцов композиционной дисперсно-армированной смеси, в состав которой на стадии приготовления вводилась полиакрилонитрильная фибра предварительно смешанная с минеральным порошком.

Для определения влияния на качество композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси технологии изготовления, при которой компоненты смеси смешиваются с предварительно приготовленной смеси полиакрилонитрильной фибры и минерального порошка, было изготовлено 3 смеси.

Перемешиванием с нагревом до температуры 150 °С, отдельно готовилась смесь минерального порошка с полиакрилонитрильной фиброй. Применялась полиакрилонитрильная фибра 0,56 текс с длиной нарезки 12 мм. Количество полиакрилонитрильной фибры более 2% по массе с учётом обеспечения однородности и равномерности смеси.

Смесь полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, использовалась в нагретом виде, при температуре не ниже 100°С. 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 таблице 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.

Смеси для исследований готовились в лабораторной мешалке объёмом 6 литров, сконструированной по типу смесителей асфальтобетонного завода.

После приготовления композиционных дисперсно-армированных асфальтобетонных смесей, из них изготавливались и испытывались контрольные образцы по ГОСТ 12801-98 [2]. 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.

Анализируя результаты испытаний в таблице 3 можно сделать вывод, что при постепенном внесении полиакрилонитрильной 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 распределения полиакрилонитрильной фибры в объеме асфальтовой смеси. При внесении смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком в асфальтобетонную смесь сразу всей навеской, показатели физико-механических свойств несколько ухудшились, однако качество смеси и образцов асфальтобетона соответствует требованиям ГОСТ 9128-2013 [13].

При приготовлении композиционной дисперсно-армированной асфальтобетонной смеси с введением смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком всей навеской в мешалку и затем внесением разогретых компонентов части смеси и перемешиванием до однородного состояния, получить положительных результатов не удалось. Качество смесей и образцов асфальтобетона не соответствовало требованиям ГОСТ 9128-2013 [13]. На стадии интенсивного перемешивания введенной смеси полиакрилонитрильной фибры с минеральным порошком, до введения остальных компонентов асфальтобетонной смеси, наблюдалось незначительное образование комьев и сгустков фибры в минеральном порошке. Происходило “встряхивание” частиц минерального порошка c фибры, нити которой сразу же начинали спутываться.