close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Роль волокон в формировании физико-механических свойств щебеночно-мастичного асфальтобетона..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 625.7
РОЛЬ ВОЛОКОН В ФОРМИРОВАНИИ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЩЕБЕНОЧНО-МАСТИЧНОГО АСФАЛЬТОБЕТОНА
В.А. Псюрник, доцент, к.т.н., С.А. Чугуенко, науч. сотр.,
А.В. Опришко, студент, В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Представлены результаты исследований физико-механических свойств
ЩМА с использованием различных искусственных стабилизирующих добавок как
гранулированных (из чистой целлюлозы, с битумным покрытием), так и в свободном
виде.
Ключевые слова: щебеночно-мастичный асфальтобетон, стабилизирующая (волокнистая) добавка, физико-механические свойства.
Введение
Несущая способность асфальтобетона зависит во
многом от самого слабого составляющего системы, то есть от вяжущего (битума). В настоящее
время существует два основных способа увеличения прочности и сдвигоустойчивости асфальтобетона: изменение характеристик вяжущего
путем его модификации, повышение роли каменного остова, то есть увеличение каркасности каменного остова.
До последнего времени в странах СНГ эти два
направления использовались раздельно. При этом
повышение вязкости носило ограниченный характер: переход к битумам марок БНД 40/60 неминуемо сопровождался повышением хрупкости
асфальтобетона и интенсивным трещинообразованием на покрытии. Эта проблема была решена
модификацией битумов полимерами разного
класса (термоэластопластами типа СБС и термопластами типа полиэтилена, этиленвинилацетата,
этил-глицедил-акрилата и др.). Однако в этом
случае не в полной мере использовалась каркасность многощебенистых асфальтобетонов, которой в 60-е годы прошлого столетия уделялось
большое внимание. Повышение содержания щебня до 45–55% приводило к росту сопротивления
асфальтобетона сдвигу в 1,3–1,4 раза по сравнению с малощебенистым асфальтобетоном. В то
же время высокощебенистые асфальтобетоны
оказались неустойчивыми под действием воды и
многократного замораживания-оттаивания.
Возникла принципиальная проблема получить
сдвигоустойчивые, морозо- и водостойкие асфальтобетоны, при этом обладающие шероховатой поверхностью. Для повышения сдвигоустой-
чивости и шероховатости содержание щебня в
смесях было поднято до 70–78%, пустотность между отдельными зернами щебня заполнялась
большим содержанием минерального порошка,
что повлекло за собой увеличение содержания битума в смеси. С одной стороны, удельный расход
битума повышался в связи с формированием более
толстой пленки битума (практически до состояния
объемного) за счет увеличения крупных зерен. С
другой стороны, увеличение расхода битума обуславливалось ростом содержания минерального
порошка. Таким образом, смесь, удовлетворяющая
условиям смачивания и перемешивания, приобретала новое негативное свойство – она расслаивалась в процессе транспортировки. Устранение
этого недостатка было обеспечено введением в
смесь тонковолокнистого наполнителя, обладающего большой удельной поверхностью.
Был создан щебеночно-мастичный асфальтобетон
(ЩМА), принципиально объединяющий преимущества плотных малощебенистых бетонов и предельно-каркасных многощебенистых асфальтобетонов [1, 2]. Применение щебеночно-мастичного
асфальтобетона в некоторых странах в основном
используется для дорог с большим транспортным
потоком. В тоже время в Украине ЩМА является
абсолютно новым материалом, который должен
быть изучен в экспериментальных и производственных условиях.
Анализ публикаций
Щебеночно-мастичный асфальтобетон сочетает в
себе преимущества каркасного (до 80% щебня)
асфальтобетона в отношении повышенных прочностных характеристик, а также литого асфальтобетона (повышенное содержание вяжущего) в
отношении температурной трещиностойкости и
коррозионной стойкости, особенно в климатических условиях Украины.
Оптимизации подбора смеси, сочетанию выбора
минеральных заполнителей, типа связующего
материала и стабилизирующей добавки уделяют
внимание многие исследователи [1, 3, 4]. Характерно, что дорожные строители Украины окончательно не определились с выбором наиболее важного компонента состава ЩМА – стабилизирующей добавки.
Стабилизирующая добавка – особая составляющая в составе ЩМА и требует более подробного
рассмотрения, исходя из ее существенной роли.
Термин «стабилизирующая добавка», применительно к щебеночно-мастичному асфальту, в первую очередь, означает вещество, удерживающее
вяжущий материал для обеспечения однородности
смеси во время транспортировки и укладки.
Среди многих стабилизирующих добавок наиболее часто используемыми являются искусственные добавки, чаще всего целлюлозные, а также
некоторые синтетические волокна.
Разновидности целлюлозных волокон могут быть
представлены в свободном виде (TECHNOCEL), а
также в форме гранул как из чистой целлюлозы
(TOРCEL), так и в смеси с разными углеводородными
продуктами:
битумным
покрытием
(VIАTOP, ITERFIBRA). Гранулированные волокна
имеют ряд преимуществ с точки зрения их меньшей гидроскопичности по сравнению со свободными волокнами, они не комкуются и лучше распределяются в смесителе. Однако все перечисленные выше разновидности имеют разную
температурную устойчивость, а значит, температурный режим работы с ними должен быть отработан.
Синтетические волокна по своей термостойкости
существенно отличаются. Так, например, полиэфирные являются устойчивыми до температуры
220 °С, что позволяет избежать их плавления при
смешении с горячим битумом. Полиэтиленовые и
полипропиленовые синтетические волокна имеют
достаточно низкую термостойкость и поэтому в
горячих технологиях не используются.
Полиакриловые синтетические волокна (характерным представителем этого класса волокон
может считаться DOLANIT) обеспечивают микроармирование, что благоприятно влияет на устойчивость покрытия к перепадам температур и
помогает асфальтобетону воспринимать динамические и статистические нагрузки, предотвращает
образование колеи в летний период, делает асфальтобетон трещиностойким. Упрочняющее
действие DOLANIT больше, чем у целлюлозы в
1,7 раза, оно связано с дисперсным армированием
этих волокнистых добавок. Волокна DOLANIT
легко смешиваются с вяжущим материалом, нечувствительны к воздействию воды, устойчивы к
кислотам и не оказывают негативного влияния на
старение битума, стойки к высоким температурам. Волокна, введенные в асфальтобетонные
смеси, оказывают на них двойное действие. Краткосрочное действие: во время транспортирования
и распределения смесей введение волокон способствует увеличению толщины пленки вяжущего на минеральных зернах без последующего
риска колееобразования. Долгосрочное действие:
в течение всего срока эксплуатации покрытия они
обеспечивают механические свойства и жесткость асфальтобетонов. Эти эффекты зависят от
типа волокон и их характеристик. Оптимальное
содержание волокон зависит от их качества.
Цель и постановка задачи
Цель исследования заключается в определении
роли разных волокон в формировании физикомеханических свойств ЩМА. Соответственно
поставлены задачи: определить и сравнить физические и механические свойства асфальтобетонов
с использованием различных по природе и составу волокон.
Результаты исследований
Для исследований в работе использованы следующие виды волокон: TOРCEL (Германия),
ITERFIBRА (Италия), DOLANIT (Испания). Природа этих волокон различна; так TOРCEL и
ITERFIBRА являются целлюлозными, причем
ITERFIBRА битумонизирована. DOLANIT представляет собой волокно синтетическое, основным
компонентом которого является акрил, волокна
ничем не обработаны и имеют вид тонких волосков длиной около 8 мм.
В качестве вяжущего для приготовления ЩМА
использован битум, который характеризовался:
пенетрацией при 25°С – 58×0,1 мм, температурой
размягчения – 51°С, растяжимостью при 25°С –
>100 см, что позволяет его отнести согласно
ДСТУ 4044-2001 к битуму марки БНД 40/60.
Были заформованы следующие смеси:
– состав ЩМА с раздельным фракционированием
минеральных зерен и волокном TOPCEL;
– состав ЩМА, содержащий 68% щебня, 17%
отсева и 15% минерального порошка (не рассеяного) на волокне TOPCEL;
– состав ЩМА, содержащий 68% щебня, 17%
отсева и 15% минерального порошка (не рассеянного) на волокне DOLANIT;
– состав ЩМА с раздельным фракционированием
на волокне ITERFIBRА;
– асфальтобетонная смесь типа А (по ДСТУ
Б.В.2.7-119-2003) раздельного фракционирования
с содержанием битума 4,1%.
Для проведения исследовательских работ был
выбран гранулометрический состав ЩМА 10,
представленный в табл. 1. Смеси с раздельным
фракционированием составлялись из специально
высеянных из щебня и песка фракций, начиная от
фракций 10–5 мм и заканчивая фракцией порошка менее 0,071 мм.
Таблица 1 Гранулометрический состав ЩМА 10
ЩМА
состав
Содержание зерен с размером мельче
(мм)
10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071
100- 402615ЩМА 10 90 30 29-19 16 22-13 20-11 17-10 10
Используемый
100 32
состав
ЩМА 1
22
19
16
13
13
11
Характерной особенностью данного типа асфальтобетона является очень малое содержание фракций минерального материала < 1,25 мм, то есть
минеральная часть смеси по существу является
практически прерывистой.
Приготовление лабораторных смесей осуществлялось следующим образом: смесь каменных материалов без минерального порошка нагревалась до
температуры 180°С; по достижении этой температуры смесь помещалась в мешалку, куда подавались минеральный порошок и гранулы целлюлозных волокон, затем производилось перемешивание в течение 2 мин (для равномерного
распределения волокон и минерального порошка
в смеси каменных материалов). Битум вводили в
необходимом количестве в последнюю очередь и
снова производили «мокрое» смешение в течение
2 мин. По окончании смешения ЩМС выгружалась из смесителя и подвергалась уплотнению
под нагрузкой 200 кг/см2. Для сравнения производилось уплотнение трамбованием, применяемое при изготовлении образцов для испытания по
Маршалу, широко используемого ранее в США
(были специально изготовлены формы и уплотняющие трамбовки, копирующие прибор Маршала). Установлено экспериментом оптимальное количество ударов при трамбовании (оно составляло 50+50 ударов, сверху и снизу соответственно).
Обязательным технологическим этапом приготовления ЩМС является определение оптимального содержания битума в ЩМС по методу стекания. Метод оценки стекания заключается в определении процентного содержания вяжущего,
оставшегося на стенках стеклянного стакана, после выдерживания в нем смеси при температуре
170°С в течение одного часа.
По итогам определения показателя стекания установлено оптимальное количество битума применительно к виду стабилизирующей добавки.
Поскольку нормируемые значения физико-
механических свойств для ЩМА в России (ГОСТ
31105-2002), Беларуси (ТУ РБ 1900555552.2722001) и Украине (ТУ У 45.2-В.2.7-03450778-2042002) различаются, то далее приведен анализ полученных результатов с учетом требований нормативных документов этих стран.
В табл. 2 представлены основные физикомеханические свойства исследуемых составов.
Сравнение свойств предложенных составов с
нормативными показывает, что по водонасыщению все составы удовлетворяют требованиям
нормативных документов России, а показатели
смесей 1 и 4 лишь незначительно ниже требований белорусских норм. В тоже время состав 5
превышает требования белорусского и украинского нормативных документов, что, вероятно,
связано с особенностями его уплотнения. По показателю прочности при 20°С также все составы
удовлетворяют требованиям российского нормативного документа (в ТУ РБ этот показатель не
нормируется). К показателю прочности на сжатие
при 50°С в белорусском и украинском нормативных документах предъявляются достаточно жесткие требования. Белорусскому ТУ удовлетворяют
только составы 2 и 5, российским требованиям
почти полностью удовлетворяет состав, уплотненный трамбованием. Украинскому нормативному документу не удовлетворяет ни один из
составов.
Все составы ЩМА показали высокие значения
коэффициента длительной водоустойчивости и по
этому показателю соответствуют всем нормативным документам. Набухание регламентируется
только в белорусских технических условиях. Все
составы удовлетворяют требованиям этого документа, что, вероятно, обусловлено высоким содержанием битума. Для оценки сдвигоустойчивости в ТУ РБ рекомендуется показатель продавливания асфальтобетона при температуре 50°С. По
этому показателю механических свойств удовлетворительный результат показал только состав
с использованием в качестве битумововлекающей
добавки акрилового волокна DOLANIT. Максимально приближаются к требованиям составы 2 и 4.
Это свидетельствует о необходимости снижения
содержания вяжущего до такого уровня, чтобы
значение стекания битума из асфальтобетонной
смеси составляло от 0,06 до 0,1%. Для первого
состава недостаточная сдвигоустойчивость может
быть обусловлена недостаточно плотным составом минеральной части.
Обращает на себя внимание тот факт, что наилучшие показатели механических свойств показал асфальтобетон типа А, что свидетельствует о
невозможности объективно характеризовать механические свойства исследуемых материалов
при помощи стандартных, принятых здесь методов испытаний.
№ п/п
Таблица 2 Физико-механические свойства исследуемых составов
1
2
3
4
5
6
Характеристика
Состав ЩМА с отсевом
60/90=7% TOPCEL 0,4%,
прессование 200 кг/см2
Состав ЩМА 60/90=6,5%
ITERFIBRA C 0,4%,
прессование 200 кг/см2
Тип А 60/90=4,1%,
прессование 200 кг/см2
Состав ЩМА
60/90=7% TOPCEL 0,4%,
прессование 200 кг/см2
Состав ЩМА 60/90=7,5%
TOPCEL 0,4%,
трамбовка 50+50
Состав ЩМА с отсевом
60/90=6,3 % DOLONIT 0,3%,
прессование 200 кг/см2
Прочность Коэф. Прочность
ПродавСредняя ВодоHабу- при сжатии, водоус- по бра- Стека- ливание
плот- насыхание,
МПа
тойчи- зильскому ние, по Ниность, щение,
%
вости
методу,
% кольско3
%
кг/м
R50
R20
Кв14
МПа
му, МПа
2348
0,99
0,00
3,18
0,80
0,95
0,127
0,11
1,47
2345
1,84
0,00
3,94
1,05
0,92
0,143
0,25
1,66
2397
3,28
0,00
5,11
1,63
0,90
0,223
–
2,81
2354
0,87
0,02
3,41
0,74
0,99
0,143
0,21
1,73
2269
3,42
0,00
2,55
0,56
0,97
0,095
0,26
1,01
2379
1,75
0,00
4,11
1,33
0,92
0,143
0,04
2,00
Высокие результаты показала щебеночномастичная смесь с применением DOLANIT, что
можно объяснить армирующей способностью
этого волокна. В этом отношении это волокно
имеет преимущество по сравнению с остальными,
рассмотренными в этой работе. Однако его применение сопряжено с некоторыми трудностями
производственного характера, заключающимися в
сложности введения этого волокна в смесь каменных материалов (вследствие его негранулированного состояния).
ных стабилизирующих добавках, включая «нестандартные» показатели качества, такие как
сдвигоустойчивость, растяжение в условиях изгиба и др.
Можно предполагать, что в наибольшей степени
свойства ЩМА могут быть раскрыты при испытаниях в условиях трехосного сжатия. Однако
такие испытания сопряжены со значительными
техническими трудностями. Более объективные
данные могут быть получены на основе испытаний колеемером, систематически используемым
для этой цели в странах ЕС. В то же время французские исследователи отмечают нестабильность
показателей долговечности ЩМА.
1. Bullinger, Ludwig. The influence of the mechanical properties of bituminous mastics and thus
asphalt mixes using special pan – fibres. -3rd
Euroasphalt & Eurobitumen Congress. –
Vienna, 2004. – P. 889–902.
2. Хученрейтер Й., Вернер Т. Асфальтобетон в
дорожном строительстве. – Берлин: Изд-во
строительной промышленности, 1998. – 87 с.
3. Веренько В.А., Занкович В.В. Щебеночномастичный асфальтобетон – эффективный
материал дорожных покрытий // Вестник
ХНАДУ / Сб. науч. тр. – Харьков: Изд-во
ХНАДУ. – 2002. – Вып.19. – С.130–131.
4. Модифицированные битумные вяжущие, специальные битумы и битумы с добавками в
дорожном строительстве: Пер. с франц. /
Под ред. В.А. Золотарева, В.И. Братчуна. –
Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2003. –229 с.
Выводы
Анализируя полученные результаты исследований, можно сделать следующие выводы:
– применение стабилизирующих добавок в количестве 0,3–0,4% в составе ЩМА позволяет получать материал, по физико-механическим свойствам удовлетворяющий нормам;
– большой эффективностью обладает стабилизирующая добавка DOLANIT, обладающая армирующей способностью;
– необходимо дальнейшее накопление данных по
физико-механическим свойствам ЩМА на раз-
Для проверки технических свойств ЩМА начинается опытное строительство и проверка поведения опытного участка в реальных дорожных
условиях.
Литература
Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 февраля 2005 г.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
33
Размер файла
274 Кб
Теги
физики, асфальтобетонные, щебеночном, pdf, свойства, механической, роль, волокон, формирование, мастичного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа