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

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 трещинообразо-ванием 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 каркас-ность 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 (ТБСИМОСБЬ), а также в форме гранул как из чистой целлюлозы (ТОРСБЬ), так и в смеси с разными углеводородными продуктами: битумным покрытием (УГАТОР, ГТБКРГБКА). 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 БОЬАМТ) 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 БОЬАМТ больше, чем у целлюлозы в 1,7 раза, оно связано с дисперсным армированием этих волокнистых добавок. Волокна БОЬАМТ

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 физико-механических 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: ТОРСБЬ (Германия), ГТБтБКА (Италия), БОЬАМТ (Испания). Природа этих волокон различна; так ТОРСБЬ и ГТБКРГБКА являются целлюлозными, причем ГТБКРГБКА битумонизирована. БОЬАМТ 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 - 58x0,1 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 ТОРСБЬ;

- состав ЩМА, содержащий 68% щебня, 17% отсева и 15% минерального порошка (не рассея-ного) на волокне ТОРСБЬ;

- состав ЩМА, содержащий 68% щебня, 17% отсева и 15% минерального порошка (не рассеянного) на волокне БОЬАМТ;

- состав ЩМА с раздельным фракционированием на волокне ГТБтБКА;

- 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

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 сте-кания. 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.2.7-03450778-204-2002) различаются, то далее приведен анализ полученных результатов с учетом требований нормативных документов этих стран.

В табл. 2 представлены основные физико-механические свойства исследуемых составов.

Сравнение свойств предложенных составов с нормативными показывает, что по водонасыще-нию 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 сдвигоустойчиво-сти в ТУ РБ рекомендуется показатель продавли-вания асфальтобетона при температуре 50°С. По этому показателю механических свойств удовлетворительный результат показал только состав с использованием в качестве битумововлекающей добавки акрилового волокна БОЬАМТ. 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.

ЩМА состав Содержание зерен с размером мельче

10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071

ЩМА 10 10090 4030 29-19 2616 22-13 20-11 17-10 1510

Исполь-

зуемый состав 100 32 22 19 16 13 13 11

ЩМА 1

Таблица 2 Физико-механические свойства исследуемых составов

№ п/п Характеристика Средняя плотность, кг/м3 Водо-насыщение, % Набухание, % Прочность при сжатии, МПа Коэф. водоус-тойчи-вости Кв14 Прочность по бразильскому методу, МПа Стека- ние, % Продав-ливание по Никольскому, МПа

R20 R50

1 Состав ЩМА с отсевом 60/90=7% ТОРСЕЬ 0,4%, прессование 200 кг/см2 2348 0,99 0,00 3,18 0,80 0,95 0,127 0,11 1,47

2 Состав ЩМА 60/90=6,5% 1ТЕКРГВКА С 0,4%, прессование 200 кг/см2 2345 1,84 0,00 3,94 1,05 0,92 0,143 0,25 1,66

3 Тип А 60/90=4,1%, прессование 200 кг/см2 2397 3,28 0,00 5,11 1,63 0,90 0,223 - 2,81

4 Состав ЩМА 60/90=7% ТОРСЕЬ 0,4%, прессование 200 кг/см2 2354 0,87 0,02 3,41 0,74 0,99 0,143 0,21 1,73

5 Состав ЩМА 60/90=7,5% ТОРСЕЬ 0,4%, трамбовка 50+50 2269 3,42 0,00 2,55 0,56 0,97 0,095 0,26 1,01

6 Состав ЩМА с отсевом 60/90=6,3 % БОЬОМТ 0,3%, прессование 200 кг/см2 2379 1,75 0,00 4,11 1,33 0,92 0,143 0,04 2,00

Высокие результаты показала щебеночно-мастичная смесь с применением БОЬАМТ, 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 негранулиро-ванного состояния).

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.

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 БОЬАМТ, обладающая армирующей способностью;

- необходимо дальнейшее накопление данных по физико-механическим свойствам ЩМА на раз-

ных стабилизирующих добавках, включая «нестандартные» показатели качества, такие как сдвигоустойчивость, растяжение в условиях изгиба и др.

Для проверки технических свойств ЩМА начинается опытное строительство и проверка поведения опытного участка в реальных дорожных условиях.

Литература

1. Bullinger, Ludwig. The influence of the mechani-

cal 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. Щебеночно-

мастичный асфальтобетон - эффективный материал дорожных покрытий // Вестник ХНАДУ / Сб. науч. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2002. - Вып.19. - С.130-131.

4. Модифицированные битумные вяжущие, спе-

циальные 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.

Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 1 февраля 2005 г.