1. Введение
Дисперсное армирование асфальтобетонов является перспективным направлением развития технологии производства дорожно-строительных материалов. Повышенные эксплуатационные характеристики, такие как более высокая трещиностойкость, усталостная долговечность и сопротивление колееобразованию, делают армированные асфальтобетоны эффективным решением для строительства и реконструкции дорожных покрытий, эксплуатируемых в условиях интенсивных транспортных нагрузок и неблагоприятных климатических условий
[1][2]
Основополагающий принцип армирования асфальтобетонных смесей состоит в создании трехмерной армирующей структуры, образованной дискретными волокнами, равномерно распределенными в объёме материала. Эта сеть должна препятствовать образованию и развитию микротрещин, перераспределять напряжения и повышать сопротивление деформациям, вызванным как статическими, так и динамическими нагрузками. Эффективность армирования определяется комплексом параметров, таких как: состав волокна, его геометрические характеристики (длина, поперечное сечение, конфигурация), концентрация волокон в смеси, их ориентация в пространстве и прочность сцепления между волокном и битумным вяжущим
[3][4]
Учитывая, что асфальтовяжущее вещество составляет свыше 90% объемной доли асфальтобетонной смеси, а образование микротрещин преимущественно локализуется в пленке органического вяжущего и в области его взаимодействия с минеральным наполнителем, представляет научный интерес исследование влияния различных типов волокон на деформационные и прочностные характеристики микроструктуры асфальтобетона
[5][6][7]
На данный момент остаются не сформулированными методологические положения формирования оптимальной микроструктуры дорожных асфальтобетонов, армированных хризотил-асбестовыми волокнами. Не исследованы деформационно-прочностные характеристики микроструктуры асфальтобетонов, армированной волокнами хризотил-асбеста.
Цель работы: изучение влияния определение оптимального концентрационного отношения в системе «битум — армирующее волокно-минеральный порошок», обеспечивающего максимальные значения деформационно-прочностных свойств дисперсно-армированного асфальтовяжущего.
Научная новизна выполненных исследований заключается в исследовании влияния хризотил-асбестовых волокон на деформационно-прочностные свойства микроструктуры асфальтобетона. Главное отличие от ранее выполненных работ по дисперсно-армированным асфальтобетонам является исследование геометрически правильных, уплотнённых образцов асфальтовяжущего вещества. Данный подход позволил перевести органическое вяжущее в асфальтовяжущем веществе в структурированное состояние, что соответствует состоянию нефтяных дорожных битумов в уплотненном асфальтобетоне. При этом, в отличие от асфальтобетона, асфальтовяжущее вещество имеет максимально однородную структуру, представленную только двумя компонентами (битум и минеральный порошок), что даёт возможность максимально точно исследовать влияние дисперсных волокон или полимерных модификаторов на свойства микроструктуры асфальтобетона.
2. Методы и принципы исследования
В качестве объектов исследования приняты:
1. Нефтяной дорожный битум марки БНД 70/100.
2. Минеральный порошок (МП) известняковый. Удельная поверхность
————
3. Хризотил-асбестовые волокна по ГОСТ 12871-93 марки А-6К-30 (длина от 0,1 до 2 мм, диаметром 5…100 мкм) и А-4-40 (длина от 0,5 до 4 мм и диаметром 5…100 мкм, прочность на разрыв
—[8]
Исследования выполняли на стандартных цилиндрических образцах диаметром 50 мм и балочках с размерами 160×40×40 мм. Изготовление образцов, осуществлялось согласно ГОСТ 12801-98: подогрев минерального порошка до температуры 150 °С, введение армирующих волокон, перемешивание сухой смеси, вливание в смесь подогретого битума, перемешивание. Уплотнение производили при давлении 10 МПа в течение 3 минут.
При испытании образцов на сжатие и изгиб скорость поднятия плиты гидравлического пресса составляла 3 мм в минуту.
3. Основные результаты
Армирующие волокна, такие как стекловолокно, базальтовые, полиамидные волокна и др. с длиной более 5–10 мм вызывают комкование волокон в асфальтовяжущем при перемешивании. Главным недостатком длинных волокон является сложность равномерного распределения армирующих волокон при перемешивании смеси
[9]
Фотографии смеси асфальтовяжущего вещества под микроскопом МБС-9 с 14-кратным увеличением: а - армированного стекловолокном (длина волокон более 10 мм) и смеси; б - армированного хризотил-асбестовыми волокнами марки А-6К-30
Элементарными кристаллами хризотила являются тончайшие трубочки-фибриллы диаметром в сотые доли микрон
Сравнительно небольшая длина марочных хризотиловых волокон (в среднем 0,5…1 мм) и, в связи с этим, почти порошковообразная структура А-6К-30 позволяет максимально качественно распределить волокна в смеси асфальтовяжущего. Создаётся наиболее однородная структура смеси асфальтовяжущего (рис. 1 б). Прочность на разрыв волокон хризотил-асбеста составляет более 300 МПа. Благодаря этому волокна хризотил-асбеста способствуют значительному повышению предела прочности асфальтовяжущего или асфальтобетона на растяжение при изгибе
[8][10]
Введение в асфальтовяжущие хризотиласбестовых волокон марки А-6К-30 до 1,5% позволило повысить прочность образцов асфальтовяжущих при сжатии на 10% (рис. 2 а) и на растяжении при изгибе более чем в 1,5 раза (рис. 2 б).
Зависимость предела прочности асфальтовяжущего при сжатии (а) и на растяжение при изгибе (б) при 20 °С (R20) от массовой концентрации хризотиласбестовых волокон марки А-6К-30 (Сmхр)
Зависимость предела прочности асфальтовяжущих при сжатии (а) и на растяжение при изгибе (б) при 20 °С (R20) от массовой концентрации хризотиласбестовых волокон марки А-4-40 (Сmхр)
Использование дисперсной арматуры повышает битумоёмкость смеси, в связи с этим требуется постоянное регулирование концентрации органического вяжущего. Для получения наиболее точного концентрационного соотношения компонентов в дисперсно-армированном асфальтовяжущем веществе целесообразно выполнить оптимизацию состава методом экспериментально-статистического планирования эксперимента.
Составлен композиционный несимметричный план на трех целочисленных уровнях (-1; 0; +1) с коэффициентом корреляции между факторами riMissing Mark : sub, j < 0,1; i, j = 1, 2, 3 и i ≠ j. Факторы варьирования для исследуемых систем: концентрация армирующей добавки (% от массы МП), содержание битума БНД 70/100 (% свыше массы МП).
Регрессионный анализ выполнен в программе PlanExp B-D13 с построением графиков функций отклика. Предел прочности асфальтовяжущих при сжатии при 20 °С и предел прочности на растяжение при изгибе при 20 °С аппроксимированы полиномами второй степени.
Оптимальные концентрации для каждой из исследуемых систем определяли через область допустимых значений факторов Х1Missing Mark : sub, Х2Missing Mark : sub. Эти области ограничены поверхностями уровня функций отклика по каждому из параметров оптимизации (таблица 1). Для определения направления ограничения для каждой функции отклика приняты значения в допустимой области, близкие к граничным. По программе исследований для указанных двух значений каждого из параметров оптимизации (Y1Missing Mark : sub, Y2Missing Mark : sub) были рассчитаны значения факторов Х1Missing Mark : sub, Х2Missing Mark : sub, удовлетворяющих уравнению функций отклика для каждой из двух систем.
Факторы варьирования системы «битум БНД 70/100 — хризотил-асбестовые волокна марки А-6К-30 — известняковый минеральный порошок» приведены в таблице 1.
Значение факторов варьирования, действующих на систему «битум БНД 70/100 – хризотил-асбестовые волокна марки А-6К-30 – известняковый минеральный порошок»
| № п/п | Код фактора | Физический смысл фактора | Единица измерения | Интервал варьирования | – 1 уровень | 0 уровень | 1 уровень |
| 1 | X1Missing Mark : sub | Содержание хризотила марки А-6К-30 | % | 0,2 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |
| 2 | X2Missing Mark : sub | Нефтяной дорожный битум | % | 2 | 14 | 16 | 18 |
В таблице 2 приведены параметры оптимизации системы «битум БНД 70/100
——
Параметры оптимизации и их предельные значения
| № п/п | оптимизации | Физический смысл параметра оптимизации | Размерность | отклика |
| 1 | 1 | Предел прочности при сжатии при 20 °С | МПа | 2,89 МПа |
| 2 | 2 | Предел прочности на растяжение при изгибе при 20 °С | МПа | 0,88 МПа |
Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в таблице 3.
Матрица планирования и результаты эксперимента
| № п/п | 1 | 2 | , % хризотила марки А-6К-30 | , % битума | , МПа | , МПа |
| 1 | 0 | 0 | 1,0 | 16 | 2,73 | 0,88 |
| 2 | + | + | 1,2 | 18 | 2,72 | 0,75 |
| 3 | – | – | 0,8 | 14 | 2,55 | 0,32 |
| 4 | 0 | + | 1,0 | 18 | 2,71 | 0,74 |
| 5 | 0 | – | 1,0 | 14 | 2,67 | 0,52 |
| 6 | + | 0 | 1,2 | 16 | 2,75 | 0,64 |
| 7 | – | 0 | 0,8 | 16 | 2,68 | 0,82 |
| 8 | + | – | 1,2 | 14 | 2,34 | 0,31 |
| 9 | – | + | 0,8 | 18 | 2,59 | 0,52 |
Полученные уравнения регрессии проверены на адекватность и удовлетворяют критерию Фишера. В каждой точке плана было по четыре исследуемых образца асфальтовяжущего.
Уравнения функции отклика:
Y1Missing Mark : sub= 2,883 + 0,019Х1Missing Mark : sub+ 0,154Х2Missing Mark : sub– 0,036Х1Missing Mark : sub2Missing Mark : sup– 0,022Х2Missing Mark : sub2Missing Mark : sup+ 0,092Х1Missing Mark : subХ2Missing Mark : sub, (1)
Дисперсия адекватности данной математической модели — 0,005; табличное значение критерия Фишера: FтаблMissing Mark : sub = 4,35; расчетное значение критерия Фишера: F = 4 .
Y2Missing Mark : sub= 0,961 + 0,015Х1Missing Mark : sub+ 0,152Х2Missing Mark : sub– 0,139Х1Missing Mark : sub2Missing Mark : sup– 0,271Х2Missing Mark : sub2Missing Mark : sup+0,036Х1Missing Mark : subХ2Missing Mark : sub. (2)
Дисперсия адекватности данной математической модели – 0,004; табличное значение критерия Фишера: FтаблMissing Mark : sub = 4,35; расчетное значение критерия Фишера: F = 3.
Графические интерпретации полученных уравнений функций отклика (1) и (2) приведены на рисунках 4 и 5.
Геометрическая интерпретация уравнения (1), характеризующего изменение предела прочности асфальтовяжущего при сжатии при 20°С (R20сж) от действующих факторов
Геометрическая интерпретация уравнения (2), характеризующего изменение предела прочности асфальтовяжущего на растяжение при изгибе при 20°С (R20изг) от действующих факторов
Таким образом, в дисперсно-армированных хризотил-асбестовыми волокнами марки А-6К-30 асфальтовяжущих оптимальная массовая концентрация хризотила составляет 1…1,1%, оптимальная концентрация битума 16,7…17,2%.
4. Заключение
Экспериментально доказано, что введение в асфальтовяжущие хризотил-асбестовых волокон марок А-6К-30 и А-4-40 до 1,5% позволило повысить прочность образцов асфальтовяжущих при сжатии на 8–10% и на растяжении при изгибе более чем в 1,5 раза.
Показано, что использование хризотил-асбестовых волокон повышенной длины (марка А-4-40) не снижает прочность на растяжение при изгибе, однако показатели прочности при сжатии падают на 4%.
Выполнен расчёт оптимизации системы «битум БНД 70/100 — хризотил-асбестовые волокна марки А-6К-30 — известняковый минеральный порошок». Установлено, что оптимальная концентрация хризотил-асбестовых волокон составила 1…1,1%, оптимальная концентрация битума — 16,7…17,2%.
Выполненные исследования показывают «чувствительность» микроструктуры асфальтобетона к длине волокон и их концентрации. Комки и не распределившиеся пучки с диаметром более 30 мкм волокон хризотила марки А-4-40 раздвигают зерна минерального порошка, тем самым ослабляя или разрушая ориентированный слой битума на поверхности минерального порошка и хризотил-асбестовых волокон, что приводит к снижению прочности при сжатии. Данный отрицательный эффект наиболее заметен при армировании асфальтовяжущего волокнами длиной более 10 мм. Возможно, данный эффект не так выражается в традиционной асфальтобетонной смеси, где волокна перенаправляются не только на микро-, но и на мезо- и макроструктуры, что создаёт основу для наших дальнейших исследований.