CC BY
24
УДК 691.31:666.964.3
СТРОЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, аспирант,
mr. stroev@rambler. ru
ЧАН НГОКХЫНГ, аспирант,
tnh82@mail. ru
ГОРЕЛОВ СТАНИСЛАВ ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, dortransnii@mail. ru
Ростовский государственный строительный университет,
344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ РАЗВИТИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОБАВКАМИ МИНЕРАЛЬНОГО ВОЛОКНА
Обоснована эффективность дисперсного армирования смесей для дорожного строительства добавками сверхтонкого базальтового волокна. С помощью приборов статического и динамического нагружения штампом принята попытка моделирования процесса нагружения асфальтобетона в покрытии автомобильной дороги. Изучена кинетика и проведён сравнительный анализ образования и развития сдвиговых и остаточных деформаций в структуре исходных и модифицированных холодных органоминеральных смесей и горячих асфальтобетонов типа Б.
Ключевые слова: базальтовая фибра, дисперсное армирование, органоминеральная смесь, пластическая деформация.
STROEV, DMITRIYALEKSANDROVICH, P.G., mr. stroev@rambler. ru CHAN, NGOK KHYNG, P.G., tnh82@mail. ru
GORELOV, STANISLAV VIKTOROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof.,
dortransnii@mail. ru
Rostov State Construction University,
162 Sotsialisticheskaya, Rostov-on-Don, 344022, Russia
REDUCING THE INTENSITY OF PLASTIC DEFORMATION BY DISPERSE REINFORCEMENT OF ROAD-BUILDING MATERIALS WITH ADDITION OF MINERAL FIBRES
The efficiency of disperse reinforcing of mixtures by superfine basalt fiber additives for road construction has been proved. With the help of instruments of static and dynamic loading by stamp the attempt to model the process of loading in the coating asphalt road has been undertaken. Kinetics has been investigated and the comparative analysis of the formation and development of shear and the residual strain in the structure of the original and modified cold-organic mixtures and hot asphalt type B has been carried out.
Keywords: basalt fiber, dispersion reinforcement, organic compound, plastic deformation.
© Д.А. Строев, Н.Х. Чан, С.В. Горелов, 2011
На современном этапе развития автотранспортной индустрии грузоперевозки осуществляются с применением транспортных средств с усиленной рамной конструкцией и высокой мощностью двигателя, которые позволяют увеличивать массу перевозимого груза. Это, несомненно, сказывается на состоянии дорожного покрытия, особенно в условиях воздействия высоких температур. Образование колеи, волн, наплывов приводит к преждевременному износу дорожного покрытия и снижению безопасности движения.
Одним из наиболее эффективных методов повышения сопротивления конструктивных слоёв автомобильных дорог развитию пластических деформаций является использование дисперсно-армированных дорожно-строительных материалов. В настоящей статье приведены результаты исследований интенсивности образования пластических деформаций в структуре органоминеральных смесей под действием высоких температур на примере горячего асфальтобетона типа Б и холодной эмульсионно-минеральной смеси с применением комплексного вяжущего (битумная эмульсия + портландцемент).
Разработанные смеси содержали гранитный материал, производимый ОАО «Павловскгранит», г. Павловск, в качестве вяжущих использовались: портландцемент марки М500 производства ЗАО «Осколцемент», г. Старый Оскол, битум марки БНД 60/90 Саратовского НПЗ, г. Саратов, и битумная эмульсия класса ЭБК-Ш. Компонентный состав смесей представлен в табл. 1.
Таблица 1
Компонентный состав исследуемых материалов
Наименование материала Асфальтобетон типа Б, % (по ГОСТ 9128-97) Органоминеральная смесь, % (по ГОСТ 30491-97)
Щебень фр. 10-15 24 20
Щебень фр. 5-10 23 20
Отсев дробления фр. 0-5 45 57
Минеральный порошок 8 3
Портландцемент М 500 - 2
Вода - 2
Битумная эмульсия ЭБК-Ш - 8
Битум БНД 60/90 5,3 -
Базальтовое волокно 0,5 0,5
Приготовление материалов осуществлялось в лабораторной асфальтосмесительной установке. Компоненты органоминеральной смеси перемешивались в холодном виде, при производстве горячей асфальтобетонной смеси температура минеральных материалов достигала 180 °С, битума - 150 °С.
В качестве дисперсно-армирующего агента использовалась базальтовая фибра (БСТВ), которая подавалась на минеральный материал при пере-
мешивании. Процентное содержание армирующей добавки установлено в ходе параллельных испытаний исходя из условий оптимизации показателей сдвигоустойчивости. Данный модификатор является отходом производства базальтовых матов, используемых в качестве теплоизоляционного материала в строительстве и промышленности для изоляции поверхностей с температурой до 700 °С. Волокно является продуктом высокотемпературного обжига базальтовой крошки. Физико-химические характеристики использованной в работе минеральной фибры приведены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-химические показатели базальтового волокна (БСТВ)
№ п/п Характеристика Норма по ГОСТ 4640-93 Значение показателя
1 Водостойкость, рН, не более 4 3,3
2 Средний диаметр волокна, мкм от 0,5 до 3 1,2
3 Содержание неволокнистых включений размером св. 0,25 мм, % по массе, не более 5 2,2
4 Плотность, под удельной нагрузкой (98 ± 1,5) Па, кг/м3, не более 35 27
5 Теплопроводность, Вт/(м-°С), не более, при температуре (25,85 ± 5), °С 0,041 0,037
6 Влажность, % по массе, не более 1 0,3
7 Содержание органических веществ, % по массе 2 0,45
Поскольку эффективность армирования определяется физико-химическими связями между матрицей и армирующим компонентом, адгезионное взаимодействие в этой системе играет важную роль [1, 2]. По мнению М.И. Кучма, в битумах присутствуют поверхностно-активные вещества преимущественно анионного типа, обеспечивающие хемосорбционное взаимодействие с поверхностью минеральных материалов основных пород, к которым и относится базальт [3]. Однако содержание в его составе окиси кремния достигает 50 %, что свидетельствует о значительном числе активных зон на поверхности данной породы, обладающих отрицательными зарядами. О.С. Татаринцева, рассматривая структуру базальтовых волокон, утверждает, что находящиеся на их поверхности силанольные и гидроксильные группы примесных металлов также являются активными адсорбционными центрами [4]. В этой связи положительное воздействие окажет модификация битума катионактивными ПАВ, которые обеспечивают протекание реакций ионного обмена при контакте органического вяжущего с положительно и отрицательно заряженными каменными материалами. Поэтому применение в составе органоминеральных смесей катионных битумных эмульсий, обладающих способностью химического взаимодействия с минеральными материалами как основного, так и кислого характера, позволит добиться хемосорбционного взаимодействия битумного вяжущего с кластерами армирующего волокна.
Адсорбируя на своей поверхности свободный битум, базальтовые волокна переводят его в адсорбционно-сольватные оболочки, расположенные на поверхности частиц образованного тонкодисперсного фиброкаркаса. Снижение доли неструктурированного битума, как следствие, повышает вязкость всей системы асфальтовяжущего и способствует снижению развития деформаций при повышенных температурах.
Введение базальтовой фибры приводит к повышению плотности и снижению показателя водонасыщения материала. При низких температурах данный модификатор способствует проявлению эластических свойств асфальтового вяжущего и повышает трещиностойкость материала. С его введением в состав смеси значительно увеличиваются показатели прочности при повышенных температурах, а также показатель сцепления при сдвиге. Физикомеханические показатели исследуемых материалов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Физико-механические показатели исследуемых материалов
Показатели ГОСТ 9128-98 тип Б Тип Б Тип Б + + 0,5 % БСТВ ГОСТ 30491-97 ОМС ОМС ОМС + + 0,5 % БСТВ
1. Плотность, г/см3 - 2,400 2,407 - 2,35 2,38
2. Пористость минерального остова, % по объему, не более 19 15,29 15,29 - - -
3. Остаточная пористость, % по объему - 2,66 2,30 - - -
4. Водонасыщение, % по объему 1,5-4,0 1,75 1,52 2-6 4,71 4,45
5. Предел прочности при сжатии, МПа:
при 20 °С, не менее 2,2 3,34 4,19 1,8 3,05 3,31
при 50 °С, не менее 1,2 1,30 1,55 0,9 1,73 2,35
при 0 °С, не менее 13 9,04 9,15 - - -
6. Водостойкость, не менее 0,8 0,96 0,96 0,8 0,87 0,92
7. Водостойкость при длительном водонасыщении, не менее 0,7 0,90 0,92 0,7 0,82 0,85
8. Сцепление битума с минеральной частью - 3 3 4 4 5
9. Коэффициент внутреннего трения tg ф 0,89 0,89 0,89 - 0,88 0,89
10. Сцепление при сдвиге при 50 °С, МПа 0,25 0,29 0,34 - 0,18 0,33
Окончание табл 3
Показатели ГОСТ 9128-98 тип Б Тип Б Тип Б + + 0,5 % БСТВ ГОСТ 30491-97 ОМС ОМС ОМС + + 0,5 % БСТВ
11. Трещиностойкость при 0 °С, МПа 3,5-7,0 4,03 4,70 - 2,75 3,25
12. Набухание, % по объёму, не более - - - 1,5 1,1 1,07
Для исследования характера развития пластических деформаций в рассмотренных материалах предложена методика, определяющая зависимость напряжения и деформации в материале под действием возрастающей нагрузки. В ходе эксперимента при стандартном давлении 40 МПа изготавливались образцы-цилиндры диаметром 10 см и высотой 5 см. В соответствии с требованиями ГОСТ 30491-97 образцы, приготовленные с применением органоминеральной смеси на комплексном вяжущем, выдерживались в эксикаторе в условиях повышенной влажности в течение 14 суток для улучшения процессов гидратации портландцемента. Перед испытанием все образцы термоста-тировались в течение 1 часа в воде при температуре 60 °С, после чего устанавливались в металлическую обойму, моделирующую условия бокового обжатия, и подвергались нагружению штампом диаметром 3,3 см при скорости 3 мм/мин.
По результатам исследований выявлено, что органоминеральная смесь, модифицированная базальтовым волокном, гораздо меньше подвержена развитию деформации при различных значениях напряжения по сравнению с контрольным образцом.
При фиксированном напряжении с = 0,6 МПа относительная деформация (в) чистой смеси на 48 % выше значений дисперсно-армированного материала, с увеличением напряжения до 5,4 МПа эта разница снижается до 30 % (рис. 1).
Значения относительной деформации чистого асфальтобетона также значительно превышают показатели модифицированной смеси. В интервале напряжений 0,6-5,4 МПа эта разница изменяется на 25-40 % (рис. 2).
Одной из характеристик деформативности материала, определяемой как отношение величины напряжения к деформации, является модуль деформации - (E = с). Очевидно, что при фиксированных значениях напряжения в
уменьшение величины относительной деформации приведёт к увеличению показателей данной характеристики. Поэтому более низкие показатели относительной деформации модифицированных смесей свидетельствуют о положительном влиянии армирующего волокна на деформативные свойства структуры органоминеральных смесей и асфальтобетонов. Значения модуля деформации модифицированной органоминеральной смеси на 49 % превышают показатели чистой пробы, в случае горячего асфальтобетона эта разница составляет 42 %. Образуя переплетённый каркас в структуре битума, базальтовые волокна повышают вязкость всей системы асфальтового вяжущего, что
позволяет материалу воспринимать напряжения с меньшей деформацией и снизить интенсификацию накопления необратимых микродеформаций. Это особенно актуально в случае воздействия высоких температур.
Рис. 1. Диаграмма напряжение-деформация образцов ОМС
Рис. 2. Диаграмма напряжение-деформация образцов асфальтобетона типа Б
Образование колеи на поверхности дорожного покрытия связано с накоплением незначительных микродеформаций от сдвигового напряжения, образующегося при кратковременном воздействии транспортной нагрузки.
В настоящее время реакционная способность асфальтобетона сопротивляться сдвиговым воздействиям оценивается по показателям угла внутреннего трения и сцепления при сдвиге [5]. Эта методика основана на определении данных показателей под воздействием разрушающей нагрузки. Однако такой режим испытания асфальтобетона не соответствует характеру его работы в покрытии, при котором он подвергается многократному воздействию нагрузки значительно меньшей, чем разрушающая. Поэтому, основываясь на результатах, полученных данным способом, невозможно прогнозировать поведение исследуемых материалов во времени.
Вместе с тем существуют различные методы исследования накопления остаточных деформаций в асфальтобетоне, основанные на применении колёсной нагрузки, хорошо зарекомендовавшие себя за рубежом.
Однако к недостатку названных методик можно отнести сложность конструкции данных приборов и относительно небольшое число приложений расчётной нагрузки.
С целью моделирования условий нагружения асфальтобетона в покрытии автомобильной дороги проводились испытания рассмотренных типов дорожно-строительных материалов на приборе динамического нагружения штампом. Для этого были приготовлены цилиндрические образцы диаметром 21,5 см и высотой 5 см. После термостатирования в течение суток в воздушной среде при температуре 50 °С они подвергались многократному воздействию циклической нагрузки величиной 0,6 МПа, передаваемой через штамп диаметром 7 см с частотой 10 Гц. В ходе эксперимента с помощью специализированных программ на ЭВМ фиксировалось количество приложений нагрузки, а датчики линейных перемещений контролировали изменение глубины погружения штампа.
Анализ проведённых исследований показал, что модификация рассмотренных типов дорожно-строительных материалов добавками минерального волокна способствует в 1,2-1,5 раза снижению интенсивности накопления остаточных деформаций в структуре материала (рис. 3).
Рис. 3. Развитие пластической деформации исследуемых материалов
Установлено, что величина остаточных деформаций под воздействием динамической нагрузки у традиционного асфальтобетона в 5 раз больше, чем у комплексно укреплённых органоминеральных смесей. Коагуляционно-кристаллизационная структура композиционного вяжущего (битумная эмульсия + портландцемент) придаёт хорошие деформативные качества смесям на его основе.
Выводы
Применение базальтовых волокон в составе различных дорожностроительных материалов позволит значительно улучшить сопротивление слоёв покрытий автомобильных дорог образованию и развитию пластических деформаций.
Однако колееобразование является следствием воздействия целого ряда факторов, и для эффективной борьбы с ним нужен комплексный подход, использующий совокупность мер. К ним можно отнести не только совершенствование методов проектирования дорожно-строительных материалов и конструкций, но и разработку способов регулирования движения транспортного потока в зависимости от температуры окружающей среды и осевых нагрузок.
Библиографический список
1. Новицкий, А.Г. Базальтовое волокно как продукт для армирования бетонов и композиционных материалов / А.Г. Новицкий, М.В. Ефремов // Тезисы докладов Международной конференции по химической технологии ХТ’07, Москва, 2007. - Т. 1. - С. 218-220.
2. Новицкий, А.Г. Волокно из горных пород для армирования бетонов / А.Г. Новицкий, М.В. Ефремов // VII Всероссийская научно-практическая конференция. - М. : ЦЭИ «Химмаш», Белокуриха, 2007. - С. 116-120.
3. Кучма, М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве / М.И. Кучма. - М. : Транспорт, 1980. - 191 с.
4. Татаринцева, О.С. Изоляционные материалы из базальтовых волокон, полученных индукционным способом : дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 2006. - С. 272.
5. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний.
