АЛЬВАРО ГАРСИЯ (ALVARO GARCIA), Швейцарская Федеральная лаборатория по испытанию и исследованию
advertisement
Вестник ТГАСУ № 3, 2013 367 АЛЬВАРО ГАРСИЯ (ALVARO GARCIA), alvaro.garcia@empa.ch alvarogarcia007@hotmail.com Швейцарская Федеральная лаборатория по испытанию и исследованию материалов Empa, CH-8600, Дюбендорф, Швейцария, Делфтский технический университет, факультет гражданского строительства и наук о Земле, лаборатория микромеханики (MICROLAB), Штайнвег 1, 2628 CN, Делфт, Нидерланды ЭРИК ШЛАНГЕН (ERIK SCHLANGEN), Делфтский технический университет, факультет гражданского строительства и наук о Земле, дорожная и железнодорожная техника, Штайнвег 1, 2628 CN, Делфт, Нидерланды МАРТИН ВАН ДЕ ВЕН (MARTIN VAN DE VEN), ГЕРБЕРТ ВАН БОХОВ (GERBERT VAN BOCHOVE), Breijn B.V., Graafsebaan 3, почтовый автобус 2, 5248 BB Росмален, Нидерланды ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ДРЕНИРУЮЩЕГО АСФАЛЬТОБЕТОНА СО СВОЙСТВОМ САМОЗАКРЫТИЯ ТРЕЩИН В статье предложена оптимизация состава и способа перемешивания материалов для впервые разработанного самоуплотняющегося дорожного покрытия. С этой целью волокна стальной фибры смешивались с дренирующим асфальтобетоном. В асфальтобетонную смесь вводились проводящие частицы для ее нагрева индуктивной энергией, что увеличивало скорость уплотнения покрытия и закрывало в нем все возможные трещины. Для определения объема волокон в смеси в лаборатории были сформованы образцы дренирующего асфальтобетона. К смеси предъявлялись такие требования, как: отсутствие скоплений волокон; используемая стальная фибра должна быть длительное время устойчива к коррозии и потере механического сопротивления под влиянием простой и соленой воды; смесь должна нагреваться, а материалы смешиваться менее чем за 3,5 мин. На основе этого было сделано заключение, что для дорожного покрытия оптимальный расход волокон, перемешиваемых в течение 1,5 мин, не должен превышать 4 %. Было опробовано два разных способа приготовления смеси на асфальтосмесительной установке, и для подтверждения результатов на автостраде был выделен экспериментальный участок, откуда были взяты образцы асфальта. Тесты включали испытания на растяжение при изгибе, исследования с применением компьютерной томографии (КТ-исследования) или инфракрасного измерения индукционного нагрева. Статья переведена и опубликована в «Вестнике ТГАСУ» согласно Лицензионному соглашению с издательством Elsevier 3213510530591. 2011 Elsevier Ltd. Авторские права защищены. Альваро Гарсия (Alvaro Garcia), Эрик Шланген (Erik Schlangen), Мартин Ван Де Вен (Martin Van De Ven), Герберт Ван Бохов (Gerbert Van Bochove), 2013 Перевод на русский язык, оформление. ТГАСУ, 2013 Издание, распространение на территории РФ. ТГАСУ, 2013 368 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. Введение В декабре 2010 г. на автостраде А58 в Нидерландах был создан экспериментальный участок из асфальтобетонного покрытия, обладающего свойством самозакрытия трещин. Цель эксперимента – создание системы по уменьшению образования неровностей. Для этого, согласно исследованиям [1–6], в смесь дренирующего асфальтобетона была добавлена стальная фибра с проведением ее ежегодного нагрева посредством индукционной энергии после зимнего периода или серьезных дорожных повреждений. Хорошо известно, что уплотняемость асфальтобетона напрямую связана с температурой [7, 8] и режимом приложения нагрузки [9–17]. В асфальтобетоне трещины могут развиться в результате влияния различных факторов, таких как многократные нагрузки от движения транспорта или циклы замораживания и оттаивания, а также старение асфальтового вяжущего. Однако, как только в покрытии появилась трещина, она начинает залечиваться и, при достотачном для завершения процесса времени, может полностью закрыться, даже если обе поверхности трещины не контактируют друг с другом. Известно, что уплотнение зависит от поверхностной энергии материала, свойств битума в адсорбционном слое (наличие вяжущего, обеспечивающего полное соединение обеих поверхностей трещины) и от взаимной диффузии и рандомизации молекул с одной поверхности на другую [18]. В работе [3] описано полное восстановление асфальтобетона, расколотого на две половины, с помощью уплотнения материала, даже когда трещина была видна невооруженным глазом. Это происходит благодаря тому, что при температуре, превышающей заданную, битум начинает работать как ньютоновская жидкость. В процессе уплотнения нижний слой асфальтобетона движется, заполняя трещину своего рода капиллярным потоком. Однако данных о долговечности восстановленных трещин не получено. Для индукционного нагрева асфальтобетона необходимо добиться его проводимости, по меньшей мере, локально. Проводящий асфальтобетон является смесью битума, заполнителей и электропроводных компонентов для получения высокой электропроводности. В предыдущих исследованиях [1, 4, 19, 20] было продемонстрировано, что электропроводность пропорциональна объему проводящих волокон в смеси и что избыток проводящих частиц может вызвать ухудшение таких свойств дорожного покрытия, как прочность или работоспособность свежеуложенных материалов [1, 19]. Более того, в работах [2, 6] говорится, что даже если смесь не является электропроводной, температуру можно увеличить с помощью нагрева, если добавить в нее объем волокон. В работе [5] представлены основные параметры, влияющие на повышение температуры с течением времени. К ним относятся полная поверхность нагрева, окружающая температура, суммарный объем волокон в смеси, магнитная проницаемость материала, частота переменного тока, сила тока, удельное сопротивление волокон и конфигурация катушки индуктивности. Самые высокие температуры достигаются в волокнах, направленных на главное магнитное поле. Кроме того, сказано, что дренирующий асфальтобетон, содержащий волокна меньшего диаметра или более длинные, является более Оптимизация состава и процесса смешивания 369 электропроводным и достигает более высоких температур, чем дренирующий асфальтобетон с тем же объемом волокон, но большего диаметра и более коротких по длине. Цель данной статьи – определить оптимальный состав смеси для строительства экспериментального участка покрытия. Для этого были изготовлены образцы асфальтобетонной смеси, сформованной в трех местах: в лаборатории, на асфальтосмесительной установке и на экспериментальном участке. Требования к смеси были следующие: она не должна содержать скоплений волокон, стальная фибра должна противостоять коррозии в течение всего срока службы дорожного покрытия без потери механического сопротивления и под влиянием соленой воды, и смесь должна нагреваться. В данном эксперименте сначала был определен объем волокон в лаборатории, затем оптимизирован способ перемешивания на асфальтовой установке и, наконец, образцы асфальта, полученные с экспериментального участка, были использованы для обоснования всего процесса. Характер повреждения покрытия и самозакрытия трещин, а также режим приложения нагрузки были определены на этом же участке. 1. Экспериментальный метод 1.1. Материалы В данной работе исследовался дренирующий асфальтобетон марки РА 0/16, наиболее часто применяемый в Нидерландах. Состав смеси запроектирован на основе нидерландского стандарта, RAW 2005 (табл. 1). Для обеспечения электропроводности в смесь добавлялись электропроводные волокна. Как описано в исследованиях [2–4], волокна представляют собой стальную фибру типа 00 диаметром от 0,00889 до 0,0127 мм и приблизительной плотностью 7,6 г/см3, нарубленной производителем GMT, Inc. Чтобы установить размер до перемешивания, было исследовано более 100 волокон с помощью оптического микроскопа и были проведены измерения их длины с применением программы обработки изображений с получением распределения, показанного на рис. 1. 1.2. Подготовка контрольных образцов Один вид смеси дренирующего асфальтобетона был приготовлен тремя различными способами: в лаборатории, на асфальтосмесительной установке непрерывного действия и на экспериментальном участке. В первом случае асфальтобетонная смесь готовилась в лабораторном 20-литровом смесителе при скорости перемешивания 480 об/мин. Битум и волокна предварительно перемешивались, а затем добавлялись заполнители, начиная с самых больших. Было задано два времени продолжительности перемешивания – 1,5 мин (смесь «1,5 мин») и 3,5 мин (смесь «3,5 мин»). Во втором случае использовалась асфальтосмесительная установка непрерывного действия. Волокна перемешивались в течение 3,5 мин двумя разными способами: 1) волокна предварительно перемешивались с битумом, а затем добавлялись заполнители («волокна, добавленные в первую очередь») и 2) перемешивались битум 370 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. и заполнители, а затем добавлялись волокна («волокна, добавленные во вторую очередь»). Для уплотнения материала было нанесено 20 ударов по методу Маршала. В третьем случае сначала перемешивались волокна, а затем добавлялись заполнители (смесь «экспериментальный участок»). Главное отличие от предыдущих способов в том, что асфальтобетонная смесь уплотнялась катком на дороге. Вероятность 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Длина, мм Рис. 1. Длина волокон до смешивания Во всех трех случаях образцы имели диаметр 100 мм, а высота изменялась от 60,62 до 66,45 мм. Процент волокон, используемый в первом случае, составил 2, 4 и 6 %, а во втором и третьем – 4 %. Таблица 1 Состав смеси марки РА 0/16 для уплотненных в гираторе образцов, соответствующих нидерландскому стандарту (RAW 2005) Состав смеси Базальтовый заполнитель Дробленый базальтовый песок Wigro 60 K Битум из кувейтской нефти с пенетрацией 70/100 Размер сита, мм 22,4–16,0 16,0–11,2 11,2–8,0 8,0–5,6 5,6–2,0 2,0–0,063 < 0,063 Плотность, г/см2 2778 2774 2762 2765 2781 2688 2638 1032 Остаток на сите, % 0–7 15–30 50–65 70–85 85 95,5 100 4,5 % по массе Суммарный остаток на сите, % 4 25 57 80 85 95,5 100 Для оценки влияния воды на окисление волокон треть контрольных образцов, приготовленных первым способом, была погружена на 5 сут в водяную баню с температурой 40 °С. Другая треть образцов была погружена на 371 Оптимизация состава и процесса смешивания 5 сут в водяную баню в раствор соли с концентрацией 20 % по массе при температуре 40 °С. Ключевые значения для каждого изучаемого образца в зависимости от объема волокон, времени перемешивания и обработки водой показаны в табл. 2. 1.3. Испытания на растяжение при изгибе Испытания на растяжение при изгибе (при 15 °С) проводились на образцах Маршала для получения представления о прочности и гидрофильности дренирующего асфальтобетона, содержащего металлические волокна. Использовалась универсальная испытательная машина (UTM-25). Испытания на растяжение образцов проводились путем приложения нагрузки со скоростью 50 мм/мин. Каждый состав асфальтобетона изучался на трех образцах. 1.4. Длина волокон После перемешивания и уплотнения волокна извлекались из асфальтобетонной смеси путем смыва битума с контрольных образцов и удаления волокон с помощью магнита. Для установления размера волокон было изучено более 100 волокон для каждой смеси с помощью оптического микроскопа. Длина волокна измерялась с помощью программы обработки изображений одинакового распределения волокон до перемешивания (рис. 1). Таблица 2 Ключевые значения и обработка лабораторных образцов Маршала Обработка 2% стальная фибра; 1,5минутное перемешивание 1 2 3 2% стальная фибра; 3,5минутное перемешивание 10 11 12 4% стальная фибра; 1,5минутное перемешивание 19 20 21 4% стальная фибра; 3,5минутное перемешивание 28 29 30 6% стальная фибра; 3,5минутное перемешивание 37 38 39 Вода без соли 4 5 6 13 14 15 22 23 24 31 32 33 40 41 42 Чистые образцы 7 8 9 16 17 18 25 26 27 34 35 36 43 44 45 Вода с солью 1.5. Изображения, полученные в результате КТ-исследования Каждая смесь исследовалась на наличие скоплений волокон с применением компьютерной томографии (КТ-исследования). Для испытаний на растяжение было извлечено два кубика размером 543 см для каждой смеси из одних и тех же образцов Маршала, а также изучалась их внутренняя структура. Одним из требований было получение смеси без скоплений волокон. 372 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. 1.6. Подъем температуры Подъем средней температуры с течением времени на верхней поверхности образцов измерялся с помощью полноцветной инфракрасной камеры с разрешением до 320240 пикселей. Эксперимент проводился с использованием системы индукционного нагрева емкостью 50 кВ и с частотой 70 Гц. Катушка, используемая в исследовании, показана на рис. 2. Контрольные образцы были такими же, как образцы Маршала, которые использовались для испытаний на растяжение при изгибе. 119,0 °С 16,9 °С а б Рис. 2. Применение катушки индукционного нагрева (а); инфракрасное изображение одного из образцов Маршала во время процесса нагревания (б) 2. Результаты и анализ 2.1. Испытания прочности на растяжение На рис. 3 показана максимальная прочность на растяжение, полученное в результате испытаний по Маршалу для всех образцов, сформованных в лаборатории. 1,4 Напряжение, кПа 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Количество испытаний Рис. 3. Предел прочности на растяжение лабораторных образцов Из рисунка видно, что все результаты очень похожи, независимо от водной обработки или объема волокон в смеси. 373 Оптимизация состава и процесса смешивания На рис. 4 приведены результаты испытаний контрольных образцов после 3,5-минутного перемешивания, с применением водной обработки и без нее, а также в зависимости от процентного содержания волокон в образце. Из рисунка видно, что введение волокон не увеличивает механическое сопротивление асфальтобетона. К тому же никакая из водных обработок не повлияла на характеристики образцов. Образцы, сформованные при смешивании в течение 1,5 мин, не были представлены, т. к. группа образцов, содержащая 6 % фибры, была отброшена из-за большого объема скоплений, присутствовавших в смеси и видимых невооруженным глазом. 1,2 3,5-минутное смешивание 1,1 Напряжение, кПа 1 0,9 0,8 вода с солью вода без соли без водной обраб. АР, предв. смеш. волокно АР, волокно смеш. после эксперим. участок 0,7 0,6 0,5 0 2 4 Доля волокна, % 6 8 Рис. 4. Результаты испытания на растяжение при изгибе для смеси, перемешивающейся в течение 3,5 мин Наблюдаемая вероятность На рис. 5 показана зависимость вероятностей для всех результатов, изображенных на рис. 3. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 y = 0,9643x + 0,0096 R2 = 0,0032 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Ожидаемая вероятность Рис. 5. График зависимости вероятностей для всех полученных результатов 374 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. Эти данные соответствуют функции нормального суммарного распределения, и график показывает, что все данные могут рассматриваться как имеющие определенный разброс. На рис. 4 отражены результаты испытаний на растяжение при изгибе образцов, приготовленных из смеси, отобранной в асфальтосмесительной установке, и образцов, взятых с дорожного покрытия. Каждая точка была получена из среднего значения трех результатов. Очевидно, что результаты испытаний образцов, полученных на асфальтосмесительной установке, очень схожи с результатами образцов, сформованных в лаборатории, хотя их устойчивость незначительно выше остальных. Причиной является невозможность контролировать все стадии приготовления, несмотря на попытки получить одинаковые условия эксперимента. Кроме того, образцы, полученные с экспериментального участка, показали более низкое механическое сопротивление. Причиной может служить низкая окружающая температура во время уплотнения (экспериментальный участок создавался в декабре, когда температура была близка к 10 °С). 2.2. Длина волокон На рис. 6 показана средняя длина волокон для всех рассмотренных случаев. На графике видно, что благодаря процессу перемешивания начальная длина волокон (5,8 мм) уменьшается более чем на 70 %, максимальное уменьшение длины происходит в первые моменты, и это уменьшение продолжается в течение всего периода перемешивания. Средняя длина, мм 7 6 5 4 3 2 1 0 До смеш. 1,5 мин 3,5 мин АР предв. АР вол. смеш. вол. смеш. после Экспер. участок Рис. 6. Средняя длина волокна после перемешивания и уплотнения Например, волокна, перемешиваемые в течение 3,5 мин (0,9 мм), на 40 % короче, чем волокна, перемешиваемые в течение 1,5 мин (1,6 мм). Отмечалось, что в целом волокна, перемешиваемые на асфальтосмесительной установке, были почти на 20 % длиннее, чем полученные в лабораторных условиях в течение того же времени перемешивания (1,1 мм). Кроме того, волокна, которые добавлялись после всех заполнителей, были на 25 % длиннее, чем те, которые добавлялись в смеситель в первую очередь (1,4 мм). И это Оптимизация состава и процесса смешивания 375 логично, потому что эти волокна подвергались меньшим нагрузкам, чем те, которые добавлялись в смеситель в первую очередь. Не было обнаружено большой разницы между длинами волокон, взятых с экспериментального участка (1 мм), и теми, которые перемешивались на асфальтосмесительной установке (0,9 мм) в течение одного и того же времени и с тем же объемом. Волокна большого диаметра труднее ломаются в процессе перемешивания, и необходима более мощная механическая сила для ликвидации скоплений при перемешивании. При индукционном нагреве это может привести к худшему распределению полезных волокон в смеси с горячими участками и к более низкому их содержанию в смеси. Для практических целей данного исследования было решено работать с волокнами фиксированного диаметра; изучение влияния диаметра волокон на характеристики смеси будет проводиться позднее. 2.3. Наличие скоплений На рис. 7 изображены две фотографии КТ-исследования смеси, перемешанной в лаборатории с 4%-м содержанием волокна; видны скопления в дорожном покрытии. На рис. 7, а показана смесь, перемешиваемая в течение 3,5 мин; на рис. 7, б – в течение 1,5 мин. 1 см а (а) 1 см (б) б Рис. 7. Образец без скоплений волокна (4 % волокна и 3,5 мин смешивание) (а); образец со скоплениями волокна (4 % волокна и 3,5 мин смешивание) (б) 376 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. На основе анализа фотографий была составлена табл. 3, в которой представлены смеси со скоплениями. Таблица 3 Скопление волокна в дренирующем асфальтобетоне Исследуемая смесь 2% стальная фибра, 1,5-минутное перемешивание 2% стальная фибра, 3,5-минутное перемешивание 4% стальная фибра, 1,5-минутное перемешивание 4% стальная фибра, 3,5-минутное перемешивание 6% стальная фибра, 1,5-минутное перемешивание 6% стальная фибра, 3,5-минутное перемешивание 0% стальная фибра, 1,5-минутное перемешивание Волокна, добавленные в первую очередь Волокна, добавленные во вторую очередь Наличие скоплений Нет Нет Да Нет Да Да – Нет Да Из данных этой таблицы следует, что для получения однородной смеси, не содержащей скоплений, расход волокон не должен превышать 4 % и смесь должна перемешивается в течение 3,5 мин. Поэтому в качестве оптимального объема для приготовления смеси в асфальтосмесительной установке был принят расход волокон 4 % по массе. Причем для исключения образования скоплений волокон необходимо вводить их в смесительную установку в первую очередь. Такая технологическая последовательность была установлена для приготовления асфальтобетонной смеси и строительства экспериментального участка. На рис. 8, а изображена часть скопления волокон в асфальтобетоне, взятом из покрытия. Видно, что это очень плотное скопление волокон и вяжущего с очень низким количеством пустот внутри, части которого к тому же не связаны между собой. На рис. 8, б показано воссоздание КТ-исследования скопления волокон; видна их плотность. 100 m а б Рис. 8. Часть волоконного скопления в дорожном покрытии (а), воссоздание КТ-исследования волоконного скопления в дорожном покрытии (б) Оптимизация состава и процесса смешивания 377 Необходимо большое количество энергии, чтобы распутать такую структуру. К тому же ее удельная поверхность очень высока, и в ней будет сосредоточено большое количество битума, что «высушит» смесь и даже изменит свойства асфальтобетона. Решением этой проблемы могут стать волокна, предварительно перемешанные с битумом до добавления заполнителей. Это окажет влияние на всю систему, смачивая волокна и разбивая скопления. В случае введения волокон после заполнителей они трудно разделялись, и появлялись скопления. Несмотря на то, что может показаться, будто эти скопления могут способствовать уменьшению качества смеси, как это видно из рис. 3, их наличие практически не меняет растяжение на изгиб. Но остается непонятным, могут ли они воздействовать на смесь в течение длительного времени. Отмечено, что образцы, в которых имелись скопления волокон и которые подвергались водной обработке, выглядели изнутри ржавыми при разбиении их на две части (рис. 9). 10 см 6 см Рис. 9. Окисленные скопления в одном из исследуемых образцов асфальтобетона (6 % волокон, 3,5-минутное перемешивание). Справа скопления помечены черным цветом На рис. 9 изображен образец дренирующего асфальтобетона, обработанный соленой водой и расколотый в процессе испытания на растяжение при изгибе. Материалы, которые использовались для создания этого образца, содержали 6 % волокон и перемешивались в течение 3,5 мин. Это означает, что в образце присутствовало много скоплений и что большая часть волокон была подвержена действию окружающей среды. В образце отмечается изменение цвета материала из-за окисления большой части волокон. Однако это не имеет большого значения, поскольку волокна, подвергнутые внешнему атмосферному воздействию, не дали увеличения прочности, хотя и могли повлиять на экологическую обстановку при вымывании и попадании в почву оксида железа. Из рис. 9 видно, что наличие окисленных волокон не уменьшает механического сопротивления материала. Но до сих пор не ясно, окажут ли они отрицательное влияние на образцы в дальнейшем, увеличивая образование неровностей или уменьшая возможности индукционного нагрева. 2.4. Подъем температуры На рис. 10 показан рост температуры после 3-минутного нагревания для всех исследуемых образцов. Можно отметить, что имеется линейный рост 378 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. Температура, °С температуры с увеличением объема волокон и что в целом температура тем выше, чем короче время перемешивания. Это происходит благодаря скоплениям волокон, которые создают неоднородные области нагрева с высокой температурой, и тому, что волокна в этом случае длиннее. Также видно, что обработка простой и соленой водой не повлияла на максимальную температуру нагрева. На рис. 10 приведены температурные данные образцов, полученных из смеси, отобранной из асфальтосмесительной установки. Можно заметить, что максимальная температура этих образцов ниже, чем температура образцов с тем же объемом волокон и тем же временем перемешивания, но полученных в лабораторном смесителе. Основной причиной этого является уменьшение длины волокон, которое происходит во время перемешивания на асфальтосмесительной установке. 140 3,5-мин. смешивание 120 1,5-мин. смешивание АР предв. смеш. волокно R2 = 0,9089 АР вол. смешанное после Экспериментал. участок 100 80 R2 = 0,9828 60 40 20 0 0 1 2 3 4 Объем волокна, % 5 6 Рис. 10. Средняя температура поверхности после 3-минутного нагревания Из графика видно, что максимальная температура ниже в случае первоочередного добавления волокон в смеситель. Причиной этого являются более короткие волокна (рис. 6). В табл. 3 приведено наличие скоплений волокон в случае их добавления в смесь в последнюю очередь. Это является причиной неоднородности горячих областей в смеси, которые могут увеличивать значения ее средней температуры. Можно также заметить, что смесь, используемая для экспериментального участка, достигает температуры, близкой к температуре смеси, в которую волокна добавлялись в последнюю очередь. Возможно, это происходит благодаря различным способам уплотнения, которые применялись при строительстве экспериментального участка. В этом случае скопления волокон будут означать появление участков с высокой концентрацией волокон, и, поскольку они полностью окружены вяжущим, тепло не сможет легко распространяться, в результате чего образуется участок с высокой температурой. В свою очередь, длинное волокно тоже будет плохо распределяться в смеси, что может означать стабильность проводящего канала между обеими сторонами контрольного образца и более высокую температуру. Оптимизация состава и процесса смешивания 379 Но поскольку изменение диаметра волокон будет означать уменьшение его суммарного количества в смеси, то в случае, когда суммарный объем стальной фибры остается постоянным, не понятно, будет ли эффективным рост температуры. Эти исследования будут проводиться в дальшейшем. 3. Экспериментальный участок Как отмечалось выше, все испытания, необходимые для подтверждения концепции индукционного нагрева, были направлены на разработку материалов для строительства экспериментального участка с асфальтобетонным покрытием. Дорога была построена на нидерландской автостраде А58, близ Флиссингена. Было сооружено два разных участка длиной 200 м. Согласно табл. 1, первый был из дренирующего асфальтобетона марки 0/16, а второй из того же состава, но с расходом волокон 4 % по массе. Одним из самых трудных моментов при использовании предложенной технологии в крупных масштабах было перемешивание материалов, т. к. даже при первоочередном введении волокон в смеситель некоторые его части прилипали к стенкам и не покрывались полностью битумом, образуя комки. На рис. 11, а показан один из таких комков после его 7-дневного погружения в воду при температуре 50 °С. Очень важно избегать подобных образований, поскольку они быстро ржавеют и могут легко вымываться и исчезать, создавая тем самым пустоты в дорожном покрытии. Во избежание образования таких скоплений на стенках смесителя или попадания их в смесь следует изменить систему перемешивания. В противном случае смесь необходимо тщательно проверять и вручную удалять большие комки. а (а) б Рис. 11. Скопление волокна, прилипшего к стенкам бетономешалки после 7-дневного погружения в воду при температуре 50 °С (а); изображение поверхности этого дренирующего асфальта (б) На рис. 11, б показана поверхность экспериментального участка. Видно, что в результате получено довольно однородное покрытие, нет видимых скоплений, и вся стальная фибра полностью покрыта битумом. В течение последующих лет этот участок дороги будет периодически подвергаться индукционному нагреву, а полученные результаты сравниваться на предмет разру- 380 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. шения с результатами эксплуатации асфальтобетонного покрытия, не содержащего волокна. Заключение В статье представлена оптимизация состава и процесса перемешивания дренирующего асфальтобетонного покрытия марки 0/16, содержащего стальную фибру. Цель исследований – создание локально проводимого асфальтобетона, готового к нагреву индукционной энергией. Это повысит скорость самозакрытия трещин в асфальтобетоне, обеспечив быстрое восстановление дорожного полотна. Для того чтобы найти оптимальные пропорции волокон в смеси, в лаборатории были сформованы образцы асфальтобетона с различным объемом волокон, смешиваемых в течение определенного времени. Для установления оптимального способа перемешивания волокон было изготовлено две смеси на асфальтосмесительной установке. Результаты проведенной работы были использованы для построения экспериментального участка покрытия со свойством самозакрытия трещин, которое будет изучаться в последующие годы. Установлено, что объем волокон и время перемешивания не сильно повлияли на увеличение механического сопротивления асфальтобетона, испытанного по Маршалу, и оно оставалось постоянным при изменении этих параметров. Контрольные образцы погружались на 5 сут в простую и соленую воду при температуре 40 °С. Это также не имело влияния на механическое сопротивление образцов. Растяжение на изгиб образцов, сформованных на асфальтосмесительной установке или взятых с экспериментального участка, было очень схоже с растяжением лабораторных образцов. Главным фактором, повлиявшим на эту величину, явился способ уплотнения смеси. Длина волокон уменьшается со временем перемешивания, особенно в первые моменты. Установлено, что в течение первых 1,5 мин перемешивания в лабораторном смесителе длина волокон уменьшается более чем на 70 %. Увеличение времени перемешивания будет способствовать образованию более коротких волокон и меньшему количеству скоплений. Разными способами перемешивания асфальтобетонных материалов можно получить разную длину волокон. Структура скоплений приводит к битумным ловушкам, которые высушивают смесь. Кроме того, увеличивая время перемешивания и перемешивая волокно с битумом в первую очередь, можно уменьшить количество скоплений. Благодаря индукционному нагреву температура смеси возрастает с увеличением объема волокон. Время перемешивания оказывает влияние на конечную температуру: чем короче время перемешивания, тем выше температура. Причиной может служить то, что конечная длина волокон в этом случае больше, и возможное присутствие горячих участков, которые повышают среднюю температуру благодаря наличию скоплений волокон. Оптимизация состава и процесса смешивания 381 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. A. Garcia, E. Schlangen, M. van de Ven. Electrical conductivity of asphalt mortar containing conductive fibers and fillers [Электропроводность асфальтового раствора, содержащего проводящие волокно и заполнители]. Constr Build Mater 2009; 23: 3175–81. 2. A. Garcia, E. Schlangen, M. van de Ven, M. van Vliet. Induction heating of mastic containing conductive fibers and fillers [Индукционный нагрев вяжущего, содержащего проводящие волокно и заполнители]. Mater Struct 2011; 44(2): 499–508. 3. А. Garcia. Self-healing of open cracks in asphalt mastic [Самоуплотнение открытых трещин в вяжущем]. Fuel. doi: 10.1016/j.fuel. 2011.09.009. 4. Q. Liu, E. Schlangen, A. Garcia, M. van de Ven. Electrical conductivity of asphalt mortar containing conductive fibers and fillers [Электропроводность асфальтового раствора, содержащего проводящие волокно и заполнители]. Constr Build Mater 2010; 24:1207–13. 5. А. Garcia, E. Schlangen, M. van de Ven, Q. Liu. A simple model to define induction heating in asphalt mastic [Простая модель для определения индукционного нагрева вяжущего]. Constr Build Mater, submitted for publication. 6. Q. Liu, E. Schlangen, M. van de Ven, A. Garcia. Healing of porous asphalt concrete via induction heating [Уплотнение пористого асфальтобетона с помощью индукционного нагрева]. Road Mater Pavement 2010; 11:527–42. 7. F.P. Bonnaure, A.H. Huibers, A. Boonders. A laboratory investigation of the influence of rest periods on the fatigue characteristics of bituminous mixes [Лабораторные исследования влияния времени покоя на усталостные характеристики битумных смесей]. J Assoc Asphalt Pav 1982; 51:104–28. 8. J.S. Daniel, Y.R. Kim. Laboratory evaluation of fatigue damage and healing of asphalt mixtures [Лабораторная оценка повреждений от усталости и уплотнение асфальтобетонных смесей]. J Mater Civil Eng 2001; 13:434–40. 9. K.D. Raithby, A.B. Sterling. The effect of rest periods on the fatigue performance of a hotrolled asphalt under reversed axial loading [Влияние времени покоя на усталостные характеристики горячеукатанного асфальтобетона при реверсивной аксиальной нагрузке]. J Assoc Asphalt Pav 1970; 39:134–52. 10. A.C. Pronk, P.C. Hopman. Energy dissipation: the leading factor of fatigue [Рассеяние энергии: ведущий фактор усталости]. In: Proc conf of the United States strategic highway research: sharing the benefits, Thomas Telford, London; 1991, p. 255–67. 11. D. Williams, D.N. Little, R.L. Lytton, Y.R. Kim, Y. Kim. Microdamage healing in asphalt and asphalt concrete [Залечивание микроповреждений в асфальте и асфальтобетоне]: laboratory and field testing to assess and evaluate microdamage and microdamage healing, vol. II. Publication No. FHWA-RD-98-142. Berlin: Springer; 2001. 12. D.N. Little, R.L. Lytton, D. Williams, Y.R. Kim. An analysis of the mechanism of microdamage healing based on the applications of micromechanics first principles of fracture and healing [Анализ механизма залечивания микроповреждений с использованием основных принципов микромеханики в отношении трещин и уплотнения]. J Assoc Asphalt Pav 1999; 681:501–42. 13. Y.R. Kim, D.N. Little, R. Lytton. Use of dynamic mechanical analysis (DMA) to evaluate the fatigue and healing potential of asphalt binders in sand asphalt mixtures [Применение динамомеханического анализа для оценки потенциала усталости и уплотнения нижних слоев асфальтобетонных смесей]. J Assoc Asphalt Pav 2002; 71:176–99. 14. Y.R. Kim, D.N. Little, R.L. Lytton. Fatigue and healing characterization of asphalt mixtures [Характеристики усталости и уплотнения асфальтобетонных смесей]. J Mater Civil Eng 2003; 15(1):75–83. 15. I. Song, D. Little, E. Masad, R. Lytton. Comprehensive evaluation of damage in asphalt mastics using X-ray CT continuum mechanics, and micromechanics [Комплексная оценка повреждений битумных мастик с помощью КТ-исследований, механики сплошных сред и микромеханики]. J Assoc Asphalt Pav 2005; 75:885–920. 16. S.H. Carpenter, S. Shen. Dissipated energy approach to study hot-mix asphalt healing in fatigue [Метод рассеивания энергии в изучении уплотнения горячей асфальтовой смеси при усталости]. Transport Res Rec 2006; 1970:178–85. 382 А. Гарсия (A. Garcia), Э. Шланген (E. Schlangen) и др. 17. D.N. Little, A. Bhasin. Exploring mechanisms of healing in asphalt mixtures and quantifying its impact [Исследование механизмов уплотнения асфальтовых смесей и установление их влияния]. Self-healing materials an alternative approach to 20 centuries of materials science. Springer Ser Mater Sci 2007; 100:205–18. 18. S. Wu, L. Mo, Z. Shui, Z. Chen. Investigation of the conductivity of asphalt concrete containing conductive fillers [Исследования проводимости асфальтобетона, содержащего проводящие заполнители]. Carbon 2005; 43(3):1358–63. 19. S. Wu, X. Liu, Q. Ye, N. Li. Self-monitoring electrically conductive asphalt-based composite containing carbon fillers [Самоконтроль электропроводных композитов на основе асфальта, содержащих углеродные заполнители]. Trans Nonferr Metals Soc 2006; 16:512–6. 20. Q. Liu, E. Schlangen, M. van de Ven, M. Poot. Optimization of steel fiber used for induction heating in porous asphalt concrete [Оптимизация стального волокна, необходимого для нагрева пористого асфальтобетона]. Traffic and transportation studies 2010. In: Proc 7th int conf on traffic and transportation studies; 2010, p. 1320–30.
