Россия
Россия
Россия
УДК 691.542 Портландцемент
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
Показано, что создание инновационного бетона, обладающего улучшенным набором физико-механических показателей, достигается целенаправленным воздействием на бетонную систему при помощи комплексной химической добавки, одновременно обладающей эффектом суперпластификации, стабилизирующим и реакционно-активного действия. Создание бетона для дорожных покрытий, отличающегося повышенными показателями прочности, устойчивости к трещинообразованию с раннего возраста до проектных значений и далее достигается подбором компонентов определенной природы при создании комплексной химической добавки, влияющей на протекание химических процессов внутри бетонной системы, обеспечивая формирование прочной структуры бетона. Установлено, что повышение морозостойкости, химической стойкости, водонепроницаемости усиливает добавление в модифицированную бетонную смесь воздухововлекающей добавки, что создает бетон химически высокостойким, повышенной прочности, устойчивости к трещинообразованию и морозостойкости.
дорожный бетон, химическая добавка, поликарбоксилатные полимеры, нанодисперсии, надежность, морозостойкость, трещиностойкость
Введение
Транспортные магистрали — основа современной экономики, от которых зависит развитие городов и связность регионов. Для этого требуются надежные и долговечные дорожные покрытия, создание которых возможно при использовании инновационного бетона, от которого сегодня требуется не просто прочность, а целый комплекс свойств: устойчивость к образованию трещин, стойкость к экстремальным температурам, воздействию противогололедных реагентов, а также идеальная ровность и способность стать основой для интеллектуальных систем [1-5]. Именно созданию такого высокотехнологического материала — по-настоящему «умного» и сверхнадежного посвящено научное исследование, ключевые результаты которого представлены в данной статье.
Создание инновационного бетона, для верхнего дорожного покрытия возможно в результате проектирования его основных физико-механических показателей:
- для обеспечения быстрого и качественного проведения строительных работ требуется бетон с улучшенными реологическими свойствами;
- высокими показателями прочности на сжатие, которые должны соответствовать классу В45 и выше, чтобы обеспечить устойчивость покрытия к повышенным механическим нагрузкам от транспорта;
- бетон должен обладать исключительной механической прочностью на изгиб, как в раннем возрасте (1 – 7 суток), которая обеспечивает скорость строительства, качество выполнения операций и предотвращение дефектов (образования трещин) на этапе твердения, так и проектном возрасте (28 суток и далее), которая обеспечивает надежность, долговечность и безопасность дорожного покрытия;
- бетон должен обладать повышенной устойчивостью к истиранию, так как поверхность покрытия подвергается абразивному воздействию шипованной резины, кроме этого, бетон должен отличаться повышенной устойчивостью к внешним негативным воздействиям, в том числе воздействию осадков, что достигается высокой прочностью на изгиб и деформативностью.
Решение указанных задач возможно в результате целенаправленного химического воздействия на бетонную систему при помощи новой химической добавки.
Основой добавки являются ПАВ на основе поликарбоксилатных полимеров, которые обеспечивают повышение устойчивости бетона к трещинообразованию в возрасте 1-7 суток, что является критически важным моментом для технологии строительства и определяет возможность снятия боковой опалубки и нарезки температурно-усадочных швов.
В качестве следующего компонента добавки использовали аминосодержащий полимер, который оказывает положительное влияние на повышение связности высокоподвижной самоуплотняющейся бетонной смеси, используемой при создании дорожного бетона с целью получения покрытия повышенной ровности с некоторой шероховатостью, обеспечивающей хорошее сцепление колеса с поверхностью дорожного покрытия.
В качестве аминосодержащего компонента использовали пропилендиамин, образующий контакт с катионами кальция, входящими в состав минералов портландцемента и гидратных фаз, формируя прочную структуру, оказывая положительное влияние на физико-механические характеристики бетона.
Для повышения реакционной активности создаваемой добавки в качестве дополнительного компонента вводили нанодисперсии диоксида кремния, SiO2, размером (10-9…10-7) м, присутствие которых обеспечивает взаимодействие с первоначально образованными гидратными фазами в бетонной системе, повышая химическую устойчивость бетона, а также его надежность и долговечность [6-12].
Для дополнительного повышения морозостойкости использовали воздухововлекающую добавку, на основе древесной смолы, нейтрализованной едким натром с техническим названием СНВ в виде 5% водного раствора [13-16].
Методика исследований
Оценку эффективности и совместимости исследуемых компонентов добавки проводили относительно контрольного бетона следующего состава: портландцемент класса I 42,5Н – 540 кг/м3; песок по ГОСТ 8736-2014 средней крупности — 700 кг/м3; щебень по ГОСТ 8267-93 с максимальной крупностью зерна 10 мм — 860 кг/м3; В/Ц = 0,56. Эффективность компонентов добавки оценивали по расплыву конуса по ГОСТ Р 59715-2022 и прочностным характеристикам возрасте 7 суток, по ГОСТ 10180-2012.
Результаты проведенных исследований по оценке эффективности компонентов добавки представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Оценка эффективности компонентов добавки
|
№ |
Проект-ный класс бетона, В |
Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси, кг |
Расплыв норм. |
Прочность, |
Коэфф. |
||||||
|
ПЦ |
Компоненты добавки, |
В, л |
На сжатие |
На растяже-ние |
|||||||
|
Поли- |
Поли-карбокси-латный полимер №2 |
Пропи-лен-диамин |
Нано-диспер-сии, |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
1 |
В45 |
540 |
контрольный состав |
300 (0,56) |
38 |
40,6 |
4,7 |
0,116 |
|||
|
- |
- |
- |
- |
||||||||
|
2 |
В45 |
540 |
0,6 |
- |
- |
- |
227 (0,42) |
54 |
46,7 |
5,4 |
0,116 |
|
3 |
В45 |
540 |
0,8 |
- |
- |
- |
227 (0,42) |
58 |
46,7 |
5,4 |
0,115 |
|
4 |
В45 |
540 |
1,0 |
- |
- |
- |
227 (0,42) |
58 |
47,0 |
5,4 |
0,115 |
|
5 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,4 |
- |
- |
227 (0,42) |
61 |
47,9 |
5,65 |
0,118 |
|
6 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
- |
- |
227 (0,42) |
65 |
49,1 |
5,9 |
0,12 |
|
7 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,8 |
- |
- |
227 (0,42) |
66 |
49,6 |
5,9 |
0,12 |
|
8 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,3 |
- |
227 (0,42) |
66 |
52,1 |
6,25 |
0,12 |
|
9 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,5 |
- |
227 (0,42) |
68 |
54,1 |
6,5 |
0,12 |
|
10 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,7 |
- |
227 (0,42) |
69 |
54,4 |
6,5 |
0,12 |
|
11 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
227 (0,42) |
69 |
55,7 |
6,7 |
0,121 |
|
12 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,5 |
0,6 |
227 (0,42) |
70 |
57,6 |
7,0 |
0,123 |
|
13 |
В45 |
540 |
0,8 |
0,6 |
0,5 |
0,8 |
227 (0,42) |
70 |
58,0 |
7,1 |
0,123 |
Результаты экспериментальных исследований показали, что совместное присутствие поликарбоксилатных полимеров эффективно, они обеспечивают эффект суперпластификации, повышая подвижность бетонной смеси на 71%. Рост прочности на изгиб превышает рост прочности на сжатие, что, по-видимому, является результатом образования сложных полимерных цепей.
Наличие полос поглощения в области 1346–1240 см-1 на ИК-спектрах подтверждают теоретическое предположение о взаимосвязи двух полимеров. Следующий компонент добавки, представленный пропилендиамином повышает прочность на сжатие и на растяжение при изгибе в одинаковой степени, возможно, в результате упрочнения структуры бетона при ее формировании, что обусловлено образованием новых контактов (по данным ИК-спектроскопических исследований) в области (600–610) см-1) между атомами азота аминсодержащих углеводородов с катионом Са2+ гидроксида кальция или гидросиликатов кальция.
Нанодисперсии диоксида кремния проявили хорошую совместимость со всеми используемыми компонентами создаваемой добавки: дополнительно увеличили подвижность бетонной смеси, расплыв конуса составил 70 см, что соответствует марке РК2 в соответствии с ГОСТ Р59714-2022, повысилась устойчивость к трещинообразованию, что подтверждается увеличением коэффициента трещиностойкости, Ктр.=Rизг./Rсж. до значения 0,123, который выше, чем у контрольного состава на 7,0%, для высокопрочного бетона — это достаточно высокий показатель, особенно, в раннем возрасте, что повышает надежность проведения строительных работ.
На основании полученных положительных результатов определено рациональное количество каждого компонента, входящего в состав создаваемой комплексной химической добавки.
Состав комплексной химической добавки, мас.%:
| - водный раствор поликарбоксилатного полимера №1, r = 1,021 г/см3 и рН = (6,0 – 7,0) |
32,0 |
| - водный раствор поликарбоксилатного полимера №2, r = 1,023 г/см3 и рН = 6,5 |
24,0 |
| - водный раствор пропилендиамина с плотностью r = 0,97 г/см3 и рН = 9,5 |
20,0 |
| - водный раствор золя кремниевой кислоты, содержащей нанодисперсии SiO2 с плотностью r = 1,023 г/см3 и рН = 3,5 |
24,0 |
Результаты по оценке рационального количества добавки указаны в Таблице 2.
При использовании КХД наилучшие результаты по показателям удобоукладываемости и прочности достигаются при ее введении в бетонную смесь в количестве (0,8 – 1,2)% от массы цемента, совместное присутствие рассматриваемых компонентов является благоприятным, придавая добавке эффект суперпластификации и стабилизации, что подтверждается увеличением подвижности бетонной смеси при уменьшении В/Ц отношения.
Как указывалось выше, бетон для дорожных покрытий эксплуатируется в достаточно суровых условиях, постоянно подвергается интенсивным механическим, а также внешним негативным и температурным воздействиям.
Таблица 2
Оценка эффективности комплексной химической добавки
|
№ п/п |
Проектный |
Расход основных |
Удобоуклады- |
Прочность, |
Коэффициент |
|||
|
ПЦ |
КХД*, |
Вода |
на сжатие |
на растяжение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1 |
В45 |
540 |
- |
300 (0,56) |
38 |
40,6 |
4,7 |
0,116 |
|
2 |
В45 |
540 |
0,4 |
248 (0,46) |
59 |
48,0 |
5,7 |
0,118 |
|
3 |
В45 |
540 |
0,6 |
232 (0,43) |
70 |
54,0 |
6,5 |
0,120 |
|
4 |
В45 |
540 |
0,8 |
221 (0,41) |
72 |
60,0 |
7,4 |
0,123 |
|
5 |
В45 |
540 |
1,0 |
216 (0,40) |
74 |
62,0 |
7,8 |
0,126 |
|
6 |
В45 |
540 |
1,2 |
210 (0,39) |
74 |
60,0 |
7,7 |
0,124 |
|
7 |
В45 |
540 |
1,4 |
210 (0,39) |
74 |
57,0 |
6,9 |
0,122 |
*КХД - разработанная комплексная химическая добавка
С целью повышения надежности и долговечности бетона целесообразно дополнительно рассмотреть использование воздухововлекающей добавки.
В качестве воздухововлекающей добавки использовали 5% раствор СНВ (смолы нейтрализованной воздухововлекающей) в количестве 0,05% от массы цемента, которую вводили непосредственно в воду затворения, чтобы не вызвать коагуляцию разработанной комплексной химической добавки. Комплексные физико-механические характеристики дорожного бетона (Таблица 3) показали, что бетон целесообразно использовать для дорожных покрытий.
Комплексные физико-механические исследования дорожного бетона проектного возраста показали, что прочность на растяжение при изгибе соответствует классу Вtb9,9 и морозостойкость марки F2400.
Таблица 3
Комплексные физико-механические показатели
модифицированного бетона
|
ПЦ, |
КХД, |
Добавка |
В, л |
Удобо- |
Воздухо- |
Прочность |
Прочность |
Коэфф. |
Марка по |
Марка по |
Коэфф. |
|
540 |
- |
- |
0,56 |
38 |
2,9 |
57/В45 |
6,5/ Вtb5,2 |
0,114 |
200 |
8 |
0,43 |
|
540 |
1,0 |
- |
0,40 |
74 |
3,6 |
85/В68 |
12,3/Вtb9,9 |
0,145 |
300 |
12 |
0,87 |
|
540 |
1,0 |
0,05 |
0,39 |
76 |
4,7 |
83/В66 |
12,0/Вtb9,6 |
0,144 |
400 |
14 |
0,89 |
Нанодисперсии диоксида кремния образуют новые гидратные фазы типа низкоосновного гидросиликата кальция — окенита 3СаО×SiO2×6H2O, для которого межплоскостное расстояние d/n=(3,56; 3,07; 3,05; 2,93; 1,80)×10-10 м. Окенит кристаллизуется в виде длинных волокон, твердость которого равна 5 [17-20].
Выводы
Научно-экспериментальные исследования показали перспективность использования разработанной комплексной химической добавки в сочетании с воздухововлекающей добавкой для создания самоуплотняющегося бетона с улучшенными физико-механическими характеристиками, который целесообразно рекомендовать к использованию при строительстве транспортных магистралей.
1. Svatovskaya L., Urov O., Mikhailova K., Supeliuk T. Information assessment of natural geosystem preservation in geoconstruction by improving the quality of concrete. // Transportation Soil Engineering in Cold Regions, Volume 2. Proceedings of TRANSOILCOLD 2019. Springer Nature, 2020. С. 405-411. DOI:https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_42
2. Solovieva V., Stepanova I., Soloviev D. High-strength concrete with improved deformation characteristics for road surfaces. // Transportation Soil Engineering in Cold Regions, Volume 2. Proceedings of TRANSOILCOLD 2019. Springer Nature, 2020. С. 339-345. DOI:https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_З5 DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_35
3. Касаткин С.П., Соловьева В.Я., Степанова И.В., Кузнецов Д.В., Синицин Д.А. Высокоэффективный наномодифицированный бетон повышенной прочности и долговечности. // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2022. Т. 14. № 6. С. 493-500. DOI:https://doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-6-493-500
4. Soloviova V., Stepanova I., Ershikov N., Soloviov D. Improving the properties of composite materials for civil engineering. // E3S Web of Conferences. 2018 Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics, TPACEE 2018. 2019. С. 02015. DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199102015
5. Сватовская Л.Б. Модифицирование поверхности минерального искусственного камня. // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии. Материалы VI Международной научно-практической интернет-конференции. 2019. С. 16-19. https://elibrary.ru/TOMVPU
6. Сватовская Л.Б. Возможное применение периодического закона Д.И. Менделеева в строительной деятельности. // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии. Материалы VI Международной научно-практической интернет-конференции. 2019. С. 5-12. https://elibrary.ru/KKOXYQ
7. Соловьева В.Я. и др. Химическая экспертиза строительных материалов и изделий. / В.Я. Соловьева, Л.Л. Масленникова, М.С. Абу-Хасан, М.В. Шершнева, И.В. Степанова, Д.В. Соловьев, А.С. Сахарова, М.М. Байдарашвили, Н.А. Шредник. Санкт-Петербург, 2023. https://elibrary.ru/LRGALS
8. Сахарова А.С., Байдарашвили М.М., Петряев А.В., Мальчевская К.С. Современные исследования в области дорожного строительства с учетом геоэкологических вызовов. // Августин Бетанкур: от традиций к будущему инженерного образования. Материалы международной научно-практической конференции. 2018. С. 181-185. https://elibrary.ru/UPUDOW
9. Сватовская Л.Б. и др. Инновационные естественно-научные технические решения в строительной деятельности / Л.Б. Сватовская, В.Я. Соловьева, М.В. Шершнева, М.С. Абу-Хасан, Л.Л. Масленникова, М.М. Байдарашвили // ПЕРСПЕКТИВЫ БУДУЩЕГО В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ. Сборник тезисов национальной научно-технической конференции. 2017. С. 108-109. https://elibrary.ru/YVXXOH
10. Беленцов Ю.А., Казанская Л.Ф., Докшина Е.А. Роль однородности материала в точности определения прочностных характеристик высокопрочных бетонов. // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2025. Т. 22. № 2. С. 499-508. DOI:https://doi.org/10.20295/1815-588X-2025-2-499-508
11. Казанская Л.Ф., Майер В.А., Сибгатуллин Э.С. Взаимосвязь факторов, определяющих долговечность бетонов. // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2024. Т. 21. № 4. С. 931-943. DOI:https://doi.org/10.20295/1815-588X-2024-04-931-943
12. Соловьев Д.В. Высокоэффективный бетон для дорожных покрытий. // Значение трудов Д.И. Менделеева в современных инновационных решениях. сборник трудов Х международной научно-практической конференции. Москва, 2024. С. 120-126. https://elibrary.ru/LOJXVE
13. Соловьев Д.В. Физико-химические основы создания высокоэффективного бетона для дорожных покрытий. // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии. Материалы VII Международной научно-практической интернет-конференции. 2020. С. 42-46. https://elibrary.ru/UHBEBU
14. Джилкибаев Е.С., Бекенов Р.М., Кулымбетова С., Шоман Г.Н. Воздействие колес автомобиля на дорожные покрытия. // Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2016). Сборник статей VIII Международной научно-технической конференции. Ответственный редактор Е.В. Агеев. 2016. С. 80-85. https://elibrary.ru/XAURFT
15. Зайченко Н.М., Назарова А.В., Соколова А.А. Цементобетонные дорожные покрытия из самоуплотняющихся бетонных смесей. // Строитель Донбасса. 2018. № 1 (2). С. 41-48. https://elibrary.ru/OOJKAS
16. Мюллер М., Хорст-Михаел Л. Долговечные бетонные дорожные покрытия с использованием различных вяжущих веществ в верхнем и нижнем слоях бетона. // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. сборник материалов международной научной конференции. ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет». 2017. С. 696-703. https://elibrary.ru/XSNHZD
17. Хвостова А.А., Антоненко Н.Н., Орехов С.А., Дергунов С.А. Современные дорожные покрытия. // Наука и образование: актуальные вопросы теории и практики. материалы Международной научно-методической конференции. Самара–Оренбург, 2022. С. 13. https://elibrary.ru/YDYNBS
18. Крамар Л.Я., Иванов И.М., Шулдяков К.В., Мордовцева М.В. Влияние суперпластификаторов на микроструктуру и упругие свойства бетона. // Строительные материалы. 2022. № 10. С. 17-24. DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-807-10-17-24
19. Крамар Л.Я., Мордовцева М.В., Погорелов С.Н., Иванов И.М. Структура цементного камня с комплексными добавками и ее влияние на деформационные свойства бетонов. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2022. Т. 22. № 3. С. 35-45. DOI:https://doi.org/10.14529/build220304
20. Гаркави М.С., Артамонов А.В., Колодежная Е.В. Функциональные наполнители полимерных композиционных материалов. // Полимеры в строительстве: научный интернет-журнал. 2024. № 1 (12). С. 41-44. https://elibrary.ru/DGXBVU
