Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDC 691.542
CSCSTI 67.01
It has been demonstrated that the creation of innovative concrete with an improved set of physical and mechanical properties is achieved by targeted manipulation of the concrete system using a complex chemical additive that simultaneously exhibits superplasticizing, stabilizing, and reactive properties. The creation of concrete for road surfaces characterized by increased strength and crack resistance from an early age to design values and beyond is achieved by selecting specific components when creating a complex chemical additive that influences the chemical processes within the concrete system, ensuring the formation of a strong concrete structure. It has been established that the addition of an air-entraining admixture to the modified concrete mixture enhances frost resistance, chemical resistance, and water resistance, resulting in concrete with high chemical resistance, increased strength, crack resistance, and frost resistance.
road concrete, chemical additive, polycarboxylate polymers, nanodispersions, reliability, frost resistance, crack resistance
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. pp. 405-411. DOI:https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_42
2. Soloviova V., Stepanova I., Soloviov 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. P. 339-345. DOI:https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_35
3. Kasatkin S.P., Soloviova V.Ya., Stepanova I.V., Kuznetsov D.V., Sinitsyn D.A. Highly effective nanomodified concrete of increased strength and durability. // Nanotechnology in Construction: Scientific Online Journal. 2022. Vol. 14. No. 6. Pp. 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. P. 02015. DOI:https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199102015
5. 5. Svatovskaya L.B. Modification of the surface of artificial mineral stone. // Innovative technologies in construction and geoecology. Proceedings of the VI International scientific and practical Internet conference. 2019. pp. 16-19. https://elibrary.ru/TOMVPU
6. Svatovskaya L.B. Possible application of D.I. Mendeleyev's periodic law in construction activities. // Innovative technologies in construction and geoecology. Proceedings of the VI International scientific and practical Internet conference. 2019. pp. 5-12. https://elibrary.ru/KKOXYQ
7. Solovyova V.Ya. et al. Chemical Expertise of Construction Materials and Products. / V.Ya. Solovyova, L.L. Maslennikova, M.S. Abu-Hasan, M.V. Shershneva, I.V. Stepanova, D.V. Soloviev, A.S. Sakharova, M.M. Baidarashvili, N.A. Shrednik. Saint Petersburg, 2023.
8. Sakharova A.S., Baidarashvili M.M., Petryaev A.V., Malchevskaya K.S. Modern Research in Road Construction Taking into Account Geoecological Challenges. // Augustin Betancourt: From Traditions to the Future of Engineering Education. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference. 2018. pp. 181-185. https://elibrary.ru/UPUDOW
9. Svatovskaya L.B. and others. Innovative Natural Science Engineering Solutions in Construction Activities / L.B. Svatovskaya, V.Ya. Solovyova, M.V. Shershneva, M.S. Abu-Hasan, L.L. Maslennikova, M.M. Baidarashvili // FUTURE PROSPECTS IN THE EDUCATIONAL PROCESS. Collection of abstracts of the national scientific and technical conference. 2017. Pp. 108-109. https://elibrary.ru/YVXXOH
10. Belentsov Yu.A., Kazanskaya L.F., Dokshina E.A. The role of material homogeneity in the accuracy of determining the strength characteristics of high-strength concrete. // Bulletin of the St. Petersburg Transport University. 2025. Vol. 22. No. 2. Pp. 499-508. DOI:https://doi.org/10.20295/1815-588X-2025-2-499-508
11. Kazanskaya L.F., Mayer V.A., Sibgatullin E.S. Interrelationship of factors determining the durability of concrete. // Bulletin of the St. Petersburg Transport University. 2024. Vol. 21. No. 4. Pp. 931-943. DOI:https://doi.org/10.20295/1815-588X-2024-04-931-943
12. Soloviov D.V. High-performance concrete for road surfaces. // The Importance of D.I. Mendeleev's Works in Modern Innovative Solutions. Proceedings of the 10th International Scientific and Practical Conference. Moscow, 2024. Pp. 120-126. https://elibrary.ru/LOJXVE
13. Soloviov D.V. Physicochemical Foundations of Creating High-Performance Concrete for Road Surfaces. // Innovative Technologies in Construction and Geoecology. Proceedings of the VII International Scientific and Practical Internet Conference. 2020. Pp. 42-46. https://elibrary.ru/UHBEBU
14. Dzhilkibaev E.S., Bekenov R.M., Kulymbetova S., Shoman G.N. Impact of vehicle wheels on road surfaces. // Modern automotive materials and technologies (SAMIT-2016). collection of articles from the VIII International scientific and technical conference. Editor-in-chief E.V. Ageyev. 2016. pp. 80-85. https://elibrary.ru/XAURFT
15. Zaychenko N.M., Nazarova A.V., Sokolova A.A. Cement concrete road surfaces made of self-compacting concrete mixtures. // Stroitel Donbassa. 2018. No. 1 (2). pp. 41-48. https://elibrary.ru/OOJKAS
16. Müller M., Horst-Michael L. Durable concrete road pavements using different binders in the top and bottom layers of concrete. // Integration, partnership and innovation in construction science and education. Collection of materials of the international scientific conference. National Research Moscow State University of Civil Engineering. 2017. pp. 696-703. https://elibrary.ru/XSNHZD
17. Khvostova A.A., Antonenko N.N., Orekhov S.A., Dergunov S.A. Modern road pavements. // Science and education: current issues of theory and practice. Proceedings of the International scientific and methodological conference. Samara–Orenburg, 2022, p. 13. https://elibrary.ru/YDYNBS
18. Kramar L. Ya., Ivanov I. M., Shuldyakov K. V., Mordovtseva M. V. Influence of superplasticizers on the microstructure and elastic properties of concrete. // Construction materials. 2022, no. 10, pp. 17–24. DOI:https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-807-10-17-24
19. Kramar L. Ya., Mordovtseva M. V., Pogorelov S. N., Ivanov I. M. Structure of cement stone with complex additives and its influence on the deformation properties of concrete. // Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and Architecture. 2022. Vol. 22. No. 3. Pp. 35-45. DOI:https://doi.org/10.14529/build220304
20. Garkavi M.S., Artamonov A.V., Kolodezhnaya E.V. Functional fillers of polymer composite materials. // Polymers in Construction: Scientific Online Journal. 2024. No. 1 (12). Pp. 41-44. https://elibrary.ru/DGXBVU
