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.
