CC BY
39
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
УДК 625.841 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-2-55-59
ПРОЧНОСТЬ И МОРОЗОСТОЙКОСТЬ СПЕЦИАЛЬНЫХ АВТОДОРОЖНЫХ БЕТОНОВ
© 2019 г. А.А. Чумаков1, Е.А. Яценко1, С.П. Голованова1, А.Г. Булгаков2, К. Хольшемахер2
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Лейпцигский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия
STRENGTH AND FROST RESISTANCE OF SPECIAL ROAD CONCRETES
A.A. Chumakov1, E.A. Yatsenko1, S.P. Golovanova1, A.G. Bulgakov 2, K. Holshemakher2
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Leipzig University of Applied Sciences - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany
Чумаков Андрей Алексеевич - магистрант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: achumakov1995@mail.ru
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Голованова Светлана Петровна - канд. техн. наук, профессор, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: tksiww@yandex.ru
Булгаков Алексей Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, Лейпцигский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия. E-mail: a.bulqakow@qmx.de
Хольшемахер Клаус - д-р техн. наук, профессор, Лейпцигский университет прикладных наук - HTWK Leipzig, Лейпциг, Германия. E-mail: klaus.holschemacher@htwk-leipzig.de
Chumakov Andrey Alekseevich - Master Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia E-mail: achumakov1995@mail.ru
Yatsenko Elena Alfredovna - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Golovanova Svetlana Petrovna - Candidate of Technical Sciences, Professor, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: tksiww@yandex.ru
Bulgakov Alexey Grigorievich - Doctor of Technical Sciences, Professor, University of Applied Sciences Leipzig - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany. E-mail: a.bulqakow@qmx.de
Holshemacher Klaus - Doctor of Technical Sciences, Professor, University of Applied Sciences Leipzig - HTWK Leipzig, Leipzig, Germany. E-mail: klaus.holschemacher@htwk-leipzig.de
Представлены сравнительные лабораторные исследования синтезированных бетонов различных видов, которые могут быть применены в автодорожном строительстве. Для определения физико-механических свойств (прочность и морозостойкость) были приготовлены партии бетонов в соответствии с пропорцией цемент:песок:минеральная добавка = 1:2:5 и добавлением количества воды, обеспечивающего нормальную густоту бетонного раствора. На основании полученных результатов испытаний выявлены оптимальные виды бетонов - бетон с гидроизоляционной пропиткой и декоративный бетон, а также установлены основные факторы, влияющие на прочность и морозостойкость синтезированных бетонов.
Ключевые слова: автодорожный бетон; прочность; морозостойкость; специальные цементы; гидроизоляционная пропитка; автодорожное строительство.
Comparative laboratory studies of synthesized concretes of various kinds that can be applied in road construction are presented. To determine the physicomechanical properties (strength and frost resistance), batches of concrete were prepared in accordance with the proportion of cement: sand: mineral additive = 1:2:5 and the addition of water to ensure the normal thickness of the concrete solution. On the basis of the obtained test results, the optimum types of concrete are identified - concrete with waterproofing impregnation and decorative concrete, as well as the main factors affecting the strength and frost resistance of the synthesized concrete.
Keywords: road concrete; strength; frost resistance; special cements; waterproofing impregnation; road construction.
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Целью проведенных исследований являлось сравнение прочностных характеристик обычных и синтезированных специальных бетонов, которые могут быть рекомендованы к применению в автодорожном строительстве.
Автодорожный бетон относят к тяжелым бетонам, потому что его изготавливают из заполнителей, обладающих высокими значениями прочности, плотности и веса. В ходе завершения процесса твердения полученный цементный камень обладает повышенной плотностью 1850 - 2600 кг/м3.
Специальные автодорожные бетоны используют для строительства однослойного или верхнего слоя многослойного дорожного покрытия. Перед использованием определенного вида специального автодорожного бетона в лаборатории проводятся исследования для получения приблизительных значений ряда показателей. Так как большей частью применяется двухслойное покрытие, то для верхнего слоя необходимо подобрать такой бетон, который будет иметь высокие значения прочностных показателей, истираемости, а также стойкости к резким изменениям погодных условий и агрессивным средам. Для нижнего же слоя тип бетона может иметь не столь строгие характеристики, так как какое-либо механическое или атмосферное воздействие на этот бетон исключается [1].
Для улучшения стойкости бетонного покрытия к низким температурам и другим климатическим условиям в раствор добавляют специальные примеси, увеличивающие его прочность и стойкость к окружающей среде.
Бетоны для строительства автодорожных покрытий должны отвечать следующим требованиям: выдерживать повышенные непрерывные механические, ударные и вибрационные нагрузки; высокие температуры; низкие температуры и значительные перепады температур; повышенную влажность; воздействие осадковых и талых вод; циклы изменения увлажнения и высыхания; ультрафиолетовое излучение и воздействие химически активных материалов.
В связи с этим использующиеся в процессе изготовления автодорожных бетонов специальные цементы должны обладать следующими свойствами: высокой механической прочностью при сжатии и растяжении, изгибе, а также повышенной устойчивостью к динамическим нагрузкам; повышенными износотойкостью, морозоустойчивостью, химической инертностью, влагоустойчи-востью и низкой истираемостью, отсутствием
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
склонности к образованию микротрещин; равномерным твердением дорожного покрытия [1, 2].
Свойства автодорожных бетонов, в основе которых лежат рядовые цементы, возможно регулировать следующими гидравлическими добавками, вводимыми в бетонную смесь перед заливкой:
1. Пластификаторы - добавки, повышающие подвижность бетонов, увеличивая их прочность на 120 - 140 %. Обычно в технологии бетона используют три основных вида пластификаторов: органического происхождения (отходы нефтяной отрасли, лесопереработки и агрохимии), органоминеральные вещества и неорганические вещества (формальдегиды и нафтосуль-фиткислоты);
2. Ускорители набора прочности - добавки, для которых характерно увеличение скорости твердения бетона. Самым распространенным из этих веществ является хлористый кальций (CaCh), который получил широкое применение в изготовлении пенобетонов, тротуарных плиток и стеновых камней;
3. Противоморозные добавки - химическое вещество в виде сухой смеси или раствора, вводимого в состав бетона с водой и ускоряющего процесс гидратации бетонной смеси, способствуя затвердеванию бетона при отрицательных температурах. В строительстве популярны следующие виды противоморозных добавок: антифриз, добавки на основе сульфатов и противомо-розные добавки-ускорители (поташ, тетраборат натрия, нитрит натрия и формиат натрия). Данные добавки способны увеличивать прочность бетонов на 20 - 30 % [3 - 5].
Использование специальных гидравлических добавок может привести к удорожанию строительства или ремонта автодорожного полотна или мостовых конструкций, в связи с этим широкое применение получили автодорожные бетоны, изготовленные на основе супербыстро-твердеющих, расширяющихся и сульфоалюми-натных цементов, а также из высокопрочных цементов марки М500 и выше (высокопрочные и сверхпрочные бетоны) и бетоны с гидроизоляционной пропиткой [6].
Для проведения испытаний на прочность и морозостойкость сотрудниками кафедры «Общая химия и технология силикатов» ЮР1 ПУ(НПИ) были изготовлены 8 партий образцов (каждая партия по три образца размерами 20^20^80 мм при водоцементном отношении В/Ц = 1:3 и
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 2
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
нормальной густоте). Составы каждой из партий образцов приведены ниже:
партия 1 - супербыстротвердеющий бетон: цемент - марка М500 с повышенным содержанием алита до 68 %; крупный заполнитель - щебень фракции 5 - 10 мм; мелкий заполнитель -Вольский песок фракции 0,6 - 0,8 мм; в данной смеси минеральная добавка не использовалась, так как применяемый цемент обладает всеми необходимыми свойствами для обеспечения необходимой прочности и морозостойкости бетонной смеси;
партия 2 - расширяющийся бетон: цемент - марка М500; крупный заполнитель - гравий фракции 5 - 10 мм; мелкий заполнитель - Вольский песок фракции 0,6 - 0,8 мм; минеральная добавка - хлористый кальций (CaCh);
партия 3 - бетон на основе сульфоалюми-натного цемента: цемент - марка М400 с повышенным содержанием сульфоалюмината кальция; крупный заполнитель - щебень фракции 5 -10 мм; мелкий заполнитель - Вольский песок фракции 0,6 - 0,8 мм; минеральная добавка -нитрит натрия (NaNO2);
партия 4 - высокопрочный бетон: цемент -марка М500; крупный заполинтель - щебень фракции 10 - 20 мм; мелкий заполнитель -Вольский песок фракции 0,5 - 0,6 мм; минеральная добавка - поташ;
партия 5 - сверхпрочный бетон: цемент -марка М500; крупный заполнитель - щебень фракции 10 - 20 мм; мелкий заполнитель -Вольский песок фракции 0,5 - 0,6 мм; минеральная добавка - тетраборат натрия (Na2B4O7);
партия 6 - бетон с гидроизоляционной пропиткой: цемент - марка М500; крупный заполнитель - щебень фракции 10 - 20 мм; мелкий заполнитель - Вольский песок фракции 0,5 - 0,6 мм; после трехсуточного твердения полученный образец был пропитан битумом;
партия 7 - декоративный бетон: цемент -белый портландцемент марки М400 с содержанием алюминатов кальция 4,5 %; крупный заполнитель - гранитная крошка фракции 5 - 15 мм; мелкий заполнитель - Вольский песок фракции 0,3 - 0,5 мм; минеральная добавка - формальдегид; в качестве пигмента был выбран сурик железистый;
партия 8 - рядовой бетон: портландцемент марки М500, крупный заполнитель - гравий фракции 10 - 20 мм, мелкий заполнитель - Вольский песка фракции 0,6 - 0,8 мм.
Все компоненты бетонной смеси взвешивали на электронных весах с точностью 0,01 г
(пигмент на аналитических весах с точностью 0,001 г), тщательно смешивали в фарфоровых ступках, придерживаясь следующей пропорции -цемент:песок:минеральная добавка = 1:2:5. Затем в ступку добавлялась вода в количестве, отвечающем нормальной густоте бетонного раствора, смесь перемешивалась на протяжении 5 мин. Полученные растворы заливались в специальные разборные металлические формы, стенки которых были предварительно смазаны машинным маслом, затем отправлялись на вибрационный стол для уплотнения структуры. После уплотнения излишки раствора аккуратно срезали смоченным в воде ножом. Поверхности образцов (из каждой смеси формовались по два образца) были зачищены и промаркированы в соответствии с порядком выполнения испытаний. Образцы на протяжении 24 ч хранились в формах во влажной среде, находясь над поверхностью воды, затем они были извлечены и опущены в воду. Пропитка образцов № 6 битумом производилась после 24 ч застывания во влажной среде.
Все смеси, приготовленные для испытаний, имеют различия по крупным заполнителям, в роли которых выступает в основном щебень. В качестве мелкого заполнителя был выбран Вольский песок, так как он имеет частички округлой формы и монофракционный состав 0,3 - 0,8 мм. Для декоративного бетона за основу был взят белый портландцемент (БПЦ) с пониженным содержанием трехкальциевого алюмината, данный вид БПЦ позволит в дальнейшем получить бетон высокой прочности.
Прочность на изгиб определялась с помощью универсальной испытательной машины УММ-5, имеющей следующие особенности: максимальное ускорение - 50 кН, скорость погружения - 1 мм/мин с фиксацией нагрузки. Образцы испытывались через 7 и 28 суток твердения.
Прочность на сжатие определялась на прессе лабораторном универсальном ЗИМ П-10 с наибольшей создаваемой нагрузкой 100 кН и скоростью перемещения гидравлического поршня - 48 мм/мин с диапазоном измерения 10 - 100 кН. Образцы также испытывались через 7 и 28 суток твердения.
После проведения всех необходимых испытаний усредненные данные по восьми партиям образцов были сведены в табл. 1, приведенную ниже.
Результаты проведенных испытаний, представленные в табл. 1, показывают, что максимальной прочностью обладают бетоны с гидро-
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
изоляционной пропиткой. Это объясняется тем, что в ходе пропитки поверхности бетонного камня органической пропиткой происходит заполнение ею поровой структуры, что ведет к повышению плотности и сопротивления разрушению за счет адгезионных и химических сил взаимодействия, предотвращающих образование микротрещин [7, 8].
Таблица 1 / Table 1
Прочность синтезированных автодорожных бетонов / Strength of synthesized road concretes
№ образца Прочность, МПа
Сжатие Изгиб
7 сут. 28 сут. 7 сут. 28 сут.
1 10,5 32,3 2,7 7,2
2 10,2 31,8 2,5 6,9
3 9,8 31,3 2,4 6,3
4 13,1 34,5 4,2 8,0
5 13,8 35,2 5,1 9,2
6 18,1 52,3 7,4 13,1
7 9,1 27,8 2,8 5,1
8 7,6 25,1 2,2 4,6
Декоративный бетон имеет показатели выше, чем рядовой бетон сравнения. Это можно объяснить тем, что снижение содержания алюминатов кальция в клинкере БПЦ до 4 - 5 % ведет к повышению прочности цементного камня и его плотности, обусловленному одновременным увеличением содержания CзS в клинкерах.
Для определения морозостойкости образцы для исследований готовились по вышеизложенным смесям и последовательности.
Морозостойкость исследуемых образцов определялась следующим образом: после 28 суточного твердения образцов в водной среде они насыщались водой в течение суток, затем помещались в морозильную камеру с температурой -20 °С и выдерживались 2 ч. После этого образцы оттаивали в воде 1 ч при температуре +20 °С. Через 50 циклов определяли падение прочности образцов на сжатие по сравнению с эталонными образцами, которые замораживанию не подвергались.
Коэффициент морозостойкости после 50 циклов находили по формуле
^М50 = ^СЖ50 / ^СЖэ,
где Rcж5o - предел прочности при сжатии образцов, подвергшихся замораживанию и оттаиванию в течение 50 циклов, кгс/см2; Rcжэ - предел прочности при сжатии образцов, не подвергавшихся замораживанию в эквивалентном возрасте, равном возрасту замороженных образцов, кгс/см2.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 2
Согласно данным табл. 2 повышенной морозостойкостью обладают бетоны с гидроизоляционной пропиткой и декоративный бетон.
Таблица 2 / Table 2 Морозостойкость синтезированных автодорожных бетонов / Frost resistance of synthesized road concretes
№ образца Коэффициент морозостойкости, МПа
RcЖ50 Rcжэ Rm50
1 53,1 53,3 0,996
2 53,5 53,8 0,994
3 54,2 55,1 0,983
4 53,9 54,2 0,994
5 54,1 54,3 0,996
6 56,0 56,1 0,998
7 50,7 50,8 0,998
8 49,6 50,7 0,978
На повышение морозостойкости низкоалю-минатных белых портландцементов огромное влияние оказывают процессы гидратации, в частности, образование гидросиликатов кальция, имеющих более высокую плотность, чем гидроалюминаты кальция. Поэтому снижение их количества ведет к увеличение содержания гидросиликатов кальция, обеспечивающих увеличению плотности бетонов и повышение морозостойкости [9, 10].
Литература
1. Кузнецова Т.В., Сычев М.М., Осокин А.П. Специальные цементы: учеб. пособие для вузов. СПб.: Стройиздат, 1997. 400 с.
2. Бикбау М.Я. Нанотехнологии в производстве цемента. М.: ОАО «Московский ин-т материаловедения и эффективных технологий», 2006. 768 с.
3. Кравченко И.В., Кузнецова Т.В., Власова М.Т. Химия и технология специальных цементов. М.: Стройиздат, 208 с.
4. Череповский С.С., Алешина О.И. Производство белого и цветного портландцемента. М.: Стройиздат, 1964. 127 с.
5. Строительные материалы: учебно-справочное пособие / под ред. Г.А. Айтрапетова и Г.В. Несветаева. Ростов н/Д.: Феникс, 2004. 603 с.
6. Котенко Н.П., Щерба Ю.С., Евфорицкий А.С. Влияние полимерных и функциональных добавок на свойства битума и асфальтобетона // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2019. № 1. С. 94 - 99.
7. Мощайский Н.А. Плотность и стойкость бетонов. М.: Госстройиздат, 1951. 175 с.
8. Баженов Ю.М. Технология бетона: учеб. пособие для технол. спец. строительных вузов: 2-е изд. перераб. М.: Высшая школа. 1987. 415 с.
9. Горчаков Г.И., Капкин М.М., Скрамтаев Б.С. Повышение морозостойкости бетонов. М.: Стройиздат, 1965. 194 с.
10. Миронов С.А., Лагойда А.В. Бетоны, твердеющие на морозе. М.: Стройиздат, 1975. 268 с.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. № 2
References
1. Kuznetsova T.V., Sychev M.M., Osokin A.P. Spetsial'nye tsementy. Uchebnoe posobie dlya VUZov [Special Cements. Textbook for universities]. Sankt-Peterburg: Stroiizdat, 1997, 400 p.
2. Bikbau M.Ya. Nanotekhnologii v proizvodstve tsementa [Nanotechnologies in the production of cement]. Moscow: "Moskovskii institut materialovedeniya i effektivnykh tekhnologii", 2006, 768 p.
3. Kravchenko I.V., Kuznetsova T.V., Vlasova M.T. Khimiya i tekhnologiya spetsial'nykh tsementov [Chemistry and technology of special cements]. Moscow: Stroiizdat, 208 p.
4. Cherepovskii S.S., Aleshina O.I. Proizvodstvo belogo i tsvetnogo portlandtsementa [Production of white and colored Portland cement]. Moscow: Stroiizdat, 1964. 127 p.
5. Aitrapetov G.A. Nesvetae G.V. Stroitel'nye materialy. Uchebno-spravochnoe posobie [Building materials. Educational Reference]. Rostov-na-Donu: Feniks, 2004, 603 p.
6. Kotenko N.P., Shcherba Yu.S., Evforitskii A.S. Vliyanie polimernykh i funktsional'nykh dobavok na svoistva bituma i asfal'tobetona [Effect of polymer and functional additives on the properties of bitumen and asphalt-concrete]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2019, no. 1, pp. 94 - 99. (In Russ.)
7. Moshchaiskii N.A. Plotnost' i stoikost' betonov [Density and firmness of concrete]. Moscow: Gosstroiizdat, 1951, 175 p.
8. Bazhenov Yu.M. Tekhnologiya betona: Ucheb. posobie dlya tekhnol. spets. stroit. vuzov. [Concrete technology: Proc. manual for tehnol. specialist. builds universities]. Moscow: Vysshaya shkola, 1987, 415 p.
9. Gorchakov G.I., Kapkin M.M., Skramtaev B.S. Povyshenie morozostoikosti betonov [Increasing the frost resistance of concrete]. Moscow: Stroyizdat, 1965, 194 p.
10. Mironov S.A., Lagoida A.V. Betony, tverdeyushchie na morose [Concretes hardening in the cold]. M.: Stroiizdat, 1975, 268 p.
Поступила в редакцию /Received 25 марта 2019 г. /March 25, 2019
