СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ЦЕМЕНТНЫМ ТЯЖЕЛЫМ БЕТОНАМ В УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА СКОРОСТНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Современный подход к цементным тяжелым бетонам в условиях строительства скоростных автомобильных дорог

Денисенко Денис Александрович

аспирант Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, denisenko_1993@mail.ru

Клековкина Мария Петровна

к.т.н., доцент Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, megapolis775@mail.ru

Карпов Борис Николаевич

д.т.н., профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, kafedra-ad@yandex.ru.ru

На сегодняшний день остро ощущается потребность в скоростных автомобильных дорогах. Актуальной задачей технологии производства современных высокотехнологичных цементных тяжелых бетонов в условиях строительства скоростных автомобильных дорог является выявление и определение закономерностей, как различные факторы влияют на разрушение цементного камня и кристаллизацию цементного геля в ходе воздействиях циклического типа. Целью данной работы является изучение влияние, которые модифицирующие добавки оказывают на механические и физические характеристики цементных тяжелых бетонов при разнообразных режимах воздействия факторов окружающей среды. Были подготовлены 5 серий бетонных образцов: без добавок - контрольный (содержание цемента составляло 480 кг/м3); с НС (нафталинформальдегидный суперпластификатор); с АСЕ (суперпластификатор на основе поликарбоксилата); с комплексом НС+МКЗ(микрокремнезем); с комплексом АСЕ+МКЗ. Далее выполнялась оценка бетонов осуществлялась по следующим критериям: водопоглащение; прочность на сжатие; растяжение при изгибе и в ходе раскалывания; устойчивость относительно нагружений. Выявлено, что цементные тяжелые бетоны с АСЕ характеризуются меньшим уровнем водопоглащения относительно цементных тяжелых бетонов с НС при прочих равных условиях; комплексы добавок, которые включают основную добавку+микрокремнезем, характеризуются наибольшей эффективностью структурных модификаторов цементного камня относительно АСе. Максимальный прирост прочностных характеристик отмечается в бетонах, которые модифицированы комплексом АСЕ+МКЗ; при условии нагружения циклического типа в течение длительного периода бетона, в составе которого присутствуют комплексы добавок, отмечаются процессы кристаллизации или перекристаллизации гидратных фаз.

Ключевые слова: цементный тяжелый бетон, модификацион-ные добавки, скоростные автодороги, автодорожное покрытие, нагружения циклического типа

Введение. Развитие государственной экономики связано с его транспортной инфраструктурой. На сегодняшний день отмечается нужда автодорогах, предназначенных для скоростного движения. Ежегодно интенсивность автомобильных грузоперевозок повышается, на данный момент она находится в интервале от 2500 до 7000 транспортных средств в течение суток. Важно учитывать, что использующиеся сегодня автомагистрали РФ имеют ограниченную короткую длительность использования покрытий из асфальтобетона. Срок между проведением ремонтных работ государственной дорожной сети сейчас составляет от 2 до 4 лет, что является низким показателем [1,2]. Сведения Федерального дорожного агентства «Росавтодор» говорят о том, что менее 52% федеральных дорог отвечают установленным требованиям [3].

Эффективным решением с высоким потенциалом являются покрытия из цементных тяжелых бетонов, которые широко распространены в международной практике. Цементные тяжелые бетоны характеризуются длительным сроком эксплуатации и повышенной прочностью. Проведенные исследования говорят о том, что при условии повышенных нагрузок цементные тяжелые бетоны эксплуатируются в 2.6-4 раза эффективнее по сравнению с асфальтобетонными покрытиями [4, 5, 6]. Если обращаться к международному опыту, цементобе-тонным применяются в 42% дорог Бельгии, 36% - США, 32% - Германии и т.д., что еще раз доказывает их эффективность и положительный эффект [7].

Имеющиеся результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о наличии следующих преимуществ цементобетонных дорожных покрытий:

1. Увеличенный срок эксплуатации (25-50 лет).

2. Снижение стоимости 1 квадратного метра дорог на 25% в перспективе по сравнению с асфальтобетонными покрытиями, что становится возможным за счет увеличенного срока эксплуатации без необходимости выполнения ремонтных работ.

3. Устойчивость покрытия к истиранию.

4. Независимость эксплуатационных характеристик от температуры и влажности окружающей среды, повышенная прочность на изгиб и сжатие [8, 9].

На данном этапе развития государственной инфраструктурной сети важной задачей является возведение скоростных дорог. Покрытия современных дорог должны хорошо переносить пониженные температуры, воздействие химических веществ, нагрузки на сжатие и изгиб в течение длительного времени. На данный момент высоким потенциалом обладает производство цементных бетонов с классом прочности на сжатие от В60 и выше [10]. Задачей в ходе производства цементных бетонов является увеличение прочности до 6.5 Мпа, то есть на 1-2 Мпа по сравнению с текущим уровнем. Это продиктовано тем, что прочности на изгиб соответствует стойкость покрытий для дорог к воздействиям в течение непродолжительного времени, которые генерируют напряжение, провоцирующее трещины [11].

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м

CS

0

CS

01

о

Ш

m

X

3

<

m О X X

Несмотря на то, что сегодня изучены разнообразные способы повышения прочности автодорожных бетонов на изгиб, наиболее распространенный способ заключается в выполнении микроармирования фиброй. Также повышения прочности можно добиться посредством модификации структуры цемента в составе бетона с применением электрофизических или химических способов [12, 13].

При разных эксплуатационных условиях использования бетона для автодорог кристаллические соединения и гидросиликатный гель. Структура цементного камня в бетоне состоит из данных веществ, они по-разному реагируют на условия окружающей среды и механическим напряжениям. Например, гидросиликатный гель ведет к уменьшению концентрации напряжения, что способствует росту эксплуатационного срока и прочностных характеристик. Кристаллические фазы при этом концентрируют напряжение, что в свою очередь стимулирует развитие структурных повреждений и трещин.

В связи с этим актуальным вопросом изготовления цементных тяжелых бетонов в раках возведения скоростных автомагистралей является обнаружение следующих закономерностей: как факторы окружающей среды при воздействиях циклического типа сказываются на процессах кристаллизации цементного геля в составе цементного камня и разрушении камня в целом.

Целью данной работы является изучение изменений, протекающих в цементных тяжелых бетонах (как изменяются физические и механические характеристики) при включении в состав специальных модифицирующих добавок.

Материалы и методы. В качестве материалов использовались:

- гранулированный микрокремнезем (далее МКЗЗ).

- цемент ЦЕМ I 42.5 Н, НГ 28 %;

- гранодиоритовый щебень фракции 5-10;

- нафталинформальдегидный суперпластификатор (далее НС)

- крупный песок (МКЗр = 2.73);

- суперпластификатор на основе поликарбоксилата - Glenium ACE 430 (далее ACE);

Эффективность состава тяжелого цементного бетона до и после включения в состав модифицирующих добавок, а также прочностные характеристики материалов определялись в соответствии с действующими нормативно-правовыми актами. Испытания материалов на поглощение воды также осуществлялись строго по нормам и положениям нормативно-правовых актов [14, 15, 16].

При проведении исследования использовалось следующее оборудование:

1. WAW-600kN - для испытаний прочностных характеристик посредством призменного образца с уровнем нагружения 0.8-0.9 от нагрузки разрушения.

2. Электронный микроскоп и дериватограф Luxx STA 409 PC - для физических и химических исследований цементного камня в составе бетона после воздействия на материал циклическими нагружениями.

Результаты. Были подготовлены 5 серий бетонных образцов:

- без добавок - контрольный (содержание цемента составляло 480 кг/м3).

- с НС;

- с АСЕ;

- с комплексом НС+МКЗ;

- с комплексом АСЕ+МКЗ.

Оценка бетонов осуществлялась по следующим критериям:

- водопоглащение ^ ср);

- прочность на сжатие ^сж), на растяжение при изгибе ^изг) и при раскалывании ^рр);

- призменная прочность ^призм. )

- устойчивость к нагружениям.

Таблица 1

Результаты испытаний: как включение в состав добавок сказывается на прочностных характеристиках и уровне поглощения воды

Материал Критерий Без НС НС +МКЗ НС +МКЗ 2 года АС Е АСЕ+ МКЗ АСЕ+ МКЗ 2 года АСЕ+ МКЗ 4 года

Wср (%) 6 4.3 3.6 3.5 3.9 3.3 3.3 3.4

Rсж (Мпа) 64 82 87 89 86 92 94 95

Rизг (Мпа) 5.8 6.9 8.2 8.5 8.1 8.5 9.0 9.4

Rрр (Мпа) 3.9 4.6 5.5 5.7 5.4 5.7 6.0 6.3

Rпризм. (Мпа) 52.2 64.7 71.2 - 69. 4 73.0 - -

Устойчивость при циклическом нагруже-нии (число циклов) 55 73 152 85 242

Обсуждения. Было выявлено, что когда в смесь бетона вводится такая добавка как АСЕ, водопоглащение снижается с 6% до 4.3%, а если вводится НС-1 - с 6% до 3.8%. Это говорит о сокращении количества открытых пор в бетоне, если в нем присутсвуют добавки. Если оценивать влияние, оказываемое пластифицирующими добавками на такой показатель как открытая пористость, максимальной эффективностью по сокращению водопоглащения отличается АСЕ. Минимальное водопоглащение отмечается у бетона, в составе которого присутвует НС+МКЗ или АСЕ+МКЗ. Уровень водопоглащения у материала, в котором присутствуют данные комплексы, и который хранился в течение 28 суток при необходимыъх условия, двукратно уменьшился относительно контрольного бетона. Через 2 года и 4 года поглощение воды претерпело несущественные колебания. На основании результатов других исследований и проведенного опыта можно говорить о том, что включение НС в состав ведет к тому, что цементный камень образуется из гидросиликатов кальция , которые характеризуются выраженной склонностью к образованию кристаллов. Использование добавки АСЕ ведет к сокращению скорости старения и разрушения цементного камня и его амортизации в ходе оказания воздействий циклического характера при использовании покрытия. Параллельно увеличиваются такие характеристики как устойчивость к высушиванию и увлажнению, к высоким и низким температурам, морозу.

Добавление в бетон АСЕ ведет к повышению Rсж в больше мере, чем при добавлении НС. Данная закономерность справедлива и применительно комплекса НС+МКЗ, а также в случае повышения длительности затвердевания.

В образцах, где в составе присутствует комплекс АСЕ+МКЗ, Rизг повышается на 40% относительно контроля - 8.5 Мпа против стандартных 5.8 Мпа. В образцах, где в составе присутствует комплекс НС+МКЗ,

также отмечается повышение R^r : 8.2 Мпа против стандартных 5.8 Мпа.

Максимальное значение Rpp отмечается при добавлении в состав бетона комплекса АСЕ+МКЗ. Если длительность процесса твердения увеличивается до 4 лет, в составах с АСЕ+МКЗ, прирост прочности составляет 10%-15%, а в составах с комплексом НС+МКЗ, прирост прочности не имеет значимых изменений.

Выявленные закономерности изменения прочностных характеристик образцов были также подтверждены в ходе испытаний образцов призм.

В ходе испытаний на изучение влияния воздействий циклического типа максимальное число циклов нагружения благополучно перенесли бетонные образцы, в составе которых присутствовали комплексы НС +МКЗ и АСЕ+МКЗ, что демонстрирует повышенную устойчивость к разрушающим воздействиям и длительный срок эксплуатации.

Также в ходе данной работы были выполнены дифференциально-термические и электронно-микроскопические исследования изменений, которые произошли в бетонном цементном камне. Это позволило определить механизм разрушения образцов бетона, в составе которых присутствуют добавки.

Обнаружено, что включение АСЕ+МКЗ способствует обретению материалом лучшего аморфного состояния, что ведет к максимальному повышению устойчивости относительно циклических воздействий. После 1 тысячи циклов нагрузки до 0.8 от разрушающего порога в цементе с включением данного комплекса регистрируется процесс кристаллизации Са(ОН)2. После длительных воздействий циклического типа в цементном камне уровень Са(ОН)2 с 2.1% повышается до 5%-5.5%.

Структура цемента, в составе которого присутствует комплекс АСЕ+МКЗ, остается в аморфизированном состоянии достаточно долго. За счет этого достигается повышенная устойчивость к воздействиям циклического характера. В образцах, где в составе присутствует комплекс НС+МКЗ, структура цементного камня меняется таким образом, что способствует повышению устойчивости к разрушениям и прочностных характеристик.

Таким образом, можно говорить о том, что перекристаллизация структурных минералов и кристаллизация низкоустойчивых фаз являются начальными этапами цементного разрушения из-за воздействий циклического характера. Это негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках цементных покрытий.

Заключение. Для улучшение текущей ситуации составлены рекомендации, позволяющие усовершенствовать технологию производства цементных тяжелых бетонов в условиях строительства скоростных автомобильных дорог:

1. Цементные тяжелые бетоны с АСЕ характеризуются меньшим уровнем водопоглащения относительно цементных тяжелых бетонов с НС при прочих равных условиях.

2. Комплексы добавок, содержащие микрокремнезем, отличаются максимальной эффективностью структурных модификаторов цементного камня.

3. Кристаллизация и перекристаллизация гидрат-ных фаз начинаются при циклических длительных нагружениях, если в состав материала включены рассмотренные добавки.

4. Составы с присутствием комплекса АСЕ+микро-кремзенем характеризуются максимальным сохранением аморфной структуры гидросиликатов. Сохранение аморфной структуры гидросиликатов обеспечивает повышенную устойчивость к разрушениям циклического типа.

Литература

1. Носов В.П. Состояние проблемы и перспективы применения цементобетона при строительстве автомобильных дорог // Бетон на рубеже третьего тысячелетия : материалы 1-й Всерос. конф. по проблемам бетона и железобетона. Ч. З. М. : Ассоциация «Железобетон», 2001. С. 1711—1715.

2. Руднев Д.Г., Лыткин А.А. Исследование технологии устройства монолитных оснований при низких положительных и отрицательных температурах воздуха методом холодного ресайклинга // Молодой ученый. 2016. №12. С. 370-372. URL: https://moluch. ru/archive/116/31793/ (дата обращения: 23.06.2021).

3. Официальные данные Федерального дорожного агентства «Росавтодор» [Электронный ресурс]. URL: https://rosavtodor.gov.ru/about (Дата обращения: 23.06.2021).

4. Носов, В.П. Цементобетон в дорожном строительстве. Состояние. Проблемы. Перспективы / В.П. Носов // Перспективы и эффективность применения цементобетона в дорожном строительстве : Международный семинар. - М., 2002. - С. 5-9.

5. Актуальность и перспективы применения цементобетона в дорожном строительстве / М.Я. Якобсон, А.А. Кузнецова, А.С. Введенская, А.В. Бычков // Системные технологии. - 2016. - № 1 (18). - С. 132-140.

6. Баженов, Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. - М. : Изд-во АСВ, 2006. - 368 с.

7. Трофимов, Б.Я. Бетон для современных автомагистралей / Б.Я. Трофимов, К.В. Шулдяков // Наука ЮУрГУ : материалы 68-й научной конференции. - Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2016. - С. 199-206.

8. Ушаков В. В., Расширение строительства автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями// Наука и техника в дорожной отрасли: Москва: МАДИ(ГТУ), 2003, С. 7-8.

9. Крамар Л.Я., Кудяков А.И., Трофимов Б.Я., Шулдяков К.В. Цементные тяжелые бетоны для строительства скоростных автомобильных дорог // Вестник ТГАСУ. 2017. №4 (63). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tseirientnye-tyazhelye-betony-dlya-stroitelstva-skorostnyh-avtomobilnyh-dorog (дата обращения: 24.06.2021).

10. Superplasticizer Effect on Cement Paste Structure and Concrete Freeze-Thaw Resistance / K.V. Shuldyakov, L.Ya. Kramar, B.Ya. Trofimov, I.M. Ivanov // Advanced Materials in Techology and Construction (AMTC-2015). AIP Conf. Proc. - doi 10.1063/1.4937881. - 2016. - 1698. - P. 070011-1-070011-6.

11. A review on ultra high performance concrete: Part II. Hydration, microstructure and properties / Dehui Wang, Caijun Shi, Zemei Wu, Jianfan Xiao, Zhengyu Huang, Zhi Fang // Construction and Building Materials. - 2015. - V. 96. -P. 368-377.

12. Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с повышенной однородностью / А.И. Кудяков, В.С. Плевков, К.Л. Кудяков, А.В. Невский,

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О M

CS

0

CS

01

о

Ш

m

X

А.С. Ушакова // Строительные материалы. - 2015. - № ^^ге^^ 10. - С. 44-48.

13. Бунин, М. В. Структура и механические свойства дорожных цементных бетонов / М. В. Бунин, И. М. Грушко, А. Г. Ильин // Структура и механические свойства цементных бетонов. Харьков: Харьк. ун-т, 1998. 199 с.

14. ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности».

15. ГОСТ 10180-2012 «БЕТОНЫ. Методы определения прочности по контрольным образцам».

16. ГОСТ 12730.3-78 «БЕТОНЫ. Метод определения водопоглощения»

Modern approach to cement heavy concrete in conditions of high-speed road construction

Denisenko D.A., Klekovkina M.P., Karpov B.N.

Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

JEL classification: L61, L74, R53

Today there is an acute need for high-speed highways. The actual task of the technology for the production of modern high-tech cement heavy concrete in the conditions of the construction of high-speed highways is to identify and determine the patterns of how various factors affect the destruction of cement stone and crystallization of cement gel in the course of cyclic impacts. The purpose of this work is to study the effect that modifying additives have on the mechanical and physical characteristics of cement heavy concretes under various modes of exposure to environmental factors. 5 series of concrete samples were prepared: without additives - control (cement content was 480 kg / m3); with SP-1 (naphthalene-formaldehyde superplasticizer); with ACE (polycarboxylate-based superplasticizer); with the SP-1 + MK complex (microsilica); with the ACE + MK complex. Further, the assessment of concretes was carried out according to the following criteria: water absorption; compressive strength; stretching when bending and during splitting; stability against loading. It was revealed that cement heavy concretes with ACE are characterized by a lower level of water absorption compared to cement heavy concretes with SP-1, all other things being equal; complexes of additives, which include the main additive + microsilica, are characterized by the highest efficiency of structural modifiers of cement stone relative to ACE. The maximum increase in strength characteristics is observed in concretes modified with the ACE + MK complex; under the condition of cyclic loading for a long period of concrete, which contains complexes of additives, the processes of crystallization or recrystallization of hydrated phases are noted.

Keywords: cement heavy concrete, modification additives, high-speed roads, road surface, cyclic loading

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

Nosov V.P. Sostojanie problemy i perspektivy primenenija cementobetona pri stroitel'stve avtomobil'nyh dorog // Beton na rubezhe tret'ego tysjacheletija : materialy 1-j Vseros. konf. po problemam betona i zhelezobetona. Ch. Z. M. : Associacija «Zhelezobeton», 2001. S. 1711—1715.

Rudnev D.G., Lytkin A.A. Issledovanie tehnologii ustrojstva monolitnyh osnovanij pri nizkih polozhitel'nyh i otricatel'nyh temperaturah vozduha metodom holodnogo resajklinga // Molodoj uchenyj. 2016. №12. S. 370372. URL: https://moluch. ru/archive/116/31793/ (data obrashhenija: 23.06.2021).

Oficial'nye dannye Federal'nogo dorozhnogo agentstva «Rosavtodor» [Jelektronnyj resurs]. URL: https://rosavtodor.gov.ru/about (Data obrashhenija: 23.06.2021).

Nosov, V.P. Cementobeton v dorozhnom stroitel'stve. Sostojanie. Problemy. Perspektivy / V.P. Nosov // Perspektivy i jeffektivnost' primenenija cementobetona v dorozhnom stroitel'stve : Mezhdunarodnyj seminar. - M., 2002. - S. 5-9.

Aktual'nost' i perspektivy primenenija cementobetona v dorozhnom stroitel'stve / M.Ja. Jakobson, A.A. Kuznecova, A.S. Vvedenskaja, A.V. Bychkov // Sistemnye tehnologii. - 2016. - № 1 (18). - S. 132-140. Bazhenov, Ju.M. Modificirovannye vysokokachestvennye betony / Ju.M. Bazhenov, V.S. Dem'janova, V.I. Kalashnikov. - M. : Izd-vo ASV, 2006.

- 368 s.

Trofimov, B.Ja. Beton dlja sovremennyh avtomagistralej / B.Ja. Trofimov, K.V. Shuldjakov // Nauka JuUrGU : materialy 68-j nauchnoj konferencii.

- Cheljabinsk : Izd-vo JuUrGU, 2016. - S. 199-206.

Ushakov V. V., Rasshirenie stroitel'stva avtomobil'nyh dorog s cementobetonnymi pokrytijami// Nauka i tehnika v dorozhnoj otrasli: Moskva: MADI(GTU), 2003, S. 7-8.

Kramar L.Ja., Kudjakov A.I., Trofimov B.Ja., Shuldjakov K.V. Cementnye tjazhelye betony dlja stroitel'stva skorostnyh avtomobil'nyh dorog // Vestnik TGASU. 2017. №4 (63). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tsementnye-tyazhelye-betony-dlya-stroitelstva-skorostnyh-avtomobilnyh-dorog (data obrashhenija: 24.06.2021).

Superplasticizer Effect on Cement Paste Structure and Concrete Freeze-Thaw Resistance / K.V. Shuldyakov, L.Ya. Kramar, B.Ya. Trofimov, I.M. Ivanov // Advanced Materials in Techology and Construction (AMTC-2015). AIP Conf. Proc. - doi 10.1063/1.4937881. - 2016. - 1698. - P. 070011-1-070011-6.

A review on ultra high performance concrete: Part II. Hydration, microstructure and proper ties / Dehui Wang, Caijun Shi, Zemei Wu, Jianfan Xiao, Zhengyu Huang, Zhi Fang // Con struction and Building Materials. - 2015. - V. 96. -P. 368-377.

Sovershenstvovanie tehnologii izgotovlenija bazal'tofibrobetona s povyshennoj odnorodnost'ju / A.I. Kudjakov, V.S. Plevkov, K.L. Kudjakov, A.V. Nevskij, A.S. Ushako va // Stroitel'nye materialy. - 2015.

- № 10. - S. 44-48.

Bunin, M. V. Struktura i mehanicheskie svojstva dorozhnyh cementnyh betonov / M. V. Bunin, I. M. Grushko, A. G. Il'in // Struktura i mehanicheskie svojstva cementnyh betonov. Har'kov: Har"k. un-t, 1998. 199 s.

GOST 30459-2008 "Additives for concrete and mortars. Determination and evaluation of effectiveness ".

GOST 10180-2012 "CONCRETE. Methods for Determining Strength Using Control Samples ".

GOST 12730.3-78 "CONCRETES. Method for determining water absorption "

3

<

m о x

X