Литые бетонные смеси для дорожных покрытий

Может иметь место также  вымывание из бетона растворимых  соединений при обильном увлажнении мягкими (дождевой и талой) водами. 

Как показывает практика цементно-бетонные дороги долговечнее асфальтобетона в 5-6 раз, их срок службы может достигать 50 лет и более. Они стойки к агрессивному воздействию среды, обеспечивают высокое сцепление с колесом и не пылят. Бетонное покрытие относительно мало истирается (0,1 мм в год), толщина покрытия из него не превышает 16-22 см.     Высокая долговечность бетона позволяет сократить расходы на содержание и ремонт до минимума.

Для повышения эксплуатационных свойств бетона широкое применение получило модифицирование бетонной смеси различными химическими и минеральными добавками, в том числе и комплексными. Основой модифицирования является создание наиболее плотной структуры бетона, препятствующей проникновению в бетон воды и растворенных в ней агрессивных примесей, особенно это важно для бетонов, полученных из литых бетонных смесей, называемых литыми бетонами.

Анализ  теоретического и  практического опыта, накопленного за 25-30 лет в нашей стране и  за рубежом, показывает, что литой  бетон по своей структуре и  строительно-техническим свойствам  может стать более эффективным материалом для дорожного строительства. При строительстве оснований и покрытий из укатываемых бетонных смесей не удается добиться требуемой ровности, повышения прочности, уменьшения трудозатрат.

Одним  из путей повышения  эффективности литого бетона является его направленное модифицирование добавками.

Литые бетонные смеси не нашли широкого применения по причинам расслоения бетонных смесей традиционного состава (цемент + песок + щебень + вода + пластификатор), недостаточных показателей по морозостойкости (как правило, не выше F200) и стойкости в агрессивной среде антиобледенительных реагентов.

Для  того, чтобы получить долговечные бетонные покрытия дорог, необходимо создать бетонные смеси, характеризующиеся способностью самоуплотняться без расслоения, обеспечивающие бетону требуемые значения по прочности при изгибе и сжатии, коррозионной стойкости, морозостойкости и других эксплуатационных свойств.

Всё изложенное выше позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы, изложенные выше.

Для проведения экспериментов были использованы следующие материалы.

В качестве вяжущего использовали портландцемент марки 500-Д0-Н  (с нормированным химико-минералогическим составом) производства ЗАО «Мальцовский портландцемент» (г.Фокино Ерянской обл.). Основные характеристики цемента, определенные по стандартным методикам,  приведены в табл. 1 и 2.   

Таблица 1 Минералогический состав клинкера

Минералогический состав клинкера, %
C3S	C2S	С3А	C4AF	R2O
65,17	13,50	5,95	12,80	0,48 - 0,54

Таблица 2 Основные свойства портландцемента

№ п/п	Нормальная густота, %	Сроки схватывания, ч-мин		Предел прочности в  возрасте 28 сут, МПа,
		начало	конец	при сжатии	при изгибе
1	25,75	1-30	3-35	49,0	5,9

Портландцемент удовлетворял требованиям ГОСТ 10178-85, ГОСТ 30515-97 и  требованиям для приготовления литых бетонных смесей (ТР 147-03).

Для изготовления литого бетона применяли гранитный щебень производства  ОАО «Пенизевичский карьер», размер фракции щебня 5-10(мм).  Основные свойства щебня приведены в табл. 3.4.

Таблица 3 Характеристики щебня по механической прочности

Характеристики	Марка
На сжатие	M1200
Дробимость	Др 1400
На удар	У75
На истираемость	И-I

Таблица 4 Основные свойства щебня

Морозо-стойкость	Содержание зерен пластинчатой и игловатой, %	Содержание зерен слабых пород, %	Содержание ила, глины  и пыли, %
F300	18	0	0,5

Щебень удовлетворял требованиям ГОСТ 8267-93 и требованиям для приготовления литых бетонных смесей. Насыпная плотность 1390 кг/м³, истинная плотность 2,68 г/см³, водопотребность В_щ = 1%,

В качестве активных минеральных  добавок использовали микрокремнезём уплотнённый МКУ-85, рисовая зола. Основные свойства минеральных добавок, определенные по ГОСТ 310.2-76, приведены в таблице 5, 6 и 7. Минеральные добавки удовлетворяли требованиям ТУ 5743-048-02495332-96.

Таблица 5 Основные свойства микрокремнезёма и рисовой золы

Вид минеральной добавки	Насыпная плотность	Истинная плотность	Удельная поверхность
Микрокремнезём МКУ-85	rнас = 530 кг/м3	rист = 2200 кг/м3	Si = 20 м2/г
Рисовая зола	rнас = 265 кг/м3	rист = 2050 кг/м3	Si = 22 м2/г

Таблица 6 Химический состав рисовой золы,%

CaO	MgO	SO3	Na2O+ K2O	Al2O3+ Fe2O3	SiO2
2,6	0,83	0,42	2,74	0,41	83,56

Таблица 7 Химический состав микрокремнезёма,%

MgO	SO3	Na2O+ K2O	Al2O3+ Fe2O3	SiO2	С	SiC	С (отделенный)	Si (отделенный)
0,81	0,45	1,87	0,64	93,2	0,55	0,5	0,41	0,29

В качестве химических добавок  использовали суперпластификатор на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида,- C-3 с концентрацией 37%, гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов Sika ViscoCrete – 5 Neu и воздухововлекающее вещество SikaAer. Химические добавки удовлетворяли требованиям ТУ 2493-002-13613997-2007, ТУ 5870-034-00369171-02, ASTM C 260-81.

Приготовление литых бетонных смесей осуществляли в смесителе цикличного действия, изготовитель «Testing» (Германия).

Удобоукладываемость бетонной смеси определяли ее подвижностью в см по показателю осадки конуса, определяемой по ГОСТ 7473-94 и ГОСТ 10181-2000 и по расплыву перевернутого конуса.

Средняя  плотность бетонной смеси определялась по ГОСТ 10181-2000.

Пористость  бетонной смеси  определялась компрессионным методом  по ГОСТ 10181-2000.  Условия твердения и испытания образцов соответствовали ГОСТ 10180-90. Изготовленные образцы твердели в формах, покрытых влажной тканью при температуре 20±2°С в течение 1 сут. Затем распалубленные образцы твердели в камере при такой же температуре и относительной влажности воздуха не ниже 90%. Перед испытанием образцы выдерживали в течение 2…4 ч.

Прочность бетона на сжатие и растяжение при изгибе определяли по ГОСТ 10180-90. Прочность на растяжение при изгибе определяли на образцах - призмах размером 10x10x40 см. Прочность на сжатие определяли на образцах — кубах с ребром 10 см. Изменение линейных размеров образцов определяли в вертикальном положении с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм. Измерения проводили на образцах размером 40x40x160 мм.

Истираемость бетона определяли по ГОСТ 13087-81 на образцах размером 7x7x7 см в возрасте 28 сут. с помощью прибора ЛКИ-3.

Морозостойкость бетона определяли по ГОСТ 10060.0-95 и ГОСТ 10060.2-95 на образцах размером 10x10x10 см в солях хлористого натрия. 

Водопоглощение бетона определяли по ГОСТ 12730.3-78 и ГОСТ 12730.4-78 на образцах 70 x 70 х 70 мм. Определение показателей пористости бетонов осуществляли по кинетике их трехстадийного водопоглощения:

- Сорбционная влажность 

- Водопоглощение при полном  погружении в воду

- Водопоглощение под вакуумом.

Водонепроницаемость бетона определяли методом «мокрого пятна» (ГОСТ 12730.5-84) на образцах - цилиндрах с диаметром 150 мм и высотой 75 мм. 

 Модуль упругости бетона определяли по ГОСТ 24452-80 на образцах размером 10x10x40 см.

 Фазовый состав исходных материалов и продуктов твердения идентифицированы по результатам рентгенофазового (РФА).

  Определение фазового состава образцов производилось на рентгеновском дифрактометре Thermo Scientific модели ARL X`TRA фирмы Thermo Electron SA (Швейцария). Рентгеновская трубка фирмы THALES (Франция).

Исследование структуры  образцов и определение  элементного  состава производилось на сканирующем  микроскопе Quanta 200 с приставкой для элементного анализа EDAX. Исследования проводились в НОЦ «Новые строительные технологии и материалы» ФГБОУ ВПО «МГСУ», (рис.3,4).

Одним из эффективных способов улучшения свойств бетона является модифицирование его структуры применением многокомпонентных вяжущих. В наших исследованиях в качестве многокомпонентного вяжущего  принималась смесь портландцемента, микрокремнезема, молотого песка, пластификатора, добавляемых в бетонную смесь в процессе ее приготовления. Для изучения свойств этого композиционного вяжущего готовили указанную смесь без заполнителей в смесителе.

На первом этапе исследований были изучены основные свойства смешанного вяжущего в зависимости от расхода и вида минеральных наполнителей.

В табл. 8 приведены результаты определения нормальной густоты (НГ) цемента с добавкой молотого песка. Как видно из данных НГ увеличивается с повышением доли наполнителя.

В табл. 9 и 10 показано влияние добавки микрокренезёма и рисовой золы на НГ цементно-песчаного вяжущего. Как видно из полученных данных микрокренезём незначительно влияет на водопотребность вяжущего, тогда как рисовая зола значительно повышает ее значение.

Для устранения эффекта повышения  водопотребности при введении в  портландцемент тонкодисперсных наполнителей обычно в бетонную смесь вводят пластификатор, позволяющий снизить или устранить  отрицательный эффект от тонкодисперсного наполнителя.

 

Таблица 8 Нормальная густота цементно-песчаного вяжущего

Характеристика	Количество тонкомолотого  песка в смешанном вяжущем, % от массы цемента
	0	10	20	30
Нормальная густота	25,75	31,25	32,00	33,25

Таблица 9 Нормальная густота смешанного вяжущего (МКВ)

(цемент + 20% от массы цемента  молотого песка + микрокренезём)

Характеристика	Количество микрокренезёма в смешанном вяжущем, % массы
	0	5	10
Нормальная густота,%	32,00	33,50	36,75

Таблица 10 Нормальная густота смешанного вяжущего (МКВ)

(цемент + 20% от массы цемента  молотого песка + рисовая зола)

Характеристика	Количество рисовых зол в смешанном вяжущем, % массы
	0	5	10
Нормальная густота,%	32,50	34,50	40,00

В данной диссертационной работе была реализована концепция получения плотного бетона из литой бетонной смеси, путем модифицирования комплексной добавкой, для чего потребовалось проведение специальных исследований по установлению влияния комплексной добавки, состоящей из гиперпластификатора, активного (аморфного) тонкодисперсного и кристаллического кремнеземов, на свойства бетонной смеси и бетона.