Влияние вида пластификатора на морозостойкость дорожного бетона

РЕФЕРАТ. Недостаточная морозостойкость дорожных бетонов — ​одна из основных причин снижения среднего срока эксплуатации автомобильных мостов, быстрого разрушения тротуарной плитки, бордюрного камня и т. д. Известные критерии получения высокоморозостойких бетонов — ​водоцементное отношение (В/Ц) менее 0,4 и объемная доля вовлеченного воздуха в бетонной смеси 4—8 % — ​часто реализуются на практике ненадлежащим образом, что приводит к негативным последствиям для бетонной конструкции. Применяя в смесях различные суперплас­тификаторы, позволяющие обеспечить В/Ц < 0,4, производители могут не уделять должного внимания иным факторам долговечности, считая, что при этом гарантировано качество получаемого бетона и, в частности, его повышенная морозостойкость. 

По данным проведенных в настоящей работе испытаний дорожных бетонов, один из наиболее широко распространенных суперпластификаторов (С‑3) не обеспечил их высокую морозостойкость даже при В/Ц < 0,4. Это связано с тем, что присутствие в бетонной смеси С‑3 препятствует формированию резервной пористости в бетоне даже при использовании воздухововлекающей добавки, что приводит к пониженной морозостойкости. В отличие от него, поликарбоксилатный гиперпластификатор совместно с воздухововлекающей добавкой обеспечил высокий показатель резервной пористости и высокую морозостойкость бетонов.

Ключевые слова: дорожные бетоны, пластифицирующие добавки, воздухововленчение, морозостойкость.

Keywords: road concrete, plasticizers, air entraining, frost resistance.

Введение

Особенности эксплуатации дорожных бетонов в условиях РФ характеризуются комплексом негативных воздействий: многократным замораживанием и оттаиванием, применением противогололедных реагентов, высокими динамическими нагрузками от транспорта. По статистическим данным [1], до 65 % повреждений дорожных покрытий в стране связано с недостаточной морозостойкостью бетона. Актуальность проблемы подтверждается тем, что в большинстве регионов РФ число циклов замораживания — ​оттаивания превышает 100 в год, а в северных регионах достигает 200—250 циклов [2].

Морозостойкость бетонов главным образом зависит от двух факторов: наличия и значения капиллярной пористости, т. е. от водоцемент­ного отношения (В/Ц), и от наличия и параметров резервной (замкнутой, условно закрытой) пористости [3—5]. При повышении капиллярной пористости морозостойкость бетона крайне резко снижается, поэтому В/Ц в морозостойких бетонах должно быть меньше 0,4. Параметры резервной пористости, соответствующие оптимальной морозостойкости, — ​средний диаметр пор на уровне 250—300 мкм и такое же расстояние между порами. Счи­тается, что этого можно достичь при воздухововлечении в бетон в пределах 4—8 %.

Всю номенклатуру дорожных бетонов по технологии их изготовления можно разделить на две большие группы: вибропрессованные и вибролитые.

Вибропрессованные бетоны при очень низком В/Ц, порядка 0,22—0,35, имеют пористость по водопоглощению менее 6 % и, соответственно, высокие значения морозостойкости, так как замерзающей воды в теле бетона оказывается очень мало. Однако по такой технологии можно изготовить только мелкоштучные изделия типа тротуарной плитки и бордюрного камня.

Все другие многочисленные дорожные бетонные и железобетонные изделия и конструкции изготавливают из вибролитого бетона, и он по определению подвержен многочисленным циклам замораживания—​оттаивания в условиях насыщения раствором NaCl из пес­ко-соляных антигололедных смесей.

Морозостойкость такого бетона столь же существенно зависит от В/Ц смеси, которое максимально снижают, применяя супер- и гиперпластификаторы. Современные пластифицирующие добавки позволяют целенаправленно модифицировать структуру цементного камня и повышать долговечность бетонных покрытий и изделий [6].

Пластификаторы не только улучшают реологические свойства бетонных смесей, но и существенно влияют на макро- и микроструктуру цементного камня. Оптимальное водопотребление бетонной смеси, достигае­мое за счет применения пластификаторов, позволяет снизить капиллярную пористость — ​основной канал проникновения влаги в бетон [7]. Именно капиллярная влага, кристаллизуясь при замерзании, создает давление в порах, приводящее к разрушению бетона.

Однако на практике ввода пластификаторов оказывается недостаточно, и для повышения морозостойкости бетона в смеси дополнительно вводят воздухововлекающие добавки, обеспечивающие воздухововлечение в пределах 4—8 %, что соответствует требованиям нормативной документации [8, 9]. Такие добавки целенаправленно создают в бетоне систему замкнутых резервных пор, компенсирующих за счет доступного объема давление замерзающей воды. В работе [10] показано, что оптимальное воздухововлечение (4—6 %) повышает морозостойкость в 2—3 раза. Однако избыточное воздухововлечение приводит к снижению прочности бетона [11].

В последние десятилетия в РФ широко применяется как пластифицирующая добавка суперпластификатор С‑3 на основе нафталин- (меламин-) сульфоната формальдегида, который постепенно вытесняют гиперпластификаторы на поликарбоксилатной основе. Это обусловлено ценой соответствующих плас­тификаторов и цемента. Дорогостоящие поликарбоксилаты экономически стало выгодно применять при повышении стоимости приоб­ретения цемента более чем до 5—6 тыс. руб. за 1 т, однако, несмотря на рост этого показателя в строительный сезон 2025 года более чем до 10 тыс. руб. за 1 т, пластификатор С‑3 и в настоящее время остается ведущим продуктом в технологии бетона.

Нафталиноформальдегидный суперпластификатор С‑3 — ​один из наиболее изученных в отечественной практике. Его применение позволяет снизить водопотребление бетонной смеси на 20—25 %, что непосред­ственно повышает морозостойкость [12]. Однако эффективность С‑3 существенно зависит от минерального состава цемента и температурно-влажностных условий твердения [13].

Поликарбоксилатные эфиры обладают комбинированным действием — ​пластифицирующим и замедляющим схватывание. Такие добавки формируют более однородную мелкопористую структуру цементного камня с преобладанием замкнутых пор, что повышает морозостойкость [14]. По данным работы [15], при использовании поликарбоксилатных гиперпластификаторов можно повысить марку по морозостойкости на 50—100 циклов.

Ряд исследований указывает на перспективность комбинированного использования пластифицирующих и воздухововлекающих добавок [16, 17]. При этом одновременно снижается водопотребление и формируется оптимальная поровая структура. Авторы работы [18] отмечают, что такой подход позволяет создавать бетоны с морозостойкостью F300—F400 даже на рядовых заполнителях.

В то же время остается не до конца изучен­ным вопрос о влиянии С‑3 на морозостойкость дорожных бетонов. Например, тротуарная плитка с С‑3 вибропластического формования при В/Ц = 0,35—0,38 не может эксплуатироваться в присутствии растворов NaCl, на что указывают сами производители в сопроводительных документах [19]. В противном случае плитка разрушается уже в первые годы эксплуатации (рис. 1).

Рис. 1. Разрушение тротуарной плитки под действием NaCl, входящей в состав песко-соляной смеси

Цель данной работы заключается в исследовании влияния вида пластификатора на морозостойкость тяжелого бетона в присутствии воздухововлекающей добавки и воздействии раствора NaCl.

Объект исследования — ​дорожные бетоны, используемые для искусственных сооружений (мостов и путепроводов) и конструктивных слоев дорожных одежд, включая тротуарную плитку.

Предмет исследования — ​изучение воздухововлечения в бетонные смеси с различными пластификаторами и его влияние на морозостойкость получаемых бетонов.

Материалы и методы

В качестве пластифицирующих и воздухововлекающей добавок использовалась продукция ООО «Полипласт» — ​гиперпластификатор Гиперпласт 120, воздухововлекающая добавка Полипласт ВВ и суперпластификатор СП‑1; также использовался суперпластификатор белорусского производства Frem С‑3.

Исследования проводились по ускоренной методике F3 (ГОСТ 10060—2012), т. е. образцы-кубы с длиной ребра 100 мм замораживались и размораживались в 5 %-ном растворе NaCl при температуре –50 °C.

Были использованы следующие сырьевые материалы:

• портландцемент для транспортного строи­тельства ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 55224—2020 производства ООО «Алтай цемент»;
• песок из отсевов дробления с модулем крупности 2,07 и насыпной плотностью 1377 кг/м³ производства ООО «Верх-Катунская дробильно-сортировочная фаб­рика»;
• щебень фракции 5—10 мм насыпной плотностью 1328 кг/м³ производства ООО «Троицкий гранит».

Ориентировочный состав тяжелых бетонов приведен в табл. 1. Бетонные смеси приготавливали вручную с перемешиванием минеральных компонентов и последующим добавлением воды, пластификаторов и воздухововлекающей добавки.

Влияние NaCl на бетон оценивали с учетом потери массы каждого образца, которая должна составлять не более 2 % (по ГОСТ 10060), при превышении этого параметра испытание прекращали.

Как уже отмечено, для дорожных бетонов один из основных параметров — ​воздухововлечение бетонной смеси, которое в соответствии с нормативной документацией может варьироваться в пределах 4—8 %. Этот показатель определяли по методике ГОСТ 10181—2014 с использованием прибора Testing 2.0334.

Пористость бетона определяли по ГОСТ 12730.4—2020 «Бетоны. Методы определения параметров пористости».

Результаты и их обсуждение

Испытания на морозостойкость проводили с составами, модифицированными либо одной из пластифицирующих добавок, либо одной из них в сочетании с воздухововлекаю­щей добавкой.

Суперпластификаторы Frem С‑3 и СП‑1 не влияют на морозостойкость бетона — ​показатель остается в тех же пределах, что и для контрольного состава (рис. 2). Морозостойкость повышают воздухововлекающая добавка (максимальное число циклов равно 200 — ​при ее содержании 0,64 %) и гиперпластификатор, при содержании которого 2 % число циклов достигает 300.

Рис. 2. Морозостойкость составов, модифицированных одной добавкой

Результаты, получаемые при совместном использовании пластифицирующих и воздухововлекающей добавок, представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Морозостойкость бетонов с суперпластификатором Frem С‑3 и воздухововлекающей добавкой. Здесь и на рис. 4: R — ​коэффициент корреляции

Рис. 4. Морозостойкость бетонов с гиперпластификатором и воздухововлекающей добавкой

При сравнении двух рецептур можно заметить, что составы с суперпластификатором Frem С‑3 выдерживают в 2 раза меньше циклов замораживания — ​оттаивания, чем аналогичный состав с гиперпластификатором Гиперпласт‑120. Кроме того, при расходе С‑3 около 1 % массы цемента воздухововлекающая добавка не влияет на морозостойкость бетона (см. рис. 3), в отличие от составов с добавкой Гиперпласт‑120 (см. рис. 4), морозостойкость которых экспоненциально повышается с увеличением дозировки Полипласт ВВ.

Морозостойкость бетона с С‑3 остается низкой (в пределах 100 циклов) при замораживании в 5 %-ном растворе NaCl, и только существенное увеличение дозировки и С‑3 (до 1,5—2,0 %), и воздухововлекающей добавки (до 0,68 %) позволяет повысить морозостойкость бетона до 150—175 циклов.

Полученные результаты по морозостойкости можно объяснить исходя из данных табл. 2 о воздухововлечении в бетонные смеси. Для контрольного состава без добавок воздухововлечение равно 2 %, в то время как составы с добавками показали следующие результаты:

• воздухововлекающая добавка Полипласт ВВ увеличивает воздухововлечение смеси в 3—4 раза по сравнению с показателем для контрольного состава;
• гиперпластификатор Гиперпласт‑120 повышает воздухововлечение в 1,1—1,5 раза по сравнению с показателем для кон­трольного состава, и еще больше оно увеличивается, если присутствует также Полипласт ВВ;
• суперпластификатор Frem С‑3 радикально уменьшает воздухововлечение в бетонные смеси. В составах без Полипласт ВВ воздухововлечение с С‑3 практически отсутствует (0,5 %). Дополнительное введение добавки Полипласт ВВ не позволяет добиться требуемого воздухововлечения, оно оказывается в 2—4 раза ниже, чем для контрольного состава и составов с гиперпластификатором.

Таким образом, суперпластификатор Frem С‑3 не позволяет сформировать резервную пористость и, как следствие, значительно снижает морозостойкость бетона. Исходя из того, что значения морозостойкости бетонов с добавками Frem С‑3 и Полипласт СП‑1 близки, можно предполагать сходный механизм действия последней в бетонных смесях.

В то же время резервная пористость бетонов с поликарбоксилатным гиперпластификатором достигает требуемых значений и в отсутствие воздухововлекающей добавки, ввиду чего морозостойкость содержащих его бетонов достаточно высока.

Результаты определения общей и закрытой пористости бетона по ГОСТ 12730.4—2020 по кинетике водопоглощения (табл. 3) в целом коррелируют с данными табл. 2.

Выводы

Согласно данным испытаний бетонов с суперпластификаторами Frem С‑3 и Полипласт СП‑1 по методике F3 ГОСТ 10060—2012, их морозостойкость низка — ​100—125 циклов. При совместном вводе С‑3 и воздухововлекаю­щей добавки этот показатель повышается незначительно, до 150—175 циклов, в то время как морозостойкость бетонов с поликарбоксилатным гиперпластификатором и воздухововлекающей добавкой практически в 2 раза выше.

Причина низкой морозостойкости бетонов с С‑3 — ​разрушение воздушных пузырьков резервной пористости как в бетонах с воздухововлекающей добавкой, так и без нее. При этом не удается обеспечить объемную долю вовлеченного воздуха в бетоне с С‑3 более 3—3,5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров В.В., Семенов А.А. Современные проблемы долговечности дорожных бетонов в условиях России // Строительные материалы. 2020. № 5. С. 34—38.

2. Федоров Л.Н. Морозостойкость бетона: теория и практика. М.: Стройиздат, 2018. 312 с.

3. Collins A. The destruction of concrete by frost // Institute of Civil Engineers. 1944. P. 5412.

4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и прак­тика. М.: Фирма Технопроект АО «Астра семь», 1998. 768 с.

5. Доценко Н.А., Яновская А.В., Коржаева Е.Э. Влияние некоторых рецептурных факторов на показатели морозостойкости и водонепроницаемости бетонов слитной структуры // The Eurasian Scientific J. 2020. Vol. 12, N1. P. 8.

6. Петров В.В., Семенов А.А. Современные добавки в бетоны для дорожного строительства // Строительные материалы. 2020. № 5. С. 34—38.

7. Кравченко И.Л., Орлов А.С. Влияние пластификаторов на структуру цементного камня // Цемент и его применение. 2019. № 3. С. 45—49.

8. ГОСТ 59300—2021. Дороги автомобильные общего пользования. Смеси бетонные для устройства слоев оснований и покрытий. Технические условия. М.: Российский институт стандартизации. 2021. 31 с.

9. ГОСТ 59302—2021. Дороги автомобильные общего пользования. Смеси бетонные для устройства слоев оснований и покрытий. Правила подбора состава. М.: Российский институт стандартизации. 2021. 15 с.

10. Морозов Н.С. Гиперпластификаторы нового поколения // Строительство и архитектура. 2022. № 1. С. 41—45.

11. Попова Е.В. Воздухововлекающие добавки для морозостойких бетонов // Транспортное строительство. 2019. № 4. С. 28—31.

12. Федоров Л.Н. Суперпластификаторы в тяжелых бетонах. М.: Стройиздат, 2018. 256 с.

13. Гусев А.К., Тихонов Ю.В. Эффективность добавок в различных условиях твердения бетона // Бетон и железобетон. 2021. № 2. С. 22—26.

14. Smith J., Johnson R. Polycarboxylate ether superplasticizers in concrete // Cement and Concrete Research. 2020. Vol. 135. P. 106—115.

15. Морозов Н.С. Гиперпластификаторы нового поколения // Строительство и архитектура. 2022. № 1. С. 41—45.

16. Калинин Д.Ю. Комбинированные добавки для особо долговечных бетонов // Вестн. гражданских инженеров. 2020. № 6. С. 67—72.

17. Wilson P., Thompson L. Synergistic effects of chemical admixtures // Construction and Building Mater. 2019. Vol. 228. P. 116—125.

18. Сергеев П.А. Высокоморозостойкие бетоны для северных регионов. СПб.: Строй-Пресс, 2021. 312 с.

19. ГОСТ 17608—2017. Плиты бетонные тротуарные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2017. 50 с.