Бетон для дорожных покрытий, содержащий молотый гранулированный доменный шлак

РЕФЕРАТ. Показана эффективность использования молотого гранулированного доменного шлака (МГДШ), заменяющего 40 % цемента, в составе бетона для дорожных покрытий совместно с полимерной химической добавкой и минеральной добавкой, активированной поликарбоксилатными полимерами. Свойства разработанного бетона, проявленные им на построенных экспериментальных участках автодороги, позволяют говорить о целесообразности его использования при изготовлении дорожных покрытий.

Ключевые слова: молотый гранулированный доменный шлак (МГДШ), бетон, дорожное покрытие, прочность, устойчивость к трещино­образованию, морозостойкость, водонепроницаемость, химическая стойкость, твердость, истираемость.

Keywords: ground granulated blast furnace slag (GGBFS), concrete, road surface, strength, resistance to cracking, frost resistance, water resistance, chemical resistance, hardness, abrasion.

Введение

Тенденция снижения производства шлакопортландцемента и цементов с минеральными добавками, в частности гранулированного доменного шлака (ГДШ), наблюдающаяся в последние годы, привела к необходимости разработки новых технических решений, связанных с использованием этого материала.

С учетом актуальности создания высокоэффективных дорожных покрытий, которые отличались бы повышенной надежностью, в данной работе проверена возможность использования молотого ГДШ (МГДШ) в высокопрочных дорожных бетонах.

Согласно ГОСТ 26633—2015, требования к прочности на сжатие, растяжению при изгибе и морозостойкости бетонов для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов необходимо устанавливать в зависимости от вида конструктивного слоя и климатических условий эксплуатации. В качестве вяжущего для изготовления таких бетонов следует применять портландцемент на основе клинкера нормированного минералогического состава по ГОСТ 10178—85. При этом, согласно п. 1.14 этого стандарта, в случае использования цементов ПЦ 400-Д20-Н и ПЦ 500-Д20-Н они должны содержать в качестве добавки ГДШ в количестве не более 15 %.

Согласно п. 4.5.3 ГОСТ 26633—2015, возможность применения материалов для бетона, показатели качества которых не соответствуют требованиям данного стандарта, должна быть подтверждена обосновывающими исследованиями.

Цель данной работы — разработать бетон для дорожных покрытий, соответствующий по показателям прочности требова­ниям к бетону B30B_tb3,6, в составе которого значительная часть цемента заменена на МГДШ. Для этого использовали комплексные химические добавки, обладающие гиперплас­тифицирующим дей­ствием и активирующие реакционную способность портландцемента и МГДШ.

Материалы и методика испытаний

Для изготовления бетонных смесей использовали следующие материалы:

⋅ цемент ПЦ 500-Д0-Н по ГОСТ 10178—85 производства АО «Пикалевский цемент» (прочность на сжатие в возрас­те 28 сут — ​51,2 МПа; истинная плотность — ​3,1 г/ см³; нормальная густота цементного теста — ​26,0 %; минералогический состав: С₃S — ​64,4; С₂S — ​16,0; С₃А — ​4,8; С₄AF — ​11,3 %); сроки схватывания: начало — ​110 мин, конец — ​165 мин); 

⋅ МГДШ тониной помола 300 кг/м² производства ПАО «Северсталь» (табл. 1);

⋅ песок для строительных работ (насыпная плотность 2700 кг/м³, то же в состоянии естественной влажности — ​1460 кг/м³, то же в сухом состоянии — ​1550 кг/м³, содержание пылевидных и глинистых частиц — ​1,92 %, глины в комках нет) по ГОСТ 8736—2014;

⋅ щебень из плотных горных пород (смесь фракций 5—20 мм, насыпная плотность 1310 кг/м³, содержание зерен пластинчатой и угловатой формы 14,4 %, содержание глинистых и пылеватых частиц 0,98 %, морозостойкость F300, марка по дробимости 1400);

⋅ жидкую добавку для бетонных смесей, состоящую из поликарбоксилатного полимера на основе метакриловой кислоты, золя кремниевой кис­лоты (с плотностью ρ = 1,021 г/ см³ и pH = 3,5) и глюконата нат­рия, по ТУ 5743—009—56147703—2013;

⋅ разработанную на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС комплексную твердую добавку на основе метакаолина «МКЖЛ», тонкодисперс­ного полимера на основе аллилового эфира малеиновой кислоты и нитрата калия.

Испытания бетона проводились в ИЛ АНИТЦ «СОКРАТ». Бетоны твердели в естес­твенных условиях при положительной температуре. Их прочность на сжатие и на растяжение при изгибе определяли по ГОСТ 10180—2012. Для определения прочности на сжатие изготавливали по шесть образцов-кубов с длиной ребра 10 см, по четырем наибольшим результатам измерения рассчитывали среднее значение прочности. Погрешность составляла до 2 % в соответствии с ГОСТ 28840—90. Все остальные испытания проводили по соответствующим методикам ГОСТ.

Физико-механические испытания

Рецептуры разработанных бетонных смесей и данные о прочности и плотности образцов затвердевшего бетона представлены в табл. 2. Прочность на растяжение при изгибе бетона с жидкой и комплексной твердой добавками (состав Б2), не содержащего МГДШ, была на 42 % выше, чем в их отсут­ствие (состав Б1). Ввод МГДШ в состав бетона (состав Б3) привел к росту на растяжение при изгибе на 72 % и прочности на сжатие — ​на 60 % по сравнению с показателями для состава Б1. В связи с этим был изготовлен бетон, в котором 40 % цемента заменили на МГДШ (состав Б4). Показатели его прочности были близки к показателям состава Б2, а водопоглощение (2,6 %) — ​более чем на 45 % ниже, чем для состава Б1.

Результаты определения свойств, от которых зависит устойчивость дорожных покрытий к негативному воздействию окружающей среды, приведены в табл. 3. Видно, что при совместном использовании в бетоне жидкой добавки, комплексной твердой добавки и МДГШ (состав Б4) морозостойкость и водонепроницаемость повышаются в 2 раза, химическая стойкость — ​на 16 %, а истирае­мость уменьшается на 40 % по сравнению с показателями для контрольного (бездобавочного) состава Б1.

ПАО «Северсталь» обладает исключительными правами на разработанный бетон в соответствии с заявкой на изобретение № 2020104309 от 30 января 2020 года, по которой 25 мая 2020 года принято решение о выдаче патента

Экспериментальное строительство дороги

Для экспериментального строительства дороги с покрытием из цементно-шлакового бетона был выбран участок протяженностью 140 м и шириной 13,5 м на территории ПАО «Северсталь», эксплуатируемый в тяжелых условиях (более 150 рейсов груженых само­свалов ежесуточно). После расчета конструкции дорожных одежд, выполненного совместно с ООО «АзъПроектСтрой» и ООО «Северсталь Проект», было принято решение разделить дорогу на четыре участка длиной по 35 м. Два из них (участки № 1 и 2) были построены ​с покрытием толщиной 28 см из разработанного бетона со стальной фиброй Hendix Prime 75/52 (30 кг фибры на 1 м³ бетона) и толщиной 32 см — ​без нее, два (участки № 3 и 4)— с нижним слоем покрытия толщиной 15 см из жесткого бетона и верх­ним слоем покрытия толщиной 20—22 см из разработанного бетона с той же фиброй и без нее. В основании на всех участках были уложены ГДШ (взамен песка) и щебень из сталеплавильного шлака.

Испытания проб, отобранных при произ­водстве бетона, проводили параллельно в ИЛ АНИТЦ «СОКРАТ», в лаборатории ООО «Альфа-Бетон» и в строительной лаборатории ПАО «Северсталь» под руководством специа­листов ООО «АзъПроектСтрой».

Для изготовления покрытия были подобраны рецептуры следующих бетонов: В10В_tb1,2F₂100 Ж5 (Э1, материал основания), В30В_tb4,0F₂300W8 с фиброй (Э2), В30В_tb4,0F₂300W8 без нее (Э3).

Бетоны Э2 и Э3 включали в себя те же материалы, что и бетон Б4, были близки к нему по рецептуре смеси (в частности, содержали столько же цемента и МГДШ) и имели следующие проект­ные свойства:

⋅ класс по прочности на сжатие В30 и требуемую прочность в проектном возрасте по ГОСТ 18105—2010, равную 38,4 МПа;

⋅ класс по прочности на растяжение при изгибе В_tb4,0 и требуемую проектную проч­ность 5,2 МПа;

⋅ марку по морозостойкости, равную F₂300, по ГОСТ 10060—2012;

⋅ марку по водонепроницаемости, равную W8, по ГОСТ 12730.5—84;

⋅ марку по подвижности П2 (осадка конуса 5—9 см).

Бетон укладывали на экспериментальных участках осенью 2019 года, дорога введена в эксплуатацию 31 декабря 2019 года. В марте 2020 года определили прочность бетонного покрытия методом отрыва со скалыванием и ультразвуковым методом. Результаты приведены в табл. 4. Видно, что фактическая проч­ность на всех участках превышает требуемое значение. В результате визуального осмотра автодороги не обнаружены какие-либо дефекты, связанные с целостностью бетонного покрытия опытных участков (см. рисунок).

Экспериментальные участки автодороги (март 2020 года): а — № 1—4, б — № 3 и 4. Дефекты бетонного покрытия отсутствуют

Выводы

Разработанный бетон, содержащий МГДШ взамен 40 % цемента, полимерную химическую добавку и минерально-поликарбоксилатную добавку, удовлетворяет требова­ниям к бетонам дорожных покрытий для трасс с повышенной интенсивностью движения. Это подтверждено после трех месяцев эксплуа­тации в зимне-весенний период экспериментальных участков автодороги с последую­щими визуальным осмотром и испытания­ми материала покрытия неразрушающими методами.