Модификация бетонов для изготовления промышленных и машиностроительных конструкций с повышенной стабильностью геометрических характеристик

РЕФЕРАТ. Статья посвящена проблеме обеспечения геометрической стабильности бетонных элементов промышленных и машиностроительных конструкций при температурно-влажностных и динамических воздействиях. Цель проведенных исследований — разработка и экспериментальное обоснование состава модифицированного бетона с низкими усадочными деформациями, повышенными вибродинамическими характеристиками, а также выбор защитного покрытия его поверхности. В качестве сырья использовали портландцемент ЦЕМ 0 52,5Н, кварцевый песок, поликарбоксилатный гиперпластификатор, молотый мрамор, сульфоалюминатную расширяющую добавку Denka CSA20 и бутилцеллозольв. Оценивали прочность, усадку, динамический модуль упругости, логарифмический декремент колебаний, коэффициент линейного теплового расширения, а также влияние циклического замораживания—оттаивания и эффективность гидрофобизирующих покрытий. Установлено, что совместное введение 10 % сульфоалюминатной добавки и 1,2 % бутилцеллозольва (от массы цемента) позволяет получить безусадочный бетон (деформации менее 0,05 мм/м) с прочностью 70—80 МПа и динамическим модулем упругости 43—47 ГПа. После 15 циклов замораживания—​оттаивания оптимальные составы сохраняют динамические характеристики, тогда как избыток расширяющей добавки приводит к образованию микротрещин и снижению модуля упругости до 60 %. Двухслойное покрытие эпоксидной смолой ЭД‑20 снижает водопоглощение на 67,5 %. Разработанные составы и методы защиты позволяют применять бетон в качестве альтернативы чугуну и полимербетону для изготовления геомет­рически стабильных элементов промышленного оборудования.

Ключевые слова: конструкционные материалы, высокофункциональный бетон, термическое расширение, расширяющаяся добавка, размерная стабильность, станины станков, усадочные деформации, тепловое расширение, гидрофобизирующие покрытия, циклическое замораживание, динамические характеристики, демпфирующие свойства, промышленное оборудование.

Keywords: structural materials, high-performance concrete, thermal expansion, expansive additive, dimensional stability, machine tool beds, shrinkage deformations, thermal expansion, hydrophobic coatings, freeze-thaw cycling, dynamic properties, damping properties, industrial equipment.

Введение 

К долговечности и эксплуатационной надежности строительных конструкций промышленного и машиностроительного назначения предъявляются повышенные требования, особенно на современном этапе. Особое значение приобретает обеспечение геометрической стабильности элементов, работающих в условиях динамических нагрузок и переменных температурно-влажностных воздействий [1, 2].

Металлические конструкционные материалы (чугун, сталь, алюминиевые сплавы) имеют ряд недостатков — высокую стоимость, значительную плотность, недостаточное демпфирование колебаний. В этом контексте перспективу приобрела разработка модифицированных бетонов, способных сохранять стабильность характеристик в течение всего жизненного цикла конструкции.

Общестроительные бетоны не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам для машиностроения, где малейшие изменения геометрических параметров приводят к нарушению функциональности всей обрабатывающей системы [3]. Актуальность и практическая значимость данной проблемы диктуют необходимость создания цементных материалов, сочетающих высокие прочностные характеристики с пониженными деформациями усадки и температурным расширением.

Цель описанных в статье исследований модифицированных бетонов — обеспечение стабильности геометрических параметров силовых конструкций различного назначения. Особое внимание уделено изучению влияния расширяющих добавок и гидрофобизирующих покрытий на эксплуатацион­ные характеристики материала при цик­лическом изменении температуры и влажности.

Методы и материалы

В экспериментах применяли следующие сырьевые материалы и химические добавки: порт­ландцемент (ПЦ) ЦЕМ 0 52,5Н (С₃S — ​67,2 %, С₂S — ​12,0 %, С₃А — ​6,7 %, С₄AF — ​11,9 %) производства ООО «Азия Цемент», Пензенская обл.; песок кварцевый (П) Ртищевского месторождения (Саратовская обл.), Мк = 2,33; гиперпластификатор на поликарбоксилатной основе (ГП) Sika ViscoCrete 226-P (Sika, РФ); молотый мрамор (КМ) (Sуд = 230 м²/ кг) (Раменский ГОК, РФ); компенсатор усадки на основе сульфоалюмината кальция (САК) Denka CSA20 (Degussa Construction Systems Co., Япония); 2-бутоксиэтанол (бутилцеллозольв) 99+% (КНР) CAS111-76-2.

Деформации усадки определяли согласно рекомендациям ГОСТ 24544—2020 по образцам-призмам длиной 300 мм. Динамические характеристики образцов (динамический модуль упругости E_d и логарифмический декремент колебаний δ) устанавливались методом свободных изгибных колебаний [4] по образцам-балочкам размерами 300 × 28 × 40 мм (длина × высота × ширина). Виброотклик записывался пьезоэлектрическим датчиком, данные с которого после аналого-цифрового преобразования анализировала специализированная программа. Схемы испытаний для определения Ed и статического модуля упругости E показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схемы испытаний для определения динамического (а) и статического (б) модулей упругости (обозначения — ​согласно формулам 1, 2)

Динамический модуль упругости вычис­ляли по формуле

где x — ​коэффициент, учитывающий форму колебаний (x = 0,946—0,965); T — коэффи­циент, зависящий от отношения высоты сечения к длине образца и от коэффициента Пуассона (T = 1,02—1,20); f — ​первая собственная частота изгибных колебаний, Гц; L —​ длина образца, м; m — ​масса образца, кг.

Статический модуль упругости вычисляли по формуле

где ΔF — ​изменение нагрузки, Н; l — ​пролет образца, м; h — ​высота сечения образца, м; b — ​ширина сечения образца, м; Δω — ​изменение прогиба, м.

Логарифмический декремент колебаний образца вычисляли по формуле

где A_i, A_(i+1) — ​амплитуды двух последовательных колебаний.

Температурный коэффициент линейного расширения at в диапазоне температур, характерном для эксплуатации технологического оборудования и станков в промышленных условиях, определяли следующим образом. Предварительно завернутый в полимерную пленку призматический бетонный образец 1 (рис. 2, а) длиной 300 мм термостатировали в холодильной камере при температуре 5 °C в течение 3—5 ч (рис. 2, б), после чего его устанавливали в измерительную раму, оснащенную датчиком линейного перемещения 2 с ценой деления 0,2 мкм. Далее начинали фиксировать экспериментальные данные. Предотвращение тепловых деформаций измерительной системы обеспечивал контакт образца и рамы через стальные опоры 3, снабженные наконечниками из инварного сплава 4 с установленными на них теплорассеивающими элементами 5. Затем прибор с образцом термостатировали при температуре 20—30 °C до прекращения изменений показаний датчика перемещения. Значение a_t вычисляли по формуле:

где  — ​изменение длины образца, м; L₀ — ​его базовая длина, м;  — ​разность между конечной и начальной температурами (20—30 и 5 °C соответственно).

Рис. 2. Определение температурного коэффициента линейного расширения: а — ​схема установки, б — ​термостатирование образцов в климатической камере, в — ​определение деформации образца

Также определяли важное для практического применения бетона изменение его динамических показателей при циклическом замораживании — ​оттаивании (рис. 3). С этой целью образцы бетона после определения начальных характеристик E_d⁰ и δ⁰ помещали в автоматическую холодильную камеру, где подвергали 15 циклам замораживания—​оттаи­вания. После извлечения материал термостатировали в воздушно-сухих условиях на протяжении 7 сут, а затем вновь определяли его вибродинамические показатели (E_d¹ и δ¹).

Рис. 3. Контрольные образцы для оценки изменения свойств бетона

Обзор литературы и экспериментальная часть

Известны примеры успешного использования природного камня в бетоне при изготовлении конструкций высокоточных станков и оборудования [5]. Они основаны на способности гетерогенных каменных структур эффективно поглощать экстремальные вибросиловые импульсы, сочетающейся с их теплофизическими свойствами, что обеспечивает уникальную геометрическую стабильность всей системе, работающей под нагрузкой. В качестве природного камня, как правило, используют средне- и мелкозернистые граниты, характеризую­щиеся относительной доступностью и подходящими физико-механическими свойствами (табл. 1).

Таблица 1

Показатели свойств натурального камня для станкостроения [6]

Учитывая высокое содержание заполнителей на основе гранита и его отсевов в составах современных бетонов (70—80 %), вполне реально расширить их применение в машиностроении и смежных областях.

Практические поиски оптимальных технических решений в рассматриваемом направлении предпринимались с первой половины XX века [7, 8]. В работе [9] представлены результаты создания обрабатывающего центра на бетонной станине. В результате испытаний установлено высокое демпфирование бетона в высокочастотном диапазоне при сохранении изгибной жесткости, сопоставимой с тем же показателем для чугуна. Проведенные исследования показали, что наличие защитного полимерного покрытия на поверхности бетона обеспечивает ему достаточную стойкость к воздействию влаги и смазочно-охлаждающих жидкостей, а также способствует минимизации усадочных деформаций.

Несмотря на положительные результаты, достигнутые отдельными группами инженеров-исследователей в различных странах, их практическая реализация долгое время сдерживалась дефицитом или несовершенством доступных материалов. Бетоны старого поколения характеризовались значительной усадкой, а также недостаточными механическими показателями и технологичностью [10, 11]. В машиностроительном материаловедении превалировало мнение об ограниченной пригодности цементных бетонов для применения в станкостроении. Автор работы [12] выделял усадку, ползучесть и трещинообразование цементного камня в качестве основных недостатков бетонов как материалов для прецизион­ного машиностроения.

Успехи в области теории структурообразования и совершенствование химических добавок создали предпосылки для появления многокомпонентных цементных композитов нового поколения — ​высокофункциональных (высококачественных, High Performance Concrete, HPC) и сверхвысокофункциональных бетонов (Ultra High Performance Concrete, UHPC), характеризующихся повышенной восприимчивостью к модифицированию.

В машиностроении незначительная деформация несущего каркаса обрабатывающего оборудования создает опасность выхода допусков за предельные значения. В связи с этим ползучесть бетона, которая, в отличие от металлов, проявляется при любом уровне механических напряжений, представляет собой актуальную проблему.

Благодаря низкому В/Ц и оптимизированной микроструктуре UHPC демонстрируют ползучесть, сопоставимую с полимербетонами, имея пониженный температурный коэффициент расширения, что делает их, по мнению ряда зарубежных авторов [13], перспективной альтернативой традиционным конструкционным материалам.

В публикации [14] представлен запуск в КНР промышленного производства бетонных деталей на основе UHPC для машиностроения. Активная часть заливочных смесей включала цементное вяжущее Nanodur Compound (Германия). Описан успешный опыт изготовления бетонных опор портального фрезерного станка размерами 4,0 × 1,8 × 1,0 м и общим объемом 7,5 м³.

За последнее время в лабораториях кафедры «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского государ­ственного университета архитектуры и строи­тельства (ПГУАС) разработаны рецептуры самоуплотняющихся бетонов с повышенными демпфирующими и деформативными характеристиками [15—17]. Экспериментально обосновано применение сульфоалюминатной добавки Denka CSA20 в сочетании с бутилцеллозольвом для получения малоусадочных составов мелкозернистого высокопрочного бетона [15]. Полученные результаты использовали при создании прототипов промышленного оборудования с базовыми элементами из цементных бетонов, включая станину малогабаритного металлорежущего станка (рис. 4) [18].

Рис. 4. Станок с ЧПУ на бетонной станине конструкции ПГУАС

В ходе натурных испытаний подтверждена целесообразность замены традиционных чугунных и полимербетонных элементов на бетонные композиты при условии обеспечения их геометрической стабильности в ходе экс­плуатации [19].

Ключевыми параметрами, определяющими пригодность материала для изготовления несущих элементов промышленного оборудования, являются модуль упругости, плотность, прочность, динамические и демпфирующие свойства, а также усадка и показатель теп­лового расширения [2, 18]. E_d определялся в час­тотном диапазоне до 1200 Гц [20]. В табл. 2 приведены в сравнении характеристики разрабатываемых составов и традиционных конструкционных материалов.

Таблица 2

Свойства материалов для элементов промышленного оборудования

* Н. д. — ​Нет данных.

** Литейная усадка.

Источники данных о стоимости материалов: 1 – расчет по данным Росстата за 2025 год [21], 2 – экспортные цены (FOB Черное море) [22], 3 – расчет по данным о спотовых ценах на Лондонской бирже металлов (LME) [23]

Влияние факторов внешней среды на характеристики бетона, определяющие геомет­рическую стабильность конструкций, изучали на образцах со следующим составом (расход компонентов, кг/м³):

• ПЦ — ​609—617;
• КМ — ​163—283;
• П — ​1215—1230;
• ГП — ​4,86—4,92;
• бутилцеллозольв — ​0,42—14,2;
• расширяющая добавка — ​4,2—142,8;
• вода — ​213—216.

В/Ц всех образцов составляло 0,35 (В/Т = 0,1). При этом смеси были самоуплотняющимися, а предельное напряжение сдвига составляло 2,78—3,29 Па. Прочность в возрасте 28 сут находилась в диапазоне от 20,1 (при избыточном содержании расширяющей добавки) до 80,3 МПа. Усадку образцов измеряли до момента выхода значения на плато (112 сут). Ранее установлено, что безусадочными в заданных температурно-влажностных условиях являются составы, включающие 10 % САК и 1,2 % бутилцеллозольва (от массы цемента) [15]. При этом значение E_d образцов ограничивалось диа­пазоном 33,2—47,2 ГПа, а d_у — ​0,021—0,031.

После 6 месяцев твердения образцы испытывали для определения динамического модуля упругости и демпфирования, а также их усадки и a_t. Установлено, что at мало зависит от дозировки противоусадочных добавок и находится в диапазоне (11,7—11,9) · 10–6 °C–1, что несколько меньше, чем у образцов без указанных добавок ((12,1—12,8) · 10–6 °C–1). Затем образцы подвергали циклическому замораживанию по принятому режиму с последующим проведением повторных динамических испытаний. На рис. 5 приведены поверхности отклика функции отношения конечного значения характеристики образца бетона к ее начальному значению перед испытанием.

Установлены коэффициенты математических моделей, приведенных на рис. 5:

E_d¹/E_d⁰ = –0,003x₁² – ​0,004x₁x₂ – 0,025x₂² + 0,039x₁ + 0,100x₂ + 0,938,       (5)

δ¹/δ⁰ = 0,013x₁² + 0,045x₁x₂ + 0,128x₂² – 0,212x₁ – 0,575x₂ + 2,219,            (6)

где x₁, x₂ — ​доли расширяющей добавки и бутилцеллозольва соответственно, % массы цемента.

Рис. 5. Влияние состава бетона на изменение вибродинамических свойств после циклического замораживания—​оттаивания: а — ​отношение E_d¹/E_d⁰, здесь E_d¹  — ​модуль упругости после воздействия, E_d⁰  — ​начальный модуль упругости; б — ​отношение δ¹/δ⁰ , здесь δ¹   — ​относительная усадка после замораживания — ​оттаивания, δ⁰ — ​начальная относительная усадка материала в нормальных условиях

Влияние циклов замораживания—​оттаивания на динамические показатели бетона вызвано не только повышением дефектности  его структуры из-за расклинивающего дей­ствия замерзающей воды, но и выдерживанием образцов в воде, поскольку их твердение после распалубки происходило в камере с нормальными условиями твердения. Экспозиция материала в воде способствовала увеличению количе­ства ново­образований в структуре цементного камня, что подтверж­дается увеличением плотности (на 2—4 %), набуханием образцов (отрицательными деформациями усадки до 2 мм/м у составов с высоким содержанием сульфоалюминатной добавки) и небольшим (5—9 %) повышением модуля упругости у образцов оптимального состава. Вместе с тем у образцов с избыточным содержанием расширяющей добавки наблюдали значительное (до 60 %) снижение модуля упругости и многократное увеличение демпфи­рования, что объясняется появлением микротрещин из-за образования избыточного количества эттрингита, а также знакопеременных деформаций при насыщении их водой в процессе испытания.

Полученные данные коррелируют с результатами определения прочности. Сравнивали прочность образцов-кубов, имеющих оптимальное содержание противоусадочных добавок, после циклов замораживания и контрольных образцов, хранившихся на воздухе. В результате установлено снижение прочности при сжатии на 8,4 %.

Ползучесть оценивали при четырехточечном изгибе на уровне нагружения 0,3 раз­рушающей нагрузки путем поиска соотношения между деформацией ползучести в течение 90 сут и упругой деформацией при равном уровне нагружения. Данное соотношение для испытанных составов лежит в диа­пазоне 1,3—1,9.

При эксплуатации бетонные виброна­гру­женные конструкции, такие как станины металлорежущих станков, подвергаются воздействию влаги и водных растворов химических добавок, масляных эмульсий, что может вызывать ускоренную коррозию цементного камня. Чтобы снизить риск развития деструктивных процессов и регресс виб­родинамических показателей, рационально покрывать поверхность бетона пропитывающими гидрофобизирующими материалами. Исследовались различные виды покрытий: Sika Antisol, Axton, Jobi, а также эпоксидную смолу марки ЭД‑20 в чис­том виде и в смеси с 10 % ацетона по массе. Эффективность защитного покрытия оценивали по показателю водопоглощения образцов бетона в виде кубов с длиной ребра 30 мм, предварительно высушенных до постоянной массы и покрытых одним или двумя слоями гидрофобизатора, наносившегося кистью.

Контрольными были образцы бетона без покрытия. Результаты определения водопоглощения по массе W_m приведены на рис. 6. Видно, что высока эффективность покрытий на основе эпоксидной смолы (W_m снизилось на 67,5 %). В случае двухслойного нанесения добавки Sika Antisol снижение W_m достигло 45 %. Водопоглощение обусловлено блокировкой капиллярной пористости проникающим полимерным материалом, что не только предотвращает коррозионное разрушение, но и устраняет эффект «набухания» бетона при изменении влажности, повышая стабильность геометрических размеров конструкции.

Рис. 6. Кинетика водопоглощения образцов бетона с защитными покрытиями

Выводы

Проведенные эксперименты демонстрируют эффективность модификации составов, применяющихся для изготовления геометрически стабильных бетонных элементов машиностроительных конструкций. Экспериментально обоснованы составы и методы защиты бетона, обеспечивающие сохранение его эксплуатационных характеристик в условиях циклических температурных воздей­ствий и переменной влажности. С применением расширяющей сульфоалюминатной добавки и бутилцеллозольва получен бетон, не подверженный деформациям усадки при заданных температурно-влажностных условиях. Определено, что оптимальные со­ставы модифицированного бетона демонстрируют высокую стабильность динамических характеристик (динамического модуля упругости и логарифмического декремента) после 15 циклов замораживания—​оттаивания, в то время как составы с избытком расширяющей добавки склонны к значительной деградации свойств из-за трещинообразования.

Наибольшую эффективность в защите бетона от водопоглощения показало двухслойное покрытие на основе эпоксидной смолы ЭД‑20, снизившее водопоглощение на 67,5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Xia Y., Hao H., Zanardo G., Deeks A. Long-term vibration monitoring of an RC slab: temperature and humidity effect // Engin. Structures. 2006. Vol. 28, N 3. P. 441—452.

2. Калашников В.И., Москвин Р. Н., Белякова Е. А. Применение бетона нового поколения в машиностроении // X междунар. конф. «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций». Екатеринбург, 2016. С. 173—174.

3. Aïtcin P.-C., Flatt R. J. Science and technology of concrete admixtures. Woodhead publishing, 2015. 617 p.

4. Лавров И. Ю. Демпфирующая способность и деформативность высокопрочного мелкозернистого бетона // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2024. № 1 (16). С. 41—47.

5. Jackisch U.-V., Neumann M. Maschinengestelle für hochdynamische Produktionstechnik: Anforderungen, alternative Werkstoffe, Entwicklungs- und Fertigungsansätze, Anwendungen. Landsberg am Lech: Verl. moderne Industrie, 2014. 94 S.

6. Möhring H.-C., Brecher C., Abele E., Fleischer J., et al. Materials in machine tool structures // CIRP Annals. 2015. Vol. 64, N 2. P. 725—748.

7. Тригалев В.Н., Чеботаревич В. О., Скоробогатов С. М. Железобетонные станины металлорежущих станков. МАШГИЗ, 1960. 97 с.

8. Chung I.S., Tsutsumi M., Ito Y. Dynamic characteristics of lathe using concrete bed // Bulletin of JSME. 1985. Vol. 28, N 239. P. 987—993.

9. Nagayasu O., Shinnoh T., Sugishita H., Nishiyama H., et al. Development of machining center with concrete bed (1st report) // J. of the Japan Soc. for Precision Engin. 1986. Vol. 52, N 2. 
P. 313—318.

10. Калашников В. И., Тараканов О. В., Кузнецов Ю. С., Володин В. М. и др. Бетоны нового поколения на основе сухих тонкозернисто-порошковых смесей // Magazine of Civil Engin. 2012. № 8 (34). С. 47—53.

11. Баженов Ю. М., Демьянова В. С., Калашников В. И. Модифицированные высококачественные бетоны. М.: АСВ, 2006. 368 с.

12. Slocum A. H. Precision machine design. Society of Manufacturing Engineers, 1992. 776 p.

13. Relea E., Pfyffer B., Weiss L., Wegener K. Experimental comparative investigation on creep behavior of mineral cast, ultra-high-performance concrete, and natural stone for precision machinery structures // Intern. J. of Advanced Manuf. Technol. 2021. Vol. 117, N 7. P. 2073—2081.

14. Opening of a plant for UHPC machine frames in China [Электронный ресурс]. URL: https://www.cpi-worldwide.com/en/journals/artikel/50015/opening-of-a-plant-for-uhpc-machine-frames-i... (дата обращения 19.03.2023).

15. Лавров И. Ю., Береговой В. А. Высокофункциональные бетоны для промышленного строительства и машиностроения // Строительные материалы. 2024. № 12. С. 42—48.

16. Лавров И. Ю., Береговой В. А. Компенсация усадочных деформаций мелкозернистых бетонов для монолитных вибронагруженных конструкций // Цемент и его применение. 2024. № 3. С. 70—75.

17. Береговой В. А., Лавров И. Ю., Капустин А. Е. Микроструктура и демпфирующие показатели мелкозернистого бетона // Региональная архитектура и строительство. 2025. № 2 (63). С. 60—67.

18. Береговой В. А., Махамбетова К. Н., Лавров И. Ю. Опыт применения высокофункционального бетона в конструкции со­временного станка // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2023. № 5 (280). С. 31—37.

19. Лавров И. Ю., Береговой В. А. Численно-экспериментальная оценка деформативности бетонных элементов машиностроительных конструкций при динамическом нагружении // Тезисы докладов IX Международного симпозиума. Пенза: Изд-во ПГУ, 2025. С. 201—203.

20. Лавров И. Ю., Береговой В. А. Лабораторный комплекс для исследования вибродинамических показателей конструкцион­ных бетонов // Региональная архитектура и строительство. 2023. № 4 (57). С. 56—65.

21. Росстат — Цены, инфляция [Электронный ресурс]. URL: https://rosstat.gov.ru/statistics/price (дата обращения 19.08.2026).

22. Чугун из РФ: +$11 за месяц на фоне падения выплавки стали в России - Новости металлургии — Металлоснабжение и сбыт [Электронный ресурс]. URL: https://rss.metalinfo.ru/ru/news/184684#1 (дата обращения 19.08.2026).

23. Home | London Metal Exchange [Электронный ресурс]. URL: https://www.lme.com/ (дата обращения 19.08.2026).