Эффект контракции цемента и его реализация в дорожном строительстве

РЕФЕРАТ. Описана система прогнозирования структурных пара­мет­ров цементного камня (в бетоне), эффекта контракции цемента и обусловленного ею разрежения в теле бетона, а также глубины пропитки поверхностных слоев дорожного цементобетонного покрытия пропиточной композицией. Разработаны многофакторный метод расчета и программный продукт на его основе, позволяющий проектировать состав материала цементобетонных покрытий и определять параметры пропитки отформованной бетонной смеси.

Ключевые слова: цементный камень, бетон, степень гидратации цемента, контракция, разрежение, пропитка, программное обеспечение.

Keywords: cement stone, concrete, degree of cement hydration, contraction, vacuum, impregnation, software.

Введение

Долговечность цементобетонного покрытия дорожного полотна в значительной степени определяется качеством поверхностных слоев бетона. Именно они подвергаются влия­нию всего комплекса агрессивных воздействий, в том числе циклов водонасыщения—высушивания и замораживания—оттаи­вания. В бетонное покрытие впитываются хлориды, сульфаты, масла, автомобильное топливо и продукты его сгорания. В результате всего этого снижается качество покрытия. Известны следующие способы повысить долговечность цементобетонных покрытий:

• первичная защита бетона (улучшение характеристик самого бетона на стадиях проектирования состава, технологии изготовления и пр.);
• вторичная защита (модификация свойств готового, т. е. отформованного и затвердевшего бетона, различными методами).

Одно из направлений вторичной защиты — ​пропитка бетона растворами, изменяю­щими его свойства за счет взаимодействия с продуктами гидратации цемента. Например, пропитка растворами, содержащими тонкодисперсный кремнезем и гидрофобизатор, позволила существенно повысить плотность и прочность поверхностных слоев бетона, снизить его водопоглощение и истираемость и в целом повысить долговечность покрытия [1, 2]. Естественно, у технологии пропитки имеются свои положительные и отрицательные стороны.

Интерес представляет также изменение свойств поверхностных слоев цементобетонного покрытия с использованием известного в науке о бетоне эффекта контракции — ​стяжения внутреннего объема цементного камня в ходе его твердения, когда при соответ­ствующей «герметизации» наружных слоев бетона в его теле возникает вакуум [3—5]. Это явление может способствовать повышению долговечности цементобетонных покрытий. Как отмечено в работе [4], возникновение вакуума в твердеющем цементном тесте не только имеет теоретическое значение, но и может использоваться для определения качества цемента и условий его твердения, а также в практических целях, например, при нанесении (холодным способом) гид­роизоляции на свежую поверхность бетона. При образовании вакуума гидроизоляция может удовлетворительно сцепляться с поверх­ностью бетона.

В работе [6] приведен пример технологии устройства гидроизоляции, предложенной еще в 1940 году: на горизонтальную поверх­ность свежеуложенного бетона наносят мас­тику из смеси битума и бензина в соотношении 60 : 40, которая под действием вакуума втягивается в поры бетона и прочно сцеп­ляется с ним. Глубина пропитки составляла 3—4 мм. Такая обработка существенно снижает обезвоживание твердеющего бетона. Указанная технология не забыта: так, в работе [7] для того, чтобы исключить обезвоживание бетона, его свежеотформованную поверхность обрабатывали раствором сульфата алюминия. Это пример сочетания первичной и вторичной защиты твердеющего бетона.

Отметим, что параметры технологии, основанной на практической реализации эффекта контракции цемента для выполнения пропитки в дорожном строительстве, пока не имеют четкого теоретического обоснования и прак­тического подтверждения и фактически определяются исходя из эмпирических данных. В то же время для инженеров-прак­тиков необходима четкая достоверная математическая модель, описывающая состояние бетонного покрытия в различные периоды времени; желательно также иметь программный продукт, созданный на основе указанной математической модели. В связи с этим исследования в данной области должны проводиться по следующей схеме: количественное прогнозирование степени гидратации цемента, контракции ее продуктов, разрежения в теле бетона, времени пропитки и, наконец, разработка программного продукта на основании полученной математической модели. Естественно, в основе расчетов лежат и проект­ные свойства бетона, обеспечиваемые многофакторным проектированием состава бетона с различными химическим добавками. В настоящей работе предпринята попытка решить указанные задачи.

Контракция цемента

Контракция определяется в первую очередь минералогическим составом цемента, а также рядом технологических факторов.

Согласно данным работы [8], общую объем­ную контракцию, равную уменьшению объема системы «цемент + вода» (обычно в миллилитрах на 100 г цемента), при полной гидратации цемента можно рассчитать в зависимости от минералогического состава вяжущего по обобщенной формуле:

где массовые доли минералов выражены в процентах; a, b, c и d — ​коэффициенты (например, А.В. Волженский предложил их значения 0,054, 0,048, 0,172 и 0,132 соответственно).

Общая контракция при этом включает как «внутреннюю», т. е. контракционную пористость, так и «внешнюю» — ​контракционную усадку.

Однако значение контракции определяется не только минералогическим составом цемента, но и другими факторами. Например, в работе [8] приведена предложенная В.В. Некрасовым зависимость

где Ц — ​масса цемента, α — ​степень гид­ратации цемента, ρ_ц — ​истинная плотность цемента, ρ_гц — ​истинная плотность гидратированного цемента (цементного камня) при соответствующей степени его гидратации.

К сожалению, в формуле (2) отсутствует такой важнейший для бетона фактор, как водоцементное отношение (В/Ц). В работе [9] отмечено, что показатели контракции с возрас­танием водоцементного фактора, принятого при изготовлении бетона, значительно увеличиваются вследствие более интенсивной гидратации цемента. Нами зависимость (2) несколько модифицирована:

где K — ​контракция, мл/100 г цемента; Ц выражена в килограммах, α — ​в долях единицы; плотность продуктов гидратации (ρпг) принята равной 2450 кг/м³ (по Т. Пауэрсу [10]), а плотность воды (ρ_в) — ​1000 кг/м³.

Таким образом, контракцию можно рассчитывать (т. е. прогнозировать), а не определять экспериментально с помощью специальных приборов (контрактометров), что достаточно сложно и длительно. Однако для достоверного расчета необходимо знать такую трудно прогнозируемую величину, как степень гидратации цемента. Обычно в расчетах ее можно принимать равной 0,7 (70 %), но с учетом разнообразия влияющих факторов нами предложена следующая система расчетов [11—13].

Вначале определяется предполагаемая степень гидратации в проектном возрасте (28 сут) нормального твердения в зависимости от предложенного в работе [14] относительного водоцементного отношения цементного теста (X), равного отношению В/Ц к нормальной густоте цемента:

при Х<1,65:

при Х≥1,65:

где , , ,  — ​коэффициенты, учитывающие соответственно влияние температуры твердения, добавки ускорителя, тонкости помола цемента и содержания гипса в цементе на процесс твердения.

Для количественной оценки гидратационных процессов в бетоне любого возраста нами предложена система формул, связываю­щих относительную степень гидратации цемента () с рядом факторов, учитывающих вид, активность и минералогический состав цемента, вид и количество введенных в бетонную смесь химических добавок, технологические особенности бетона, температурно-влажностные условия его твердения и др.:

где выражено в долях единицы; С₃S — ​содержание алита в цементе, % масс.; — ​время твердения, сут.

Коэффициенты β₁ и β₂ зависят от минералогического состава цемента, а К_ф равен произведению коэффициентов, зависящих от активности (k_м) и тонкости помола (k_s) цемента, содержания в нем гипса (); температуры (k_t) и влажностных условий (k_ϕ) твердения цементного камня (бетона); начального водосодержания цементного теста (k_w); вида и количества ускорителя твердения (k_du), плас­тифицирующей (k_dp) и воздухововлекающей k_dvv) добавок.

Наконец, рассчитывается степень гидратации цемента в возрасте, отличающемся от проектного:

В работе [15] показаны удовлетворительная точность таких расчетов и соответствие их результатов приведенным в литературе значениям контракции цемента.

Таким образом, получена многофакторная модель, позволяющая прогнозировать кинетику развития контракции. Графическая интерпретация расчетов по формулам (3)— (7) для цементного теста представлена на рис. 1.

Рис 1. Кинетика контракции цемента

Отметим, что данные расчетов по формуле (1) соответствуют результатам на рис. 1 для В/Ц в диапазоне 0,2—0,3, т. е. по формулам типа (1) можно вести расчеты для цементного теста с низким В/Ц.

Рассмотрим далее возможности расчета глубины пропитки поверхностного слоя бетона.

Пропитка бетона

В ходе контракции в теле бетона возникает достаточно существенный вакуум. Например, по данным работы [4], к концу первых суток твердения цементного камня разрежение составляет 37—116 мм рт. ст. для различных цементов, а на пятые сутки — ​105—205 мм рт. ст.

Под действием возникающего разрежения раствор пропитывающей жидкости, нанесенный на поверхность свежеотформованного бетона, всасывается в его тело. Обработка экспериментальных данных, приведенных в работе [3], позволила получить следующие зависимости для расчета разрежения.

где Р_к — ​перепад давлений (капиллярное давление), обеспечивающий пропитку, мм рт. ст.

Толщину пропитываемого слоя бетона нами предложено рассчитывать по зависимости:

где k_т — ​коэффициент, учитывающий технологические факторы; — ​время прохождения жидкости через пропитываемый слой, с; П_к — ​капиллярная пористость слоя в долях единицы; Р_к выражен в паскалях; η — ​вязкость жидкости, сП; S_ц — ​удельная площадь поверхности цемента, м²/кг.До накопления всего объема экспериментальных данных можно принимать k_т = 2 · 10—4.

Капиллярную пористость бетона (в долях единицы), принимаемую постоянной для пропитываемого слоя с учетом В/Ц бетонной смеси — ​(В/Ц)_б, можно рассчитывать по формуле

Рассмотрим интенсивность развития контракции, а, следовательно, и пропитки поверхностного слоя бетона во времени (рис. 2).

Легко убедиться в том, что начало пропитки бетона (нанесение пропитывающей жидкости на поверхность покрытия) должно быть максимально приближено к моменту формования. Начало пропитки после 1—2 сут твердения эффекта не дает.

Рис. 2. Интенсивность контракции цемента

Предложено в формулу (9) вводить коэффициент для учета увеличения глубины пропитки с возрастанием времени от окончания формования до начала пропитки ():

Тогда окончательное уравнение для расчета глубины пропитки поверхностного слоя бетона выглядит следующим образом:

Компьютерная модель

Разработанная нами компьютерная модель (SUB, регистрационное свидетель­ство БНТУ № 016 от 15 октября 2020 года) включает не только расчеты параметров пропитки отформованной бетонной смеси, но и проек­тирование состава бетона с учетом всего многообразия влияющих факторов. Программа предназначена для использования специалистами в области дорожного и мос­тового строительства при разработке перспективных дорожно-строи­тельных материалов, конструкций, повышении долговечности цементно-бетонных покрытий, а также для совершенствования технологий возведения, реконструкции и ремонта автомобильных дорог и элементов мостов. Ее можно применять и при разработке защиты от коррозии разнообразных бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, при прогнозировании долговечности бетона (косвенно), а также для последовательной оптимизации свойств бетона по морозостойкости, водонепроницаемости и глубине пропитки.

Структурные схемы проектирования состава бетона и расчета параметров пропитки дорожного полотна, предлагаемые авторами настоящей статьи и использованные при написании данной программы, представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Структурная схема расчета состава бетона

Рис. 4. Структурная схема расчета глубины пропитки поверхностного слоя твердеющего бетона

Расчеты выполняются в программе в такой последовательности.

В разделе меню «Состав» (рис. 5) вводят требования:

• к проектируемому составу бетона: класс бетона по прочности на сжатие (в диапазоне С8/10—С50/60), коэффициент вариации прочности бетона (от 0 до 20 %), марки бетона по морозостойкости (от F25 до F1000) и по водонепроницаемости (от W2 до W20), а также удобоукладываемость бетонной смеси;
• к цементу: марку (М300—М600) (по ГОСТ 31108—2020 — ​класс прочности), нормальную густоту (22—32 %) и истинную плотность (2800—3200 кг/м³);
• к пластифицирующей добавке: наличие, вид, цель использования (повышение физико-механических характеристик или экономия цемента) и дозировку;
• к воздухововлекающей добавке: наличие и объем вовлеченного воздуха (в пределах 0—9 %).

В результате расчетов выдается информация о расходах цемента, песка, щебня и воды, плотности бетонной смеси, В/Ц, марках бетона по морозостойкости (по второму методу) и водонепроницаемости, а также о модуле упругости.

Рис. 5. Меню проектирования состава бетона дорожного полотна

В разделе меню «Пропитка» (рис. 6) вводят:

• требования к цементу: минералогический состав — ​C₃S (40—70 %), C₂S (5—40 %), С₃А (2—25 %), C₄AF (2—20 %) и SО₃ (0—4 %) и удельную поверхность (200—600 м²/кг);
• параметры твердения дорожного покрытия: продолжительность (0—28 сут) и температуру (0—40 °С);
• технологические особенности пропитки дорожного покрытия: толщину покрытия (5—40 см), продолжительность пропитки (0—72 часов), начало пропитки (0—24 ч), температуру поверхности покрытия (0—50 °С), концентрации водных растворов сульфата натрия (0—5 %) и технической соды (0—15 %).

В результате расчетов выдается важная для инженера теоретическая и практическая информация: степень гидратации цемента и его контракция, разрежение в твердею­щем бетоне, объемная пористость, глубина пропитки поверхностного слоя твердеющего бетона.

Рис. 6. Меню расчета глубины пропитки поверхностного слоя твердеющего бетона

Практическая реализация

На опытном участке Второй Минской кольцевой автодороги сооружено дорожное покрытие из бетона и выполнена его защитная пропитка, при этом состав бетона и глубина пропитки были рассчитаны с использованием описанной выше компьютерной программы.

Применяемая бетонная смесь (см. таб­лицу) имела осадку конуса 3,0—4,5 см, объем вовлеченного воздуха 5,9—6,2 %. Параметры виброуплотнения: амплитуда колебаний 3,2 мм при частоте 7850 кол./мин (130,8 Гц).

Пропиточный состав представлял собой водный раствор сульфата натрия и соды. Его готовили следующим образом. В воду при температуре 20 ± 5 °C добавляли сульфат нат­рия и перемешивали его до полного растворения. Затем в раствор вводили техническую соду и продолжали перемешивание до ее полного растворения. Полученную пропитку наносили путем распыления (600—800 мл на 1 м²) на поверхность свежеуложенной бетонной смеси.

Для контроля физико-механических характеристик бетона, а также глубины пропитки из бетонного полотна высверливали керны. На «свежую» поверхность цилиндрического образца наносили раствор индикатора (был предложен нейтральный красный [16], работающий в диапазоне pH = 6,0...10,5). Цвет пропитанной части бетона при этом изменялся от красного к желтому.

Разрушение верхнего слоя покрытия под проходящим транспортом на обработанном и необработанном покрытии фиксировали с помощью прибора ИДР‑2, имеющего полосу сканирования 400 мм. Зафиксирован средний годовой износ покрытия, равный 0,22 мм на необработанном покрытии и 0,16 мм — ​на обработанном, т. е. пропитка снизила темп износа в 1,4 раза.

По данным лабораторных испытаний, фактический класс бетона составил В40 (С32/40), марка по морозостойкости — ​F200, воздухововлечение — ​3,6 %, глубина пропитки для слоя бетона толщиной 24 см через 24 ч составила в среднем 4,2 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пшембаев М.К., Ковалев Я.Н., Бабицкий В.В. Проектирование пропиточного состава для защиты бетонных покрытий автомобильных дорог. Перспективные направления инновационного развития строительства и подготовки инженерных кадров. // Сб. науч. статей XXI Междунар. научно-методического семинара. Брест: БрГТУ, 2018. С. 104—107.

2. Пшембаев М.К., Ковалев Я.Н., Бабицкий В.В. Проектирование состава и защиты бетона дорожных покрытий // Наука и техника в дорожной отрасли. 2019. № 1. С. 28—31.

3. Некрасов В.В. Изменения объема системы при твердении гидравлических вяжущих // Изв. АН СССР, ОТН. 1945. № 6. С. 162—175.

4. Скрамтаев Б.Г. Достижения технологии бетона в СССР и дальнейшие задачи // Тр. IV всесоюз. конф. по бетону и железобетонным конструкциям. Ч. III Усовершенствование технологии бетона. М-Л.: Госстройиздат, 1949. 184 с.

5. Мощанский Н.А. Плотность и стойкость бетонов. М.: Госстройиздат. 1951. 176 с.

6. Шестоперов С.В., Иванов Ф.М., Саталкин А.В., Безрук В.М. и др. Цементный бетон в дорожном строительстве. М.: Дориз­дат, 1950. 199 с.

7. Эгбалник Саназ. Технология первичной защиты твердеющего бетона уплотняющим его структуру сульфатом алюминия: дис. … канд. тех. наук: Белорусский национальный технический университет. Минск, 2013. 129 с.

8. Несветаев Г.В. Бетоны. Ростов-на-Дону: Феникс, 2011. 381 с.

9. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1986. 464 с.

10. Пауэрс Т. Физические свойства цементного теста и камня // Четвертый Международный конгресс по химии цемента. М.: Стройиздат, 1964. С. 402—438.

11. Бабицкий В.В. Структура и коррозионная стойкость бетона и железобетона: дис. … д-ра техн. наук: Белорусский национальный технический университет. Минск, 2006. 199 с.

12. Бабицкий В.В. Прогнозирование степени гидратации цемента // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке кадров Республики Беларусь: сб. тр. VII междунар. науч.-метод. семинара. Брест: Изд-во БГТУ. 2001. С. 211—215.

13. Бабицкий В.В. Прогнозирование степени гидратации цемента с химическими добавками // Материалы, технологии, инструменты. 2005. № 1. С. 76—79.

14. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. 464 с.

15. Саканов Д.К., Бабицкий В.В. Структурные преобразования в поверхностном слое цементно-бетонного дорожного покрытия // Автомобильные дороги и мосты. 2019. № 2 (21). С. 49—55.

16. Гоглев И.Н., Логинов С.А. Оценка эффективности применения индикаторных методов при определении карбонизации бетона // Construction and Geotechnik. 2023. Vol. 14, N 3. P. 59—69.