Дорожные бетоны повышенной морозостойкости

РЕФЕРАТ. Быстрое разрушение дорожных бетонов вызвано сочетанием механических и климатических воздействий, усугубляемых применением антиобледенителей. Морозостойкость бетона в водных растворах антиобледенителя обеспечивается не только параметрами пористости, но и модифицированием структуры цементного камня, обеспечивающим преобладание гелеобразных гидросиликатов кальция и ограниченное содержание порт­ландита.

Ключевые слова: дорожный бетон, гидратные фазы цементного камня, структура, морозоcолестойкость.

Keywords: road concrete, hydrated phases of cement stone, structure, frost solt resistance.

Бетон дорожных и аэродромных покрытий, тротуарных изделий, бордюрных камней, мостов и др. эксплуатируется в условиях интенсивного воздействия ударных, истирающих, знакопеременных изгибающих нагрузок, циклического увлажнения—высушивания, а зимой — замораживания—оттаивания при воздействии противогололедных препаратов (чаще всего на основе поваренной соли NaCl). Под действием антиобледенителей происходит температурный удар — таяние льда с резким снижением температуры (на 8—10 °С). По ГОСТ 10060—95,  испытание морозостойкости бетона при попеременном замораживании—оттаивании в 5 %-м водном растворе поваренной соли в 2—6 раз ускоряет разрушение бетона по сравнению с циклическим замораживанием на воздухе водонасыщенных образцов бетона при –20 °С.

В большинстве случаев при исследованиях механизма разрушения бетона в качестве основного фактора стойкости принимается наличие открытых капиллярных пор, легко заполняемых жидкой фазой, переходящей при замораживании в лед с увеличением объема, что вызывает возникновение гидравлического и кристаллизационного давления [1, 2]. Это приводит к формированию напряженного состояния бетона, в местах дефектов структуры происходит концентрация напряжения, вызывающая локальные повреждения — образование и развитие трещин с ростом остаточных деформаций расширения. Поэтому для снижения морозной деструкции рекомендуется снижение открытой пористости (снижение В/Ц при оптимальных условиях уплотнения бетонной смеси и твердения бетона) и воздухововлечение для обеспечения резервной пористости, в которую отжимается часть поровой воды, вследствие чего снижается гидравлическое давление. Как показывает практика, воздухововлечением стабильно обеспечивается повышение морозостойкости бетона. Однако некоторые исследователи считают, что при низких В/Ц роль воздухововлечения резко снижается [3]. Предложено для повышения стойкости бетона вводить демпфирующие добавки, что приводит к релаксации возникающих напряжений [4]. Нашими исследованиями [5] показано, что роль демпфирующих добавок могут выполнять гелеобразные продукты гидратации цемента, для повышения стабильности которых необходимо связывать портландит цементного камня активными минеральными добавками (АМД), одним из наиболее активных представителей которых является микрокремнезем (МК).

Целью проведения данной работы было выявление влияния АМД на морозосолестойкость бетона с пониженными значениями исходного В/Ц для уменьшения макрокапиллярной пористости и снижения проницаемости бетона, изготовленного без воздухововлечения. Удобоукладываемость бетонной смеси достигалась введением в состав бетона пластифицирующих добавок, обеспечивающих при стандартном вибрировании коэффициент уплотнения бетонной смеси не менее 0,98.

Первоначально исследовалось влияние добавки МК на свойства растворной смеси и раствора с использованием ПЦ 400 Д-20 Коркинского цементного завода (расчетный минералогический состав клинкера — С₃S 57 %, С₂S 20 %, С₃А 8 %, С₄АF 15 %, содержание щелочей в пересчете на Nа₂О 0,57 %, минеральная добавка — доменный гранулированный шлак 19 % массы цемента) и кварцевого песка (модуль крупности 2,25, загрязняющих примесей — не более 2 % по массе, растворимого в щелочах кремнезема — не более 43 ммоль/л) при соотношении вяжущее/песок 1:1. Такое соотношение было принято в связи с тем, что при соотношении вяжущего с песком от 1:0 до 1:5 наибольшее значение критического коэффициента интенсивности напряжений отмечается при соотношении 1:1 [6]. В качестве варьируемых факторов принимались дозировка МК и водо-вяжущее отношение (В/В), при этом в состав вяжущего входили портландцемент и МК. План проведения эксперимента приведен в табл. 1

При постоянной концентрации суперпластификатора замена части цемента на МК оказывает существенно большее влияние на подвижность растворной смеси (определялась по диаметру расплыва конуса), чем В/В, что компенсировалось введением добавки СП-1. При укладке и уплотнении растворной смеси на стандартной виброплощадке достигалось тиксотропное разжижение смеси. Образцы раствора размерами 40 × 40 × 160 мм после изготовления твердели 28 сут в нормальных условиях, испытания прочности растворных образцов проводили по методике ГОСТ 310.4, содержание свободного гидроксида кальция и химически связанной воды определяли по данным термического анализа, удельная поверхность и гелевая пористость рассчитывались в соответствии с [7]. Результаты механических и структурных испытаний образцов приведены в табл. 2

Повышение содержания добавки МК способствует росту прочности бетона при сжатии и изгибе, особенно интенсивно увеличивается прочность при изгибе при постоянном значении В/В.

Без добавки МК цементный камень раствора преимущественно состоит из гидросиликатов кальция и содержит повышенное количество кристаллического портландита. Введение добавки аморфного супердисперсного кремнезема приводит к росту количества низкоосновных гидросиликатов (отношение СаО/SiO₂ около 1 [8]) с высокой степенью дис­персности и конденсации кремнекислородных анионов, что сопровождается обогащением цементного камня силоксановыми группами с прочными ковалентно-ионными связями и предопределяет их повышенные связующие свойства, отражающиеся в наибольшей степени на прочности при изгибе.

Нами выявлено, что с увеличением количества МК при любом В/В наблюдается рост теплового эффекта кристаллизации β-волластонита (площадь экзоэффекта на кривой дифференциально-термического анализа при 850—870 °С), что позволяет предполагать увеличение объема тонкодисперсных низко­основных гидросиликатов кальция с увеличением дозировки МК. Подтверждением этого предположения является рост удельной поверхности цементного камня с МК, который достигает 29 и 13 % при В/В, равном 0,3 и 0,25 соответственно. Кроме того, введение добавки МК приводит к росту микропористости системы, увеличению доли гелевых пор, объем которых возрастает с увеличением В/В. Гелевая пористость характеризует объем гелеобразных продуктов гидратации, с увеличением которого возрастает релаксационная способность цементного камня бетона, уменьшается концентрация напряжений при циклических воздействиях. По данным [9], наиболее плотная масса гидратных фаз цементного камня с большим числом контактов между частицами формируется при слабо закристаллизованном цементном геле. При этом прочность R образцов значительна даже при высокой пористости. Замена части цемента на МК вызывает рост отношения R_изг/R_сж при любых значениях В/В, что способствует повышению трещиностойкости бетона.

Для оценки влияния МК на морозосолестойкость растворных образцов с низкими В/Ц испытание проводили после их насыщения 5 % водным раствором поваренной соли, образцы помещали в индивидуальные ванны с таким же раствором, замораживали при охлаждении до –50 ± 3 °С в течение 5 ч и оттаивали при 18 ± 2 °С также в растворе соли (3-й метод испытания морозостойкости бетона по ГОСТ 10060). Данные о изменении проч­ности при сжатии в процессе циклического замораживания приведены в табл. 3. Добавка МК замедляет процесс разрушения практически при любых исследованных В/В.

Данные о изменении прочности песчаного бетона при изгибе в процессе циклического замораживания приведены в табл. 4. Падение прочности при изгибе в этом случае особенно интенсивно происходит при В/В = 0,3 без добавки МК, последняя тормозит развитие деструкции до 10 циклов.

Снижение отношения В/В до 0,25 также вызывает интенсивное нарастание деструкции уже после 10 циклов, а введение МК в количестве 10 % массы цемента останавливает деструкцию до 20 циклов. При добавке 20 % МК обеспечивается стойкость бетона на протяжении всех 60 циклов замораживания — снижения прочности при изгибе не происходит даже к концу испытаний. При В/В = 0,2 присутствие 10 % МК также обеспечивает стойкость бетона на протяжении 60 циклов.

Для оценки влияния циклического замораживания на степень деструкции образцов измеряли остаточные деформации расширения после различного числа циклов с помощью кварцевого дилатометра [10]. Результаты измерения накопления относительных остаточных деформаций удлинения при циклическом замораживании приведены на рисунке.

Деформации расширения могут накап­ливаться как в результате микротрещино­образования при циклическом замораживании, так и вследствие других воздействий, например щелоче-силикатной реакции при взаимодействии щелочей цемента с реакционноспособным кремнеземом заполнителей. В данном случае вероятность протекания щелоче-силикатной реакции небольшая ввиду низкого содержания компонентов, участ­вующих в этой реакции; кроме того, МК практически предот­вращает ее даже при достаточно высоких концентрациях щелочей и реакционноспособного кремнезема. В нашем случае при одинаковом содержании добавки МК, равном 10 %, при В/В = 0,2 деформации расширения отсутствуют после 60 циклов, при В/В = 0,25 составляют около 18·10^–4 мм/мм, а при В/В = 0,3 достигают 56·10^–4 мм/мм. Переменным фактором является В/В, влияющее на капиллярную пористость и льдообразование при замораживании образцов.

Замена части цемента на МК значительно уменьшает накопление деформаций удлинения бетона под влиянием циклического замораживания. Благоприятно влияет также снижение В/В. Остаточные деформации образцов бетона при В/В = 0,25 с 20 % МК практически равны нулю на протяжении всего испытания. Для этой серии образцов, так же как и для образцов с В/В = 0,2 и 10 % МК, иногда фиксировались даже деформации сжатия, вероятно, вследствие продолжающейся гидратации с развитием контракционных явлений. Отсутствие остаточных деформаций удлинения после 60 циклов позволяет предполагать, что переменное напряженное состояние, вызванное циклическим изменением температуры и образованием кристаллов льда и кристаллогидратов поваренной соли в порах бетона, не вызывает увеличения объема образца благодаря высокой релаксационной способности цементного камня.

Для выявления влияния добавки МК без воздухововлекающих добавок проведены испытания морозосолестойкости образцов бетона (использовался дополнительно гранодиоритовый щебень марки 1400, содержащий менее 1 % загрязняющих примесей), рецептура которого приведена в табл. 5.

При формовании образцов из разноподвижных бетонных смесей обеспечивали коэффициент уплотнения не ниже 0,98. Результаты испытания морозосолестойкости образцов бетона (средние из шести значений), насыщенных 5 %-м раствором поваренной соли и циклически замораживаемых в солевом растворе при –50…–55 °С, приведены в табл. 6.

Уменьшение В/В и увеличение добавки МК приводит к снижению объема содержащегося воздуха и росту прочности при сжатии. Одновременно повышается и морозосолестойкость бетона, которая достигает максимума при содержании добавки МК 20 %. Для образцов бетона этого состава можно также отметить и наименьшие колебания прочности в процессе испытаний, что позволяет предполагать наиболее высокую стабильность структуры цементного камня.

Таким образом, при низком содержании вовлеченного воздуха решающую роль в обеспечении стойкости бетона без воздухововлекающих добавок при морозном воздействии играют проницаемость цементного камня, размеры пор, определяющие наличие свободной или механической влаги, и релаксационные свойства матрицы, зависящие от соотношения между количеством кристаллических и гелеобразных продуктов гидратации цемента.

При добавке МК образуется повышенное количество низкоосновных гидросиликатов кальция типа С–S–Н(I). Данные гидраты обладают повышенной стабильностью и прочностью по сравнению с высокоосновными благодаря увеличению в них доли сильной силоксановой связи Si–O–Si и уменьшению доли слабой ионной связи Са–О.

Пониженное содержание кристаллов порт­ландита уменьшает долю кристаллической гид­ратной составляющей и снижает количество концентраторов напряжения, что способствует повышению трещиностойкости цементного камня. В контактной зоне цементного камня с заполнителями уменьшение содержания крис­таллов Са(ОН)₂ способствует повышению ее прочности, уменьшается также пористость и размеры кристаллической фазы цементного камня.

Высокая морозосолестойкость обеспечивается еще и достаточной стабильностью гидратных фаз под влиянием добавок микрокремнезема.

Следовательно, решающую роль для обеспечения долговечности дорожного бетона играют следующие факторы:

• низкие исходные значения В/Ц, обеспечивающие снижение капиллярной пористости и водонасыщения;

• структурные характеристики цементного камня: повышенное содержание цементного геля и количество свободного Са(ОН)₂ не более 1,0 %, обеспечивающее замедление старения гелеобразной фазы и релаксацию возникающих напряжений;

• для дорожных бетонов без воздухововлекающих добавок при низком содержании воздуха с марками по морозостойкости F500—F600 рекомендуются значения В/Ц в пределах 0,25—0,30 и добавки МК до 15—20 % массы цемента при обязательном введении водоредуцирующих компонентов;

• капиллярная пористость бетона и количество свободного гидроксида кальция в цементном камне могут быть критериями прогнозирования стойкости дорожного бетона, эксплуатируемого в условиях цик­лического замораживания в растворах антиобледенителей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Москвин В.М., Голубых Н.Д. Экспериментальная проверка некоторых гипотез разрушения бетона при циклическом воздействии отрицательных температур // Тр. НИИЖБ. 1974. Вып. 11. С. 50—54.

2. Добшиц Л.М., Портнов И.Г., Соломатов В.И. Физико-математическое моделирование разрушения бетона при его циклическом замораживании-оттаивании // Долговечность и защита конструкций от коррозии. М., 1999. С. 113—118.

3. Kobayashi M., Nakakuro E., Kodama K., Negami S. Freez-thaw resistance of superplasticized concrete // Development in the use of superplasticizers. Spesial publication 68 ACI–Detroit, 1981. P. 269—282.

4. Бабков В.В., Попов А.В., Колесник Г.С. и др. Демпфирующие компоненты для повышения ударной стойкости и морозостойкости бетона // Совершенствование технологии производства бетонов повышенной прочности и долговечности. Уфа, 1985. C. 18—20.

5. Трофимов Б.Я. Механизм старения гидратных фаз цементного камня при циклическом замораживании // Популярное бетоноведение. 2009. № 3. С. 69—83.

6. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей: Уч. пособие для строит. вузов. М.: Высшая школа, 1991. 228 с.

7. Р 284—77. Руководство по определению структурных характеристик цементного теста, цементного камня, строительного раствора и бетона / М.: Минненфтегазстрой, 1979. 45 с.

8. Крамар Л.Я. Оптимизация структуры и свойств цементного камня и бетона введением тонкодисперсной добавки аморфного кремнезема: автореф. дисс. … канд. техн. наук. М., 1989. 17 с.

9. Кузнецова Т.В., Самченко С.В. Микроскопия материалов цементного производства. М.: МИКХиС, 2007. 304 с.

10. Трофимов Б.Я., Горбунов С.П. Деформации бетона при замораживании в растворах антиобледенителя // Цемент и его применение. 2011. № 3. С. 114—118.