Взаимосвязь истираемости и морозостойкости дорожных бетонов

УДК 620.18/691.32

ВЗАИМОСВЯЗЬ ИСТИРАЕМОСТИ И МОРОЗОСТОЙКОСТИ ДОРОЖНЫХ БЕТОНОВ

С.Н. Толмачев, доцент, к.т.н., И.Г. Кондратьева, доцент, к.т.н., А.Н. Чугуенко, ст. преподаватель, Р.О. Гринченко, студент, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрено влияние циклического замораживания-оттаивания в присутствии водных растворов хлористых солей-антиобледенителей бетонов при различной степени истираемости верхнего слоя на их морозостойкость. Приведены результаты исследований, показывающие, что с увеличением расхода цемента в бетоне возрастают контракционные явления, ускоряются процессы влагопотерь, что приводит к формированию более пористой макроструктуры бетона и увеличению его истираемости.

Ключевые слова: цементный бетон, цементобетонное покрытие, прочность, долговечность, морозостойкость, коррозионная стойкость, истираемость.

Введение

Известно, что цементобетонные покрытия дорог и аэродромов являются наиболее долговечными видами покрытий [1]. За рубежом срок их службы составляет 30-40 лет и более. К их преимуществам кроме высокой долговечности относят высокие дорожно-эксплуатационные показатели, такие как ровность, высокий коэффициент сцепления с колесом автомобиля, уменьшение расхода топлива автотранспортными средствами на 5-10% и другие, которые определяют их эффективность по сравнению с асфальтобетонными дорожными покрытиями.

За рубежом наиболее перспективным в настоящее время является дорожный цементный бетон, у которого прочность на растяжение при изгибе соответствует классам Btb4,0...Btb4,8. Такую прочность можно обеспечить при использовании стандартных материалов за счёт применения современных суперпластификаторов, понижающих водоцементное отношение до 0,28-0,38. При этом прочность бетона на сжатие соответствует классам В30-В40 (маркам М400-М500). Считается, что такая прочность определяет высокую износостойкость цементобетонного покрытия, стойкость против скалывания кромок плит, стойкость к истиранию, ударную стойкость. Такие бетоны по современной зарубежной классификации относятся к высококачественным (High Регйзшаисе Соnсгеtе - НРС) бетонам [2]. На Украине при строительстве дорог и площадок далеко не всегда обеспечивается необходимый уровень прочности и применяются качественные добавки.

Основным фактором агрессивного климатического воздействия на дорожный бетон, определяю-

щим его долговечность, является переменное замораживание-оттаивание в присутствии водных растворов хлористых солей-антиобледенителей. По данным различных исследователей [1, 3] воздействие именно хлорида натрия в наибольшей степени усиливает агрессивное воздействие на бетон при циклическом замораживании-оттаивании в весенне-осенний период по сравнению с другими антиобледенителями (на основе мочевины, хлорида кальция и пр.). Соответственно, для обеспечения высокой долговечности цементобетонных покрытий необходимо получать бетон с надёжной, гарантированно высокой морозостойкостью. Однако большинство ученых забывает тот факт, что на покрытие влияют также механические нагрузки, в частности, истирающие, которые в свою очередь, интенсифицируют разрушающее действие знакопеременных температур и влажности.

Поэтому весьма актуальным, на наш взгляд, является выявление взаимосвязи и взаимовлияния истираемости дорожного бетона и его морозостойкости.

Цель и постановка задачи

Целью работы является разработка критерия оценки долговечности бетона по его истираемости в условиях морозо-солевого воздействия. В задачи исследования входило проведение анализа литературных источников по проблемам повышения морозо-солестойкости и экспериментальные исследования взаимосвязи истираемости, водопоглощения и морозостойкости на различных составах бетона.

Результаты исследования

Известно, что достаточно эффективным способом повышения морозо- и коррозионной стойкости дорожных бетонов является введение в бетонную смесь воздухововлекающих добавок типа СНВ. Нормируемый объём вовлечённого и диспергированного до размера пузырьков (не более 200-300 мкм) воздуха для условий Украины должен составлять 4-6% (3,5-7,0% - для стран Европы). Многочисленные данные позволяют однозначно сказать, что 1% вовлечённого воздуха приводит к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 3%, а на сжатие -на 6%, или 18% и 36% при 6% воздуха. Повышения прочности, как упоминалось выше, можно добиться при использовании высокоэффективных суперпластификаторов. Их отечественные аналоги отсутствуют, а зарубежные достаточно дороги и применяются в редких случаях и только при строительстве дорог государственного значения. Поэтому в практике строительства большинства автодорог и площадок, а также при индустриальном изготовлении элементов обустройства дорог воздухововлекающие добавки не применяются, а используются только различные пластификаторы традиционного действия. Как показали исследования, отсутствие в этих условиях надлежащего ухода за твердеющим бетоном приводит не только к необратимому снижению его прочности, но и образованию высокопористой структуры с открытыми и сквозными каналами [4]. Особенно подвержен такому разрушению верхний слой бетона, который при эксплуатации подвергается сильному истиранию от движущегося транспорта.

В исследованиях использовали кварцевый песок Безлюдовского месторождения Харьковской области с Мкр = 1,2, гранитный щебень Кременчугского карьера фракции 5-20 мм, а также портландцемент марки ПЦ 11/А 400. Исследованию подвергали составы бетонов, в которых изменяли содержание цемента при сохранении отношения «щебень: песок» на уровне 1:1,74-1:1,76. Водоцементное отношение в каждом составе было одинаковое. Осадка конуса бетонных смесей составляла 4-6 см.

Состав 1: цемент - 250 кг/м3, песок - 745 кг/м3, щебень - 1290 кг/м3.

Состав 2: цемент - 400 кг/м3, песок - 695 кг/м3, щебень - 1210 кг/м3.

Состав 3: цемент - 550 кг/м3, песок - 645 кг/м3, щебень - 1130 кг/м3.

Для проведения эксперимента использовали образцы бетонов, которые твердели при температуре +18-22 оС и относительной влажности воздуха 55-70%. После 28 суток твердения образцы подвергали истиранию на круге истирания ЛКИ-3 по стандартной методике до определенного значения истираемости: 0,3 г/см2, 0,75 г/см2 и 1,2 г/см2. Максимальная глубина истирания составляла 4-5 мм. Для контроля использовали образцы, не подвергавшиеся истиранию.

Приведенные экспериментальные данные (табл. 1) показывают, что образцы бетона, содержащие наименьшее количество цемента, выдержали 35 циклов испытания с коэффициентом морозостойкости 0,97. Следует отметить, что после 20 циклов прирост прочности этих образцов не превысил 7%, что свидетельствует о качественной структуре такого бетона. Для состава, содержащего 400 кг/м3 и 550 кг/м3 цемента прирост прочности уже после 10 циклов достигает 20%, что говорит о высокопористой структуре, состоящей из крупных пор. Это подтверждают данные кинетики водопоглощения за первые 15-30 минут (период насыщения крупных открытых пор), которые минимальны для состава 2. Водопоглощение состава 1 выше на 6%, а состава 3 - на 25%. Т.е. с увеличением расхода цемента количество крупных пор в бетоне возрастает. Это можно объяснить тем, что в этом случае в бетоне усиливаются усадочные и кон-тракционные явления, ускоряются процессы влагопотерь, что приводит к формированию более пористой макроструктуры бетона. В соответствии с этим морозостойкость бетонов с наибольшим расходом цемента наименьшая, а наибольшая марка по морозостойкости (Б300) соответствует бетонам с наименьшим расходом цемента. Примерно та же марка у бетонов с расходом цемента 400 кг/м3, хотя значение Кмрз для них ниже, чем для бетонов состава 1.

Таблица 1 Морозостойкость контрольных составов бетона

№ состава бетона Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-оттаивания по ускоренной методике

0 10 20 35

1 1,0 1,01 1,07 0,97

2 1,0 1,27 1,0 0,93

3 1,0 1,19 0,81 -

№ состава бетона Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-оттаивания по ускоренной методике

0 10 20 35

1 1,0 0,93 0,73 -

2 1,0 1,0 1,0 0,88

3 1,0 1,05 0,74 -

Данные таблицы 2 свидетельствуют о том, что образцы бетонов, подвергнутые истиранию до уровня 0,3 г/см2, имеют более низкие показатели морозостойкости. Так, например, для составов 1 и 3 марка по морозостойкости Б 150, для состава 2 -Б 200.

Кинетика водопоглощения этих образцов аналогична контрольным, однако абсолютные значения водопоглощения на 5-7% выше, чем в предыдущем случае. Снижение морозостойкости можно объяснить тем, что при данной степени истирания снятие верхнего слоя открывает более дефектные слои бетона. Это объясняется тем, что при традиционном виброуплотнении на поверхности бетона концентрируется цементное молочко, которое при твердении несколько повышает твердость и плотность поверхностного слоя [5], поэтому морозостойкость контрольного состава выше.

В ранее составленных утвержденных нормативных документах указаны требования по истираемости бетона: предельно допустимые величины 0,6-0,7 г/см2, которые отсутствуют в действующих. Поэтому мы исследовали морозостойкость образцов бетонов, истираемость которых была

0,75 г/см2 (табл. 3). Как видно из представленных данных, увеличение истираемости приводит к дальнейшему существенному снижению морозостойкости бетона. Достижение такой степени истираемости приводит к полной потере устойчивости бетона к действию знакопеременных температур при одновременном воздействии солей. Во-допоглощение этих образцов бетона снижается по сравнению с образцами, истертыми до 0,3 г/см2 и образцами, не подвергнутыми истиранию на 15...40%. Это свидетельствует об уменьшении количества крупных пор в этом слое бетона и повышении его плотности.

Интересные результаты получены при исследовании образцов, подвергнутых истиранию до уровня 1,2 г/см2 (табл. 4). Их морозостойкость вновь возрастает, однако не для всех составов. Для состава 1 с расходом цемента 250 кг/м3 она достигает марки Б 150, а для состава 2 с расходом цемента 400 кг/м3 она практически соответствует марке Б 200.

Водопоглощение образцов увеличивается и достигает максимальных значений по сравнению с другими образцами бетона. Причем подтверждается ранее обнаруженная тенденция: максимальное во-допоглощение имеют образцы состава 3, на 20-25% меньшее - состава 2 и на 30-35% меньшее - состава

2. Это говорит о том, что в бетонах с расходом цемента 250-400 кг/м3 количество открытых макропор меньше, чем в бетонах с большими расходами вяжущего. Это объясняет повышение морозостойкости бетонов составов 1 и 2.

Проведенные ранее исследования циклического воздействия агрессивных сред на свойства бетона, в том числе и на его истираемость и морозостойкость позволили установить критическое значение числа циклов. По достижении этого значения бетон начинает необратимо снижать свои физико-механические показатели.

Для стабилизации этих свойств дорожного бетона мы считаем необходимым проводить так называемую «вторичную» защиту его поверхности (под первичной мы подразумеваем обеспечение всех необходимых технологических операций на стадиях проектирования, изготовления бетонных смесей и твердения бетонов). В качестве «вторичной» защиты предлагаются различные пропиточные составы на основе акриловых и эпоксидных смол, метилметакрилата, силиконовых композиций, серы и композиций на основе гидрофо-бизаторов.

Таблица 3 Морозостойкость составов бетона с истираемостью 0,75 г/см2

№ состава бетона Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-оттаивания по ускоренной методике

0 10 20 35

1 1,0 0,73 0,73 -

2 1,0 0,82 0,86 -

3 1,0 0,79 0,79 -

№ состава бетона Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-оттаивания по ускоренной методике

0 10 20 35

1 1,0 0,95 0,7 -

2 1,0 1,01 0,93 0,86

3 1,0 0,86 0,77 -

При глубине пропитки 3-5 мм стойкость к шелушению и истиранию при совместном действии мороза и хлористых солей-антиобледенителей или остается на одном и том же уровне, или повышается. По данным [1], которые согласуются с нашими, «вторичная» защита достаточно морозостойкого дорожного бетона не повышает его морозостойкость по сравнению с начальной (проектной) и не защищает от коррозии арматуру, находящуюся в бетоне. Поверхностная «вторичная» защита не повышает морозостойкость недостаточно морозостойкого бетона. Отмечается, что в ряде случаев не «вторичная» защита, но глубокая, на всю толщину, пропитка неморозостойкого бетона полимером смогла повысить его морозостойкость.

Следует отметить, что «вторичная» защита может не обеспечивать сама по себе повышение долговечности дорожных бетонов, но способствует стабилизации свойств в период осенне-зимневесенних знакопеременных и других циклических воздействий. В благоприятный теплый период года в бетоне происходит самозалечивание дефектов структуры и повышение или реанимация исходных свойств.

Выводы

Морозостойкость дорожного бетона должна обеспечиваться мерами «первичной» защиты, включающими в себя правильный выбор материалов, состав бетона и технологию бетонных работ, а также проведение необходимого контроля качества строительства.

Массообменные процессы при твердении бетона распространяются на глубину до 5 мм, разрыхляя поверхностный слой и формируя в нем открытую макропористость, способствующую понижению морозостойкости бетона.

Истираемость бетона отрицательно влияет на его морозостойкость. Ее увеличение до уровня 0,75 г/см2 приводит к полной потере способности противостоять комплексному морозо-солевому воздействию. Истираемость бетона следует ограничивать на уровне 0,5 г/см2.

Литература

1. Шейнин А.М., Эккель С.В. Причина долговеч-

ности // Строительная техника и технологии. - 2004. - №1(29). - С. 62-65.

2. Ушеров-Маршак А.В., Сопов В.П. Ресурсы

технологии бетона // Строительные материалы и изделия. - 2003. - № 3. - С. 15-17.

3. Лисьев В.Н., Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г.

Исследование причин разрушения дорожных бетонов и системы экологических оценок влияния придорожного пространства на биоту // Вестник НТУ «ХПИ». - 2004. -№29. - С. 139-144.

4. Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Толмачев

B.С., Гринченко Р.А. Материаловедческие аспекты обеспечения долговечности дорожных цементных бетонов // Автомобшьш дороги i дорожне будiвництво / Наук.-техн. зб. - 2004. - № 70. - С. 86-93.

5. Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Массооб-

менные процессы в бетонах на местных материалах // Труды Всесоюзной науч.-техн. конференции «Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог». - Владимир, 1991. -

C. 44.

Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н.,

ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 27 января 2005 г.