Модифицированные бетоны для гидромелиоративного строительства

Ткач Е.В., Ткач С.А. (МГСУ)

Байджанов Д.О., Серова Р.Ф., Стасилович Е.А (КарГТУ)

Развитие агропромышленной сферы значительной мере зависит от качества мелиоративного строительства, так как эффективность использования мелиорируемых земель неразрывно связана с долговечностью и эксплуатационной надежностью обширной системы введенных гидротехнических сооружений. Основным материалом для конструкций мелиоративных сооружений является тяжелый гидротехнический бетон. В гидромелиоративных сооружениях применяют немассивные бетоны, которые не требуют регулирования величины экзотермии. Особенности бетона для мелиоративных конструкций по сравнению с другими видами бетона связаны с специфическими условиями его работы. В мелиоративном строительстве используются в основном тонкостенные конструкции (толщина бетона 5-15 см), которые подвергаются более жесткому воздействию, чем другие конструкции в тех же природных условиях. Агрессивность окружающей среды выражается в резких температурно-влажностных колебаниях, высокой степени минерализации транспортируемой воды, коррозионной активности грунтовых вод, кавитационном воздействии водных потоков и других факторах, которые в различных сочетаниях постоянно воздействуют на железобетон конструкций, вызывают его повреждения и снижают эксплуатационную надежность сооружений мелиоративного назначения.

В результате проведенных работ с применением метода математического планирования эксперимента определено оптимальное содержание модификаторов в составе бетонной смеси, обеспечивающих получение бетона с заданными свойствами: ГСТ – 0,5% и ГСТ-А –5% от массы цемента.

Опытным путем определено влияние гидрофобизирующих модификаторов на реологические параметры и на сроки схватывания цементных систем. Установлено, что гидрофобизирующие добавки почти не увеличивают сроки схватывания цементного теста по сравнению с базовым составом – без добавок. Предлагаемые модификаторы позволяют снизить водотделение в растворных смесях на 35-40% в сравнении с водоотделением смесей без добавок и на 15-20% – с известной гидрофобно-пластифицирующей добавкой ГПД.

Практический интерес представляют данные о том, что модификаторы и в сравнении с добавкой ГПД, помимо эффективного разжижающего эффекта, обладают одновременно ускоряющим структурирующим действием. Установлено, что формирование структуры цементного камня с гидрофобизирующими модификаторами происходит интенсивнее, чем без добавок. Процессы структурообразования – нарастание пластической прочности ускоряются за счет включения в состав модификаторов солей неорганических кислот. Доказано, что гидрофобизирующие комплексные модификаторы позволяют на 10-12% снизить водопотребность бетонной смеси, сохранив при этом подвижность, удобоукладываемость жестких и подвижных бетонных смесей.

Таким образом, предлагаемые гидрофобизирующие комплексные модификаторы ГСТ и ГСТ-А позволяют регулировать в нужном направлении реологию бетонной смеси и тем самым предлагать потребителю качественные бетонные смеси в соответствии с требованиями производства.

Цементный камень с добавками имеет более плотную и однородную мелкопористую структуру (таблица 1) с максимальным размером пор 550-600 мкм (в камне без добавки – 800 мкм). Образующиеся поры с радиусом порядка 35-40 мкм, по данным В.В. Стольникова, Г.И. Горчакова обеспечивают оптимальную микропористость для получения бетонов высокой прочности, плотности и морозостойкости.

Таблица 1 – Размеры пор и макропористость цементного камня с модификаторами ГСТ и ГСТ-А

№ состава	Модификатор	Размеры макропор, мкм			Макропористость, %
		максимум	минимум	преобладающие	максимум	минимум	преобладающая
1	Без модификатора	800	65	165	13,0	2,85	6,2
2	ГСТ	600	41	90	3,5	2,25	2,85
3	ГСТ-А	550	36	78	2,75	1,89	1,9

О положительном действии разработанных модификаторов на поровую структуру цементного камня также свидетельствуют дифференциальные и интегральные кривые пористости цементного камня, модифицированного гидрофобизирующими модификаторами ГСТ и ГСТ-А, которые показывают, что предлагаемые гидрофобизирующие модификаторы позволяют получить цементный камень высокого качества: в нем отсутствуют крупные седиментационные поры и поры от воздухововлечения, поскольку крупные поры дробятся под действием модификаторов, уменьшается развитие капиллярных трещин при температурном воздействии, развивается микропористость с размерами пор ≈0,1 мкм, то есть близкая к контракционной.

Результаты испытаний модифицированных бетонов на водопоглощение, капиллярный подсос и водонепроницаемость показывают, что гидрофобизирующие модификаторы ГСТ и ГСТ-А позволяют в 3 раза уменьшить водопоглощение и капиллярный подсос. Водонепроницаемость бетона с гидрофобизирующими добавками типа ГСТ также существенно улучшается: повышается на 1 ступень в сравнении с бетоном с известной добавкой ГПД и на 3 ступени – в сравнении бетоном без добавок.

Испытания на морозостойкость показывают, что предлагаемые модификаторы существенно повышают морозостойкость бетона и могут быть рекомендованы в качестве средства, обеспечивающего высокие физико-технические свойства гидротехнического бетона.

О возможностях гидрофобизирующих комплексных модификаторов уменьшать разрушение межпорых мембран в структуре цементного камня вследствие морозопучения, инициирующего процессы корразии, можно судить по результатам дилатометрических испытаний цементного камня. Цементный камень с модификатором ГСТ имеет вследствие малого дилатометрического эффекта большой потенциал морозостойкости. Этот модификатор наряду с обеспечением мелкокристаллической структуры цементного камня и гидрофобизацией межпоровых мембран снижает действие корразии вследствие аморфизации льда, что и определяет повышенную морозостойкость бетона.

Результатами испытаний на сульфатостойкость установлено, что образцы бетона с модификаторами ГСТ и ГСТ-А имеют в 1,8 раза меньшую интенсивность прироста массы и в 2 раза меньшую высоту высолообразования. Эти результаты указывают на высокую стойкость к сульфатной коррозии. Высокая стойкость модифицированного бетона к действию агрессивной среды связана не только с плотностью, особенностями капиллярно-пористой структуры и кинетикой диффузии агрессивного водного раствора, но и с подавлением роста солевых кристаллов и их аморфизацией, что существенно снижает кристаллизационное даление солей в порах материала.

Определены деформативные свойства гидрофобизированного бетона для составления прогноза эксплуатационных возможностей материала. Предлагаемые гидрофобизирующие модификаторы способствуют снижению усадочных деформаций бетона и тем самым позволяют предупредить развитие опасных усадочных трещин и существенно улучшить гидрофизические свойства, повысить стойкость бетона к циклическим воздействиям мороза и тепла. В работе уделено внимание подбору режимов тепловой обработки. Полученные результаты позволяют прийти к выводу, что независимо от удобоукладываемости бетонных смесей, наличие в них модификатора типа ГСТ требует назначения более мягких режимов тепловой обработки. Рекомендуется режим 3+2+3+4 ч при температуре изотермического прогрева 60⁰С. Таким образом, проведенные аналитические и экспериментальные исследования подтверждают принятую рабочую гипотезу данной диссертационной работы о положительном действии разработанных гидрофобизирующих комплексных модификаторов типа ГСТ на бетонные, и железобетонные изделия и конструкции для гидромелиоративного строительства.

Производственные составы бетона для приготовления сборных железобетонных каналов из лотковых элементов Л 3-15 приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Производственные составы бетона для приготовления сборных железобетонных каналов из лотковых элементов Л 3-15

Добавка ГСТ, % от массы цемента	Расход материалов на 1 м^3 бетонной смеси, кг				В/Ц	Подвижность бетонной смеси по осадке конуса, см
	Ц	П	Щ	В
Без добавки	370	642	1070	244	0,52	9
0,5	350	580	1210	193	0,43	8

Опытная партия бетона с модификатором объёмом 300 м³ была использована для формования лотковых элементов Л 3-15. Результаты испытаний бетона представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 – Результаты физико-механических испытаний бетона

Добавка ГСТ, % от массы цемента	Плотность бетона, кг/м^3	Предел прочности при сжатии, МПа		Водопогло-щение %
		после ТВО	28 сут нор-мального твердения
Без добавки	2426	28,8	31,5	6,0
0,5	2433	30,2	32,6	3,0

Таблица 4 – Результаты испытания модифицированных бетонов на морозостойкость

Добавка ГСТ, % от массы цемента	Потери в массе, %, после циклов					Кмрз после циклов
	100	150	200	300	400	100	150	200	300	400
Без добавки	0	2,1	2,8	5,1	-	1,01	0,99	0,86	0,72	–
0,5	0	0	0	1,9	2,7	1,12	1,10	1,09	1,01	0,99

Для ускорения твердения бетона была применена тепловая обработка изделий в пропарочных камерах по режиму 2+3+6+2 ч при температуре изотермического прогрева 60° C.

Полученные результаты в области разработки импортозамещающих модификаторов, обеспечивающих изготовление бетонных и железобетонных изделий с высокой долговечностью и эксплуатационной надежностью для гидромелиоративного строительства.