Высокоэффективный наномодифицированный бетон повышенной прочности и долговечности

Бетон – один из самых распространенных и уникальных строительных материалов, так как его свойствами, такими как прочность, трещиностой-кость, твердость, морозостойкость, можно целенаправленно управлять, улучшая каждый из требуемых параметров в результате использования определенного компонентного состава или создания и использования высокоэффективных комплексных химических добавок определенной природы.

Технология изготовления бетона является достаточно простой, она заключается в точном дозировании и тщательном перемешивании рационально

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ подобранных компонентов с целью получения бетонной смеси определенной подвижности, которую используют для изготовления изделий разной формы и конфигурации.

Твердение бетонной смеси и образование бетона на ее основе осуществляется самопроизвольно в естественных условиях при положительной температуре примерно от +5 до +25оС. В процессе твердения бетонной смеси протекают гидратационные процессы и образуются комплексные гидратные соединения различного состава, различной кристаллической структуры, что оказывает влияние на формирование искусственного камня (бетона) с определенными физико-механическими характеристиками [1–10].

Бетоны находят применение в различных областях строительства, например, в дорожном и аэродромном строительстве для создания верхнего покрытия повышенной твердости и прочности используются при создании атомных электростанций для изготовления плотных бесшовных конструкций, а также в высотном домостроении, при создании уникальных зданий типа Лахта-Центр высотой 462 м в Санкт-Петербурге или зданий высотой 268 м в комплексе Москва-Сити в Москве. Кроме того, они востребованы и требуют совершенствования конструкции для воздушных линий (ВЛ) электропередачи, которые помогают обеспечивать электроэнергией большие и малые города в центре страны и в самых удаленных периферийных районах.

Конструкции воздушных линий (ВЛ) электропередачи, представленные стойками, фундаментами абсолютно ничем не защищены от воздействия внешних факторов: ветровых нагрузок, осадков в виде снега или дождя. Основное, что требуется при создании таких конструкций, – добиться повышения их срока службы. Решение такой задачи может быть достигнуто путем создания бетона, отличающегося одновременно повышенной прочностью на растяжение при изгибе при высоких показателях прочности на сжатие, что должно способствовать повышению устойчивости бетонной конструкции к трещиноо-бразованию. Целесообразно и эффективно повысить плотность бетона с целью повышения химической устойчивости бетона, повышения его морозостойкости и водонепроницаемости, что должно оказать положительное влияние на повышение долговечности элементов ВЛ [11–14].

Для создания бетона с набором указанных физико-механических характеристик требуется рациональный подбор компонентов бетонной смеси, в том числе целесообразно рассмотреть использование и тонкодисперсных наполнителей, а также требуется высокоэффективная химическая добавка определенной природы и реакционного действия, оказывающая комплексное влияние на бетонную систему.

Решению указанных вопросов и созданию высокофункционального бетона посвящено данное исследование.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Для проведения научно-экспериментальных исследований использовали материалы, представленные ниже.

• 1.    Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 311082020 «Цементы общестроительные. Технические условия». Физико-механические характеристики портландцемента:

• -    нормальная густота цементного теста, % – 25,8;

• -    начало схватывания, мин – 165;

• -    конец схватывания, мин – 257;

• -    прочность на сжатие в возрасте 28 сут., МПа –

• 2.    Песок природный по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»:

53,5.

• -    модуль крупности песка – Мк=2,25;

• -    содержание пылевидных и глинистых частиц – 1,37%;

• -    содержание глины в комках – нет.

• 3.    Щебень гранитный фракции 5-10 мм по ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»:

• -    содержание пылевидных и глинистых частиц – 0,93%;

• -    содержание глины в комках – нет.

• 4.    Рассматривали в качестве наполнителя тонкодисперсный микрокремнезем SiO₂ марки МК-85 ГОСТ Р 58894-2020.

• 5.    Для повышения реакционной активности системы использовали комплексную химическую добавку, обладающую повышенным пластифицирующим и реакционно-активным эффектами действия. В качестве основы добавки использовали поликар-боксилатный полимер в сочетании с коллоидным раствором на основе нанодисперсий гидродиоксида кремния SiO₂•nH₂O, имеющий размер дисперсий (50–70) нм, и дополнительно в качестве модификаторов использовали вещества органической и неорганической природы, оказывающие умеренное воздухововлечение (в пределах 4–6%) на бетонную смесь.

• 6.    Эффективность действия компонентов используемой добавки относительно компонентов бетонной смеси оценивали по изменению показателей прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе, оценку которых осуществляли по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

• 7.    Плотность бетона оценивали по ГОСТ 12730.32020 «Бетоны. Методы определения водопоглоще-ния».

• 8.    Долговечность бетона оценивали по показателям морозостойкости и химической стойкости, которые определяли по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости», ГОСТ 12730.5-2018 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» и ГОСТ Р 58896-2020 «Бетоны химически стойкие. Методы испытаний».

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Для определения показателей прочности изготавливали образцы-кубы с ребром 100 мм и образцы-призмы размером 100×100×400 мм. Твердение бетонных образцов осуществлялось в нормальных условиях при температуре (20±2)оС и влажности W ≥ 95%.

Соотношение показателей прочности на растяжение при изгибе к прочности на сжатие характеризует устойчивость бетона к трещинообразованию, что имеет принципиальное значение для центрифугированных стоек опор ВЛ, которые имеют высоту до 26 м при толщине стенки до 85 мм. Как указывалось ранее, для повышения долговечности конструкций целесообразно добиваться повышения плотности структуры бетона, используемого для создания конструкций опор ВЛ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Основная цель данного исследования – создание бетона повышенной устойчивости к трещи-нообразованию, и решение такого вопроса может быть достигнуто в результате образования в процессе твердения гидросиликатов с повышенным содержанием SiO2, которые относятся к низкоосновным гидросиликатам и при этом обладают волокнистой или игольчатой структурой, оказывающей микроармирующее действие на формирующуюся структуру бетона, оказывая положительное влияние на повышение его прочности на растяжение при изгибе. С этой целью проводили сравнительные исследования по использованию микронаполнителя, представленного микрокремнеземом SiO2, и нанодисперсий гидродиоксида крепния SiO2•nH2O, входящего в состав добавки.

В соответствии с проектными данными, для стоек опор ВЛ чаще всего требуется бетон В30 с маркой по удобоукладываемости бетонной смеси П3. На основании предварительно проведенных подборов состава бетона определен наиболее рациональный расход материалов на 1 м3 бетонной смеси: - портландцемент ПЦ ЦЕМ I 42,5Н – 390 кг;

• -    песок с М_К = 2,25 – 845 кг;

• -    щебень фракции (5–10) мм – 950 кг;

• -    В/Ц – 0,52.

На первом этапе исследования проводили сравнительную оценку эффективности действия микрокремнезема SiO2 и нанодисперсий гидродиоксида кремния SiO2•nH2O в присутствии водного раствора поликарбоксилатного полимера с плотностью ρ = 1,027 г/см3 и значением водородного показателя рН = 6,5. Оценку эффективности осуществляли по изменению подвижности бетонной смеси и по показателю прочности на сжатие.

Результаты научно-экспериментальных исследований представлены в табл. 1.

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что эффективность действия микрокремнезема ниже, чем нанодисперсий гидродиоксида кремния, что подтверждается отсутствием пластифицирующего эффекта действия у микрокремнезема, и при этом рост прочности на сжатие в присутствии микрокремнезема составляет 11% относительно бетона, модифицированного поликарбоксилатным полимером, в то время как в присутствии нанодисперсий гидродиоксида кремния рост прочности составляет 17% (рис. 1) и наблюдается повышение подвижности бетонной смеси, что подтверждается некоторым уменьшением В/Ц отношения в пределах (5–7)%.

Для высотных тонкостенных конструкций принципиальное значение имеет их устойчивость к тре-щинообразованию, что оценивается показателем прочности на растяжение при изгибе или коэффициентом трещиностойкости, Ктр = Rизг/Rсж, а также важное значение для всех бетонных конструкций, особенно для тех, которые не защищены от возможного внешнего негативного воздействия, к которым могут быть отнесены конструкции ВЛ, имеет долговечность, которая в некоторой степени взаимосвязана с плотностью формирующейся структуры бетона.

При проведении дальнейших научно-экспериментальных исследований произведена сравнительная оценка показателей трещиностойкости и плотности при использовании в рациональном количестве микрокремнезема и нанодисперсий гидродиоксида кремния в сочетании с поликарбоксилатным полимером. Результаты исследований представлены в табл. 2.

Данные, представленные в табл. 2, подтверждают высокую эффективность совместного действия поликарбоксилатного полимера и нанодисперсий гидродиоксида кремния, которая выражается в значительном повышении коэффициента трещино-стойкости при повышенных показателях прочности на сжатие, и при этом уменьшается водопоглощение затвердевшего бетона, что может быть обусловлено уменьшением В/Ц отношения и повышением степени гидратации, т.к. повышение прочности на растяжение при изгибе, как правило, обусловлено не уплотнением структуры бетона, а образованием

2022; 14 (6): 493–500

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 1

Сравнительная оценка эффективности действия микрокремнезема SiO ₂ и нанодисперсий гидродиоксида кремния SiO ₂• nH ₂ O на свойства бетонной смеси и бетона

№ п/п	H I© О	-0 о я я a « § S s у Sb © a.	й 5	- о ® б ” У 5 В S g s S S s У ® g s g § 1	4> © g s 8 s M s „	H s u 8 a « s g 5     = ®      У SB's		м	I в в хе	С
1	OO		390	–	–	–	203	0,52	13	39,2
2			390	0,8	–	–	168	0,43	14	46,8
3			390	1,0	–	–	160	0,41	15	49,8
4			390	1,2	—		156	0,40	15	50,4
5			390	1,0	8,0	–	176	0,45	14	53,9
6		1	390	1,0	10,0	–	179	0,46	14	55,3
7	Pi о 2		390	1,0	12,0	–	187	0,48	13	56,0
8			390	1,0		0,4	158	0,41	14	56,4
9			390	1,0		0,6	152	0,39	14	58,3
10			390	1,0		0,8	148	0,38	15	59,0

Микрокремнезем относительно нанодисперсий гидродиоксида кремния обладает, по-видимому, меньшей реакционной активностью и меньшим эффектом действия относительно повышения трещиностойкости бетона. Поэтому дальнейшие исследования по оценке долговечности модифицированного высокопрочного бетона проводили с добавкой на основе поликарбоксилатных полимеров, модифицированных нанодисперсиями гидродиоксида кремния в сочетании с воздухововлекающим компонентом, обеспечивающим рациональное воздухововлечение в пределах (4–6)%.

В качестве основных параметров долговечности определяли химическую устойчивость модифицированного бетона относительно углекислотной и магнези-

Рис. 1. Влияние микрокремнезема и нанодисперсий гидродиокси- _{альной коррозии. С этой целью образцы} да кремния на показатели прочности на сжатие наномодифици-     _{модифицированного бетона в течение 360}

^{рованного бетона}                                             суток выдерживали в 5% растворе Na₂CO₃

и в 5% растворе MgCl2. Результаты иссле-гидросиликатов, отличающихся повышенным со-   дований представлены в табл. 3.

держанием SiO2, т.е. низкоосновных, которые имеют волокнистую структуру и оказывают микроармирующее действие на формирующуюся структуру бетона.

Данные, представленные в табл. 3, показывают, что бетон, модифицированный водным раствором поликарбоксилатного полимера, отличается повы-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 2

Сравнительная оценка показателей трещиностойкости и плотности бетона в присутствии микрокремнезема и нанодисперсий гидродиоксида кремния

	Ф	Ф « Я Я о ° d^ Рн	2 ев ° ® £ “ О 5 ^ 2 а у и я и Ф « О ев s ‘И и	3 ев S - Я ев 3 s Я	Я ев g S ев Еси fli 8 § 8 2 з		G Я S О Я я & S	Прочность, МПа
№ п/п						м		ев К	S а я н я ев а ев Я	2 Й й?	я о М
1	й cd ^	390	–	–	–	0,52	П3	39,2	4,6	0,117	4,2
2		390	1,0	–	–	0,41	П3	49,8	6,0	0,120	3,9
3		390	1,0	10,0	–	0,46	П3	55,3	6,8	0,123	3,6
4		390	1,0	–	0,6	0,39	П3	58,3	7,6	0,130	3,3

Таблица 3

Сравнительные комплексные физико-механические характеристики бетона

№ п/п 2 S « о и g с s = ю а я d 10 Рн 2 ё S Й 1 й 1 в в I « и = s 3 S S ф 2 S 5 io В я ° « я ® м 3 Я 12 5 ев" si й 1 ° s I в S й « Eg И о я ев Я я ^ е Коэффициент химической стойкости, КХС Й = 1 ОО m 390 - - - 39,0 П3 В30 0,46 0,43 2 390 1,0 - - 49,6 П3 В40 0,73 0,72 3 390 1,0 0,6 - 58,0 П3 В46 0,87 0,84 4 390 - - 1,0 52,2 П3 В47 0,89 0,86 шенной прочностью на сжатие и повышенной химической стойкостью, что, по-видимому, обусловлено не только уплотнением структуры бетона за счет пластифицирующего эффекта поликарбоксилатного полимера, но и повышением гидратационной активности компонентов бетонной смеси.

Добавление нанодисперсий гидродиоксида кремния SiO2·nH2O к поликарбоксилатному полимеру является эффективным и оказывает дополнительное положительное влияние на повышение гидратационной активности бетонной смеси. По-видимому, предварительное перемешивание указанных компонентов в большей степени усиливает собственную эффективность каждого компонента.

В присутствии комплексной химической добавки прочность на сжатие повышается примерно на 52%, и бетон с добавкой соответствует классу В47 относительно проектному классу бетона В30. Модифицированный бетон относится к высокостойкому относительно углекислотной и магнезиальной коррозии в соответствии с ГОСТ Р 58895-2020 «Бетоны химически стойкие. Технические условия», в то время как контрольный состав бетона в соответствии с данными табл. 3 является «относительно стойким» бетоном.

Повышение химической стойкости бетона, используемого для стоек или фундаментов опор ВЛ, имеет большое значение, которое необходимо принимать во внимание при проектировании данных конструкций.

Повышение прочности бетона, как правило, сопровождается уменьшением В/Ц отношения в результате пластифицирующего эффекта модификатора или образованием повышенного количества новых комплексных гидратных соединений, уплотняющих и упрочняющих формирующуюся структуру бетона в результате дополнительного образования новых контактов между компонентами бетонной

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 4

Сравнительные комплексные физико-механические характеристики бетона

№ п/п VO § 2 5R 3 P 11 С и $ s Ph i| = ® I * § S 8 s S g = ^ s CT m s s и s Прочность, МПа S 1§^ S |ИР Фактический класс бетона 1 а м СТ" a о 3 s I = Е И и м юе 1 2 ik"^ 390 – 0,52 П3 39,0 4,6 0,117 B30 Btb4,6 4,3 W4 F1150 2 390 1,0 0,38 П3 59,4 7,7 0,130 B47 Btb6,0 3,2 W10 F1400 смеси, что должно оказывать положительное влияние на показатели долговечности бетона. Для подтверждения высказанных предположений проведены научно-экспериментальные исследования, результаты которых представлены в табл. 4.

Физико-механические показатели модифицированного бетона при одинаковом расходе цемента значительно превосходят показатели прочности и долговечности контрольного состава бетона, что дает основание предполагать, что долговечность модифицированного бетона также увеличится не меньше, чем в 2 раза и должна составить 100 и более лет, что с экономической и экологической точек зрения является эффективным.

ОБСУЖДЕНИЕ

Бетонные конструкции для воздушных линий электропередачи, представленные тонкостенными стойками, высотой до 26 м, диаметр которых достигает 0,8 м, а также фундаментами, которые используются для закрепления и установки опор ВЛ, находятся частично в земле, частично на поверхности, не защищены ничем от негативных атмосферных воздействий, таких как попеременное смачивание-высушивание, замораживание-оттаивание. Безусловно, для таких конструкций требуется бетон нового уровня свойств, который одновременно должен обладать набором улучшенных физико-механических характеристик, к наиболее важным из которых относятся трещиностойкость, химическая стойкость, морозостойкость, водонепроницаемость и повышенная прочность на сжатие [15–20].

Улучшение указанных параметров, возможно, и достигается в результате использования эффективной химической добавки на основе высокоэффективных ПАВ, представленных поликарбоксилатным полимером, который обеспечивает суперпластифи- цирующий эффект. Сочетание данного вида ПАВ с нанодисперсиями SiO2•nH2O усиливает пластифицирующий и водоредуцирующий эффекты более чем на 27%, и при этом присутствие нанодисперсий в составе добавки значительно повышает ее реакционную активность, обеспечивая образование новых гидратных фаз определенной структуры, что и способствует более высокому росту прочности на растяжение при изгибе и, как следствие, повышению трещиностойкости высокопрочного бетона [21–27].

Использование комплексной химической добавки с наноструктурными элементами позволило в достаточно полном объеме решить поставленные задачи и создать бетон повышенной надежности и долговечности, который целесообразно использовать для конструкций воздушных линий (ВЛ) электропередач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)

Установлено, что для создания бетона, обладающего повышенной устойчивостью к трещинообразо-ванию и повышенной долговечностью, целесообразно использовать комплексную химическую добавку, обладающую повышенным пластифицирующим и реакционно-активным эффектами действия.

Экспериментально подтверждено, что нанодисперсии гидродиоксида кремния обладают очень хорошей совместимостью с ПАВ на основе поликар-боксилатных полимеров, их совместное присутствие обеспечивает суперводоредуцирующий эффект, обеспечивая уменьшение В/Ц отношения более чем на 27%, повышая плотность структуры бетона, что подтверждается уменьшением величины водопо-глощения от значения WМ (контрольного состава) 4,3% до значения WМ (наномодифицированного состава) 3,2%.

Рост прочности на растяжение при изгибе составляет 67% при росте прочности на сжатие, равном

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

52%, который, вероятно, обусловлен, в основном, образованием новых гидратных фаз, имеющих удлиненную волокнистую структуру и оказывающих микроармирующее действие на твердеющую бетонную смесь. К таким гидросиликатам могут быть отнесены низкоосновные, которые в своем составе содержат повышенное количество SiO2, что, по-видимому, становится возможным в присутствии реакционно- активных нанодисперсий гидродиоксида кремния SiO2•nH2O, входящих в состав комплексной химической добавки.

Разработанный нанополимерный бетон, отличающийся повышенной прочностью, надежностью и долговечностью, целесообразно рекомендовать и использовать для конструктивных элементов опор ВЛ.