Цементобетонные покрытия в США: строительство

Автор Б.С. Радовский, д.т.н., профессор, Лос-Анджелес, США

Окончание. Начало в №4 «АД».

В среднем 1% вовлеченного воздуха приводит к уменьшению прочности бетона примерно на 3–5% (Whiting, 1998), но эта потеря прочности может быть снижена за счет уменьшения водоцементного отношения.

Большое влияние на технологию бетона оказал прогресс в области добавок другой группы – пластификаторов. Изучение процесса гидратации цемента показало, что цемент при твердении (в зависимости от его качества и срока твердения) присоединяет не более 20–25% воды от своей массы. Вместе с тем при В/Ц=0,2 бетонная смесь является почти сухой, и ее невозможно качественно перемешать и уплотнить. Для придания бетонной смеси подвижности в бетон добавляли значительно больше воды – 40–60% от массы цемента. Избыточная вода, не вступая в химическую реакцию с цементом, остается в бетоне, заполняя его поры и капилляры. Это ослабляет бетон, снижая его прочность и устойчивость к действию мороза.

Пластификатор позволяет увеличить подвижность смеси за счет снижения внутреннего трения между частицами без введения дополнительного количества воды. Тем самым можно понизить содержание воды в смеси, сохранив ее удобоукладываемость, а значит, уменьшить капиллярную пористость цементного бетона, то есть повысить его прочность и долговечность. Много лет в качестве пластификаторов применяли соли лигносульфоновых кислот – технические лигносульфонаты. Первой из таких добавок была применявшаяся полвека назад сульфитно­спиртовая барда (ССБ). Другими добавками такого же типа были конденсаты формальдегида и сульфинированного меламина (SMFC) или нафталина (SNFC). Эти добавки получали из натуральных продуктов (например, лигносульфонат – отход переработки древесины, получающийся, в частности, при производстве бумаги), и можно было управлять их свойствами только за счет изменения молекулярной массы, чистоты и введения дополнительных веществ, но не за счет их химического строения. Перечисленные традиционные пластификаторы после адсорбции на поверхности зерен цемента сообщали ей отрицательный заряд, зерна начинали отталкиваться друг от друга, то есть пластификаторы SMFC и SNFC диспергировали зерна цемента за счет сил электростатического отталкивания (рис. 1, слева).

Прогресс в области пластификаторов произошел в конце 
1990­х годов и заключался в появлении пластификаторов на основе PCE (polycarboxylate ether – эфира поликарбоксилата). Их лидирующими производителями являются компании Grace и Sika. Механизм их действия на бетонные смеси принципиально отличается от действия традиционных пластификаторов SMFC и SNFC. Молекулярная структура пластификатора на основе поликарбоксилата представляет собой «гребень» из отрицательно заряженной основной цепи поликарбоксилата и боковых ответвлений полиоксиэтилена (рис. 1, справа). Можно изменять длину основной цепи, длину и густоту расположения боковых ответвлений. Тем самым можно влиять на такие свойства бетонной смеси, как удобоукладываемость, когезия, водоудерживающая способность и скорость набора прочности. Основная цепь обращена к поверхности зерна цемента. Механизм диспергирующего действия этого пластификатора – стерический: происходит физическое расталкивание зерен цемента: они не могут приблизиться друг к другу, поскольку их разделяют торчащие боковые ответвления. Стерический эффект намного сильнее электростатического отталкивания, и этим объясняется значительное увеличение подвижности смеси благодаря добавке суперпластификатора.

Действие пластификаторов на основе PCE зависит от типа используемого цемента и структуры полимера (длина основной цепи, длина боковых цепей, их «густота» и ионный заряд), которую можно регулировать. Дозировка пластификаторов на основе PCE в 2–3 раза меньше, чем традиционных пластификаторов SMFC и SNFC. Примерами являются Adva Superplasticizer компании Grace и Visco Cretepolycarboxylate компании Sika.

Одним из направлений применения суперпластификаторов является приготовление самоуплотняющихся бетонных смесей (так называемых литых цементобетонов). Такие смеси содержат от 0,3 до 1% добавки суперпластификатора от массы цемента, характеризуются осадкой конуса более 16 см и уплотняются без вибрации, под действием собственного веса.

Применение новых 
технологий бетона 
для дорожных покрытий

За последние 20–25 лет были разработаны новые виды бетона, которые постепенно внедряются при строительстве дорог и мостов. Вкратце остановимся на некоторых их них.

Вот уже более столетия, с первых шагов развития технологии бетона, после пионерных работ Р. Фере (Féret, 1892), а также 
В. Фуллера и С. Томпсона (Fuller, 1907), известно, что свойства бетона чрезвычайно сильно зависят от зернового состава каменного материала. С тех пор было проведено много экспериментов, направленных на оптимизацию зернового состава с тем, чтобы получать упаковки как можно более плотные. С этой целью подбирают зерновой состав так, чтобы мелкие зерна заполняли промежутки между более крупными зернами.

Опыты показывают, что беспорядочно расположенными гладкими шариками одинакового диаметра можно заполнить не более 0,60–0,64 объема сосуда. Если засыпать щебень узкой фракции в большой сосуд и утрамбовать, то он займет примерно 0,56 общего объема сосуда, то есть на долю пор останется примерно 0,44 объема. Предварительно смешав этот щебень с узкой фракцией песка (подобрав их оптимальное соотношение), можно в идеале добиться того, что из этих 0,44 объема пор примерно 50% будет заполнено песком. Тогда на долю зерен каменного материала могло бы приходиться около 0,56+0,44×0,50=0,78 от общего объема сосуда. Однако достигнуть этого нам не удастся: песчинки будут не только размещаться в порах, но и попадать в область контакта между щебенками, раздвигая их. Кроме того, утрамбовать нам удастся только щебень, образующий каркас, а песок между щебенками останется рыхлым.

В итоге лишь примерно 0,70 общего объема будет заполнено зернами щебня и песка, а 30% его будут занимать воздушные поры. Добавив в исходную сухую смесь цемент, мы сможем заполнить частицами цемента не более 50% этих пор. Тогда на долю частиц цемента будет приходиться 15% общего объема бетона, что составляет примерно 200 кг цемента на кубометр бетона (нам придется заменить цементом часть песка, чтобы увеличить содержание цемента в смеси), и после включения цемента в уплотненную сухую смесь в ней останется не менее 15% воздушных пор. В них могут поместиться 150 литров воды на кубометр бетона либо 120 литров воды, если 3% объема бетона оставить для воздушных пузырьков.

Итак, в нашем мысленном эксперименте нам удалось из щебня, песка и портландцемента составить плотную сухую смесь, в которой осталось 15% воздушных пор. Проблема в том, что мы исчерпали все возможности, поскольку частиц вяжущего вещества мельче портландцемента в нашем распоряжении нет.

Так обстояло дело до 1985–1990 годов, когда в технологии бетона появился микрокремнезем, а после 2005 года – нанокремнезем. Очевидно, что упаковка тем плотнее, чем шире диапазон размеров смешиваемых зерен, то есть чем больше соотношение диаметров крупнейшей и мельчайшей из имеющихся в нашем распоряжении фракций. Когда мельчайшими являлись частицы цемента, соотношение было порядка Dщеб /Dцем= 20·10­3м/10∙10­6м ~ 103.

С появлением микрокремнезема Dщеб /Dмикр= 20·10­3м/100∙10­9м ~ 105.

С появлением нанокремнезема Dщеб /Dщеб= 20·10­3м/10∙10­9м ~ 106. В этом тысячекратном увеличении соотношения крупнейшей и мельчайшей составляющих смеси зерен, видимо, и лежит корень появления новых видов бетона. Одной из проблем традиционного бетона было большое расстояние между зернами портландцемента – мельчайшими в нем. Теперь, в присутствии микро­ и нанокремнеземов, расстояние между их частицами стало соизмеримым с их размером 100 и 10 нм. На таком расстоянии становятся уже заметными межмолекулярные силы притяжения Ван­дер­Ваальса (размер молекулы воды – около 0,3 нм). По сути, идея Р. Фере и Фуллера – Томпсона о том, что нужно создавать плотную упаковку в бетоне из зерен щебня и песка, теперь распространена и на цементирующие материалы. Опишем вкратце новые виды бетонов.

Полную версию статьи читайте в номере.

Прочитано 1551 раз

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Заявка на подписку

Заполните это поле.
Введите, пожалуйста, адрес электронной почты!
Укажите версию подписки
Укажите период подписки
Введен недействительный тип данных
Введен недействительный тип данных
Заполняя данную форму, я передаю свои персональные данные в компанию АО "Издательство Дороги" и выражаю согласие на их последующую обработку и хранение в соответствии с ФЗ РФ №152 "О персональных данных"