истираемость

1. 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 при-
сутствии водных растворов хлористых солей-антиобледенителей бетонов при раз-
личной степени истираемости верхнего слоя на их морозостойкость. Приведены
результаты исследований, показывающие, что с увеличением расхода цемента в бе-
тоне 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, долго-
вечность, 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 преимущест-
вам кроме высокой долговечности относят высо-
кие дорожно-эксплуатационные показатели, та-
кие как ровность, высокий коэффициент сцепле-
ния с колесом автомобиля, уменьшение расхода
топлива автотранспортными средствами на
5–10% и другие, которые определяют их эффек-
тивность 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 Вtb4,0…Вtb4,8. Такую
прочность можно обеспечить при использовании
стандартных материалов за счёт применения со-
временных суперпластификаторов, понижающих
водоцементное отношение до 0,28–0,38. При этом
прочность бетона на сжатие соответствует клас-
сам В30-В40 (маркам М400-М500). Считается,
что такая прочность определяет высокую износо-
стойкость цементобетонного покрытия, стойкость
против скалывания кромок плит, стойкость к
истиранию, ударную стойкость. Такие бетоны по
современной зарубежной классификации отно-
сятся к высококачественным (High Регfоmаnсе
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 климатическо-
го воздействия на дорожный бетон, определяю-
щим его долговечность, является переменное за-
мораживание-оттаивание в присутствии водных
растворов хлористых солей-антиобледенителей.
По данным различных исследователей [1, 3] воз-
действие именно хлорида натрия в наибольшей
степени усиливает агрессивное воздействие на
бетон при циклическом замораживании-
оттаивании в весенне-осенний период по сравне-
нию с другими антиобледенителями (на основе
мочевины, хлорида кальция и пр.). Соответствен-
но, для обеспечения высокой долговечности це-
ментобетонных покрытий необходимо получать
бетон с надёжной, гарантированно высокой моро-
зостойкостью. Однако большинство ученых за-
бывает тот факт, что на покрытие влияют также
механические нагрузки, в частности, истираю-
щие, которые в свою очередь, интенсифицируют
разрушающее действие знакопеременных темпе-
ратур и влажности.
Поэтому весьма актуальным, на наш взгляд, явля-
ется выявление взаимосвязи и взаимовлияния
истираемости дорожного бетона и его морозо-
стойкости.
Цель и постановка задачи
Целью работы является разработка критерия
оценки долговечности бетона по его истираемо-
сти в условиях морозо-солевого воздействия. В
задачи исследования входило проведение анализа
литературных источников по проблемам повы-
шения морозо-солестойкости и эксперименталь-
ные исследования взаимосвязи истираемости,
водопоглощения и морозостойкости на различ-
ных составах бетона.

2. Результаты исследования
Известно, что достаточно эффективным спосо-
бом повышения морозо- и коррозионной стойко-
сти дорожных бетонов является введение в бе-
тонную смесь воздухововлекающих добавок ти-
па СНВ. Нормируемый объём вовлечённого и
диспергированного до размера пузырьков (не
более 200–300 мкм) воздуха для условий Украи-
ны должен составлять 4–6% (3,5–7,0% – для
стран Европы). Многочисленные данные позво-
ляют 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. Повы-
шения прочности, как упоминалось выше, мож-
но добиться при использовании высокоэффек-
тивных суперпластификаторов. Их отечествен-
ные аналоги отсутствуют, а зарубежные доста-
точно дороги и применяются в редких случаях и
только при строительстве дорог государственно-
го значения. Поэтому в практике строительства
большинства автодорог и площадок, а также при
индустриальном изготовлении элементов обуст-
ройства дорог воздухововлекающие добавки не
применяются, а используются только различные
пластификаторы традиционного действия. Как
показали исследования, отсутствие в этих усло-
виях надлежащего ухода за твердеющим бето-
ном приводит не только к необратимому сниже-
нию его прочности, но и образованию высоко-
пористой структуры с открытыми и сквозными
каналами [4]. Особенно подвержен такому раз-
рушению верхний слой бетона, который при
эксплуатации подвергается сильному истиранию
от движущегося транспорта.
В исследованиях использовали кварцевый песок
Безлюдовского месторождения Харьковской облас-
ти с Мкр = 1,2, гранитный щебень Кременчугского
карьера фракции 5–20 мм, а также портландцемент
марки ПЦ II/А 400. Исследованию подвергали со-
ставы 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 об-
разцы бетонов, которые твердели при температу-
ре +18–22 о
С и относительной влажности воздуха
55–70%. После 28 суток твердения образцы под-
вергали 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 морозо-
стойкости 0,97. Следует отметить, что после
20 циклов прирост прочности этих образцов не
превысил 7%, что свидетельствует о качествен-
ной структуре такого бетона. Для состава, со-
держащего 400 кг/м3
и 550 кг/м3
цемента при-
рост 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 от-
крытых 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 воз-
растает. 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 со-
ответствии с этим морозостойкость бетонов с
наибольшим расходом цемента наименьшая, а
наибольшая марка по морозостойкости (F300)
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
Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-
оттаивания по ускоренной методике ( – 50 о
С в 5%-ом растворе NaCL)№ состава бетона
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 –

3. Таблица 2 Морозостойкость составов бетона с истираемостью 0,3 г/см2
Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-
оттаивания по ускоренной методике ( – 50 о
С в 5%-ом растворе NaCL)№ состава бетона
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 F 150, для состава 2 –
F 200.
Кинетика водопоглощения этих образцов анало-
гична контрольным, однако абсолютные значения
водопоглощения на 5–7% выше, чем в предыду-
щем случае. Снижение морозостойкости можно
объяснить тем, что при данной степени истирания
снятие верхнего слоя открывает более дефектные
слои бетона. Это объясняется тем, что при тради-
ционном виброуплотнении на поверхности бето-
на концентрируется цементное молочко, которое
при твердении несколько повышает твердость и
плотность поверхностного слоя [5], поэтому мо-
розостойкость контрольного состава выше.
В ранее составленных утвержденных норматив-
ных документах указаны требования по истирае-
мости бетона: предельно допустимые величины
0,6–0,7 г/см2
, которые отсутствуют в действую-
щих. 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 морозо-
стойкости бетона. Достижение такой степени ис-
тираемости приводит к полной потере устойчивос-
ти бетона к действию знакопеременных темпера-
тур 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 исследо-
вании 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 F 150, а для состава 2 с расходом
цемента 400 кг/м3
она практически соответствует
марке F 200.
Водопоглощение образцов увеличивается и дости-
гает максимальных значений по сравнению с дру-
гими 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 це-
мента 250–400 кг/м3
количество открытых макропор
меньше, чем в бетонах с большими расходами вя-
жущего. Это объясняет повышение морозостойко-
сти бетонов составов 1 и 2.
Проведенные ранее исследования циклического
воздействия агрессивных сред на свойства бето-
на, в том числе и на его истираемость и морозо-
стойкость 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 назы-
ваемую «вторичную» защиту его поверхности
(под первичной мы подразумеваем обеспечение
всех необходимых технологических операций на
стадиях проектирования, изготовления бетонных
смесей и твердения бетонов). В качестве «вто-
ричной» защиты предлагаются различные пропи-
точные составы на основе акриловых и эпоксид-
ных смол, метилметакрилата, силиконовых ком-
позиций, серы и композиций на основе гидрофо-
бизаторов.
Таблица 3 Морозостойкость составов бетона с истираемостью 0,75 г/см2
Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-
оттаивания по ускоренной методике ( – 50о
С в 5%-ом растворе NaCL)№ состава бетона
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 –

4. Таблица 4 Морозостойкость составов бетона с истираемостью 1,2 г/см2
Коэффициент морозостойкости бетона при количестве циклов замораживания-
оттаивания по ускоренной методике (–50о
С в 5%-ом растворе NaCL)№ состава бетона
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 шелу-
шению и истиранию при совместном действии
мороза и хлористых солей-антиобледенителей
или остается на одном и том же уровне, или по-
вышается. По данным [1], которые согласуются с
нашими, «вторичная» защита достаточно морозо-
стойкого дорожного бетона не повышает его мо-
розостойкость по сравнению с начальной (про-
ектной) и не защищает от коррозии арматуру,
находящуюся в бетоне. Поверхностная «вторич-
ная» защита не повышает морозостойкость не-
достаточно морозостойкого бетона. Отмечается,
что в ряде случаев не «вторичная» защита, но
глубокая, на всю толщину, пропитка неморозо-
стойкого бетона полимером смогла повысить его
морозостойкость.
Следует отметить, что «вторичная» защита может
не обеспечивать сама по себе повышение долго-
вечности дорожных бетонов, но способствует
стабилизации свойств в период осенне-зимне-
весенних знакопеременных и других циклических
воздействий. В благоприятный теплый период
года в бетоне происходит самозалечивание де-
фектов структуры и повышение или реанимация
исходных свойств.
Выводы
Морозостойкость дорожного бетона должна
обеспечиваться мерами «первичной» защиты,
включающими в себя правильный выбор мате-
риалов, состав бетона и технологию бетонных
работ, а также проведение необходимого контро-
ля 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 про-
тивостоять комплексному морозо-солевому воз-
действию. Истираемость бетона следует ограни-
чивать на уровне 0,5 г/см2
.
Литература
1. Шейнин А.М., Эккель С.В. Причина долговеч-
ности // Строительная техника и техноло-
гии. – 2004. – №1(29). – С. 62–65.
2. Ушеров-Маршак А.В., Сопов В.П. Ресурсы
технологии бетона // Строительные мате-
риалы и изделия. – 2003. – № 3. – С. 15–17.
3. Лисьев В.Н., Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г.
Исследование причин разрушения дорож-
ных бетонов и системы экологических оце-
нок влияния придорожного пространства на
биоту // Вестник НТУ «ХПИ». – 2004. –
№29. – С. 139–144.
4. Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Толмачев
В.С., Гринченко Р.А. Материаловедческие
аспекты обеспечения долговечности дорож-
ных цементных бетонов // Автомобільні до-
роги і дорожнє будівництво / Наук.-техн.
зб. – 2004. – № 70. – С. 86–93.
5. Толмачев С.Н., Кондратьева И.Г., Массооб-
менные процессы в бетонах на местных ма-
териалах // Труды Всесоюзной науч.-техн.
конференции «Применение отходов про-
мышленности и местных строительных ма-
териалов при строительстве и ремонте авто-
мобильных дорог». – Владимир, 1991. –
С. 44.
Рецензент: В.К. Жданюк, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 27 января 2005 г.