Ученые Донского государственного технического университета разработали самоуплотняющиеся смеси на основе наномодификаторов различных типов, в том числе промышленных и сельскохозяйственных отходов. Коллектив ученых разработал и предложил рецептурные и технологические параметры процесса изготовления усовершенствованных бетонных смесей, установив экспериментальные и математические зависимости между характеристиками технологического процесса и сырья и характеристиками готовых бетонных смесей и бетона.
По результатам проведенных экспериментов, подвижность бетонной смеси увеличилась на 12%, текучесть — на 83%. Прочность бетона удалось увеличить на 19%, его водостойкость — на 22%. Предельные деформации бетона снизились на 14%, а модуль упругости увеличился на 11%, количественное увеличение технологических и реологических характеристик полученного самоуплотняющегося бетона составило 83%.
– В современных условиях роста цен на энергоносители, сырье, машины и оборудование, с учетом инфляции и ужесточающихся требований к качеству строительных материалов, растут и требования к экологичности и эффективности строительства, – прокомментировал член научной группы, доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» ДГТУ Сергей Стельмах. – Сегодня особо актуальна разработка наиболее технологичных, высокофункциональных бетонных смесей нового поколения, которые позволяют добиться экономии по всем ключевым пунктам: транспортировка, укладка, уплотнение, уход за твердеющим бетоном, сроки возведения зданий и сооружений.
По мнению строителей-технологов, самоуплотняющиеся бетонные смеси позволяют обойти такие проблемы современного строительства, как высокая плотность арматуры, невозможность ручного или машинного уплотнения бетонной смеси в труднодоступных бетонных конструкциях.
В качестве наномодификаторов в самоуплотняющихся бетонах с улучшенными эксплуатационными характеристиками использовались зола уноса тепловых электростанций (т.н. летучая зола), молотый доменный гранулированный шлак, метакаолин, а также микрокремнезем.
– Минеральная добавка активизирует процессы гидратации вяжущего раствора и способствует увеличению объема и степени кристалличности образующихся гидратов, что значительно повышает микротвердость гидратных заполнителей, – отметил Сергей Стельмах.
Ученые ДГТУ уверены, что применение мелкодисперсных минеральных добавок позволяет улучшить технологические характеристики самоуплотняющихся бетонных смесей и физико-механические свойства бетона. При этом наиболее значительный эффект может быть достигнут при использовании рационально подобранных комбинаций и дозировок минеральных добавок совместно с суперпластификатором, оптимизирующим гранулометрический состав заполнителей, что и позволяет в результате получить высокопрочный бетон.
– В состав самоуплотняющихся бетонных смесей входят суперпластификаторы, содержащие различные дисперсные материалы, такие как портландцемент, минеральные добавки, наполнители, мелкий и очень мелкий песок. Добавление суперпластификатора в состав бетонной смеси позволяет сохранить реологические свойства бетонной смеси – ее вязкость – на время, достаточное для транспортировки и формования из нее изделий и конструкций, – пояснила научный лидер Студенческого научного общества «Перспективные технологии эффективных строительных материалов» ДГТУ Диана Ельшаева. – Различные типы суперпластификаторов, основанные на поликарбоксилатах, лигносульфоновой кислоте, меламиноформальдегидной сульфокислоте, нафталинформальдегидной сульфатной кислоте, по-разному влияют на текучесть и потерю текучести бетонных смесей. Причем и механизм действия добавки, а также ее точная дозировка индивидуальны и нуждаются в корректировке для каждого конкретного случая.
По мнению Сергея Стельмаха, совместное включение суперпластификатора и минеральной добавки в самоуплотняющуюся бетонную смесь увеличивает эффект по сравнению с использованием только одного из этих видов добавок.
На примере цементного камня ученые ДГТУ представили различия в относительном значении модуля упругости при использовании только суперпластификатора (увеличение до 10%) и при использовании суперпластификатора с минеральной добавкой (увеличение до 20%).
Ученым удалось выяснить, что применение комплексных добавок (химических и минеральных) позволяет снизить расход цемента, сохранить обрабатываемость бетонных смесей в течение длительного времени, повысить плотность структуры и, как следствие, прочность, долговечность и стойкость бетона при эксплуатации.
Экспериментальным путем было установлено, что частичная замена портландцемента золой уноса на 40% повышает водопотребность и пластическую вязкость цементной массы.
Отметим, что измерения деформаций образцов бетона проводились цепью тензометрических датчиков на экспериментальных призмах. Кроме того, были проведены испытания экспериментальных призм на осевое сжатие и осевое растяжение при постоянной скорости деформации для получения прочностно-деформационных характеристик бетона. Водостойкость образцов определяли методом «мокрого пятна» – по максимальному давлению воды, при котором на четырех из шести образцов не наблюдалось просачивания.
Все изготовленные опытные образцы закалялись в нормальных условиях при температуре 20 ± 2 °С в течение 28 суток.
Результаты исследования строителей-технологов ДГТУ могут были использованы строительными организациях и предприятиями, производящими самоуплотняющийся бетон.
Исследование возглавили проректор по учебной работе и международной деятельности ДГТУ, д. т. н., проф. Алексей Бескопыльный и член-корреспондент РААСН, д. т. н., проф. Левон Маилян.
Проведенное исследование соответствует программе стратегического академического лидерства Приоритет 2030 по направлению «Новые экологичные материалы для строительства зданий и сооружений из растительного сырья и сельскохозяйственных отходов».
Исследование опубликовано в научной статье под названием Development of High-Tech Self-Compacting Concreate Mixtures Based on Nano-Modifiers of Various Types в журнале Materials, том 15, выпуск 8, апрель 2022. С полным текстом статьи можно ознакомиться по ссылке https://www.mdpi.com/1996-1944/15/8/2739
