Главная | Архитектура и строительство | Статьи | Наука и образование | Применение нанотехнологий для повышения качества дорожного цементогрунта

Применение нанотехнологий для повышения качества дорожного цементогрунта

Е. А. ГОЛУБЕВА, кандидат технических наук, доцент, Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), г. Омск

ALEXWILDОдной из важных задач подпрограммы "Автомобильные дороги" Федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России" является переход дорожного хозяйства России на инновационный путь развития. Этот переход обеспечивается широкомасштабным использованием новейших эффективных технологий и материалов с целью увеличения надёжности и сроков службы дорожных сооружений, роста технического уровня и транспортно-эксплуатационного состояния  автомобильных дорог, снижения стоимости, повышения экологической безопасности на автомобильных дорогах.
Дорожный цементогрунт - композиционный материал, используемый для устройства оснований и покрытий дорожных одежд. Применение цементогрунтов в строительстве дорожных одежд в России достаточно хорошо освоено. Технология применяется более 50 лет, имеет научное, методическое и нормативно-техническое обеспечение (ГОСТ, СНиП, ВСН). В то же время известно, что конструктивные слои дорожной одежды из цементогрунта имеют существенный недостаток, заключающийся в образовании сетки трещин вследствие воздействия на них различного рода  факторов. Такие трещины могут возникнуть не только из-за прилагаемых динамических и климатических нагрузок, но и из-за особенности структуры материала.
При укреплении грунтов цементом применяют различные добавки с целью создания оптимальных условий твердения цемента и улучшения технологических свойств цементогрунтовых смесей, повышения деформативных свойств цементогрунта и как следствие - повышения прочности и долговечности цементогрунтов, расширения количества видов грунтов, пригодных для укрепления, а также в целях экономии цемента.
Для улучшения деформативных свойств цементогрунтовых смесей в мире используют полимерные добавки (ренолит, латекс с лигносульфонатами, смолы, битумы, эмульсии и т. п.). Отметим, что зарубежные добавки использовать неэффективно ввиду их высокой стоимости, а применение существующих добавок отечественного производства не даёт устойчивого выраженного эффекта. Поэтому возникает необходимость в разработке комплексной полимерной добавки отечественного производства, которая позволила бы улучшить физико-механические свойства цементогрунта, а именно повысить такие показатели, как сопротивление при изгибе, морозостойкость и как следствие - деформативность материала, повысить трещиностойкость, снизить стоимость дорожного полимерцементогрунта.
Современные представления механизма образования структуры полимерцементного бетона хорошо изучены и нашли своё отображение в ряде работ [1] и основываются на том, что гидратация минеральных вяжущих сопровождается рядом сложных физико-химических и физико-механических превращений. Кинетика этих процессов во многом определяет структурно-механические свойства, плотность и прочность твердеющего цементного камня.
Все виды бетонов, в том числе грунтобетонов,  можно рассматривать как конгломеративные материалы, т. е. системы, состоящие из разнородно-структурных элементов, объединённых соответствующими связями [2]. Соотношение структурных элементов и их свойства, а также характер связей между ними предопределяют качественные отличия одного вида полимербетона от другого.
Рассматривая явления, происходящие при смешивании водной дисперсии полимера (латекса) с цементом, Л. Гриффитс [3], уточняя отдельные теоретические положения по влиянию химических добавок, содержащих водорастворимый полимер, приходит к выводу, что портландцемент отбирает от латекса воду. При образовании обычного бетона происходит формирование и развитие кристаллической структуры цементного камня. Когда в цементе заканчиваются процессы кристаллизации, наступает коагуляция полимерных частиц латекса в результате его дегидратации. Кристаллогидраты цемента и новообразования, покрываясь частичками каучука, срастаются между собой
Вследствие этого образуются две структурные фазы, представляющие собой пространственную сетку каучука, расположенную в трехмерной сетке закристаллизованного вяжущего.
Полимерцементный материал состоит из двух вяжущих, которые своими физико-химическими и другими параметрами отличны друг от друга. При их смешении в полимерцементе проявляются межмолекулярные силы сцепления. Размер макромолекулы полимера приблизительно равен 1 мкм, в то время как средний размер зерен цемента в 10…50 раз больше [4].
Обычно в разбавленных растворах наблюдаются формы полимеров умеренно волнообразной конфигурации. Считается, что в начальный период структурообразования игловидные кристаллики цемента врастают в сгустки макромолекул, притягиваясь поверхностными силами. В этот период цемент ограниченно гидратируется (изменение прочности при сжатии имеет меньшее значение для сухого поливинилацетатцементного бетона, чем для обычного бетона, твердевшего во влажностных условиях) [5].
С другой стороны, как считает Л. Гриффитс [3], формирование и развитие кристаллической структуры полимерцемента происходит подобно обычному цементному камню. По окончании этих процессов наступает коагуляция полимерного компонента вследствие его дегидратации. В процессе дальнейшего структурообразования наблюдается срастание новообразований и кристаллогидратов цемента, которые покрываются частичками полимера. Таким образом, образуются две фазы, представляющие собой пространственную сетку каучука, которая располагается в трехмерной сетке закристаллизованного вяжущего.
Для изучения влияния полимерных добавок на физико-механические свойства дорожного цементогрунта  авторами были проведены лабораторные исследования.
В экспериментах в качестве грунта использовался песок с модулем крупности 1,51, содержащий пылевидных и глинистых частиц  3%, насыпной плотностью - 1,56 г/смЗ и с коэффициентом фильтрации - 0,65 м/сут. В качестве вяжущего использовали портландцемент Искитимского завода ПЦ 400-Д20. Для проведения сравнительного анализа в дорожный цементогрунт вводились различные полимерные добавки "Ренолит" - зарубежного производства, "Латекс" - отечественного производства, марки СКС-65ГП по ГОСТ 10564-75. А также добавка собственного производства "УЦГСРос" - упрочнитель цементогрунтовой смеси "Российский", в состав которого входил Латекс-СКС-65 ГП и целлюлоза.
Известно, что для улучшения свойств материала производят его механоактивацию. Существует несколько способов. В нашем случае в качестве добавки в латекс применялась целлюлоза марки "Техноцель", которую предварительно измельчили двумя разными способами:
- в дезинтеграторе;
- в планетарной мельнице.
Далее в латекс вводили измельченную целлюлозу.
Образцы полученных полимерных добавок исследовали с помощью электронного микроскопа.
Целлюлоза, обработанная в планетарной мельнице, имеет более мелкие частицы по сравнению с целлюлозой, обработанной в дезинтеграторе, и частицами целлюлозы, распределённой  в полимерной добавке "Ренолит". Структура образца №3 более однородна. Известно, что деструкция макромолекул и образование различных нарушений в структуре приводят к изменению свойств полимера, в данном  случае целлюлозы. В результате обработки  целлюлозы в планетарной мельнице  был получен высокодисперсный порошок, имеющий аморфную структуру.
Механоактивированная целлюлоза приняла  состояние золь-геля и в нашем случае призвана выполнять роль упрочняющего структурного элемента, который представляет собой наночастицу целлюлозы. В соответствии с теорией композиционных материалов добавка механоактивированной целлюлозы, обработанной в планетарной мельнице, действует как микронаполнитель. Отдельные модификаторы латекс и механоактивированная целлюлоза находятся в определенной согласованности и дают мощный синергетический эффект.
Следующий этап - полученные полимерные добавки вводили в смесь песка и цемента. Формовали образцы-балочки размером 40Х40Х160 мм. В табл. 5 приведены результаты испытания образцов-балочек размером 40Х40Х160 мм. Балочки формовались из смесей оптимальной влажности под нагрузкой 15 МПа в течение
3 мин.
Ведение в цементогрунт полимерной добавки, состоящей из латекса и частиц целлюлозы, способствует повышению прочности материала как при сжатии, так и при изгибе. При этом наблюдается интенсивное снижение коэффициента жёсткости, что характеризует снижение интенсивности усадочного трещинообразования. Повысилась также и водостойкость материала. Наблюдаемые эффекты можно объяснить образованием благодаря действию полимерной добавки на основе латекса и целлюлозы в структуре цементогрунта разветвлённого арматурного каркаса из целлюлозы.
Примечание. Полимерная добавка (латекс) и "Ренолит" вводились сверх 100% цемента.
Однако наблюдаемое увеличение физико-механических свойств у данных смесей всё же намного ниже по сравнению с образцами из смеси № 9, т. е. с добавкой "Ренолит". Это объясняется недостаточно высокими когезионно-адгезионными свойствами подобного арматурного каркаса, обусловленных набухаемостью целлюлозы.
В свою очередь физико-механические свойства цементогрунта с добавкой "Ренолит" и полимерной добавкой, включающей модифицированную механической активацией целлюлозу, между собой идентичны.
Смесь латекса с механоактивированной целлюлозой условно назвали "Упрочнитель цементогрунтовой смеси Российский (УЦГСРос)"
Механизм действия обоих добавок идентичен. В обоих случаях наблюдается образование полимерных армирующих нитей, пронизывающих структуру цементогрунтового камня. Причём, степень армирования цементного камня выше в случае применения добавки "УЦГСРос". Полимерные нити тоньше, а сетка нитей больше. Этим и объясняется несколько более высокая прочность на растяжение при изгибе у цементогрунта с добавкой "УЦГСРос".
Анализ показал, что полимерцементогрунтовая смесь, модифицированная полимерной добавкой "УЦГСРос", имеет наноструктурные свойства материала. Появление такой смеси на рынке дорожного строительства на сегодняшний день очень актуально, поскольку стоимость полимерцемсентогрунтовой смеси, модифицированной полимером отечественного производства, ниже стоимости дорожного полимерцементогрунта, молифицированного зарубежным аналогом.
Библиографический список:
1. Архангельский Б.А. Пластические массы., Л.: 1961. - 720 с.
2. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение.М.: Высшая  школа. 2002. - 700 с.
3. Черкинский Ю.С. Полимерцементный бетон. - М.:1960. - 147 с.
4. Пащенко А.А. Вяжущие материалы/Сербин В.П., Старчевская Е.А.; Киев: Вища  школа, 1975. - 444 с.
5. Круглицкий Н.Н. Физико-химическая  механика цементополимерных  композиций/ Бойко Г.П.; Киев, Наук.Думка, 1981. - 240 с.
6. Соломатов В.И. Полимерцементные бетоны и пластбетоны. М.: - Стройиздат, 1967. - 184 с.
7. Черкинский Ю.С. Взаимодействие гипса с водными дисперсиями полимеров/ Слипченко Г.Ф., Хмилевская Т.А. и др. - Строительные материалы, 1971, №12, 25-26 с.
8. Gelst J.M. Improved Portland cement mortars with polyvinyl Acetate Emulsions. - Industrial and Eng. Chem., 1953. - 45, №4, р.759-767 с.

 

 

 
 
 
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер
Закрыть

У нас новый сайт!

Вся актуальная информация на новом сайте!

idsmedia.ru

Перейти