Введение

Дорожный бетон является материалом, работающим в условиях комплексного воздействия транспортных, климатических и химических факторов. В отличие от бетонов общего строительного назначения, бетон дорожного покрытия должен обеспечивать не только высокую несущую способность, но и устойчивость к изгибающим напряжениям, циклическому замораживанию и оттаиванию, водонасыщению, действию противогололедных реагентов и истиранию колесами транспорта. Поэтому оценка дорожного бетона только по прочности при сжатии является недостаточной. Для прогноза долговечности необходимо учитывать комплекс характеристик: прочность при изгибе, плотность, водопоглощение, истираемость и морозостойкость [3–5].

Актуальность исследования связана с повышением требований к срокам службы дорожных покрытий и необходимостью применения материалов, устойчивых к неблагоприятным условиям эксплуатации. Для регионов с частыми переходами температуры через 0 °C особое значение приобретают показатели водопоглощения и морозостойкости. Вода, проникающая в поровую структуру бетона, при замерзании создает внутреннее давление, способствует развитию микротрещин и снижает сопротивление бетона истиранию [2–4]. Дополнительным фактором является механический износ верхнего слоя покрытия, особенно при воздействии шипованных шин.

Одним из способов повышения долговечности дорожного бетона является применение пластифицирующих добавок и защитных покрытий [3–5]. Пластифицирующие добавки на основе поликарбоксилатов позволяют снизить водоцементное отношение при сохранении удобоукладываемости смеси, что способствует формированию более плотной структуры цементного камня. Средства ухода и защитные покрытия уменьшают испарение влаги, улучшают условия гидратации цемента и могут снижать чувствительность бетона к неблагоприятным влажностным воздействиям [3–5].

Целью работы является анализ влияния условий твердения и защитного покрытия на физико-механические и эксплуатационные свойства дорожного бетона по результатам лабораторных испытаний.

Материалы и методы

В работе исследовались два состава бетонной смеси. Расход основных компонентов на 1 м³ был одинаковым: цемент — 390 кг, песок — 820 кг, щебень — 1040 кг, вода — 140 кг. Отличие составов заключалось в расходе добавки и применении защитного покрытия: для состава № 1 расход добавки составлял 3,12 кг, для состава № 2–3,9 кг. В качестве пластифицирующей добавки применялась добавка на основе поликарбоксилатов Sika® ViscoCrete®-200. Для ухода и защиты поверхности применялся состав Sikafloor® CC 721.

Перед изготовлением бетонных образцов были проанализированы заполнители. Для песка строительного установлен модуль крупности 2,30, содержание пылевидных и глинистых частиц составило 1,15 %. Для гранитного щебня фракции 5–20 мм определены полные остатки на контрольных ситах: 99,58 % на сите 2,5 мм, 97,56 % на сите 5,0 мм, 57,82 % на сите 12,5 мм, 4,32 % на сите 20,0 мм и 0,30 % на сите 25,0 мм. Полученные значения соответствуют установленным требованиям к зерновому составу фракции [1].

Испытывались четыре серии образцов. Состав № 1 серия 1.1 представлял собой контрольный состав, твердевший в нормальных условиях. Состав № 1 серия 1.2 после 7 суток твердения в нормальных условиях подвергался попеременному высушиванию и увлажнению. Состав № 2 серия 2.1 представлял собой состав с защитным покрытием, твердевший в нормальных условиях. Состав № 2 серия 2.2 после 7 суток нормального твердения также подвергался попеременному высушиванию и увлажнению.

Комплекс испытаний включал определение прочности при изгибе, прочности при сжатии, плотности, водопоглощения по массе, истираемости и морозостойкости [2–5]. Каждый показатель определялся по трем образцам с расчетом среднего значения. Истираемость рассчитывалась по потере массы, отнесенной к площади поверхности образца. Морозостойкость оценивалась дилатометрическим методом по максимальному относительному увеличению разности объемных деформаций [2].

Результаты и обсуждение

Сводные результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Средние значения показателей исследованных серий

По прочности при изгибе наилучший результат показал состав № 2 серии 2.1–7,1 МПа. Состав № 1 серии 1.1 и состав № 2 серии 2.2 имели одинаковое среднее значение 6,9 МПа. Минимальная прочность при изгибе получена у состава № 1 серии 1.2–5,6 МПа. Следовательно, переменное увлажнение и высушивание наиболее заметно повлияло на контрольный состав. Для состава № 1 снижение прочности при изгибе составило 18,8 %, тогда как для состава № 2 — только 2,8 %.

По прочности при сжатии максимальное значение получено у состава № 1 серии 1.1–53,9 МПа. Близкий результат имел состав № 2 серии 2.1–53,7 МПа. После циклического воздействия прочность контрольного состава снизилась до 46,7 МПа, а состава с покрытием — до 52,2 МПа. Таким образом, снижение прочности при сжатии у контрольного состава составило 13,4 %, а у состава с покрытием — 2,8 %. Это подтверждает, что защитное покрытие и повышенный расход добавки способствовали сохранению прочностных характеристик [3–5].

Плотность бетона также изменилась под влиянием условий выдерживания. Наибольшая средняя плотность получена у состава № 1 серии 1.1–2500 кг/м³. После циклического увлажнения и высушивания плотность контрольного состава снизилась до 2446 кг/м³, то есть на 54 кг/м³. Для состава № 2 изменение плотности было незначительным: с 2484 до 2481 кг/м³. Это указывает на большую стабильность структуры состава с покрытием.

Особое значение для дорожного бетона имеет водопоглощение. Минимальные значения были получены у серий, твердевших в нормальных условиях: 3,67 % для состава № 1 серии 1.1 и 3,71 % для состава № 2 серии 2.1. После переменного увлажнения и высушивания водопоглощение контрольного состава увеличилось до 5,94 %, а состава с покрытием — до 4,32 %. Рост водопоглощения контрольного состава составил 61,9 %, тогда как для состава с покрытием — 16,4 %. Это является одним из наиболее показательных результатов исследования, так как водопоглощение напрямую связано с открытой пористостью и потенциальной морозостойкостью материала [2–4].

Истираемость в нормальных условиях у обоих составов была практически одинаковой: 0,701 г/см² для состава № 1 и 0,700 г/см² для состава № 2. После циклического воздействия истираемость увеличилась до 0,830 г/см² у контрольного состава и до 0,803 г/см² у состава с покрытием. Увеличение истираемости составило 18,4 % и 14,7 % соответственно. Следовательно, переменное увлажнение и высушивание снижает сопротивление бетона поверхностному износу, однако состав с покрытием сохраняет несколько более высокий уровень стойкости [3–5].

Результаты испытаний на морозостойкость показали, что серии, выдержанные в нормальных условиях, соответствуют марке F₂ 300. После воздействия переменного увлажнения и высушивания марка морозостойкости обеих серий снизилась до F₂ 200. Среднее относительное увеличение разности объемных деформаций составило 0,133×10⁻³ для состава № 1 серии 1.1, 0,287×10⁻³ для состава № 1 серии 1.2, 0,140×10⁻³ для состава № 2 серии 2.1 и 0,293×10⁻³ для состава № 2 серии 2.2.

Для более наглядной оценки влияния условий выдерживания рассчитаны относительные изменения показателей при переходе от нормального твердения к переменному увлажнению и высушиванию.

Таблица 2

Изменение свойств после переменного увлажнения и высушивания

Полученные данные показывают, что переменное увлажнение и высушивание оказывает комплексное отрицательное влияние на бетон [4]. Наиболее чувствительными показателями оказались водопоглощение и прочность при изгибе. Это закономерно, так как увлажнение и высушивание способствует развитию микродефектов, изменению поровой структуры и снижению сцепления между цементным камнем и заполнителем. В дорожном покрытии такие изменения могут приводить к ускоренному развитию трещин и повышенному износу верхнего слоя.

Состав с защитным покрытием показал более устойчивое поведение. Несмотря на снижение марки морозостойкости после циклического воздействия, прочностные характеристики и плотность изменились незначительно. Особенно важно, что водопоглощение состава № 2 серии 2.2 оказалось на 27,3 % ниже, чем у состава № 1 серии 1.2. Это позволяет сделать вывод о положительном влиянии защитного покрытия на ограничение влагонакопления и сохранение структуры материала [3–5].

В целом наиболее сбалансированные результаты получены у состава № 2 серии 2.1. Он показал максимальную прочность при изгибе, высокую прочность при сжатии, низкое водопоглощение, минимальную истираемость и марку морозостойкости F₂ 300. Для дорожного бетона такое сочетание показателей является более значимым, чем отдельное максимальное значение прочности при сжатии, поскольку долговечность покрытия определяется совокупностью эксплуатационных свойств [3–5].

Заключение

На основании анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.

1. В нормальных условиях твердения оба исследованных состава обеспечивают высокие прочностные характеристики. Состав № 2 серии 2.1 показал наибольшую прочность при изгибе — 7,1 МПа, а состав № 1 серии 1.1 — наибольшую прочность при сжатии — 53,9 МПа.
2. Переменное увлажнение и высушивание существенно ухудшает свойства контрольного состава. Для состава № 1 прочность при изгибе снизилась на 18,8 %, прочность при сжатии — на 13,4 %, плотность — на 2,16 %, водопоглощение увеличилось на 61,9 %, истираемость — на 18,4 %, а марка морозостойкости снизилась с F₂ 300 до F₂ 200.
3. Состав с защитным покрытием оказался более устойчивым к неблагоприятному влажностному воздействию. Для состава № 2 снижение прочности при изгибе и сжатии составило только 2,8 %, плотность практически не изменилась, а рост водопоглощения был значительно ниже, чем у контрольного состава.
4. Наиболее благоприятное сочетание эксплуатационных характеристик получено у состава № 2 серии 2.1: прочность при изгибе — 7,1 МПа, прочность при сжатии — 53,7 МПа, плотность — 2484 кг/м³, водопоглощение — 3,71 %, истираемость — 0,700 г/см², морозостойкость — F₂ 300.
5. Результаты подтверждают, что для дорожного бетона необходима комплексная оценка качества [3–5]. Прочность при сжатии должна рассматриваться совместно с прочностью при изгибе, плотностью, водопоглощением, истираемостью и морозостойкостью, так как именно совокупность этих показателей определяет долговечность цементобетонного покрытия [3–5].

Литература:

1. ГОСТ 8267. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия.
2. ГОСТ 10063.3–95. Бетоны. Дилатометрический метод ускоренного определения морозостойкости.
3. ГОСТ 59300–2021. Дороги автомобильные общего пользования. Бетон цементный. Технические требования.
4. ОДМ 218.3.081–2016. Методические рекомендации по применению цементобетонных покрытий автомобильных дорог.
5. Материалы лабораторных испытаний бетонных образцов.