Ученые ДГТУ снизили стоимость бетона на 15% за счет использования наномодификаторов

  По результатам проведенных экспериментов, подвижность бетонной смеси увеличилась на 12%, текучесть - на 83%. Прочность бетона удалось увеличить на 19%, его водостойкость - на 22%.  Кроме того, 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 в упомянутом усовершенствовании 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