В Южно-Уральском государственном университете продолжается работа над повышением срока службы и прочности бетона. Исследование ученых может продвинуть строительство в Арктике, Сибири и на Дальнем Востоке – территориях с суровыми климатическими условиями, для которых требуется бетон сверхвысокой морозостойкости. Получить материал с такими свойствами удалось благодаря изменению структуры гидратных фаз цементного камня. Статья об этом исследовании опубликована в журнале «Case Studies in Construction Materials» (входит в базу данных Scopus).

Долговечность железобетонных изделий

Бетон и железобетон используются в строительстве с середины 19 века, и специалисты регулярно улучшают эксплуатационные свойства этих материалов. Они надежны, безопасны для человека и обладают практически неограниченной сырьевой базой.

При этом эксперты отмечают существенный недостаток железобетонных конструкций: они недолговечны в суровых климатических условиях. Бетон, защищающий арматуру, разрушается при циклическом замораживании. Это происходит из-за образования льда в порах строительного материала. Причиной также служит механическое напряжение из-за перепадов температур, вымывание минерала портландита или старение цементного геля.

Над повышением долговечности железобетонных конструкций и сооружений работают ученые во всем мире. Для исследователей ЮУрГУ эта проблема также представляет интерес. Исследование долговечности бетона на кафедре «Строительные материалы и изделия» Архитектурно-строительного института ведется с 1990-х годов, а в 2018 был запущен соответствующий магистерский проект.

В новом исследовании, проведенном сотрудниками Южно-Уральского государственного университета, впервые показана необходимость учета стабильности гидратных фаз цементного камня при циклическом замораживании и оттаивании.

«При обеспечении стабильности гидратных фаз цементного камня сохраняются неизменными механические свойства бетона, а, следовательно, и его долговечность. Мы предложили оценивать долговечность во временных показателях срока службы в зависимости от условий эксплуатации железобетонных конструкций и используемых модификаторов», — рассказал старший преподаватель АСИ ЮУрГУ Кирилл Шулдяков.

Испытание низкими температурами

Исследование проводилось в лаборатории ЮУрГУ при температуре -50 °С в 5 % растворе поваренной соли. Надо отметить, что иностранные коллеги исследователей ЮУрГУ были удивлены таким подходом, поскольку самые суровые условия испытаний у них минус 20 градусов. Однако именно воссозданные в лаборатории ЮУрГУ условия соответствуют национальному стандарту и позволяют создать материал, который выдержит, помимо эксплуатационных воздействий, испытания климатом Арктики, Сибири и Дальнего Востока.

Изображение: относительные деформации образца бетона, насыщенного и замороженного в 5% растворе хлорида натрия

Циклическому замораживанию и оттаиванию подвергался высокофункциональный бетон с водоцементным отношением менее 0,35. Стабильность структуры материала оценивалась как до циклических воздействий, так и после различного их числа. В итоге ученые сделали вывод, что марка по морозостойкости бетона может меняться в 4–5 раз при постоянном водоцементном отношении, но при введении различных модификаторов, которые влияют на состав гидратных фаз. Стабильный гидросиликатный гель сформировался при содержании портландита в цементном камне не более 5 %. Это обеспечили за счет введения оптимальных дозировок современных модифицирующих добавок.

«Механизм кристаллизации цементного геля связан с повышением его основности при поглощении извести первоначально образовавшимися гидросиликатами кальция. Введение пуццоланы (минеральная добавка, способствующая повышению прочности и стойкости бетона) снижает концентрацию извести, вызывает активную полимеризацию кремнекислородных тетраэдров, особенно при циклическом замораживании, что способствует формированию стабильных коллоидно-дисперсных гидросиликатов кальция», — пояснил Кирилл Шулдяков.

Исследование ученых ЮУрГУ может помочь при строительстве сооружений в суровых условиях, например, газопровода «Сила Сибири», и при освоении Арктической зоны.

Фото: Кирилл Шулдяков, старший преподаватель кафедры «Строительные материалы и изделия» Архитектурно-строительного института ЮУрГУ

Но ученые не намерены останавливаться в своей работе. На очереди исследование диффузионной проницаемости бетона. По стандарту ГОСТ 31384-2017 эта характеристика определяет срок службы железобетонных конструкций.

Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией и экологией.

ЮУрГУ — участник Проекта «5–100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.

Источник: https://www.susu.ru/ru