Строительство и архитектура/ 4. Современные строительные материалы

Д.т.н., профессор Калашников В.И., к.т.н. Мороз М.Н.,

аспирант Санягина Я.А., студент Трекина Н.Г.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Противообледенительная тротуарная брусчатка на основе минеральношлакового вяжущего с добавкой «ПОД-1»

В настоящее время существует много эффективных решений проблемы уменьшения или ликвидации гололеда на дорогах; традиционным одновременно простым и дешевым является посыпка дорог и тротуаров песком, солью, песко-соляной смесью, либо химическими реагентами, чаще всего на основе хлористых и формиатных солей кальция, магния и натрия.

Как показывает многолетний опыт, песко-соляная смесь экологически очень вредна: агрессивный материал смывается с дорог и накапливается в почве, «засаливает» ее, отчего невозобновляемо прекращают расти и погибают зеленые насаждения, приходится снимать и заменять верхний слой грунта, чтобы исправить печальные последствия от воздействия химических противообледенителей. Стоит отметить, что химические реагенты наносят на мерзлый асфальт, в результате чего образуется достаточно скользкая пленка. А при использовании, например, хлористого кальция или натрия разрушается не только асфальт, но и обувь! Также эта проблема коснулась домашних животных, выгуливаемых человеком.

Другой, сравнительно новый способ борьбы с гололедом – прокладка греющего кабеля под тротуарную плитку и ступени. Такую защиту от негативного природного явления может позволить себе далеко не каждый город – дорогостоящий монтаж кабеля и постоянные затраты на энергию, необходимую для обогрева, делают стоимость данного метода очень высокой.

Мы считаем, что ни один из основных перечисленных методов, обладая существенными недостатками, не может являться оптимальным решением проблемы гололеда на тротуарах. Выходом из сложившейся ситуации, по нашему мнению, будет создание противообледенительной тротуарной брусчатки, к поверхности которой лед не будет примерзать. Таким образом, не понадобится ни поверхностная обработка составами, загрязняющими окружающую среду, ни дорогостоящий внутренний обогрев тротуара.

Для проведения эксперимента в качестве сырьевых материалов были использованы гранулированный шлак Новолипецкого металлургического завода с удельной поверхностью S_уд = 370 м²/кг в комплексе с известняком Иссинского карьера Пензенской области с S_уд.изв. = 550 м²/кг в ранее оптимально подобранном соотношении "шлак:глина" – 60:40 по массе. В качестве мелкого заполнителя использовали Сурский песок в количестве 150% от массы карбонатношлакового вяжущего (КШВ).

Активизатором твердения служил едкий натр в количестве 3% от массы вяжущего. В качестве противообледенительной добавки применяли разработанный нами модификатор – «ПОД-1».

Для оценки влияния противообледенительной добавки «ПОД-1» на кинетику твердения и адгезию льда к поверхности КШВ методом прессования при давлении 25 МПа была отформована серия образцов-цилиндров высотой 2,5 см, диаметром 2,5 см, и плитки 5×5×0,7 см. Влажность смеси составляла 9% от массы КШВ. В один из составов вводили комплексную добавку: модификатор «ПОД-1» и противоморозную добавку CaCl₂ в количестве 1,5%, в данный состав вводили NaOH в количестве 4% от массы вяжущего.

Образцы хранились в нормально-влажностных условиях в течение 28 суток, затем подвергались испытанию на прочность при сжатии по ГОСТ 10180-78 и оценивались противообледенительные свойства контрольных образцов КШВ и образцов, модифицированных добавкой «ПОД-1».

Кинетика нарастания прочности образцов КШВ в зависимости от состава представлена в табл. 1.

Экспериментальные результаты показывают, что введение модификатора «ПОД-1» (состав 2) и комплекс «ПОД-1» и хлорид кальция (состав 3) значительно замедляет рост прочности в начальные сроки твердения КШВ. Через 7 суток твердения образцы КШВ, модифицированные добавкой «ПОД-1» имели прочность на сжатие лишь 1,8 МПа (состав 2), в то время как прочность состава на комплексном модификаторе (состав 3) составляла 19,8 МПа, что выше прочности контрольного состава.

Таблица 1.

Составы и кинетика набора прочности образцов контрольного и

модифицированного противообледенительной добавкой «ПОД-1» карбонатношлакового вяжущего

№	Вид вяжущего и соотношение компонентов	Вид/ дозировка добавки, % от mвяж	Кол-во песка, %	Кол-во NaOH, %	Прочность при сжатии, через, МПа
					7 сут.	28 сут.	3 мес.
1	Карбонатно-шлаковое вяжущее 60:40%	–	150	3	13,8	35,2	39,0
2		«ПОД-1» 2	150	3	1,8	22	30,1
3		«ПОД-1» +CaCl2 2 + 1,5	150	4	19,8	18,4	28,6

К 28-ми суткам твердения состав КШВ с индивидуальной добавкой «ПОД-1» имел прочность на сжатие 22 МПа, а образцы на комплексном модификаторе (состав 3) – 18,4 МПа, что ниже контрольного в 1,6 и в 1,9 раз соответственно. Через 3 месяца твердения в нормальных условиях у модифицированных образцов отмечен значительный рост прочности на сжатие относительно 28-ми суточной прочности.

На фотографии (рис. 1) представлены результаты эксперимента по определению противообледенительной способности песчаного бетона на карбонатношлаковом вяжущем, модифицированном добавкой «ПОД-1».

Рисунок 1. Поверхность образцов карбонатношлакового вяжущего

с легко снимаемой пластинкой льда

К поверхности контрольного образца вода примерзает, и очистить слой льда можно только механическим воздействием. Состав 3 ведет себя аналогично. На поверхности модифицированного образца 2-го состава заледенелые капли воды не примерзли к поверхности образца, и пластинка льда легко снимается с поверхности.

Рассмотрим причину разного поведения капель воды на поверхностях контрольного и гидрофобизированного составов.

На рис. 2 а показано, что капля воды на поверхности контрольного образца, растекается и, увлажняя материал, проникает внутрь его пористого пространства. Таким образом, нижняя часть замерзшей пластинки заанкерована тонкими фибрами льда. На поверхности модифицированного материала (рис. 2 б) подобного явления не наблюдается – частицы модификатора «ПОД-1», обладающие гидрофобными свойствами, отталкивают воду, не давая проникнуть ей внутрь образца, в результате капля замерзает без сцепления с материалом. Этим можно объяснить ее свободное очищение с поверхности.

а)

б)

Рисунок 2. Модель примерзания капель воды к поверхности:

а) контрольного состава; б) состава с модификатором «ПОД-1»

Несмотря на значительное уменьшение прочности при сжатии карбонатношлакового вяжущего, замедляющей процесс набора прочности, модифицирующей добавкой «ПОД-1», главная цель эксперимента была достигнута. Доказано, что подобранный состав материала для изготовления новой легко очищаемой ото льда противообледенительной тротуарной брусчатки действительно позволит решить проблему гололеда. Что касается повышения прочности бетона, то эта задача, как показали эксперименты, решается тепловой обработкой бетона.