constructionСтроительство и реконструкцияBuilding and Reconstruction2073-7416Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева10.33979/2073-7416-2024-114-4-138-147construction-780Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИCONSTRUCTION MATERIALS AND TECHNOLOGIESМодифицированный тяжелый бетон для конструкций тоннелей с повышенными эксплуатационными свойствамModified heavy concrete for tunnel structures with increased operational propertiesТкачЕ. В.TkachE. V.

Ткач Евгения Владимировна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Градостроительства

Москва

Tkach Evgeniya V., doctor of technical sciences, professor, professor of the department urban planning

Moscow

ev_tkach@mail.ruШусевГ.ShusevG. A.

Шусев Георгий, аспирант кафедры Дорожно-строительных материалов

Москва

Shusev Georgy A., Postgraduate student of the Department of Road Construction Materials 

Moscow

shusev.madi@yandex.ruРахимоваГ. М.RakhimovaG. M.

Рахимова Галия Мухамедиевна, Кандидат технических наук, ассоциированный профессор кафедры Строительные материалы и технологии 

г. Караганда

Rakhimova Galia M., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials and Technology

Karaganda

g.rakhimova@kstu.rzРахимовМ. А.RakhimovM. A.

Рахимов Мурат Аманжолович, кандидат технических наук, доцент кафедры Строительные материалы и технологии

г. Караганда

Rakhimov Murat A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Materials and Technologies

Karaganda

m.rakhimov@kstu.rzФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»National Research Moscow State University of Civil EngineeringФГБОУ ВО "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)Moscow Automobile and Road Construction State Technical UniversityНАО «Карагандинский технический университет имени Абылкаса Сагинова»Non-profit joint stock company "Abylkas Saginov Karaganda Technical University»20240109202404138174Copyright © Ткач Е.В., Шусев Г.A., Рахимова Г.М., Рахимов М.А., 20242024Ткач Е.В., Шусев Г., Рахимова Г.М., Рахимов М.А.Tkach E.V., Shusev G.A., Rakhimova G.M., Rakhimov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://construction.elpub.ru/jour/article/view/780

В связи с постоянно растущими требованиями к качеству и надежности бетонных конструкций, в частности для строительства тоннелей, ставится задача разработки модифицированных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В данном исследовании рассматриваются вопросы, связанные с модификацией состава тяжелого бетона с использованием комплексной химической добавки, включающей в своем составе суперпластификатор совместно с водорастворимой полимерной добавкой Полидон-А. Установлено, что процесс действия химической активации частиц метакаолина изучен недостаточно, в связи с этим представленные исследования, заключающиеся в поиске решений повышения эксплуатационных характеристик за счет процесса его предварительной обработки щелочной средой pH=10 совместно с микроармирующим компонентом (волластонит), являются актуальными. Целью исследования было установить положительное действие процесса активации метакаолина с комплексным модификатором совместно с микроармирующим компонентом на модифицирование структуры тяжелого бетона для повышения прочностных и гидрофизических свойств. Объектом исследования являлся модифицированный тяжелый бетон на основе активированного метакаолина с комплексным модификатором (суперпластификатор + Полидон-А) совместно с микроармирующим компонентом для бетонных конструкций тоннелей.

Результаты исследования: Установлено положительное влияние комплексного модифицирования на свойства тяжелого бетона путем уменьшения содержания вяжущего (цемента) и замены его метакаолином, предварительно активированным щелочной средой с pH=10 с модификатором и волластонитом, позволяющее повышать прочностные и гидрофизические характеристики: прочность на сжатие в возрасте 28 суток составила 68,6 МПа в сравнении с контрольным составом – 39,4 МПа; водопоглощение – 2,4%; марка по водонепроницаемости – W14, что дает возможность применять данный состав на практике для получения строительных изделий и конструкций с заданными характеристиками, эксплуатирующихся в условиях повышенной нагрузки и агрессивной среды, в частности, для конструкций тоннелей.

The increasing demands for the quality and reliability of concrete structures, particularly in tunnel construction, necessitate the development of modified concretes with enhanced operational characteristics. This study examines the modification of heavy concrete using a complex chemical additive, comprising a superplasticizer and a water-soluble polymer additive (Polidon-A). The research reveals that the activation process of metakaolin particles is insufficiently studied. Therefore, the investigations presented here, which aim to improve operational characteristics through the pre-treatment of metakaolin in an alkaline environment (pH=10) with a micro-reinforcing component (wollastonite), are highly relevant. The study's objective is to establish the positive effect of metakaolin activation with a complex modifier and a micro-reinforcing component on the modification of heavy concrete's structure to enhance its strength and hydrophysical properties.Object: Modified heavy concrete based on activated metakaolin with a complex modifier (superplasticizer + Polidon-A) and a micro-reinforcing component for concrete tunnel structures.

Research results: The study demonstrates the positive impact of complex modification on the properties of heavy concrete. This is achieved by reducing the cement content (binder) and replacing it with metakaolin, which is pre-activated in an alkaline environment (pH=10) with a modifier and wollastonite. This allows for an increase in strength and hydrophysical characteristics: the compressive strength at 28 days was 68.6 MPa, compared to 39.4 MPa for the control mixture; water absorption was 2.4%; and the waterproofing grade was W14. This makes it possible to use this composition in practice for the production of building products and structures with specified characteristics, operating under conditions of increased load and aggressive environment, in particular, for tunnel structures.

конструкции тоннелейактивация метакаолинакомплексный модификаторфизико-механические свойствагидрофизические свойствасуровые условия эксплуатцииtunnel structuresmetakaolin activationcomplex modifierphysico-mechanical propertieshydrophysical propertiessevere operating conditionsReferencesОрешкин Д.В. Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов // Строительные материалы. – 2010. - № 11. – С. 6-8.Oreshkin D.V. Problems of Building Materiology and Production of Building Materials. Construction materials. – 2010. no. 11. pp. 6-8.Lam T.Q.K, Do T.M.D, Ngo V.T, Nguyen T.C. Increased plasticity of nano concrete with steel fibers // Magazine of civil engineering. – 2020. – № 1 (93). – С. 27-34.Lam T.Q.K, Do T.M.D, Ngo V.T, Nguyen T.C. Increased plasticity of nano concrete with steel fibers. Magazine of civil engineering, 2020, vol. 93, no. 1, pp. 27-34.Томилов А. П. Электрохимическая активация — новое направление прикладной электрохимии // Жизнь и безопасность. – 2002. – №3. – С. 302-307Tomilov AP Elektrohimicheskaya aktivaciya — novoe napravlenie prikladnoj elektrohimii [Electrochemical activation - a new direction of applied electrochemistry]. ZHizn' i bezopasnost', 2002, no. 3, pp. 302- 307.Teramoto A., Maruyama I., Mitani Y. Influence of silica fume additive and temperature history on the volume change of ultra-high-strength cement paste and concrete // Advances in civil engineering materials. – 2019. – N. 3. – P. 153-172.Teramoto A., Maruyama I., Mitani Y. Influence of silica fume additive and temperature history on the volume change of ultra-high-strength cement paste and concrete. Advances in civil engineering materials, 2019, no. 3, pp. 153-172.Kherraf L., Abdelouehed A., Belachia M., Hebhoub H. Effects of the incorporation of combined additions in cement on the properties of concretes // International review of civil engineering. – 2018. – N. 1(9). – P. 31-39.Kherraf L., Abdelouehed A., Belachia M., Hebhoub H. Effects of the incorporation of combined additions in cement on the properties of concretes. International review of civil engineering, 2018, vol. 9, no. 1, pp. 31-39.Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Корженко А., Бурьянов А.Ф., Пудов И.А., Лушникова А.А. Модификация цементных бетонов многослойными углеродными нанотрубками // Строительные материалы. – 2011. – №2. – С.47-51.Yakovlev G.I., Pervushin G.N., Korzhenko A., Buryanov A.F., Pudov I.A., Lushnikova A.A. Modifikaciya cementnyh betonov mnogoslojnymi uglerodnymi nanotrubkami [Modification of cement concretes with multilayer carbon nanotubes] . Stroitel'nye materialy, 2011, no. 2, pp. 47-51.Zhao Y., Ding P., Ba C., Tang A., Song N., Liu Y., Shi L. Preparation of TIO2 coated silicate micro-spheres for enhancing the light diffusion property of polycarbonate composites // Displays. – 2014. – V. 35. – N. 4. – P. 220-226.Zhao Y., Ding P., Ba C., Tang A., Song N., Liu Y., Shi L. Preparation of TIO2 coated silicate micro-spheres for enhancing the light diffusion property of polycarbonate composites. Displays, 2014, vol. 35, no. 4, pp. 220-226.Isaeva YU.V., Velichko E.G., Kasumov A.SH. Structure optimization of ultra-light cement mortar with due regard for geometrical and physicaland mechanical characteristics of components, Construction Materials, 8, 84-87(2015) DOI: 10.31659/0585-430X-2015-728-8-84-88.Isaeva YU.V., Velichko E.G., Kasumov A.SH. Structure optimization of ultra-light cement mortar with due regard for geometrical and physicaland mechanical characteristics of components. Construction Materials, 8, 84- 87(2015) DOI: 10.31659/0585-430X-2015-728-8-84-88.Yаkovlev G.I., Ginuchickaya YU.N., Kizinievich O., Kizinievich V., Gordina A.F. Influence of dispersions of multilayer carbon nano-tubes on physical-mechanical characteristics and structure of building ceramics, Construction Materials. 2016. № 8. С. 20-29.Yаkovlev G.I., Ginuchickaya YU.N., Kizinievich O., Kizinievich V., Gordina A.F. Influence of dispersions of multilayer carbon nano-tubes on physical-mechanical characteristics and structure of building ceramics. Construction Materials. 2016. no. 8. pp. 20-29.Величко Е.Г., Шумилина Ю.С. К проблеме формирования дисперсного состава и свойств высокопрочного бетона// Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 2. С. 235-243. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.2.235- 243.Velichko E.G., SHumilina YU.S. To the problem of forming the high-strength concrete dispersed composition and properties. Vestnik MGSU, 15(2), 235-243(2020). DOI: 10.22227/1997-0935.2020.2.235-243.Соловьев В.И., Ткач Е.В., Серова Р.Ф., Ткач С.А., Тоимбаева Б.М., Сейдинова Г.А. Исследование пористости цементного камня, модифицированного комплексными органоминеральными модификаторами // Фундаментальные исследования. 2014. №8-3. С. 590-595.Soloviev V.I., Tkach E.V., Serova R.F., Tkach S.A., Toimbaeva B.M., Seydinova G.A. Research of cement stone porosity modified by complex organic mineral modifiers. Fundamental research. 2014, no. 8-3, pp. 590-595. In Rus.Хозин В.Г., Красиникова Н.М., Морозов И.М., Хохряков О.В. Оптимизация состава цементного бетона для аэродромных покрытий // Известия казанского государственного архитектурно-строительного университета. – 2014. – №2(28). – С.166-172.Khozin V.G., Krasinikova N.M., Morozov I.M., Khokhryakov O.V. Optimization of composition of cement concrete for airfield coverings. News of the KSUAE, 2014, vol. 28, no. 2. pp. 166-172. In Rus.Sun X., Gao Z., Cao P., Zhou C. Mechanical properties tests and multiscale numerical simulations for basalt fiber reinforced concrete // Construction and building materials. – 2019. – №. 202. – С. 58-72.Sun X., Gao Z., Cao P., Zhou C. Mechanical properties tests and multiscale numerical simulations for basalt fiber reinforced concrete. Construction and building materials. – 2019. – N. 202. – P. 58-72.Ткач Е.В., Темирканов Р.И. Цементный бетон с улучшенными физико-механическими свойствами на основе применения активированного микрокремнезема // Инновации и инвестиции. 2019. №10. С. 289-292.Tkach E.V., Temirkanov R.I. Cement concrete with improved physical and mechanical properties based on the use of activated silica fume. Innovations and investments. 2019 N. 10, 289-292.Филимонова Ю.С., Величко Е.Г. Исследование комплексной модификации тяжелого бетона // Строительство и реконструкция. 2021. №4 (96). С.107-109. DOI: 10.33979/2073-7416-2021-96-4-107-112.Filimonova YU.S., Velichko E.G. Study of the complex modification of heavy concrete // Construction and reconstruction. 4 (96), 107-109(2021). DOI: 10.33979/2073-7416-2021-96-4-107-112.Шулдяков К.В., Крамар Л.Я., Трофимов Б.Я., Мамаев Н.А. Влияние добавки "микрокремнезем-поликарбоксилатный суперпластификатор" на гидратацию цемента, структуру и свойства цементного камня // Цемент и его применение. – 2013. – №2. – С. 114-118.Shuldyakov K.V., Kramar L.Ya., Trofimov B.Ya., Mamaev N.A. Influence of the polycarboxylate superplasticizer - microsilica additive on the hydration, structure and properties of cement. Cement and its application, 2013, no. 2, pp. 114-118. In Rus.Attia K., Elrefai A., Alnahhal W., Rihan Y. Flexural behavior of basalt fiber-reinforced concrete slab strips reinforced with bfrp and gfrp bars // Composite structures. – 2019. – N. 211. – P. 1-12.Attia K., Elrefai A., Alnahhal W., Rihan Y. Flexural behavior of basalt fiber-reinforced concrete slab strips reinforced with BFRP and GFRP bars. Composite structures, 2019, no. 211, pp. 1-12.Afroz M., Patnaikuni I., Venkatesan S. Chemical durability and performance of modified basalt fiber in concrete medium // Construction and building materials. – 2017. – V. 154. – P.191-203.Afroz M., Patnaikuni I., Venkatesan S. Chemical durability and performance of modified basalt fiber in concrete medium. Construction and building materials, 2017, vol. 154, pp. 191-203.Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И. Электрохимическая активация: универсальный инструмент зеленой химии. - М.: «Маркетинг Саппорт Сервисиз». – 2005. – 176 с.Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrohimicheskaya aktivaciya: universal'nyj instrument zelenoj himii [Electrochemical activation: a versatile tool for green chemistry]. Moscow, Marketing Support Services Publ., 2005, 176 p.Петрушанко И. Ю., Лобышев В. И. Физико-химические свойства водных растворов, полученных в мембранном электролизере // Биофизика. – 2004. – №1 (49). – С. 22 – 31.Petrushanko I. Yu., Lobyshev V.I. Physical and chemical properties of aqueous solutions obtained in a membrane electrolyzer. Biophysics, 2004, vol. 49, no. 1, pp. 22 -31. In Rus.Козин А.В., Федюк Р.С., Ильинский Ю.Ю., Ярусова С.Б., Гордиенко П.С., Мохаммад Али Мосаберпанах Влияние волластонита на механические свойства бетона // Строительные материалы и изделия. 2020, Том 3, №5. С. 34-42.Kozin A.V., Fedyuk R.S., Ilinskiy Yu.Yu., Yarusova S.B., Gordienko P.S. Mohammad Ali Mosaberpanah Effect of wollastonite on the mechanical characteristics of concrete. Construction materials and products. 2020, 3 (5). pp. 34-42.Ткач Е.В., Темирканов Р.И. Улучшение физико-механических свойства модифицированного бетона на основе применения химически активированного микрокремнезема с микроармирующим волокном // Строительство и реконструкция. 2020. №2 (88). С. 123-135.Tkach E.V., Temirkanov R.I. Improving the physico-mechanical properties of modified concrete based on the use of chemically activated micro-silica with micro-reinforcing fiber. Construction and reconstruction. 2020. N. 2 (88). pp. 123-135.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.