Сравнение влияния различных расширяющих добавок на щелочно-активированные быстротвердеющие ремонтные растворы: удобоукладываемость, механические свойства, усадка при сушке

Почему ремонт треснувших дорог обновляется

От шоссе до мостов многие бетонные конструкции стареют и трескаются быстрее, чем мы успеваем их ремонтировать. Традиционные ремонтные смеси могут медленно твердеть и быть склонными к появлению новых трещин, особенно при высыхании. В этом исследовании рассматривается новый класс «зелёных» ремонтных растворов, созданных из промышленных побочных продуктов, и ставится практический вопрос: какая добавка лучше всего предотвращает усадку и растрескивание ремонтного слоя, одновременно позволяя раствору достаточно быстро набирать прочность, чтобы дороги можно было быстро вновь открыть?

Более экологичные ремонтные смеси из промышленных остатков

Ремонтные растворы в этой работе состоят из молотого шлака, золы-уноса и метакаолина — порошкообразных остатков сталеплавильного, угольного и глиняного производств. При активации щелочным раствором эти порошки образуют твёрдый, камнеподобный вяжущий материал без широкого использования обычного цемента. Это снижает климатический след и может обеспечить очень быстрый набор прочности, что идеально для ночных или однодневных дорожных ремонтов. Однако щелочно-активированные смеси склонны к значительной усадке при высыхании, что может приводить к появлению тонких трещин и ослаблению сцепления с существующим бетоном.

Три подхода к борьбе с усадкой

Чтобы контролировать эту усадку, исследователи сравнили три расширяющие добавки, введённые в раствор: одна преимущественно на основе оксида магния (MEA), одна на основе оксида кальция (CSEA) и одна, полученная из сульфоалюмината кальция (SEA). Каждая добавка вводилась в нескольких дозах и тестировалась на удобоукладываемость свежего раствора, скорость схватывания, прочность на сжатие и сцепление со старым бетоном, а также на величину усадки при сушке в течение двух месяцев. Также использовали рентгеновские методы, термический анализ и электронную микроскопию, чтобы увидеть, какие кристаллы и гели формируются внутри и как эволюционирует микроструктура.

Что работало хорошо, а что — нет

Все три добавки ускоряли схватывание раствора, что полезно для срочных ремонтов, но при этом необходимо сохранять рабочую консистенцию. MEA оказала самое слабое влияние в целом: в сильно щелочной среде, использованной здесь, магний реагировал слабо, образуя немного расширяющих продуктов, необходимы для компенсации усадки, и практически не изменял ни прочность, ни величину усадки. CSEA вел себя совершенно иначе. При больших дозах он резко сокращал время схватывания, повышал очень раннюю прочность и, что важно, сокращал долгосрочную усадку при сушке почти вдвое. Он также улучшал прочность сцепления нового раствора со старым бетоном за счёт формирования более плотных зон связывания. Компромиссом было то, что быстрое выделение тепла и рост кристаллов со временем приводили к появлению мелких внутренних трещин, поэтому 28-дневная прочность при сжатии несколько снижалась по сравнению со смесями без добавки.

Ранняя помощь, которая со временем ослабевает

Добавка SEA первоначально выглядела многообещающе: она образовывала расширяющиеся игловидные кристаллы, которые заполняли пространство, противодействовали ранней усадке и повышали как раннюю прочность, так и раннее сцепление со старым бетоном. Но в условиях сильной щёлочи этих растворов эти иглы постепенно трансформировались в более плоские кристаллы и другие гели. По мере перераспределения внутренней структуры и выделения воды материал в более поздние сроки давал большую усадку, чем контрольная смесь. Эта дополнительная усадка приводила к микрорастрескиванию и заметной потере как долгосрочной прочности, так и сцепления, что делает SEA менее подходящим для долговечных ремонтов в подобных системах.

Что это значит для будущих ремонтов бетона

Для инженеров, стремящихся к быстрым, долговечным и более низкоуглеродным ремонтам бетона, исследование показывает: не все расширяющие добавки одинаково эффективны в сочетании с щелочно-активированными растворами. Магниевые добавки мало действовали в этих сильно щелочных смесях, а сульфоалюминатные помогали лишь временно, затем вызывая дополнительную усадку и растрескивание. Кальциевый CSEA предложил лучшую равновесность: он обеспечивал очень быстрый набор прочности, более прочное сцепление со старым бетоном и значительно меньшую долгосрочную усадку, хотя окончательная прочность немного снизилась. Проще говоря, тщательно подобранные кальциевые расширяющие добавки выглядят наиболее перспективным направлением для изготовления устойчивых к трещинам, быстро схватывающихся и более экологичных материалов для ремонта бетона.

Цитирование: Luo, X., Xi, M., Huang, L. et al. Comparison of the effects of different expansion agents on alkali-activated rapid repair mortars: workability, mechanical properties, drying shrinkage. Sci Rep 16, 13791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43508-6

Ключевые слова: ремонт бетона, щелочно-активированный раствор, контроль усадки, расширяющие добавки, долговечность инфраструктуры