Россия
УДК 626.8 Мелиоративное строительство. Сельскохозяйственная гидротехника
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
В статье представлены анализ состояния защитных бетонных покрытий оросительных каналов, способы восстановления нарушенных бетонных конструкций, результаты экспериментальных исследований бетонов для ремонта защитных покрытий оросительных каналов, рекомендации по видам и количеству добавок в бетонные смеси для улучшения их свойств при ремонте стыков бетонных конструкций. В процессе длительной эксплуатации мелиоративных оросительных каналов с защитными бетонными покрытиями в виде плит и экранов, наблюдается их разрушение под действием сил со стороны потока воды, волновых сил, льда в зимний период, а также собственного веса, в результате чего происходит трещины стыков, сползание плит, оголение и размыв участков канала, приводящие к увеличению потерь воды с фильтрацией. В статье представлено исследование прочности бетонов с сульфоферритными добавками, основное назначение которых заключается в контролируемом расширение цементных растворов с компенсацией усадки, что важно для гидроизоляции и заделки трещин, с добавлением суперпластификатора на основе эфира поликарбоксилата с ускорителем набора прочности BASF MasterGlenium ACE 430.
мелиоративные оросительные каналы, фильтрация в каналах, защитные покрытия каналов, дефекты бетонных покрытий, бетоны для ремонта каналов, прочность бетонов, марки бетонов
Потери воды на фильтрацию в процессе ее транспортировки в каналах зоны орошения в земляном теле могут достигать значительных величин, что отражается негативно не только с точки зрения экологии, подтопления ближайших территорий, но и с экономической целесообразности. Для исключения таких потерь на предварительно уплотненных поверхностях дна и откосов оросительных каналов формируются защитные бетонные покрытия. Они могут быть сформированы в виде бетонных плит со стыковыми соединениями или в целом сформированы заливкой бетонной смеси в опалубки с армированными конструкциями в процессе строительства [1–4]. Цель исследования. Обоснование, выбор и определение прочности бетонных смесей с использованием сульфоферритных добавок и дифференцированного количества суперпластификатора на основе эфира поликарбоксилата с ускорителем набора прочности BASF MasterGlenium ACE 430. Материалы и методы исследования. При длительной эксплуатации мелиоративных оросительных каналов с защитными покрытиями наблюдается их частичное разрушение, особенно соединительных стыков и швов бетонных плит. Кроме того, часто наблюдается сползание бетонных плит по откосу канала, при котором оголяется грунтовая подоснова, которая с течением времени размывается. Часто сползание бетонных плит возникает в результате разрушения конструкций бетонных оснований служащих упором для самой плиты. Такое состояние откосов и дна может привести к повышению фильтрации. Для обеспечения сохранности защитных экранов, связей бетонных плит и в целом для поддержания нормальной работоспособности каналов необходимо обеспечить при ремонте каналов применение бетонных смесей с такими пропорциями компонентов и добавок к ним, которые усиливают и упрочняют соединительные швы и стыки. В некоторых случаях необходимы добавки, предназначенные для расширения и увеличения в допустимых пределах объема затвердевающего бетона в целях ликвидации трещин в бетонных конструкциях, находящихся в контакте с водой [5–8]. Одной из таких добавок является сульфоферритная смесь, в основе которой лежат сульфатосодержащие и железосодержащие отходы. В качестве основной характеристики данной добавки при рассмотрении бетонных смесей для ремонта защитных экранов оросительных каналов принимается возможность контролируемого расширения с учетом возможной усадки для гидроизоляции и заделки трещин. Сульфоферритная добавка в рамках настоящей работы сформирована из гипса, содержащего сульфатированные и ферритовые компоненты. Для оценки влияния на прочность бетонов кроме сульфоферритных добавок в исследованиях применялся суперпластификатор на основе эфира поликарбоксилата с ускорителем набора прочности BASF MasterGlenium ACE 430 ускоряющий процесс гидратации и улучшающий набор ранней прочности бетона. Данная добавка обладает высоким водоредуцирующим действием. Исследования проводились в лаборатории строительных материалов РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в период с октября по декабрь 2025 г. С учетом того, что кроме способности к расширению для исключения трещин, бетонные смеси для ремонта защитных покрытий оросительных каналов должны обладать достаточной прочностью, важной частью исследований являлось определение прочности бетонов с содержанием сульфоферритных добавок и определение прочности в зависимости от возрастающего количества суперпластификатора на основе эфира поликарбоксилата с ускорителем набора прочности BASF MasterGlenium ACE 430. Для проведения лабораторных исследований, согласно стандартной методике, применялись следующие приборы, инструменты и материалы: образцы строительных материалов, испытательный лабораторный пресс ТП‑1-1000, штангенциркуль, металлическая линейка, электронные весы [9–12]. Приготовление сульфоферритной добавки производилось в лабораторных условиях перемешиванием измельченного сульфосодержащего гипса и железной стружки в пропорциях 50 и 50% по массе. В качестве базовой бетонной смеси применялась одна их распространенных марок М400, которая соответствует классу B30. Для приготовления требуемых порций бетонной смеси использовались следующие компоненты: портландцемент – 500 г, песок – 1090 г, щебень 1254 г, сульфоферритная добавка 25 г, вода 235 мл. Данное соотношение определено на основе ГОСТ 26633. В процессе приготовления бетонной смеси соблюдалось водоцементное соотношение 27%. Сульфоферритная добавка использовалась в количестве 25 г в каждом опыте.
Исследование влияния добавки суперпластификатора на основе эфира поликарбоксилата с ускорителем набора прочности BASF MasterGlenium ACE 430 на прочность бетонной смеси марки М400 (B30) с содержанием 25 г сульфоферритной составляющей, проводилось по схеме однофакторного эксперимента, в котором в качестве целевой функции принята прочность бетона, а в качестве фактора влияющего на прочность бетона – количество данной добавки в 0; 0,5; 1; 1,5; и 2% от массы цемента. Соответственно для исследования прочности по каждому из представленных вариантов формировались по 3 бетонных кубика размерами 10×10×10 см. Трехкратное формирование кубиков проводилось для определения средних значений выборки. Для выяснения общего влияния добавки суперпластификатора ACE 430 на прочность бетона, кроме представленных вариантов, рассмотрен опыт с ее нулевым содержанием. Таким образом, для оценки влияния добавки – выбранного суперпластификатора ACE 430, в однофакторном эксперименте определены 5 точек. С учетом требований по обеспечению полного затвердевания приготовленных образцов кубиков соблюдены сроки в 28 дней. Кроме того, в рамках исследований для выяснения динамики набора прочности данная характеристика по кубикам бетона М400 (B30) определена по истечению 7 суток. Прочность образцов на данном этапе затвердения находилась в пределах от 12 до 15 МПа.
Рисунок 1 – Зависимость прочности бетона марки М400 (B30) содержащего сульфоферритную составляющую
от количества суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430
Результаты исследования и их обсуждение. По истечению 28 сут набора прочности бетонные кубики проверены на прочность в соответствии с требованиями ГОСТ 10180. Зависимость прочности бетона марки М400 (B30), содержащего сульфоферритную составляющую, от количества суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430, полученные в процессе обработки однофакторного эксперименты приведены на рисунке. В таблице представлены результаты проведенных экспериментов в рамках однофакторного эксперимента по определению зависимости прочности бетона марки М400 (B30) с содержанием 25 г сульфоферритной составляющей от количества добавленного в него суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430. Несмотря на невысокие значения коэффициентов детерминации R2=0,0392 для линейной и R2=0,1346 – для полиномиальной, которые показывают, насколько близко изменение случайной величины к строгой линейной или нелинейной зависимости, наиболее адекватно исследуемый процесс описывается полиномиальной аппроксимацией с уравнением регрессии: y = –1,3714x2+2,2229x+25,194.
|
Исследуемый бетон М400 содержащий сульфоферритную составляющую с добавленным количеством пластификатора ACE 430, в % от массы цемента. |
Прочность П1, МПа, (максимальная нагрузка, кН) |
Прочность П2, МПа, (максимальная нагрузка, кН) |
Прочность П3, МПа, (максимальная нагрузка, кН) |
П средн. МПа, (максимальная нагрузка, кН) |
|
М400 (B30) +0,0% |
22,7 (298,2) |
25,0 (328,7) |
24,3 (319,4) |
24,0 (315,4) |
|
М400 (B30) +0,5% |
29,8 (397,5) |
28,4 (373,5) |
29,0 (381,9) |
29,0 (384,3) |
|
М400 (B30) +1,0% |
24,5 (322,6) |
23,8 (313,0) |
24,1 (317,3) |
24,1 (317,6) |
|
М400 (B30) +1,5% |
24,5 (322,8) |
25,2 (331,3) |
25,3 (332,8) |
25,0 (328,9) |
|
М400 (B30) +2,0% |
24,8 (326,7) |
24,6 (323,3) |
24,9 (328,0) |
24,7 (326,0) |
Таблица 1. Проведение однофакторного эксперимента по определению прочности бетона в зависимости от количества добавки
Результаты экспериментальных исследований показали, что в процессе формирования бетонных кубиков произошло увеличение их линейных размеров, величина которых находится в пределах 3…5 мм над стенками форм. Данная характеристика бетона, полученная добавлением сульфоферритной смеси подтверждается. Однако, по представленным зависимостям можно сделать выводы о том, что в данных конкретных условиях прочность бетона с добавлением суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430 от 0,5 до 2% незначительно, но снижается.
Выводы 1. В работе проведен анализ состояния бетонных покрытий оросительных каналов. Выяснено, что в процессе длительной эксплуатации бетонные покрытия и защитные плиты подвергаются воздействию внешних условий, таких как давление воды, температурные перепады, волновые нагрузки и собственный вес, под которыми нарушаются первоначальные проектные формы и размеры канала. Такие виды дефектов увеличивают процесс фильтрации, приводящий к потере воды на мелиоративных оросительных системах. 2. По результатам проведенных экспериментов по определению прочности бетона марки М400 (B30) с содержанием сульфоферритной составляющей, в зависимости от количества добавленного суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430, можно утверждать о возможности его применения для гидроизоляции и заделки трещин. 3. Установлено, что с точки зрения величины прочности бетона с добавлением суперпластификатора BASF MasterGlenium ACE 430 наблюдается незначительное ее снижение. Данный факт несколько ограничивает применение исследуемой марки бетона с добавлением перечисленных компонентов для ремонта ответственных бетонных покрытий оросительных каналов.
Исследование выполнено в рамках проекта по созданию и развитию инжинирингового центра РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (соглашение № 075-15-2025-543 от 16 июня 2025 г.).
1. Семененко С.Я., Марченко С.С., Дубенок Н.Н. Расчетное обоснование объема строительной смеси при устранении пустот под плитами крепления мелиоративных каналов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 6–1. С. 56–61.
2. Гарбуз А.Ю., Рыбалко Д.С. Обзор исследований берегозащитных устройств на гидротехнических сооружениях мелиоративного назначения //Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2025. № 2(96). С. 15–34.
3. Байдакова Е.В., Кровопускова В.Н., Дунаев А.И. Проблемы возобновления работы и эксплуатации Северо-Крымского канала // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 5(93). С. 68–72. DOIhttps://doi.org/10.52691/2500-2651-2022-93-5-68-72.
4. Васильева Е.В., Федоров В.М. Повышение надежности бетонных элементов мелиоративных систем // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2021. № 4(64). С. 390–400. DOIhttps://doi.org/10.32786/2071-9485-2021-04-39.
5. Конструкционный легкий бетон для гидротехнического мелиоративного строительства / А.Р. Муратов, С.М. Меликузиев, О.Э. Атамуротов, А.Р. Эшбеков // Мелиорация и водное хозяйство. 2024. № 6. С. 34–40. DOIhttps://doi.org/10.32962/0235-2524-2024-6-34-40.
6. Васильева Е.В., Федоров В.М. Сборные элементы сооружений мелиоративных систем из бетона на некондиционных заполнителях // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2023. Т. 9, № 2. С. 33–42.
7. Инновационные способы восстановления микроразрушений гидротехнических сооружений / М.В. Карпов, Л.А. Журавлева, А.А. Жиздюк [и др.] // Аграрный научный журнал. 2022. № 12. С. 77–81. DOIhttps://doi.org/10.28983/asj.y2022i12pp77-81.
8. Юрченко А.Н., Яо Ц. Общие подходы к восстановлению гидросооружений после длительного перерыва в строительстве // Мелиорация и водное хозяйство. 2024. № 5. С. 6–11. DOIhttps://doi.org/10.32962/0235-2524-2024-5-6-11.
9. Каддо М.Б., Филимонова Ю.С. Исследование модифицированного тяжелого бетона на основе полидисперсного вяжущего с комплексным полимерным модификатором // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29, № 1. С. 37–44.
10. Ткач Е.В., Филимонова Ю.С. Модифицированный тяжелый бетон на основе полидисперсного вяжущего для гидромелиоративного строительства // Техника и технология силикатов. 2022.Т. 29, № 4. С. 326–334.
11. Фильтрация в каналах с земляным руслом и новые методы крепления откосов / Ф.К. Абдразаков, А.А. Рукавишников, О.В. Михеева, Е.Н. Миркина // Аграрный научный журнал. 2023. № 6. С. 107–114. DOIhttps://doi.org/10.28983/asj.y2023i6pp107-114.
12. Баев О.А. Изучение особенностей конструкций противофильтрацонных экранов каналов и прудов-накопителей // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2014. № 3(15). С. 104–119.
