The effect of special modifying additives on the performance properties of road cement concrete under current logistical challenges

Abstract

У науковій статті теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність застосування комплекса модифікуючих добавок для підвищення експлуатаційних властивостей дорожнього цементобетону в умовах інтенсифікації логістичних навантажень. Актуальність дослідження зумовлена правовим режимом воєнного стану в Україні, який спричинив перебудову транспортних маршрутів та збільшення руху надважких автопоїздів. Доведено, що традиційні асфальтобетонні покриття за таких умов швидко пошкоджуються через накопичення пластичних деформацій та утворення колійності. Надійною альтернативою, здатною гарантувати безперебійний транзит вантажів, визначено монолітні цементобетонні плити, що функціонують як пружні розподільчі елементи дорожнього одягу жорсткого типу та забезпечують стабільний 30-річний життєвий цикл магістралей.Основну увагу зосереджено на розробці та лабораторній верифікації рецептури цементного композиту з полікомпонентним модифікуванням. Авторами доведено синергетичний ефект «тріади» добавок, що включає 0,8 % полікарбоксилатного ефіру MasterGleniumACE, 0,05 % повітровтягувального модифікатора MasterAirта 0,9 кг/м³ поліпропіленової мікрофібри для дисперсного армування. Завдяки механізму стеричного відштовхування частинок в’яжучого на нанорівні досягнуто зниження водопотреби суміші до значень В/Ц=0,34. Фізико-механічними випробуваннями зафіксовано приріст міцності на стиск із 45,2 до 61,4 МПа, а міцності на розтяг при згині —з 4,4 до 5,4 МПа. Сформована надщільна матриця з амортизуючими пор-демпферами дозволила знизити коефіцієнт стираності до 0,40 г/см² та підвищети солеморозостійкість до F300, нейтралізуючи руйнівну дію «зсувних ударів» при гальмуванні важкої техніки масою понад 40 тонн.Важливим технологічним результатом є встановлення закономірностей ранньої кінетики структуроутворення. Модифікований бетон досягає 68 % від проектної міцності (35,4 МПа) вже на 3-тю добу твердіння, що у 4 рази скорочує термін блокування логістичних маршрутів та оптимізує терміни нарізання деформаційних швів. Економічну доцільність складів підтверджено шляхом моделювання вартості життєвого циклу (LCC) за ISO15686-5. Стартове підвищення інвестицій на 210 тис. грн на 1 км магістралі через введення добавок (1–1,2 % від вартості суміші) повністю нівелюється зниженням інтегрального значення чистої теперішньої вартості (NPV) на 24 %. Це зменшує витрати на ремонти на 40 % протягом перших 18 років експлуатації та забезпечує 3 % економії пального для перевізників.

Prospects are outlined for the development of intelligent road pavements with the integration of sensor systems, self-healing materials, and energy-generating technologies. The proposed approach forms the basis for the creation of a modern, resilient, and high-technology transport infrastructure.Experimental studies verified the high synergy of a "triad" of modifiers: 0.8% PCE MasterGlenium ACE, 0.05% AEA MasterAir, and 0.9 kg/m³ polypropylene microfibers. At W/C=0.34, this complex increases compressive strength from 45.2 to 61.4 MPa and flexural strength from 4.4 to 5.4 MPa. The resulting low-capillary matrix with pore-dampers reduces abrasion to 0.40 g/cm² and raises salt-frost resistance above F300+, neutralizing "shear impacts" during heavy vehicle braking. Early hydration kinetics show the modified concrete reaches 68% strength (35.4 MPa) on the 3rd day, whereas the control mix gains only 28% (12.6 MPa). This dynamic shortens traffic closure periods fourfold (opening routes in 3–7 days), allows timely joint cutting, and ensures optimal compatibility with slipform pavers.Life Cycle Cost (LCC) analysis under ISO 15686-5 proves that a 1–1.2% initial mix cost increase (210,000 UAH/km) extends the maintenance-free interval to 18 years. Integral NPV of the life cycle drops by 24%, reducing maintenance costs by 40% and yielding 3% fuel savings due to prolonged IRI stability.