ГИДРОФОБИЗАЦИЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА
, ,
(Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение ВПО Оренбургский государственный университет, научно-исследовательский институт «Строительное материаловедение»)
Во всем мире отмечается ежегодный прирост вновь вводимого жилого фонда, однако, возрастает и доля зданий, нуждающихся в частичной или полной реставрации. Несвоевременность проведения плановых ремонтов способствует ускоренному износу конструкции и ведет к возникновению различных аварийных ситуаций. Долговечность современных сооружений определяется качеством исходных материалов и способностью их противостоять воздействию окружающей среды.
Основным агрессивным фактором воздействия является влага. Миграция её в полости материалов, большинство из которых представляют собой капиллярно-пористые тела, переход из одного агрегатного состояния в другое и т. д., способствует накоплению дефектов и разрушению.
С целью защиты объектов от отрицательного воздействия влаги активно внедряются различные системы гидроизоляции конструкций и способы повышения гидрофобности материалов. Одним из перспективных методов повышения стойкости к воздействию окружающей среды является применение гидрофобных отделочных покрытий на основе сухих строительных смесей. Однако, во многих научно-исследовательских работах отмечается, что при получении гидрофобного эффекта путем введения в компонентный состав смеси порошковых модификаторов – солей на основе олеиновой и стеариновой кислот (рис. 1), получаются два взаимно противоположных результата:
- передозировка добавки (ухудшение строительно-технических характеристик композиций);
- сродство к компонентам минеральной части (повышение эффективности добавки в системе).
 |
Поэтому целью настоящей работы стало исследование влияния олеата и стеарата Na на свойства цементно-наполненных вяжущих [2].
На первом этапе разработаны смешанные вяжущие на основе портландцемента. Задачей этого этапа стало получение камня с минимальной дефектной структурой, что напрямую связано с прочностными показателями.
В качестве наполнителя использовались молотые известняк и песок с удельной поверхностью Sуд ≈ 3500 см2/г.
Состав, содержащий 12% наполнителя, принят за оптимальный, который взят в качестве минеральной основы для исследования влияния гидрофобизаторов на свойства камня [1].
Изначально выбор наполнителя объясняется тем, что компоненты относятся к различным группам. Если песок является кислой составляющей, то известняк основной, и добавки могут проявить различное сродство к ним. Это должно отразиться на степени их участия в гидратации и эффективности работы в дальнейшем.
На рисунке 2 показано влияние добавок на кинетику набора прочности наполненных систем
| |
 | |
| |
| |
| |
Как видно из графиков, при введении стеарата Na в цементно-известняковой системе наблюдается прямолинейное снижение прочности по мере возрастания дозировки во все сроки твердения. Добавка олеата Na до 0,25% вследствие возросшей дефектности внутренней структуры (по коэффициентам среднего размера и однородности открытых капиллярных пор) снижает прочность цементно-известняковой системы более чем на 12 МПа (рис. 3). Дальнейшее увеличение содержания модификатора приводит к оптимизации внутренней структуры, что отразилось на росте прочности контрольных образцов. Это можно проследить и по изменениям значений соответствующих коэффициентов (рис. 3).
В цементно-песчаной системе введение модификаторов до 0,25% интенсивно снижает прочность, дальнейшее увеличение дозировки до 1,00% оказывает менее заметный эффект на данную характеристику. При максимальной дозировке добавок стеарат Na снизил прочность на 17% меньше в сравнении с олеатом Na.
Как видно из рисунков 2 и 3 изменение прочностных показателей систем по мере модификации различными добавками коррелируют со значениями соответствующих структурных коэффициентов.
 |
Отмечено, что добавка олеата Na по механическим и структурным показателям проявляет лучшее сродство к цементно-известняковой системе. Напротив, стеарат Na более предпочтительно применять в цементно-песчаном вяжущем.
Структура и прочностные показатели являются важными для вяжущих веществ, однако, введение гидрофобизаторов преследует главную цель - улучшение гидрофизических свойств. На рисунке 4 и 5 отражено влияние добавок на водопоглощение камня.
В ряде работ отечественных и зарубежных авторов отмечено, что введение гидрофобных добавок снижает кинетику водопоглощения, но не отражается на значении самого водопоглощения [3]. Как показали наши результаты, представленные на рисунке 4, величина водопоглощения модифицированных составов меньше, чем минеральной части.
Введение олеата Na до 0,25 % активно снижает величину водопоглощения, дальнейшее повышение дозировки практически не сказывается на изменении данной характеристики. При модификации стеаратом Na водопоглощение цементно-песчаной и цементно-известняковой систем падает по мере увеличения содержания гидрофобизатора.
Не менее важной проблемой отделочных покрытий является проявление мокрых пятен на поверхности, которые происходят вследствие водопоглощения при капиллярном подсосе влаги.
По изоповерхностям рисунка 6 видно, что оптимальное содержание гидрофобизаторов в цементно-известняковой системе составляет 0,25%, при этом величина водопоглощения при капиллярном подсосе снизилась более чем в 6 раз в сравнении с минеральным составом. Интенсивность капиллярного подсоса в цементно-песчаной системе зависит от содержания добавок, минимальная величина данной характеристики отмечена при максимальном содержании модификаторов.
Экспериментальные результаты показывают, что олеат Na более эффективен в цементно-известняковых системах, наблюдается улучшение гидрофизических свойств и структурных показателей при незначительном снижении прочности системы. В цементно-песчаном вяжущем проявление положительных характеристик менее заметно. Это связано с оптимизацией структуры цементно-известнякового вяжущего при гидратации в присутствии олеата Na, который активно участвует в данном процессе и способствует равномерному образованию гидрофобных сростков. Применение стеарата Na менее эффективно, так как улучшение гидрофизических свойств линейно зависит от содержания добавки, которая, не вступая в реакцию гидратации, инертно гидрофобизирует поровое пространство.
Проведенное атомно-молекулярное моделирование минеральных систем в присутствии олеата Na в условиях идеальной гидратации позволило разработать структурные модели (рис. 7).
Анализ рисунка цементно-известковой системы с молекулами воды и добавкой олеата Na показывает, что атомы молекулы гидрофобизатора занимают пустые пространства по всему объему, имеющиеся в системе в результате отклонений атомов кремния и кислорода в тетраэдрах (рис. 7а). Водопоглощение у образовавшейся структуры снижено, а прочность за счет действия связей между атомами в молекуле добавки олеата Na понизится незначительно по сравнению с “чистой” системой. Это объясняет ранее изложенный в работе экспериментальный результат. При рассмотрении молекулярной модели цементно-песчаной системы с молекулами воды и добавкой олеата Na – наблюдаем: молекулы добавки занимают положение в виде слоя (рис. 7б), это приводит к нарушению структуры, дефектность которой возрастает. Следствием этого будет снижение прочности и менее значительное улучшение гидрофизических свойств, что также не противоречит полученным опытным результатам.
Полученные экспериментальные результаты и атомно-молекулярные модели позволяют говорить о сродстве поверхностно-активных веществ к компонентам минеральной системы. Использование методов атомно-молекулярного моделирования позволяет объяснить вопросы несоответствия в результатах экспериментальных данных. Дальнейшие исследования в данном направлении позволяет решить вопрос возможностикомпьютерного прогнозирования долговечности систем гидратационного твердения в присутствии поверхностно-активных веществ различного функционального назначения.
Список литературы
1. Орехов вяжущие с повышенными гидрофобными свойствами /// Сборник докладов – Международный семинар-конкурс молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей / М., 2010. – С. 74-77.
2. «Что» есть «что» в сухих строительных смесях / , // Словарь. – СПб.: НП «Союз производителей сухих строительных смесей», 2005. – 312 с.
3. Хигерович добавки для цементов, растворов и бетонов / , // М.: Стройиздат, 1979. – 126 с.
