НАНОМОДИФИКАТОРЫ И ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ГАЗОБЕТОНА И ДЕКОРАТИВНЫХ ФАСАДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Представлены литературный анализ возможности применения наномо-дифицирующих добавок для получения газобетона с улучшенными физико-механическими характеристиками и результаты исследований искусственных фасадных материалов с гидрофобизирующей добавкой ГКЖ-11, покрытых по-
лиуретановым лаком.
Конец ХХ столетия ознаменовался появлением в области науки и техники таких понятий, как наноматериалы, наночастицы, наноструктуры и т. п., что предопределило направление дальнейшего развития материаловедения и технологий во всех отраслях, в том числе в строительстве. Рассматривая бетон в качестве композита, сформированного из крупного и мелкого заполнителя, цементного камня, воды и воздушных пор, можно сформулировать основную задачу наномодифицирования, как управление процессом формирования структуры материала снизу вверх (от наноуровня к макроструктуре бетонной смеси) и кинетикой всего спектра химических реакций, сопровождающих процесс твердения. Так, используя нанодисперсный модификатор, причем в концентрациях близких к 10-7 (что обусловлено не только экономией, но и агрегативной устойчивостью фуллероидов), возможно управлять кинетикой взаимодействия и добиваться максимальных положительных эффектов на стадиях:
- растворения цементных зерен, получая заданную реологию; коллоидации, обеспечивая требуемую сохраняемость подвижности во
времени;
- кристаллизации, усиливая гетерофазные границы контактных зон и, та-
ким образом, повышенную прочность, водонепроницаемость и морозостойкость бетона [1].
Наибольший интерес вызвало появление на отечественном рынке высокоэффективных пластификаторов на основе эфиров поликарбоксилата, которые благодаря отличным свойствам уменьшения расхода воды позволяют улучшить такие характеристики бетона как расплыв конуса, увеличение времени удобоукладываемости при раннем наборе прочности, в особенности, в бетонах с низким водоцементным отношением.
Поликарбоксилаты наряду с эффектами сульфатов нафталина и меламина обладают дополнительным преимуществом: структуры макромолекул полимера, которые скапливаются на поверхности частицы, фактически берут на себя функции распорок. В данном случае речь идет о пространственной (стерической) стабилизации.
В настоящее время на российском рынке в основном преобладают добавки полимеров поликарбоксилата таких фирм, как BASF, Sika, российско-немецкая MC-Bauchemie и некоторые другие. Кроме того, ряд российских фирм наладили производство добавок на основе сухого PCE, в основном китайского производства, качество и стабильность которых оставляет желать лучшего.
Практический интерес представляет добавка ПКФ-70 – поликарбоксилат, модифицированный олигофосфонатом.
Олигофосфонат – это водный раствор соли олигофосфоновой кислоты с большим количеством пигмент-афинных групп, действие которого основано на дефлокуляции пигментов (пептизации цемента) методом электростатической стабилизации. На олигофосфонатах удается создать добавки, приводящие к увеличению площади поверхности цемента за счет его химического диспергирования без водоредуцирующего эффекта. Можно получить увеличение прочности до 40 % при том же расходе воды.
Основное действие фосфоната заключается в комплексообразовании с кальцием, благодаря чему изменяется «активность» цемента, находящегося в
растворе с фосфонатом. Из-за улучшения структуры цементной матрицы отрицательное влияние излишка воды ослабляется. В отличие от поликарбоксилатов добавка позволяет получить экономию цемента на полусухих смесях и рядовых бетонах [2]. Однако использование этих добавок приводит к повышению себестоимости продукции.
В последнее время эффективным научно-техническим направлением является использование наномодифицирующих добавок для строительных материалов, в том числе различных видов бетонов, растворов, декоративных материалов.
С 2005 года проводятся исследования по модифицированию воды затворения углеродными фуллероидными наночастицами. Если исследования по активации воды наночастицами проводятся сравнительно недавно, то попытки физической активации различными методами (электромагнитная и магнитная активация, термическая, акустическая, разрядно-импульсная и другие) проводятся уже достаточно давно. Общими недостатками всех физических методов активации воды являются: трудность определения количественных параметров, характеризующих степень активации водной среды в производственных условиях; необходимость дооснащения технологических линий специальным оборудованием для активации воды; потребность в переработке технологических регламентов и т. п.
Одним из способов повышения физико-механических свойств газобетона
является использование отходов промышленности, содержащих микроаморфный кремнезем.
Известно, что повышение щелочности среды увеличивает растворимость аморфного кремнезема [3]. Считается, что гидравлическая активность пирогенного микроаморфного кремнезема значительно выше, чем у аморфного кремнезема осадочной породы. объясняет это тем, что изменения, происходящие в природных формах активного кремнезема в течение миллиона лет, выражаются в уменьшении растворимости, и, следовательно, в снижении его активности [4]. К данной группе относятся дисперсные кремнеземсодержащие отходы – летучие золы – продукт сжигания измельченного угля ТЭС, пыльунос из печей, образующаяся при выплавке ферросплавов. В основном это высокодисперсные отходы производства, которые повышают водопотребность смеси, что в условиях литьевой технологии нежелательно, поэтому их необходимо применять с пластификатором.
В Приднепровском регионе имеются щелочесодержащие шламы, которые обладают также пластифицирующим действием. Это бокситовые красные шламы – отходы, образующиеся при производстве глинозема из бокситов. По данным [5], бокситовый шлам является отходом производства глинозема из бокситов по комбинированной Байер-спекательной схеме производства.
Наномодифицирующие и другие добавки, в том числе химические, сегодня широко применяются и для повышения защитных свойств декоративных фасадных материалов (агрессивных воздействий окружающей среды, в первую очередь от воздействий воды и абразивного износа).
Известно, что деструктивное действие воды, адсорбируемой в порах материала, усугубляется периодическим замерзанием и оттаиванием, что ведет к потере цвета, ухудшению внешнего вида и постепенному разрушению материала.
В наших исследованиях осуществляли модифицирование бетонной смеси для изготовления декоративных фасадных материалов гидрофобизирующей добавкой ГКЖ-11 с последующим покрытием готовых изделий полиуретановым лаком (таблица 1).
Основное назначение данной добавки в бетоне – создание микровоздушных пор и гидрофобизация микрокаппиляров в бетоне. Это позволяет повысить морозостойкость бетонов, увеличить водонепроницаемость без снижения прочности материала.
Для покрытия поверхности готовых изделий использовали тистром – полиуретановый однокомпонентный лак, отвержденный влагой воздуха (таблица 2).
Таблица 1. Технические характеристики ГКЖ-11 (ТУ 2229-276-05763441-99)
Наименование характеристик | Величина |
Основа материала | Водный раствор метилсиликоната натрия |
Внешний вид | Жидкость от бесцветного до темно-коричневого цвета. |
Массовая доля сухого остатка, %, не менее | 25 |
Массовая доля щелочи (в пересчете на NaOH), % | 10-25 |
Массовая доля кремния, %, не менее | 5 |
Плотность при температуре 20 °С, г/см3 | 1,15 - 1,40 |
Гидрофобизирующая способность, ч, не менее | 8 |
Температура хранения, °С | 0-30 |
Лак образует прочное, износостойкое и долговечное покрытие, устойчив к действию бензина, масел и прочих нефтепродуктов, к действию кислот и абразивному износу. Благодаря своим эластичным свойствам покрытие отлично противостоит ударным и царапающим нагрузкам в течение всего срока службы в диапазоне температур от -60 °С до +120 °С.
Кроме того полиуретановые лаки не изменяют цвета обрабатываемой поверхности, а также способствуют длительному сохранению первоначального цвета.
Таблица 2. Технические данные полиуретанового лака Тистром (ТУ 2311-006-17955654-04)
Наименование характеристик | Величина |
Основа материала | однокомпонентный полиуретан |
Массовая доля нелетучих веществ, % | 34 |
Условная вязкость по В3-246 (сопло 4), сек, не менее | 65 |
Прочность пленки при ударе, см, не менее | 50 |
Прочность пленки при изгибе, мм, не более | 1 |
Прочность пленки при растяжении, МПа | 65 |
Стойкость к статическому воздействию воды при (20,0±2)°С, ч, не менее | 48 |
Стойкость пленки к статическому воздействию ГСМ, ч | 24 |
Твердость покрытия, не менее | 0.7 |
Таблица 3. Опытный состав бетонной смеси при производстве фасадного искусственного отделочного камня
№ | Наименование | Расход материалов, кг/м3 | Расход материалов, кг/ м2 |
1 | Белый портландцемент М600 | 416, 67 | 5,0 |
2 | Кварцевый песок | 250,0 | 3,0 |
3 | Керамзитовый песок фр 0-5 мм | 410,2 | 4,94 |
4 | ГКЖ-11п 0,3 % от массы цемента | 1,25 | 0,015 |
Расход полиуретанового лака составил в среднем 0,6 л на 1 м2.
Определение морозостойкости проводилось согласно ГОСТ 10060.0-95 по методу № 2 при многократном замораживании и оттаивании.
Опытные образцы были подвергнуты 50 циклам попеременного замораживания (– (18 ± 2) °С в среде 5 %-го водного раствора хлорида натрия, что соответствует как минимум 200 циклам замораживания – оттаивания в естественных условиях. Появления трещин, отколов, шелушения поверхности не выявлено.
В дальнейшем, опытная партия изделий была смонтирована на фасадной стене. По истечении 4 месяцев (с 15 ноября по 15 марта 2009-2010 г. г.) не было замечено потери цвета, высолов, а также трещин, отколов и царапин.
Заключение
1. Для изготовления газобетона на основе наномодифицированного вяжущего рекомендуется использовать традиционные материалы: цемент, известь, песок, в качестве газообразователя применять алюминиевую пасту, а
взамен части цемента вводить оптимальное количество промышленных отходов. Это позволит сократить время набора структурной прочности газобетонной смеси, улучшит прочностные показатели и характеристики по морозостойкости газобетона.
2. Применение техногенных отходов, содержащих микро - и наноаморфный кремнезем, будет способствовать улучшению экологической обстановки, сокращению длительности технологического цикла производства, а также улучшению физико-технических свойств газобетона.
3. Комплексное использование добавки ГКЖ-11 и полиуретанового лака позволяет обеспечить высокую защиту декоративных фасадных материалов от вредных воздействий факторов внешней среды.
Литература
Кабаяси, в нанотехнологию / Н. Кабаяси; пер. с япон. под ред. Потрикеева. - М.: БИНОМ, 2007.- 134 с. Черниговский, новых технологий в производство бетонных изделий с целью экономии энергии и цемента / // ЖБИ и конструкции.- 2010.- № 2.- С.46. Айлер, химия кремнезема и силикатов / .- М.: Госстройиздат,1989.- 395 с. Многообразие нанодисперсных модификаторов цементных композитов / , , // Молодежь и научно - технический прогресс. - Брянск, 2010.- Вып.1.- С.197-199. Корнеев, В. И., Сусс, А. Г., Цеховой, шламы – свойства, складирование, применение / , , .- М.: Металлургия, 1991.- 144 с.