Улучшение свойств гидроизоляционных тонкослойных цементных композиций поверхностного и проникающего действия (стр. 2 )

Содержание работы

Последние десятилетия в нашей стране и зарубежом интенсивно развиваются исследования по формированию теоретической основы создания высокоэффективных гидроизоляционных материалов. В фундаментальных работах , , , и др. заложены теоретические основы этого приоритетного в настоящее время направления исследований. Несмотря на большое количество работ проблема создания эффективных гидроизоляционных материалов различного функционального назначения остается актуальной и в настоящее время. Решению задачи такого рода и посвящены настоящие исследования.

В работах кафедры «Инженерная химия и естествознание ПГУПС (д. т.н., проф. , д. т.н., проф. ) в 2000 – 2006г. были сформулированы представления о тонкослойных цементных композициях (ТЦК), которые формируют разного рода покрытия – защитные, отделочные, клеевые и др., и которые отличаются от конструкционных бетонных материалов на основе цемента тем, что при тонине слоя до 20 мм они характеризуются высокой открытой площадью поверхности уложенного материала; а также отличаются повышенной трещиностойкостью и высокой адгезией к наносимой поверхности. При таких особенностях ТЦК должны быть гидрозащитными.

В работах этих же ученых были названы принципы управления трещиностойкостью введением химических добавок с учетом их энергосодержания по энтальпии (-ΔНє298) и мольных масс (М), гидрозащитность и проникающая способность при этом не рассматривалась. В развитие этих представлений следует отметить, что для обеспечения гидрозащитных свойств могут быть рассмотрены и другие характеристики добавок и их химическое поведение, которые, при равных значениях -ΔНє298  и М могут играть важную роль, например, такие, как размер нано-частиц добавок; кроме того, ранее не учитывалось взаимодействие покрытия и бетонного основания и проникание компонентов смеси в подложку – основание, что может быть принципиальным не только для свойств ТЦК, но и для бетонного основания и композиции основание – покрытие в целом.

Основная идея настоящей работы состоит в использовании знаний: во-первых, об особых свойствах дисперсий нано – размера – гидрозолей, их высокой удельной поверхности и клеющей способности для улучшения свойств ТЦК, во-вторых, об особенностях проявления взаимодействия покрытие-основание на уровне возможных донорно-акцепторных взаимодействий, где ионы кальция (акцепторы) – кислородные электронные пары (доноры) и в третьих, об особенностях химического поведения при проникновении ионов из смеси для тонкослойных цементных композиций (ТЦК) в основание (рисунок 1).

Рисунок 1.  Схема ТЦК во взаимодействии с основанием

а) ТЦК – защитное покрытие; б) ТЦК – покрытие проникающего действия

При проникновении катионов из ТЦК в затвердевший бетон, в котором помимо других ионов присутствуют и ОН - группы, с которыми, возможно, происходит взаимодействие вводимых катионов с образованием гидроксидов и если проникающий катион образует труднорастворимый гидроксид (ПР 10-5), то этот гидроксид будет служить своего рода барьером для дальнейшего продвижения компонентов смеси в глубь основания, т. е. осуществляет гашение проникающей способности компонентов ТЦК. Если такие труднорастворимые гидроксиды не образуются, то происходит максимальное продвижение компонентов смеси в глубь основания.

Смысл применения дисперсий гидрозолей коллоидного (нано) размера для повышения эффективности свойств ТЦК, в соответствии с работами ученых кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС, развитых ими для тяжелых (, , ) и легких бетонов (, ), состоит в том, что коллоидные частицы могут блокировать микро и мезо - поры, имеющие такие же размеры, как и коллоидные дисперсии – до 100 нм, что может способствовать повышению плотности структуры ТЦК со всеми соответствующими эксплуатационными последствиями – ростом прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, кроме того частицы коллоидного размера способны сдвигать кислотно – основное равновесие в твердеющей системе в сторону образования гидросиликатов с учетом мицеллярного строения частицы и за счет высокой удельной поверхности способны обеспечить ТЦК при нанесении на основание высокую клеящую способность. Представления об использовании электролитов для их проникающего действия в бетонную основу состоит в учете их химического взаимодействия с составляющей бетона-основания; смысл учета контактной зоны при взаимодействии  наносимого покрытия и поверхности бетонного основания состоит в учитывании возможности донорно-акцепторного взаимодействия между ними и увеличения таким образом адгезии.

В исследованиях данной работы использовался эффективный состав для гидроизоляционной ТЦК, включающий традиционные компоненты, которые во всех случаях были одинаковые, такие как, например, цемент, песок, фр. (0~0,63 мм), доломитизированный известняк, микрокремнезем, СПС – 3. Данный состав назван базовым или контрольным. Использовались цементы Северо-Западного региона России: ПЦ400Д20 цементный завод», ПЦ400Д20 цементный завод», ПЦ500Д0 цементный завод», напрягающий цемент НЦ-10 по ТУ 5743-072-46854090-98, а также кремнезоль, который был разработан и изготовлен на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС.

Проведенные исследования показали, что при использовании добавки золя ортокремниевой кислоты цементная композиция, исследованная по ГОСТ 5802-86 , отличается пониженной пористостью независимо от используемого цемента, о чем можно судить по уменьшению  водопоглощения, до значения 2.85 – 2.5 % при 0.3 мас.% кремнезоля от массы цемента (рисунок 2) и уменьшается на 18-23 относительных % по сравнению с базовым составом.

Рисунок 2.  Взаимосвязь водопоглощения раствора ТЦК (по ГОСТ 12730.3-78) и количества кремнезоля

1-ПЦ400Д20 (Пикалевский);

2-ПЦ400Д20 (Сланцевский);

3- ПЦ500 Д0 (Сланцевский);

4- НЦ-10

Об уплотнении структуры в присутствии кремнезоля  свидетельствуют и данные по исследованию пористости структуры, проводимые  при помощи  автоматического анализатора  изображений  «ВидеоТест», которые показали, что в активированном  образце присутствуют поры в основном небольшого размера 0,03– 0,12 мм; количество более крупных пор, размером (0,09 – 0,21) мм уменьшилось. Распределение пор по размерам представлено на рис.3

Рисунок 3. Распределение пор по размерам

Физико-химическими методами исследования обнаружено, что в присутствии кремнезоля повышается степень гидратации цемента и появляются низкоосновные гидросиликатные фазы, данные дифференциально – термического исследования (таблица 1) также подтверждают усиление гидратационных процессов в присутствии кремнезоля, поскольку общее количество химически связанной воды  увеличивается на 26% по отношению к базовому составу ТЦК и образование низкоосновного гидросиликата Ca по наличию экзотермического эффекта в области температур 837єС.

Таблица 1

Результаты дифференциально-термического анализа цементного камня, активированного кремнезолем

Добавка	Эффекты на дериватограмме, єС	Потери при эффектах, %
I	II	III	IV	V	VI	I	II	III	IV	V	VI
ТЦК базовый	(-)135	(-)182	-	(-)515	(-)795	–	8	2	-	7	6	–	23/100
ТЦК базовый с кремнезолем	(-)129	(-)178	(-)370	(-)510	(-)793	(+)837	11	5	3	3	7	–	29/126

(-)  - эндотермический эффект; (+) – экзотермический эффект

Повышение гидратационной активности цемента в присутствии кремнезоля подтверждается и данными ИК-спектроскопических исследований. На ИК-спектрах (рисунок 4) на кривой 2 увеличиваются полосы поглощения в области (1680; 3150 – 3600) см -1, соответствующие деформационным и валентным колебаниям молекул воды.

Интенсивность полосы поглощения

Рисунок 4. ИК-спектры образцов ТЦК

1-базовый состав ТЦК;2- базовый состав ТЦК, активированный кремнезолем

Данные калориметрических исследований так же подтверждают, что в присутствии кремнезоля  происходит усиление степени гидратации цемента - общее количество тепла, выделяющееся к 72 часам химического взаимодействия на 17 % выше относительно базового состава.

Таким образом, физико-химические исследования подтвердили, что в присутствии кремнезоля SiО2 nН2О увеличивается плотность материала и усиливается степень гидратации цемента с образованием повышенного количества гидратных соединений, в том числе и низкоосновных гидросиликатов кальция.

Поскольку, одной из наиболее важных характеристик  ТЦК является трещиностойкость, косвенной оценкой которой может быть отношение прочности на растяжение при изгибе к прочности на сжатие, были проведены исследования и получены результаты по изменению всех видов прочности и трещиностойкости строительных  растворов для ТЦК  в соответствии с ГОСТ 5802-86 при использовании различных цементов северо-западного региона (рисунок 5).

а)