КОЛЬМАТИРУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
COLMATING COMPOSITION (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам, используемым для увеличения водонепроницаемости бетона, а именно к разработке новой композиции, кольматирующей бетон (заращивающей поры бетона).
Существует множество кольматирующих средств для гидроизоляции бетона, применяемых в строительстве. Основная задача таких средств - повысить водонепроницаемость пористых строительных материалов (бетона) путем заращивания существующих или вновь возникающих пор. Кольматирующие средства, используемые для гидроизоляции бетона, как правило, представляют собой многокомпонентные композиции, основу которых составляют соли, образующие нерастворимые продукты в порах бетона при взаимодействии с ионами кальция. Например, известны композиции на основе:
- карбоната натрия и хлорида калия (А.с. СССР 540847);
- хлорида натрия, углекислого натрия и сульфата натрия (А.с. СССР 629184);
- гипохлорида, гидрооксида и карбоната кальция, оксидов магния, кремния, железа и алюминия (А.с. СССР 823360);
- карбоната, сульфата, нитрата, хлорида натрия и нитрата кальция (патент РФ 2052413);
- карбоната, сульфата, нитрата натрия, оксида, нитрата и метасиликата кальция (патент РФ 2052413);
- карбоната, нитрата, сульфата натрия, хлорида, карбида, гидрооксида кальция (патент РФ 2072335);
- карбоната, гидрокарбоната, сульфата, нитрата натрия, гидрооксида, нитрата кальция, карбоната, гидрокарбоната, нитрата калия и нитрата лития (патент РФ 2165911);
- смеси солей, образованных металлами из перечня: литий, натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, титан и кислотами из перечня: серная, соляная, азотная, азотистая, кремниевая, угольная, борная, фосфорная (патент РФ 2303586).
Каждое из указанных кольматирующих средств имеет свои преимущества и недостатки.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрано решение, приведенное в заявке на изобретение РФ 2009100578 «Состав для гидроизоляции пористых материалов и способ его получения», а именно гидроизолирующий состав уплотняющего действия для пористых материалов, представляющий смесь солей, отличающийся тем, что в качестве смеси солей используют соли, образованные металлами из перечня: натрий, кальций, магний, железо, алюминий, и кислотами из перечня: азотная, муравьиная, азотистая, серная, угольная, со следующим соотношением ионов (масса иона в составе, г)/(100 г состава):
натрий
0,6-25,3
кальций
1,7-30,1
магний, не более
5
железо, не более
6,5
алюминий, не более
6,5
нитрат
3,5-75,8
формиат
0,1-65,7
нитрит, не более
18,8
сульфат, не более
33,3
карбонат, не более
26,2
Ключевыми преимуществами, предопределившими выбор в качестве прототипа решения, приведенного в заявке на изобретение РФ 2009100578, являются
- отсутствие в его рецептуре хлоридов. Ведь хлориды - известные активаторы коррозии металлической арматуры в железобетоне;
- возможность изготовления полностью растворимой в воде композиции (без нерастворимой фазы).
Однако и прототип не лишен недостатков, в частности, прототип не позволяет получать селективные композиции для кольматации глубоких слоев бетона, т.к. кольматирующие добавки «срабатывают» уже во внешних слоях бетона, обеспечивая получение водонепроницаемого слоя глубиной до 50-100 мм.
Поскольку в большинстве описаний кольматирующих композиций используется метод определения ее состава «по дозировке», т.е. по исходным солям, используемым на этапе приготовления композиции, а более точная ионная схема (приведенная выше) используется редко, то для удобства сравнения приводим еще несколько близких решений в пересчете на ионную схему, каждое из которых в той или иной мере также может рассматриваться как прототип предлагаемой композиции.
Масса иона в составе, г/(100 г состава)
Ион
Патент РФ 2165911
Патент РФ 2149849
Патент РФ 2052413
Патент РФ 2303586
литий
0-5,6
0
0
0-6,9
натрий
2,0-32,5
23,0-23,9
23,6-42,7
0,7-48,2
калий
0-46,9
0
0
0-41,5
кальций
0-17,3
10,6-12,6
0,1-4,7
5-25
магний
0
0
0
0-6
железо
0
0
0
0-4,9
алюминий
0
0
0
0,01-4,9
титан
0
0
0
0-4,2
сульфат
3,4-8,4
19,1
11,5-22,5
0,8-28,6
хлорид
0
0
0,2-0,3
0,01-5,8
нитрат
16,5-49,2
26,6-28,1
10,9-31,5
4,9-64
нитрит
0
0
0
0-24,5
силикат
0
2,7-4,3
0
0-10
карбонат
3,2-9,2
4,3-4,9
9,2-15,9
0,1-10
формиат
0
0
0
0
борат
0
0
0
0-4,2
фосфат
0
0
0
0-6,7
Задача предлагаемого изобретения - расширение арсенала средств, используемых для повышения водонепроницаемости бетона.
Поставленная задача решается путем создания новой кольматирующей композиции, в которой обеспечена возможность:
1. кольматации глубоких слоев бетона (базовый вариант композиции);
2. получения композиции в растворимом в воде виде (растворимый в воде вариант композиции).
1. Базовый вариант композиции
В результате исследований выявлен следующий состав предлагаемого средства для повышения водонепроницаемости бетона, а именно кольматирующая композиция, представляющая смесь солей и комплексообразующих добавок, отличающаяся тем, что в качестве смеси солей использованы соли, образованные металлами из перечня: натрий, калий, кальций, алюминий, и кислотами из перечня: азотная, муравьиная, серная, угольная, со следующим соотношением ионов, (масса иона в композиции, г)/(100 г композиции):
натрий
5,6-32
кальций
0,4-17,2
калий
1,5-27,2
алюминий
0,5-6,7
нитрат
4,1-62,1
формиат
0,6-29,7
сульфат
10,3-54,7
карбонат
1,1-29,7
А в качестве комплексообразующих добавок (для увеличения кольматации бетона на глубину свыше 100 мм) используются такие добавки, как, например, карбамид; нитрилтриуксусная кислота; имино-N,N-диуксусная-N-метиленфосфоновая кислота; глицин-N,N-ди(метиленфосфоновая) кислота; иминоди(метиленфосфоновая) кислота; диаминопропанол-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота; 2-гидроксипропилендиамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; 2,3-дигидроксибутилен-1,4-диамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; 2,3-дигидроксибутилен-1,4-диамин-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота; нитрил-три(метиленфосфоновая) кислота; 1-гидроксиэтилендифосфоновая кислота; этилендиамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; этилендиамин-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота. Эффективная концентрация комплексообразующих добавок составляет не более 20% от массы кольматирующей композиции.
Предлагаемая композиция отличается от прототипа и близких решений иными ингредиентами и их концентрацией, в частности использованием комплексообразующих добавок.
В результате после обработки бетона предлагаемой композицией при испытаниях на водонепроницаемость бетона согласно ГОСТ 12730.5-84 путем разрезания обработанного образца-цилиндра на диски толщиной по 50 мм установлен рост водонепроницаемости бетона на глубине 100-150 мм.
Для дополнительного обеспечения:
- работоспособности при хранении;
- равномерного распределения по поверхности обрабатываемого бетона;
- продолжительного контакта с обрабатываемым бетоном;
- более равномерного распределения в объеме бетона при добавках композиции в бетонную смесь;
может быть использован обычный для кольматирующих композиций носитель - цемент, песок. Помимо цемента, песка, в состав носителя может быть введена известь, которая так же, как цемент, способствует защите от влаги и так же, как цемент, может усиливать эффективность композиции. В случае использования носителя его масса желательно должна быть не менее чем 50% от массы кольматирующей композиции.
2. Растворимый в воде вариант композиции
Второй вариант предлагаемой композиции - это кольматирующая композиция, обеспечивающая возможность изготовления полностью растворимой в воде смеси (без нерастворимой фазы).
Для варианта полностью растворимой в воде кольматирующей композиции использован тот же прототип, что и для первого (базового) варианта композиции. Ведь в решении, приведенном в заявке на изобретение РФ 2009100578, также предусмотрена возможность изготовления полностью растворимой в воде смеси.
Для получения растворимой в воде кольматирующей композиции выполнены исследования, в результате которых найден требуемый состав, а именно кольматирующая композиция, растворимая в воде, представляющая собой смесь солей, отличающаяся тем, что в качестве смеси солей использованы соли, образованные металлами из перечня: натрий, калий, кальций, алюминий, и кислотами из перечня: азотная, муравьиная, со следующим соотношением ионов (масса иона в композиции, г)/(100 г композиции):
натрий
0,3-20
кальций
3,6-28,1
калий
0,6-33,7
алюминий
0,3-9,4
нитрат
16,4-80,8
формиат
2,3-52,4
Предлагаемая композиция отличается от прототипа иными диапазонами концентраций ингредиентов и, в первую очередь, наличием солей, образованных калием.
Для дополнительного обеспечения:
- стабильности композиции (исключения комкования);
- более равномерного распределения в объеме бетона при добавках композиции в бетонную смесь
может быть использована вода как растворитель и носитель кольматирующих добавок. В случае использования воды ее масса желательно должна быть не менее чем 50% от массы кольматирующей композиции.
Для повышения эффекта от применения растворимой в воде кольматирующей композиции может быть использована пластифицирующая добавка для бетонных смесей, например, сульфонатного, полиакрилатного или поликарбоксилатного типа.
Способ получения композиции представляет собой обычное механическое смешивание сыпучих солей.
Практическое использование предлагаемой композиции иллюстрируется следующими примерами.
1. Базовый вариант кольматирующей композиции
Композицию готовят путем смешивания солей в сухом виде. Соли подбирают так, чтобы обеспечить требуемый ионный состав композиции. В частности, проверены следующие составы композиции:
1-1) 1,84 г формиата калия, 19,94 г нитрата натрия, 3,07 г карбоната калия, 46,01 г карбоната натрия, 21,47 г сульфата натрия, 6,13 г сульфата алюминия, 1,53 г нитрата кальция;
1-2) 13,89 г формиата калия, 5,56 г карбоната калия, 2,78 г карбоната натрия, 13,89 г сульфата натрия, 41,67 г сульфата алюминия, 22,22 г нитрата кальция;
1-3) 1,19 г формиата калия, 10,43 г нитрата натрия, 1,59 г карбоната калия, 0,8 г карбоната натрия, 11,15 г сульфата натрия, 3,18 г сульфата алюминия, 71,66 г нитрата кальция;
1-4) 2,36 г формиата калия, 20,47 г нитрата натрия, 3,15 г карбоната калия, 1,57 г карбоната натрия, 22,05 г сульфата натрия, 47,24 г сульфата алюминия, 3,15 г нитрата кальция;
1-5) 54,55 г формиата калия, 1,82 г нитрата натрия, 3,64 г карбоната калия, 1,82 г карбоната натрия, 27,27 г сульфата натрия, 7,27 г сульфата алюминия, 3,64 г нитрата кальция.
Масса иона в композиции, г/(100 г композиции)
Ион
Обозначение композиции
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
натрий
32
5,6
6,7
13,3
10
кальций
0,4
5,3
17,2
0,8
0,9
калий
2,6
9,6
1,5
2,9
27,2
алюминий
1
6,7
0,5
7,6
1,2
нитрат
15,7
16,9
62,1
17,3
4,1
формиат
1
7,5
0,6
1,3
29,5
сульфат
19,8
44,4
10,3
54,7
24,7
карбонат
27,5
4
1,1
2,3
2,6
В качестве комплексообразующих добавок для увеличения глубины кольматации бетона проверили такие комплексообразующие добавки, как карбамид; нитрилтриуксусная кислота; имино-N,N-диуксусная-N-метиленфосфоновая кислота; глицин-N,N-ди(метиленфосфоновая) кислота; иминоди(метиленфосфоновая) кислота; диаминопропанол-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота; 2-гидроксипропилендиамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; 2,3-дигидроксибутилен-1,4-диамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; 2,3-дигидроксибутилен-1,4-диамин-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота; нитрил-три(метиленфосфоновая) кислота; 1-гидроксиэтилендифосфоновая кислота; этилендиамин-N,N,N′,N′-тетра(метиленфосфоновая) кислота; этилендиамин-N,N,N′,N′-тетрауксусная кислота.
Комплексообразующие добавки вводили в количестве не более 20% от массы кольматирующей композиции, а именно: 0,5%, 1%, 5%, 10% и 20% от массы кольматирующей композиции.
Работоспособность полученной кольматирующей композиции проверяли в сравнении с прототипом по показателю водонепроницаемость методом «мокрого пятна» согласно ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости».
Использовали кольматирующую композицию двумя способами:
1) путем введения ее в бетонный раствор в количестве 1% от массы цемента;
2) путем введения ее в цементно-песчаную смесь (соотношение 1:1) в количестве 1% от цементно-песчаной смеси. Эту смесь затворяли водой до консистенции густой сметаны и наносили слоем 2 мм на один из торцов бетонного образца-цилиндра. При этом образец-цилиндр увлажняли перед обработкой смесью, а после обработки хранили во влажных условиях.
Обнаружено, что у всех бетонных образцов-цилиндров, содержащих как добавку прототипа, так и добавку предлагаемой кольматирующей композиции водонепроницаемость составила 1-1,8 МПа, что приемлемо для большинства областей применения таких композиций.
У контрольных образцов без добавок водонепроницаемость составила 0,2-0,4 МПа.
У бетонных образцов-цилиндров, обработанных цементно-песчаной смесью как с добавкой прототипа, так и с добавкой предлагаемой кольматирующей композиции проверили глубину кольматации бетона. Для этого обработанные бетонные образцы-цилиндры (высота 150 мм) разрезали на диски толщиной по 50 мм и проверили водонепроницаемость каждого диска. Оказалось, что при обработке поверхности бетона на глубине свыше 100 мм прототип менее эффективен и, более того, менее подвержен влиянию комплексообразующих добавок, чем предлагаемая композиция. Водонепроницаемость бетона на глубине 100-150 мм при введении комплексообразующих добавок составила:
- для прототипа - 0,4-1,0 МПа;
- для предлагаемой композиции - 0,8-1,4 МПа.
При эквимолярной замене в композиции солей с сохранением общего качественного и количественного состава ионов в композиции получены такие же результаты. В частности, при эквимолярной замене:
- формиата калия и нитрата кальция на нитрат калия и формиат кальция (по уравнению:
2
3
2
3
2
2
2KHCO+Ca(NO)=2KNO+Ca(HCO));
- нитрата натрия и сульфата алюминия на сульфат натрия и нитрат алюминия (по уравнению:
3
2
4
3
2
4
3
3
6NaNO+Al(SO)=3NaSO+2Al(NO)).
Для обеспечения:
- стабильности кольматирующей композиции (исключения комкования);
- равномерного кольматирующей композиции распределения по поверхности обрабатываемого бетона;
- продолжительного контакта кольматирующей композиции с обрабатываемым бетоном;
- более равномерного распределения кольматирующей композиции в объеме бетона при добавках композиции в бетонную смесь;
проверялся как носитель композиции - цемент, песок, в т.ч. с добавками извести. Полученная смесь легко сыпуча, имеет меньше склонность к комкованию, обеспечивает более удобную работу с кольматирующей композицией. Установлено, эффективно бороться с комкованием композиции (особенно при контакте с воздухом) можно, если использовать носитель в количестве не менее чем 1:2 от массы композиции, т.е. масса носителя желательно должна быть не менее чем 50% от массы кольматирующей композиции.
2. Кольматирующая композиция, растворимая в воде
Композицию готовят путем смешивания солей в сухом виде. Соли подбирают так, чтобы обеспечить требуемый ионный состав композиции. В частности, проверены следующие составы композиции:
2-1) 2,47 г формиата кальция, 1,23 г формиата калия, 74,09 г нитрата натрия, 2,47 г нитрата алюминия, 19,74 г нитрата кальция;
2-2) 3,66 г формиата кальция, 73,19 г формиата калия, 1,22 г нитрата натрия, 2,44 г нитрата алюминия, 19,5 г нитрата кальция;
2-3) 75,02 г формиата кальция, 1,25 г формиата калия, 1,25 г нитрата натрия, 2,5 г нитрата алюминия, 19,98 г нитрата кальция;
2-4) 2,41 г формиата кальция, 1,2 г формиата калия, 12,05 г нитрата натрия, 72,29 г нитрата алюминия, 12,05 г нитрата кальция;
2-5) 11,24 г формиата кальция, 63,47 г формиата калия, 1,12 г нитрата натрия, 2,25 г нитрата алюминия, 17,96 г нитрата кальция.
Масса иона в композиции, г/(100 г композиции)
Ион
Обозначение композиции
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
натрий
20
0,3
0,3
3,3
0,3
кальций
5,5
5,8
28,1
3,6
7,8
калий
0,6
33,7
0,6
0,6
31
алюминий
0,3
0,3
0,3
9,4
0,3
нитрат
71,2
17,8
18,3
80,8
16,4
формиат
2,4
42
52,4
2,3
44,2
Растворимость композиции в воде
+
+
+
+
+
Примечание: значок «+» в графе «растворимость в воде» означает, что композиция в количестве 10 г полностью растворяется в 1000 см<sup>3</sup> воды
При эквимолярной замене солей с сохранением общего качественного и количественного состава ионов в композиции получены такие же результаты. В частности, при эквимолярной замене:
- формиата калия и нитрата кальция на нитрат калия и формиат кальция (по уравнению:
2
3
2
3
2
2
2KHCO+Ca(NO)=2KNO+Ca(HCO));
- нитрата алюминия и формиата кальция на формиат алюминия и нитрат кальция (по уравнению:
3
3
2
2
2
3
3
2
2Al(NO)+3Ca(HCO)=2Аl(HCO)+3Ca(NO)).
Для дополнительного обеспечения:
- стабильности при хранении (исключения комкования) кольматирующей композиции;
- более равномерного распределения кольматирующей композиции в объеме бетона при добавках композиции в бетонную смесь
может быть использована вода как растворитель и носитель кольматирующих добавок.
Полученная смесь представляет собой водный раствор. В результате полностью исключается опасность комкования композиции. Композиция легче и быстрее распределяется в бетонной смеси в сравнении с порошковым вариантом и обеспечивает наиболее удобную работу с кольматирующей композицией.
Установлено, что получать раствор из растворимой кольматирующей композиции можно, если использовать воду в количестве не менее чем 1:1 от массы композиции, т.е. желательно масса воды должна быть не менее чем 100% от массы кольматирующей композиции.
Работоспособность полученной кольматирующей композиции, растворимой в воде, проверяли в сравнении с прототипом по показателю водонепроницаемость методом «мокрого пятна» согласно ГОСТ 12730.5-84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости».
Использовали кольматирующую композицию путем введения ее в бетонный раствор в количестве 1% от массы цемента;
Обнаружено, что у всех бетонных образцов-цилиндров, содержащих как добавку прототипа, так и добавку предлагаемой кольматирующей композиции, водонепроницаемость составила 1-1,8 МПа, что приемлемо для большинства областей применения таких композиций.
У контрольных образцов без добавок водонепроницаемость составила 0,2-0,4 МПа.
Дополнительно установлено, что для повышения эффекта от применения растворимой в воде кольматирующей композиции может быть использована пластифицирующая добавка для бетонных смесей, например, сульфонатного, полиакрилатного или поликарбоксилатного типа, в частности лигносульфоната натрия, нафталинметиленсульфоната натрия, полиакрилата натрия, поликарбоксилата натрия в количестве до 200% от массы кольматирующей композиции.
Пластифицирующие добавки вводили в количестве не более 200% от массы кольматирующей композиции, а именно: 1%, 5%, 10%, 50%, 100% и 200% от массы кольматирующей композиции. В результате удалось дополнительно повысить водонепроницаемость бетона (водонепроницаемость составила 1,2-2,0 МПа). Причем пластифицирующие добавки вводили как в порошковую кольматирующую композицию, так и в ее раствор в воде.