Структурная механика при твердении тонкослойных цементных композиций

Структурная механика при твердении тонкослойных цементных композиций

П.Г.Комохов, А.М.Сычева, И.В.Степанова, Н.Н.Елисеева

Одним из путей создания бетона улучшенного качества может быть использование высококачественных покрытий, придающих всей композиции из бетонного основания и покрытия новый уровень качества по водонепроницаемости, прочности, морозостойкости и трещиностойкости. При такой постановке вопроса особую роль приобретают свойства покрытия - так же, как в методе молекулярного наслаивания В.Б.Алесковского и его школы, когда на поверхность, например, оксида d - металла наслаивается вещество с заданными свойствами и вся композиция «работает» по физико-химической программе верхнего поверхностного наслоения. В нашем случае бетон и покрытие с заданными свойствами может иметь свойства покрытия, что и повышает уровень свойств всей композиции.

В работах [1, 2] были сформулированы представления о тонкослойных цементных композициях (ТЦК), которые формируют покрытия, отличающиеся от конструкционных бетонных материалов на основе цемента тем, что при тонкости слоя до 10 мм они характеризуются высокой открытой площадью поверхности уложенного материала, повышенной трещиностойкостью и высокой адгезией к наносимой поверхности основания-подложки.

В этих же работах были названы принципы управления свойствами, например, трещиностойкостью, введением химических добавок с учетом их энергосодержания по стандартной энтальпии (-ДН°2д8 , кДж/моль) и мольным массам (М, г/моль). В развитие этих представлений следует отметить, что для следующего качества покрытия - например, свойств гидрофобности - могут быть рассмотрены и другие характеристики добавок и их химическое поведение, которые при равных значениях -ДН°298 и М играют важную роль по показателю наноразмер частиц добавок. Кроме того, следует учитывать активность взаимодействия покрытия и бетонного основания и проникание с учетом свойств адгезии компонентов смеси в подложку - основание. Должен быть обеспечен принцип синхронизации упругих волн покрытия при адгезии и демпфирования гашения внутренних напряжений в структуре материала и покрытия.

Теория влияния частиц наноразмера на структуру бетона была рассмотрена в работах [3, 4] и использована для поверхностных покрытий. Второе положение теории, учитывающее особенность проявления взаимодействия системы покрытие-основание на уровне возможных донорно-ак-цепторных взаимодействий, где ионы кальция (акцепторы) - кислородные электронные пары (доноры) как основа ад-

гезии и создания контактной зоны в системе покрытие -основание. Третье - учитывалась особенность химического поведения при проникновении ионов из смеси для тонкослойных цементных композиций(ТЦК)в основание как способа повышения качества всей композиции (принцип механизма синхронизации напряжений).

На рисунке 1 показаны гипотетические схемы макрокомпозиции в системе бетон - ТЦК. При этом рассматривалось проникновение катионов из ТЦК в затвердевший бетон, в котором помимо других ионов присутствуют и ОН- группы, что обеспечивает взаимодействие вводимых катионов с образованием гидроксидов, и полагалось, что если проникающий катион образует труднорастворимый гидроксид с произведением свойств растворимости (ПР < 10-5), то этот гидроксид будет служить своего рода барьером для дальнейшего продвижения компонентов смеси в глубь структуры основания, т.е. осуществляет энергетическое гашение проникающей способности компонентов ТЦК. Если такие труднорастворимые гидроксиды не образуются, то происходит максимальное диффузионное продвижение катионов и анионов компонентов смеси в глубь основания, и процесс взаимодействия улучшает качество бетона.

В исследованиях данной работы использовался состав для гидроизоляционной ТЦК, включающий традиционные компоненты, которые во всех случаях были одинаковые: цемент, песок, (фр. 0~0,63 мм) и др. Данный состав назван базовым или контрольным. Использовались цементы Севе-

Рисунок 1. Схема макрокомпозиции бетон - ТЦК для случаев: а) бетон - ТЦК гидрозащитная; б) бетон - ТЦК проникающего действия

ро-Западного региона России: ПЦ400Д20 ОАО «Пикалевс-кий цементный завод», ПЦ400Д20 ОАО «Сланцевский цементный завод», ПЦ500Д0 ОАО «Сланцевский цементный завод», напрягающий цемент НЦ-10 по ТУ 5743-07246854090-98, 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 снижению водопоглощения на 18-23 относительных процентов по сравнению с составом, принятым за контрольный и не содержащий золя при прочих равных условиях.

Об изменении структуры в присутствии кремнезоля свидетельствуют исследования пористости структуры, проводимые при помощи автоматического анализатора изображений «ВидеоТест», которые показали, что в составе с крем-незолем 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 рисунке 2.

Физико-химическими методами исследования обнаружено, что в присутствии кремнезоля повышается степень гидратации цемента и появляются низкоосновные гидросиликатные фазы типа СБН, и общее количество химически связанной воды покрытия с кремнезолем увеличивается на 26% по отношению к базовому составу ТЦК.

Как показывают данные таблицы 1, при использовании кремнезоля морозостойкость покрытия увеличивается на 50% и достигает значения, соответствующего марке F300,

водонепроницаемость повышается на 33% и достигает значения, соответствующего марке Ш16.

Защитные покрытия в виде ТЦК в дальнейшем были использованы в тонком слое от 1,0 до 20 мм и определяли степень защиты бетонной подложки по водонепроницаемости при разной толщине покрытия. В качестве подложки были выбраны бетоны от класса В15 до В30, которые наиболее востребованы в практике строительства. Полученные результаты представлены на рисунке 3.

Данные рисунка 3 показывают, что максимальная толщина покрытия составляет 10 мм, при которой водонепроницаемость всей композиции повышается на 0,8 МПа. Также установлено, что каждые 2,5 мм в пределах 10 мм защитного покрытия повышают водонепроницаемость системы основание-покрытие на 0,2 МПа, т.е. на одну ступень. Кроме того, данные рисунка 4 показывают, что нанесение ТЦК с кремнезолем позволяет поднять уровень водонепроницаемости более низких классов бетона, например бетона класса В15 до уровня высококачественного бетона класса В30. Для этого достаточно нанести на поверхность бетона-основания слой ТЦК с кремнезолем толщиной до 10 мм.

В качестве основания для оценки адгезии рассмотрен бетон разной прочности при относительно одинаковых значениях пористости, оцениваемой величиной водопоглощения, равной (6,0+0,5)%. При этом для каждого класса бетона определялось количество химически связанной воды по данным дифференциально-термических исследований (табл. 2), как характеристики отражающих энергетику степени гидратации цемента и количество образующихся гидратных соединений.

Взаимосвязь адгезионной прочности ТЦК и количества химически связанной воды бетонного основания (по данным ДТА) представлена на рисунке 4, который показывает,

Рис. 2. Распределение пор по размерам в структуре покрытия

что адгезионная прочность (схемы 1 и 2 рисунка 1) при одинаковой пористости бетона увеличивается, с одной стороны, на 47-66% при использовании ТЦК, обладающей повышенной гидратационной активностью (кривая 2 рисунка 4), а с другой стороны, на 20-47% при увеличении класса бетона от В15 до В30, используемого в качестве подложки.

Однако при создании макрокомпозиции с покрытием для повышения качества бетона-основания, кроме повышенных требований к основным физико-механическим характеристикам покрытия и его адгезии к основанию, требуется следующий уровень взаимодействия покрытия-основания, в результате которого компоненты строительного раствора проникают в основание, обеспечивая при этом улучшение эксплуатационных свойств основания. В соответствии с высказанной идеей для исследования были выбраны наиболее дос-

тупные катионы Иа (I); К (I); Са (II); Мд (II); А1 (III), из которых труднорастворимые гидроксиды образуют ионы Са (II),

ПР,

Са(0Н )2

= 10 ;Мд(11 );ПРМдтг = 10-12;А1(Ш),Пр

А((0Н)3

= 10-

при этом можно было ожидать, что наихудшей проникающей способностью обладают соли А! (III) и Мд (II), поскольку их гидроксиды имеют наименьшее значение ПР; соли Иа (I) и Щ) должны быть в наибольшей степени проникаемы. Оценка проникающей способности осуществлялась по скорости продвижения, по количеству проникновения и по глубине продвижения растворов электролитов 2-процентной концентрации в глубь бетонного основания разной пористости. Определено, что соли натрия с большей скоростью, а соли алюминия с наименьшей скоростью проникают в структуру бетонного основания. В зависимости от аниона скорость продвижения электролитов уменьшается в следующей

Таблица 1

Морозостойкость и водонепроницаемость ТЦК

Понрыгле гцгроиэсщцпсиное шфшнпное Нарпостпектъ Евдснел

Цлклы На.ка 'Н

Валовый соста; 2 К1 г:«: и 12

Бэ:ошн о:сгаз ТЦК + креннезшв 300 з:«: 16

Таблица 2

Результаты дифференциально-термического анализа структуры бетонной подложки различных классов прочности

Сюссбшаа ГЧ ПЮ-ИОПИ В ЗфснгМь н де эр валяла те. ^ Псгезн ары

[ ]Г г Г/ 1 г: ТЕ IV

В1Ь 11 иъ 1-1 мкз В 3 - 15

В 225 М517 31 б - 22

вг* 4-) 5Э& в 7 - 26

взи (-55.12 1>: :1В |Е а 9 -

последовательности: хлориды (С1-)^ сульфаты (Б042-)^ нитраты (N03").

Установлено, что глубина продвижения растворов электролитов, определяемая расчетно-экспериментальным методом, взаимосвязана со степенью растворимости образующегося в порах основания гидроксида вещества, который препятствует продвижению электролита в структуру основания, что отражено на рисунке 5.

Представленная на рисунке 5 взаимосвязь согласуется с высказанными предположениями и подтверждает, что наименьшей проникающей способностью характеризуются электролиты на основе катионов магния и алюминия.

Выводы:

1. Высказана идея о том, что, повышая механо-физические свойства покрытия, адгезию с основанием и проникающую способность покрытия в виде ТЦК, возможно получить бетон в макрокомпозиции с покрытием более высокого класса. Предложены механизмы взаимодействия покрытия и основания.

2. Рассмотрено влияние золя кремниевой кислоты и некоторых электролитов на физико-механические свойства макрокомпозиции покрытие - бетон.

Литература

1. Сватовская Л.Б., Шангин В.Ю. и др. Особенности получения и свойства композиционных неорганических покрытий на цементной основе. С-Петербург, ПГУПС, 2005.

2. Сватовская Л.Б. Фундаментальные основы свойств композиций на цементной основе. С-Петербург, ПГУПС, 2006.

3. Сычева А.М. Активированное твердение пеноматериалов нано- и сверхструктурами. Сб. «Новые исследования в матери-ало-ведении и экологии». С-Петербург, ПГУПС, 2007, с. 7-10.

4. Комохов П.Г., Сычева А.М., Степанова И.В., Филатов И.П. Классификация размерностей наноструктур и свойства композиционных материалов. «Academia», № 4, 2008.

Рис. 4. Взаимосвязь адгезионной прочности и количества химически связанной воды бетонного основания разных классов

1 - базовый состав ТЦК (количество химически связанной воды - 23 %, табл. 1);

2 - ТЦК, активированный кремнезолем

s

I

E I H

i i a

T

5 15

a-

1 1fl

J n

>.

С 0

i n- J - г E ;

t i o-c г _ ; Ш

: if --:

Рлетмрмюежъ грса =10"

TP«! =Ю

и

ПР,

ГР ГпДр-мпДл

Рис. 5. Взаимосвязь глубины продвижения электролита и растворимости образующегося гидроксида

Struktural Mechanics of Maturing of Thin-layer Concrete Structures. By P.G.Komokhov, A.M.Sicheva, I.V.Stepanova, N.N.Eliseeva.

The system of cement-content stone (concrete) and the covering is being considered. The main idea is the following: the properties of the cement content stone (concrete) can be improved by using the covering with special properties. Such kind of special properties of the covering are determined. The bases of these special properties are adhesiveness, strength and pore-characteristics. The way of obtaining demanding properties by the covering with the help of sole-gel reactions and by the use of same kinds of the cautions as well is being shown.

Ключевые слова: бетон, покрытие, наноразмер, кремнезоль, морозостойкость, водонепроницаемость, адгезионная прочность, катионы, электролиты

Key words: Concrete, coverage, pore-characteristics, sole-gel, frostresistance, watertightness, adhesion strength, cations, electrolytes