В статье исследуется влияние поливинилацетатной дисперсии на физико-механические и эксплуатационные свойства арболита. Рассматриваются изменения прочности, водопоглощения, морозостойкости и адгезионных характеристик материала при добавлении модификатора.
Ключевые слова: поливинилацетатная дисперсия, арболит, адгезия, прочность, водопоглощение, морозостойкость, модификация, теплоизоляционные свойства.
Дисперсия поливинилацетатная (ДПВА) является синтетическим полимером, который применяется в качестве модифицирующей добавки в бетон для изменения его физических и механических свойств. Основное воздействие ПВА на бетон связано с его способностью формировать прочные полимерные пленки, которые укрепляют межфазные связи между цементной матрицей и заполнителями. Эти пленки повышают адгезию компонентов смеси, способствуя более равномерному распределению нагрузки и снижению вероятности образования внутренних дефектов, таких как пустоты или микротрещины.
Целью статьи является исследование воздействия поливинилацетатной дисперсии на свойства арболита, включая прочность на сжатие, водопоглощение, морозостойкость, теплоизоляционные характеристики и долговечность. Особое внимание уделяется оценке изменений физических и механических свойств материала при введении дисперсии в различных концентрациях, а также определению оптимальной дозировки для достижения максимальных эксплуатационных показателей.
Предполагается, что добавка поливинилацетатной дисперсии может повысить прочность арболита, улучшить его водоотталкивающие свойства и устойчивость к воздействию циклов замораживания и оттаивания, а также обеспечить долговременную стабильность при эксплуатации. Ожидается, что модификация состава приведёт к увеличению структурной однородности материала, снижению вероятности образования внутренних дефектов и улучшению теплофизических характеристик, что особенно важно для использования арболита в условиях повышенной влажности или резких температурных перепадов.
Механизм действия поливинилацетатной дисперсии на бетон заключается в нескольких ключевых процессах, которые значительно улучшают его свойства. Во-первых, ДПВА образует тонкие полимерные плёнки внутри цементной матрицы, которые укрепляют межфазные связи между цементом и заполнителями. Это улучшает сцепление компонентов и способствует повышению прочности бетона, а также снижает вероятность образования пустот и микротрещин. Во-вторых, полимерная дисперсия увеличивает адгезию между различными компонентами бетона, проникая в поры и микротрещины, создавая дополнительный слой сцепления, что способствует более равномерному распределению напряжений и улучшает механические характеристики материала. ДПВА также формирует гидрофобный барьер, уменьшая водопоглощение бетона, что повышает его водостойкость, особенно в условиях повышенной влажности или циклического замораживания и оттаивания. Кроме того, ПВА улучшает эластичность цементного камня, снижая риск усадочных трещин и повышая устойчивость бетона к динамическим нагрузкам. Улучшение пластичности бетонной смеси также является важным эффектом, который делает укладку бетона более удобной, особенно в случае тонкослойных покрытий или сложных конструкций. Полимерные связи, образующиеся при использовании ПВА, стабилизируют микроструктуру бетона, улучшая его сопротивляемость внешним воздействиям [1].
Поливинилацетатная дисперсия оказывает значительное влияние на свойства арболита, благодаря своей способности действовать как модификатор структуры и усилитель адгезии между компонентами материала. Арболит, представляющий собой композиционный материал из органического наполнителя, цемента и воды, часто сталкивается с проблемой слабого сцепления между органической и неорганической (цементной) фазами.
Эти полимерные пленки образуются в результате коагуляции ДПВА в процессе твердения цемента, что позволяет создать прочные межфазные связи. В результате повышается структурная однородность арболита, что снижает вероятность появления внутренних дефектов, таких как пустоты, расслоения или слабые зоны сцепления. Это особенно важно, поскольку в стандартной рецептуре арболита наполнитель может препятствовать полному обволакиванию цементным раствором, что ослабляет конечный материал.
Рис. 1. Сравнительный график прочности на сжатие
Прочность на сжатие арболита с добавлением ПВА увеличивается более чем в два раза (4,2 Мпа) по сравнению с материалом без модификатора (2 МПа), что свидетельствует о значительном усилении структуры материала за счёт улучшенной адгезии между органическим заполнителем и цементной матрицей.
Добавление поливинилацетата в состав арболита значительно улучшает его водоотталкивающие свойства благодаря способности ДПВА образовывать тонкую, но плотную полимерную пленку на поверхности древесных частиц и внутри пористых структур материала. Древесина как органический компонент арболита обладает высокой гигроскопичностью, то есть легко впитывает влагу из окружающей среды. Это может приводить к увеличению объема древесных частиц и созданию внутренних напряжений, способствующих разрушению структуры материала. ДПВА, распределяясь в процессе смешивания, формирует защитный слой, который препятствует проникновению воды внутрь древесных волокон и цементной матрицы.
Кроме того, полимерная фаза, формируемая ДПВА, снижает капиллярное водопоглощение арболита, что особенно важно для увеличения его долговечности при эксплуатации в условиях высокой влажности или при прямом контакте с водой. Защитное действие ДПВА выражается также в уменьшении скорости химической деградации древесных компонентов, вызванной постоянным воздействием влаги, что продлевает срок службы арболита.
Рис. 2. Сравнительный график водопоглощения
Водопоглощение арболита с добавкой ПВА снижается более чем в два раза и составляет 32 %, что свидетельствует о гидрофобизирующем эффекте полимера, создающего барьер для проникновения влаги, арболит без добавки имеет водопоглощения равное 62 %. Это не только улучшает долговечность материала, но и снижает риск разрушения его структуры под воздействием влаги и температурных колебаний.
Важно отметить, что введение ДПВА не только уменьшает водопоглощение, но и повышает морозостойкость арболита. Защита порового пространства от влаги снижает вероятность разрушения материала при замерзании и последующем оттаивании воды. Таким образом, ДПВА позволяет не только повысить влагостойкость, но и значительно улучшить эксплуатационные характеристики арболита в сложных климатических условиях [2].
Рис. 3. Сравнительный график морозостойкости
Морозостойкость, выраженная в количестве циклов замораживания и оттаивания, также значительно возрастает, что связано с уменьшением водопоглощения, препятствующим образованию льда в порах материала. Без добавки арболит выдерживает 37 циклов, а с добавкой 62 цикла.
Дополнительным эффектом является уменьшение склонности арболита к образованию усадочных трещин, что связано с замедлением процессов испарения воды из цементного раствора в присутствии ДПВА. Полимер удерживает часть влаги в системе, создавая благоприятные условия для более полного гидратационного твердения цемента. Это снижает риск возникновения внутренних микротрещин, которые часто становятся началом более серьезных разрушений [3].
Важно отметить, что эластичность, придаваемая ДПВА, имеет свои пределы. При избыточной концентрации клея может произойти перераспределение нагрузок таким образом, что материал станет более пластичным, но при этом потеряет часть своей прочности. Это связано с тем, что чрезмерное количество ДПВА может нарушить формирование прочной цементной матрицы, уменьшив долю жестких кристаллических структур. Поэтому для достижения оптимальных деформационных характеристик необходимо строго соблюдать рекомендуемые дозировки ДПВА в составе арболита.
ДПВА также улучшает пластичность бетонной смеси, увеличивая её удобоукладываемость. Это особенно важно при необходимости создания тонкослойных покрытий или сложных архитектурных элементов, где требуется высокая степень текучести материала. Полимер дополнительно снижает водопоглощение бетона, создавая барьер, который препятствует проникновению влаги в пористую структуру. Это повышает водостойкость и долговечность материала, особенно при эксплуатации в условиях повышенной влажности или циклов замораживания и оттаивания [4].
Существенное влияние ДПВА оказывает на деформационные характеристики бетона, увеличивая его устойчивость к трещинообразованию и улучшая эластичность. Это достигается за счет способности полимера компенсировать внутренние напряжения, возникающие при усадке или температурных колебаниях. Таким образом, добавление ДПВА делает бетон более устойчивым к разрушению при динамических нагрузках и долговременной эксплуатации [5].
Однако избыток ДПВА в составе бетона может привести к отрицательным последствиям. Высокая концентрация полимера может нарушить процессы гидратации цемента, что ослабляет образование цементного камня. Это приводит к снижению прочности материала и чрезмерной пластичности, что ограничивает его применение в конструкциях, испытывающих высокие нагрузки. Кроме того, использование ДПВА может негативно повлиять на теплоизоляционные свойства бетона, так как полимерная фаза имеет другую теплопроводность по сравнению с воздушными порами, которые определяют теплоизоляционные качества бетона [6].
Добавление ДПВА в состав арболита требует точного расчета, так как избыточное количество этого компонента может негативно повлиять на ряд эксплуатационных характеристик материала. Основная причина заключается в том, что ДПВА, являясь органическим полимером, взаимодействует с процессами гидратации цемента, изменяя микроструктуру цементного камня. В малых дозировках это улучшает адгезию и прочность, но при превышении оптимальной концентрации может нарушить равновесие между компонентами смеси.
Во-первых, избыток ДПВА приводит к образованию излишней полимерной пленки, которая частично блокирует доступ воды к цементным частицам. Это замедляет или даже снижает степень гидратации цемента, что, в свою очередь, уменьшает прочность образующегося цементного камня. Вместо жесткой структуры цементной матрицы формируется более мягкая и пластичная система, которая хуже переносит статические нагрузки и подвержена деформации.
Во-вторых, полимерная составляющая ДПВА обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с пористой структурой арболита. Это может незначительно ухудшить его теплоизоляционные свойства при высокой концентрации клея. Дело в том, что теплоизоляционные качества арболита зависят от наличия воздушных пор, а чрезмерное содержание ПВА может приводить к их частичному заполнению или снижению эффективности воздушных барьеров [7].
На основании исследований установлено, что оптимальное количество добавки поливинилацетата составляет 10 % от массы цемента. Это значение обеспечивает улучшение физико-механических свойств цементного камня и цементно-песчаных растворов, что позволяет достигать наилучших характеристик материала при рациональном расходе модифицирующих компонентов [1].
Экономический аспект также играет важную роль в применении ДПВА, так как его стоимость значительно выше стоимости традиционных компонентов бетона. Это делает необходимым точный расчет дозировок для достижения оптимального баланса между улучшением эксплуатационных характеристик и себестоимостью материала. Таким образом, поливинилацетат является эффективной добавкой для бетонов с улучшенными адгезионными, водоотталкивающими и деформационными характеристиками, но его использование требует строгого соблюдения технологических рекомендаций.
Добавление поливинилацетатной дисперсии (ПВА) в состав арболита оказывает значительное положительное влияние на его физико-механические и эксплуатационные свойства. Установлено, что введение ДПВА улучшает прочность на сжатие, водоотталкивающие свойства, морозостойкость и структурную однородность материала.
Тем не менее, чрезмерное использование ПВА может привести к негативным последствиям, таким как снижение прочности из-за нарушения гидратации цемента и ухудшение теплоизоляционных качеств. Поэтому использование ДПВА требует строгого соблюдения рекомендованных дозировок для достижения оптимального баланса между эксплуатационными характеристиками и себестоимостью материала.
Литература:
- Kesalkar P., Neha S., Sanghani, Heena, Jichkar, Rutvik. Effect of Poly Vinyl Acetate and Poly Vinyl Alcohol as Cement Admixture on Strength of Concrete. 2017/07/01.
- Muwashee, Rawa. Mechanical properties of polyvinylacetate (pva) concrete improved with silica fume. International Journal of Civil Engineering and Technology. 2018/10/25
- С. В. Федосов, М. В. Акулова, Т. Е.Слизнева. Изучение закономерностей структурообразования в цементном камне на механомагнитоактивированной воде с добавкой ПВА. 2016. № 3.
- Гайдук С. С., Бедик Н. А. Реологические характеристики модифицированных поливинилацетатных дисперсий // Труды БГТУ. № 2. 2012. № 2.
- Пуляев С. М. Бетоны на заполнителях из бетонного лома для сборных железобетонных изделий. Москва 2005.
- Ткач, Е. В. Проблемы и перспективы развития технологии мелкоштучных изделий на основе модифицированного мелкозернистого бетона / Е. В. Ткач, М. А. Рахимов // Труды университета. — 2001. — № 3. — С. 62–65.
- Влияние органоминеральных модификаторов на нормальную густоту и сроки схватывания цемента / Е. В. Ткач, Г. М. Рахимова, Г. А. Сейдинова [и др.] // Фундаментальные исследования. — 2012. — № 11–5. — С. 1220–1223.
