Оценка длительности сохранения гидрофобных свойств металлоорганических гидрофобизаторов в строительных материалах при различных условиях твердения

Использование низкощелочных минеральношлаковых вяжущих (МШВ) с использованием различных горных пород и бетонов на их основе с 2–3 % NaOH от массы вяжущего, является экономической основой по сравнению с шлакощелочными бетонами В. Д. Глуховского с 8–10 % NaOH [1–5].

Экономическая эффективность гидрофобизированных строительных материалов не оценивается ни потребителями продукции, ни изготовителями её. Эффект от использования гидрофобизированных изделий связан с более высокой долговечностью их, исключением ремонта конструкций после более длительных сроков эксплуатации, чем обычных конструкций и т. п.

Повышенная температура обработки МШВ на основе известняка, глины, песчаника и гравелита, оказывает ускоряющее влияние на формование структуры материала и кинетику набора прочности. Однако не установлено, влияет ли температура тепловой обработки и щелочная среда на сохранение гидрофобизирующих свойств металлоорганических соединений, а вместе с этим на формирование прочности материалов и сохранение водостойкости их.

Для выяснения влияния температурного фактора на водостойкость МШВ с металлоорганическим гидрофобизатором использовали составы на основе карбонатно-шлакового (КШВ) и глиношлакового (ГШВ) вяжущих (табл. 1). Образцы приведенного состава изготовлены методом прессования (давление прессования 25 МПа). Одна часть отпрессованных образцов со стеаратом цинка хранилась в нормально-влажностных условиях при t = 20°С, другая — подвергнута ТВО при t = 70°С в термостате по режиму: подъем температуры 4,5 часа + изотермическая выдержка 4 ч + естественное остывание. Последующий сухой прогрев предварительно пропаренных образцов осуществлялся в термостате при температуре 150°С по режиму: подъем 5 ч + изотермия 6 ч + естественное остывание.

Эффективность стеарата цинка при воздействии прогрева определяли, сравнивая значения длительного водопоглощения по массе и коэффициента длительной водостойкости, с аналогичными образцами, твердевшими при нормальных условиях твердения. Образцы после достижения 28-ми суток твердения обезвоживались в эксикаторе над хлоридом кальция до стабилизации массы. Часть образцов насыщалась водой в течение полугода, другая — была подвергнута процессу сушки до постоянной массы в сушильном шкафу при t = 105 ± 5°С. Далее, рассчитывали коэффициент длительной водостойкости. Результаты эксперимента (табл. 1) свидетельствуют о том, что воздействие высоких температур на образцы из КШВ и ГШВ, содержащие стеарат цинк, понижает гидрофобное действие стеаратов по сравнению с образцами, твердевшими при нормальных условиях с последующим обезвоживанием над хлоридом кальция.

Таблица 1

Изменение прочности на сжатие и длительного коэффициента водостойкости образцов на КШВ и ГШВ со стеаратом цинка при различных температурах

Из рис. 1 видно, что для образцов ГШВ как контрольных, так и со стеаратом цинка проявляется более существенный прирост прочности по сравнению с образцами на КШВ как при ТВО, так и сухом прогреве.

Сравнивая значения прочности составов (рис. 1) можно отметить, что прочность на сжатие образцов из ГШВ значительно выше, чем из КШВ. Прочность незначительно возрастает, если вводится стеарат цинка. Особенно это заметна, если образцы подвергаются ТВО или прогреву: прочность на сжатие ГШВ со стеаратом цинка после прогрева превышает прочность КШВ в 2 раза, достигая 101,9–106,8 МПа. ТВО образцов из ГШВ с добавлением стеарата цинка обеспечивает набор прочности на сжатие до 80,7 МПа. При этом коэффициент длительной водостойкости равен 0,89 (табл. 1).

Такая неадекватная реакция составов на повышение температуры твердения объясняется тем, что известняк, содержащий кальцит, практически не реагирует со шлаком и щелочью, а глина, состоящая из водных алюмосиликатов, образует продукты реакции с этими компонентами, дополнительно поставляя при термосинтезе гидроалюмосиликаты натрия и кальция.

Рис. 1. Изменение прочности на осевое сжатие КШВ (слева) и ГШВ (справа) со стеаратом цинка при различных условиях твердения

Водопоглощение контрольных составов из КШВ и ГШВ при сухом прогреве и 150 сут. насыщении в воде самое высокое, и составляет 15,11 % и 12,88 %, соответственно. Стеарат цинка в КШВ после сухого прогрева и насыщения понижает поглощение воды в 1,28 раза, в ГШВ — в 1,14 раз по сравнению с негидрофобизированными составами (рис. 1). Гидрофобизированные стеаратом цинка МШВ, твердевшие в нормальных условиях с последующим обезвоживанием над хлоридом кальция, имеют самый высокий коэффициент длительной водостойкости — 1,18 и самое низкое водопоглощение по массе, которое после полугодового экспонирования в воде составляет: для КШВ — 5,39 %, для ГШВ — 5,19 %. Значения водопоглощения МШВ со стеаратом цинка после ТВО, являются промежуточными между значениями водопоглощения прогретых и нормально-твердевших образцов. Составы 6 и 14 имеют близкие значения водопоглощения (табл. 1). При тепловой обработке при температуре 50ºС негативные изменения незначительны, что позволяет рекомендовать мягкие режимы пропаривания гидрофобизированных МШ композиционных материалов.

Таким образом, экспериментальными данными подтверждено, что нормальные условия твердения, с последующим удалением остаточной влаги из образцов при их выдерживании над хлоридом кальция обеспечивают достаточную прочность, способствуют понижению водопоглощения и повышению длительного коэффициента водостойкости. Поэтому для гидрофобизированных изделий можно использовать мягкие режимы пропаривания при температуре 50–70°С. Установлено некоторое понижение гидрофобных свойств МШВ с добавкой стеарата цинка при повышении температуры. Возможно, негативное действие пропаривания на МШВ с гидрофобной добавкой стеарата цинка приводит к несущественной окислительной деструкции стеаратов металлов в сильно щелочной среде композиционного вяжущего, но коэффициент длительной водостойкости остаётся очень высоким. При ТВО в среде насыщенного пара концентрация щелочи в поровой жидкости становится меньше начальной за счет конденсации пара. При сухом прогреве ситуация кардинально меняется. При температуре 150°С водопоглощение существенно возрастает, что связано с действием высокомолярного раствора щелочи, но и с физическим механизмом плавления высокодисперсных частичек стеарата цинка и стягиванием их с поверхности в микрокапельки расплава, с существенным уменьшением поверхности.

С повышением температуры свыше 100°С вода начинает испаряться, температура кипения более насыщенного раствора повышается. При достижении предельной растворимости щелочи в воде 3220 кг в 1 л растворителя температура кипения может достигать 140°С и более. В таких условиях при кипении 80-ти молярного раствора деструкция гидрофобизатора неизбежна. Тем не менее, судя по более низкому водопоглощению (составы 8 и 11) и более высокому (состав 8) и близкому (состав 11) к контрольным составам (7 и 15) гидрофобный эффект сохраняется.

Экспериментальные результаты высокотемпературного воздействия являются веским доказательством чрезвычайно высокой продолжительности сохранения гидрофобных свойств в теле бетона при эксплуатации его в атмосферных условиях.

Литература:

1.   Карташов, А. А. Низкощелочные композиционные минеральношлаковые вяжущие с использованием отдельных пород осадочного происхождения и строительные материалы на их основе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза. 2005 г.

2.   Ерошкина, Н. А. Минерально-щелочные вяжущие монография / Н. А. Ерошкина, В. И. Калашников, М. О. Коровкин; М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования «Пензенский гос. ун-т архитектуры и стр-ва». Пенза, 2012.

3.   Калашников, В.И., Хвастунов, В.Л., Макридин, Н.И., Карташов, А.А., Новые геополимерные материалы из горных пород, активированные малыми добавками шлака и щелочей // Строительные материалы. 2006. № 6. С. 93–95.

4.   Ерошкина, Н.А., Калашников В. И., Коровкин, М. О. Вяжущее, полученное из магматических горных пород с добавкой шлака, и бетон на его основе // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. 62–65.

5.   Калашников, В.И., Мороз, М.Н., Нестеров, В.Ю., Хвастунов, В.Л., Василик, П. Г. Органические гидрофобизаторы в минерально-шлаковых композиционных материалах из горных пород // Строительные материалы. 2005. № 4. С. 26–29.