Морозостойкость гидрофобизированных бетонов

При всех положительных качеств и оптимальных физико-технических характеристик разработанных минерально-шлаковых бетонов и геобетонов, у них имеется основной недостаток: они при пониженном содержании в нем активного компонента, является повышенное водопоглощение и низкий коэффициент водостойкости, не превышающий 0,55–0,65 в зависимости от вида породы, что не позволяет отнести такие геовяжущие к достаточно водостойким системам [1–3]. Учитывая неадекватное отношение к щелочам и к шлаку различных природных минералов, необходимо было расширить диапазон пород и исследовать тройные минерально-шлаковые системы на бинарных наполнителях, в которых в качестве компонентов вяжущего использовались две разновидности горной породы.

Под влиянием атмосферных воздействий и условий эксплуатации стеновые материалы подвергаются большему или меньшему увлажнению. При отрицательных температурах вода в порах материала замерзает с увеличением объема. При замораживании материала, поры которого нацело заполнены водой, могут развиваться высокие растягивающие напряжения, приводящие к разрушению. Это обстоятельство приводит к убеждению, что механическая прочность не определяет сопротивляемость стеновых материалов действию мороза, и, что при неблагоприятной структуре пор даже очень прочные материалы неизбежно будут разрушены замерзающей водой. При этом величина создаваемых напряжений зависит от особенностей пористой структуры.

Кроме кристаллизационного давления льда, вода вследствие термовлагопроводности мигрирует в сторону поверхности, имеющую более низкую температуру, и оказывает гидравлическое давление на стенки пор. Наружные слои стеновых ограждений обычно более увлажнены и под действием мороза увлажняются дополнительно при миграции воды.

Как следует из закона Лапласа, давление в жидкой фазе (капле) на границе с паром при искривлении поверхности раздела увеличивается; это приводит к росту химического потенциала μ^/ жидкости. Если приближенно считать жидкость несжимаемой, то приращение химического потенциала составит:

Соотношение для зависимости растворимости С(r) вещества кристаллов от их размера дается уравнением Гиббса-Фрейндлиха-Оствальда:

где С_о — растворимость макроскопической фазы; σ — поверхностная энергия жидкости на границе с воздухом; V_m — молярный объем жидкой фазы; r — радиус кривизны поверхности капли; R — газовая постоянная — 8,3134 ; T — температура.

В первую очередь вода превращается в лед в поверхностных, более увлажненных и более интенсивно охлаждаемых слоях материала. По мере охлаждения образцов вначале замерзает вода в крупных порах, затем в более и более мелких. С этой целью в морозостойких бетонах создаются резервные сферические поры — микросфероиды — для миграции вытесненной воды в них.

Чем больше относительный объем резервных пор в единице объема материала, тем больше циклов попеременного замораживания и оттаивания необходимого, чтобы вызвать разрушение образца, т. е. морозостойкость тем выше, чем больше его условно-замкнутая пористость, представленная резервными порами [5, 6, 7]. Исходя из более низкого водопоглощения гидрофобизированных бетонов, можно полагать, что гидрофобизирующие добавки создают в капиллярной структуре дополнительную резервную пористость. Однако, правомерно ли говорить о том что капиллярные гидрофобизированные поры равноценны резервным гидрофильным сферическим порам от воздухововлечения равноценны по степени снятия напряжений при перемещении в них воды? Чтобы ответить на этот вопрос были проведены испытания на морозостойкость минеральношлаковых образцов в соответствии с Государственным Стандартом по ускоренной методике. Для испытания были изготовлены образцы размером 70´70´70 мм составов малошлакового гравелитошлакопесчаного бетона (ГрШПБ) (табл. 1) контрольного состава и гидрофобизированного стеаратом кальция (Ст. Са); гранитошлакопесчаникопесчаного бетонa (ГтШПаПБ) (табл. 2), пропитанного гидрофобной жидкостью лаком «ВВМ-М-7».

Испытания на морозостойкость гидрофобизированных бетонов, вопреки ожиданиям, не дали позитивных результатов. Оказалось, что сильная гидрофобизация прессованных минеральношлаковых бетонов не приводит к повышению морозостойкости, и, особенно, у бетонов, пропитанных лаком «ВВМ-М-7». Вторичные результаты для двух бетонов показывают, что контрольные бетоны имеют более высокую морозостойкость, чем гидрофобизированные.

При этом морозостойкость существенно уменьшается для бетонов, пропитанных гидрофобной жидкостью лаком «ВВМ-М-7» (табл. 3).

Структурный гидрофобизатор — стеарат кальция в меньшей степени понижает морозостойкость бетона. На пропитанных бетонах при испытании на морозостойкость действие пониженной температуры приводит к отслоению поверхностного слоя толщиной, соизмеримой с глубиной пропитки.

Таблица 1

Физико-технические свойства гидрофобизированного ГрШПБ

Таблица 2

Состав, водопоглощение по массе и кинетика прочности на сжатие малошлакового геобетона

Подтверждены экспериментальные исследования об отслоении тонкого поверхностного слоя кирпичной кладки, пропитанной силиконом, установленные в работе [8]. Нашими результатами в минеральношлаковых бетонах, пропитанных лаком «ВВМ-М-7», дано теоретическое объяснение механизма отслоения тонкого поверхностного слоя, связанное с действием отрицательного капиллярного давления при перемещении воды из гидрофильного капилляра в гидрофобный за счёт увеличения объёма ее от роста кристаллов льда.

Таблица 3

Морозостойкость контрольных и гидрофобизированных мелкозернистых бетонов

Схема изменения объёма жидкой воды, льда и растягивающих напряжений показана на рис. 1. Расчёты капиллярного давления от вдавливания жидкости в гидрофобный капилляр свидетельствуют, что при угле смачивания 120º и диаметре капилляра лишь 10 мкм, возникающее Лапласовое давление составляет 4,3 МПа, а при 1 мкм — 43 МПа, что превышает прочность бетона на осевое растяжение при их марках на осевое сжатие М500-М600.

Рис. 1. Схема механизма отслаивания поверхностного слоя в бетонах, гидрофобизированных пропитывающими жидкостями

Рис. 2. Отслаивание тонкого поверхностного слоя с граней образцов, пропитанных гидрофобной жидкостью лаком «ВВМ-М-7» от воздействия мороза

На рис. 2 показано отслоение поверхностного слоя с граней образцов на ГтШПаПБ, пропитанных гидрофобной жидкостью лаком «ВВМ-М-7» после испытания их на морозостойкость. Разрушение пропитанных образцов происходит по границе близкой границе пропитки гидрофобной жидкостью.

Литература:

1.                  Калашников В. И., Мороз М. Н., Нестеров В. Ю., Хвастунов В. Л., Макридин Н. И., Василик П. Г. Металлоорганические гидрофобизаторы для минерально-шлаковых вяжущих Строительные материалы. 2006. № 10. С. 38–43

2.                  .Калашников В. И., Мороз М. Н., Худяков В. А. Нанотехнология гидрофобизации минеральных порошков стеаратами металлов. Строительные материалы. 2008. № 7. С. 45–47.

3.                  Калашников В. И., Мороз М. Н., Худяков В. А., Василик П. Г. Высокогидрофобные строительные материалы на минеральных вяжущих. Строительные материалы. 2009. № 6. С. 81–83.

4.                  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.

5.                  Кунцевич О. В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений Крайнего Севера. — Л.: Стройиздат, 1983. — 131 с.

6.                  Москвин В. М., Капкин М. М., Подвальный А. М. Стойкость бетона и железобетона при отрицательной температуре/М.,Стройиздат, — 1967. — 132 с.

7.                  Москвин В. М., Капкин М. М.., Савицкий А. Н., Ярмаковский В. Н. Бетон для строительства в суровых климатических условиях./ Л., Стройиздат, -1973.-168с.

8.                  Вyckalo William, Nicholson Patrik S. The spalling of siliconetreated masonry. «J. Can. Ceram. Coc»., 1973, 42, 25–30 (анг.).