Строительство и архитектура /
4. Современные строительные материалы
Д.т.н. Плугин А.А.
Украинская
государственная академия железнодорожного транспорта, Украина
К.т.н. Костюк Т.А., Арутюнов В.А., к.т.н.
Бондаренко Д.А.
Харьковский
национальный университет строительства и архитектуры, Украина
Возможности применения полимерной микрофибры в гидроизоляционных цементных
составах
Вопросам долговечности зданий и сооружений во всем мире
уделяется большое внимание, поскольку по экспертным оценкам 15-75% строительных
конструкций в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных сред,
а от 5 до 10% из них ежегодно выходят из строя [1]. Обладая высокой адгезией к бетонным основам цементные составы широко применяются
при ремонтных работах. Из современных материалов, которые наиболее универсальны в качестве преграды
химическому и физическому воздействию агрессивной среды, можно выделить
цементные составы с пониженной проницаемостью [2, 3]. Особое место в современном материаловедении
занимают гидроизоляционные составы интегрально-капиллярного действия, которые формируют
уплотненную структуру за счет прорастания в капилляры, микротрещины, поры
бетона новых нерастворимых или малорастворимых кристаллогидратов. Работа таких
защитных составов обеспечивает широкий спектр действия. Например,
предупреждение и защита минеральных подложек от биологической коррозии, быстрая
ликвидация напорных и безнапорных течей, ремонт железобетонных конструкций с
пассивацией арматуры [4]. Однако при всех известных достоинствах цементных составов
у цементного камня имеется существенный недостаток – при высоких показателях
прочности при сжатии низкие значения прочности при растяжении (приблизительно
10:1). Такие соотношения прочности существенно ограничивают применение
цементных составов в ремонтных и реставрационных работах. Ремонтные составы
обычно наносятся в тонком слое и отношение площади к объему нанесенного
ремонтного состава является весьма большой величиной. Это является причиной
быстрого испарения воды, что ведет к развитию усадочных напряжений и
образованию трещин. Дисперсное армирование синтетическими волокнами позволяет
весьма эффективно влиять на размеры усадочных деформаций [5]. Несмотря на многообразие
дисперсно-армированных типов бетонов, в вопросе предотвращения образования и снижения темпов развития трещин
значительная роль отводится смешанным видам армирования не только по длине
волокон, но и по их природе (полимерное
и минеральное
волокно, стальная фибра и
полимерная). Такой подход позволяет наиболее полно использовать свойства
волокна и предотвращать развитие как микро, так и макротрещин.
Опыт применения синтетических волокон, например полипропиленовых, в качестве армирующих добавок в бетоны и строительные растворы показывает, что волокна не только значительно снижают образование внутренних микротрещин, но и способствуют микроструктурному уплотнению, что является основным фактором повышения долговечности бетона и защиты стальной арматуры. Вместе с тем полипропиленовое волокно имеет свои недостатки: деформируется даже при небольших растягивающих нагрузках, стареет, то есть теряет свои свойства с течением времени, так же оно горит при воздействии на него открытого пламени.
В мире накапливается и загрязняет окружающую среду большое количество промышленных отходов и пластиковой тары из полиэтилентерефталата, которые перерабатываются в полиэфирные волокна и могут применяться в бетонах с целью замены полипропиленовых и асбестовых волокон. Полиэфирное волокно - синтетическое волокно, формируемое из расплава полиэтилентерефталата или его производных [6]. Достоинства - незначительная сминаемость, отличная свето- и атмосферостойкость, высокая прочность, хорошая стойкость к истиранию и к органическим растворителям; химическая формула полиэтилентерефталата:
Армирование
бетона полиэфирными волокнами по результатам некоторых исследователей может
повысить пластичность бетона, его термоустойчивость и прочность при сжатии,
ударную прочность. Однако общеизвестно, что полиэфиры не стойки в щелочной среде,
а о стойкости волокон в цементных составах единого мнения нет и этот вопрос
требует дополнительного изучения [7, 8].
Наполнение микрофиброй цементных составов существенно влияет на их гидрофизические характеристики. Для исследований было выбрано полиэфирное волокно поверхность которого была обработана силиконовым замасливателем. Силиконы – это, как правило, органосилоксановые полимеры (полиорганосилоксаны) с химической формулой [R2SiO]n, где R – органическая группа (метильная, этильная или фенильная). В предыдущих исследованиях было показано формирование кристаллического каркаса в перлитовых ячейках [9] или кристаллической обоймы вокруг стекловолокна в цементных гидроизоляционных составах интегрально-капиллярного действия, содержащих комплекс солей для дополнительного синтеза кристаллогидратов с позитивным знаком заряда поверхности (рис. 1, 2) [10, 11].
В данном гидроизоляционном составе, где в качестве вяжущего использовался клинкер с химическими добавками, силиконовая пленка на полиэфирном волокне (рис. 2) также служит подложкой для формирования кристаллической обоймы с целью не только защиты волокна от дальнейшего разрушения, но и создания прочного сцепления со всей структурой цементного камня (рис. 3, 4).
|
|
|
|
Рис. 1. Результаты электронной
микроскопии сколов цементного камня со стекловолокном и продуктами гидратации
на 7-е сутки |
Рис. 2. Сквозная пора перлита размером около 90 мкм, заполненная продуктами гидратации цемента |
|
|
|
Рис. 2. Полиэфирное волокно с силиконовой пенкой при увеличении с помощью электронного микроскопа
|
|
|
Рис. 3. Полиэфирное волокно в структуре цементного гидроизоляционного состава в первые сутки твердения
|
|
|
Рис. 4. Полиэфирное волокно в структуре цементного гидроизоляционного состава на 28 сутки твердения
Из рис. 3, 4 видно, что уже в первые сутки твердения поверхность волокна довольно плотно покрыта кристаллическими структурами, которые на 28 сутки образуют сплошную обойму.
В гидроизоляционных составах важным моментом является их наполнение волокнами, которые увеличивают прочность цементного камня на растяжение (табл. 1, рис. 5), однако их избыток приводит к ухудшению как прочностных, так и гидрофизических характеристик покрытий (рис. 6, 7).
Таблица 1
Изменение прочности на растяжение при изгибе, цементного камня наполненного полиэфирным волокном
|
№ образца, (% волокна) |
Размеры образца, см |
Разрушающая нагрузка, Р, кг (МПа) |
Предел прочности на растяжение при изгибе, Rиз,
кг/см2 (МПа) |
Среднее значение. Rиз,
кг/см2 (МПа) |
||
|
ширина, b |
высота, h |
длина, l |
||||
|
1 (4,11) |
4,0 |
4,3 |
16,0 |
820(82,0) |
166,30(16,63) |
171,25(17,13) |
|
2 (4,11) |
4,0 |
4,1 |
16,0 |
780(78,0) |
174,00(17,40) |
|
|
3 (4,11) |
4,0 |
4,2 |
16,0 |
740(74,0) |
173,43(17,34) |
|
|
4 (4,97) |
4,0 |
4,0 |
16,0 |
230(23,0) |
53,90(5,39) |
51,47(5,15) |
|
5 (4,97) |
4,0 |
4,1 |
16,0 |
230(23,0) |
51,31(5,13) |
|
|
6 (4,97) |
4,0 |
4,0 |
16,0 |
210(21,0) |
49,21(4,92) |
|
|
Контрольный без волокна |
4,0 |
4,0 |
16,0 |
120(12,0) |
28,13 (2,81) |
28,71(2,87) |
|
4,0 |
4,1 |
16,0 |
130 |
29,00 (2,90) |
||
|
4,0 |
4,1 |
16,0 |
130 |
29,00 (2,90) |
||
Рис. 5. Изменение прочности цементного камня в зависимости от наполнения его полиэфирным волокном
|
|
|
Рис. 6. Зависимость водопоглощения гидроизоляционного состава от его наполнения полиэфирным волокном
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 7. Зависимость водопоглощения гидроизоляционных
составов от наполнения его полимерной фиброй:
а - гидроизоляционные покрытие интегрально капиллярного действия; б – образцы балочек с гидроизоляционными
покрытиями погруженные в воду (на образце №1 проступила вода); 1 – наполнение
фиброй 4,97% по массе, 2 – наполнение фиброй 4,11% по массе
Из рис. 7, б видно, что состав №1
гидроизоляционного покрытия интегрально-капиллярного действия не обеспечивает
кальматацию порового пространства балочки кристаллогидратами и вода свободно
поднимается по капиллярам и проступает на поверхности покрытия. Тогда как
балочка с покрытием № 2 остается сухой и покрытие в данном случае выполняет
свои защитные функции, создавая в бетоне кристаллический барьер для поднятия
воды по капиллярам.
На основании проведенных
исследований можно заключить о возможности применения полимерной микрофибры для
гидроизоляционных составов. При этом введение ее в состав не должно превышать
4.11% по массе.
Литература:
1.
Степанова В.Ф.
Защита строительных конструкций – основа обеспечения долговечности зданий и
сооружений // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХІ века, 2005. - № 3. - С.16-19.
2.
Москвин В.М.
Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В.М. Москвин, Ф.М. Иванов,
С.Н. Алексеев, Г.А. Гузеев – М.: Стройиздат, 1980. – 533 с.
3.
Розенталь Н.К. Коррозионная стойкость цементных бетонов
низкой и особо низкой проницаемости. – М.: ФГУП ЦПП, 2006. – 520 с.
4.
Кондращенко Е.В., Бабушкин В.И., Прощин О.Ю., Костюк Т.А. Оценка коррозионной стойкости арматуры под защитным слоем ВИАТРОНа / Вестник НТУ „ХПИ”. - Харьков: НТУ
„ХПИ”, 2004. - № 41. - С.20-22.
5.
Моргун Л.В. О некоторых свойствах фибропенобетона
неавтоклавного твердения и изделий из него // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХІ века. - 2005. - № 2. - С.24-25.
6.
Айзенштейн Э.М. Технология производства химических
волокон. - М.: Стройиздат, 1980. - С. 625.
7.
Pelisser F., Montedo
O., Gleize Ph., Roman H. Mechanical properties of recycled PET fibers in concrete
[електронний ресурс]. – Режим доступу: http://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392012005000088.
8.
Fraternali F., Ciancia V., Chechile R.,
Rizzano G., Feo L., Incarnato L. Экспериментальное исследование термо-механических
свойств вторичного ПЭТ фибробетона композитных
конструкций 2011;. 93:2368-2374. [електронний ресурс]. – Режим доступу http://dx.doi.org/10.1016/ j.compstruct.2011.03.025.
9.
Бондаренко Д.А.
Теплоизоляционный материал с пониженной паропроницаемостью / Д.А. Бондаренко,
Ю.А. Спирин, Н.Г. Привалова // Наук. вісн. будівництва. – Харків: ХДТУБА, ХОТВ
АБУ, 2009. – Вип. 52. – С. 282–295.
10. Плугин А.А.
Обоснование выбора солей-электролитов для содержащих кальцит и стекловолокно
комплексных добавок в гидроизоляционные сухие смеси / А.А. Плугин, Н.Н.
Партала, Т.А. Костюк, М.Г. Салия, Д.А Бондаренко
// Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка, 2012. − № 44. – С.
105-108.