Ковальчук В

Ковальчук В.А., Кучеренко О.А.

Криворожский национальный университет, Украина

Минерально-органический материал для монолитного бетонирования и восстановления строительных конструкций

Монолитность бетонных и железобетонных конструкций является одним из основных факторов их прочности. Совместная работа отдельных, сопряженных между собой деталей и конструкций играет существенную роль в общей прочности сооружения. Обеспечение надежной монолитности необходимо при укладке бетона в массивных сооружениях с перерывами в бетонировании, изготовлении сборно-монолитных конструкций и омоноличивании стыков сборных железобетонных элементов, заделке трещин в бетонных массивах, ремонте дорожных и аэродромных покрытий, а также в различных восстановительных работах.

Надежное сцепление “нового” – свежеукладываемого бетона со “старым“ – затвердевшим обеспечивает водонепроницаемость в зоне стыка, надежную защиту арматуры от коррозии и совместную работу всех элементов конструкции. Совместная работа этих бетонов обеспечивается качеством их контактной зоны, что характеризуется в первую очередь сплошностью контакта и его адгезионной прочностью.

“Приклеивание“ свежеуложенного бетона к затвердевшему осуществляется за счет способности цемента входящего в состав свежеуложенного бетона вступать во взаимодействие с компонентами затвердевшего, т.е. за счет возникновения химического типа связей.

В настоящее время наметились три направления в склеивании бетона [1], с применением:

- коллоидных цементных клеев;

- полимерных клеев;

- комбинированных полимерцементных композиций;

Процесс склеивания состоит из двух стадий – прилипания и собственно клеения [2]. Клеи должны обладать хорошей адгезией к твердой поверхности, на которую их наносят, а в последующем – высокой собственной «объемной» прочностью

Силы сцепления при склеивании обусловлены различными факторами: природой контактируемых тел; числом точек контакта, приходящихся на единицу площади поверхности; расстоянием между точками контакта; площадью контакта; характером среды между контактируемыми поверхностями – диэлектрической проницаемостью.

Работу адгезии можно описать уравнением

W_а = W₁×n,

где W₁– энергия единичной адгезионной связи;

n – количество связей.

Исходя из этого, при одной и той же величине энергии единичной связи увеличение количества связей (контактов) - n приводит к увеличению адгезии. Увеличение же количества связей - n происходит при адсорбции составляющих цемента – компонента свежеуложенного бетона на поверхности затвердевшего [3].

Природа сил адгезии определяется характером молекул, находящихся в контакте. Главный фактор в строении полярных молекул – электрические заряды, неравномерно распределенные между атомами в молекуле: в одной части преобладают положительные, в другой отрицательные заряды. Мерой полярности таких молекул служит дипольный момент – расстояние между центрами зарядов. Взаимодействие между полярными молекулами определяется ориентационным взаимодействием. Как известно [4], мгновенные диполи, возникающие в атомах и молекулах при вращении электронов вокруг ядер, тоже приводят к взаимному притяжению молекул (или отталкиванию при тесном сближении молекул).

Любая поверхность раздела фаз всегда является источником силового поля. Это все относится и для высокодисперсных систем состоящих из двух и более фаз в которых внешней непрерывной средой (дисперсионной средой) служит жидкость, а внутренней прерывной (дисперсной фазой) – мельчайшие твердые частицы. При большом разнообразии высокодисперсных систем их объединяет очень развитая поверхность раздела фаз. Молекула в объеме окружена со всех сторон такими же молекулами, поэтому силы молекулярного взаимодействия между молекулами уравновешены. На молекулу находящуюся в поверхностном слое со стороны нижележащих слоев действуют значительно большие молекулярные силы, чем на молекулу находящуюся в объеме. Создается неуравновешенность, нескомпенсированность молекулярных сил на границе раздела двух фаз. Мерой напряженности силового поля, т.е. избытка свободной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела двух фаз, служит величина удельной поверхностной энергии σ, называемая для жидких сред поверхностным натяжением. Зная величину σ и площадь поверхностного слоя s, можно вычислить свободную поверхностную энергию F:

F = sσ.

Высокоразвитая поверхность раздела фаз обусловливает значительный избыток свободной энергии в поверхностном слое, поэтому эти системы неустойчивы. Следовательно, такие системы при постоянных объеме и температуре будут самопроизвольно, т.е. без приложения внешнего воздействия, повышать свою устойчивость путем уменьшения избытка свободной энергии в поверхностном слое:

F= σ∆s + s∆σ,

Из формулы видно, что это может произойти либо за счет уменьшения величин поверхности раздела фаз путем слипания твердых частиц, т.е. за счет коагуляции, либо за счет уменьшения поверхностного натяжения ∆σ.

Первый случай приводит, в конечном счете, к разрушению коллоидных систем, второй позволяет их стабилизировать [5].

Стабильность такой коллоидной системы обусловлена «расклинивающим давлением», возникающим в прослойке жидкости между частицами дисперсной фазы. Зная причины и механизм разрушения таких систем можно решить вопрос об их стабилизации за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Одним из способов уменьшения поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ, присутствие которых приводит к снижению значения σ, тем большему чем выше их концентрация. К числу таких веществ относятся органические молекулы с ассиметричным строением, например высшие жирные кислоты и их соли (мыла). По мере повышения концентрации вводимых веществ на границе раздела фаз приводит к адсорбции;

Итак, термодинамические законы позволяют обосновать факт подъема смачивающей жидкости по капиллярам, например в толщу бетона.

Высокое значение адгезии обеспечивается при контакте близких по природе веществ. В этом случае молекулы, состоящие из неполярного органического радикала и полярной группы, дифильны, поэтому они ориентируются своей полярной группой в сторону гидрофильного бетона, а неполярной – в сторону гидрофобной органической составляющей [4,5]. Исходя из вышесказанного, представляется возможность совмещения между собой минеральных составляющих и органических связующих для получения клея.

Ссылаясь на известные исследования в области адсорбции разных органических веществ на поверхности твердых тел и их адгезионного сцепления, разработан минерально-органический материал (МОМ), действие которого основано на повышенной адсорбции эфиров к железосодержащим веществам и взаимодействия глицерина с кальциевой составляющей этого материала.

Однако, как показали опыты, компоненты, которые содержат кальций, по прочности сцепления МОМ с бетоном можно разложить в последовательный ряд по уменьшению|сбавкой| прочности сцепления МОМ с бетоном:

портландцемент| > известь|известь| > мел > гипс.

Высокодисперсный наполнитель которым является кальциевая составляющая в составе МОМ, вводят также для упрочнения, сближения температурных коэффициентов клея и склеиваемого материала и уменьшения усадочных явлений.

Для изучения влияния возраста МОМ, а следовательно, степени его отверждения на прочность соединений испытаны при растяжении в двух сериях экспериментальные образцы соединений МОМ с бетоном. К моменту испытания возраст МОМ в образцах I и II серий составил соответственно 28 и 365 сут.

Кроме этого определенно, что влажность бетона, на который наносится полученный материал, не влияет на прочность их сцепления. Как показали результаты исследований, прочность сцепления минерально-органического материала зависит от его состава, достигая величины когезии цементных бетонов, на поверхность которых его наносили и, практически не зависит от состава и вида таких бетонов. Проведенные исследования показали возможность применения разработанного минерально-органического материала при монолитном строительстве для увеличения прочности рабочих швов, или при ремонте строительных конструкций путем обетонирования.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработанный минерально-органический материал на основе глицеридов, минералов, которые содержат железо, и веществ, которые содержат кальций, имеет высокую прочность сцепления с бетоном.

2. С помощью разработанного материала можно образовывать прочное сжатие между железобетонной конструкцией и бетоном усиливающих ее элементов, а также обеспечивать высокую прочность рабочих швов при бетонировании монолитных конструкций.

3. Наличие в составе разработанного материала ионов кальция приближает его состав к составу поверхностного слоя цементного бетона, который покрывается продуктами взаимодействия разработанного материала с минералами на основе кальция - продуктами гидратации цементного бетона. Это обеспечивает повышение адсорбции материала на поверхности цементного бетона и, как следствие, повышение их адгезионной связи.

4. Прочностные показатели сцепления минерально-органического материала при длительном наборе прочности с течением времени не ухудшились, напротив, наблюдается рост прочности сцепления МОМ с бетоном.

Литература:

1. Микульский В.Г., Козлов В.В. Склеивание бетона|.- М.: Стройиздат, 1975. – 236 с.

2. Кротова Н.А. Склеивание и прилипание|. - М.: Изд-во АН, 1960.– 238с.

4. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия| вяжущих| материалов|. – М.: Высш. шк., 1989. – 384 с.

5. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве|. – М.: Стройиздат, 1969. – 198 с.