Д.т.н., профессор Калашников В.И., к.т.н. Мороз М.Н.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Водостойкий мелкозернистый бетон, гидрофобизированный наночастицами стеарата кальция

Новые уникальные достижения в области создания особовысокопрочных безобжиговых, бесцементных материалов из осадочных и вулканических горных пород получены на кафедре «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» Пензенского ГУАС [1, 2].

Недостатком ряда малощелочных и малошлаковых составов является повышенное водопоглощение и низкий коэффициент длительной водостойкости, не превышающий 0,55-0,65 в зависимости от типа породы, что не позволяет отнести некоторые минеральношлаковые вяжущие (МШВ) к достаточно водостойким системам. Одним из основных требований, предъявляемых к строительным материалам, эксплуатируемым в условиях воздействия водонасыщения-высушивания, замораживания-оттаивания, является высокий коэффициент водостойкости и высокая морозостойкость.

Все проводимые исследования по гидрофобизации строительных материалов и рекламные сведения по эффективности гидрофобизаторов относятся к снижению кратковременного капиллярного водопоглощения в воде в течение двух-трех суток. По нашему мнению, короткий период экспонирования в воде явно недостаточен, если исходить также из природных условий воздействия влаги на стеновые и дорожные материалы во многих климатических зонах России в различные времена года. Поэтому гарантией повышенной долговечности может быть сохранение пониженного водопоглощения на длительный период. Кроме того исследования по гидрофобизации шлакощелочных вяжущих ни кем не проводились. Специфика этих вяжущих и бетонов, а именно, высокая щелочность жидкой фазы в бетонных смесях и бетонах может привести к исчезновение гидрофобного эффекта гидрофобизаторов при жестких реакционных процессах, протекающих в вяжущих при высокой щелочности жидкой фазы до рН = 14. Для снижения водопоглощения при длительном экспонировании в воде и повышения коэффициента длительной водостойкости, был использован металлоорганический гидрофобизатор – стеарат кальция.

Исследованиями по гидрофобизации глино- и карбонатношлакощелочных систем на основе Лягушовской глины и Иссинского известняка, позволили установить высокую эффективность стеаратов металлов [2]. Понижение водопоглощения по массе таких вяжущих при экспонировании образцов в воде в течение 3-х месяцев составило 1,1-1,5 раза по сравнению с негидрофобизированными составами. Установлено, что для некоторых МШВ такое длительное экспонирование в воде способствует дополнительному упрочнению гидрофобизированных образцов, повышает прочность на осевое сжатие до 100-116 МПа с длительным коэффициентом водостойкости = 1,18.

Гравелитовые (гравийно-песчаные) породы относятся к крупнообломочным породам. Гравий Жигулевского месторождения, исследованный нами, как тонкомолотый компонент гравелитошлакового вяжущего, является представителем вулканогенно-осадочных пород полимиктового состава. Учитывая то, что в нем присутствуют кварцевые, железистомагнезиальные, рогообманковые, фаянитовые и др. включения, а также щелочные амфиболы, такие как глаукофан, рибекит, арфедсонит, можно гипотетически предполагать о протекании реакционных процессов с щелочеактивизированным шлаковым вяжущим.

Для гидрофобизации мелкозернистого бетона (ГрШПБ) формовали образцы-кубы с размером ребра 3 см. Вяжущее готовилось следующим образом: зернистый гранулированный Липецкий шлак подвергали совместному помолу с тонкодисперсным стеаратом кальция до удельной поверхности шлака 370 м²/кг, при этом размер частиц стеарата кальция по результатам электронномикроскопического анализа составил 100-200 нм. Гравелит размалывали до высокой удельной поверхности, равной 900 м²/кг. Соотношение по массе между гравелитом и шлаком составляло 1:1,5. Дозировка металлоорганического гидрофобизатора – 1,5% от массы композиционного вяжущего. В мелкозернистом бетоне соотношение между композиционным вяжущим и песком составляло 1:1,5. Образцы прессовались при давлении 25 МПа. В качестве активизатора твердения применялась щелочь NaOH в количестве 3% от массы вяжущего при влажности смеси 14%. Кратковременный коэффициент водостойкости для гравелитошлакового вяжущего и бетона на его основе определяли по традиционной методике. Образцы после длительного насыщения водой высушили в сушильном шкафу до постоянной массы при t = 100±5°C и часть из них испытывали на сжатие в сухом виде. Другую часть насыщали водой в течение 48 часов, испытывали на сжатие и определяли коэффициент водостойкости. Длительные коэффициенты водостойкости определяли после испытания образцов, выдержанных в воде в течение 7 месяцев.

Капиллярный подсос ГрШПБ определяли в соответствии с ЕN 1015–18:2002 на балочках размером 40×40×160 (мм), установленных в воду вертикально на глубину 7 мм.

Сорбционное увлажнение ГрШПБ определяли на балочках того же размера. Образцы выдерживали над хлоридом кальция до постоянной потери массы, далее помещали и их в эксикатор над зеркалом воды, создавая условия 97-98% влажности, где они и находились в течение 50 суток.

Как видно из таблицы гидрофобный эффект наночастиц стеарата кальция в песчаных бетонах достаточно высок.

Таблица

Физико-технические свойства гидрофобизированного

наночастицами стеарата кальция гравелитошлакопесчаного бетона

Составы компонентов, % от массы композиционного вяжущего						Плотность в сухом состоянии	Характеристика материала
Липецкий шлак	Жигулевский гравий	NaOH	Вода	Стеарат кальция	Сурский песок		Прочность при сжатии, МПа, при нормальных условиях, сут			Прочность при сжатии, МПа, после длительного насыщ. в воде		Длительный. коэфф.водост-ти	Водопоглощение по массе, % через 7 месяцев
							1	3	28	насыщ	су- хого
60	40	3	8	–	150	1,89	1,0	2,1	44,2	56,8	82,3	0,69	6,0
60	40	3	8	1,5	150	1,99	3,0	5,7	57,5	89,9	90,9	0,99	3,3

Данная добавка понижает водопоглощение после длительного выдерживания образцов в воде в 1,8 раза по сравнению с негидрофобизированным составом. Прочность на осевое сжатие такого бетона после 28 суток нормального твердения составляет 57,5 МПа, что на 13,3 МПа выше контрольного состава.

При длительном экспонировании образцов в воде из ГрШПБ с гидрофобной добавкой стеарата кальция в течение 170 суток отмечен более значительный прирост прочности, чем у контрольных образцов. В насыщенном водой состоянии прочность ГрШПБ со стеаратом кальция выросла в 1,56 раза, а у сухих образцов – в 1,3 раза по сравнению с 28-ми суточной. При этом коэффициент длительной водостойкости составил 0,99 (у контрольного 0,69).

Отмечено снижение капиллярного подсоса гидрофобизированных бетонов, отмечено заметное понижение капиллярного водонасыщения при модификации ГрШПБ наночастицами стеарата кальция (рисунок). Значение капиллярного водопоглощения гравелитошлакопесчаного бетона, гидрофобизированного наночастицами стеарата кальция, через 100 суток значительно ниже контрольного в 2,13 раза и составляет 1,43%.

Рисунок Кинетика капиллярного подсоса ГШПБ, гидрофобизированного

наночастицами стеарата кальция: 1 – контрольный, 2 – со стеаратом кальция

При введении стеарата кальция уровень подъема воды значительно понижается и составляет 5% от высоты образца (у контрольного 35 %). В ходе длительного капиллярного подсоса в течение трех месяцев и последующего естественного высушивания отмечено полное отсутствие высолообразования на поверхности гидрофобизированного ГрШПБ.

Для теплотехнических расчетов стен из ГрШПБ требуется знать их влажность. В период эксплуатации здания эта влажность будет обусловлена не только водопоглощением материала стены (от воздействия осадков), но и сорбционным увлажнением. Выявлено, что контрольный ГрШПБ имеет значение сорбционного увлажнения 1,31% через 50 суток испытания. Использование наночастиц стеарата кальция значительно понижает значение сорбционного увлажнения до 0,75%.

Мы считаем, что эффект гидрофобизации порошковыми наночастицами стеаратов обеспечивается двумя механизмами – увеличением угла смачивания стенок, зафиксированными в поверхности наночастицами стеаратов металлов [3].

Библиографический список

1. Калашников, В.И. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей [Текст] / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, А.А. Карташов, М.Н. Мороз //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. - Самара: СамГАСУ, 2004. -С. 205-209.

2. Калашников, В.И. Использование дисперсных гравелитовых пород в качестве основного структурообразующего компонента минеральношлаковых вяжущих [Текст] / В.И. Калашников // Композиционные строительные материалы: Сборник научных трудов Междунар. научно-технической конференции. – Пенза: ПДНТ, 2004. - с. 121-125.

3. Калашников, В.И., Теоретические основы смачиваемости мозаичных гидрофобно-гидрофильных поверхностей [Текст] / В.И. Калашников, М.Н. Мороз // Строительные материалы.– М., 2008. - № 1 - с.47-49.