К.т.н. Мороз М.Н., заслуженный деятель науки и техники РФ д.т.н., профессор Калашников В.И., инженер Ибрагимов Р.А.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Высокогидрофобные строительные материалы

Большое количество современных гидрофобизаторов одного или различных классов, предлагаемых различными фирмами-производителями и поставщиками требует тщательного анализа для выбора наиболее эффективных добавок для конкретных условий эксплуатации определенных видов строительных материалов. Эффективность гидрофобизаторов в шлакощелочных вяжущих (ШЩВ) и бетонах на их основе (в отличие от цементных) при воздействии на гидрофобизаторы сильных щелочей и соды практически не исследована.

В связи с этим был проведен ряд экспериментов по выявлению наиболее эффективных гидрофобизаторов в прессованном ШЩВ. Методом прессования при удельном давлении 25 МПа были изготовлены образцы-цилиндры Ø 2,5 см из шлака Липецкого металлургического завода с удельной поверхностью 400 м²/кг при влажности смеси 12%. Содержание щелочного активизатора NaOH составляло 3%; молярность раствора в композиции – около 8 моль/л. В качестве гидрофобных добавок были использованы шесть различных гидрофобизаторов, объединенных в зависимости от их состава в три группы: – металлоорганические гидрофобизаторы, не реагирующие с гидролизной известью (стеарат цинка и стеарат кальция); реакционноактивный с известью (гидрофобизатор – олеат натрия); – кремнийорганическая жидкость (гидрофобизатор ГКЖ-10); – редиспергируемые латексные порошки с гидрофобным действием  (Rhoximat РАV-29 и Mowilith-Pulver LDM 2080 P), обладающие сильным гидрофобным действием.

Дозировка всех видов гидрофобизаторов составляла 2% от массы ШЩВ. Все смеси затворялись раствором едкого натрия в количестве 3% в пересчете на сухое вещество от массы вяжущего. Гидрофобные смеси готовились по рекомендациям фирм-изготовителей путем тщательного перемешивания дисперсного шлака с порошковыми гидрофобизаторами для достижения однородного распределения. Гидрофобизатор ГКЖ-10 был введен с водой затворения в процессе приготовления смеси.

Одна часть контрольных и гидрофобизированных образцов твердела в нормально-влажностных условиях при относительной влажности воздуха более 90% в течение 28 суток, затем подвергалась испытанию на прочность при сжатии. Другая часть после твердения была помещена в эксикатор над хлоридом кальция (СаСl₂) для обезвоживания до стабилизации массы. Далее образцы подвергались длительному водонасыщению в течение 100 суток. На рис. 1 показана кинетика водопоглощения по массе ШЩВ, модифицированного гидрофобизаторами. По истечении продолжительного экспонирования образцов в воде определяли коэффициент длительной водостойкости. Значения прочностей на сжатие образцов в насыщенном водой состоянии получали после их водонасыщения, а прочность в сухом состоянии – после высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу при t = 105 + 5°С. Данные по прочности занесены в сводную табл. 1.

У контрольного состава наблюдается наибольшее водопоглощение по массе, как в начальные, так и в более поздние сроки экспонирования в воде (рис. 1),. Наибольшее поглощение отмечено у контрольного состава за 100 суток–14% по массе. Наиболее сильное снижение водопоглощения обеспечивают металлоорганические гидрофобизаторы – стеарат цинка (кривая 7), стеарат кальция (кривая 6) и реакционно-активный гидрофобизатор – олеат натрия (кривая 5).

Данные гидрофобизаторы эффективны как в начальные сроки экспонирования в воде, так и в более поздние (через 100 суток). Характер кривых со всеми гидрофобизаторами аналогичен (экспоненты).

Оценку влияния гидрофобизаторов на степень водопоглощения ШЩВ, принято осуществлять по показателю относительного водопоглощения К_отн, (отношение водопоглощения гидрофобизированных шлаковых композиций к негидрофобизированным). В табл. 1 показано изменение К_отн во времени в зависимости от вида гидрофобизатора для ШЩВ. Стеарат цинка и стеарат кальция в ШЩВ обладают наиболее сильным гидрофобизирующим действием, понижая значение водопоглощения по массе контрольного состава через 100 суток в 3,58 и 3,24 раза, соответственно. Реакционно-активный гидрофобизатор – олеат натрия, также значительно понижает капиллярное водопоглощение в 2,91 раза. Коэффициенты длительной водостойкости гидрофобизаторов данной группы высокие. Введение в ШЩВ стеаратов металлов цинка и кальция повысили его значение почти в 2 раза, по сравнению с контрольным-бездобавочным, то есть с 0,70 до 0,98-0,99.

Рис. 1 Кинетика водопоглощения по массе ШЩВ

с различными гидрофобными добавками

1 – контрольный; 2 – Мowilith-Pulver LDM 2080 P; 3 – Rhoximat PAV-29;

4 – ГКЖ-10; 5 – олеат натрия; 6 – стеарат кальция; 7 – стеарат цинка.

По требованиям ГОСТ 24211-2003 по эффективности гидрофобных добавок, которые должны уменьшать водопоглощение бетонов в 2 раза (к, сожалению, ГОСТ не указывает за какой срок), то стеараты и олеаты при дозировке 2%, уменьшающие водопоглощение гидрофобных образцов от 2 до 3 раз по сравнению с контрольными, удовлетворяют этому регламенту. Однако по ГОСТ они относятся лишь ко II классу.

На практике одна и та же добавка по ГОСТ, может быть отнесена и к 1 и 2 и 3-му классу, в зависимости от её дозировки. Поэтому необходимо совершенствование ГОСТа, который регламентирует эффективность добавок.

Нами предлагается оценивать эффективность гидрофобных добавок по коэффициенту, равному отношению гостовских показателей уменьшения водопоглощения, взятых в процентах к расходу добавки в % от массы вяжущего. Тогда коэффициент функционально-экономической эффективности: . Для стеарата цинка он, в нашем случае, самый высокий и равен , а для Mowilith-Pulver LDM 2080P – самый низкий (), т.е. на один процент израсходованной воды.

ГКЖ-10, относящаяся ко второй группе гидрофобизаторов, также эффективно проявляет свои водоотталкивающие свойства при длительном насыщении в воде, снижая водопоглощение по массе в 2,41 раза, в сравнении с негидрофобизированным составом. Коэффициент длительной водостойкости образцов из ШЩВ с этой добавкой выше контрольного на 0,16 и составляет 0,86.

Как видно на рисунке, третья группа выбранных гидрофобизаторов (редиспергируемые латексные порошки Rhoximat РАV-29 и Mowilith-Pulver LDM 2080P) менее эффективны в ШЩВ, чем гидрофобизаторы двух предыдущих групп, хотя понижают водопоглощение образцов контрольного ШЩВ в 1,93 и 1,62 раза, соответственно. Коэффициент водостойкости образцов при добавлении гидрофобизаторов данной группы ниже, чем с металлоорганическими гидрофобизаторами.

Исследуя влияние гидрофобизаторов всех трех групп на прочность при сжатии, было установлено, что стеараты цинка и кальция незначительно понижают прочность на осевое сжатие ШЩВ. Отмечено, что образцы со стеаратом кальция через 1 сутки нормально-влажностного твердения имели прочность несколько выше (27,7 МПа) контрольных образцов ШЩВ. Самое низкое значение начальной прочности на сжатие – 16,7 МПа у составов, изготовленных с добавлением ГКЖ-10. При взаимодействии гидроксида кальция с этилсиликонатом натрия образуется труднорастворимый молекулярно-дисперсный кальциевый силиконат, который экранирует частицы шлака от гидратации образующейся в результате реакции в растворе активный гидроксид натрия, в дальнейшем стимулирует реакцию гидратации.

В нормативные сроки твердения образцы негидрофобизированного ШЩВ имели прочность 78,6 МПа. Все образцы с гидрофобизаторами, за исключением олеата натрия и редиспергируемого латексного порошка Моwilith-Pulver DM 2072 P, имеют нормативную прочность, близкую прочности контрольного состава.

Гидрофобизатор Моwilith-Pulver DM 2072 P существенно понизил 28-суточную прочность ШЩВ. Наиболее интенсивный набор прочности на сжатие в течение 100-суточного экспонирования образцов в воде наблюдается у составов, изготовленных с добавлением стеарата цинка, стеарата кальция и олеата натрия (составы 2, 3, 4), у которых прочность, по сравнению с нормативной прочностью возросла соответственно на 30,9 МПа, 21,9 и 20 МПа.

Таблица 1

Физико-технические свойства шлакощелочного вяжущего

с различными гидрофобными добавками

№	Вяжущее	Вид гидрофобизатора	Прочность при сжатии, МПа				Коэффициент длительной водостой- кости через 100 суток	Показатель относительного водопоглощения Wг/Wн
			1 сутки	28 сутки	насы- щенный	абсол сухой
1	Шлакощелочное	–	25,3	78,6	95,3	136,1	0,70	–
2		стеарат цинка	24,5	75,2	106,1	107,2	0,99	0,28
3		стеарат кальция	27,7	76,1	98,0	100,0	0,98	0,31
4		олеат натрия	21,9	67,3	87,3	95,9	0,91	0,34
5		ГКЖ-10	16,7	73,7	75,2	87,4	0,86	0,42
6		Rhoximat РАV-29	22,3	71,4	59,4	72,4	0,82	0,52
7		Моwilith-Pulver DM 2072 P	24,5	62,6	63,1	76,8	0,82	0,62

Образцы с ГКЖ-10, и Моwilith-Pulver DM 2072 P (составы 5 и 7) не упрочняются при водном твердении. А образцы с редиспергируемым латексным порошком Rhoximat РАV-29 разупрочняются от длительного нахождения в воде.

Анализируя все полученные данные, можно сделать вывод, что из всех исследуемых нами гидрофобизаторов, наиболее эффективными в ШЩВ в повышении водоотталкивающих свойств, являются металлоорганические гидрофобизаторы – стеараты цинка и кальция, которые имеют длительный коэффициент водостойкости – 0,99 и 0,98. Они не понижают прочность на сжатие в нормативные сроки, и способствуют активному твердению в водной среде и существенному набору прочности на сжатие в течение 100-суточного нахождения в воде. Данные модификаторы-гидрофобизаторы рекомендуется использовать в качестве эффективных добавок для минеральношлаковых вяжущих и бетонов на их основе.