Д.т.н. Соловьев В.И., к.т.н. Рахимов М.А.,

Рахимова Г.М., к.т.н. Иманов М.О., Сейдинова Г.А.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Исследование процессов фильтрации в бетоне, модифицированном органоминеральной

добавкой ОМД-МС

Улучшение качества технологических приемов и физико-технических свойств цементных материалов, в частности тяжелого бетона, с позиций современных представлений физико-химии поверхностных явлений и теории конгломератов неразрывно связано с применением многокомпонентных модификаторов.

Накоплен существенный практический опыт решения таких задач, в том числе с использованием комплексных органоминеральных модификаторов, содержащих в своем составе микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор и регулятор твердения в разных соотношениях.

Огромный интерес представляют модификаторы, содержащие гидрофобизирующие ингредиенты, которые, особенно в составе многокомпонентных добавок, обеспечивают регулирование конструктивных и деструктивных процессов в цементных материалах во времени (в период эксплуатации различных бетонных объектов, зданий и сооружений).

С целью организации и проведения опытно-производственных работ по внедрению предлагаемых технических решений, в частности изготовлению бетонных плит тротуарных из гидрофобизированного бетона, модифицированного добавкой ОМД-МС, нами был изучен опыт производства аналогичной продукции на предприятиях строительной индустрии ближнего, дальнего зарубежья и Республики Казахстан.

Таблица 1 – Основные требования, предъявляемые к качеству бетона тротуарных плит

Показатели качества бетона	Техническая норма
Класс по прочности на сжатие	В22,5 - В35
Марка/средняя прочность при сжатии, МПа	М250 - М450/ 26,2 - 45,7
Класс по прочности на растяжение при изгибе	ВBtB 3,2 - ВBtB 4,0
Марка по морозостойкости	F300
Водопоглощение, % по массе не более	5

Практический интерес представляют работы по изготовлению плит бетонных тротуарных с повышенной пористостью поверхности, обеспечивающей хорошее сцепление с обувью пешехода. При этом плиты должны обладать фильтрацией влаги, что должно обеспечить сравнительно быстрое удаление влаги с поверхности бетона и тем самым обеспечить комфортные условия эксплуатации тротуаров, детских площадок и др.

Получены тротуарные плиты хорошего качества (по внешним признакам). Плиты испытывали на прочность путем прямого разрушения, для чего их помещали между калиброванными пластинами - прокладками пресса (рисунок 1).

1 – плиты пресса; 2 – металлическая прокладка с размерами 100х100х3мм;

3 – испытуемое изделие

Рисунок 1 – Схема испытания плит бетонных тротуарных

Испытания показали, что прочность модифицированного крупнопористого бетона снижается не более чем на 15-18% (до 42,3 против 50,1 МПа), в то время как у крупнопористого бетона без добавок снижение прочности достигает 30-32% (16,5 против 22,0 МПа).

Полученные результаты можно считать относительным доказательством, что структура имеет меньше дефектов и поэтому большую прочность мелкозернистого бетона с добавкой ОМД-МС и создаваемая дополнительная пористость в бетоне не наносит существенного разрушения структуре цементного камня. Данный результат мы связываем прежде всего с высокой активностью ультрадисперсного микрокремнезема, который вступает в бетоне в химическое взаимодействие с известью по схеме:

SiO₂+Ca(OH)₂+n(H₂O)→(B)CaO∙SiO₂∙H₂O

Вносят свою лепту в упрочнении «межпоровых перегородок» и активированная зола ТЭС путем образования низкоосновных гидросиликатов кальция и синергирующее действие ПАВ плюс соль – ускоритель твердения.

Далее обратимся к вопросу фильтрации. Естественно, чем быстрее тротуар или площадка избавляется от воды, тем удобнее ими пользоваться. Плотные (не обладающие свойством фильтрации) тротуарные плиты покрытия имеют более длительный период восстановления в рабочее состояние.

Полученные изделия испытывали на скорость фильтрации воды по схеме, представленной на рисунке 2.

Опыт проводили следующим образом. На поверхность бетона устанавливали цилиндр (1) без дна (прозрачный из стекла или пластмассы) и уплотняли парафином (4) зазоры между стенками цилиндра и поверхностью бетона. Затем все это устанавливали на устойчивую емкость (3) для сбора воды-фильтрата. В цилиндр (1) наливали 1 л воды и замеряли скорость фильтрации воды через бетонную плиту мощения (2) путем замера объема профильтровавшейся воды через определенные промежутки времени.

1 – цилиндр с меткой объемом 1 литр; 2 – испытуемая плита; 3 – емкость сбора фильтрата воды; 4 – парафиновый уплотнитель между цилиндром и поверхностью испытуемого бетона

Рисунок 2 – Схема определения скорости фильтрации воды

Определяли также коэффициент размягчения бетона без модификатора и с модификатором ОМД-МС.

Результаты опытов показали, что у крупнопористого гидрофобизированного бетона с добавкой ОМД-МС скорость фильтрации сквозь толщу плиты была на 20-30% выше в сравнении со скоростью фильтрации воды через бетон без модификатора. Парадокс заключается в том, что гидрофобизированный бетон обеспечивает лучшую фильтрацию воды, чем обычный бетон. Объяснение этому может быть следующее:

- во-первых, пористость способствует фильтрации (это известный факт);

- во-вторых, это связано со свойствами гидрофобизированных микропор бетона.

В гидрофобизированных микпорах вода ведет себя иначе, чем в обычных порах: гидрофобизированные стенки отталкивают воду и в середине поры вода находится в псевдосжимаемом состоянии. Известно, что любая система стремится к равновесию. Вследствие чего вода ускоренно ищет путь к другому микрокапилляру (поре).

При поверхностной гидрофобизации способом пропитки или покраски с момента образования трещины вследствие разных углов смачивания в устье трещины в месте адгезии (контакта) слоя краски с бетоном происходит интенсивное проникновение агрессивных паров или растворов из окружающей среды. Образуется своего рода "энергетический" градиент в месте контакта смачивающихся и несмачивающихся тел, вектор которого направлен внутрь материала, что способствует прохождению реакций и тем самым разрушению бетона. В результате этого могут произойти глубокие разрушения бетона, а гидрофобный слой будет сохранять только видимость целостности, но не будет выполнять своего функционального назначения – его сопротивления разрушающему действию агрессивной среды.

Нами сделана попытка схематично изобразить процесс фильтрации воды между межпоровыми стенками цементного материала (рисунок 3).

а) б)

а) без гидрофобизации стенок пор и капилляров; б) гидрофобные поры и капилляры: 1 – зона капилляра; 2 – зона микрокремнезема; 3 – гидрофобная поверхность капилляра и поры.

Рисунок 3 – Схема, объясняющая ускоренный процесс фильтрации в крупнопористом бетоне

Сделана попытка показать, как образуется псевдосжимаемое состояние воды в микропоре, при этом гидрофобный слой может играть между подложкой-стенкой поры и водой роль смазки, которая также должна способствовать увеличению скорости течения (фильтрации) воды.

Таким образом, можно в какой-то мере объяснить усиленную фильтрацию воды в крупнопористом гидрофобизированном бетоне:

- псевдосжатием воды в микропорах за счет энтропийного процесса от действия гидрофобизации;

- смазочным действием от гидрофобного слоя (по отношению к воде) гидрофобизированных межпоровых перегородок.

Также нами было отмечено, что образующаяся наледь на поверхности гидрофобизированных плит мощения не имеет прочного сцепления с гидрофобизированной поверхностью бетона, что обеспечивает лучшие условия для очистки тротуара от наледи; имеет место также более быстрое (в 3-5 раз) стаивание льда с поверхности тротуара. Такие метаморфозы льда на гидрофобизированной поверхности дорожных покрытий впервые были отмечены в трудах М.И. Хигеровича.

Вопросы фильтрации, которые затронуты в настоящей работе, имеют более сложный характер и требуют нового уровня подхода к их решению. Исследование процессов на макро- и микроуровне может существенно расширить научно-техническое пространство бетоноведения, получить бетоны XXI века с новыми свойствами и высокой эксплуатационной надежностью.

Таким образом, выполненные работы по внедрению предлагаемых технических решений и полученные при этом результаты испытаний показали состоятельность и техническую эффективность предлагаемого гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС. Высокие физико-технические характеристики модифицированного добавкой ОМД-МС бетона позволяют расширить область его применения в ответственных зданиях и сооружениях.