Строительство и архитектура /4. Современные строительные материалы

К.т.н. Шишкіна О.О., Бугрий Е.С.

Криворізький національний університет, Україна

Підвищення міцності пінобетону шляхом модифікації його структури

Через розгалужену систему пор, капілярів та тріщин різного походження, розмірів та форми, які знаходяться у бетоні, на будівельні конструкції будівель та споруд впливає зовнішнє середовище, змінюючи їх фізико-механічні властивості, стійкість до дії агресивних середовищ та, як наслідок, зменшуючи довговічність.

Одним з ефективних матеріалів для захисту від теплових впливів навколишнього середовища, є легкі й пористі бетони, які мають низьку теплопровідність. Проте, вони не мають достатню міцність при стиску. Тому завдання одержання ніздрюватих бетонів, які мають досить високу міцність, представляє значний науковий і практичний інтерес, а його рішення актуально. Як показали результати досліджень, одним з ефективних способів підвищення міцності пінобетону є модифікація його структури комплексною мінерально-органічною добавкою.

Як відомо, пінобетон представляє собою дисперсну систему «частинки цементу – вода – піноутворювач – пухирці повітря». На початковій стадії свого існування така система представляє собою мінералізовану піну, яка з часом твердіє. При цьому отверджувачами піни є продукти гідратації цементу. Та процеси гідратації цементу в пінобетонах ускладнюються адсорбцією поверхнево-активних полярних молекул піноутворювача на його частинках.

Результати наукових досліджень виявили, що зазвичай у технології бетону використовуються поверхнево-активні речовини, які відносяться до молекулярних. Але з погляду фізико-хімічної механіки більш доцільно застосовувати колоїдні або напівколоїдні ПАР. До таких належать поверхнево-активні речовини, які утворюють міцели, і властивості яких відрізняються від властивостей молекулярних ПАР.

Застосування міцелярних розчинів відносять до методів, які підвищують ефективність хімічного синтезу. Вони здатні солюбілізувати хімічні речовини у водних системах і виконувати роль каталізатора в хімічних реакціях. Каталіз міцелами проходить у три стадії. При цьому ефект прискорювання викликається комбінацією нековалентних взаємодій між міцелами з одного боку та реагентами и активованим комплексом, з іншого.

Аналіз літературних даних виявив, що на мінеральних речовинах піноутворювачі адсорбуються вибірково. При цьому найкращими збирачами піноутворювачів є іони заліза та, як наслідок, залізовмісні речовини. Тобто вводячи в піноцементну суміш залізовмісну речовину, можна досягти того, що зерна цементу будуть максимально доступні молекулам води і, як наслідок, міра їх гідратації значно збільшиться.

Укріплення стінок пор пінобетону зсередини можна досягти введенням у систему піногасників, які володіють високою поверхневою активністю і здатні витісняти піноутворювач з границі розділу фаз. До таких речовин відноситься поліспирт. При введенні в пінобетонну суміш поліспирт буде «спливати» (проникати) всередину повітряної бульбашки, витісняючи з його поверхні молекули ПАР, і закріплюватися на ній. Поліспирти здатні розчиняти в значній кількості їдкі луги, окиси кальцію і багато інших солей. А це означає, що оксиди кальцію, які утворюються в процесі гідратації цементу на поверхні бульбашки, утворюватимуть кальцієві солі поліспирту. Вони зсередини укріплять його стінки, оскільки поліспирт при дії лужних металів або окисів лужноземельних і важких металів дає кристалічні з'єднання. В результаті дії піногасника цементний розчин, ще більш насититься молекулами піноутворювача (ПАР), що приведе до ще більшого зниження ступеню і швидкості гідратації цементу, а це, як наслідок, спричинить зниження міцності цементної матриці пінобетону і, зрештою, його міцності.

Якщо ж в систему додатково ввести залізовмісну речовину, яка, як було вказано вище, володіє високою збірною здатністю, по відношенню до молекул ПАР, останні, як витиснені з повітряної бульбашки, так і такі, що знаходяться в цементній матриці, адсорбуватимуться на нім, менше впливаючи на процеси гідратації.

В результаті наведених процесів, введення в пінобетон комплексної добавки. Яка складається із залізовмісної речовини та поліспирту, стінки повітряних пухирців пінобетону будуть зсередини укріпленні як продуктами взаємодії піноутворювача зі сполуками заліза, так й продуктами реакції полі спирту з оксидами кальцію та сполукаим заліза. Це забезпечить підвищення міцності пінобетону, зниження його водопоглинання, усадки та, як наслідок збільшення довговічності конструкцій з пінобетону.

Наведені теоретичні положення були підтверджені виконаними експериментами.

Дослідження проводилися відповідно до стандартних методик із використанням портландцементу М400 ПАТ «Хайдельберг цемент Кривий Ріг», відходів збагачення залізних руд, як дрібного заповнювача, олеату натрію, як ПАР, що утворює міцели (МПАР).

У результаті проведених досліджень було встановлено, що введення поверхнево-активних речовин, які утворюють міцели (МПАР), до складу реакційно порошкового бетону в кількості, яка відповідає формуванню міцел, призводить до різкого збільшення міцності бетону у віці 7 діб. Подальше зростання вмісту МПАР супроводжується зниженням міцності бетону, так як надмірна кількість молекул збільшує екранування частинок цементу і, як наслідок, зменшується ступінь їх гідратації.

Також було визначено, що оптимальний вміст МПАР складає 0,0004% від маси цементу, при якому забезпечується формування максимальної міцності системи.