Д.т.н. Шишкін О.О., Чернявська А.М., Леус Д.В.

Криворізький національний університет, Україна

Полімервміщуючі бетони на основі модифікованого

залізом цементу

 

Основним матеріалом будівництва є бетон. У багатьох випадках можна змінювати його показники міцності на стиск та розтяг, модуль пружності тощо Використання різних цементів, заповнювачів та добавок дозволяє змінювати механічну, хімічну, термічну стійкість, морозостійкість і впливати на терміни тужавлення і тверднення.

У той же час варіювання тільки речовинного складу бетонних сумішей не дозволяє усунути деякі їхні негативні властивості, такі як недостатня стійкість до дії багатьох хімічно активних речовин та високе водопоглинанням [1,2], що суттєво звужує галузі їхнього ефективного застосування. Перелічені недоліки бетону, як правило, не притаманні більшості полімерних матеріалів. Однак це не означає те, що найближчим часом конструкції з полімерних матеріалів почнуть витісняти в будівництві бетонні. Така заміна нереальна навіть у дуже віддаленому майбугньому. Сьогодні найбільш перспективними є конструкції, в яких полімерні композиції і бетон використовують сумісно з поєднанням переваг кожного з них.

Одним із шляхів покращення властивостей цементних розчинів та бетонів є введення до їх складу полімерів або сополімерів з одержанням так званих полімерцементних розчинів та бетонів [3-8]. Такі розчини та бетони відрізняються від звичайних підвищеною міцністю на стиск та розтяг, стійкістю до агресивних середовищ, зносостійкістю, високою адгезією. Одночасне використання цементних та полімерних в'яжучих речовин для створення бетонних сумішей дозволяє підвищити експлуатаційні характеристики одержаних бетонів [3, 5-7, 9]. Як полімерні компоненти полімерцементних розчинів та бетонів як правило використовують латекси каучуку, полівінілацетат та ін. [3, 5, 6, 8, 10].

Для полімерцементних розчинів та бетонів, у складі яких застосовують латекси, характерні високі механічні і хімічні стійкості і дозволяє і різні пружні властивості [6,8]. Недоліком полімерцементних розчинів, до складу яких входить каучук, є втрати в'яжучих властивостей мінеральної складової внаслідок часткового покриття цементних зерен згустками каучукових частинок, що перешкоджає гідратації цементу [6, 10].

В останні роки широкого розповсюдження як полімерний компонент у полімерцементних розчинах та бетонах набув полівінілацетат і його різновиди [6-8]. При використанні полівінілацетату в полімерцементних розчинах можна створити матеріали з високими механічними властивостями, які мають підвищену стійкість щодо сумісної дії хімічних реактивів та температурного фактора. Однак при дії високих температур (вище 100°С) їх міцність значно зменшується [3]. Полімерцементні розчини та бетони мають кращі властивості, ніж звичайні на портландцементі. Однак висока вартість, велика маса та значні пластичні деформації зменшують можливість їх широкого застосування. Загальними недоліками полімерцементних розчинів та бетонів є усадка, що перевищує в декілька разів усадку звичайних розчинів і бетонів, та низька температура експлуатації (до 100°С) [9].

В останні роки широкої популярності набули сухі будівельні суміші з використанням полімерних добавок [11-13]. Зазначені суміші в своєму об'ємі містять мінеральні в'яжучі речовини, наповнювачі, барвники, модифікуючі добавки, у тому числі ті, що здатні до редиспергації. Характерними особливостями сухих будівельних сумішей є їх порошкоподібний стан, велика кількість їх різновидів та зручність використання. Однак і цей вид матеріалів не може повністю вирішити поставленої проблеми - створення високоміцних матеріалів, стійких до різних агресивних факторів. Високомолекулярні сполуки, які застосовують для корозійностійких матеріалів з використанням полімерів, за способом одержання можна поділити на полімеризаційні і поліконденсаційні.

Широкого застосувуються композиції, створені на основі кремнійорганічних сполук, які характеризуються високою теплостійкістю (400 - 500°С). Матеріали на основі кремнійорганічних полімерів стійкі у розбавлених лугах і неорганічних кислотах, малостійкі до дії ароматичних вуглеводів і руйнуються при дії йоду, брому і хлору [16, 17]. Однак емалі на основі кремнійорганічних полімерів є токсичними і потребують спеціальних фарбувальних камер із припливно-витяжною вентиляцією. На основі феноло-формальдегідної смоли виготовляють багато антикорозійних матеріалів з високими фізико-механічними властивостями [14, 16-19].

Таким чином, проведений аналіз відомих полімервміщуючих бетонів показав, що найбільше перспективними з них є ті, що вміщують полімери розчинні у воді, або водяні емульсії полімерів [20-23]. Такі бетони мають більш просту технологію із зберіганням основних позитивних властивостей полімервміщуючих бетонів. Загальною хибою таких бетонів є можливість недостатнього ступеню полімерізації через обмеженість видалення води із складу бетону в процесі гідратації мінеральної в'яжучої речовини. У той же час відомо [24], що введення до складу мінеральної в'яжучої речовини мінеральних комплексів на основі заліза призводить до утворення новотворів, які містять значну кількість хімічно зв'язаної води, що сприяє зменшенню кількості вільної води у складі затверділого бетону, а також значно зменшує деформації його усадки. Таким чином, застосування таких залізовміщуючих комплексів для отримання полімервміщуючих бетонів на основі водорозчинних полімерів, або полімерних водяних емульсій дозволить зменшити наведені недоліки таких бетонів із збереженням їхніх позитивних якостей.

У дослідженнях для одержання бетонів використаний мінеральний залізовмісний комплекс - МЗСК, а в якості полімерної складової - полівінілацетатна емульсія - ПВАЕ.  Характерною рисою умов структуроутворення аналізованої дисперсної системи складається в тому, що, у ній  утворяться за участю МЗСК гідрокарбоферити кальцію (гідросилікати заліза) - багатоводні стійкі мінерали, що містять значну кількість зв'язаної води:

(Ca,Na)×[Fe2×Si2O6]6H2O, Na2×Fe2+×Fe3+2×Si4O11(OH)2,

3NaCa[FeSiO4]CO32H2O,  3NaCa[FeSiO4]CO32H2O.

У даній групі експериментів досліджувана кількість зв'язаної води в дисперсній системі «портландцементний клінкер - МЗСК - ПВАЕ» і її міцність у залежності від виду й утримання компонентів МЗСК і ПВАЕ в цих системах. Вибір методів досліджень обумовлено такими положеннями. Гідратація в'яжучого супроводжується зменшенням кількості вихідних мінералів і розмірів часток цих цементів, збільшенням кількості води, зв'язаної новотворами. Метод визначення ступеня гідратації по кількості зв'язаної води обраний у зв'язку з тим, що він дозволяє не тільки простежити ступінь гідратації кожного мінералу портландцементу, але і фіксувати зміну кількості хімічно зв'язаної води в залежності від складу комплексу «МЗСК-ПВАЕ».  Математичне опрацювання результатів досліджень проведене на ЕОМ PC/AT за допомогою програми «SLUPER», що використовують статистичні методи опрацювання результатів визначень.

В умовах проведення експерименту кількість води, що зв'язується мінералами портландцементного клінкера, при гідратації дисперсної системи «портландцементний клінкер - комплекс «МЗСК-ПВАЕ» вище (табл. 1) у порівнянні з портландцементом без добавок (Криворізький портландцемент). При цьому оптимальне утримання, як оксиду, так і карбонату заліза в дисперсній системі складає 8 % від кількості її дисперсної частини. Математичне опрацювання отриманих результатів (табл. 1) дозволило встановити залежність кількості зв'язаної води у продуктах гідратації досліджуваної системи від мінералогічного складу портландцементного клінкера й утримання МЗСК, що має вид:

W = 0.32×(C3S)+0. 225×(C2S)-0. 554×(C4AF)+0. 184×(C3AG), %

де (C3S),(C2S),(C4AF) - утримання в системі трикальцієвого, двокальцієвого силікатів і чотирикальцієвого алюмофериту відповідно, %

  (C3AG) - сумарне утримання в системі трикальцієвого алюмінату і МЗСК, %.

Введення в дисперсну систему «портландцементний клінкер - МЗСК» ПВАЕ в умовах експерименту призводить до зниження кількості зв'язаної води трикальцієвим силікатом у початкові терміни твердіння (рис. 2), практично не впливаючи на кількість хімічно зв'язаної води трикальцієвим алюмінатом. 

                                                                             Таблиця 1

Кількість хімічно зв'язаної води у продуктах гідратації

дисперсної системи «портландцементний клінкер - МЗСК» 

Найменування заводу

Утримання мінералів, %

Вміст МЗСК у системі, %

Кількість хімічно зв'язаної води, %

C3S

C2S

C4AF

C3A

Амвросієвський 1

48,4

17,2

8,96

3,3

20

19,59

Каменец-Подільський

46,08

14,72

9,92

7,0

20

18,39

Воскресенський

43,76

20,96

8,24

4,3

20

19,76

Амвросієвський 2

46,72

11,68

12,96

6,2

20

16,02

Криворізький

38,64

20,64

9,71

6,65

20

17,95

 Примітка. Твердіння 28 діб. у нормальних умовах;

 

В умовах експерименту введення в систему «портландцементний клінкер - МЗСК-ПВАЕ» у якості МЗСК - суміші оксиду й карбонату заліза у співвідношенні 1:1 у кількості 20…30% від кількості дисперсної фази системи, підвищує міцність одержуваного композиційного матеріалу на 30…40% у порівнянні з міцністю цементу без добавок при оптимальному вмісті в системі 20% МЗСК і 4...5% ПВАЕ. Математичним опрацюванням результатів досліджень отримана залежність міцності при стиску цементного каменю, отриманого в результаті гідратації дисперсної системи «портландцементних - МЗСК - ПВАЕ» від співвідношення «оксид : карбонат» у комплексному МЗСК 

Rсц = Rцкр (1+0,262×К - 0,128×К2),

де Rцкр - міцність цементного каменю при застосуванні в якості МЗСК карбонату заліза;  К - відношення «оксид : карбонат» у комплексному МЗСК.

 

Література

1. Москвин В М., Иванов Ф М , Алексеев С.Н , Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. - М.. Стройиздат, 1980. - 520 с.

2. Волянський О А. Технолопя бетонних i залізобетонних конструкцш. - К . Вища школа, 1994 - Ч 1. - 271с

3. Химически стойкие п-бетоны / Сб. научных тр. - М. НИИЖБ Госстроя СССР, 1983 - 93 с.

4. Угинчус Д А Высокопрочные бетонополимерные материалы - К : Буд1вельник, 1983. - 40 с.

5. Лысенко В.А. Защитно-конструкционные полимеррастворы в строительстве. -К Буд1вельник, 1985.-136с.

6. Скупин Л Полимерные растворы и пластбетоны - М., 1967. - 170с.

7. Черкинский Ю.С. Полимерцементный бетон. - М.: Стройиздат, 1984.-212 с.

8. Коган Г.С., Северинова Г.В. Индустриальная отделка зданий. - М.: Стройиздат, 197 5.-191 с.

9. Дзугаев В.А и др Полимеры в строительстве. - К., 1967. - 240 с.

10. Мощанский НА. Защитные пластики в строительстве. -М.: Издательство "Знание", 1966.-30 с.

11. Рунова P.Ф., Шейніч Л.0., Гелевера О.Г., Гоц B.I. Основи виробництва стінових i оздоблювальних матеріалів. - К.: КНУБА, 2002. - 354 с.

12. Бурмистров Г. Н. Материалы для облицовки зданий. - К.- Вища школа, 1988. - 174 с.

13. Сухие строительные смеси: Справочное пособие. / Луц Е.К., Геральд X., Толмачев Н.Г., Спектр Ю П - К.. Техника, 2000 - 226 с.

14. Чекулаева Е.И., Радзевич В.Э., Соколов В.А., Черненко В.И. Защита строительных конструкций и химической аппаратуры от коррозии. - М.: Стройиздат, 1989. - 207 с.

15. Черкин И.3. Защитные покрытия из эпоксидных смол и материалы на их основе. - Минск: Полымя, 1977. - 27 с.

16. Чехов А.П. Противокоррозионные покрытия в строительстве. - К., 1974.-208 с.

17. Ласская Е.А., Воронков М.Г. Кремнийорганические водоотталкивающие покрытия в строительстве. - К.: Будівельник, 1968. - 92 с.

18. Кноп А., Шейб В. Фенольные смолы и материалы на их основе / Пер. с англ. - М.: Химия, 1983. - 280 с.

19. Фенолформальдегидные смолы и клеи на их основе / Эстонская респ. науч. конф. Тезисы докладов. - Таллин, 1974. - С.136-140.

20. Нагорна Н.П. Конструкційні будівельні матеріали підвищеної довговічності з використанням відсіву подрібнення відвального мартенівського шлаку. Автореф. дис. ...канд. техн. наук 05.23.05 / ДонНАБА. -Макіївка, 2005. - 19 с.

21. Зінкевич А.М. Модифіковані цементні композиції для ремонту залізобетонних конструкцій методом ін'єктування. Автореф. дис. ...канд. техн. наук 05.23.05 / ПДАБА. - Дніпропетровськ, 2004. - 20с.

22. Краснюк А.В. Властивості і технологія полімерних карбамідних розчинів для ремонту транспортних споруд в зоні змінного рівня води. Автореф. дис. ...канд. техн. наук 05.23.05 / ПДАБА. - Дніпропетровськ, 2002. - 23с.

23. Громова О.В. Бетони з підвищеними адгезійними властивостями для ремонту штучних транспортних споруд. Автореф. дис. ...канд. техн. наук 05.23.05 / ПДАБА. - Дніпропетровськ, 2003. - 25с.

24. Шишкин А.А. Специальные бетоны для усиления строительных конструкций, эксплуатирующихся в условиях действия агрессивных сред. Дис…..докт. техн. наук. 05.23.05 / Крив. техн. унив. -  Кривой Рог, 2003.-336 с.