Улучшение свойств гидроизоляционных то нк о с лойных цементных композиций повер х ностного и проникающего действия
На правах рукописи
СОЛОВЬЕВ
ДМИТРИЙ ВАДИМОВИЧ
Улучшение СВОЙСТВ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ
ТОнкОсЛОЙНЫХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
ПОВЕРХНОСТНОГО И ПРОНИКАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа
2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения».
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор Шангин Владимир Юрьевич
Официальные оппоненты - доктор технических наук,
профессор Попов Валерий Петрович
кандидат технических наук, доцент
Анваров Рамиль Айдарович
Ведущее предприятие – Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) кафедра «Теоретические основы материаловедения»
Защита состоится « 27 » ноября 2008 г,
в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете
по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, аудитория
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.
Автореферат разослан «24 » октября 2008г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор И.В.Недосеко
Актуальность работы:
Тонкослойные цементные композиции (ТЦК), получаемые по разным технологиям – таким, как одно- или много компонентные сухие строительные смеси, строительные растворы или комплексные технологии, являются одними из наиболее востребованных современных материалов в строительстве, которые расширяются от, например, кладочных растворов или всех видов штукатурных и других к более функциональным – звуко-, тепло-, гидро- защитным цементным композициям в соответствии с задачами достижения комфортного жилья и качественного строительства, а также и с учетом экологии и создания качественных композиций по ликвидации повреждений бетонных сооружений.
Однако, в традиционных ТЦК, такой параметр, как защитность любой специфики требует дальнейшего совершенствования и может быть достигнут использованием, в том числе и высокоэффективных химических добавок нового типа - в виде твердых дисперсий, в которых используются свойства особенностей размера этих дисперсий, лежащих в нано – области. К таким дисперсиям относятся добавки коллоидных растворов, например, коллоидный раствор кремнекислоты. Кроме того, при исследовании защитности не исчерпан резерв знаний химического поведения в затвердевшем камне на цементной основе известных электролитов, так как часто при «лечении» поверхности затвердевших бетонов и нанесении защитных покрытий, кроме высоких требований к самим ТЦК во многом важная роль состоит в способности смеси, из которой готовится ТЦК, проникать в глубь подложки, улучшая при этом и эксплуатационные свойства основания, т.е. проникающая способность цементной смеси и закономерности ее изменения во многом способствуют улучшению качества покрытия. Особый интерес также при рассмотрении свойств ТЦК вызывает поверхность раздела покрытия и бетонной основы, которая может быть рассмотрена как своего рода контактная зона и которая играет такую же важную роль в защитности и активности, которую ей отводит композиционное материаловедение.
Предлагаемая работа посвящена исследованию влияния добавок нового типа (коллоидные растворы), новых свойств известных добавок (проникающих) и границы раздела покрытия-основания для улучшения специальных свойств ТЦК, таких как гидроизоляционные поверхностного и проникающего действия, получаемых по технологии сухих строительных смесей.
Цель работы состояла в улучшении свойств гидроизоляцион-ных тонкослойных цементных композиций (ТЦК) поверхностного и проникающего действия с помощью добавок.
Для осуществления поставленной цели решались следующие задачи:
- определение параметров добавок, обеспечивающих получение высокоэффективных тонкослойных гидроизоляционных поверхностных и проникающих цементных композиций;
- определение основных физико-механических свойств ТЦК с выбранными добавками и механизма их действия;
- осуществление опытно промышленного апробирования ТЦК с улучшенными свойствами.
Научная новизна:
- Показано, что уровень основных механо-физических свойств гидроизоляционных тонкослойных цементных композиций (ТЦК) поверхностного и проникающего действия – плотности, водонепроницаемости, трещиностойкости, прочности и морозостойкости можно повысить введением коллоидных растворов кремнезоля и специальных электролитов; прослежены механизмы влияния добавок на свойства ТЦК; результаты исследования легли в основу создания гидроизоляционных поверхностных и проникающих ТЦК высокого качества.
- Показано, что адгезию ТЦК к защищаемой бетонной поверхности можно прогнозировать исходя из представления о донорно-акцепторном взаимодействии, осуществляемом образующимися в покрытии и существующими в бетонной подложке гидросиликатами; установлено, что адгезия покрытия тем выше, чем большее количество гидратных фаз образуется в покрытии и содержится в бетонной подложке, что согласуется с классом бетона подложки.
- Впервые показано, что проникающую способность ТЦК можно оценивать с учетом природы вводимых солей электролитов – их свойства образовывать труднорастворимые гидроксиды в бетонном теле, что отражает параметр, произведения растворимости гидроксида; определено, что проникающая способность катионов в смеси для ТЦК тем ниже, чем ниже значения произведения растворимости образующегося в камне гидроксида; так же определено, что наиболее проникаемы в бетон катионы, которые не образуют труднорастворимых гидроксидов; составлены ряды катионов и анионов по росту проникающей способности в бетонную подложку при прочих равных условиях.
- Исследованы фазовые превращения в ТЦК и показано, что в присутствии коллоидного раствора кремнезоля основными продуктами гидратации являются низкоосновные гидросиликаты, а в присутствии добавок – электролитов тоберморитоподобные гидросиликаты типа CSH (I), также исследованы продукты превращений в бетонном теле, обработанном ТЦК проникающего действия и показано, что в бетонной подложке увеличивается количество гидратных соединений, которые также представлены, в основном, тоберморитоподобными гидросиликатами типа CSH (I).
Практическая ценность работы:
- Установлено, что создание высокоэффективного гидроизоляционного ТЦК - покрытия, работающего в тонком слое, возможно с использованием добавки на основе золя ортокремниевой кислоты, которая обеспечивает при испытании по ГОСТ 12730.5-84 повышение водонепроницаемости до 16 атм, при испытании по ГОСТ 5802-86 повышение прочности на сжатие на 32%, прочности на растяжение при изгибе на 57% и коэффициента трещиностойкости на 22%.
- Показано, что адгезионная прочность к бетонной подложке (при прочих равных условиях) в присутствии золь-добавки в гидроизоляционном поверхностном ТЦК покрытии увеличивается на (47-66)% в зависимости от класса бетона подложки и повышается в следующей последовательности: В15В22,5В30. Определена зависимость повышения водонепроницаемости бетонной подложки от толщины гидроизоляционной поверхностной ТЦК. Установлено, что каждые 2,5 мм ТЦК покрытия повышают водонепроницаемость основания на 0,2 МПа, при максимальном значении гидроизоляционного покрытия 10мм. Выпущена опытно-промышленная партия сухой смеси для гидроизоляционной ТЦК поверхностного действия.
- Для проникающей растворной смеси ТЦК предложен модификатор, который обеспечивает более интенсивное продвижение компонентов смеси ТЦК в бетонную подложку на глубину до 40 мм, в течение 1 часа, что повышает плотность структуры бетона подложки на 1,3% или на 22 относительных %, прочности на сжатие на 25% и увеличивает водонепроницаемость на 0,4 МПа. Выпущена опытно-промышленная партия сухой строительной смеси для гидроизоляционной ТЦК проникающего действия.
- Новизна разработок подтверждена патентом №2305671, 2 техническими условиями: ТУ №5745-001-98593931-2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал поверхностного действия) и ТУ 5745-002-98593931-2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал проникающего действия).
На защиту выносятся:
– обоснование выбора добавок, обеспечивающих получение высокоэффективных гидроизоляционных тонкослойных цементных композиций (ТЦК) поверхностного и проникающего действия;
- основные физико-механические характеристики ТЦК с выбранными добавками и механизм их действия;
- опытно-промышленное апробирование ТЦК поверхностного и проникающего действия и их применение на строительных объектах.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на четвертой международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», Ростов-на-Дону 2006г., на XVI Международном конгрессе по строительным материалам (Германия, г. Веймар, 2006г.), на научно-технических конференциях «Неделя науки 2006, 2007, 2008» г. Санкт-Петербург, на 2-ой Международной конференции «Пенобетон – 2007», Санкт-Петербург, 2007 г.; на XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. СПб, 2008г.
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ и докладов в международных и отраслевых изданиях, в т.ч. 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ, получен 1 патент, разработано 2 технических условия.
Структура и объем диссертации:
Диссертация изложена на 117 страницах основного текста. Состоит из введения, 5 глав, общих выводов, из списка использованной литературы, включающего 119 источников, 7 приложений, 23 таблицы и 23 рисунка.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов физико-химического анализа: рентгенофазового, дифференциально-термического, калориметрического методов, хорошей сходимостью результатов при проведении научных исследований, а также хорошей сходимостью практических результатов, полученными в лабораторных, полупромышленных и промышленных условиях стройплощадки; коэффициент вариации составляет 78%;
Содержание работы
Последние десятилетия в нашей стране и зарубежом интенсивно развиваются исследования по формированию теоретической основы создания высокоэффективных гидроизоляционных материалов. В фундаментальных работах Баженова Ю.М., Батракова В.Г., Кузнецовой Т.В., Комохова П.Г., Бабкова В.В., Сычёва М.М., Полока А.Ф, Ратинова В.Б, Латыпова В.М., Попова В.П., Недосеко И.В. и др. заложены теоретические основы этого приоритетного в настоящее время направления исследований. Несмотря на большое количество работ проблема создания эффективных гидроизоляционных материалов различного функционального назначения остается актуальной и в настоящее время. Решению задачи такого рода и посвящены настоящие исследования.
В работах кафедры «Инженерная химия и естествознание ПГУПС (д.т.н., проф. Л.Б. Сватовская, д.т.н., проф. В.Ю. Шангин) в 2000 – 2006г. были сформулированы представления о тонкослойных цементных композициях (ТЦК), которые формируют разного рода покрытия – защитные, отделочные, клеевые и др., и которые отличаются от конструкционных бетонных материалов на основе цемента тем, что при тонине слоя до 20 мм они характеризуются высокой открытой площадью поверхности уложенного материала; а также отличаются повышенной трещиностойкостью и высокой адгезией к наносимой поверхности. При таких особенностях ТЦК должны быть гидрозащитными.
В работах этих же ученых были названы принципы управления трещиностойкостью введением химических добавок с учетом их энергосодержания по энтальпии (-Н298) и мольных масс (М), гидрозащитность и проникающая способность при этом не рассматривалась. В развитие этих представлений следует отметить, что для обеспечения гидрозащитных свойств могут быть рассмотрены и другие характеристики добавок и их химическое поведение, которые, при равных значениях -Н298 и М могут играть важную роль, например, такие, как размер нано-частиц добавок; кроме того, ранее не учитывалось взаимодействие покрытия и бетонного основания и проникание компонентов смеси в подложку – основание, что может быть принципиальным не только для свойств ТЦК, но и для бетонного основания и композиции основание – покрытие в целом.
Основная идея настоящей работы состоит в использовании знаний: во-первых, об особых свойствах дисперсий нано – размера – гидрозолей, их высокой удельной поверхности и клеющей способности для улучшения свойств ТЦК, во-вторых, об особенностях проявления взаимодействия покрытие-основание на уровне возможных донорно-акцепторных взаимодействий, где ионы кальция (акцепторы) – кислородные электронные пары (доноры) и в третьих, об особенностях химического поведения при проникновении ионов из смеси для тонкослойных цементных композиций (ТЦК) в основание (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема ТЦК во взаимодействии с основанием
а) ТЦК – защитное покрытие; б) ТЦК – покрытие проникающего действия
При проникновении катионов из ТЦК в затвердевший бетон, в котором помимо других ионов присутствуют и ОН- группы, с которыми, возможно, происходит взаимодействие вводимых катионов с образованием гидроксидов и если проникающий катион образует труднорастворимый гидроксид (ПР < 10-5), то этот гидроксид будет служить своего рода барьером для дальнейшего продвижения компонентов смеси в глубь основания, т.е. осуществляет гашение проникающей способности компонентов ТЦК. Если такие труднорастворимые гидроксиды не образуются, то происходит максимальное продвижение компонентов смеси в глубь основания.
Смысл применения дисперсий гидрозолей коллоидного (нано) размера для повышения эффективности свойств ТЦК, в соответствии с работами ученых кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС, развитых ими для тяжелых (Л.Б. Сватовская, В.Я.Соловьева, И.В. Степанова) и легких бетонов (А.М. Сычева, И.П.Филатов ), состоит в том, что коллоидные частицы могут блокировать микро и мезо- поры, имеющие такие же размеры, как и коллоидные дисперсии – до 100 нм, что может способствовать повышению плотности структуры ТЦК со всеми соответствующими эксплуатационными последствиями – ростом прочности на сжатие и на растяжение при изгибе, трещиностойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, кроме того частицы коллоидного размера способны сдвигать кислотно – основное равновесие в твердеющей системе в сторону образования гидросиликатов с учетом мицеллярного строения частицы и за счет высокой удельной поверхности способны обеспечить ТЦК при нанесении на основание высокую клеящую способность. Представления об использовании электролитов для их проникающего действия в бетонную основу состоит в учете их химического взаимодействия с составляющей бетона-основания; смысл учета контактной зоны при взаимодействии наносимого покрытия и поверхности бетонного основания состоит в учитывании возможности донорно-акцепторного взаимодействия между ними и увеличения таким образом адгезии.
В исследованиях данной работы использовался эффективный состав для гидроизоляционной ТЦК, включающий традиционные компоненты, которые во всех случаях были одинаковые, такие как, например, цемент, песок, фр. (0~0,63 мм), доломитизированный известняк, микрокремнезем, СПС – 3. Данный состав назван базовым или контрольным. Использовались цементы Северо-Западного региона России: ПЦ400Д20 ОАО «Пикалевский цементный завод», ПЦ400Д20 ОАО «Сланцевский цементный завод», ПЦ500Д0 ОАО «Сланцевский цементный завод», напрягающий цемент НЦ-10 по ТУ 5743-072-46854090-98, а также кремнезоль, который был разработан и изготовлен на кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС.
Проведенные исследования показали, что при использовании добавки золя ортокремниевой кислоты цементная композиция, исследованная по ГОСТ 5802-86, отличается пониженной пористостью независимо от используемого цемента, о чем можно судить по уменьшению водопоглощения, до значения 2.85 – 2.5 % при 0.3 мас.% кремнезоля от массы цемента (рисунок 2) и уменьшается на 18-23 относительных % по сравнению с базовым составом.
Рисунок 2. Взаимосвязь водопоглощения раствора ТЦК (по ГОСТ 12730.3-78) и количества кремнезоля
1-ПЦ400Д20 (Пикалевский);
2-ПЦ400Д20 (Сланцевский);
3- ПЦ500 Д0 (Сланцевский);
4- НЦ-10
Об уплотнении структуры в присутствии кремнезоля свидетельствуют и данные по исследованию пористости структуры, проводимые при помощи автоматического анализатора изображений «ВидеоТест», которые показали, что в активированном образце присутствуют поры в основном небольшого размера 0,03– 0,12 мм; количество более крупных пор, размером (0,09 – 0,21) мм уменьшилось. Распределение пор по размерам представлено на рис.3
Рисунок 3. Распределение пор по размерам
Физико-химическими методами исследования обнаружено, что в присутствии кремнезоля повышается степень гидратации цемента и появляются низкоосновные гидросиликатные фазы, данные дифференциально – термического исследования (таблица 1) также подтверждают усиление гидратационных процессов в присутствии кремнезоля, поскольку общее количество химически связанной воды увеличивается на 26% по отношению к базовому составу ТЦК и образование низкоосновного гидросиликата Ca по наличию экзотермического эффекта в области температур 837С.
Таблица 1
Результаты дифференциально-термического анализа цементного камня, активированного кремнезолем
| Добавка | Эффекты на дериватограмме,С | Потери при эффектах, % | |||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | I | II | III | IV | V | VI | ||
| ТЦК базовый | (-)135 | (-)182 | - | (-)515 | (-)795 | – | 8 | 2 | - | 7 | 6 | – | 23/100 |
| ТЦК базовый с кремнезолем | (-)129 | (-)178 | (-)370 | (-)510 | (-)793 | (+)837 | 11 | 5 | 3 | 3 | 7 | – | 29/126 |
(-) - эндотермический эффект; (+) – экзотермический эффект
Повышение гидратационной активности цемента в присутствии кремнезоля подтверждается и данными ИК-спектроскопических исследований. На ИК-спектрах (рисунок 4) на кривой 2 увеличиваются полосы поглощения в области (1680; 3150 – 3600) см -1, соответствующие деформационным и валентным колебаниям молекул воды.
 Интенсивность полосы поглощения |
Рисунок 4. ИК-спектры образцов ТЦК
1-базовый состав ТЦК;2- базовый состав ТЦК, активированный кремнезолем
Данные калориметрических исследований так же подтверждают, что в присутствии кремнезоля происходит усиление степени гидратации цемента - общее количество тепла, выделяющееся к 72 часам химического взаимодействия на 17 % выше относительно базового состава.
Таким образом, физико-химические исследования подтвердили, что в присутствии кремнезоля SiО2 nН2О увеличивается плотность материала и усиливается степень гидратации цемента с образованием повышенного количества гидратных соединений, в том числе и низкоосновных гидросиликатов кальция.
Поскольку, одной из наиболее важных характеристик ТЦК является трещиностойкость, косвенной оценкой которой может быть отношение прочности на растяжение при изгибе к прочности на сжатие, были проведены исследования и получены результаты по изменению всех видов прочности и трещиностойкости строительных растворов для ТЦК в соответствии с ГОСТ 5802-86 при использовании различных цементов северо-западного региона (рисунок 5).
а)
б)
Рисунок 5. Взаимосвязь прочности на растяжение при изгибе (а) и трещиностойкости (б) ТЦК (возраст 28 суток) от количества кремнезоля
1 – ПЦ400Д20 (Пикалевский); 2 – ПЦ400Д20 (Сланцевский);
3 – ПЦ500Д0 (Сланцевский); 4 – НЦ-10
Исследования показали, что для всех видов цемента при рациональном количестве добавки кремнезоля 0,3 мас.% от массы цемента происходит повышение прочности на сжатие и при этом наблюдается повышение прочности на растяжение при изгибе в зависимости, представленной на рисунке 5(а). Рисунок 5(б) показывает, что процент повышения трещиностойкости ТЦК, в присутствии кремнезоля более высокий (19-22)% при использовании цементов пониженной трещиностойкости Сланцевского ПЦ500Д0 и ПЦ400Д20 и более низкий ( 11-16)% при использовании цементов повышенной трещиностойкости, НЦ-10 и Пикалевского ПЦ400Д20.
Кроме выше приведенных исследований представляло интерес изучения изменения прочности на сжатие композиционного материала во времени (таблица 2).
При использовании Сланцевского ПЦ400Д20 и НЦ-10 получены зависимости по изменению прочности на сжатие ТЦК во времени аналогичные представленным в таблице 2.
Сравнительный анализ полученных данных показывает, что прочность на сжатие ТЦК, активированной кремнезолем, повышается на протяжении всего анализируемого периода и в возрасте 210 суток, на (22-27)% превышает прочность на сжатие базового состава ТЦК.
Далее была исследована морозостойкость и водонепроницаемость ТЦК. Морозостойкость ТЦК определялась по ГОСТ 5802-86, а водонепроницаемость определяли по ГОСТ 12730.5-84. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Таблица 2
Кинетика изменения прочности на сжатие ТЦК
| № п/п | Цемент, наименование, завод изготовитель | Кренезоль, масс. % от массы цемента | В/Ц | Прочность на сжатие, МПа | ||||||||
| Возраст, сутки | ||||||||||||
| 3 | 7 | 28 | 56 | 90 | 120 | 150 | 180 | 210 | ||||
| 1 | ПЦ400Д20 ОАО «Пикалевский цементный завод» | 0,48 | 10,5 38,0 | 18,7 68,0 | 27,5 100 | 29,4 107,0 | 30,4 110,5 | 31,7 115,2 | 32,2 117,2 | 33,4 121,5 | 33,5 121,9 | |
| 0,3 | 0,47 | 14,8 54,0 | 25,0 91,0 | 36,3 132,0 | 36,8 134,0 | 37,3 135,7 | 37,7 137,0 | 38,1 138,7 | 38,4 139,5 | 39,3 143,0 | ||
| 2 | ПЦ500Д0 ОАО «Сланцевский цементный завод» | 0,49 | 9,3 34,0 | 17,7 65,0 | 27,3 100 | 28,0 102,6 | 28,6 104,9 | 29,2 107,1 | 29,5 108,2 | 29,8 109,3 | 29,8 109,3 | |
| 0,3 | 0,48 | 12,6 46,0 | 22,9 84,0 | 35,8 131,0 | 36,3 133,0 | 36,8 135,0 | 37,4 137,0 | 37,9 139,0 | 38,5 141,0 | 38,8 142,0 | ||
(-)Подвижность растворной смеси ТЦК по глубине погружения конуса = 9 см
Таблица 3
Морозостойкость и водонепроницаемость ТЦК
| Состав покрытия | Морозостойкость | Водонепроницаемость | ||
| Циклы | Марка F | МПа | Марка W | |
| Базовый состав ТЦК (таблица 1) | 200 | 200 | 1,2 | 12 |
| Базовый состав ТЦК + кремнезоль | 300 | 300 | 1,6 | 16 |
Как показывают данные таблицы 3, при использовании кремнезоля морозостойкость увеличивается на 50% и достигает значения, соответствующего марке F300, водонепроницаемость повышается на 33 % и достигает значения, соответствующего марке W16.
Поскольку защитные покрытия в виде ТЦК используются в тонком слое от 1,0 до 20 мм, представляло интерес определить степень защиты бетонной подложки по водонепроницаемости при разной толщине покрытия. В качестве подложки были выбраны бетоны от класса В15 до В30, которые наиболее востребованы в строительстве. Полученные результаты представлены на рисунке 6.
Рисунок 6. Взаимосвязь водонепроницаемости и толщины ТЦК – покрытия
1-бетон В15; 2-бетон В22,5; 3-бетон В30
Определено (рисунок 6), что максимальная толщина покрытия составляет 10 мм, при которой водонепроницаемость всей композиции повышается на 0,8 МПа, а также установлено, что каждые 2,5 мм защитного покрытия повышают водонепроницаемость системы основание–покрытие на 0,2 МПа, т.е на одну ступень. Кроме того, рисунок 6 показывает, что нанесение ТЦК с кремнезолем позволяет поднять уровень водонепроницаемости более низких классов бетона, например бетона класса В15 до уровня высококачественного бетона класса В30 - для этого достаточно нанести на поверхность бетона слой ТЦК с кремнезолем толщиной до 10 мм.
Кроме свойств самого покрытия ТЦК, важной характеристикой является его адгезионная прочность, например к бетонной подложке. В качестве основания рассмотрен бетон разной прочности, который характеризовался примерно одинаковым значением пористости, оцениваемым величиной водопоглощения, равной (6,0±0,5)%; при этом для каждого класса бетона определялось количество химически связанной воды по данным дифференциально-термических исследований (таблица 4), как отражающих степень гидратации и количество образующихся гидратных соединений.
Таблица 4
Результаты дифференциально-термического анализа бетонной подложки различных классов
| Класс бетона по прочности при сжатии, В | Эффекты на дериватограмме, оС | Потери при эффектах, % | , % | ||||||
| I | II | III | IV | I | II | III | IV | ||
| В15 | (-) 140 | (-) 195 | (-) 525 | (+) 820 | 8 | 3 | 4 | – | 15 |
| В22,5 | (-) 143 | (-) 205 | (-) 517 | (+) 815 | 11 | 5 | 6 | – | 22 |
| В25 | (-) 142 | (-) 203 | (-) 520 | (+) 823 | 13 | 6 | 7 | – | 26 |
| В30 | (-) 137 | (-) 207 | (-) 512 | (+) 818 | 15 | 8 | 9 | – | 32 |
Взаимосвязь адгезионной прочности ТЦК и количества химически связанной воды бетонного основания (по данным ДТА) представлена на рисунке 7.
Рисунок 7. Взаимосвязь адгезионной прочности и количества химически связанной воды основания (по данным ДТА)
1 – базовый состав ТЦК (количество химически связанной воды - 23 %, таблица 1);
2 – базовый состав ТЦК, активированный кремнезолем (количество химически связанной воды – 29 %, таблица 1).
Как показывает рисунок 7 адгезионная прочность, определяемая на отрыв или контакт (схемы 1 и 2) при одинаковой пористости бетона увеличивается, с одной стороны на (47 – 66)% при использовании ТЦК, обладающей повышенной гидратационной активностью (кривая 2 рисунка 7), а с другой стороны на (20 – 47)% при увеличении класса бетона от В15 до В30, используемого в качестве подложки.
Проведенные исследования показали, что ТЦК в присутствии добавки кремнезоля, отличается повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью, а также улучшенной трещиностойкостью и адгезионной прочностью к бетонному основанию, характеризуясь при этом повышенной прочностью на сжатие и на растяжение при изгибе, что в целом, характеризует качество гидроизоляционной ТЦК поверхностного действия.
На разработанную ТЦК получен патент РФ №2305671 и разработаны технические условия ТУ № 5745-001-98593931-2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный защитный материал поверхностного действия) и получен гигиенический сертификат №77.01.07.574.П.002627 от 07.05.2007 г.
Однако, при создании высокоэффективных ТЦК, кроме повышенных требований к основным физико-механическим характеристикам покрытия и его адгезии к основанию требуется следующий уровень взаимодействия покрытия-основание, в результате которого компоненты строительного раствора проникают в основание, обеспечивая при этом улучшение эксплуатационных свойств основания.
Для исследования были выбраны наиболее доступные катионы Na (I); К (I); Са (II); Мg (II); Аl (III), из которых, труднорастворимые гидроксиды образуют ионы Са (II),
В соответствии с вышеназванным рядом можно было ожидать, что наихудшей проникающей способностью обладают соли AI (III) и Мg (II), поскольку их гидроксиды имеют наименьшее значение ПР; соли Na (I) и К(I) должны быть в наибольшей степени проникаемы. Оценка проникающей способности осуществлялась по скорости продвижения, по количеству проникновения и по глубине продвижения растворов электролитов 2% концентрации в глубь бетонного основания разной пористости. Определено, что соли натрия с большей скоростью, а соли алюминия с наименьшей скоростью проникают в структуру бетонного основания. В зависимости от аниона скорость продвижения электролитов уменьшается в следующей последовательности: хлориды (CI-) сульфаты (SO42-) нитраты (NO3-).
Установлено, что глубина продвижения растворов электролитов, определяемая расчетно-экспериментальным методом, взаимосвязана со степенью растворимости, образующегося в порах основания гидроксида вещества, который препятствует продвижению электролита в структуру основания, что отражено на рисунке 8.
Рисунок 8. Взаимосвязь глубины продвижения электролита и растворимости, образующегося гидроксида.
Представленная на рисунке 8 взаимосвязь согласуется с высказанными предположениями и подтверждает, что наименьшей проникающей способностью характеризуются электролиты на основе катионов магния и алюминия.
Для получения гидроизоляционной ТЦК проникающего действия базовый состав ТЦК модифицировали электролитами NаNО3 и KNO3, выбор обусловлен тем, что данные электролиты являются наиболее активными, а также они дополнительно обладают ингибирующими свойствами по отношению к арматуре. Физико-механические характеристики ТЦК, активированной указанными электролитами, представлены в таблице 5.
Таблица 5
Физико-механические характеристики ТЦК проникающего действия
| Электролит | В/Ц | Подвижность по погружению конуса, см | Прочность, МПа | Водопоглощение, % | Водонепрони-цаемость, МПа | Морозостойкость, цикл | |||
| Возраст, сутки | |||||||||
| на сжатие | на растяжение при изгибе | ||||||||
| 7 | 28 | 7 | 28 | ||||||
| – | 0,52 | 12,0 | 18,6 100 | 27,2 100 | 3,5 100 | 5,1 100 | 3,3 | 1,2 | 200 |
| NaNO3 | 0,525 | 12,0 | 20,7 111 | 31,3 115 | 4,3 123 | 6,5 127 | 2,8 | 1,4 | 250 |
| КNO3 | 0,53 | 12,0 | 20,4 110 | 30,7 113 | 4,2 120 | 6,4 125 | 2,9 | 1,4 | 250 |
Установлено, что в присутствии электролитов в количестве 1,2 мас.% от массы цемента для ТЦК наблюдается рост прочности на сжатие в пределах 13-15%, прочности на растяжение при изгибе на 25 – 27%, понижение водопоглощения ТЦК до 15 относительных %, что способствует повышению водонепроницаемости ТЦК на 0,2 МПа и морозостойкости на 25%.
Известно, что ТЦК проникающего действия целесообразно использовать для улучшения эксплуатационных свойств бетона, в том числе и эксплуатируемого. Изменения физико-механических характеристик бетона, обработанного ТЦК проникающего действия представлены в таблице 6.
Таблица 6
Физико-механические характеристики бетона, обработанного ТЦК проникающего действия
| Класс бетона по прочности на сжатие, В | Состояние бетона | Прочность* на сжатие, МПа/% | Водопогло-щение, %/относит, % | Водонепроницаемость | |
| МПа | Марка,W | ||||
| В15 | Не обработанный | 20,7 100 | 5,1 100 | 0,6 | 6 |
| Обработанный ТЦК | 25,9 125 | 4,0 78 | 1,0 | 10 | |
| В22,5 | Не обработанный | 29,6 100 | 4,7 100 | 0,8 | 8 |
| Обработанный ТЦК | 36,8 124 | 3,7 79 | 1,2 | 12 | |
*Возраст с момента нанесения ТЦК – 28 суток
Установлено, что бетон, обработанный ТЦК, модифицированный электролитами характеризуется понижением водопоглощения более чем на 43% или на 22 относительных %, повышением прочности на сжатие на 25% и водонепроницаемости на 0,4 МПа.
Полученные результаты подтверждают, что ТЦК, активированная электролитами натрия и калия, обладает гидроизоляционными свойствами проникающего действия, на которую разработаны технические условия ТУ № 5745-002-98593931-2007. Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал проникающего действия) и получен гигиенический сертификат № 78.01.07.574.П.003829.07.07 от 27.07.2007 г.
В соответствии с разработанными техническими условиями выпущено 2 опытно - промышленные партии ССС (смеси сухой строительной):
1 – в количестве 7 т (Акт №1 от 17.09.2007) для изготовления гидрозащитной ТЦК; 2 – в количестве 3 т (Акт №2 от 19.02.2008) для изготовления гидроизоляционной ТЦК проникающего действия.
Для ТЦК опытно-промышленного изготовления проведены физико-механические испытания, полученные результаты представлены в таблице 7. Оценка однородности показателя прочности на сжатие производилась по ГОСТ 18105 – 86, в соответствии с которой коэффициент вариации составляет:
– для ТЦК поверхностного действия – 7,6 %;
– для ТЦК проникающего действия – 7,9 %;
Сравнительный анализ данных таблицы 7 и результатов проведенных исследований показал, что физико - механические характеристики ТЦК опытно-промышленного изготовления согласуются с данными проведенных исследований и соответствуют требованиям разработанных технических условий, что позволило использовать гидроизоляционную ТЦК поверхностного действия для гидроизоляции тоннеля метрополитена, г. Санкт-Петербург и для гидроизоляции цокольного этажа строящегося дома в г Пушкин (г. Санкт-Петербург) рисунок 9.
Рисунок 9. Гидроизоляция цокольного этажа строящегося дома, г. Пушкин
Таблица 7
Физико-механические характеристики ТЦК, опытно-промышленного изготовления
| Наименование ТЦК | Рас-ход воды, % | Физико-механические характеристики | ||||||||||
| растворной смеси | затвердевшего раствора | |||||||||||
| Подвижность по погружению конуса, см | Марка по подвижности, Пк | Водоудерживающая способность, % | Расслаиваемость свежеприготовленной смеси, % | Прочность, МПа в возрасте 28 суток | Rадг, МПа к бетонному основанию класса В22,5 | Водопоглощение, % по ГОСТ 5802-86 | Морозостойкость, цикл по ГОСТ 5802-86 | Водонепроницаемость по ГОСТ 12730.5-84 МПа | ||||
| на сжатие | на растяжение при изгибе | |||||||||||
| Гидрозащитная поверхностного действия, активированная кремнезолем | 19,0 | 9,0 | Пк 3 | 96,0 | 3,0 | 36,5 | 8,2 | 0,22 | 2,9 | 2,5 | 300 | 1,6 |
| Проникающего действия, активированная электролитами | 20,0 | 12,0 | Пк 4 | 94,0 | 5,0 | 31,7 | 6,7 | 0,21 | 2,5 | 2,8 | 250 | 1,4 |
Гидроизоляционная ТЦК проникающего действия использована для гидроизоляции цокольного этажа эксплуатируемого дома в г. Павловск (Ленинградская область) и для «лечения» стены из газожелезобетона жилого дома, г.Санкт-Петербург; рисунок 10.
Рисунок 10. «Лечение» стены из газожелезобетона гидроизоляционным материалом проникающего действия, г. Санкт-Петербург
Новизна данной работы и объекты внедрения представлены в таблице 8.
Таблица 8
| Наименование | Новизна решений | Выпуск опытно-промышленной партии, организация | Объект использования, организация | Достигнутый технических результат | Рекомендуемая область применения |
| Гидроизоляциионная тонкослойная цементная композиция (ТЦК) поверхностного действия «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал поверхностного действия) | - Патент РФ № 2305671 - ТУ 5745 – 001 – 98593931 – 2007 Смесь сухая строительная «Стронг» - Гигиенический сертификат № 77.01.07.574.П.002627 от 07. 05. 2007 г. - Справка ЗАО «ЦСК» об использовании гидроизоляционной ТЦК поверхностного действия | ССС для гидроизоляционной ТЦК поверхностного действия в количестве 7 т. ООО «НПО «Максимус», Акт №1 от 17.09.2007г. | - гидроизоляция цокольного этажа строящегося дома, ЗАО «Царскосельская строительная компания», Справка об использовании от 12.10.2007 г. - гидроизоляция тоннеля метрополитена, ООО «НПП «Спецгидроизоляция» Монолит» Заключение от 17. 09. 2008 г. | - улучшение свойств ТЦК - повышение водонепроницаемости до 16 атм. - повышение прочности при сжатии на 32 % - повышение прочности при изгибе на 57 % - повышение адгезионной прочности на 47-66% в зависимости от класса бетона – подложки - каждые 2,5 мм покрытия повышают водонепроницаемость бетонного основания на 0,2 МПа | Гидроизоляция фундаментов зданий, бассейнов, очистных сооружений, подземных инженерных коммуникаций, тоннелей автодорожных, метрополитена и др. |
| Гидроизоляциионная тонкослойная цементная композиция (ТЦК) проникающего действия | ТУ 5745 – 002 – 98593931 – 2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал проникающего действия) Гигиенический сертификат № 78.01.07.574.П.003829.07.07 от 27. 07. 2007 г. - Заключение ООО «СК «Выдрица» | ССС для гидроизоляционной ТЦК проникающего действия в количестве 3т., ООО «НПО «Максимус» | - гидроизоляция цокольного этажа эксплуатируемого дома, ООО «Строительная компания «Выдрица» Заключение от 03 марта 2008 г. - «лечение» стены из газобетона жилого дома, ОАО «ДСК-3» | - наименьшая толщина покрытия 5мм - улучшает свойства бетона-основания - повышает плотность структуры бетона основания более, чем на 1,3 % (на 22 относительных %) - повышает прочность при сжатии бетона основания на 25 % - повышает водонепроницаемость бетона – основания на 0,4 МПа | Целесообразно использовать для гидроизоляции и восстановления свойств эксплуатируемых зданий и сооружений, фундаментов стен, и т.д. |
ВЫВОДЫ
1. Показано, что уровень основных механо-физических свойств гидроизоляционных тонкослойных цементных композиций (ТЦК) поверхностного и проникающего действия – плотность, водонепроницаемость, трещиностойкость, прочность и морозостойкость можно повысить введением коллоидных растворов кремнезоля и специальных электролитов; прослежены механизмы влияния добавок на свойства ТЦК; результаты исследования легли в основу создания специальных ТЦК-покрытий высокого качества.
2. Показано, что адгезию к защищаемой бетонной поверхности можно прогнозировать исходя из представления о донорно-акцепторном взаимодействии, осуществляемом образующимися и существующими гидросиликатами, соответственно в покрытии и в бетонной подложке; установлено, что адгезия покрытия тем выше, чем большее количество гидратных фаз образуется в покрытии и содержится в бетонной подложке, что согласуется с классом бетона подложки.
3. Впервые показано, что проникающую способность ТЦК можно оценивать с учетом природы вводимых солей электролитов образовывать труднорастворимые гидроксиды в бетонном теле, что отражает параметр произведения растворимости гидроксида; определено, что проникающая способность катионов в смеси для ТЦК тем ниже, чем ниже значения произведения растворимости образующегося в
камне гидроксида; так же определено, что наиболее проникаемы в бетон такие катионы, которые не образуют труднорастворимых гидроксидов и составлены ряды катионов и анионов по росту проникающей способности в бетонную подложку при прочих равных условиях.
4. Исследованы фазовые превращения в ТЦК и показано, что в присутствии коллоидного раствора кремнезоля основными продуктами гидратации являются низкоосновные гидросиликаты, а в присутствии добавок – электролитов тоберморитоподобные гидросиликаты типа CSH (I), а также исследованы продукты превращений в бетонном теле, обработанном ТЦК проникающего действия и показано, что в бетонной подложке увеличивается количество гидратных соединений, которые также представлены в основном тоберморитоподобными гидросиликатами типа CSH (I).
- Установлено, что создание высокоэффективного гидроизоляционного ТЦК - покрытия, работающего в тонком слое, возможно с использованием добавки на основе золя ортокремниевой кислоты, которая обеспечивает при испытании по ГОСТ 12730.5-84 повышение водонепроницаемости до 16 атм, при испытании по ГОСТ 5802-86 повышение прочности на сжатие на 32%, прочности на растяжение при изгибе на 57% и коэффициента трещиностойкости на 22%.
- Показано, что адгезионная прочность к бетонной подложке (при прочих равных условиях) в присутствии золь-добавки в гидроизоляционном поверхностном ТЦК покрытии увеличивается на 24% и в зависимости от класса бетона подложки повышается в следующей последовательности: В15В22,5В30. Определена зависимость повышения водонепроницаемости бетонной подложки от толщины гидроизоляционной поверхностной ТЦК. Установлено, что каждые 2,5 мм ТЦК покрытия повышают водонепроницаемость системы основание-покрытие на 0,2 МПа, при максимальном значении гидроизоляционного покрытия 10мм. Выпущена опытно-промышленная партия сухой смеси для гидроизоляционной поверхностной ТЦК поверхностного действия объемом 7т.
- Для проникающей растворной смеси для ТЦК предложен модификатор, который обеспечивает более интенсивное продвижение компонентов смеси ТЦК в бетонную подложку на глубину до 40 мм, в течение 1 часа, что повышает плотность структуры бетона подложки на 1,3% или на 22 относительных %, прочности на сжатие на 25% и увеличивает водонепроницаемость на 0,4 МПа. Выпущена опытно-промышленная партия сухой строительной смеси для гидроизоляционной ТЦК проникающего действия объемом 3 т.
- Новизна разработок подтверждена патентом №230567, 2 техническими условиями: ТУ №5745-001-98593931-2008 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный защитный материал) и ТУ 5745-002-98593931-2008 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал проникающего действия).
Положения диссертации опубликованы в следующих основных работах: по списку ВАК РФ
- Д. В.Соловьев, В.Д.Мартынова, В.Я.Соловьева Защитные сухие строительные смеси для пенобетона // журнал «Строительные материалы», 2007, №5, с.48-49.
Другие издания:
- Д.В.Соловьев Проблемы взаимодействия с подложкой при оценке качества сухих покрытий из строительных смесей // Сборник научных трудов: Новые исследования в материаловедении и экологии. Выпуск 6. СПб2006 г., с71.
- Д.В.Соловьев Защитные покрытия и клеевые составы сухой строительной смеси для пенобетона, используемого в жилищном строительстве. Материалы межд. конф. «Пенобетон-2007». СПб. с. 144-146.
- Д.В.Соловьев Модифицированные гидроизоляционные материалы улучшенного качества Известия Петербургского государственного университета путей сообщения, выпуск 2, СПб, 2008 г. с. 155-163.
- Д.В.Соловьев Гидроизоляционные защитные покрытия. Журнал Кровельные и изоляционные материалы, № 5, 2008 г. с. 32-33
- Соловьева В.Я., Смирнова Т.В., Соловьев Д.В., Ведерников А.В.Создание высокопрочного бетона с использование золь-добавок.16 Internationale Baustoffagung “Ibausil” Bauhaus-Univeritat Bundesrepublik; Band I Deutschland Weimar 2006. 2-C.0037-0042
- Сватовская Л.Б.Соловьева В.Я., Герчин Д.В. Степанова И.В., Темников Ю.Н.,Соловьев Д.В. Принципы применения золя кремниевой кислоты и получение цветного отделочного покрытия улучшенного качества// Сборник научных трудов: Новые исследования в материаловедении и экологии. Выпуск 5.СПб. 2005. с. 6-16.
- Д.В. Соловьев, Н.В. Ершиков, В.Д. Мартынова Гидроизоляционные защитные покрытия. Сборник научных трудов: Новые исследования в материаловедении и экологии. Выпуск 7.СПб. 2007. с.39-43
- Соловьева В.Я., Смирнова Т.В., Степанова И.В., Соловьев Д.В. Пенобетоны и композиционные материалы улучшенного качества // журнал «Технологии бетонов», 2008, №3,с.52-54.
- Соловьева В.Я., Смирнова Т.В.,Степанова И.В., Соловьев Д.В. Создание пенобетона и композиционного материала улучшенного качества //Материалы IV международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии», г. Ростов – на –Дону, 2006г., с.438-442
- Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я. Степанова И.В., Титова Т.С., Русанова Е.В., Соловьев Д.В. Высокоплотные бетоны для консервации токсичных веществ. Популярное бетоноведение. Научно-практический журнал о бетонных технологиях и строительстве. № 4 (18) 2007. СПб.: ООО «Строй-бетон». С.48-50.
- Шангин В.Ю. Соловьев Д.В. Физико-механические свойства гидрозащитных покрытий на цементной основе с зольсодержащей добавкой. Новые исследования в материаловедении и экологии. Выпуск 8.СПб. 2008. с.15-19.
- В.Д. Мартынова, Д.В. Соловьев, Н.В. Ершиков Композиционные материалы на цементной матрице Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах. Материалы XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. С-Пб, 2008 г. с.225-226.
- Патент №2305671 «Сырьевая смесь для защитного покрытия бетонной поверхности»
- ТУ №5745-001-98593931 -2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал поверхностного действия)
- ТУ № 5745-002-98593931 -2007 «Смесь сухая строительная «Стронг» (гидроизоляционный материал проникающего действия).
