Введение
В своем послании народу Казахстана «СТРАТЕГИЯ «Казахстан-2050» Новый политический курс состоявшегося государства» Президент Н.А. Назарбаев прямо указывает на то, что «…государство в лице национальных компаний должно стимулировать развитие экономики будущего, учитывающей сектора, которые появятся в результате Третьей индустриальной революции. Отечественная индустрия должна потреблять новейшие композитные материалы, которые мы должны производить у себя в стране».
В этой связи для развития сферы строительства необходимо на новом уровне продолжать инновационную деятельность в направлении создания новых эффективных энергоресурсосберегающих технологий модифицированных строительных материалов и изделий, позволяющих существенно сократить ресурсо-энергозатраты на их изготовление и обеспечить заданный комплекс строительно-технических свойств.
Темпы современного строительства, качество, эффективность и конкурентоспособность строительных объектов различного назначения обеспечиваются, в первую очередь, качеством применяемого бетона и железобетона.
Известно, что проблема повышения качества и долговечности бетона и железобетона во многих практически важных случаях может быть успешно решена путем использвования новых химических добавок или, как принято сейчас их называть, модификаторов. Данное название происходит от природы их воздействия на цементные системы. Эти воздействия приводят к изменениям, например, в структуре цементного камня, что позволяет целенаправлено управлять кинетикой структурообразовния и качеством макро- и микропористости цементного камня. Данное обстоятельство можно рассматривать как один из приемов получения бетонов заданных физико-технических свойств.
С наступлением осени в городах традиционно начинается сезон дождей. Непогода и регулярные осадки – столь же обыденное явление, как и скапливающиеся на тротуарах и дорогах лужи. Проливные дожди, проносившиеся в разных регионах, доставляют много хлопот для коммунальных служб во многих городах Казахстана. Поэтому в последнее время очень острой стала проблема фильтрации тротуарных плит. 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 (фото 1).
Фото 1 – Неравномерное намокание тротуарных плит.
В связи с этим проблема получения высокоэффективных гидрофобизированных тяжелых бетонов с заданными физико-техническими свойствами, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, становится особенно актуальной.
1 Подбор составов модификаторов для получения эффективных тяжелых бетонов
Аналитический подход к международной и отечественной практике в области строительства показывает, что бетон и железобетон – самые массовые строительные материалы, во многом определяющие уровень строительного потенциала в стране. Многие выдающиеся ученые в области бетоноведения придерживаются такой генеральной точки зрения, что бетон еще далеко не исчерпал своего потенциала в направлении энергосбережения, долговечности, надежности, дизайна, эргономики и др.
В последние годы (несмотря на последствия мирового экономического кризиса) в Казахстане наблюдается устойчивый рост применения в строительстве модифицированного добавками бетона и железобетона различного назначения, в частности при устройстве дорог и околодорожной инфраструктуры. Широкомасштабные научные исследования позволили разработать современные теоретические основы получения бетонов заданных свойств с широким спектром их применения в различных эксплуатационных средах.
Целью работы явилась разработка гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов пролонгированного действия типа ОМД-МС, обеспечивающих получение эффективных тяжелых бетонов с высокими физико-техническими и эксплуатационными свойствами: а именно, разработка составов и способов получения гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов, способных регулировать водопроницаемость тяжелого бетона в зависимости от условий эксплуатации; исследование влияние гидрофобизирующих органоминеральных модификаторов на свойства цементных паст, бетонной смеси и отвердевшего бетона, разработка технологии производства бетонных тротуарных плит мощения, в том числе с регулируемой водопроницаемостью.
Одним из наиболее перспективных направлении технического прогресса в технологии бетона является формирование благоприятной структуры цементного камня, позволяющее значительно повысить его стойкость и улучшить комплекс физико-технических свойств бетона с помощью различных химических модификаторов, которые при введении в весьма малых количествах существенно влияют на физико-химические процессы твердения вяжущих, на технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства бетона.
Наиболее широко в технологии бетона применяются модификаторы структурирующего, пластифицирующего действия, регуляторы твердения бетона, а также комплексные модификаторы полифункционального действия. В состав комплексных модификаторов могут входить активные и малоактивные компоненты типа высокодисперсного микрокремнезема, золы-уноса и некоторые другие, позволяющие существенно улучшить технологические свойства бетонных смесей и физико-технические свойства бетонов. Еще больше повышает актуальность применения модификаторов возможность утилизировать многотоннажные неорганические отходы производства. Особая роль в этом плане принадлежит ультрадисперсным наполнителям, содержащих кремнезем. На их основе можно получить комплексные порошкообразные модификаторы полифункционального действия насыпной плотностью 750…800 кг/м3.
Априори были определены составы модификаторов типа ОМД-М. В основу назначения ингредиентов модификатора брали предшествующий передовой опыт стран СНГ и дальнего зарубежья, опыт, накопленный школой М.И. Хигеровича и его учениками.
В таблице 1 приведен перечень ингредиентов и возможные проявления ингредиентов в технологическом процессе приготовления добавки типа ОМД-М и в цементных системах, в том числе на всех стадиях приготовления бетонной смеси и отвердевшего бетона.
Действие гидрофобизирующего органоминерального модификатора типа ОМД-МС проявляется через химические процессы на поверхности твердой, жидкой и газообразных фаз. Адсорбционные слои модификаторов на поверхности твердой частицы выполняют важные и разносторонние задачи: задерживают рост кристаллов, влияют на их форму, модификацию, изменяют поверхностное натяжение, влияют на степень смачиваемости дисперсных частиц. И все это осуществляется на наноуровне в комплексе.
Таблица 1 – Ингредиенты органоминеральных модификаторов типа
ОМД-МС и их проявления в процессе изготовления
комплексных добавок в цементных системах
Вид ингредиента |
Функции (проявления) |
Технические лигносульфонаты |
Эмульгатор при изготовлении прямой эмульсии – «масло в воде» |
Связка при агломерации ультрадисперсного порошка (микрокремнезема), золы (трегера) и соли неорганических кислот |
|
Пластификатор цементных систем |
|
Синтетические жирные кислоты (СЖК) или кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК) |
«Масла» (гидрофобизаторы) при изготовлении прямой эмульсии |
Связка при агломерации ультрадисперсного порошка, золы и соли-электролита |
|
Гидрофобизирующий, пластифици-рующий эффекты; проявление эффекта синергизма в направлении повышения, например, прочности |
|
Пролонгированное действие эффекта гидрофобности и процессов «самозалечивания» в бетоне в период его эксплуатации |
|
Флегматизация процессов коррозии и корразии цементного камня |
Продолжение таблицы 1
Соль неорганических кислот (тиосульфат натрия или роданид натрия) |
Участвует в процессах агломерации (по нашему мнению пассивно; участие данного ингредиента не до конца изучено) |
Ускоритель твердения цементных систем |
|
Обеспечивает проявление эффекта синергизма, особенно в направлении повышения удобоукладываемости бетонных смесей, прочности отвердевшего бетона |
|
Зола-унос |
Участвует в процессах агломерации как трегер ингредиентов модификатора |
Отощающая минеральная добавка в цементные системы (цемент или бетон) |
|
Ультрадисперсный активный минеральный ингредиент - микрокремнезем |
Участвует в процессах агломерации ингредиентов модификатора в порошок. |
Обеспечивает «квазитиксотропные» свойства; в комплексе с ПАВ может проявляться эффект синергизма в направлении повышения пластических свойств (текучести) цементных систем (бетонной смеси). |
|
Высокая удельная поверхность ультрадисперсного активного минерального ингредиента - 18000…20000см2/г в сочетании с аморфизированной структурой частиц обусловливает высокую поверхностную энергию, которая проявляется в виде высокой структурирующей и реакционной способности этого компонента |
Продолжение таблицы 1
Вода |
Дисперсная среда при изготовлении прямой эмульсии |
Участвует как регулятор агломерационных процессов |
|
В процессе приготовления бетонной смеси оказывает смазочное действие при смешении компонетов бетонной смеси |
|
Участвует в процессах гидратации и твердения цементных материалов |
|
Участвует в процессах разрушения и «самозалечивания» цементного камня в период экплуатации бетонных объектов и сооружений |
Составы гидрофобизирующих органо-минеральных модификаторов типа ОМД-МС, рекомендованных для получения исследуемых тяжелых бетонов, приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Составы гидрофобизирующих органоминеральных
модификаторов типа ОМД-МС, рекомендованных для получения
исследуемых тяжелых бетонов
Компоненты модификатора |
Массовая доля компонентов в составе, % (в пересчете на безводные продукты) |
|||||
Органоминеарльные добавки |
||||||
Номер состава |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Технические лигносульфонаты |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
Синтетические жирные кислоты (СЖК) |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
- |
- |
- |
Кубовые остатки синтетических жирных кислот (КОСЖК) |
- |
- |
- |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
Тиосульфат натрия |
2,00 |
3,00 |
4,00 |
- |
- |
- |
Продолжение таблицы 2
Роданид натрия |
|
|
|
2,00 |
3,00 |
4,00 |
Зола-унос |
20 |
15 |
10 |
20 |
15 |
10 |
Микрокремнезем |
15 |
20 |
25 |
15 |
20 |
25 |
Вода |
остальное |
|||||
В настоящей работе сделан упор на конструировании составов модификаторов, которые обладали бы пролонгированным действием в направлении регулирования процессов формирования стабильной макро-, микроструктуры, массообмена и процессов «самозалечивания» цементного камня, эксплуатируемого в тяжелых условиях.
С применением метода математического планирования эксперимента была определена оптимальная дозировка гидрофобизирующего органоминерального модификатора марки ОМД-МС, равная 12% от массы цемента при водоцементном отношении В/Ц=0,35 и расходе цемента в смеси 400 кг/м3. При этом прочность на сжатие получаемого цементного материала через 28 сут нормального твердения составила 65 МПа, а водопоглощение 2,7%.
Далее в работе были проведены исследования о влиянии предлагаемых комплексных органоминеральных модификаторов на свойства цементных паст, смесей и отвердевшего материала.