В статье представлены результаты исследований водопоглощения и прочности на осевое сжатие мелкозернистых бетонов на минеральношлаковых вяжущих с гидрофобной добавкой — стеаратом цинка.
Ключевые слова:минеральношлаковые бетоны, шлаки, горные породы, стеарат цинка, водопоглощение, водостойкость.
Эффективность гидрофобизации мелкозернистых бетонов органическими гидрофобизаторами характеризуется низким водопоглощением, высоким коэффициентом водостойкости. Немало важным является тот факт, что почти многие органические добавки понижают прочность на сжатие, и не каждый вводимый мелкозернистый заполнитель обеспечивает высокую реакционную активность по отношению к вяжущему. Для получения эффективного гидрофобного мелкозернистого бетона необходимо определить вид заполнителя и гидрофобизатора без существенного негативного действия органики на прочность. К наиболее распространенным заполнителям относят песок и известняк.
При применении заполнителей, содержащих кварц, гидратация и структурообразование в контакте «заполнитель — композиционное шлакощелочное вяжущее — гидрофобная добавка» происходит так: в начале, под действием щелочи и воды разрушается стекловидная фаза шлака. Поверхность зерна кварца чрезвычайно устойчива к воздействию воды, но в щелочной среде растворимость его возрастает. В приповерхностном слое кварца создаются ультрамикрогетерогенные локальные активированные комплексы, по которым идет взаимодействие их с вяжущим.
Если в качестве мелкого заполнителя используется карбонатный песок (известняк), то химических реакционных процессов между СаСО3 и NaOH, Na2CO3 не происходит. Химическое взаимодействие поверхности кальцита возможно лишь с гидролизной Са(ОН)2. Однако на поверхность частиц СаСО3 эпитаксиально могут наращиваться гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроалюмосиликаты кальция, которые поставляются при гидратации шлаковых частиц.
Для определения влияния металлоорганических гидрофобизаторов на кинетику роста прочности при сжатии, на водопоглощение в процессе длительного выдерживания в воде мелкозернистого бетона готовили следующие составы: на карбонатношлаковом вяжущем (КШВ) и на глиношлаковом вяжущем (ГШВ). Соотношение шлак:известняк и глина:шлак составляло 1:1,5 (60:40). В качестве мелкого заполнителя добавляли песок Сурский в количестве 150 % от массы минеральношлакового вяжущего. Активизатор твердения — щелочь NaOH в количестве 3 %. В качестве гидрофобной добавки применяли — металлоорганический гидрофобизатор — стеарат цинка, как наиболее эффективную добавку для минеральношлаковых вяжущих (МШВ) в количестве 2,5 % от массы вяжущего [1, 2].
Влажность смеси для мелкозернистого бетона на песке составляла 8 % от массы сухой смеси, на известняке — 12 % (табл. 1).
Экспериментальное подтверждение о сильных поверхностных взаимодействиях кальцита с продуктами гидратации шлака [3] позволяет рекомендовать в качестве мелкого заполнителя карбонатные породы. Поэтому добавление известняка фракции 1,25¸0,315 в количестве 200 % от массы карбонатношлакового вяжущего, модифицированного металлоорганическим гидрофобизатором, позволяет надеяться на высокое физико-химическое сродство компонентов.
Кинетика роста прочности и коэффициент длительной водостойкости мелкозернистого бетона на МШВ с гидрофобной добавкой стеарата цинка представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние органического гидрофобизатора на прочностные характеристики мелкозернистого бетона на глино- и карбонатношлаковом вяжущих
|
№ |
Вид вяжущего и соотношение компонентов |
Заполнитель кол–во, % от mвяж |
Вид дозировка добавки, % от mвяж |
Влажность смеси, % |
Характеристика материала |
|||||
|
Плотность rсух, г/см3 |
Прочность на сжатие, н.у.т, МПа, через: |
Прочность на сжатие, н.у.т, МПа |
Коэффициент длительной водостойкости |
|||||||
|
1 сут |
28 сут |
|
|
|||||||
|
1 |
Карбонатно-шлаковое шлак:известняк 60:40 |
Песок 150 |
– |
8 |
2,11 |
5,3 |
26,9 |
42,7 |
67,4 |
0,63 |
|
2 |
Ст. Zn2,5 |
8 |
2,12 |
1,0 |
27,4 |
51,9 |
64,8 |
0,80 |
||
|
3 |
Извест няк 200 |
– |
12 |
2,02 |
8,8 |
23,8 |
35,1 |
45,3 |
0,77 |
|
|
4 |
Ст. Zn2,5 |
12 |
2,00 |
3,4 |
24,3 |
34,2 |
41,8 |
0,82 |
||
|
5 |
Глино-шлаковое шлак:глина 60:40 |
Песок 150 |
– |
8 |
2,14 |
6,5 |
30,1 |
34,0 |
68,0 |
0,50 |
|
6 |
Ст. Zn2,5 |
8 |
2,10 |
1,0 |
36,7 |
39,5 |
50,6 |
0,82 |
||
Кинетика водопоглощения гидрофобизированных мелкозернистых бетонов на данных заполнителях представлена в табл. 2.
Из табл. 1 видно, что прочность в начальные сроки на осевое сжатие гидрофобизированного мелкозернистого бетона на кварцевом песке с добавкой стеарата цинка как на КШВ, так и на ГШВ, значительно понижается по сравнению с контрольными негидрофобизированными составами. На известняковом заполнителе понижение прочности значительно ниже.
У карбонатношлакоизвестнякового бетона (КШИБ) прочность снижается в 2,6 раза и составляет 3,4 МПа. Все составы мелкозернистого бетона с гидрофобной добавкой стеарата цинка как на песке, так и на известняке имеют 28-ми суточную прочность, превышающую прочность негидрофобизированного мелкозернистого бетона.
При достаточно длительном насыщении образцов водой в течение 250 суток на гидрофобизированном мелкозернистом бетоне на основе КШВ и ГШВ замечен значительный прирост прочности на сжатие. Максимальное значение прочности на сжатие в насыщенном водой состоянии, равное 51,9 МПа, отмечено на карбонатношлакопесчаном бетоне (КШПБ), модифицированном стеаратом цинка, что выше контрольного на 9,14 МПа.
Для оценки кинетики водопоглощения во времени при длительном экспонировании в воде и определения коэффициента длительной водостойкости образцы мелкозернистого бетона насыщали водой в течение 250 суток. Часть образцов была испытана на прочность при сжатии в насыщенном водой состоянии, другая — высушивалась в сушильном шкафу при t = 105±5°С до постоянной массы.
Водопоглощение глиношлакопесчаного бетона (ГШПБ) со стеаратом цинка в первые 48 часов в 1,4 раз ниже контрольного и составляет 4,76 %, для КШПБ — в 1,47 раз и составляет 4,14 %. Такие низкие показатели водопоглощения в двухсуточном возрасте, регламентируемом ГОСТ, и значительное возрастание его при дальнейшем водонасыщении оправдывает введение методов оценки степени гидрофобизации при длительном экспонировании в воде. Это необходимо и для разработки классификационной оценки качества гидрофобных добавок.
Достаточно длительное экспонирование в воде образцов из мелкозернистого бетона показывает высокую эффективность применения некоторых металлорганических соединений в качестве гидрофобизаторов для бетонов на карбонатно — и глиношлаковом вяжущем, причем проявляется избирательное действие отдельных металлических мыл к виду вяжущего. К восьми месяцам выдерживания образцов в воде на ГШПБ с добавлением стеарата цинка, водопоглощение по массе уменьшается в 1,32 раза, на КШПБ — в 1,16 раза по сравнению с контрольным (табл. 2). При этом коэффициент длительной водостойкости у такого бетона достигает 0,82 и 0,8, что значительно выше контрольного 0,63 и 0,69.
Гидрофобная добавка — стеарат цинка в КШИБ понижает водопоглощение по массе в 1,23 раза по сравнению с контрольным составом.
Таблица 2
Кинетика водопоглощения по массе мелкозернистого бетона на карбонатно-
и глиношлаковом вяжущих, гидрофобизированных стеаратом цинка
|
№ состава из табл. 1 |
Водопоглощение образцов по массе, %, через: |
||||||||||||||||
|
15 минут |
30 минут |
1 час |
5 часов |
1 сутки |
3 суток |
7суток |
11 суток |
14 суток |
27 суток |
41 сутки |
51 сутки |
57 суток |
117 суток |
163 суток |
200 суток |
250 суток |
|
|
1 |
3,69 |
4,25 |
4,47 |
5,1 |
5,74 |
6,11 |
6,26 |
6,5 |
6,67 |
6,85 |
6,94 |
6,97 |
7,0 |
7,1 |
7,2 |
7,2 |
7,2 |
|
2 |
1,5 |
1,72 |
2,03 |
2,45 |
2,95 |
4,14 |
4,9 |
5,3 |
5,6 |
5,97 |
6,06 |
6,06 |
6,06 |
6,1 |
6,2 |
6,2 |
6,2 |
|
3 |
6,47 |
8,02 |
8,95 |
9,1 |
9,36 |
9,94 |
10,24 |
10,5 |
10,56 |
11,01 |
11,27 |
11,4 |
11,6 |
12,0 |
12,1 |
12,06 |
12,06 |
|
4 |
4,76 |
6,16 |
6,62 |
7,5 |
8,44 |
9,22 |
9,6 |
9,83 |
9,88 |
10,13 |
10,3 |
10,3 |
10,4 |
10,4 |
10,5 |
10,5 |
10,5 |
|
5 |
5,36 |
6,33 |
6,48 |
6,5 |
6,62 |
6,62 |
6,8 |
6,98 |
7,05 |
7,33 |
7,52 |
7,6 |
7,65 |
7,8 |
7,85 |
7,85 |
7,85 |
|
6 |
2,03 |
2,67 |
2,99 |
3,4 |
3,87 |
4,76 |
5,32 |
5,5 |
5,55 |
5,76 |
5,82 |
5,88 |
5,91 |
5,96 |
5,96 |
5,96 |
5,96 |
В связи с этим, можно сделать вывод, что стеарат цинка можно использовать как эффективный гидрофобизатор для минеральношлакового бетона.
Порошковый металлоорганический гидрофобизатор располагается внутри бетона дискретно и создает гидрофильно-гидрофобную поверхность. По аналогии с теоретическими положениями геометрического построения очертания мениска воды в гидрофильно-гидрофобном капилляре [4, 5], можно рассмотреть положение капли воды на искусственно созданной гидрофильно-гидрофобной поверхности минеральношлакового бетона.
Если поверхность состоит из микронеоднородных гидрофильно-гидрофобных частиц, диаметр контакта капли с поверхностью будет средним арифметическим между диаметрами на гидрофильной и гидрофильной поверхностях при равенстве площадей гидрофильных и гидрофобных участков и при условии 
.
;
где 
и 
— доля площади, занятой, соответственно, гидрофильным и гидрофобным участками.
При гидрофобизации дисперсными порошками неоднородное распределение их в поверхности капилляров определяет различное смачивание гидрофобно-гидрофильных капилляров. Уровень жидкости в капилляре будет зависеть от соотношения площадей гидрофобной и гидрофильной частей или углов смачивания жидкостью. Важно, при приготовлении бетонной смеси с порошковым гидрофобизатором тщательно и однородно перемешивать все компоненты бетонной смеси.
Литература:
1. Калашников В. И., Мороз М. Н., Нестеров В. Ю., Хвастунов В. Л., Василик П. Г. Минерально-шлаковые вяжущие повышенной гидрофобности // Строительные материалы. 2005. № 7. С. 64–68.
2. Калашников В. И., Мороз М. Н., Худяков В. А., Василик П. Г. Высокогидрофобные строительные материалы на минеральных вяжущих // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 81–83.
3. Викторова О. Л. Карбонатношлаковые композиционные строительные материалы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза. 1998 г. 185 с.
4. Мороз М. Н., Калашников В. И., Володин В. М., Василик П. Г. Изменение длительной водостойкости композиционных материалов, содержащих водостойкий и неводостойкий компоненты // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 42–43.
5. Калашников В. И., Мороз М. Н. Теоретические основы смачиваемости мозаичных гидрофобно-гидрофильных поверхностей // Строительные материалы. 2008. № 1. С. 47–49.
