Влияние порошкового гидрофобизатора на прочность и водопоглощение архитектурно-декоративных бетонов нового поколения

Водопоглощение по массе является одним из важнейших свойств бетона, даже если речь идет не только о бетонах для общестроительного назначения, но и о архитектурно-декоративных бетонах, для которых оно наиболее важно в связи с возможностью образования высолов. От численного значения водопоглощения бетона зависят и другие основные физико-технические показатели, такие как морозостойкость, коррозионная стойкость, деформационные характеристики. Гелевые поры и капиллярные поры образуют открытую пористую систему в бетоне, и эти поры в процессе эксплуатации при воздействии дождя постепенно заполняются водой. Водопоглощение бетонов старого поколения с высоким расходом цемента на единицу прочности находится в пределах 4–8 %, а водопоглощение по объему — 9–19 %.

Снижения водопоглощения бетона можно достичь уменьшением В/Ц отношения (В/Т — отношения) с оптимизированным подбором компонентов. В данном случае это — высокоэффективный самоуплотняющийся бетон. Но, иногда, даже бетонам с высокой плотностью и прочностью, необходима защита от воздействия воды (в природе косой проливной дождь в течении нескольких дней или кратковременный косой дождь. Для архитектурно-декоративного бетона повышенное значение водопоглощения может стать причиной для появления на их поверхностях высолов, что значительно ухудшит их эстетические характеристики и станет причиной для быстрого разрушения поверхностного слоя.

Повысить водоотталкивающие свойства архитектурно-декоративного бетона можно, применяя современные эффективные гидрофобизаторы. Изучены водоотталкивающие свойства архитектурно-декоративных бетонов с применением структурной гидрофобизации — введением в смесь высокодисперсной порошкообразной добавки — металоорганического гидрофобизатора — стеарата цинка. Были исследованы реотехнологические показатели пластифицированных систем с различными металоорганическими гидрофобизаторами. Кроме того, были изучены прочностные характеристики гидрофобизированного архитектурно-декоративного бетона.

Эффективность стеаратов и олеатов металлов была изучена на бетонах на основе минеральношлаковых вяжущих из смеси шлака и тонкомолотых горных пород. Горные породы были представлены известняком, глиной, гранитом, песчаником [1–3]. В этих экспериментах сухие порошки стеаратов совместно размалывались с зернистыми породами. При помоле с абразивными породами до S_уд = 3000–4000 см²/г мягкие порошки стеаратов перетирались до нанометрического размера. Результаты показывают, что металлорганический гидрофобизатор в бетонах значительно понижает водопоглощение и капиллярное водонасыщение бетонов, как в начальные сроки, так и в более длительные сроки нахождения образцов в воде. Отмечено незначительное понижение прочности на сжатие образцов минеральношлакового бетона с использованием стеарата цинка. Высокие гидрофобные свойства стеарата цинка также были получены на растворах на цементном вяжущем. Таким образом, в результате аналитического обзора литературы мы выявили, что наиболее эффективным среди металлорганических гидрофобизаторов является стеарат цинка [3]. Это было характерно для минеральношлакового бетона и цементного бетона старого поколения. При создании архитектурно-декоративных порошковых и порошково-активированных бетонов нового поколения основой качества и эксплуатационной долговечности является «высокая» реология [4–5].

В качестве сырьевых материалов в научных экспериментах использовали: Вольский портландцемент марки 500 Д0 (СЕМ 42,5), в качестве каменной муки (П_М) — гранит, размолотый до удельной поверхности — 3700 см²/г. В качестве тонкого песка (П_Т) фракции 0,16–0,63 мм — гранитный песок, в качестве песка заполнителя (П_З) использовали также гранитный песок фракции 0,63–2,5 мм. В качестве пластифицирующей добавки применяли гиперпластификатор Melflux 5591 F в количестве 1 % от массы цемента (Ц). В качестве гидрофобизатора — стеарат цинка в количестве 1 % от массы цемента. Для удешевления и упрощения технологии введения порошкового гидрофобизатора мы однородно смешивали его с цементом, без дополнительного длительного помола. Порошковый гидрофобизатор кратковременно перемешивался совместно с цементом в лабораторной мельнице в течение 15 минут для однородного распределения порошковой добавки в смеси. Полученная смесь совместно перемешивалась с остальными компонентами смеси до образования однородной консистенции.

Образцы бетона твердели в нормальных условиях в течении 28 суток. Во время твердения часть образцов испытывалась по ГОСТ на 1, 7 и 28 сутки. После этого, проводили испытание на водопоглощение в течении 90 суток и на капиллярный подсос в течение 7 суток.

Основные физико-технические свойства и реологические критерии архитектурно-декоративного порошково-активированного песчаного бетона контрольного состава приведены в таблице (ПАПБ-1).

Таблица 1

Физико-технические свойства и реологические критерии архитектурно-декоративного порошково-активированного песчаного бетона (ПАПБ-1)

Соотношение всех компонентов смеси в контрольном составе и в гидрофобизированном было одинаковым. Полученные результаты показывают, что металлоорганический гидрофобизатор — стеарат цинка несколько загущает бетонную смесь. Так, расплыв смеси по конусу Хагерманна негидрофобизированного состава (ПАПБ-1) равен 32 см, а с гидрофобизатором (ПАПБ-13) — 21 см. Такое загущение смеси связано с низкой смачиваемостью стеаратов, перекрывающих поверхность минеральных частиц и наличием вовлеченного воздуха. Для увеличения расплыва смеси необходимо было незначительно увеличить В/Т — отношение (0,107 (ПАПБ-13)).

Введение стеарата цинка в бетон, существенно уменьшило показатели прочности в начальные сроки твердения образцов в нормальных условиях. Прочностные показатели у гидрофобизированного бетона оказались на 23 % ниже, чем контрольного. Такое заметное снижение прочности у бетона с порошкообразным стеаратом цинка связано с понижением плотности с 2437 кг/м³ до 2312 кг/м³.

Несмотря на понижение прочностных показателей архитектурно-декоративного гидрофобного порошково-активированного песчаного бетона, они все же остаются достаточно высокими.

Водопоглощение по массе гидрофобизированных образцов архитектурно-декоративного порошково-активированного бетона в первые часы насыщения образцов в воде низкое и составляет 0,68 %, что в 2,3 раза ниже контрольного состава (1,61 %). Водопоглощение гидрофобизированного бетона на 3 сутки было 2,29 %, что также ниже контрольного состава в 1,22 раза. Значения водопоглощения гидрофобизированных составов становятся равными значениям контрольного состава через 22 суток. Можно отметить, что гидрофобный эффект гидрофобизированных составов сохраняется до 21 суток. При более длительном нахождении образцов в воде до 3 месяцев гидрофобный эффект уменьшается и составы с гидрофобизатором насыщают 3,9 % воды по массе за счет более высокой пористости.

Принятый состав бетона, в котором три основных компонента представлены гранитом — гранитная мука, тонкий гранитный песок и песок-заполнитель, которые составляют 67 % по массе от всех сухих компонентов бетона, открывают широкие возможности для производства и реализации таких компонентов на горных выработках. Это карьеры диорита, сиенита, диабаза, базальта, лабрадорита и т. п. Использование их продукции позволят создавать не только декоративные бетоны различной цветовой гаммы, но и высокопрочные и долговечные песчаные бетоны.

На следующем этапе исследований изучено капиллярное водопоглощение архитектурно-декоративного порошково-активированного бетона. Влажность бетона в различных сечениях по его высоте не будет одинаковой за счет разного сечения капилляров. Капиллярный подъем происходит за счет сил поверхностного натяжения, возникающих на границе раздела твердых и жидких сред.

Капиллярный подсос определяли в соответствии с ЕN 1015–18:2002 на балочках 40×40×160 мм, установленных в воду вертикально на глубину 7 мм. В течение одной недели производили наблюдение за высотой подъема воды по перемещению границы смачивания образцов и изменением их массы. Показано, что стеарат цинка значительно уменьшает капиллярное всасывание образцов бетона в первые минуты и часы экспонирования образцов воде. Так, капиллярное водонасыщение гидрофобизированных образцов через 15 минут нахождения образцов воде в 2 раза ниже значений водопоглощения по массе контрольного состава (0,1 %), и составляло 0,052 %. Значение капиллярного подсоса гидрофобного состава через неделю были ниже значения контрольного состава в 1,3 раза. В целом, можно отметить, что значения капиллярного подсоса как контрольного, так и гидрофобного составов малы.

В процессе капиллярного подсоса бетона контрольного состава отмечено, что к 7-м суткам высота подъема жидкости по капиллярам находится в пределах 6–8 % от высоты образцов-балок. На балках с гидрофобизатором высота подъема составила 3,7–4 % от высоты образца, равной 160 мм. В ходе капиллярного подсоса в течение недели отмечено полное отсутствие высолообразования на поверхности гидрофобизированных бетонов.

Проведенные исследования по объемной гидрофобизации бетонов порошкообразным стеаратом цинка не позволили получить высоких результатов по гидрофобизации. В связи с этим необходимо было изучить поверхностные способы гидрофобизации при использовании которых не затрагивается изменение растекаемости самоуплотняющихся бетонов и их прочностных показателей.

Работа выполнена при поддержке Стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013–2015 годы (СП-4621.2013.1) (Суздальцев О. В.).

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. Теоретические основы смачиваемости мозаичных гидрофобно-гидрофильных поверхностей. Строительные материалы. 2008. № 1. С. 47–49.

3.                  Калашников В. И., Мороз М. Н., Нестеров В. Ю., Хвастунов В. Л., Макридин Н. И., Василик П. Г. Металлоорганические гидрофобизаторы для минерально-шлаковых вяжущих. Строительные материалы. 2006. № 10. С. 38–43.

4.                  Калашников В. И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч.3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего. Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22.

5.                  Калашников В. И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. Популярное бетоноведение. 2008. № 3. С. 102.