Эффективные композиционные строительные материалы на основе сухих смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СУХИХ СМЕСЕЙ

Дергунов С. А., Орехов С. А.

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный

университет», г. Оренбург

Новое тысячелетие характеризуется огромным разнообразием применения различных инноваций, внедрением новых новаторских идей, использованием опережающих технологий и созданием благоприятных условий для дальнейшего динамического развития относительно всех аспектов деятельности человека.

Современная отрасль строительного производства отличается неординарностью, своенравием форм и криативностью внешнего образа зданий и сооружений, что сопровождается созданием максимальной безопасности, оптимального микроклимата и повышенного комфорта для человека. Применение современных методик проектирования, учитывающих всевозможные факторы изменения различных видов нагрузок и нюансы дальнейшей эксплуатации зданий, позволяют внедрять в жизнь сложнейшие замыслы архитекторов.

Создание таких объектов требует использования огромного разнообразия эффективных строительных материалов, номенклатура которых уже трудно поддается классификации.

Отрасль производства и применения сухих строительных смесей относительно молодое, но динамично развивающееся направление строительной индустрии. В России их внедрение в практику строительства началось с 90-х годов прошлого века. За небольшой период времени сухие смеси стали неотъемлемой частью современного строительства и завоевали высокий авторитет у российских строителей. Высокое качество, технологичность, мобильность, экологичность и культура производства работ способствовали практически повсеместному вытеснению традиционных строительных растворов продуктами нового поколения - модифицированными сухими строительными смесями.

Современный этап развития отрасли производства и применения сухих смесей можно обозначить как «становление». В 2003 г. представлена классификация данных продуктов, только появились нормативные документы, регламентирующие качественные показатели и методики их определения, разрабатываются различные подходы к проектированию. Таким образом, методологический аппарат в данном направлении находится в самом начале своего формирования.

Ранее в наших работах показана принципиальная схема комплексного проектирования эффективных составов сухих строительных смесей, в соответствии с которой отчетливо выделяются два блока [1]:

· разработка и оптимизация минеральной части;

· модификация минеральной системы продуктами строительной химии.

Процесс разработки и оптимизации минеральной части начинается с решением вопросов рационального выбора сырьевых компонентов с учетом географического положения и технико-экономического развития региона.

Исследование гранулометрического состава заполнителей, с целью получения наиболее плотных структур, для смесей различного назначения позволил разработать способ подбора фракционных составов песка (рис. 1). Наиболее плотная упаковка в данном случае подбирается на материале в рыхлонасыпанном состоянии, что полностью отражает влияние структурных особенностей зерен на взаимное их распределение в определенном объеме. На основе экспериментальных данных разрабатывается практическая модель, позволяющая выбрать зоны максимально плотных упаковок.

Исследования в данном направлении продолжаются, анализируются пески различных месторождений региона, ведется поиск общих тенденций оптимальной укладки и структурных особенностей зерен с учетом условий образования месторождений (рис. 2).

смесь строительный пластификатор порошковый

Результаты, полученные на этапе исследования системы «цемент-наполнитель», позволили получить разбавленные вяжущие различных марок направленного спектра действия. Тонкомолотые дисперсные компоненты различной минеральной природы, введенные в состав системы «цемент-наполнитель», существенным образом повлияли на реологические и структурно-механические свойства вяжущего. Изменение качественного и количественного состава частиц дисперсной фазы привело к изменениям условий межчастичных взаимодействий и образованию первичных кластерных структур. Оптимальная концентрация и вид наполнителя обеспечили минимизацию внутренних напряжений за счёт организации структуры композита, затруднили рост трещин в твердеющих дисперсных системах и, тем самым, снизили повреждённость материала.

Разработанные схемы взаимной укладки на основе микроскопического анализа, не противоречат результатам, полученным с помощью метода электронной микроскопии (рис. 3) . Содержание наполнителей способствует оптимизации порового пространства за счет снижения среднего размера капиллярных пор и увеличения их однородности по размерам.

Разработка и оптимизация минеральной части проведена посредством метода математического планирования эксперимента. Выбор параметров оптимизации произведен исходя из экономической целесообразности. Варьирование расхода цемента преследовало цель - выявление его минимального количества, обеспечивающего получение строительного раствора определённых характеристик.

Результаты, полученные при разработке минеральной части, позволили получить оптимальные составы немодифицированных строительных растворов с улучшенными физико-механическими и строительно-техническими свойствами. С целью дальнейшего улучшения отдельных характеристик необходимо вводить химические добавки различного функционального назначения.

Все выше представленные этапы базируются на методиках и экспериментальных данных смежных направлений строительной науки, накопивших достаточный опыт и значительный объем информации.

Во втором блоке рассмотрены вопросы модификации минеральных систем. Именно здесь заключаются самые трудности как в правильном выборе методик исследования, анализе и обобщении экспериментальных данных, сравнении полученных результатов с имеющимися аналогами, так и в постановке самой задачи.

Основные сложности заключаются в следующем:

· отсутствие общепринятых методик исследования;

· значительная податливость модифицированных систем внешним факторам (температура, влажность …);

· многообразие продуктов строительной химии различного функционального назначения;

· принципиальные отличия взаимодействия модификаторов одной группы;

· нестабильность поверхностных явлений в модифицированных системах для планомерного исследования;

· отсутствие открытой информации по ряду продуктов строительной химии;

· проявление полифункциональности влияния;

· противоречивость результатов различных источников.

Это свидетельствует о том, что процессы модификации минеральных систем носят сложный и неоднозначный характер. Разрешение этих пробелов позволит систематизировать не только ранее накопленный опыт и оптимизировать методологический аппарат данного направления, но и скомпоновать модель подбора эффективных комплексных модификаторов - премиксов для минеральных систем широкой области применения. Это - первостепенная цель дальнейших исследований.

Анализ научно-технической литературы позволяет определить следующие основные функциональные компоненты в составе большинства комплексных добавок для модификации минеральных систем:

· пластификаторы;

· гидрофобизаторы;

· редисперсионные полимерные порошки.

Современные добавки, вводимые в незначительном количестве от массы вяжущего вещества, существенно изменяют комплекс реологических, физико-механических и структурных характеристик минеральной системы. Суперпластификаторы являются обязательными компонентами практически всех модифицированных сухих строительных смесей, применяемыми как отдельно, так и в составе премиксов (комплексных добавок).

Пластифицирующие добавки можно классифицировать по их химическим основам, которые отражены на рисунке. Вопрос влияния, эффективности и принципа действия модификаторов неоднозначен и требует тщательного рассмотрения. Несмотря на то, что в работе ряда отечественных и зарубежных ученых выявлены общие тенденции применения пластификаторов различных химических основ в минеральных системах, пока не удается устранить противоречия между результатами экспериментальных данных исследователей. Кроме того, в современном строительстве известно множество добавок-комплексов, полученных присоединением к основным полимерным цепочкам отдельных групп, позволяющих проявить модификатору дополнительный функциональный эффект.

Адсорбция добавок на поверхности твердых частиц активирует смачивающее действие воды вследствие снижения поверхностного натяжения на границе основных фаз: «вода - твердое тело» и «вода - воздух». Снижение поверхностного натяжения позволяет воде не только преодолевать силы сцепления на границах раздела, но и пренебречь работой на преобразования из геометрического тела с наиболее экономичным развитием поверхности - шара в тонкую поверхностную пленку. Несмотря на то, что основным назначением добавок является повышение подвижности или снижение количества воды затворения смеси, изменение этих характеристик приводит к эволюции порового пространства камня на ее основе. Оптимизация порового пространства вследствие улучшения удобоукладываемости растворных смесей приводит к уменьшению капиллярной всасываемости, водопоглощения и водопроницаемости, а также к повышению морозостойкости, что позволяет достичь значительной долговечности отделочных покрытий [2]. Диффузия влаги извне во внутренние слои раствора и обратно сопровождается массопереносом агрессивных агентов и растворенных соединений гидратированных образований цементного камня, что приводит к накоплению деструкций, ослаблению пространственной структуры и снижению надежности композита.

Проведенные исследования влияния порошковых пластификаторов различных химических основ на реологические, физико-механические и структурные характеристики минеральной системы позволили определить оптимальные дозировки добавок и разработать диаграмму их рациональной взаимозаменяемости (рис. 4).

Для дальнейшей оптимизации структуры камня с целью повышения долговечности и улучшения водоотталкивающих свойств стало исследование минеральной системы модифицированной порошковыми гидрофобизаторами.

Как показывают предварительные результаты все гидрофобные добавки можно разделить на две группы: активные и неактивные. Если порошковые модификаторы на основе стеаратов можно условно отнести к группе неактивных гидрофобных агентов, химически невзаимодействующие с компонентами растворной смеси то олеаты участвуя в процессах гидратации, становятся частью уже гидрофобизированных новообразований цементного камня.

Исследования в данном направлении продолжаются. Заключительным этапом станет изучение кинетики процессов твердения гидрофобных систем с расчетом оптимальных дозировок добавок.

Еще одним фактором надежности и долговечности отделочных покрытий является их способность сопротивляться развитию внутренних трещин и напряжений возникающих в процессе эксплуатации. Комплекс традиционных мероприятий по повышению трещиностойкости покрытия, укладка армирующих слоев либо введением в раствоную смесь фибры, не всегда рационален. Можно предположить тот факт, что достигнув естественную трещиностойкость раствора, функциональная необходимость армирующего элемента пропадает.

В ряде научно-исследовательских работ отмечена активация работы минеральной системы по самозалечиванию в естественных условиях эксплуатации, при введении в ее состав полимерных составляющих. Данные компоненты, растворяясь в воде при приготовлении смеси, равномерно распределяются по всему объему, при гидратации цемента не препятствуют росту новообразований, однако стимулируют работу по созданию однородной структуры посредством закупорки каналов пор и стягиванию (залечиванию) трещин формирующимися полимерными мостиками.

На заключительном этапе исследовательской работы будет проведен анализ сопоставимости различных функциональных агентов и разработана практическая модель разработки эффективных комплексных добавок для сухих строительных смесей различного назначения (рис. 5).

Выполнение комплекса мероприятий по изготовлению сухой строительной смеси с введением в них комплексных модификаторов, содержащих различные по функциональности продукты строительной химии, позволит достичь необходимого уровня структурной плотности раствора, гидрофобности, непроницаемости, морозостойкости, стойкости к трещинообразованию и т.д. что обеспечит надежность и долговечность эксплуатации отделочного покрытия.

Еще одним направлением практического применения результатов исследования является апробация премиксов в составах различных цементных бетонов. Учитывая тот факт, что свойства бетона во многом определяются капиллярно-пористой структурой матричного материала (цементно-песчаный раствор) полученные результаты будут объективны и для них.

Список источников

1. Дергунов С. А. Комплексный подход к проектированию составов сухих строительных смесей общестроительного назначения: диссертация канд. техн. наук.: 25.03.25 - Строительные материалы и изделия / Дергунов Сергей Александрович - Самара - 2006. - 206 с.

2. Хигерович М. И. Гидрофобно-пластифицирующие добавки для цементов, растворов и бетонов / М. И. Хигерович, В. Е. Байер. - М.: Стройиздат, 1979. - 126 с., ил.

Размещено на Allbest.ru